Odporność systemów zasilania gwarantowanego na awarie (część 1.)
Rys. 1. Systemy UPS skalowalne i modułowe umożliwiają łatwą rozbudowę i optymalizację zarówno kosztów inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych
Działanie w ponadprzeciętnie konkurencyjnej branży oznacza, że operatorzy centrów przetwarzania danych znajdują się pod ogromną presją, aby utrzymać niskie koszty operacyjne, a jednocześnie w czasach dużego nacisku proekologicznego są również rozliczani z ograniczania wpływu oddziaływania prowadzonego biznesu na środowisko naturalne.
Nie jest trudno zauważyć, że efektywność energetyczna jest kluczem do skutecznego reagowania na te naciski, ale efektywność energetyczna nie jest i nigdy nie może być jedynym wyznacznikiem działalności centrum przetwarzania danych.
Operatorzy centrów przetwarzania danych chcą także, aby ich systemy były łatwo skalowalne, aby mogły one szybko i efektywnie reagować na niespodziewany wzrost zainteresowania ich usługami, a na pierwszym miejscu wszystkich tych wymagań jest potrzeba zapewnienia prawie 100% dostępności. Odporność – cecha instalacji teleinformatycznych określająca tolerowanie błędów bez poważnego ograniczenia usług oraz, co najważniejsze, bez ryzyka utraty danych – stanowi główny cel we współczesnej branży IT.
Zobacz także
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...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego,...
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego, może doprowadzić do stworzenia poważnego zagrożenia, a nawet do katastrofy budowlanej. Zastosowanie do zasilania napędu bramy UPS-ów bez znaku CNBOP-PIB i Świadectwa Dopuszczenia wydanego przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP-PIB) jest poważnym błędem. Stosowanie...
Skalowalność a bypass
Głównym problemem w projektowaniu skalowalnych instalacji UPS jest zapewnienie, aby odpowiedniej mocy tor obejściowy był dostępny na wszystkich etapach rozbudowy instalacji UPS.
Jak sama nazwa wskazuje, funkcją toru obejściowego instalacji UPS jest przesyłanie energii z pominięciem zasilacza UPS i umożliwienie zasilania odbiorników bezpośrednio z sieci w przypadkach jego uszkodzenia lub jeśli UPS musi być wyłączony z eksploatacji w celu konserwacji lub modernizacji. Pomimo że wykorzystanie funkcjonalności bypassu występuje stosunkowo rzadko, to jest jednak zasadniczą cechą każdej instalacji UPS.
Skalowalne instalacje UPS niezmiennie przyjmują architekturę modularną tak, aby więcej modułów UPS mogło być łatwo dodawanych w miarę wzrostu zapotrzebowania na moc. W wielu przypadkach, każdy moduł zasilacza UPS posiada swój własny bypass w postaci półprzewodnikowego przełącznika statycznego.
Początkowo może to wydawać się dobrym rozwiązaniem, ponieważ następuje automatyczne zwiększenie mocy bypassu wraz ze wzrostem wielkości instalacji. W tego typu projekcie instalacji UPS (z indywidualnym wewnętrznym bypassem statycznym dla każdego zasilacza UPS) pojawia się jednak problem. Na pierwszym etapie instalacji, gdy jest zainstalowane tylko kilka modułów, moc toru obejściowego jest ograniczona.
Ze względu na fizyczne ograniczenia przełączników półprzewodnikowych niezawodna koordynacja w stosunku do urządzeń ochronnych (zazwyczaj wyłączniki) na wyjściu systemu może być trudna lub wręcz niemożliwa do osiągnięcia. W rezultacie, w warunkach awaryjnych, system UPS może nie być w stanie zapewnić odpowiedniej wartości prądu płynącego w torze obejściowym w celu wyzwolenia urządzeń zabezpieczających odbiorniki w rozdzielnicy wyjściowej, aby wystarczająco szybko wyizolować wadliwy obwód z instalacji elektrycznej, zagrażający dostępności zasilania w innych gałęziach rozdziału obciążenia.
Jednym z rozwiązań tego problemu jest dostarczenie systemu zasilania ze scentralizowanym torem obejściowym, zamiast opierania się na indywidualnych przełącznikach w każdym module zasilacza. Moc przełącznika musi być dobrana w zależności od ostatecznego planowanego obciążenia systemu i zapewniać wystarczającą wartość przepływającego prądu dla właściwej koordynacji urządzeń zabezpieczających. Takie rozwiązanie jest skuteczne, ale jest również kosztowne i zajmuje cenną powierzchnię użytkową.
Istnieje jednak atrakcyjna alternatywa – systemy łączące rozproszone moduły bypassów z modułowymi zasilaczami UPS. Takie podejście w projektowaniu, gdzie wszystkie przełączniki toru obejściowego są zainstalowane w pierwszym dniu uruchomienia instalacji, ale zasilacze UPS są wyposażone w mniejszą liczbę modułów zasilania, może zapewnić, że odpowiednia moc bypassów jest dostępna na każdym etapie rozbudowy instalacji, a także znacząco ułatwia osiągnięcie odpowiedniej selektywności urządzeń ochronnych. Podejście takie daje także możliwość maksymalizacji skalowalności.
Niezależnie od tego, jakie rozwiązanie zostanie przyjęte dla bypassu statycznego, należy pamiętać, że dopóki nie będą zastosowane stosowne środki w miejscu instalacji, to jeden zwarty przełącznik statyczny może sparaliżować cały system zasilania gwarantowanego. Zatem konieczne jest zapewnienie, aby systemy bypassów zawierały zabezpieczenia wsteczne uniemożliwiające przekazywanie energii z zasilacza UPS do sieci zasilającej poprzez wadliwy przełącznik statyczny. Ochrona przed napięciem wstecznym jest wymagana w aktualizacji normy PN-EN 62040-1:2009/A1:2013-10 oraz w przepisach w większości krajów w celu zapewnienia bezpieczeństwa personelu. Natomiast w połączeniu z detekcją zwarcia w SCR (ang. Silicon-Controlled Rectifier) może bardzo zwiększyć odporność całego systemu UPS. Istotne jest również, aby każdy przełącznik statyczny w instalacji mógł bezpiecznie, zgodnie z wymaganiami najnowszych norm, przewodzić maksymalny obliczony prąd zwarciowy pochodzący od strony zasilania z sieci energetycznej.
Skalowalność i łatwość rozbudowy
Z definicji skalowalne systemy UPS mogą być rozbudowywane, ale to nie oznacza, że wszystkie systemy skalowalne są łatwe w rozbudowie. W rzeczywistości, proces rozbudowy powinien być zawsze dokładnie przygotowany w początkowej fazie projektowania instalacji. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę, to fizyczny układ modułów – te, które wymagają tylko dostępu od przodu, są znacznie łatwiejsze przy modernizacji niż te, które wymagają dostępu zarówno od frontu, jak i z tyłu urządzenia. Należy również rozważyć liczbę połączeń wymaganych podczas dodawania modułów, wraz z dostępnością do ich interfejsów. Dobrą praktyką projektową jest planowanie pod przyszły rozwój na przykład gniazd do montażu okablowania sygnałowego.
Jeśli same jednostki UPS są modułowe, to rozbudowa jest szczególnie prosta, gdyż wymagane jest tylko dołożenie dodatkowych modułów w zasilaczu UPS. Czynność ta może być przeprowadzona szybko, prosto i tanio przez producenta UPS, bez potrzeby angażowania innych wykonawców w celu zapewnienia, na przykład, dodatkowego okablowania.
Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania, jest zapewnienie możliwości rozbudowy (zwiększenia mocy systemu) podczas pracy systemu, czyli przy jednoczesnej możliwości bezprzerwowego zasilania odbiorników z sieci zasilającej. Niezależnie, czy jest to możliwe, czy też nie, z punktu widzenia użytkownika, przy rozbudowie prace powinny być zawsze starannie zaplanowane i wykonywane w sposób kontrolowany. W dzisiejszych środowiskach informatycznych po prostu nie ma miejsca na podejście „włącz i módl się”!
Skalowalność i niezawodność
Skalowalność w instalacji UPS jest praktycznie synonimem modułowości i wstępnie, przyjmując architekturę modułową, może wydawać się, że nie ma ona dużego znaczenia dla niezawodności. W praktyce jednak, gdy wiele zasilaczy UPS pracuje równolegle, jak ma to miejsce w systemach modułowych, należy zapewnić niezawodny układ równomiernego podziału obciążenia pomiędzy zasilaczami. Gdy podział obciążenia jest wykonany za pomocą powszechnie przyjętych technik, to całkowita niezawodność instalacji może być znacznie zmniejszona.
Standardowy układ dla podziału obciążenia jest wykonywany na podstawie głównego sterownika balansującego prądy obwodów wyjściowych UPS-ów oraz układu połączeń z każdym połączonym równolegle zasilaczem UPS, w celu wymiany informacji o podziale obciążenia. Niestety, takie rozwiązanie ma dwie istotne wady:
- złożoność systemu podziału obciążenia wzrasta gwałtownie wraz ze wzrostem liczby zasilaczy UPS, które są do niego podłączone, i im bardziej system jest złożony, tym bardziej prawdopodobna jest awaria. Ten problem jest znaczący nawet przy stosunkowo niewielkiej liczbie modułów pracujących równolegle, a dla systemów z dużą liczbą modułów połączonych równolegle – powiedzmy więcej niż 30 – jest bardzo mało prawdopodobne zapewnienie akceptowalnej niezawodności,
- główny sterownik i związana z nim sieć komunikacyjna stają się „pojedynczym punktem awarii” dla instalacji systemu UPS. Im więcej występuje połączeń i podzespołów wzajemnie powiązanych siecią, tym bardziej prawdopodobne jest to, że w końcu nastąpi awaria ze względu na uszkodzenie komponentów lub procedur obsługi serwisowej. Jeśli sterownik główny lub jego sieć ulegnie awarii, prawdopodobne cała instalacja przestanie działać, a podłączone odbiorniki utracą zasilanie.
Dostępne są bardziej odporne technologie podziału obciążenia. Ich zaletą jest niezależność jednostek modułowych; każdy z równolegle połączonych zasilaczy ma swój własny niezależny system równoważenia obciążenia. Dane referencje konieczne do sterowania każdym zasilaczem oparte są na własnych parametrach wyjściowych UPS-a w taki sposób, że w pełni obsługuje on swój udział obciążenia, ale nie więcej. Innymi słowy, system podziału obciążenia pracuje bez konieczności stosowania sterownika głównego i sieci komunikacyjnej, a tym samym eliminuje pojedynczy punkt awarii związany z tradycyjną architekturą modułowych zasilaczy UPS. Ponadto, w zasadzie dowolna liczba zasilaczy UPS z wewnętrznym podziałem obciążenia może pracować równolegle bez zwiększania złożoności sieci związanej z podziałem obciążenia.
Zdolność niezawodnego podziału wspólnego obciążenia pomiędzy zasilaczami UPS pracującymi równolegle bez pogorszenia niezawodności instalacji UPS jest podstawą dla realizacji niezawodnych systemów o wysokim poziomie skalowalności, której obecnie wymagają operatorzy centrów przetwarzania danych. Należy zwrócić szczególną uwagę na powyższe punkty.
Wnioski
Ekonomia, wymagania klientów i akty prawne w zakresie ochrony środowiska w coraz większym stopniu wymagają od projektantów centrów przetwarzania danych dostarczania skalowalnych, nadmiarowych i odpornych na awarie rozwiązań, przy jednoczesnej minimalizacji oddziaływania na środowisko. Nowe technologie, w szczególności w branży zasilaczy UPS, czynią to możliwym, ale projektowanie i dobór elementów muszą być przeprowadzone z wielką starannością, jeśli zakładana jest maksymalna dostępność systemu. Możliwe jest zatem zwiększenie odporności systemu na awarie bez żadnych kompromisów z innymi głównymi kryteriami projektowymi. Wszystkie technologie omówione w tym artykule są już w użyciu na całym świecie i wszystkie w pełni sprawdzają się w praktyce, przynosząc przedstawione korzyści.
