Der Markt der IT-Branche ist der größte Verbraucher unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV) und nutzt etwa 75 % aller hergestellten USV. Der jährliche weltweite Umsatz mit USV-Geräten für alle Arten von Rechenzentren, einschließlich Unternehmens-, Gewerbe- und Ultragroß-Rechenzentren, beläuft sich auf 3 Milliarden US-Dollar. Gleichzeitig nähert sich die jährliche Umsatzsteigerung von USV-Geräten in Rechenzentren der 10-Prozent-Marke, und es scheint, dass dies nicht die Grenze ist.
Rechenzentren werden immer größer und das wiederum stellt die Energieinfrastruktur vor neue Herausforderungen. Während es eine lange Debatte darüber gibt, inwiefern statische USVs dynamischen überlegen sind und umgekehrt, sind sich die meisten Ingenieure darin einig: Je höher die Leistung, desto besser sind elektrische Maschinen dafür geeignet: Zur Erzeugung werden Generatoren verwendet elektrische Energie in Kraftwerken.
Alle dynamischen USVs verwenden Motorgeneratoren, sind jedoch unterschiedlich konstruiert und weisen definitiv unterschiedliche Merkmale und Eigenschaften auf. Eine dieser recht verbreiteten USVs ist eine Lösung mit einem mechanisch verbundenen Dieselmotor – eine Diesel-Rotations-USV (DRIBP). In der weltweiten Praxis des Rechenzentrumsbaus besteht jedoch ein echter Wettbewerb zwischen statischen USVs und einer anderen dynamischen USV-Technologie – rotierenden USVs, bei denen es sich um eine Kombination aus einer elektrischen Maschine, die eine sinusförmige Spannung natürlicher Form erzeugt, und Leistungselektronik handelt. Solche rotierenden USVs verfügen über eine elektrische Verbindung mit Energiespeichern, bei denen es sich entweder um Batterien oder Schwungräder handeln kann.
Moderne Fortschritte in der Steuerungstechnik, Zuverlässigkeit, Effizienz und Leistungsdichte sowie geringere Stückkosten der USV-Stromversorgung sind Faktoren, die nicht nur bei statischen USVs zu finden sind. Die kürzlich vorgestellte Piller UB-V-Serie ist eine würdige Alternative.
Schauen wir uns einige der Schlüsselkriterien für die Bewertung und Auswahl eines USV-Systems für ein modernes großes Rechenzentrum genauer an und stellen fest, welche Technologie vorzuziehen erscheint.
1. Kapitalkosten
Es stimmt, dass statische USVs bei kleineren USV-Systemen einen niedrigeren Preis pro kW bieten können, aber dieser Vorteil verflüchtigt sich schnell, wenn es um größere Stromversorgungssysteme geht. Das modulare Konzept, zu dem Hersteller statischer USVs unweigerlich gezwungen sind, dreht sich um die Parallelschaltung einer großen Anzahl von USVs mit kleiner Nennleistung, beispielsweise 1 kW Größe, wie im folgenden Beispiel. Mit diesem Ansatz können Sie den erforderlichen Wert einer bestimmten Systemausgangsleistung erreichen, aufgrund der Komplexität vieler doppelter Elemente gehen jedoch 250–20 % des Kostenvorteils im Vergleich zu den Kosten einer Lösung auf Basis rotierender USVs verloren. Darüber hinaus unterliegt selbst diese Parallelschaltung von Modulen Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Einheiten in einem USV-System. Danach müssen die parallelen Modulsysteme selbst parallel sein, was die Kosten der Lösung aufgrund zusätzlicher Verteilungsgeräte und Kabel weiter erhöht.
Tisch 1. Beispiel einer Lösung für eine IT-Last von 48 MW. Die größere Größe der UB-V-Monoblöcke spart Zeit und Geld.
2. Zuverlässigkeit
In den letzten Jahren haben sich Rechenzentren immer mehr zu Standardunternehmen entwickelt, während Zuverlässigkeit immer mehr als selbstverständlich angesehen wird. In diesem Zusammenhang wächst die Sorge, dass dies in Zukunft zu Problemen führen wird. Da die Betreiber eine maximale Fehlertoleranz (Anzahl „9“) anstreben, wird davon ausgegangen, dass die Mängel der statischen USV-Technologie am besten durch eine kurze Reparaturzeit (MTTR) behoben werden können, da USV-Module schnell und im laufenden Betrieb ausgetauscht werden können. Aber dieses Argument kann selbstzerstörerisch sein. Je mehr Module beteiligt sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls und, was noch wichtiger ist, desto höher ist das Risiko, dass ein solcher Ausfall zu einem Lastverlust im Gesamtsystem führt. Es ist besser, überhaupt keine Abstürze zu haben.
Eine Darstellung der Abhängigkeit der Anzahl der Geräteausfälle vom Wert der Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) im Normalbetrieb ist in Abb. dargestellt. 1 und entsprechende Berechnungen.
Reis. 1. Abhängigkeit der Anzahl der Geräteausfälle vom MTBF-Indikator.
Die Wahrscheinlichkeit eines Geräteausfalls Q(t) während des Normalbetriebs in Abschnitt (II) des Diagramms der Normalausfallkurve wird recht gut durch das Exponentialverteilungsgesetz der Zufallsvariablen Q(t) = e-(λx t) beschrieben, wobei λ = 1/MTBF – Intensitätsausfälle und t ist die Betriebszeit in Stunden. Demnach werden sich nach der Zeit t ausgehend von der ursprünglichen Anzahl aller Anlagen N(0) N(t) Anlagen im störungsfreien Zustand befinden: N(t) = Q(t)*N(0).
Die durchschnittliche MTBF einer statischen USV beträgt 200.000 Stunden und die MTBF einer rotierenden USV der Piller-Serie UB-V beträgt 1.300.000 Stunden. Berechnungen zeigen, dass über einen Zeitraum von 10 Betriebsjahren bei 36 % der statischen USV-Anlagen ein Unfall auftritt, bei rotierenden USV-Anlagen dagegen nur 7 %. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Mengen an USV-Geräten (Tabelle 1) bedeutet dies 86 Ausfälle von 240 statischen USV-Modulen und 2 Ausfälle von 20 rotierenden Piller-USV-Modulen im selben Rechenzentrum mit einer IT-Nutzlast von 48 MW über 10 Betriebsjahre.
Erfahrungen mit dem Betrieb statischer USVs in Rechenzentren in Russland und auf der ganzen Welt bestätigen die Zuverlässigkeit der oben genannten Berechnungen, basierend auf Statistiken über Ausfälle und Reparaturen, die aus offenen Quellen verfügbar sind.
Alle rotierenden USVs von Piller und insbesondere die UB-V-Serie nutzen eine elektrische Maschine zur Erzeugung einer reinen Sinuswelle und verzichten auf Leistungskondensatoren und IGBT-Transistoren, die bei allen statischen USVs sehr häufig die Ursache für Ausfälle sind. Darüber hinaus ist eine statische USV ein komplexer Bestandteil des Stromversorgungssystems. Komplexität verringert die Zuverlässigkeit. UB-V-Rotations-USVs verfügen über weniger Komponenten und ein robusteres Systemdesign (Motor-Generator), was die Zuverlässigkeit erhöht.
3. Energieeffizienz
Moderne statische USVs haben eine viel bessere Online-Energieeffizienz (oder „normalen“ Modus) als ihre Vorgänger. Typischerweise mit Spitzenwirkungsgradwerten von 96,3 %. Oft werden höhere Werte angegeben, diese sind jedoch nur erreichbar, wenn die statische USV durch Umschalten zwischen Online- und Alternativmodus (z. B. ECO-Modus) arbeitet. Bei Verwendung des alternativen Energiesparmodus wird die Last jedoch ungeschützt über das externe Netz betrieben. Aus diesem Grund nutzen Rechenzentren in der Praxis in den meisten Fällen ausschließlich den Online-Modus.
Die Rotations-USVs der Piller UB-V-Serie ändern ihren Zustand im Normalbetrieb nicht und liefern online einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % bei 100 % Last und einen Wirkungsgrad von 97 % bei 50 % Last.
Dieser Unterschied in der Energieeffizienz ermöglicht erhebliche Stromeinsparungen im Betrieb (Tabelle 2).
Tisch 2. Energiekosteneinsparung in einem Rechenzentrum mit 48 MW IT-Last.
4. Platz belegt
Statische USVs für allgemeine Zwecke sind durch den Übergang zur IGBT-Technologie und den Wegfall von Transformatoren deutlich kompakter geworden. Selbst unter Berücksichtigung dieses Umstands bieten rotierende USV-Anlagen der UB-V-Serie einen Platzgewinn von 20 % oder mehr pro Leistungseinheit. Die daraus resultierende Platzersparnis kann sowohl zur Leistungssteigerung der Energiezentrale als auch zur Vergrößerung der „weißen“ Nutzfläche des Gebäudes zur Unterbringung zusätzlicher Server genutzt werden.
Reis. 2. Platzbedarf von 2-MW-USVs unterschiedlicher Technologien. Echte Installationen im Maßstab.
5. Verfügbarkeit
Einer der Schlüsselindikatoren für ein gut konzipiertes, gebautes und betriebenes Rechenzentrum ist sein hoher Ausfallsicherheitsfaktor. Während eine 100-prozentige Betriebszeit immer das Ziel ist, deuten Berichte darauf hin, dass mehr als 30 % der Rechenzentren weltweit mindestens einen ungeplanten Ausfall pro Jahr erleiden. Viele davon sind auf menschliches Versagen zurückzuführen, aber auch die Energieinfrastruktur spielt eine wichtige Rolle. Die UB-V-Serie nutzt die über Jahre bewährte rotierende USV-Technologie von Piller in Monoblock-Bauweise, deren Zuverlässigkeit deutlich höher ist als bei allen anderen Technologien. Darüber hinaus erfordern UB-V-USVs selbst in Rechenzentren mit einer ordnungsgemäß kontrollierten Umgebung keine jährlichen Abschaltungen zur Wartung.
6. Flexibilität
Oftmals werden die IT-Systeme von Rechenzentren innerhalb von 3–5 Jahren aktualisiert und modernisiert. Daher müssen Energie- und Kühlinfrastrukturen flexibel genug sein, um dies zu berücksichtigen, und ausreichend zukunftssicher sein. Sowohl herkömmliche statische USVs als auch UB-V-USVs können auf verschiedene Arten konfiguriert werden.
Das Spektrum der darauf basierenden Lösungen ist jedoch breiter und ermöglicht im Allgemeinen, da dies den Rahmen dieses Artikels sprengt, die Implementierung unterbrechungsfreier Stromversorgungssysteme bei einer Mittelspannungsspannung von 6 bis 30 kV Arbeiten Sie an Netzwerken mit erneuerbaren und alternativen Erzeugungsquellen, um kostengünstige, hochzuverlässige Systeme mit einem isolierten Parallelbus (IP-Bus) aufzubauen, der der Tier-IV-UI-Ebene in einer N+1-Konfiguration entspricht.
Als Fazit lassen sich mehrere Schlussfolgerungen ziehen. Je mehr sich Rechenzentren entwickeln, desto komplexer wird die Aufgabe, sie zu optimieren, wenn es darum geht, gleichzeitig wirtschaftliche Indikatoren, Aspekte der Zuverlässigkeit, des Rufs und die Minimierung der Umweltauswirkungen zu kontrollieren. Statische USVs wurden und werden in Zukunft in Rechenzentren eingesetzt. Unbestritten ist aber auch, dass es im Bereich der Energieversorgungssysteme Alternativen zu bestehenden Ansätzen gibt, die deutliche Vorteile gegenüber der „guten alten Statik“ haben.
Source: habr.com