Systemy zasilania gwarantowanego w obiektach typu Data Center

Systemy zasilania gwarantowanego – ogólna charakterystyka

Systemy zasilania gwarantowanego składają się przede wszystkim z zasilacza bezprzerwowego z odpowiednim magazynem energii, którego zadaniem jest kondycjonowanie parametrów napięcia zasilania podstawowego/rezerwowego z sieci elektroenergetycznej (podczas jego dostępności), a w przypadku awarii, zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej do odbiorników krytycznych. Przy czym, czas pracy autonomicznej systemu zasilania gwarantowanego musi umożliwiać bezpieczne zatrzymanie procesów przetwarzania danych i wyłączenie odbiorników krytycznych lub przełączenie ich na zasilanie awaryjne, które najczęściej zapewnia zespół prądotwórczy (EGS, z ang. Emergency Generator Set, tj. silnik spalinowy i prądnica synchroniczna umieszczone na wspólnej ramie wraz z niezbędnymi układami towarzyszącymi m.in. chłodniczym, wentylacyjnym, spalinowym i paliwowym). W praktyce, wymagany czas pracy autonomicznej może wynosić nawet kilkadziesiąt minut lub tylko kilkanaście sekund.

Zasilacze bezprzerwowe wykonywane zgodnie z normą PN-EN 62040-3:2022-01 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań”, nazywane są statycznymi. Z kolei, zasilacze bezprzerwowe realizowane zgodnie z normą PN-EN 88528-11:2007 „Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikami spalinowymi tłokowymi. Część 11: Wirujące bezprzerwowe systemy zasilania. Wymagania i metody badań”, określane są jako dynamiczne. Przy czym, przyjęty podział związany jest ze sposobem wytwarzania przemiennych (sinusoidalnych) przebiegów napięcia (głównie przy pracy autonomicznej), a nie bezpośrednio ze sposobem magazynowania energii. W statycznych zasilaczach bezprzerwowych za wytwarzanie napięcia odpowiada (w uproszczeniu) przetwornica częstotliwości (prostownik i falownik). W dynamicznych zasilaczach bezprzerwowych za wytwarzanie napięcia odpowiada natomiast (w uproszczeniu) maszyna synchroniczna (pracująca jako prądnica). Magazynem energii stosowanym zdecydowanie najczęściej jest wciąż bateria złożona z wielu akumulatorów połączonych ze sobą szeregowo (w celu uzyskania napięcia odpowiedniego dla zastosowanego zasilacza bezprzerwowego) lub równolegle (w celu uzyskania wymaganego dla systemu zasilania gwarantowanego czasu autonomii).

Systemy zasilania gwarantowanego, oprócz magazynów energii w postaci baterii akumulatorów, wyposażone są również m.in. w zasobniki elektromechaniczne. Przy czym, mogą one stanowić oddzielne urządzenie podłączane do zasilacza bezprzerwowego (jak klasyczna bateria akumulatorów) lub być jego elementem konstrukcyjnym (integralnym).

Na rynku dostępnych jest stosunkowo wiele rozwiązań, w praktyce stosuje się nie tylko pojedyncze, ale także rozbudowane systemy zasilania gwarantowanego, które zwykle wchodzą w skład, charakterystycznych dla obiektów typu Data Center, układów zasilania i dystrybucji energii.

Systemy zasilania gwarantowanego – wymagania techniczne

Systemy zasilania gwarantowanego, które stanowią jeden z podstawowych elementów budynkowej infrastruktury krytycznej, muszą spełniać wiele różnych wymagań technicznych. Wytyczne można znaleźć zarówno w normach przedmiotowych dotyczących poszczególnych urządzeń, określających ich fundamentalne właściwości, jak i w zasadach oceny pojedynczych oraz rozbudowanych systemów pracujących w układach charakterystycznych m.in. dla obiektów typu Data Center, np. PN-EN 50600-2-2:2019-07 „Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 2-2: Zasilanie i dystrybucja energii”.

Mając na uwadze powyższe, systemy zasilania gwarantowanego powinny charakteryzować się przede wszystkim:

• wysoką dostępnością – rozumianą jako efekt zastosowania przez producentów urządzeń odpowiednich materiałów i technologii, a przez projektantów systemów takie ich realizowanie, aby możliwe było zminimalizowanie czasu, w jakim dane rozwiązanie nie będzie sprawne/nie będzie gotowe do użycia,
• efektywnością energetyczną – rozumianą zarówno jako konstrukcyjne zminimalizowanie strat energii danego urządzenia, jak i jego wdrożenie w system obciążony tak, aby możliwe było osiągnięcie możliwie najwyższej sprawności,
• przyjazną obsługą – m.in. intuicyjny dostęp do informacji dotyczących bieżącego statusu urządzenia/systemu, a także fizyczne rozmieszczenie poszczególnych jego elementów (wewnątrz obudowy/pomieszczenia) w taki sposób, aby codzienna eksploatacja nie była uciążliwa,
• łatwością konserwacji – m.in. możliwość bezpiecznego odłączenia urządzenia/systemu na czas wykonania niezbędnych prac, przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej przestrzeni serwisowej,
• ciągłą kontrolą magazynu energii – ze względu na fakt, że przydatność operacyjną każdego systemu zasilania gwarantowanego determinuje stan magazynu energii, to ciągła kontrola polegająca na monitorowaniu kluczowych parametrów technicznych jest bardzo istotna (przy czym, w zależności od rozwiązania, adekwatny układ nadzoru nie zawsze stanowi wyposażenie standardowe),
• adaptacją do lokalizacji – możliwość fizycznej konfiguracji rozważanego rozwiązania (urządzenia/systemu), w celu jego dopasowania do dostępnej przestrzeni budynku oraz układu zasilania i dystrybucji energii,
• adaptacją do aplikacji – możliwość sprzętowej oraz programowej konfiguracji rozważanego rozwiązania (urządzenia/systemu), w celu jego dopasowania do projektowanego lub istniejącego budynkowego systemu zarządzania; innymi słowy, zapewnienie najprostszego, najbezpieczniejszego i możliwie najmniej zawodnego sposobu monitoringu najistotniejszych parametrów technicznych całego urządzenia/systemu, kluczowych z punktu widzenia nieprzerwanej ciągłości operacyjnej obiektu typu Data Center.

Dostępne rozwiązania zasilania gwarantowanego

Systemy zasilania gwarantowanego bazujące na statycznym zasilaczu bezprzerwowym

Pojedyncze systemy zasilania gwarantowanego budowane są najczęściej na bazie statycznego zasilacza bezprzerwowego (UPS, z ang. Uninterruptible Power Supply) wyposażonego w magazyn energii w postaci baterii akumulatorów (BAT, z ang. Battery), w przypadku których wciąż dominującą technologią jest VRLA (ang. Valve Regulated Lead Acid). W tego typu systemach statyczny zasilacz bezprzerwowy (UPS) charakteryzuje się zwykle budową modułową i konstrukcją beztransformatorową. Modułowość polega na tym, że poszczególne bloki zasilania (moduły) o mocy rzędu kilkunastu kVA/kW (PM, ang. Power Module) montowane są w specjalnych slotach standaryzowanej i odpowiednio wyposażonej „szafy”, lub blokami zasilania (modułami) o mocy rzędu kilkuset kVA/kW są całe „szafy” łączone ze sobą poprzez odpowiednie bloki sprzęgające w ramach jednego urządzenia. Na rynku dostępne są również rozwiązania integrujące obie wspomniane opcje. W ten sposób dostępna moc wyjściowa statycznego zasilacza bezprzerwowego (UPS) może być niemal dowolnie konfigurowalna, w celu zapewnienia zarówno obecnych, jak i przyszłych potrzeb. Co ważne, konstrukcja beztransformatorowa sprawia, że poszczególne bloki charakteryzują się stosunkowo wysoką sprawnością, a przy tym niską masą.

Bateria akumulatorów (BAT) może być wspólna (dla wszystkich bloków zasilania) lub indywidualna (oddzielna dla każdego z bloków zasilania), a czas autonomii osiągać poziom nawet kilkudziesięciu minut (w zależności od obciążenia). Niemniej jednak tego typu magazyn energii stwarza dodatkowe wymagania zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne (m.in. zajmowanie stosunkowo dużej powierzchni, stałe utrzymywanie temperatury na poziomie dwudziestu kilku °C, instalacja układu detekcji i odprowadzania wodoru). Ponadto, baterię akumulatorów (BAT) należy połączyć ze statycznym zasilaczem bezprzerwowym (UPS) za pomocą odpowiednio zabezpieczonej instalacji elektrycznej prądu stałego (DC).

Bezpośrednią alternatywą dla wspomnianego rozwiązania są systemy zasilania gwarantowanego zbudowane na bazie zasilacza bezprzerwowego z zasobnikiem elektromechanicznym (KEM, z ang. Kinetic Energy Module). Zapewniają one zredukowanie zajmowanej przestrzeni, pracę w zakresie temperatur 0–40°C i brak emisji wodoru. Zasobnik elektromechaniczny (KEM), którego wirnik obracając się zwykle z prędkością nawet kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę, jest w stanie „zmagazynować” energię kinetyczną rzędu kilku tysięcy kilowatosekund (kWs), która z kolei w razie potrzeby może być przetworzona na energię elektryczną, przy możliwie jak najniższych stratach (np. poprzez zastosowanie pompy próżniowej, łożysk magnetycznych itp.). Zasobnik elektromechaniczny należy połączyć ze statycznym zasilaczem bezprzerwowym za pomocą odpowiedniej instalacji elektrycznej prądu stałego (DC), ale jej zabezpieczenie jest integralnym elementem KEM. W takim zestawieniu, statyczny zasilacz bezprzerwowy charakteryzuje się najczęściej budową monoblokową (pojedyncza „szafa” z sekcją wejścia/wyjścia i sekcją mocy) oraz konstrukcją transformatorową (integralna separacja galwaniczna pomiędzy wejściem, a wyjściem toru głównego).

Systemy zasilania gwarantowanego bazujące na dynamicznym zasilaczu bezprzerwowym

Systemy zasilania gwarantowanego bazujące na dynamicznym zasilaczu bezprzerwowym (RUPS, z ang. Rotary Uninterruptible Power Supply) składają się na ogół z maszyny elektrycznej (EM, z ang. Electrical Machine) i zestawu „szaf” pełniących ściśle określone funkcje (np. PC, z ang. Power Cabinet – szafa zasilania; CC, z ang. Control Cabinet – szafa sterowania; VFDC, z ang. Variable Frequency Drive Cabinet – szafa napędu). Trzonem rozwiązania jest wspomniana maszyna elektryczna, której integralnym elementem jest zasobnik elektromechaniczny, jednak innego typu niż w przypadku rozwiązania UPS+KEM – wirnik odpowiedzialny za „magazynowanie” energii kinetycznej rzędu kilku tysięcy kilowatosekund (kWs) jest cięższy i obraca się z prędkością zaledwie kilku tysięcy obrotów na minutę, a energia może być redukowana (w celu zoptymalizowania zużycia energii, kosztem skrócenia czasu autonomii) dzięki przetwornicy częstotliwości zlokalizowanej w szafie VFDC. Za wytwarzanie sinusoidalnych przebiegów napięcia (podczas pracy autonomicznej) odpowiada maszyna synchroniczna (M/G, z ang. Motor/Generator).

Podczas pracy normalnej odbiorniki krytyczne zasilane są z sieci elektroenergetycznej poprzez dławik zlokalizowany w szafie PC, który m.in. zapobiega nagłym zmianom natężenia prądu. W tym czasie maszyna synchroniczna (M/G) pracuje jako silnik (M), pełniąc rolę kompensatora m.in. poprawiając wartość współczynnika mocy. Utrzymywana jest także stała prędkość obracania się wirnika. Podczas pracy awaryjnej, tj. przy braku zasilania z sieci elektroenergetycznej, maszyna synchroniczna (M/G), korzystając ze zmagazynowanej energii, pracuje jako prądnica (G). Dostępne są także podobne rozwiązania, w których wszystkie elementy znajdują się w jednej, stosunkowo dużej „szafie”.

Dobór rozwiązania

Wybierając systemy zasilania gwarantowanego każdy przypadek należy rozpatrywać indywidualnie. W praktyce, kluczowe znaczenie mają nie tylko parametry techniczne czy kwestie ekonomiczne, ale także dostępna przestrzeń, a nawet upodobania użytkownika. Należy zaznaczyć, że urządzenia oferujące wiele różnych funkcjonalności nie zawsze będą dobrym wyborem, ponieważ nie wszystkie funkcje znajdą zastosowanie w konkretnym wdrożeniu. Z kolei, dobór na zasadzie porównania wartości znamionowej jedynie wybranego parametru technicznego (np. sprawności), bez sprawdzenia czy adekwatne warunki wystąpią w praktyce (np. obciążenie), również nie jest właściwe. Ponadto, pomimo ogólnego przekonania, że należy stosować urządzenia o wysokim współczynniku MTBF (z ang. Mean Time Between Failures – średni czas pomiędzy uszkodzeniami) i niskim współczynniku MTTR (z ang. Mean Time To Repair – średni czas usunięcia uszkodzenia) oraz budować systemy charakteryzujące się wysoką dostępnością (A=MTBF/MTBF+MTTR), to konkretne wartości dla poszczególnych urządzeń często nie są wprost określane przez ich producentów, a analiza bazująca na wspomnianych współczynnikach zwykle nie znajduje swojego miejsca w dokumentacji projektowej Data Center.

W kontekście tego typu obiektów, powszechnie wiadomo, że zastosowanie pojedynczego systemu zasilania gwarantowanego, pomimo że jest to jeden z podstawowych elementów budynkowej infrastruktury krytycznej, nie wystarczy do zapewnienia nieprzerwanej ciągłości operacyjnej. Znajomość układu zasilania i dystrybucji energii w każdym przypadku jest bardzo istotna, ponieważ w efekcie zasadnym może być zastosowanie rozwiązania rozbudowanego (w praktyce poprzez zapewnienie redundancji/nadmiarowości) albo wykorzystanie większej liczby współpracujących ze sobą pojedynczych systemów zasilania gwarantowanego bądź jednego i drugiego rozwiązania. Należy postępować rozważnie, gdyż finalnie nie zawsze będzie można pochwalić się efektywnością energetyczną na odpowiednim czy też wymaganym poziomie (np. gdy zastosowane rozwiązanie charakteryzujące się stosunkowo niską sprawnością przy niewielkim obciążeniu, zwykle przy takim właśnie będzie pracować). Z kolei o w pełni przyjaznej obsłudze systemu zasilania gwarantowanego można mówić dopiero wtedy, gdy specyfika jego działania będzie znana i zrozumiała dla użytkownika. W praktyce sformułowanie łatwość konserwacji również wymaga doprecyzowania, aby wspomniany użytkownik był świadomy, co to w zasadzie dla niego oznacza.

Magazyn energii w postaci baterii akumulatorów (BAT) z zasady różni się od zasobnika elektromechanicznego (KEM), niekiedy bywa jednak bardziej elastyczny, gdyż rotując liczbą gałęzi i akumulatorów w każdej z nich (spełniając wymóg „długiego” czasu autonomii oraz dostosowując się do spodziewanej mocy obciążenia) oraz podziałem na stojaki bateryjne i ich rozmieszczeniem, można pozwolić systemowi UPS+BAT zaadaptować się do lokalizacji. Niestety, przy takim rozwiązaniu ciągłą kontrolę magazynu energii można uzyskać dopiero po zastosowaniu zewnętrznego układu nadzoru, który monitorując kluczowe parametry techniczne poszczególnych akumulatorów dostarcza informacji o stopniu ich zużycia oraz ewentualnej konieczności wymiany. Systemy z zasobnikiem elektromechanicznym mają z kolei wbudowaną autodiagnostykę. Każdy statyczny zasilacz bezprzerwowy (UPS) czy też dynamiczny zasilacz bezprzerwowy (RUPS), dzięki wbudowanym możliwościom komunikacji, pozwala im natomiast zaadaptować się do aplikacji, wpasować w budynkowy system zarządzania.

Wybierając systemy zasilania gwarantowanego można rozpatrywać różne kryteria, a przykładowy algorytm wyboru przedstawia poniższa grafika. Jeśli czas autonomii (z różnych względów) musi być dłuższy niż 60 sekund to w zasadzie można zapomnieć o jakimkolwiek rozwiązaniu z zasobnikiem elektromechanicznym (KEM), podobnie jeśli moc obciążenia będzie stale znacznie niższa niż 200 kW. Na ogół zastosowanie pojedynczego zasobnika elektromechanicznego (KEM) właśnie w warunkach niższego obciążenia, skutkuje pożądanym wydłużeniem czasu autonomii, w innym przypadku konieczne będzie zastosowanie kolejnego KEM przeznaczonego do pracy równoległej. Obie ewentualności mogą być jednak niestety nieuzasadnione ekonomicznie, ze względu na wysokie koszty inwestycyjne w porównaniu do rozwiązań z baterią akumulatorów (BAT).

We wdrożeniach o mocy obciążenia nie niższej niż 200 kW, gdzie stosunkowo krótki czas autonomii nie będzie stanowił problemu, można rozważyć zastosowanie rozwiązania z zasobnikiem elektromechanicznym (KEM), natomiast w przypadkach, w których moc obciążenia przekroczy poziom 300 kW – dynamicznego zasilacza bezprzerwowego (RUPS), pod warunkiem, że jego planowane obciążenie będzie nie mniejsze niż 50%.

Istotną kwestią są również koszty eksploatacyjne. W przypadku systemów UPS+BAT kosztowna jest zwykle konieczność utrzymania odpowiedniej temperatury otoczenia baterii akumulatorów (BAT), czyli neutralizacja ciepła emitowanego przez statyczny zasilacz bezprzerwowy (UPS). Z kolei w przypadku rozwiązań typu RUPS kapitałochłonne jest głównie ich nieefektywne wykorzystywanie, tzn. ciągła praca przy niskim obciążeniu (co jest skutkiem wdrożenia, np. w układzie redundantnym typu 2N, gdzie obciążenie dzielone jest pomiędzy dwa aktywne tory zasilania).

Obiekty typu Data Center charakteryzują się m.in. tym, że sumaryczna moc odbiorników krytycznych liczona jest zwykle w tysiącach kW i z zasady wyposażane są w zasilanie awaryjne, stąd też wstępnie możliwie jest zastosowanie każdego z rozwiązań opisanych w niniejszym opracowaniu (przy uwzględnieniu założeń przyjętych dla układu zasilania i dystrybucji energii, a w tym konieczności zastosowania wyposażenia dodatkowego czy możliwości wykonania technicznie poprawnego podłączenia do budynkowej instalacji elektrycznej). Tym, na co dodatkowo należy zwrócić uwagę wybierając systemy zasilania gwarantowanego jest bardzo często przestrzeń przewidziana dla pomieszczeń technicznych. Baterie akumulatorów (BAT) wymagają na ogół stosunkowo dużej powierzchni, natomiast zasobniki elektromechaniczne mogą nie wpisywać się w „upodobania” użytkownika.

Weryfikacja rozwiązania

Zanim jeszcze wybrane rozwiązanie zostanie zainstalowane w docelowej lokalizacji należy upewnić się, że założenia projektowe w zakresie rozmieszczenia poszczególnych elementów w danym pomieszczeniu technicznym są poprawne i możliwe do spełnienia, przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej przestrzeni serwisowej. Trzeba również sprawdzić, że zastosowany zostanie odpowiednio wydajny układ wentylacji i/lub klimatyzacji, nie ma zagrożeń związanych z niedostateczną obciążalnością stropu/podłogi, a planowane okablowanie będzie umożliwiało wykonanie technicznie poprawnego podłączenia. Następnie należy potwierdzić zgodność dostawy z zamówieniem.

Po instalacji wybranego rozwiązania w docelowej lokalizacji (potwierdzonego stosownymi protokołami) oraz jego wstępnym uruchomieniu, zalecane jest także przeprowadzenie szeregu testów funkcjonalnych przy różnych poziomach obciążenia oraz bez niego. Ma to na celu potwierdzenie ogólnej poprawności działania poszczególnych urządzeń i systemu jako całości oraz zgodności rzeczywistych wartości parametrów technicznych z deklarowanymi przez producenta/dostawcę. W szczególności dotyczy to poziomu emisji zakłóceń harmonicznych, sprawności i czasu autonomii. Podczas wspomnianych testów funkcjonalnych ważne jest odwzorowanie wszystkich możliwych scenariuszy pracy docelowego systemu w układzie zasilania i dystrybucji energii. Koniecznym może okazać się zastosowanie obciążnicy/obciążnic (w celu zasymulowania obciążenia) oraz dodatkowego sprzętu w postaci kamer termowizyjnych czy analizatorów sieci.

Finalnie pozostaje tylko przestrzegać zapisów w instrukcji oraz obowiązujących przepisów. Odpowiednie zarządzanie zastosowanym rozwiązaniem z zakresu zasilania gwarantowanego jest też drogą do zapewnienia nieprzerwanej ciągłości operacyjnej obiektów typu Data Center.

Literatura
1. PN-EN 62040-3:2022-01 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań”.
2. PN-EN 88528-11:2007 „Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikami spalinowymi tłokowymi. Część 11: Wirujące bezprzerwowe systemy zasilania. Wymagania i metody badań”.
3. PN-EN 50600-2-2:2019-07 „Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 2-2: Zasilanie i dystrybucja energii”.
4. T. Sutkowski, „Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – Urządzenia i układy”, COSIW, 2007.
5. „Poradnik projektanta elektryka systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego” pod redakcją J. Wiatr, Wydanie II poprawione i rozszerzone, Tom I, Eaton Powering Business Worldwide, Warszawa, 2008.
6. G. Marshall, D. Chapman, „Odporność. Odporność, niezawodność i redundancja. 4.1”, „Jakość zasilania – poradnik”.
7. W. Suliga, „Zabezpieczenie zasilania na przykładzie Data Center. Rozwiązania dla obiektów i urządzeń
o zwiększonych wymaganiach w zakresie ciągłości dostaw energii elektrycznej”, „Wiedza i Praktyka”, 2015.
8. W. Suliga, „Ciągłość dostaw energii elektrycznej w odniesieniu do norm, rozporządzeń i wymagań aplikacji”, „Instalacje elektryczne w praktyce”, 2016.
9. W. Suliga, „Jak działa dynamiczny zasilacz bezprzerwowy – na przykładzie rozwiązania typu RUPS”, „Instalacje elektryczne w praktyce”, 2017.
10. W. Suliga, „Budowa i działanie statycznego zasilacza bezprzerwowego z zasobnikiem elektromechanicznym”, „Instalacje elektryczne w praktyce”, 2018