Электроснабжение ЦОД 3
Резервы экономии Коэффициент полезного действия ИБП (КПД) — чрезвычайно важный параметр, его указывают все производители в спецификации к своему оборудованию. Для ИБП мощностью 100 кВА КПД=93 % означает, что 7 % мощности рассеивается в тепло и ИБП помимо выполнения непосредственной функции по защите питания представляет собой еще и печку мощностью около 7 кВт. При этом мало кто из производителей сообщает своим заказчикам, что приведенные данные справедливы при 100 % нагрузке. Для бестрансформаторных ИБП хороший показатель КПД равен примерно 94-95 %, для трансформаторных — 92 % при полной нагрузке. Казалось бы, разница невелика. Однако ИБП, работающие в ЦОД, на 100 % никогда не нагружены из-за высокого уровня резервирования. Для определения реального уровня КПД у производителей необходимо запрашивать графики зависимости КПД конкретной модели ИБП от уровня нагрузки.
Юрий Копылов, технический директор московского филиала Eaton Power Quality Oy, поясняет, почему это важно: «Если разница КПД двух моделей ИБП составляет всего 1 %, это может дать заметную экономию электроэнергии, которая год от года дорожает». Он приводит пример: стоимость 1 кВт/ч электроэнергии для промышленных предприятий в Европе (Бельгия) составляет 15,1 евроцентов, в нашей стране — 1,45 руб. За 100 кВт/ч придется заплатить в Бельгии 15,1 евро, в России — 145 рублей (около 4,5 евро). Выигрыш в 1 % КПД при нагрузке 100 кВт позволяет сэкономить в год 1 % х 100 кВт х 24 ч х 365 дней = 8760 кВт. В денежном выражении для Бельгии это составит 0,151 х 8760 = 1323 евро в год, а в России — 0,045 х 8760 = 394 евро. С учетом охлаждения эти цифры составят 1650 и 492 евро в год соответственно.
В непосредственной зависимости от КПД находится и такой показатель как время автономной работы ИБП.
При работе ИБП часть энергии теряется на выпрямителе, часть на инверторе. Вклад этих потерь по отношению к нагрузке значительно выше у ИБП с худшим показателем КПД, и разница во времени автономной работы для двух ИБП с разными КПД может оказаться очень заметной.
Заводи мотор! Константин Соколов, руководитель экспертного отдела компании «Аби-тех», отмечает специфическую особенность работы ДГУ при переходе на автономное питание ЦОД. Высокий уровень резервирования нагрузки в центрах обработки данных в сочетании с ошибками в проектировании может привести к неочевидному, но отрицательному эффекту. Если в ЦОД используется резервный дизель-генератор, и оба ДГУ нагружены не более чем на 50 %, а в параллельной системе ИБП нагружены менее чем на 100 %, то в конечном итоге мощность ДГУ может значительно превысить реальную мощность нагрузки.
Производители ИБП, указывая характеристики КНИ потоку на входе, сообщают их значения при 100 % нагрузке. Однако если выпрямитель нагрузить менее чем на 100 %, то КНИ по току будет значительно выше заявленного. В этой ситуации специалисты сталкивались с таким явлением. Система регулирования ДГУ начинает компенсировать нелинейность, но, как правило, без специальных ухищрений сделать этого не может. В результате у генератора начинается «заброс» по напряжению — система регулирования начинает увеличивать ток в обмотке возбуждения, что приводит к увеличению напряжения. Генератор пытается снизить его путем уменьшения тока в обмотке возбуждения. Это может привести к тому, что с выхода генератора будет поступать меньше мощности на нагрузку и напряжение совсем пропадет. Поскольку система не оптимизирована на протекание высоких токов, она испытывает дополнительные потери мощности и перегрев. При сильно недогруженном ИБП генератор может просто отключиться, выдав ошибочное сообщение о завышении частоты «Over Frequency». Во избежание этой ситуации необходимо правильно рассчитывать схемы резервирования, либо применять адекватные системы фильтрации, ИБП с IGBT-выпрямителями, или бустерные системы, обеспечивающие низкий уровень КНИ по току.
В установившемся режиме чрезмерное завышение мощности ДГУ над мощностью ИБП может иметь и другие неприятные последствия. В режиме холостого хода дизель-генератора наблюдаются следующие процессы. Переход ДГУ в режим малого хода сопровождается резким уменьшением подачи топлива. Для работы на более низкой частоте система автоматически меняет пропорции газовой смеси — резко снижает количество подаваемой в камеру газовой смеси и нагнетает соответствующее количество воздуха. Понижение частоты вращения двигателя приводит к уменьшению давления впрыскивания, в результате чего распределение смеси происходит неравномерно.
При нагревании легкие фракции испаряются и сгорают, а более тяжелые осаждаются на металлических поверхностях в виде стойких отложений. Несгоревшие фракции топлива осаждаются на стенках цилиндров, попадают в подпоршне-вую полость, налипают в выхлопном тракте. При очередном увеличении нагрузки из-за повышения температуры выпускных газов может произойти воспламенение отложений в подпоршневых областях, продувочном и выпускном ресивере, что угрожает серьезными авариями двигателя. Поэтому следует избегать длительной работы ДГУ в режиме малых нагрузок (!). Для поддержки ресурсов агрегата необходимо периодически проводить «прожиг» — подключать машину к определенной нагрузке и эксплуатировать в течение установленного времени.
Дизель-генераторная установка и источник бесперебойного питания рассчитаны на работу в различных эксплуатационных режимах, поэтому их категорически недопустимо устанавливать рядом в одном помещении ЦОД. Впрочем, бывает и так, что ДГУ и ИБП находятся слишком далеко друг от друга, что также ведет к ряду сложностей — при прокладке кабелей требуются непростые кабельные разводки, которые не должны мешать прочей инфраструктуре, особенно в центре города.
В новой серии трехфазных систем SG производства GE Consumer & Industrial каждый ИБП работает в режиме VFI (Voltage Frequency Independent — напряжение и частота независимы). Серия SG характеризуется высокой степенью защиты от искажений на входе, она разработана с использованием методологии «Шесть Сигма», благодаря которой обеспечивается высокий класс надежности и производительности. Надежность повышается при параллельном подключении до восьми ИБП на основе разработанной GE фирменной технологии RPA (Redundant Parallel Architecture). С помощью RPA любой ИБП управляется по принципу равноправных устройств с резервированием всех критичных элементов и функций, исключая нерезервируемые точки отказа. При необходимости мощность системы, состоящей из параллельно работающих ИБП, может быть изменена посредством отключения или подключения к системе дополнительных ИБП через децентрализованный байпас.
В апреле ожидается анонс новой системы SE Digital Power производства GE Consumer & Industrial, ориентированной на применение в ЦОД. Собранная из гарантированно совместимых компонентов и протестированная в полном объеме, эта система представляет собой готовое комплексное решение: система шкафов помимо встроенного ИБП (или параллельной системы ИБП) включает также вводные устройства, АВР дизелей, системы учета, устанавливаемые на устройства распределения нагрузки, позволяющие тарифицировать отдельно каждого клиента.
Слабое звено Неотъемлемым звеном ИБП переменного тока и электропитающей установки постоянного тока являются аккумуляторные батареи (АБ). Стандарт TIA-942 рекомендует применение в центрах обработки данных герметичных необслуживаемых аккумуляторов, изготовленных по технологии VLRA (свинцово-кислотных герметизированных батарей с регулирующими клапанами). Важный параметр аккумуляторной батареи — срок ее службы. Этот параметр обычно декларируется производителем АКБ при соблюдении нескольких важных условий — температуры эксплуатации, числа циклов разряд/заряд, глубины разряда, вольт-амперной характеристики при заряде и т. д. Одним из наиболее критичных параметров, влияющих на срок службы АКБ, является температура. Существует оптимальный температурный диапазон, при котором обеспечиваются наилучшие параметры АБ как по сроку службы, так и по емкости.
Многие производители ИБП используют технологии оптимизации режима подзаряда аккумуляторов, позволяющие продлить срок службы АБ и усовершенствовать диагностику состояния аккумуляторов. Основным является использование температурной компенсации параметров заряда с использованием термодатчиков, измеряющих температуру в батарейном шкафу. Благодаря применению технологии периодического подзаряда, обеспечивающей периоды отдыха аккумулятора, достигается меньшая внутренняя коррозия пластин батарей.
Фирменная технология Advanced Battery Management (АМВ) компании Eaton позволяет увеличить срок службы батарей на 50 %. Это достигается за счет предотвращения износа положительного электрода путем заряда лишь тогда, когда это необходимо: ток непрерывной подзарядки отсутствует более 90 % времени. Технология АВМ обеспечивает и температурную компенсацию: система выполняет регулировку напряжения заряда батарей в соответствии с температурой внутри корпуса ИБП переменного тока.
Соблюдение регламента технического обслуживания АБ — один из важнейших факторов обеспечения заявленного срока их службы. Одним из следствий нарушения условий эксплуатации может стать реакция со срывом в режим «терморазгона», способным привести к разрушению батареи. Классические аккумуляторы с гелевым электролитом достаточно устойчивы к данному явлению, хуже ведут себя в этом отношении батареи AGM. Зона, в которой размещаются батареи и ИБП в ЦОД, часто отделена от серверного зала. Для этого тяжелого оборудования укрепляется основа пола — заливается бетонная «подушка», либо устанавливается металлическая разгрузочная рама. Другая причина, по которой ИБП выносится за пределы серверного зала, — высокая стоимость единицы площади помещения и внутреннего пространства стоек, нуждающихся в усиленном кондиционировании.
