Сравнение современных статических и роторных ИБП. Статические ИБП достигли своего предела?

Рынок ИТ индустрии является самым большим потребителем источников бесперебойного электропитания (ИБП), используя примерно 75% всех производимых ИБП. Ежегодный мировой объем продаж оборудования ИБП во все типы ЦОДов, включая корпоративные, коммерческие и сверхбольшие, составляет 3млрд.$. При этом ежегодный прирост продаж оборудования ИБП в ЦОДы приближается к 10% и, похоже, что это не предел.

Центры обработки данных становятся все более и более крупными и это, в свою очередь, создает новые вызовы для инфраструктуры энергоснабжения. В то время, пока ведется долгий спор о том, в чем статические ИБП превосходят динамические и наоборот, есть одна вещь, с чем согласятся большинство инженеров – в том, что чем выше мощность, тем больше для работы с ней подходят электрические машины: именно генераторы используются для выработки электрической энергии на электростанциях.

Все динамические ИБП используют мотор-генераторы, однако они имеют разные конструкции и, определенно, различаются свойствами и характеристиками. Одним из таких довольно распространенных ИБП является решение с механически подключаемым дизельным двигателем – дизель-роторный ИБП (ДРИБП). Однако, в мировой практике строительства ЦОДов, настоящая конкуренция присутствует между статическими ИБП и иной технологией динамических ИБП – роторными ИБП, которая представляет собой комбинацию электрической машины, вырабатывающей синусоидальное напряжение естественной формы и силовой электроники. Такие роторные ИБП имеют электрическую связь с накопителями энергии, которыми могут быть как аккумуляторные батареи, так и маховики.

Современные достижения в области технологий управления, надежности, эффективности и плотности мощности, а также снижения удельной стоимости мощности ИБП являются факторами, присущими не только для статических ИБП. Недавно представленная серия Piller UB-V является достойной альтернативой.

Рассмотрим далее некоторые ключевые критерии оценки и выбора системы ИБП для современного крупного ЦОДа в контексте того, какая технология выглядит более предпочтительной.

1. Капитальные затраты

Это правда, что статические ИБП могут предлагать более низкую цену за 1 кВт для небольших систем ИБП, но такое преимущество быстро испаряется, когда речь заходит о системах большой мощности. Модульная концепция, которую неизбежно вынуждены применять производители статических ИБП, вращается вокруг параллельного включения большого числа ИБП небольшой номинальной мощности, например, размером 250 кВт как в приведенном ниже примере. Такой подход позволяет достичь требуемого значения заданной выходной мощности системы, но из-за сложности множества дублированных элементов теряет 20-30% преимущества в цене по сравнению со стоимостью решения на базе роторных ИБП. Более того, даже у этого параллельного соединения модулей есть ограничения по числу блоков в одной системе ИБП, после чего сами параллельные модульные системы должны быть параллельными, что ещё больше увеличивает стоимость решения за счет дополнительных распределительных устройств и кабелей.

Табл. 1. Пример решения для ИТ нагрузки 48МВт. Больший размер моноблоков UB-V позволяет экономить время и деньги.

2. Надежность

В последние годы ЦОДы становятся все более коммодитизированными предприятиями, в то время как надежность все чаще воспринимается как должное. В связи с этим, все более возрастают опасения, что это приведет к проблемам в дальнейшем. Поскольку операторы стремятся к максимальному показателю отказоустойчивости (количеству «9») и при этом предполагается, что недостатки статической технологии ИБП лучше всего преодолеваются благодаря малому времени на ремонт (MTTR) за счет возможности выполнения быстрой и «горячей» замены модулей ИБП. Но этот аргумент может быть саморазрушительным. Чем больше задействовано модулей, тем выше вероятность отказа и, что более важно, тем выше риск того, что такой отказ приведет к потере нагрузки в общей системе. Лучше вообще не иметь сбоев.

Иллюстрация зависимости числа аварий оборудования от величины показателя времени наработки на отказ (MTBF) в период нормальной эксплуатации приведена на рис. 1 и соответствующими расчетами.

Рис. 1. Зависимость числа аварий оборудования от показателя MTBF.

Вероятность отказа Q(t) оборудования в период нормальной эксплуатации, на участке (II) графика нормальной кривой отказов, достаточно хорошо описывается экспоненциальным законом распределения случайных величин Q(t) = e-(λx t), где λ = 1/MTBF – интенсивность отказов, а t – время работы в часах. Соответственно, через время t в безаварийном состоянии будет N(t) установок от начального числа всех установок N(0): N(t) = Q(t)*N(0).

Среднее значение MTBF статических ИБП составляет 200.000 часов, а MTBF роторных ИБП серии UB-V Piller составляет 1.300.000 часов. Расчет показывает что за 10 лет эксплуатации в аварии окажутся 36% статических ИБП, и только 7% роторных ИБП. С учетом разного количества оборудования ИБП (Табл.1) это означает 86 отказов из 240 модулей статических ИБП и 2 отказа из 20 роторных ИБП Piller, на одном и том же ЦОДе с полезной ИТ нагрузкой 48МВт в течение 10 лет эксплуатации.

Опыт эксплуатации статических ИБП на ЦОДах в России и в мире подтверждает достоверность приведенных расчетов, основываясь на статистике отказов и ремонтов, доступных из открытых источников.

Все роторные ИБП Piller, и в частности серия UB-V, используют электрическую машину для генерации чистой синусоиды и не используют силовые конденсаторы и IGBT транзисторы, которые очень часто являются причинами отказов во всех статических ИБП. Более того, статический ИБП — это сложная часть системы электроснабжения. Сложность снижает надежность. Роторные ИБП UB-V имеют меньше компонентов и более прочную конструкцию системы (мотор-генератор), что повышает надежность.

3. Энергоэффективность

Современные статические ИБП имеют гораздо лучшую энергоэффективность в режиме онлайн (или «нормальный» режим), чем их предшественники. Как правило, с пиковыми значениями КПД на уровне 96,3%. Часто приводятся более высокие цифры, но это достижимо только тогда, когда статический ИБП работает, переключаясь между онлайн и альтернативными режимами (например, режимом ECO-mode). Однако, при использовании альтернативного энергосберегающего режима нагрузка работает от внешней сети без всякой защиты. По этой причине, на практике в ЦОДах в большинстве случаев используется только режим онлайн.

Серия роторных ИБП Piller UB-V не изменяет состояние при нормальной работе, при этом обеспечивая эффективность до 98% в режиме онлайн для уровня загрузки 100% и на уровне 97% при загрузке 50%.

Такая разница в энергоэффективности позволяет получать существенную экономию на электроэнергии в процессе эксплуатации (Табл.2).

Табл. 2. Экономия затрат на электроэнергию на ЦОДе 48 МВт ИТ нагрузки.

4. Занимаемое пространство

Статические ИБП общего применения стали существенно более компактными с переходом на технологию IGBT и исключением трансформаторов. Однако, даже с учетом данного обстоятельства, роторные ИБП серии UB-V дают выигрыш 20% и более по показателю занимаемого места на единицу мощности. Возникающая экономия пространства может быть использована как для увеличения мощности энергоцентра, так и для увеличения «белого», полезного, пространства здания для размещения дополнительных серверов.

Рис. 2. Занимаемое место ИБП на 2МВт разных технологий. Реальные установки в масштабе.

5. Доступность

Одним из ключевых показателей хорошо спроектированного, построенного и эксплуатируемого ЦОДа является его высокий коэффициент отказоустойчивости. Несмотря на то, что 100% времени бесперебойной работы всегда является целью, в отчетах указывается, что более 30% центров обработки данных в мире испытывают как минимум один незапланированный сбой в год. Многие из них вызваны человеческими ошибками, но энергетическая инфраструктура также играет важную роль. Серия UB-V использует годами проверенную технологию роторного ИБП Piller в моноблочном исполнении, надежность которых существенно выше всех других технологий. Более того, для самих ИБП UB-V в ЦОДах с надлежащим образом контролируемой средой не требуется их ежегодное отключение для выполнения технического обслуживания.

6. Гибкость

Нередко ИТ-системы ЦОДов обновляются и модернизируются в течение 3-5 лет. Поэтому инфраструктуры систем электропитания и охлаждения должны быть достаточно универсальными, чтобы соответствовать этому и иметь достаточную перспективу на будущее. Как обычные статические ИБП, так и ИБП UB-V могут быть сконфигурированными различными способами.

Однако состав решений на базе последних более широкий, и, говоря в общем, поскольку это выходит за рамки данной статьи, позволяет иметь возможность реализации систем бесперебойного электроснабжения на средневольтном напряжении 6-30кВ, для работы на сетях с возобновляемыми и альтернативными источниками генерации, для построения экономичных сверхнадежных систем с изолированно-параллельной шиной (IP Bus), соответствующих уровню Tier IV UI в конфигурации N+1.

В качестве заключения можно сделать несколько выводов. Чем больше развиваются ЦОДы, тем сложнее становится задача их оптимизации, когда необходимо одновременно контролировать экономические показатели, аспекты надежности, репутации и минимизации воздействия на окружающую среду. Статические ИБП применялись и будут применяться в будущем в центрах обработки данным. Однако, бесспорно и то, что есть альтернативы существующим подходам в области систем электроснабжения, обладающие существенными преимуществами перед «старой доброй статикой».

Источник: habr.com