Rambler's Top100
Статьи ИКС № 03 2011
Д. Дж. БЕККЕР   Б. Дж. ЗОННЕНБЕРГ  09 марта 2011

Высокий потенциал высоковольтных распределительных систем постоянного тока

Стремительное повышение энергопотребления в ЦОДах заставило обратить внимание на решения, увеличивающие эффективность использования электроэнергии. Одним из таких решений являются высоковольтные распределительные системы постоянного тока.

С ростом использования информационных систем растет количество и масштаб центров обработки данных. Так, только в 2004–2009 гг. в среднестатистическом ЦОДе число серверных стоек выросло в 4–10 раз. Для владельцев ЦОДов главными трудностями стали увеличение плотности электроэнергии и рост ее потребления. После 2007 г. в отрасли был внедрен ряд инициатив по повышению эффективности использования энергии. Однако эти оптимизационные меры практически не затронули системы электропитания. Поскольку чистое, бесперебойное питание жизненно важно для работы ЦОДов, владельцы этих объектов неохотно внедряют решения или технологии, которые могут поставить под угрозу их функционирование. Тем не менее общепризнанно, что традиционные системы распределения питания (48 В постоянного тока (DC) и 208 В переменного тока (AC)) имеют недостатки, которые можно минимизировать за счет использования альтернативных конфигураций и высокоэффективных компонентов без снижения надежности систем.

 

Потенциальной альтернативой традиционным системам распределения питания являются высоковольтные распределительные системы (400 В DC), позволяющие повысить эффективность потребления энергии инфокоммуникационным оборудованием. Это решение пока не получило широкого распространения, несмотря на то что пробные системы разработаны и испытаны, а их безопасность и уровни напряжения широко обсуждались в среде специалистов.

 

Преимущества новых систем – повышенный КПД, пониженное содержание медных компонентов, меньшая занимаемая площадь, более простая процедура установки, высокая надежность и улучшенный коэффициент доступности. Однако у них есть и недостатки, в частности ограниченное наличие на рынке некоторых компонентов (например, разъемов, автоматических выключателей и предохранителей), потребность в более специализированных стандартах, необходимость сбора информации об угрозах безопасности и соответствия схеме уровней надежности (модели Tier). не слишком высоко и доверие к новой технологии в целом.

 

Подробнее о достоинствах

 

При переходе в ЦОДах к высоковольтным распределительным системам (400 В DC) эффективность использования энергии в инфокоммуникационном оборудовании повышается за счет устранения каскадов преобразования, что уменьшает потери в цепях электропитания по сравнению с традиционными схемами переменного тока. Применение новых систем помогает сократить затраты на поддержание сетей 48 В DC в центрах коммутации телеком-компаний. Они также дают возможность быстро модернизировать существующее оборудование, так как большинство современных источников питания для инфокоммуникационного оборудования используют внутренние силовые шины на 400 В DC. Ток с таким напряжением вырабатывается на входном выпрямительном блоке источников питания. Еще одно преимущество высоковольтных распределительных систем – возможность простой интеграции в местную сеть распределенного производства энергии. В особенности это относится к возобновляемым источникам энергии и высокоэффективным вспомогательным потребителям, например светодиодным осветительным приборам. Таким образом, высоковольтные распределительные системы являются базой для широкого спектра других технологий, которые повышают эффективность использования электроэнергии не только в инфокоммуникационном оборудовании, но и в здании в целом.

 

Расчеты показывают, что помимо экономии энергии вследствие более высокой эффективности цепей электропитания можно на 33% снизить вредное воздействие на окружающую среду, на 15% сократить капитальные затраты на электрооборудование, на 20% повысить надежность систем и значительно уменьшить использование медной проводки. Новые системы также упрощают преобразование питания от электросети общего пользования в традиционной конфигурации (рис. 1) и от распределенных источников питания (рис. 2).

 

Более высокое напряжение постоянного тока облегчает подключение электронных устройств к «умным» электросетям, поскольку инверторам, которые могут подавать электроэнергию, выработанную распределенными источниками питания, обратно в электросеть общего пользования, не требуются повышающие преобразовательные каскады. 

Помимо этого, подключение кондиционеров, оснащенных приводами с регулируемой скоростью, может выполняться через один преобразовательный каскад. За счет этого эффективность использования электропитания можно увеличить на 5% по сравнению с традиционной конфигурацией. В свою очередь, применение кондиционеров, оснащенных приводами с регулируемой скоростью, помогает поднять тепловой КПД на 50% благодаря оптимальному использованию системы (рис. 3). Также повышается техническая готовность системы: во-первых, снижается риск выхода из строя из-за перегрева генераторной установки или неисправности безобрывного переключателя в традиционных схемах питания кондиционеров от сети переменного тока и резервного питания от дизельных генераторов; во-вторых, уменьшается количество компонентов, подключенных к системе.

 

Дополнительное преимущество более высокого напряжения постоянного тока – электронные интерфейсы системы питания. Их наличие позволяет уменьшить фильтры для сглаживания помех и развязки напряжения. Высокое напряжение также облегчает создание синергических продуктов для различных отраслей промышленности и внедрение высокоэффективных светодиодных систем освещения.

 

Сравнение централизованных и распределенных систем

 

Существует две основные категории систем преобразования электроэнергии с помощью выпрямителей – распределенные и централизованные. На верхнем уровне в централизованной системе используется одна мощная электропитающая установка. Электропитание при этом распределяется между потребителями так же централизованно, как и во многих других системах питания, используемых в ЦОДах.

 

Р а з л и ч и я   м е ж д у   р а с п р е д е л е н н ы м и   и   ц е н т р а л и з о в а н н ы м и   с и с т е м а м и

 

Распределенные системы:

 

• предоставляют возможность подключения любого необходимого оборудования;

 

• обладают низкой начальной стоимостью;

 

• занимают меньшую площадь и создают меньшую нагрузку на перекрытия;

 

• обеспечивают более высокую плотность электроэнергии, сокращение расходов на резервирование и минимизацию затрат на расширение и техническое обслуживание;

 

• имеют меньшее время ремонта;

 

• дают возможность «горячей» замены во время работы;

 

• обеспечивают экономию энергии и оптимизацию рабочих показателей подключенных блоков за счет отключения неиспользуемых выпрямителей;

 

• имеют более низкие значения характеристик предохранителей на выходе выпрямителей и меньшую вероятность помех в шине при неисправности.

 

Централизованные системы:

 

• имеют менее гибкую архитектуру, большую потребность в материалах, рабочей силе, транспортировке и инженерных ресурсах;

 

• требуют больших расходов на расширение (вследствие необходимости отключения системы) и на резервирование по схеме N + 1;

 

• характеризуются более длительным временем ремонта;

 

• имеют жестко смонтированные вход и выход;

 

• не позволяют организовать работу с оптимальной эффективностью во всем диапазоне нагрузки;

 

• не предоставляют возможности управлять энергоснабжением.

Распределенная система состоит из небольших систем выпрямителей, работающих как единое целое, которые позволяют выполнять поэтажное распределение электропитания для потребителей и предоставляют возможность интеграции систем питания в серверные помещения. В настоящее время общепризнанным стандартом в телекоммуникациях являются распределенные системы.
 

Одно из главных преимуществ распределенных систем – высокая техническая готовность и удобство техобслуживания. При правильно выбранном размере системы с резервированием N + 1 или N + X затраты при возникновении неисправностей будут минимальны. Благодаря этому распределенные системы способны обеспечивать питание критически важных потребителей при неисправности одного или двух модулей. Кроме того, они позволяют выполнять замену в «горячем» режиме, а среднее время ремонта у них меньше, чем у централизованных систем. В результате распределенные системы обеспечивают техническую готовность оборудования, равную 0,9999999, без использования специальных мер. Еще одно их преимущество – расширенные возможности управления энергоснабжением, а именно возможность включать и отключать модули в соответствии с потреблением электроэнергии. Это повышает общую эффективность системы: во-первых, при низком энергопотреблении в системе неиспользуемые источники питания можно переключить в режим ожидания; во-вторых, можно оптимизировать использование отдельных источников; в-третьих, можно организовать циклическое включение источников питания для обеспечения равномерности их износа.

 

Высоковольтная система постоянного тока

 

Для внедрения систем распределения на 400 В DC требуется преобразование электропитания и использование распределительных компонентов для серверных стоек и ЦОДа в целом. Как и в случае с распределением переменного тока, существует множество способов распределения постоянного тока. Основной способ таков: модуль преобразования электроэнергии (выпрямитель) соединяется с устройствами накопления энергии, затем электропитание распределяется по залам и далее – на уровне серверных стоек (рис. 4). Для передачи электроэнергии от центрального узла (помещения для оборудования электропитания) или от шкафа электропитания, расположенного в помещении серверных стоек, могут применяться различные комбинации элементов. Центральное распределение электропитания требует наличия общей распределительной инфраструктуры на большой площади, в то время как при «точечном» распределении используется небольшая распределительная сеть и требуется наличие аккумуляторных батарей, расположенных на серверном этаже, вблизи потребителей.

 

Входное напряжение системы может варьироваться (12,5 кВ – 480 В AC). Существуют два основных варианта – прямое подключение к распределительному устройству среднего напряжения, установленному на входе в здание (обычно для систем большой мощности), или более распространенное подключение к входу на 480 В AC, достаточное для систем средней и малой мощности. Недостатки подключения к сети среднего напряжения – сложность обслуживания и невозможность непосредственного использования в автозале.

 

При выборе оптимальных значений рабочего напряжения для высоковольтных систем постоянного тока необходимо учитывать следующие факторы:

 

• безопасность;

 

• КПД;

 

• сечение кабелей;

 

• напряжение аккумуляторной батареи (номинальный уровень заряда и конечное напряжение разрядки);

 

• доступность компонентов (защитные устройства, разъемы, источники питания и т.д.);

 

• совместимость с возобновляемыми источниками энергии;

 

• возможность применения единого стандарта (для новых систем есть уникальная возможность разработать единый стандарт, чтобы не повторить ситуацию с наличием различных стандартов в распределительных системах переменного тока).

 

Уровни надежности

 

На ранних этапах развития ЦОДов требовалось руководство по проектированию, которое обеспечивало бы надежность и ремонтопригодность оборудования в течение запланированного времени работы. Классификация по уровням надежности (Tier 1–4) была разработана, чтобы облегчить выбор ЦОДа клиентам, которые не знают слабых мест инфраструктуры. Сегодня эту классификацию нужно пересмотреть, поскольку компетентность клиентов выросла и появились новые технологии и возобновляемые ресурсы.

 

Классификация Tier 1–4 создавалась для цепей переменного тока (для телекоммуникационного оборудования, работающего на 48 В DC, применяются другие методы). Несмотря на схожесть главных принципов, распределительные сети постоянного тока имеют существенные отличия. Системы переменного тока, использующие источники бесперебойного питания переменного тока, зависят от устранения ошибок критических путей и включения резервного питания через байпасные контуры. Эти контуры весьма сложны и обуславливают нежелательные аварийные режимы на уровне системы, что требует масштабного дублирования оборудования (параллельные системы для резервирования на более высоких уровнях надежности). При использовании ИБП постоянного тока требуются дополнительные мощности для быстрой зарядки аккумуляторных батарей. Эти мощности обычно представляют собой модульную систему выпрямителей, которая обеспечивает резервирование при нормальных условиях работы. Другими словами, в модульных системах отсутствуют проблемы с резервированием, так как аккумуляторные батареи являются главным аварийным источником питания, а выпрямители работают в качестве резервированного источника питания.

 

Системы на основе ИБП постоянного тока могут соответствовать уровню надежности Tier 3, если они обладают возможностью переключения между двумя входными сетями электропитания (рис. 5). Селекторный переключатель на входе предназначен для техобслуживания и позволяет обслуживать оборудование, расположенное выше по линии, без отключения системы.

 

Определение наиболее надежного уровня – Tier 4 – требует пересмотра, так как изменились критические требования к работе систем, особенно в средах облачной обработки данных. А именно, в современных ЦОДах допускается некоторая нестабильность работы на уровне серверных стоек, поскольку для обработки входящей нагрузки весь объем компьютерного оборудования не критичен. Поэтому в ЦОДах уровня Tier 4 можно применять концепцию частичной надежности (рис. 6). Частичное резервирование позволяет уменьшить количество оборудования, подключенного к сети питания, что повышает общую эффективность системы. Конфигурации систем 400 В DC для ЦОДов уровня Tier 4 доступны уже сегодня, несмотря на ограничения, связанные со временем ликвидации неисправностей защитных устройств. Две линии питания обеспечивают высокий коэффициент доступности при любых неисправностях.

 

 

В разработке концепции и оборудования для сетей 400 В DC активно участвуют многие предприятия и организации. В результате подтверждена возможность работы серверов от сети электропитания 400 В DC. Определены основные преимущества и трудности в использовании высоковольтных распределительных систем постоянного тока. На рынке доступно оборудование для следующего уровня точек подключения, более крупных и сложных, с мощностью от 100 кВт и более. Несколько небольших ЦОДов с электропитанием 350–380 В DC уже действуют в Европе и Японии.

 

Однако окончательное принятие и внедрение данной концепции будет зависеть от систем, разработанных с учетом всех преимуществ систем постоянного тока в отношении критических путей распределения электропитания. Системы постоянного тока не следует рассматривать в качестве абсолютной, эквивалентной замены систем переменного тока, а лишь в качестве альтернативного варианта. 

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: