Odporność systemów zasilania gwarantowanego na awarie (część 2.) - problemy z niezawodnością
Dla bezpieczeństwa prawidłowego działania centrum przetwarzania danych konieczne jest zapewnienie jemu zasilania gwarantowanego
arch. redakcji
Efektywność energetyczna,skalowalność i odporność na awarie centrów przetwarzania danych zależą od wielu czynników, ale nie może być żadnych wątpliwości, że jednym z najważniejszych jest instalacja zasilania gwarantowanego (UPS). Istnieje jednak wiele problemów związanych z projektowaniem instalacji UPS, która łączy sprawność z odpornością i skalowalnością. Artykuł ten przedstawia wyzwania i wyjaśnia, w jaki sposób można skutecznie i kosztowo efektywnie realizować założenia inwestora korzystając z najnowszych osiągnięć w technologii UPS.
Zobacz także
dr hab. inż. Paweł Piotrowski Problematyka niezawodności zasilania gwarantowanego oraz systemu informatycznego w obiektach data center (część 1.)
Artykuł zawiera wybrane zagadnienia dotyczące niezawodności zasilania gwarantowanego oraz systemu informatycznego w obiektach data center. Autor przedstawia stosowane miary niezawodności i dostępności,...
Artykuł zawiera wybrane zagadnienia dotyczące niezawodności zasilania gwarantowanego oraz systemu informatycznego w obiektach data center. Autor przedstawia stosowane miary niezawodności i dostępności, omawia aspekty techniczne i ekonomiczne związane z niezawodnością oraz formułuje wnioski końcowe.
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Riello Delta Power Sp. z o.o. Projekt przygotowania zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w elektrowni
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków...
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w jednej z kluczowych dla polskiego systemu energetycznego elektrowni w Polsce północno-zachodniej.
Niezawodność a wydajność
Kluczem do maksymalizacji odporności w instalacjach zasilania gwarantowanego UPS-ów jest wbudowana redundancja. Niestety, dodanie redundancji w tradycyjnych instalacjach oznacza jednak, że wielkości obciążenia na poszczególnych modułach UPS są zredukowane, a nisko obciążone moduły mają niższe sprawności energetyczne.
Po raz kolejny pojawienie się nowych technologii zapewnia rozwiązanie, umożliwiając skoncentrowanie obciążenia na wystarczającej liczbie modułów dla zaspokojenia chwilowego zapotrzebowania na moc, a nie jak w układach klasycznych, dzieląc je równomiernie między wszystkimi modułami UPS w systemie co oznacza, że pracujące moduły są obciążone większą mocą, a więc działają bardziej wydajnie, podczas gdy nieobciążone moduły można wysterować w stan jałowy, w którym prawie nie zużywają energii.
Gdy obciążenie systemu UPS wzrasta, moduły będące w stanie jałowym są z powrotem i niemal natychmiast wprowadzane do stanu pełnej funkcjonalności – typowo w ciągu dwóch milisekund – gwarantując, że zmiana stanu pracy jest nieodczuwalna przez odbiorniki obsługiwane przez system UPS.
Ponadto, najbardziej zaawansowane systemy zawierają układy kontroli wewnętrznej, która zapewnia, że wszystkie moduły zostaną przywrócone do normalnego trybu pracy w przypadku wykrycia jakiegokolwiek rodzaju anomalii. Dzięki temu odporność systemu na awarie jest w pełni zachowana.
Przedstawione rozwiązanie szczególnie dobrze nadaje się do zastosowania w instalacjach zasilanych z dwóch niezależnych torów A i B.
Podejście łączące wysoką sprawność z odpornością na awarie zapewnia maksymalne korzyści w instalacjach zasilania gwarantowanego, w których indywidualne zasilacze UPS składają się z kilku modułów zasilania. W takich przypadkach można bardzo dokładnie dopasować chwilowe zapotrzebowanie na moc i liczbę modułów, które muszą pracować, aby spełnić wymaganie najwyższej wydajności. Oznacza to, że praca z wysoką sprawnością może być praktycznie osiągnięta przy wszystkich poziomach obciążenia, a dostarczana moc jest dopasowana do zapotrzebowania odbiorników IT.
Rys. 1. Charakterystyki sprawności zasilaczy UPS podczas pracy w trybie online, trybie zoptymalizowanego obciążenia modułów online (VMMS) i trybie podwyższonej sprawności (ESS); rys. M. Miegoń
Inną technologią, która znacząco przyczynia się do zwiększenia sprawności energetycznej w instalacjach o wysoce redundancyjnych układach zasilaczy UPS, jest pojawienie się zasilaczy UPS z funkcją oszczędzania energii.
Najczęściej funkcja ta jest włączona do zasilaczy UPS o podwójnej konwersji, które są obecnie wykorzystywane w prawie wszystkich krytycznych zastosowaniach w centrach przetwarzania danych. Działanie opiera się na zasilaniu odbiorników bezpośrednio z sieci elektrycznej, gdy parametry napięcia mieszczą się w założonych granicach tolerancji i nie występują zakłócenia.
Jeżeli pojawią się problemy związane z jakością zasilania, następuje przejście do trybu podwójnej konwersji w czasie poniżej dwóch milisekund. Zmiana trybu pracy jest całkowicie niewidoczna dla podłączonych urządzeń.
Należy podkreślić, że w czasie zmiany trybu pracy nie występują przełączenia mechaniczne, a jedynie zmiana wysterowania elementów półprzewodnikowych. W trybie oszczędzania energii, który nie ma negatywnego wpływu na niezawodność, sprawność energetyczna osiąga 99% lub więcej.
Niezawodność i chłodzenie
Przy zastosowaniu wysoce wydajnych zasilaczy UPS, operatorzy centrów przetwarzania danych coraz częściej poszukują dodatkowych rezerw wentylacyjnych jako sposobu pozyskania jeszcze większych oszczędności energii. Obecnie faktem jest powszechne zainteresowanie technologią „swobodnego chłodzenia”, w której powietrze o temperaturze otoczenia stosuje się do chłodzenia urządzeń w centrach przetwarzania danych.
W zakresie zmniejszenia oddziaływania na środowisko centrum przetwarzania danych tendencje te są godne pochwały, ale konsekwencją ich przyjęcia jest to, że temperatura w wielu centrach przetwarzania danych jest znacznie wyższa i już nie tak dokładnie kontrolowana niż kiedyś.
Z tego powodu coraz ważniejsze staje się branie pod uwagę, w jaki sposób zachowuje się system UPS w podwyższonych temperaturach. Większość zasilaczy UPS jest zaprojektowania do pracy do określonej temperatury maksymalnej, która wynosi najczęściej 40°C, zgodnie z normą EN 62040. Należy jednak wystrzegać się produktów, w których producent kwalifikuje ten limit temperatury z komentarzem w rodzaju: „pod warunkiem, że”, które mogą sugerować, że potrzebne będzie obniżenie wartości parametrów znamionowych, przy osiąganiu deklarowanej temperatury.
Nawet jeśli UPS może być używany bez ograniczania obciążenia w temperaturze do 40°C, to warto się zastanowić, co się stanie na przykład, gdy temperatura otoczenia osiąga 45°C? Czy UPS wyłączy się i pozbawi odbiorniki zasilania?
Rys. 2. Większość zasilaczy UPS jest dostosowana do pracy normalnej przy określonej temperaturze maksymalnej, która wynosi najczęściej 40°C; rys. M. Miegoń
Istnieje wiele przykładów, w których takie zachowanie byłoby zupełnie nie do przyjęcia; nikt nie będzie utrzymywał, że praca w podwyższonej temperaturze jest dobra dla zasilacza, ale jest mało prawdopodobne, aby doprowadzić do szybkiego uszkodzenia, a zwiększone ryzyko degradacji będzie prawie zawsze lepszym rozwiązaniem niż nieoczekiwana przerwa zasilania dla odbiorników. Z tych względów najlepsze zasilacze UPS dla zastosowań krytycznych mogą być skonfigurowane tak, aby poradzić sobie łagodnie w warunkach nadmiernego wzrostu temperatury, jaka może pojawić się na przykład w przypadku awarii systemu chłodzącego.
W niektórych zastosowaniach, przy wzroście temperatury, zmiana trybu pracy do trybu podwyższonej sprawności energetycznej może być wykonana w sposób opisany w poprzednim punkcie, powodując zmniejszenie emisji ciepła.
Nawet jeśli praca w trybie oszczędzania energii nie ma zastosowania lub została wyłączona, odporne zasilacze UPS nadal działają, aż temperatura elementów półprzewodnikowych w ich strukturach staje się tak duża, że awaria jest nieuchronna, dopiero wtedy następuje wyłączenie chroniące własne układy przed uszkodzeniem.
Takie założenie oznacza, że praca w temperaturach otoczenia znacznie przekraczających wartości maksymalne podane w specyfikacjach może być możliwa przez zaskakująco długi czas, zwłaszcza przy mniejszych obciążeniach, kiedy UPS generuje mniejszą ilość ciepła, dając w ten sposób dodatkową odporność systemu i umożliwiając zasilanie odbiorników, nawet w przypadku awarii systemu chłodzącego lub innych warunków awaryjnych skutkujących podwyższeniem temperatury w pomieszczeniu UPS.
Niezawodność i zarządzanie bateriami akumulatorów
Baterie akumulatorów są istotną częścią każdego zasilacza UPS, co oznacza, że niezbędne staje się skuteczne zarządzanie nimi, jeśli chcemy osiągnąć wysoki poziom niezawodności całego systemu. W szczególności ważne jest pamiętanie o ich właściwościach.
Gdy baterie są poddawane rozładowaniom o dużym prądzie przez krótki czas, bezpieczne jest rozładowanie do stosunkowo niskiego napięcia odcięcia. Zazwyczaj dzieje się tak w układach UPS, pod warunkiem, że UPS pracuje przy blisko pełnym obciążeniu. Biorąc powyższe pod uwagę (niskie napięcie odcięcia) okazuje się, że w wielu przypadkach mogą być zastosowane mniejsze, lżejsze i mniej kosztowne baterie akumulatorów.
Jednak szczególną ostrożność należy zachować w instalacjach, w których zasilacze UPS mogą być lekko obciążone okresowo lub cały czas. Wtedy baterie akumulatorów rozładowywane są powoli i aby je chronić, wymagane jest wyższe napięcie odcięcia.
Jest mało prawdopodobne, aby spowodowało to właściwy dobór baterii akumulatorów – ponieważ są najczęściej dobierane do wymaganego czasu pracy, przy pełnym obciążeniu znamionowym – natomiast ma znaczenie dla utrzymania baterii w dobrym stanie. System zarządzania bateriami akumulatorów musi być wyposażony w funkcję automatycznego dostosowania napięcia odcięcia w zależności od poziomu obciążenia baterii.
Aby osiągnąć długą żywotność baterii akumulatorów i maksymalną oszczędność eksploatacyjną, system zarządzania akumulatorami powinien również zawierać inteligentne sterowanie ładowaniem, które dostosowuje parametry ładowania w funkcji zmian temperatury otoczenia. Ponadto najlepsze układy ciągłego monitorowania stanu baterii doładowują je tylko w razie potrzeby. W porównaniu z powszechnie stosowanym podejściem ładowania buforowego, inteligentne sterowanie ładowaniem wykazuje wydłużenie czasu pracy baterii nawet o 50%.
Regularne testowanie baterii jest kolejnym kluczowym wymogiem dla niezawodnej pracy UPS-a. Bez takiego badania nie jest możliwe poznanie prawdziwego stanu baterii akumulatorów, aż do momentu, gdy UPS wymusi z nich pobór energii dla zasilania odbiorników. Wtedy może być za późno, by poradzić sobie z pojawiającymi się problemami.
Test rozładowania jest zdecydowanie najdokładniejszym sposobem oceny stanu baterii.
Zalecane są systemy zarządzania, które oferują automatyczne testy rozładowania baterii akumulatorów, ponieważ ten rodzaj badań przeprowadzany okresowo daje niezawodne wczesne ostrzeżenie przed pogorszeniem stanu baterii. Moc pobierana z akumulatorów podczas automatycznego testu musi być ustalona na poziomie, który zapewni prawdziwy test stanu baterii akumulatorów, ale głębokość rozładowania nie może być zbyt duża, ponieważ wpływa na żywotność baterii.
Niezawodność, odporność i dostępność
Wiele już napisano na temat niezawodności, ale wciąż jest to temat, który jest słabo poznany, szczególnie w odniesieniu do złożonych systemów redundancyjnych. Proponowane, uproszczone metody obliczeń dla takich systemów są zwykle niewystarczające.
Do oszacowania niezawodności systemu zasilania gwarantowanego należy stosować bardziej zaawansowane metody obliczeniowe, takie jak w modelu Markowa.
Należy zwrócić uwagę, że istotniejszym problemem nie jest średni czas między awariami (MTBF – Mean Time Between Failure), ale średni czas pomiędzy awariami krytycznymi (MTBCF – Mean Time Between Critical Failure), gdzie awaria krytyczna to taka, która powoduje, że system nie jest w stanie wykonywać swojej podstawowej funkcji. Na przykład, w systemie zasilania gwarantowanego UPS, w obliczaniu MTBF będzie brane pod uwagę prawdopodobieństwo awarii wskaźnika LED, ale nie przy obliczeniu MTBCF, ponieważ zasilacz UPS będzie nadal zasilał odbiorniki, nawet jeśli dioda ulegnie awarii.
Przy rozważaniu odporności systemu warto pamiętać, że dwoma najważniejszymi słowami są „co, jeśli”.
Na przykład, co się stanie, jeśli komunikacja jest zerwana w systemie opartym na połączonych równolegle modułach UPS? Czy spowoduje to przełączenie na bypass lub nawet wyłączenie systemu, czy będzie możliwa w dalszym ciągu praca w trybie podwójnej konwersji?
Inny przykład: co, jeśli wystąpi awaria, gdy zasilacze UPS działają w trybie oszczędzania energii? Czy nastąpi wyłączenie systemu, czy też wszystkie moduły zmienią tryb pracy i przejdą z powrotem na pracę w trybie podwójnej konwersji?
W dobrze zaprojektowanym systemie, pojedyncza awaria komponentu lub sygnału nie powinna doprowadzić do awarii krytycznej i w pełni będą wykorzystane nowe tryby pracy, takie jak zmienne zarządzanie modułami i podział obciążenia bez wykorzystania sieci komunikacyjnej, które znacząco poprawiają niezawodność przez ograniczenie złożoności systemu i obciążenia komponentów.
Warto również podkreślić, że odporny system z możliwością serwisowania wszystkich jego elementów w czasie pracy – to znaczy, że urządzenie może być serwisowane bez przełączenia w tryb offline – daje maksymalną dostępność.
Na koniec, we wszystkich aspektach odnoszących się do niezawodności, odporności i dostępności, istnieją czynniki, które mają znaczący wpływ, ale nie zawsze są brane pod uwagę. Wśród nich należy wymienić oddziaływania człowieka (zgodnie z danymi Uptime Institute 70% awarii spowodowane jest bezpośrednio przez człowieka), obsługi systemu oraz wpływu środowiska lokalizacji, w którym system zostanie zainstalowany, w szczególności w odniesieniu do niezawodności zasilania sieciowego, jakości i dostępności lokalnego wsparcia serwisowego, a także prawdopodobieństwo wystąpienia problemów związanych ze środowiskiem.
Wnioski
Do niedawna łączenie odporności na awarie ze sprawnością systemów UPS w centrach przetwarzania danych było dużym wyzwaniem.
Redundancja może być stosowana jako sposób na poprawę niezawodności, ale prowadzi do wzrostu wydatków inwestycyjnych w zakresie wyposażenia i zwiększenia kosztów eksploatacji. Oznacza to, że w niektórych przypadkach utrzymanie wysokiego poziomu sprawności i zmniejszenia wydatków odbywa się kosztem ograniczenia niezawodności. I pomimo wykorzystania zalet skalowalności oferującej potencjalnie atrakcyjny sposób na zmniejszenie nakładów inwestycyjnych, także w tym przypadku dostrzegane są konsekwencje dla niezawodności, ze względu na dodatkową złożoność wprowadzoną przez układy równomiernego podziału obciążenia w konwencjonalnych modułowych systemach UPS.
Współcześnie, dzięki najnowszym osiągnięciom technologicznym, sytuacja jest zupełnie inna. Redundancja nie musi wpływać na sprawność, ponieważ najnowsze modułowe systemy UPS mogą być skonfigurowane w taki sposób, że obciążenie jest zawsze skoncentrowane na najmniejszej liczbie modułów niezbędnych do jego zasilania, co skutkuje tym, że moduły są obciążone przy poziomie najwyższej sprawności, a zatem działają bardziej wydajnie. Oznacza to, że możliwe jest projektowanie wysoce redundantnych systemów o niskiej wartości współczynnika efektywności zużycia energii PUE (ang. Power Usage Effectivness).
Dawne wady związane ze skalowalnością również zostały rozwiązane. Moduły UPS z wewnętrzną funkcją równomiernego współdzielenia obciążenia, która nie opiera się na sieci komunikacyjnej i sterownikach głównych, wyeliminowały problemy związane z niezawodnością, występujące w tradycyjnych systemach modułowych. W rzeczywistości połączenie równoległe modułów UPS, które mają samodzielny podział obciążenia, może zwiększyć ogólną niezawodność, zapewniając dodatkowy poziom redundancji.
Wszystko to oznacza, że nie ma już żadnego ograniczenia przy wykorzystaniu skalowalności, aby zmniejszyć koszty inwestycyjne – przy wyposażaniu centrum przetwarzania danych inwestycje w rozwój infrastruktury zasilania mogą iść w parze ze wzrostem zapotrzebowania na moc.
