Ринок ІТ промисловості є найбільшим споживачем джерел безперебійного електроживлення (ДБЖ), використовуючи приблизно 75% всіх вироблених ДБЖ. Щорічний світовий обсяг продажів обладнання ДБЖ у всі типи ЦОДів, включаючи корпоративні, комерційні та надвеликі, становить 3 млрд. $. При цьому щорічний приріст продажів обладнання ДБЖ у ЦОДи наближається до 10% і, схоже, що це не межа.
Центри обробки даних стають все більшими і це, у свою чергу, створює нові виклики для інфраструктури енергопостачання. У той час, поки ведеться довга суперечка про те, в чому статичні ДБЖ перевершують динамічні і навпаки, є одна річ, з чим погодяться більшість інженерів – у тому, що чим вища потужність, тим більше для роботи з нею підходять електричні машини: саме генератори використовуються для вироблення електричної енергії на електростанціях.
Всі динамічні ДБЖ використовують мотор-генератори, однак вони мають різні конструкції і, безумовно, відрізняються властивостями та характеристиками. Одним з таких досить поширених ДБЖ є рішення з дизельним двигуном, що механічно підключається - дизель-роторний ДБЖ (ДРІБП). Однак, у світовій практиці будівництва ЦОДів, справжня конкуренція присутня між статичними ДБЖ та іншою технологією динамічних ДБЖ – роторними ДБЖ, яка є комбінацією електричної машини, що виробляє синусоїдальну напругу природної форми та силової електроніки. Такі роторні ДБЖ мають електричний зв'язок із накопичувачами енергії, якими можуть бути як акумуляторні батареї, так і маховики.
Сучасні досягнення в галузі технологій управління, надійності, ефективності та щільності потужності, а також зниження питомої вартості потужності ДБЖ є факторами, властивими не тільки для статичних ДБЖ. Нещодавно серія Piller UB-V є гідною альтернативою.
Розглянемо далі деякі ключові критерії оцінки та вибору системи ДБЖ для сучасного великого ЦОД у контексті того, яка технологія виглядає кращою.
1. Капітальні витрати
Це правда, що статичні ДБЖ можуть пропонувати нижчу ціну за 1 кВт для невеликих систем ДБЖ, але така перевага швидко випаровується, коли йдеться про системи великої потужності. Модульна концепція, яку неминуче змушені застосовувати виробники статичних ДБЖ, обертається навколо паралельного включення великої кількості ДБЖ невеликої номінальної потужності, наприклад, розміром 250 кВт як у наведеному нижче прикладі. Такий підхід дозволяє досягти необхідного значення заданої вихідної потужності системи, але через складність безлічі дубльованих елементів втрачає 20-30% переваги в ціні порівняно з вартістю рішення на базі роторних ДБЖ. Більше того, навіть у цього паралельного з'єднання модулів є обмеження за кількістю блоків в одній системі ДБЖ, після чого самі паралельні модульні системи повинні бути паралельними, що ще більше збільшує вартість рішення за рахунок додаткових розподільних пристроїв та кабелів.
Табл. 1. Приклад рішення для ІТ навантаження 48МВт. Більший розмір моноблоків UB-V дозволяє заощаджувати час та гроші.
2. Надійність
Останніми роками ЦОДи стають дедалі більш коммодитизованими підприємствами, тоді як надійність дедалі частіше сприймається як належне. У зв'язку з цим дедалі більше зростають побоювання, що це призведе до проблем надалі. Оскільки оператори прагнуть максимального показника стійкості до відмови (кількості «9») і при цьому передбачається, що недоліки статичної технології ДБЖ найкраще долаються завдяки малому часу на ремонт (MTTR) за рахунок можливості виконання швидкої і «гарячої» заміни модулів ДБЖ. Але цей аргумент може бути саморуйнівним. Чим більше задіяно модулів, тим вища ймовірність відмови і, що важливіше, тим вищий ризик того, що така відмова призведе до втрати навантаження у загальній системі. Краще взагалі не мати збоїв.
Ілюстрація залежності кількості аварій обладнання від величини показника часу напрацювання на відмову (MTBF) у період нормальної експлуатації наведено на рис. 1 та відповідними розрахунками.
Мал. 1. Залежність кількості аварій устаткування показника MTBF.
Імовірність відмови Q(t) обладнання у період нормальної експлуатації, на ділянці (II) графіка нормальної кривої відмов, досить добре описується експоненційним законом розподілу випадкових величин Q(t) = e-(λx t), де λ = 1/MTBF – інтенсивність відмов, а t – час роботи у годинах. Відповідно, через час t у безаварійному стані буде N(t) установок від початкового числа всіх установок N(0): N(t) = Q(t)*N(0).
Середнє значення MTBF статичних ДБЖ становить 200.000 годин, а MTBF роторних ДБЖ серії UB-V Piller складає 1.300.000 годин. Розрахунок показує, що за 10 років експлуатації в аварії виявляться 36% статичних ДБЖ, і лише 7% роторних ДБЖ. З урахуванням різної кількості обладнання ДБЖ (Табл.1) це означає 86 відмов з 240 модулів статичних ДБЖ та 2 відмови з 20 роторних ДБЖ Piller, на тому самому ЦОДі з корисним ІТ навантаженням 48МВт протягом 10 років експлуатації.
Досвід експлуатації статичних ДБЖ на ЦОДах у Росії у світі підтверджує достовірність наведених розрахунків, ґрунтуючись на статистиці відмов та ремонтів, доступних із відкритих джерел.
Всі роторні ДБЖ Piller, і зокрема серія UB-V, використовують електричну машину для генерації чистої синусоїди і не використовують силові конденсатори та транзистори IGBT, які дуже часто є причинами відмов у всіх статичних ДБЖ. Більше того, статичний ДБЖ – це складна частина системи електропостачання. Складність знижує надійність. Роторні ДБЖ UB-V мають менше компонентів і міцнішу конструкцію системи (мотор-генератор), що підвищує надійність.
3. Енергоефективність
Сучасні статичні ДБЖ мають набагато кращу енергоефективність у режимі онлайн (або «нормальний» режим), ніж їхні попередники. Зазвичай, з піковими значеннями ККД лише на рівні 96,3%. Часто наводяться вищі цифри, але це можливо тільки тоді, коли статичний ДБЖ працює, перемикаючись між онлайн і альтернативними режимами (наприклад, режимом ECO-mode). Однак, при використанні альтернативного режиму енергозбереження навантаження працює від зовнішньої мережі без жодного захисту. З цієї причини на практиці в ЦОДах у більшості випадків використовується лише режим онлайн.
Серія роторних ДБЖ Piller UB-V не змінює стан при нормальній роботі, забезпечуючи ефективність до 98% в режимі онлайн для рівня завантаження 100% і на рівні 97% при завантаженні 50%.
Така різниця в енергоефективності дозволяє отримувати істотну економію електроенергії в процесі експлуатації (Табл.2).
Табл. 2. Економія витрат за електроенергію на ЦОДі 48 МВт ІТ навантаження.
4. Займаний простір
Статичні ДБЖ загального застосування стали значно компактнішими з переходом на технологію IGBT і винятком трансформаторів. Проте, навіть з урахуванням цієї обставини, роторні ДБЖ серії UB-V дають виграш 20% і більше за показником місця на одиницю потужності. Економія простору, що виникає, може бути використана як для збільшення потужності енергоцентру, так і для збільшення «білого», корисного, простору будівлі для розміщення додаткових серверів.
Мал. 2. Займане ДБЖ на 2МВт різних технологій. Реальні налаштування в масштабі.
5. Доступність
Одним із ключових показників добре спроектованого, побудованого та експлуатованого ЦОДу є його високий коефіцієнт відмовостійкості. Незважаючи на те, що 100% часу безперебійної роботи завжди є метою, у звітах зазначається, що понад 30% центрів обробки даних у світі зазнають як мінімум одного незапланованого збою на рік. Багато хто з них викликаний людськими помилками, але енергетична інфраструктура також відіграє важливу роль. Серія UB-V використовує роками перевірену технологію роторного ДБЖ Piller у моноблочному виконанні, надійність яких суттєво вища за всі інші технології. Більш того, для самих ДБЖ UB-V у ЦОДах з належним чином контрольованим середовищем не потрібне їх щорічне відключення для виконання технічного обслуговування.
6. Гнучкість
Нерідко ІТ-системи ЦОДів оновлюються та модернізуються протягом 3-5 років. Тому інфраструктури систем електроживлення та охолодження мають бути достатньо універсальними, щоб відповідати цьому та мати достатню перспективу на майбутнє. Як звичайні статичні ДБЖ, так і ДБЖ UB-V можуть бути налаштованими різними способами.
Однак склад рішень на базі останніх ширший, і, говорячи загалом, оскільки це виходить за рамки цієї статті, дозволяє мати можливість реалізації систем безперебійного електропостачання на середньовольтній напрузі 6-30кВ, для роботи на мережах з відновлюваними та альтернативними джерелами генерації, для побудови економічних наднадійних систем із ізольовано-паралельною шиною (IP Bus), що відповідають рівню Tier IV UI у конфігурації N+1.
Як висновок можна зробити кілька висновків. Чим більше розвиваються ЦОДи, тим складнішим стає завдання їх оптимізації, коли необхідно одночасно контролювати економічні показники, аспекти надійності, репутації та мінімізації впливу на довкілля. Статичні ДБЖ застосовувалися і будуть застосовуватися в майбутньому в центрах обробки даних. Проте, безперечно і те, що є альтернативи існуючим підходам у галузі систем електропостачання, які мають істотні переваги перед «старою доброю статикою».
Джерело: habr.com