Analiza techniczno-ekonomiczna stosowania dynamicznych zasilaczy bezprzerwowych UPS typu DRUPS w systemach zasilania gwarantowanego obiektów data center (część 2.)

Wprowadzenie do niezawodności zasilania gwarantowanego

Niezawodność urządzeń zasilania gwarantowanego (UPS, DRUPS) powiązana jest bezpośrednio z parametrami: MTBF oraz MTTR. MTBF (ang. Mean Time Between Failure) to średni czas pracy urządzenia między awariami podawany przez producenta. Wartości te podawane w godzinach dochodzą do wartości 150 000 h w przypadku UPS, co daje teoretycznie 17 lat nieprzerwanej pracy. Należy podkreślić, że są to dane wynikające z teoretycznych obliczeń statystycznych żywotności poszczególnych elementów układu prowadzonych przez producenta i nie należy brać ich dosłownie.

Rzeczywistą wartość MTBF obliczyć można wykorzystując wzór (1) [20]:

gdzie:

t_di – czas pracy urządzenia w i-tym odcinku pomiędzy naprawami,

n – liczba ciągłych okresów pracy urządzenia.

MTTR (ang. Mean Time To Repair) to średni czas naprawy urządzenia – okres czasu od utraty zasilania wynikającej z awarii do ukończenia naprawy i ponownego uruchomienia urządzenia. Podawany przez producentów okres to zazwyczaj 30 do 60 minut (najczęściej jest to czas samej naprawy bez czasu potrzebnego na dojazd serwisu do uszkodzonego urządzenia). W przypadku data center serwis może być dostępny w obiekcie i w takim przypadku występuje brak czasu dojazdu serwisu do miejsca naprawy.

Rzeczywistą wartość MTTR można obliczyć ze wzoru (2) [20]:

gdzie:

t_ai – czas trwania i-tej naprawy,

k – liczba napraw w okresie badania urządzenia.

Podkreślić należy, że wzory (1) oraz (2) umożliwiają oszacowanie wartości zbliżonych do rzeczywistych MTBF oraz MTTR, natomiast producenci podają wartości w pewnym stopniu odbiegające od wartości rzeczywistych, szczególnie wartości MTBF są nieco sztucznie zawyżone.

Dostępność (ang. Availability) to miara stopnia odporności systemu – liczba z zakresu <0;1>. Znając MTBF oraz MTTR możemy obliczyć dostępność ze wzoru (3) [20]:

Czas niedostępności TN urządzenia w okresie roku możemy obliczyć ze wzoru (4) znając p obliczone wcześniej wg wzoru (3) [1]:

gdzie:

p – wartość dostępności,

t – czas (np. liczba minut w ciągu 1 roku)

W przypadku gdy np. t wyrazimy w minutach, wtedy czas t_N niedostępności urządzenia obliczony ze wzoru (4) również będzie wyrażony w minutach.

W przypadku bardzo wysokich wymagań niezawodnościowych najczęściej przyłączony system zasilaczy bezprzerwowych składa się z więcej niż jednej ścieżki zasilania. Może to wynikać z wymagań odbioru jak np. data center o klasie niezawodności Tier IV. W takim wypadku odbiory są często zasilane z kilku ścieżek zasilania połączonych równolegle, aby zwiększyć niezawodność systemu zasilania. Sposób połączenia zasilaczy ma bezpośredni wpływ na to, jaką dostępność będzie miał zespół zasilaczy [1].

Wprowadzenie do blokowego schematu niezawodnościowego – metoda współczynników zawodności

Do analizy wykorzystano blokowy schemat niezawodnościowy (Reliability Block Diagrams – RBD). Jest metoda perspektywicznej oceny zawodności elementów wchodzących w skład układu na podstawie współczynników zawodności. Podstawą metody jest to, że system uważamy za sprawny, jeżeli istnieje przynajmniej jedna ścieżka przejścia (od wejścia do wyjścia analizowanego systemu) [22]. Jest to metoda popularna, ale dość mało precyzyjna i dokładna [23]. Metoda opiera się na założeniu, że współczynnik zawodności jest prawdopodobieństwem awarii elementu w czasie jego ruchu i dalsze operacje prowadzone są wg znanej w elementarnym rachunku prawdopodobieństwa algebry zdarzeń losowych.

W systemie szeregowym awaria dowolnego elementu przerywa ścieżkę, powodując niedostępność systemu. W przypadku połączenia szeregowego zasilaczy wypadkowa dostępność będzie równa iloczynowi połączonych zasilaczy zgodnie ze wzorem na rysunku 1. 

Przyjęto, że A to dostępność wypadkowa, natomiast A1 i A2 to dostępności poszczególnych zasilaczy. Błąd nie przekracza 1–3%, jeśli współczynniki niezawodności są większe niż 0,99 [23]. Przy powiększaniu liczby elementów połączonych szeregowo uwypukla się silnie wzrost zawodności. Należy zatem dążyć do jak najmniejszej liczby elementów szeregowych [23],

W systemie równoległym muszą ulec awarii elementy w każdej z gałęzi równoległych, aby przerwać ścieżkę [22]. Gdy połączymy zasilacze równolegle dostępność będzie liczona zgodnie ze wzorem z rysunku 2. 

We wzorze dostępność wypadkowa jest wyznaczana poprzez odjęcie od jedności, czyli pełnej dostępności iloczynu niedostępności każdego z zasilaczy. W tym przypadku silnie uwypukla się wzrost niezawodności wraz z powiększaniem liczby elementów połączonych równolegle. W praktyce obliczona niezawodność jest nieco zbyt optymistyczna, jeśli uwzględni się współuzależnienie awarii i wspólne bodźce zakłócające [23].

W praktycznych układach przesyłu i rozdziału energii elektrycznej spotyka się zgrupowania elementów odbiegające od prostych zgrupowań szeregowych lub równoległych [23]. W systemie hybrydowym istnieją gałęzie z szeregowo połączonymi elementami i gałęzie równoległe. Wzory przedstawione na rysunku 1. oraz rysunku 2. pozwalają też na krokowe upraszczanie schematów niezawodnościowych i wyliczenie dostępności zasilania całego systemu przy znanych wartościach dostępności poszczególnych elementów. Idea krokowego upraszczania schematu niezawodnościowego przedstawiono na rysunku 3.

Metoda współczynników zawodności ma szereg wad [23]:

• wynik końcowy nie daje żadnych informacji o wypadkowej rocznej intensywności przerw i wypadkowym rozkładzie czasów awarii,
• nie uwzględnia się problemu współuzależnienia awarii, rozprzestrzeniania się awarii w zgrupowaniach równoległych i punktach węzłowych,
• w otrzymanych wynikach nie uwzględnia się wielu przerw wywołanych przerwami z zakłóceniami bez uszkodzeń.

Porównawcza analiza techniczna systemów zasilania gwarantowanego dla analizowanego obiektu data center z wykorzystaniem dynamicznych zasilaczy UPS typu DRUPS oraz z wykorzystaniem statycznych zasilaczy UPS oraz zespołów prądotwórczych

W analizie technicznej zasilacz dynamiczny DRUPS i zasilacz statyczny UPS zostaną porównane pod względem dostępności zasilania. Dostępność zasilana poszczególnych jednostek zostanie obliczona zgodnie ze wzorem (3).

 W kolejnym kroku zostanie obliczona dostępność p całego systemu zasilania. Schemat blokowy niezawodności (RBD) zostanie kolejno upraszczany, tak aby można było policzyć dostępność całego systemu zasilania jako jednego elementu.

W ostatnim kroku zostanie obliczony czas niedostępności tN zgodnie ze wzorem (4) dla każdego z wariantów w celu analizy wpływu każdego wariantu na przewidywany czas niedostępność odbioru.

W tabeli 1. przedstawiono wartości współczynników MTBF oraz MTTR dla zasilacza dynamicznego DRUPS NO-BREAK KS®.

Na podstawie danych obliczono wartość współczynnika dostępności dla jednego zasilacza dynamicznego DRUPS wg wzoru (3). Wartość p wynosi 0,999992000064. Należy podkreślić, że przyjmując mniejszą wartość MTTR niż 8 h dostępność systemu wzrośnie.

Prawdopodobieństwo awarii zasilacza DRUPS w okresie roku wynosi około 0,9%.

W przypadku zasilacza UPS GE typ TLE wartość MTBF oraz MTTR została przedstawiona w tabeli 2.

Na podstawie danych obliczono wartość współczynnika dostępności dla zasilacza statycznego UPS wg wzoru (3). Wartość p wynosi 0,999957144694. Należy podkreślić, że przyjmując mniejszą wartość MTTR niż 6 h dostępność systemu wzrośnie.

Prawdopodobieństwo awarii zasilacza w okresie roku wynosi około 6,3%. Natomiast prawdopodobieństwo awarii zespołu prądotwórczego wynosi około 17,52% (MTBF 50000 h).

Tabela 3. przedstawia dostępność poszczególnych elementów, które będą przedstawione na upraszczanym krokowo schemacie niezawodnościowym RBD. Należy podkreślić, że dane w tabeli są tylko przykładami i mogą być różniące się w zależności od klasy urządzenia oraz producenta.

Analiza jest uproszczona – w rzeczywistości elementów jest znacząco więcej (niezawodność linii kablowych, niezawodność wyłączników, bezpieczniki, przeglądy okresowe urządzeń itd.). Zakłada się, że wszystkie elementy systemu działają podczas naprawy elementów, które uległy awarii. Zakłada się, że dla „k” elementów dostępnych jest „k” serwisantów. Przyjęto dla wszystkich elementów stały współczynnik awaryjności (po upływie zamierzonego okresu użytkowania współczynnik awaryjności miałby charakterystykę nieliniową. Ponadto założono (co jest uproszczeniem) niezależność awarii.

Warto dodać, że obiekt data center to również oprócz systemu zasilania inne systemy (ponad dwadzieścia) m.in. systemy mechaniczne, elektryczne, przeciwpożarowe oraz ochrony dostępu [12]. Pojedynczym punktem awarii jest wyłącznik awaryjny EPO, który należy szczególnie chronić zabezpieczeniami przed przypadkowym uruchomieniem). Podobnej ochronie powinny podlegać system ochrony przeciwpożarowej, aby zapobiec przypadkowym uruchomieniom.

W przypadku zasilania data center zasilaczami dynamicznymi DRUPS dla połączenia 1+1 schemat blokowy niezawodności (RBD) został przedstawiony na rysunku 4. Schemat RBD zostanie odpowiednio uproszczony w celu obliczenia całkowitej dostępności systemu zasilania.

W przypadku zasilania data center zasilaczami statycznymi UPS oraz zespołami prądotwórczymi dla połączenia 1+1 schemat blokowy niezawodności (RBD) został przedstawiony na rysunku 5. Schemat RBD zostanie odpowiednio uproszczony w celu obliczenia całkowitej dostępności systemu zasilania.

W przypadku zasilania data center zasilaczami dynamicznymi DRUPS dla połączenia 2+2 schemat blokowy niezawodności (RBD) został przedstawiony na rysunku 6. Schemat RBD zostanie odpowiednio uproszczony w celu obliczenia całkowitej dostępności systemu zasilania.

W przypadku zasilania data center zasilaczami statycznymi UPS oraz zespołami prądotwórczymi dla połączenia 2+2 schemat blokowy niezawodności (RBD) został przedstawiony na rysunku 7. Schemat RBD zostanie odpowiednio uproszczony w celu obliczenia całkowitej dostępności systemu zasilania.

W kolejnym kroku po obliczeniu wartości dostępności p dla poszczególnych wariantów, zgodnie z przedstawionym wzorem (4) obliczono czas niedostępności t_N w zależności od zastosowanego połączenia i rodzaju zasilacza. Obliczono w ten sposób jak długo w ciągu roku (statystycznie) odbiory krytyczne w data center mogą być pozbawione zasilania w energię elektryczną. Tabela 4 przedstawia podsumowanie przeprowadzonych obliczeń wartości dostępności w zależności od rodzaju połączenia i zastosowanego układu zasilania gwarantowanego oraz rodzaju linii zasilającej w sieci elektroenergetycznej SN.

Z tabeli 4. wynika, że zamiana układu 1+1 na układ 2+2 w praktyce jest niedostrzegalna – czas niedostępności niemal nie zmienił się. Na rysunku 8. przedstawiono wpływ rodzaju linii SN zasilającej ma czas niedostępności systemu dla wariantu 1+1 w oparciu o dane z tabeli 4. 

Wpływ ten jest w praktyce niemal niemożliwy do wychwycenia zatem teoretycznie dostępność sieci elektroenergetycznej SN ma znikomy wpływ na dostępność zasilania odbiorców krytycznych w data center (oczywiście wg metody współczynników niedostępności). Widoczna jest natomiast różnica pomiędzy wykorzystaniem DRUPS oraz UPS – około 2 sekundy krótszy szacowany czas niedostępności w okresie 1 roku w przypadku zastosowania zasilaczy DRUPS.

Dla wariantu zasilania 1+1 oraz zasilania z sieci kablowej SN wykonano analizę wpływu zmian wartości liczby godzin niedostępności systemu z powodu awarii typu błąd ludzki (jedno zdarzenie na 10 lat o określonej liczbie godzin) na szacowaną niedostępność systemu. Na rysunku 9. przedstawiono wyniki – zmieniano liczbę godzin awarii z powodu błędu ludzkiego od 0,5 h do 10 h obliczając równocześnie szacowaną liczbę sekund niedostępności systemu w ciągu roku. Natomiast rysunek 10 przedstawia o ile procent w stosunku do czasu awarii spowodowanym błędem ludzkim równym 0,5 h rośnie niedostępność systemu przy krokowym wydłużaniu czasu awarii spowodowanej błędem ludzkim. Różnice w wynikach (czas niedostępności) dla zasilaczy UPS i zasilaczy DRUPS są niewielkie (około 2 sekundy) i minimalnie rosną wraz z wydłużaniem czasów awarii spowodowanych błędem ludzkim. W przypadku obliczeń wzrostu procentowego czasu niedostępności systemu, wyniki wskazują na bardzo mały wpływ czasu trwania awarii z powodu błędu ludzkiego (dla czasów od 0,5 h do 10 h) na czas niedostępności systemu (dla UPS jest to wzrost o 0,61%, a w przypadku DRUPS jest to wzrost o 0,27% dla czasu 10 h w porównaniu do czasu 0,5 h trwania awarii na skutek błędu ludzkiego). Wydłużając czas od 0,5 h do 10 h dla UPS niedostępność wzrasta o 2,192 sekundy, a dla DRUPS niedostępność wzrasta o 0,976 sekundy. Zatem wpływ czasu trwania awarii z powodu błędu ludzkiego na niedostępność systemu jest minimalnie mniejszy w przypadku wykorzystania DRUPS w porównaniu z wykorzystaniem UPS (krzywa na rysunku 9. rośnie szybciej w przypadku zasilaczy UPS).

Dla wariantu zasilania 1+1 oraz zasilania z sieci kablowej SN wykonano również analizę wpływu zmian wartości liczby godzin niedostępności systemu z powodu awarii typu zdarzenie losowe (jedno zdarzenie losowe na 50 lat o określonej liczbie godzin) na szacowaną niedostępność systemu. Na rysunku 11. przedstawiono wyniki – zmieniano liczbę godzin awarii z powodu zdarzenia losowego od 3 h do 6,5 h obliczając równocześnie szacowaną liczbę sekund niedostępności systemu w ciągu roku. Natomiast rysunek 12. przedstawia o ile procent w stosunku do 3 h rośnie niedostępność systemu przy wydłużaniu czasu awarii spowodowanej zdarzeniem losowym. Różnice w wynikach (czas niedostępności) dla zasilaczy UPS i zasilaczy DRUPS są niewielkie (około 2 sekundy). 

W przypadku obliczeń wzrostu procentowego czasu niedostępności systemu, wyniki wskazują na bardzo silny wpływ czasu trwania awarii z powodu zdarzenia losowego (dla czasów od 3 h do 6,5 h) na czas niedostępności systemu (dla UPS jest to wzrost o 131,91%, a w przypadku DRUPS jest to wzrost o 133,16%). Wynika to z faktu, że zdarzenie losowe jest elementem końcowym w strukturze szeregowej schematu RBD tuż przy odbiorach. Zatem stanowi pojedynczy punkt krytyczny. W przypadku wpływu czasu trwania awarii z powodu zdarzenia losowego obie krzywe na rysunku 11. mają taką samą dynamikę wzrostu czasu niedostępności systemu wraz z wydłużaniem czasu trwania awarii z powodu zdarzenia losowego.

Wnioski z analizy ekonomicznej

Analiza ekonomiczna przeprowadzona dla połączenia 1+1, 1+2 oraz 2+2 w ciągu 12 lat użytkowania pokazuje niewielką różnicę w kosztach na korzyść zasilaczy dynamicznych DRUPS. Porównanie kosztów całkowitych z uwzględnieniem kosztów zakupu trzech wariantów połączeń w przypadku eksploatacji zasilaczy statycznych UPS oraz zasilaczy dynamicznych DRUPS wskazuje, że systemy z zastosowanie UPS są droższe o niecałe 12% od systemu z zasilaczami DRUPS. Należy jednak podkreślić, że dużo zależy od przyjętych założeń (koszty konserwacji, przeglądów, lokalizacja czyli koszty powierzchni biurowej, branie pod uwagę lub nie kosztów utylizacji baterii, bezpłatne przeglądy przez okres kilku lat w niektórych opcjach sprzedaży itd.) zatem uznać można, że różnica nie jest duża. W pewnych przypadkach wynik analiz może być również odwrotny, czyli wykazywać lekką przewagę wykorzystania zasilaczy UPS.

Warto też podkreślić, że żywotność zasilaczy DRUPS wynosi ponad 20 lat. W przypadku DRUPS czynności okresowych jest również znacznie mniej.

Nieco większa kwota w okresie 12 lat w przypadku UPS wynika głównie z ceny baterii akumulatorów, które dodatkowo wymagają sporej powierzchni ich wymiany i utylizacji oraz systemu klimatyzacji, który pochłania energię elektryczną. W przypadku DRUPS bardzo dużym wydatkiem jest konserwacja i generalny remont silnika Diesla.

Atutem zasilaczy DRUPS jest mniejsza wykorzystywana powierzchnia i brak kosztów klimatyzacji oraz brak baterii akumulatorów, co znacznie redukuje koszty operacyjne – w przypadku zasilaczy DRUPS koszty operacyjne są nieco mniejsze. Natomiast roczne koszt serwisowe są nieco mniejsze w przypadku zasilaczy UPS. W obu przypadkach różnice są dość niewielkie.

Wnioski z analizy technicznej

Przedstawiona analiza techniczno-ekonomiczna ilustruje różnice wynikające z zastosowania zasilaczy UPS i DRUPS w celu zapewnienia bezprzerwowego zasilania obiektu typu data center. Podczas projektowania takiego zasilania należy przede wszystkim określić jak wysoki stopień niezawodności jest wymagany i wtedy dokonać odpowiedniego wyboru. Duże firmy internetowe, banki itp. które nie mogą sobie pozwolić nawet na najmniejsze zakłócenia w prawidłowej pracy być może wybiorą konfigurację najbardziej rozbudowaną, czyli 2+2, która mimo największej ceny zapewnia najwyższy poziom niezawodności. W przypadku małych serwerowni o małej mocy zapotrzebowanej w praktyce zasilacze statyczne UPS mają zastosowanie z uwagi na brak jednostek DRUPS o małych mocach. DRUPS ma przewagę w mniejszych kosztach, ale gdy zapotrzebowania na moc jest duże i można zastosować zasilacz tego typu w systemie gwarantowanego zasilania.

Z uzyskanych wielowariantowych obliczeń wynika, że w każdym z przedstawionych układów połączeń uzyskano dostępność instalacji na poziomie Tier IV. Według kategorii opracowanych przez Uptime Institute minimalna wymagana dostępność dla Tier IV to 99,995% (do 4 h przerwy w okresie 5 lat). Układ 2+2 zarówno dla UPS i DRUPS to najbardziej niezawodna konfiguracja z analizowanych, ponieważ składa się z czterech jednostek zasilających, z których każda może w pełni przejąć na siebie zasilanie obiektu typu data center.

Z obliczeń dostępności wynika, że dla przyjętych założeń nieco większą niezawodność zasilania zapewnia system z zasilaczami dynamicznymi DRUPS (około 2 sekundy) w stosunku do wykorzystania zasilaczy UPS z zespołami prądotwórczymi. Dostępność statycznych systemów UPS jest więc nieco mniejsza, od systemów z DRUPS, w każdym z dwóch rodzajów połączenia zasilaczy (2+2 oraz 1+1). Warto dodać, że firma Eaton, posiada w ofercie zasilacz 9595P o mocy 1200 kVA ze znacznie większymi wartościami MTBF niż w przeprowadzonej analizie – dla zasilacza z podwójną konwersją MTBF wynosi 251 964 h, a dla trybu Eco MTBF wynosi 519 140 h. Co stanowi przesłankę do wykonania kolejnej porównawczej analizy niezawodnościowej.

Lepszy wynik uzyskany dla zasilaczy DRUPS może wynikać z kilku przyczyn. Po pierwsze DRUPS w strukturze niezawodnościowej stanowi element równoległy dołączony do układu nieco bliżej odbiorów IT niż zasilacz prądotwórczy stanowiący połączenie równoległe bezpośrednio z zasilaniem z sieci SN czyli na początku schematu niezawodnościowego. Z drugiej strony parametr MTBF zasilacza DRUPS jest znacząco większy (ponad 7 razy) niż zasilacza UPS. Kolejnym elementem jest brak ATS/STS w strukturze niezawodnościowej z zasilaczami DRUP – zatem jest mniej elementów w strukturze szeregowej obniżającej niezawodność. Intuicyjnie patrząc wydaje się, że wynik dostępności struktury z wykorzystaniem DRUPS został niedoszacowany wykorzystaną metodą obliczania niezawodności systemu – różnica na korzyść DRUPS w stosunku do UPS powinna być sporo większa niż około 2 sekundy. Metoda szacowania niezawodności RBD nie jest zatem idealna. Korzystniejsza powinna być metoda np. symulacyjna (skomplikowana, pracochłonna i wymagająca bardzo wielu unikalnych danych) zamiast metody analitycznej. Analiza wykazała ponadto duże znaczenie odległości elementu w schemacie niezawodnościowym od odbioru. Im bliżej odbioru i element jest połączony szeregowo tym jego wpływ na dostępność systemu rośnie. Analiza wykazała znikomy wpływ dostępności sieci SN (linia kablowa kontra linia napowietrzna o znacznie mniejsze dostępności), czyli elementu na początku schematu niezawodności RBD, dostrzegalny wpływ błędu ludzkiego oraz bardzo silny wpływ zdarzenia losowego na dostępność całego systemu.

W różnych analizach dostępności systemów data center z wykorzystaniem układów zasilania stosowanych dla kategorii Tier IV wyniki dostępności bywają odmienne. Wydaje się, że jest to związane ze stopniem szczegółowości danej analizy. Spotkać można w literaturze dostępność takich systemów od 0,999986 (cztery „9”) do 0,9999956 (pięć „9”). Wynik może też zależeć od tego, jaki fragment całości jest rozważany [24, 25]. W przypadku zawężenia analizy do fragmentu układu np. tylko okolice UPS połączonych równolegle, wynik może wzrosnąć nawet do 0,999999977% (siedem „9”). Zatem im większą część systemu zasilania brana jest pod uwagę w analizie oraz im bardziej rośnie liczba elementów branych pod uwagę wtedy spodziewać można się zmniejszania liczby „9” do tej podanej w specyfikacji Tier IV (0,99995 – cztery „9”). Patrząc globalnie na obiekt typu data center i dostępność do systemu informatycznego (pojęcie szersze – system informatyczny może być niedostępny pomimo dostępności systemu zasilania) to wg wielu źródeł błąd ludzki stanowi do 70% przyczyn niedostępności systemu informatycznego. Zatem wysokie kwalifikacje pracowników, jakość i solidność ich pracy są znaczącym elementem niezawodności całości infrastruktury obiektu data center. Oszczędności na kosztach konserwacji, przeglądów okresowych, wynagrodzeniu pracowników itd. mogą być zatem złym wyborem biorąc pod uwagę często bardzo duże straty spowodowane niedostępnością systemu informatycznego data center nawet przez bardzo krótki okres czasu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!