Rambler's Top100
Статьи ИКС № 07-08 2015
Петр ВАШКЕВИЧ  Александр ЛАСЫЙ  08 сентября 2015

Статический ИБП + ДГУ. Классический «дуэт» не сдает позиций

Колебаться в выборе между ДДИБП и комплексом «статический ИБП + ДГУ» можно только в ситуации, когда мощность создаваемой СБГЭ составляет 1–3 МВт. Оптимизация параметров классического «дуэта» позволяет расширить сферу его применимости.

Александр Ласый, заместитель директора департамента, КРОК  Петр Вашкевич, главный инженер департамента, КРОК 

Когда выгодны ДДИБП, а когда – «дуэт»?

В нескольких статьях в 2013–2014 гг. мы рассказывали о преимуществах сравнительно новых для российского рынка дизельных динамических источниках бесперебойного питания (ДДИБП или DRUPS). При этом мы так активно отстаивали их достоинства, что могло сложиться впечатление, будто недостатков у них нет. На самом же деле у них есть и недостатки, и определенные ограничения в использовании.

За более чем пять лет использования ДДИБП не смогли серьезно потеснить на рынке классический «дуэт», и это обусловлено рядом причин, как объективных, так и субъективных. К субъективным можно отнести инерционность мышления проектировщиков: они хорошо знают, как проектировать «дуэт», а ДДИБП еще нужно осваивать и доверия к нему меньше. Объективная причина нетехнического плана заключается в том, что в России строится сравнительно немного мощных (более 5 МВт) ЦОДов и других объектов подобной мощности с системами бесперебойного и гарантированного электропитания (СБГЭ). А именно для подобных объектов использование ДДИБП наиболее выгодно.

Скромное обаяние классики

 

Антон ЖУКОВ, системный инженер подразделения IT Business, Schneider Electric

Несмотря на технологическое развитие дизельных динамических источников бесперебойного питания (ДДИБП), у традиционного «дуэта» – статического ИБП и ДГУ – есть свои весомые плюсы.

Первый из них заключается в том, что номинальные мощности выпускаемых статических ИБП в большинстве случаев меньше номинальных мощностей ДДИБП. Это позволяет более точно подобрать систему необходимой мощности, не переплачивая за неиспользуемый в данный момент запас, и таким образом повысить эффективность системы в целом. Это особенно важно, если проект создания ЦОДа предусматривает многократное поэтапное введение ИТ-нагрузки с небольшим шагом по мощности.

Второе преимущество – время автономной работы статических ИБП. В промежутке от пропадания питания в сети до пуска ДГУ батареи способны поддерживать нагрузку 5–15 мин, а кинетический модуль ДДИБП до запуска своего ДГУ – 5–15 с. Скажем, при минутном пропадании электропитания ДГУ в классической схеме запускаться не будет вовсе, а ДДИБП отреагирует на кратковременную «панику» в сети полноценным запуском ДГУ. Меньшее количество пусков ДГУ классической схемы означает меньший его износ, снижение расхода топлива и сокращение количества и объема топливных баков и места для их размещения и хранения.

Третий плюс статических ИБП связан с тем, что в них используется химический накопитель энергии (батареи), тогда как в ДДИБП – механический (кинетический модуль). Химические процессы в свинцово-кислотных АКБ хорошо поддаются контролю и прогнозированию. Все выпускаемые сейчас батареи этого типа проходят сертификацию института EUROBAT и при заранее определенных параметрах окружающей среды рассчитаны на определенный срок службы и количество циклов перезаряда. Технологии интеллектуального управления зарядным напряжением, закладываемые в программу работы ИБП производителем, также увеличивают срок службы АКБ. Сервисное обслуживание таких батарей не требуется. Процессы, происходящие в кинетических модулях ДДИБП, во всяком случае, на нынешнем этапе их развития, никак не прогнозируются и не управляются. Модуль может проработать без сбоев 10–15 лет, а может выйти из строя через месяц.

Дополнительным преимуществом является хорошо проработанная нормативная база для систем статических ИБП. Для таких ИБП предусмотрены государственные стандарты (ГОСТы) и обязательные процедуры сертификации соответствия этим стандартам. С ДДИБП все иначе. Специальных стандартов для них нет. В России такие устройства не производятся. Поэтому все устанавливаемые в России ДДИБП ввозятся из-за рубежа, что в отсутствие ГОСТов означает неизбежное наличие проблем на таможне. 

Мы и раньше говорили, и убедились на практике за более чем четыре года эксплуатации, что основные преимущества ДДИБП состоят в уменьшении капитальных и эксплуатационных затрат. Но эти преимущества проявляются лишь при условии оптимизации решения под конкретные тип и мощность установки (цена 1 кВт мощности ДДИБП сильно варьируется как от производителя к производителю, так и внутри продуктовой линейки каждого из них). Это означает, что настоящую выгоду от использования ДДИБП можно ощутить при проектировании ЦОДа с нуля, имея возможность «заточить» все решения под конкретную машину. Стоимость системы электроснабжения ЦОДа существенно превышает стоимость всех остальных инженерных систем вместе взятых, поэтому оптимизировать нужно в первую очередь именно систему электроснабжения.

Оптимальными условиями использования ДДИБП в проекте являются большая (несколько мегаватт) общая мощность и ввод в строй крупными функциональными модулями – по 1 МВт и более (мощность оптимизируется под мощность единичного ДДИБП). В этом случае характеристики ДДИБП настолько превосходят характеристики классической пары «статический ИБП + ДГУ», что использование последних целесообразно лишь при каких-то особых условиях. При строительстве небольших ЦОДов, общей мощностью до 2 МВт, преимущества ДДИБП уже не так очевидны и для их использования появляются серьезные ограничения.

Таким образом, для действующих объектов либо для объектов, на которых нет возможности провести оптимизацию под конкретные машины, преимущества ДДИБП в части капитальных затрат в значительной мере нивелируются. Классические системы в этом случае обеспечивают значительно большую гибкость – продуктовые линейки шире, производителей больше, машины легко объединяются в параллельные группы, что позволяет играть мощностями систем в широких пределах, а значит, цена 1 кВт легко оптимизируется под любую нагрузку с любой требуемой схемой масштабирования. Значительно большие возможности масштабирования – важное преимущество классики. Когда требуется построить объект со степенью масштабирования, например, 10, альтернатив классике нет, так как ДДИБП в этом случае почти наверняка сильно проиграют в начальных капзатратах. Еще один аргумент в пользу классики применительно к масштабируемости: стоимость 1 кВт мощности ДГУ нелинейно уменьшается вместе со снижением его мощности вплоть до мощностей порядка 500 кВт. То есть мощность 2000 кВт, например, дешевле набрать четырьмя машинами по 500 кВт плюс одна резервная, работающими в параллель, нежели одной машиной 2000 кВт плюс одна резервная. И разница весьма существенная даже с учетом дополнительной обвязки. Для ДДИБП этот порог значительно выше (порядка 1500 кВт). Таким образом, для классики минимальный шаг масштабирования в три раза меньше, чем для системы на ДДИБП. Это различие часто имеет принципиальное значение для заказчика.

При проектировании и строительстве ЦОДов мощностью менее 1 МВт ДДИБП утрачивают практически все свои преимущества, и использовать их целесообразно только на объектах, где главными критериями оценки системы электропитания являются надежность и коэффициент готовности. Но для этих мощностей вполне приемлемые характеристики надежности, отказоустойчивости и готовности системы при примерно таких же затратах можно получить и с помощью комплекса ИБП + ДГУ с современными системами мониторинга батарей.

Так что сравнивать ДДИБП и комплекс «статический ИБП + ДГУ» есть практический смысл только в ситуации, когда мощность СБГЭ составляет 1–3 МВт.

Обсуждать ДДИБП с отдельным кинетическим модулем (Piller, Active Power) в этой статье мы не будем, так как, во-первых, у нас нет опыта проектирования и эксплуатации этих систем, а во-вторых, они, по нашему мнению, являются фактически теми же статическими ИБП, только с кинетическим накопителем энергии вместо химического, и их достоинства и недостатки во многом схожи с достоинствами и недостатками «дуэта» ИБП + ДГУ.

Оптимизация классической пары в СБГЭ большой мощности

Как мы уже отмечали, по сумме капитальных затрат классические системы примерно аналогичны системам с ДДИБП или несколько дешевле их. В классической схеме легче оптимизировать длину линий передачи электроэнергии, что также благоприятно сказывается на капитальных и эксплуатационных затратах.

Системы бесперебойного питания мощностью 1–3 МВт обычно строят на «монолитных» ИБП, т.е. на ИБП мощностью 200–500 кВА, работающих в параллель или сегментированно. ИБП для систем общей мощностью 1–3 МВт и временем автономной работы хотя бы 10–15 мин требуют большого количества аккумуляторных батарей, а это вносит свои сложности в обеспечение адекватных задаче коэффициента готовности и отказоустойчивости.

Падение емкости даже одной батареи (одного элемента батареи) или резкое повышение ее внутреннего сопротивления могут привести к отказу или перегрузке всей системы бесперебойного питания. Избежать этого можно двумя путями: 1) уменьшить периоды между осмотрами и инструментальным контролем емкости и внутреннего сопротивления батарей; 2) предусмотреть при проектировании и установить при вводе в строй систему онлайн-мониторинга каждой батареи. И то, и другое повышает стоимость системы: первое увеличивает эксплуатационные расходы, второе – капитальные затраты. Эксплуатационные расходы на замену вышедших из строя батарей при этом примерно одинаковы.

Серьезное внимание нужно уделить выбору типа батарей и заявленному сроку их службы. При расчете стоимости эксплуатации нельзя забывать, что заявленное время работы батарей, 12 лет например, никак не является гарантией того, что они проработают это время. Как показывает практика, примерно 30% батарей выходят из строя в первые три года эксплуатации в штатных климатических условиях. Еще 30–40% АКБ выходят из строя за следующие пять лет. До заявленного срока службы обычно доживают не более 20–30% батарей. И для этого еще нужно обеспечить оптимальные климатические условия их эксплуатации. Общеизвестно, что свинцово-цинковые АКБ очень не любят перегрева и при температурах выше 25°С быстро и необратимо теряют емкость. Так, 1 ч работы батарей при температуре 30°С снижает их емкость примерно на 10–20%. Серьезную опасность представляет то, что в силу технологических особенностей батареи (элементы батарей) теряют емкость неравномерно. Соответственно, общий показатель емкости может быть хорошим, индикатор запаса времени автономной работы может показывать вполне приемлемое время автономии, но реально ИБП может перестать работать в автономном режиме буквально через считанные минуты, и ДГУ не успеет нормально запуститься и принять нагрузку по сигналу от ИБП. Из этого следует, что АКБ нужно охлаждать прецизионными кондиционерами достаточной мощности, чтобы стабильно поддерживать комфортную температуру работы в пределах 20±5°С.

Если необходимо добиться высокого коэффициента готовности СБГЭ, то мы рекомендуем использовать для мониторинга батарей специальные онлайновые системы, которые могут работать как автономно, так и в составе общих систем автоматизации ЦОДа, и выдавать данные о параметрах батарей на общую SCADA-систему.

Снизить капитальные затраты на классические системы можно отделением ИБП от батарей, что позволяет серьезно сэкономить на стоимости системы охлаждения. Современные ИБП работоспособны до +40°С и не требуют высокой точности поддержания температуры, т.е. их можно охлаждать простейшей вентсистемой по принципу свободного охлаждения с подмесом. Гораздо более требовательные АКБ выделяют на порядок меньше тепла, причем кратковременно, а 99% времени тепла вообще практически не выделяют. Таким образом, система кондиционирования для АКБ будет менее мощной, а потому более дешевой.

В последнее время доказали свою надежность и поэтому набрали популярность бестрансформаторные ИБП большой мощности (сотни киловатт единичной мощности). Бестрансформаторное решение позволило на 1–2% повысить КПД ИБП в режиме двойного преобразования. Нужно отметить, что схемотехника современных моделей ИБП (и трансформаторных, и бестрансформаторных) не столько повышает КПД системы в режиме максимальной мощности (здесь прирост за последнее время не превысил 1–3%), сколько расширяет диапазон эффективной работы. Высокий КПД (94% и более) теперь обеспечивается при нагрузке от 20% и выше. В этом еще одно преимущество классики, ведь ДДИБП обладают хорошим КПД именно на максимальной мощности, а с ее падением ситуация ухудшается, так как затраты на привод ротора и потери холостого хода дросселя и мотор-генератора от нагрузки не зависят. При типовой схеме резервирования по питанию 2N (нормальная нагрузка на плечо менее 50%) это преимущество становится вполне осязаемым.

Для ЦОДов с некритичными приложениями («Яндекс», Facebook и т.п.) ситуация еще интереснее, так как в современных ИБП технология «зеленого» режима – режима электронного байпаса с практически мгновенным при необходимости переходом в режим двойного преобразования – достигла существенного прогресса. В этом режиме ИБП показывают КПД до 99,5%, обеспечивая достаточную для широкого круга задач надежность питания.

Однако там, где питание от сетей нестабильно, при расчете эксплуатационных расходов мы не рекомендовали бы ориентироваться на КПД «зеленого» режима. При нестабильном питании «зеленые» системы часто переходят в автономный режим для поддержания характеристик электропитания, а в этом режиме их КПД соответствует схемотехнике, т.е. для ИБП двойного преобразования не превышает 90–94% в зависимости от нагрузки.

К слову, системы с резервированием N + 1 при N > 1 всегда имеют лучший общий КПД, чем системы с резервированием 2N, вследствие того, что последние работают с нагрузкой более 50% только в случае сервисного обслуживания одного из ИБП. Поскольку 100%-ной нагрузки у системы электропитания не бывает практически никогда, а средняя не превышает 60%, то в обычном режиме при резервировании 2N ИБП работают на нагрузку не более 30%.

Расчет нагрузки важен и при разработке системы гарантированного электроснабжения. Мы выше говорили, что один из путей оптимизации капитальных затрат – это использование фермы параллельно работающих ДГУ небольшой мощности вместо одного-двух ДГУ большой (более 1,5 МВт) мощности. В этом случае снижаются и эксплуатационные затраты, так как при автономной работе от ДГУ имеется возможность оптимизировать мощность фермы под мощность суммарной нагрузки, выводя из работы лишние (по мощности) ДГУ.

Современные технологии и схемотехника ИБП позволяют не сильно переразмеривать ДГУ, чтобы избежать «триггерного» эффекта. Для современных ИБП, обеспечивающих плавный переход с батарей на внешнее питание от ДГУ, запас по мощности нужен не более 10–15%.

Еще одна важная задача системы бесперебойного питания – питание системы кондиционирования. Необходимо помнить, что элементы системы кондиционирования должны быть запитаны от отдельной системы ИБП, особенно если это системы фреонового кондиционирования прямого испарения. Для питания этих систем необходимо переразмеривание ИБП (иногда в 2 раза), поскольку их компрессоры работают в старт-стопном режиме, и у них возникают серьезные пусковые токи, которые могут существенно перегрузить систему бесперебойного питания. Для водяных и гликолевых систем риск меньше, так как к системе ИБП подключаются обычно только автоматика и насосы, а они работают практически в непрерывном режиме, или имеют частотные приводы.

В недалеком будущем

Накопители электрической энергии постоянно совершенствуются. За последнее время достигнут большой прогресс в создании недорогих промышленных батарей, безопасных в использовании и имеющих высокие технические характеристики. Сейчас взоры производителей ИБП обращены на литий-ионные батареи. У этих батарей существенно меньшая масса, чем у свинцовых, и, что самое важное, гораздо меньшее время заряда до 80% емкости. Кроме того, они отличаются стабильностью разрядных характеристик и сохраняют работоспособность при разряде до 10% и ниже. Они практически нечувствительны к колебаниям температуры, не выделяют водород при заряде, выдерживают в несколько раз больше циклов заряда/разряда, чем свинцово-цинковые. Это позволяет предположить, что в ближайшее время появятся статические ИБП, по стоимости сравнимые с традиционными, но имеющие отличные массо-габаритные показатели, небольшое время восстановления после разряда и не требующие специальных климатических систем.

Единственный барьер на этом пути – высокая цена  литий-ионных батарей. Но уже приближаются к выпуску промышленных образцов так называемые графеновые элементы и батареи, которые, как ожидается, будут иметь еще меньшую массу на единицу емкости, чем  литий-ионные, и будут дешевле их в 1,5–2 раза, т.е. даже дешевле свинцово-цинковых.

Еще одно перспективное, на наш взгляд, направление развития систем электропитания ЦОДа – системы постоянного тока напряжением 400 В (+200 В / –200 В). Сейчас они, как и классические ИБП, используют свинцово-цинковые АКБ, но в перспективе вполне могут использовать и  литий-ионные и графеновые батареи со всеми их преимуществами.

Достоинство систем постоянного тока 400 В заключается в том, что они могут использовать те же кабели и провода, что и однофазные системы переменного тока 220 В. При этом по тем же кабелям может быть передана несколько большая мощность. Система становится более безопасной для человека при эксплуатации, просто масштабируется при наращивании мощности нагрузки и имеет гораздо более простую и дешевую систему коммутации и защиты.

Некоторые производители, такие как Emerson, Eltec, уже начали малосерийный выпуск подобных систем, а производители серверов, СХД (IBM, HP, Dell и др.) и телекоммуникационного оборудования (Cisco, Juniper и др.) начали выпускать опциональные источники питания постоянного тока для своей серийной продукции. Так что в ближайшее время после преодоления сопротивления «традиционного мышления» можно ожидать серьезного прогресса и в этом направлении.

  

Надеемся, нам удалось показать, что классический «дуэт» ИБП+ДГУ еще рано списывать со счетов. В СБГЭ мощностью 1–3 МВт он вполне может конкурировать с ДДИБП.

В ЦОДах и других объектах с общей электрической мощностью до 1 МВт «дуэт» пока остается вне конкуренции: он дает более бюджетное, простое, легко масштабируемое с любым шагом изменения мощности, энергоэффективное решение. Исключение составляют случаи, когда главными критериями оценки СБГЭ являются коэф­фициент готовности системы и отказоустойчивость. 

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