Особенности подбора ИБП для ЦОД

На этапе разработки проекта и в момент эксплуатации Центра обработки данных (ЦОД) одним из ключевых моментов, которые необходимо тщательно продумать – обеспечением системой бесперебойного электроснабжения (СБЭ), чтобы при отключении электричества приборы могли продолжать работу. СБЭ основывается на источниках бесперебойного питания (ИБП).

Виды ИБП

Существуют три основных схемы, согласно которым разрабатывается конструкция СБЭ. Каждая выдвигает источник питание на первое место, который выступает не только «гарантией безопасности», но и посредником между всеми элементами системы.

Первая схема называется централизованной, которая основывается на трехфазном ИБП с высокой мощностью, к которому в свою очередь крепятся потребители электричества. Другим видом является распределительный, в котором каждый потребитель (или их группа) подсоединена к разным ИБП.

Рисунок 1 – Упрощенная структура централизованной СБЭ

Однако данные варианты «в готовом виде» имеют некоторые недостатки, например, при централизованной схеме если у ИБП произойдет сбой, то вся сеть ЦОД останется без электроэнергии. Кроме того, высока вероятность выключения потребителя в случае перебоев в цепи, которая связывает его с источником. Для распределенной схемы характерны такие нюансы как затруднительное управление СБЭ и неравномерное или нерациональное растрачивание энергии из-за варьирующейся нагрузки на ИБП.

Рисунок 2 – Упрощенная структура распределённой СБЭ

Поэтому было принято решение о разработке комбинированной системы, в которой соединились и централизованная, и распределенная. Такая схема является двухуровневой, где на первом уровне установлены трехфазные ИБП, обладающими высокими показателями стартовой мощности, а на втором расположены однофазные ИБП с меньшей мощностью.

Рисунок 3 – Упрощенная структура комбинированной СБЭ

Резервирование в СБЭ ЦОД

Чтобы увеличить прочность, используется способ резервирования, суть которого заключается в повышение противоаварийности за счет дублирования наиболее важных деталей в системе. Подобное решение подразумевает наличие в системе избытка аппаратов и осуществляется с помощью параллельного объединения нескольких приборов с дальнейшим подсоединением к нагрузке, у которой мощность не должна превышать мощности объединённых ИБП в сумме.

Самыми распространенными схемами резервирования являются N+Х и 2N, где N – это минимальная величина ИБП, при которой источник будет рентабельно функционировать.

N+1 или N+X подразумевает резервирование с использованием одного или несколько дополнительных приборов. К примеру, если взять нагрузки в 800 кВА, то для применения данной схемы, надо подключить три источника по 400 кВА каждый, два из которых нужны для функционирования, а третье является дополнительным, которое в случае выхода из строя одного из двух первых продолжит снабжать электричеством в полном объеме.

2N предполагает дублировать все компоненты, отвечающие за величину N. Практически подобная схема реализуется посредством подсоединения к нагрузке двух (или больше, но на практике используется редко) параллельных линий. Для нагрузки в 800 кВA понадобятся две линии в 800 кВА, или иначе говоря, четырем ИБП мощностью по 400 кВА.

Разработана также схема для потребителей с особо завешенными требованиями к электроснабжению. Схема представляет собой 2(N+1), которая подразумевает объединение двух вышеперечисленных схем. Иначе говоря, питание проводится по двум линиям, но при этом каждая из них имеет свой дубликат.

 В ЦОД-ах Казахстана на данный момент мало используются 3/2N или 4/3N, схемы которых подразумевает оптимизацию нагрузки и включает по меньшей мере 2/3 номинала. В первую очередь это связано с трудностями разработки, однако также не стоит забывать и про высокую стоимость подобной конструкции.

Основные условия ИБП

Для организации СБЭ наилучшим решением будет обратить внимание на ИБП on-line топологии, т.е. ИБП, которые преобразовывают энергию два раза. Подобные приборы предлагают синусоидальное напряжение, а также обеспечивают работу без перебоев, качество и долговечность.

Одним из основных показателей, на который следует сделать акцент при выборе, это показатели коэффициента полезного действия (КПД). Показатели от 93% считаются высокими, которые сокращают потребляемую прибором мощность, что в свою очередь благоприятно сказывается на затраты и на время автономного функционирования. Чем выше КПД, тем ниже выделение тепла и нагрузка на источник.

ИБП в составе ЦОД обязан легко подсоединяться к системе управления, которой оснащен объект, а также к техдиспетчеризации и обладать средствами, позволяющими производить контроль на расстоянии.

Время автономной работы напрямую зависит от количества батареек и емкости источника. Как правило, для ЦОД интервал составляет примерно час, поскольку он требует потребление высоких мощностей.

Однако надо иметь в виду, что отключение серверов и сетей даже на небольшой период времени может нести для объекта крайне неблагоприятные последствия. Поэтому ИБП также должен быть снабжен и генераторной установкой, чтобы избежать проблем в случае перебоя.

Как выбрать ИБП?

Выделяются два варианта конструирования онлайн ИБП с высокой мощностью. Во-первых, монолитный или моноблочный, который прошел испытание временем, а также модульный, который является довольно новым на рынке. Их отличие заключается в том, что модульный обеспечивает входную мощность не просто силовыми установка, а целой группой модулей, которые соединены друг с другом параллельно, а каждый модуль при этом является «стопроцентным» совпадением со стандартной силовой частью ИБП.

Увеличение мощности

С учетом децентрализации конструкции модульные механизмы предлагают большие показатели гибкости устройства и дают возможно при необходимости подключить к системе дополнительный модуль (или несколько). Данный показатель удовлетворяет требованиям ЦОД, поскольку за короткий промежуток времени и минимальные издержки центр получает максимально допустимый объем энергии.

Говоря о моноблочной системе, то процесс увеличения мощности является более трудным, поскольку необходимо присоединить по меньшей мере один полноценный ИБП на параллельную линию, а также требуется особая плата, которая в случае выхода из строя переведет всю электросеть на входную.

Проектирования схем для последующего резервирования

Как и при увеличении мощности, резервирование моноблочной-параллельной системы может быть достигнуто исключительно с использованием добавочного источника, который также называется горизонтальным резервированием.

Рисунок 4 – Резервирование за счёт монолитных ИБП (нагрузка 90 кВА)

Однако модульные источники предлагают вертикальное резервирование, что означает подсоединение одного добавочного силового блока, что способствует более рациональной работе.

Рисунок 5 – Резервирование при использовании модульных ИБП (нагрузка 90 кВА)

Прочность
Модульные ИБП предупреждают о более высоком риске отказа какого-либо элемента в системе по сравнению с моноблочными. Происходит это за счет того, что у модульных гораздо больше составных компонентов, которые в любой момент могут выйти из строя. Также это объясняет более высокие показатели средней наработки на отказ MTBF.

Однако при этом надо осознавать, что данный критерий является скорее вероятностным, и рассчитывается исходя из теории надежности, которая гласит, что чем меньше в системе компонентов, тем ниже риски ее поломки. В реальной жизни поломка может произойти в любой момент в любом устройстве с вероятностями, которые отличаются друг от друга несущественно.

Однако модульные ИБП более надежный, потому что как правило неисправность касается только одного блока, а при использовании резервного, никаких перебоев со снабжением электричества не возникнет. В то время как любая неисправность в моноблочном типе приводит либо к отключению от нагрузки, либо к полному отключению все системы при условии отсутствия дополнительного резерва мощности.

При возникновении неисправности какого-либо рода в системе электроснабжения, необходимо оперативно устранить аварийный режим и возобновить штатную работу системы.

Модельные источники обладают урезанное среднее время восстановления, которое достигается при помощи возможности провести замену проблемного модуля без перебоя в «доставке» электричества потребителям. Если система оснащена дополнительным силовым блоком, то процесс ремонта займет относительно короткий промежуток времени при условии привлечения только одного специалиста. При этом восстановление моноблочных ИБП занимает куда больше времени – от нескольких часов до нескольких дней, иногда больше.

Вопрос стоимости

Если рассматривать конструирование ИБП с точки зрения экономики, то монолитные источники будут стоить дешевле, чем модульные с абсолютно аналогичной мощностью.

Но моноблочные системы увеличат итоговую стоимость в несколько раз, если понадобится расширение всей системы, прокладка дополнительных линий или установка добавочных компонентов системы. Модельные же способствуют тратам исключительно на необходимые «здесь и сейчас» мощности на каждом отдельном этапе.

Выводы

В качестве итога можно сказать, что любой тип системы имеет свои преимущества и недостатки. Таким образом, монолитные ИБП обойдутся существенно дешевле и являются при этом более надежными в эксплуатации, поскольку состоят из меньше количества компонентов, но при этом система избыточна, что имеет негативное влияние для потребления энергии.

Модульная же система легко масштабируется, требует небольшое время на устранение каких-либо неполадок, а также является весьма эффективной в работе. Однако, она более дорогостоящая и имеет ограничения в потреблении максимальной мощности.

При конструировании СБЭ необходимо учесть огромное количество разнообразных факторов, которые имеют непосредственное влияние на конечный выбор ИБП. К таким факторам можно отнести: первоначальный капитал, площадь помещения, в котором будет располагаться оборудование, требования стандартов к различным моментам СБЭ.

Иногда предпочтение отдается «смешанному» типу конструкции, который объединяет в себе оба инженерских решения. Например, для ЦОД конструируются двухуровневые системы, которые обеспечивают работу системы без перебоев, где на первом уровне располагаются мощные моноблочные источники, а на втором модульные с меньшей мощностью.