Analiza techniczna i ekonomiczna wybranych elementów zasilania gwarantowanego dla obiektów typu data center (część 2)
Fot. 2. Urządzenie DRUPS (Diesel Rotary UPS) [11]
Zasilanie gwarantowane dla obiektów typu data center to problem złożony i wieloaspektowy. Zwiększanie niezawodności jest zawsze związane z dynamicznym wzrostem kosztów. Wybór konkretnego układu zasilania gwarantowanego oraz urządzeń UPS wymaga dokładnej analizy zarówno technicznej, jak i ekonomicznej.
Zobacz także
AUTOMATION TECHNOLOGY Sp. z o.o. Automation Technology – nowy gracz na rynku
Automation Technology prężnie działa w obszarach energetyki, automatyki przemysłowej oraz robotyki.
Automation Technology prężnie działa w obszarach energetyki, automatyki przemysłowej oraz robotyki.
mgr inż. Dominik Trojnicz, dr hab. inż. Marcin Habrych, mgr inż. Justyna Herlender Wymagania stawiane automatyce zabezpieczeniowej i regulacyjnej inwerterów typu A
Obecny bardzo gwałtowny rozwój fotowoltaiki – nie tylko w Polsce, ale na całym terenie Unii Europejskiej (UE) – niesie za sobą dużo zalet, takich jak pozyskiwanie energii z praktycznie nieskończonej energii...
Obecny bardzo gwałtowny rozwój fotowoltaiki – nie tylko w Polsce, ale na całym terenie Unii Europejskiej (UE) – niesie za sobą dużo zalet, takich jak pozyskiwanie energii z praktycznie nieskończonej energii słonecznej oraz brak emisji szkodliwych gazów, co przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych i zmniejszenia negatywnego wpływu na środowisko. Przyłączenie dużej liczby odnawialnych źródeł energii (OZE) nie pozostaje jednak bez wpływu na sieci elektroenergetyczne.
dr hab. inż. Marcin Habrych, mgr inż. Karol Świerczyński, dr inż. Bartosz Brusiłowicz Wymagania techniczne stawiane generacji rozproszonej w aspekcie elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (część 2.)
Odpowiedzią na wymagania stawiane przez Kodeks Sieciowy jest opracowanie przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej (PTPiREE) na zlecenie Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE)...
Odpowiedzią na wymagania stawiane przez Kodeks Sieciowy jest opracowanie przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej (PTPiREE) na zlecenie Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE) „Wymogów ogólnego stosowania wynikających z Rozporządzenia Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r., ustanawiającego Kodeks Sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci (NC RfG)” [4], opublikowanych w roku 2018.
StreszczenieW dwuczęściowym artykule przedstawiono analizę techniczną i ekonomiczną wybranych elementów zasilania gwarantowanego dla obiektów typu data center. Przedstawiono uproszczony przykładowy projekt zasilania gwarantowanego. Omówiono zagadnienia dostępności systemu zasilania, kosztów projektu oraz alternatywne rozwiązania urządzeń UPS. Sformułowano ponadto uwagi i wnioskiAbstractTechnical and economical analysis of chosen elements of uninterruptible power for data center objects – part 2The two parts paper presents technical and economical analysis of chosen elements of uninterruptible power for data center objects. Simplified uninterruptible power project has been presented. Chosen aspects of power supply availability, costs of project and optional solution for UPS have been described Conclusions and remarks have been formulated. |
Analiza techniczna i ekonomiczna wybranych elementów zasilania gwarantowanego
Wybór dwóch zasilaczy UPS pracujących równolegle w układzie N+1 w uproszczonym projekcie wynikał z najwyższej wartości współczynnika dostępności (wartość współczynnika jest najwyższa dla układu 1+1). Można jednak zauważyć, że zwiększenie liczby zasilaczy UPS tylko w niewielkim stopniu zmniejsza współczynnik p, można więc rozważyć ewentualność zastosowania zasilaczy UPS o innych wartościach mocy znamionowej. Analizę przeprowadzono na podstawie założeń projektowych oraz przeprowadzonych we wcześniejszym etapie obliczeń.
Z przebiegu charakterystyki przedstawionej na rysunku 1. widać, że wraz ze wzrostem mocy znamionowej zasilacza UPS, maleje jego cena jednostkowa, co oznacza, że bardziej opłacalne jest stosowanie zasilaczy UPS o większej mocy znamionowej.
Na podstawie rysunku 2. wnioskować można, że najtańszym rozwiązaniem w przypadku zasilaczy tego producenta okazuje się zastosowanie UPS-ów o mocy znamionowej 120 kVA połączonych w układ 2+1. Warto zwrócić uwagę na najdroższy układ zasilaczy, w którym wykorzystano zasilacze 300 kVA. Okazuje się, że zastosowanie zasilaczy UPS o większej mocy niż zastosowane w projekcie (250 kVA), będzie kosztowało 90 000 zł więcej. Jest to wysoka cena za ewentualny błąd w obliczeniach, skutkujący przewymiarowaniem układu zasilaczy UPS. Należy jednak podkreślić, że jest to przykładowe zestawienie urządzeń jednego producenta i w rzeczywistości może się okazać, że podobne zasilacze innych producentów mogą mieć inne ceny.
Na rysunku 3. przedstawiano charakterystyki zasilaczy o różnej mocy znamionowej połączonych w układy równoległe N+1, gdzie moc pozorna układu (a przez to koszty) jest zależna od mocy pozornej odbiorów krytycznych. Jak widać przebiegi mają charakter schodkowy, a każdy kolejny „stopień” charakterystyki polega na dodaniu do układu kolejnego zasilacza UPS, zaczynając od układu 1+1. Analizując rysunek 3. można zauważyć przedziały mocy odbiorów, dla których tańsze może okazać się połączenie w układ zasilaczy UPS o większej mocy oraz takie, gdzie zastosowanie zasilaczy mniejszej mocy obniży koszty. Dodatkowo rysunek 3. pokazuje czynnik mogący decydować o wyborze bezprzerwowego zasilacza o danej mocy, a jest nim liczba zasilaczy UPS mogących pracować w układzie równoległym. W przypadku zasilaczy tego konkretnego producenta maksymalna liczba zasilaczy UPS pracujących w układzie wynosi 8, ale można spotkać również ograniczenia do 4 lub 6 zasilaczy UPS.
Propozycje alternatywnych rozwiązań dla przyjętych w projekcie zasilaczy UPS
Do rozważanego projektu zostały wykorzystane urządzenia mające zapewnić jak najlepszą jakość zasilania oraz współczynnik dostępności [1]. W konsekwencji koszty całej struktury przekroczyły znacznie milion złotych, a należy pamiętać, że do tej kwoty nie został wliczony system klimatyzacji precyzyjnej, bez którego serwerownia nie mogłaby funkcjonować. Dla użytych w projekcie zasilaczy transformatorowych alternatywą mogą być zarówno zasilacze beztransformatorowe (bardziej niezawodne od transformatorowych chociażby z uwagi na niższą temperaturę pracy przyrządów półprzewodnikowych (większa sprawność)), jak i zasilacze UPS dynamiczne (ich zasadniczą wadą jest bardzo krótki czas podtrzymania zasilania).
Zasilacze UPS beztransformatorowe
W przypadku tych zasilaczy UPS mamy do czynienia z niższą ceną, lepszymi parametrami i niezawodnością. Jak podają niektórzy producenci, naprawa tego typu zasilacza może trwać bardzo krótko, a to ze względu na to, że technologia beztransformatorowa pozwala na skonstruowanie zasilaczy modułowych, w których ewentualna naprawa może ograniczyć się do wymiany modułu przez osobę wykwalifikowaną znajdującą się na miejscu. Przykładowo firma FAST GROUP podaje, że taka wymiana modułu wymaga tylko około 5 minut [12]. Zdatność zasilacza jest więc bardzo wysoka dzięki bardzo krótkiemu czasowi naprawy. Argumentem przemawiającym za tym rozwiązaniem może więc być wysoka jakość, niska cena oraz mały rozmiar. Zasilacze modułowe UPS zajmują nieco mniej miejsca od transformatorowych. Jednak należy preferować takie zasilacze UPS, które będą posiadały bardzo dobre i pewne w działaniu zabezpieczenia przed wystąpieniem składowej stałej napięcia na wyjściu zasilacza. Dla UPS-ów wykonanych w technologii transformatorowej możemy mieć standardowo tylko izolację pomiędzy obwodem stałego napięcia a wyjściem UPS. Aby zapewnić pełną izolację galwaniczną wejście/wyjście, trzeba dodać oddzielny transformator separujący [12].
W tabeli 2. przedstawione zostało porównanie cen zasilaczy transformatorowych i beztransformatorowych. Ze względu na problemy z uzyskaniem informacji na temat kosztów tych urządzeń, prezentowane ceny będą dotyczyły tylko zasilaczy UPS o mocach 160 kVA i 200 kVA (tylko takie dane udało się uzyskać). Warto jednak dodać, że koszty zasilaczy UPS beztransformatorowych w wersjach modułowych są o około 25% droższe od standardowych zasilaczy UPS beztransformatorowych. Problem porównania cen zasilaczy UPS transformatorowych i beztransformatorowych nie jest łatwy ani jednoznaczny z uwagi na różne aspekty problemu (jakość wykonania, niezawodność zasilacza, liczba jego elementów, stopień zaawansowania technologicznego).
Zasilacze UPS dynamiczne
Istnieje kilka argumentów za zastosowaniem tej technologii. Jak podają niektórzy producenci, średni czas pomiędzy awariami może wynosić do 100 lat. W większości urządzeń są jednak stosowane łożyska. Powstaje pytanie – czy te łożyska wytrzymają 100 lat? Bardziej realną wartością jest okres 20–25 lat, tak jak podają producenci [10, 11]. Zasilacz dynamiczny może zajmować od 40 do 60% mniejszą powierzchnię od zasilacza statycznego o tej samej mocy [11]. Nie ma również potrzeby wymiany baterii co kilka lat. Sprawia to, że taki zasilacz UPS jest bardziej przyjazny dla środowiska, a jego koszty eksploatacji są nieco mniejsze. Nie ma również potrzeby stosowania klimatyzacji.
Podobnie jak w przypadku zasilaczy modułowych, lepszy współczynnik zdatności zasilacza wpływa znacząco tylko na układ zasilaczy UPS, ale poprawa dostępności całej struktury jest znikoma (0,00000000001) (tab. 3.). Wysoka sprawność (np. 99,8% [10]), szybkie ładowanie (nawet tylko 20 sekund) i duży zakres mocy produkowanych urządzeń sprawiają, że jest to rozwiązanie, które należy na pewno wziąć pod uwagę podczas projektowania zasilania gwarantowanego dla obiektu typu data center. Przyjmując, że zasilacz dynamiczny zainstalowany jest na samym początku infrastruktury elektrycznej w obiekcie, wtedy stanowi on zintegrowany system gwarantowanego zasilania oraz kompensacji mocy biernej, bez konieczności stosowania dodatkowych filtrów oraz układów kompensujących [13]. Liczba cykli pracy nie ma wpływu na żywotność [10], w przeciwieństwie do baterii akumulatorów mających ograniczoną liczbę cykli ładowania. Wadą tego typu zasilaczy jest niestety krótki czas podtrzymania zasilania (około 10–60 sekund), czyli czas wybiegu masy wirującej, oraz zapewne wysoka cena (nie udało się na potrzeby artykułu uzyskać informacji na temat cen takich zasilaczy).
Połączenie zasilacza dynamicznego z zespołem prądotwórczym
Ciekawą alternatywą do klasycznych UPS-ów dynamicznych są urządzenia DRUPS (Diesel Rotary UPS – zasilacze dynamiczne UPS) w przedziale mocy od 470 kVA do 3000 kVA [11].
Do zalet takiego rozwiązania należą: wysoka sprawność energetyczna, brak baterii, niewielka zajmowana przestrzeń, brak pomieszczenia baterii, zintegrowana kompensacja współczynnika mocy, brak odpadów chemicznych oraz brak dedykowanej klimatyzacji [11].
Maszyna składa się z czterech głównych elementów: silnika diesla, sprzęgła mechanicznego, zasobnika z masą wirującą i prądnicy. Układ ten zastępuje tradycyjne tandemy, czyli UPS statyczny z baterią akumulatorów, zespół prądotwórczy, SZR itp. Maszyna nie wymaga zastosowania klimatyzacji do schłodzenia, a sprawność energetyczna układu dochodzi do 97%. Jako ciekawostkę warto dodać, że taką jednostkę DRUPS o mocy 500 kVA zainstalowano na terenie Lotniska im. Chopina w Warszawie. Jednostka ta w wersji kontenerowej stanowi kompletny system zasilania gwarantowanego i zapewnia ciągłość pracy systemów lotniskowych. Zasobnik energii w postaci wirującej masy stanowi moduł bezprzerwowego zasilania, natomiast będący w ciągłej gotowości silnik wysokoprężny – rezerwowe źródło zasilania. Zainstalowany w kontenerze zbiornik paliwa pozwala na ciągłą pracę urządzenia przy braku zasilania z sieci energetycznej przez ponad 20 godzin [11]. Trzeba jednak wyraźnie podkreślić, że DRUPS mają wysoką sprawność tylko dla obciążeń bliskich 100%. Dla zasilania dwutorowego, gdzie obciążenie nie przekracza 50%, sprawność ta jest znacząco mniejsza w porównaniu do UPS-ów statycznych.
Podsumowanie
Obiekty typu data center są skomplikowanymi instalacjami technicznymi mającymi na celu zachowanie ciągłości pracy odbiorów końcowych [1]. Różnorodność rozwiązań stosowanych przy projektach tego typu sprawia, że każde centrum przetwarzania danych może się znacznie różnić od pozostałych. Różnice te zaczynają się pojawiać na etapie ustalania mocy odbiorów IT, powierzchni pomieszczeń, systemów chłodzenia bądź wyboru typu urządzeń zasilania gwarantowanego. Uptime Institute oraz Telecommunications Industry Association dają narzędzia pomocne podczas projektowania tego typu obiektów w postaci klas Tier, na które składają się szeregi zagadnień i rozwiązań, bez których proces projektowania uległby wydłużeniu. Ustalenie mocy odbiorów krytycznych jest bardzo istotną częścią projektu, ponieważ uzależnione od tego parametru są wszystkie elementy zasilania gwarantowanego. Głównym elementem centrum przetwarzania danych jest pomieszczenie, w którym znajdują się serwery produkujące znaczne ilości ciepła. Na podstawie mocy tych serwerów projektuje się system chłodzenia serwerowni, rozkład szaf klimatyzacji oraz ich moc. Bez klimatyzacji serwery w krótkim czasie uległyby uszkodzeniu, co oznacza, że system klimatyzacji wymaga zasilania rezerwowego. W przypadku klas Tier I i II system chłodzenia rezerwowany jest poprzez zespoły prądotwórcze, co wskazuje na krótką pracę odbiorów krytycznych z baterii akumulatorów. W klasach III i IV część klimatyzacji zasilana jest poprzez zasilacze UPS. Dobór zasilaczy UPS oraz zespołów prądotwórczych powinien mieć na celu wybór optymalnego rozwiązania pomiędzy kosztami urządzeń, oraz współczynnikiem dostępności. Dążenie do minimalizacji kosztów inwestycji na etapie projektowania układu zasilania może doprowadzić do sytuacji, że straty powstałe podczas przerw w zasilaniu serwerów przerosną oszczędności uzyskane podczas realizacji projektu. Dlatego współczynnik dostępności obiektu jest ważnym kryterium wyboru rozwiązań stosowanych w projekcie. Przedstawione w artykule analizy mogą być przydatne dla inwestora, który chce osiągnąć jak największą roczną dostępność zasilania przy jak najmniejszych kosztach. Przykładem może być wybór technologii zasilaczy UPS. Z jednej strony istnieją droższe, większe, ale z separacją galwaniczną zasilacze transformatorowe, z drugiej, istnieją modułowe o krótkim czasie napraw, tańsze zasilacze beztransformatorowe. Oba rozwiązania sprawdzą się w projektowanym obiekcie. Tym niemniej istnieje potencjalne ryzyko wystąpienia składowej stałej napięcia na wyjściu zasilacza, a tym samym uszkodzenia serwerów w przypadku zasilaczy beztransformatorowych. Powstaje pytanie – czy i jak duże jest to zagrożenie? Otóż ryzyko wystąpienia składowej stałej w zasilaczach UPS beztransformatorowych jest w praktyce niższe niż w transformatorowych [12]. Wynika to stąd, że zasilacze beztransformatorowe mają wielopoziomowe zabezpieczenie przed przedostaniem się składowej stałej na wyjście zasilacza, natomiast zasilacze transformatorowe nie mają takich zabezpieczeń. Warto dodać, że w przypadku zasilaczy transformatorowych przebicie transformatora również może się zdarzyć. Faktem jest natomiast, że napięcie baterii w zasilaczach UPS transformatorowych jest niższe (około 400 V), a w zasilaczach UPS beztransformatorowych jest nieco wyższe (około 480 V). W przypadku konstrukcji transformatorowej UPS-a podczas pracy z falownika nie jest możliwe, żeby na wyjściu pojawiła się składowa stała napięcia. Jednak w przypadku pracy z układu obejściowego (by-pass) i uszkodzenia się jednego z tyrystorów – na wyjściu pojawi się składowa stała o dużej wartości. W przypadku, kiedy zasilacz beztransformatorowy UPS pracuje na torze obejściowym (by-pass statyczny) i jeden z tyrystorów ulegnie uszkodzeniu – na wyjściu UPS-a również pojawi się składowa stała o dużej wartości napięcia. Jednak w części modeli tych zasilaczy (np. [12]) znajdują się układy sprawdzające, czy tyrystor z toru by-pass przewodzi, czy też nie. Jeśli tyrystor jest uszkodzony – UPS w czasie 2–5 milisekund zostanie przełączony na pracę z falownika [12].
Dobrym rozwiązaniem układu równoległego zasilaczy UPS wydaje się to, które zostało zastosowane w analizowanym projekcie, ponieważ dzięki przyjęciu pracy tylko dwóch zasilaczy współczynnik dostępności jest najwyższy. Wybór zasilacza UPS transformatorowego lub beztransformatorowego jest kwestią indywidualnych preferencji. Zastosowanie zasilaczy UPS o mniejszych mocach zmniejszyłoby koszty układu, ale spadłaby również jego wartość współczynnika dostępności.
Literatura
- M. Derlacki, Uproszczony projekt zasilania gwarantowanego dla obiektów typu data center, praca dyplomowa inżynierska, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2014.
- P. Piotrowski, Analiza wybranych aspektów niezawodności i bezpieczeństwa w centrach przetwarzania danych, „elektro.info” 6/2012.
- P. Piotrowski, P. Bilmin, Analiza cech, kosztów i parametrów niezawodnościowych zasilania gwarantowanego sieci komputerowej, „elektro info” 12/2010.
- P. Piotrowski, R. Pająk, Analiza układów zasilania dla obiektu typu data center w zależności od wymaganego poziomu niezawodności, „elektro.info” 12/2012.
- T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – Urządzenia i układy, wydanie I, COSiW SEP.
- Uptime Institute, White Paper, Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance, by W.Pitt Turner IV, John H. Seader, PE, Vince Renaud, PE, and Kenneth G. Brill, rok 2008.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wydanie III, DW Medium, Warszawa 2008.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, M. Miegoń, A. Przasnyski, Poradnik projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego (wydanie II poprawione i rozszerzone), tom I, Eaton Quality Power 2008.
- http://www.estenergy.pl
- http://www.deltapower.pl/docs/flywheel.pdf
- http://www.inventpower.com
- http://www.fast-group.com.pl, katalog FAST Group sp. z o.o.
- http://www.elektro.info.pl/artykul/id5960,dynamiczne-zasilacze-ups-kolejnym-sposobem-gwarantowania-zasilania
- PN-EN 62040-3
- PN-EN 61078