Zasilanie awaryjne obiektów typu Data Center

Zasilanie awaryjne Data Center, a klasyfikacja serwerowni

Wydawałoby się, że standard serwerowni określają zastosowane w niej urządzenia informatyczne, np. serwery. Nie pomniejszając wagi tym urządzeniom, to nie one decydują o jakość Data Center. Standardy klasyfikujące serwerownie, do których zaliczają się m.in. ANSI/TIA, Uptime Institute, BICSI Classes wskazują poziom dostępności do ich usług, a na nią ma wpływ m.in. zasilanie awaryjne Data Center. Według Uptime Institute poziom podstawowy to 99,671% dostępności, a poziom z pełną redundancją systemów infrastruktury zapewnia 99,995% dostępności. Czy 0,324% to dużo? Zdarza się, że czasami to bardzo dużo.

Infrastruktura Data Center

W skład podstawowej infrastruktury Data Center wchodzą systemy chłodzenia (klimatyzacja precyzyjna), zasilacze UPS, agregaty prądotwórcze, systemy detekcji i gaszenia pożaru, szafy rack, okablowanie sieciowe, listwy PDU, kontrola dostępu, monitoring, a także sam budynek.

Zasilanie awaryjne Data Center jako kluczowy element infrastruktury

Żaden ze wspomnianych wyżej powyższych systemów nie będzie poprawnie funkcjonował bez dostępu do wysokiej jakości energii elektrycznej. Dlatego podstawowymi urządzeniami, które znajdują się w każdej serwerowni są zasilacze UPS. Występują one pod różnymi postaciami, np. jako małe modele rackowe umieszczane w szafach informatycznych i zasilające je lokalnie w tzw. układzie rozproszonego zasilania, lub jako UPSy centralne, które zasilają zarówno pomieszczenie Data Center, jak i część administracyjną obiektu.

Każde ze wspomnianych rozwiązań odgrywa bardzo ważną rolę, chociaż ich budowa oraz kluczowe parametry mogą się różnić. Dla małych serwerowni, które składają się z 1, 2 lub 3 szaf rack i nie przekraczają 10 kW mocy elektrycznej, stosuje się UPS typu rack, najczęściej 1-fazowe, które zasilają wybrane urządzenia IT. W takim układzie pomija się zasilanie gwarantowane, np. dla systemu klimatyzacji. Z reguły UPSy te mają również ograniczoną możliwość rozbudowy czasu podtrzymania (autonomicznej pracy UPS z energii zgromadzonej w bateriach).

Zasilacze UPS do średnich i dużych serwerowni

Nieco inaczej wygląda zasilanie awaryjne Data Center w przypadku średnich i dużych serwerowni. Stosuje się zasilacze centralne, które zapewniają energię elektryczną wszystkim urządzeniom IT, a także systemom klimatyzacji. Bardzo popularnym rozwiązaniem są modele o konstrukcji modułowej, które dzięki swoje elastyczności pozwalają na rozbudowę mocy urządzenia lub/i stworzenia systemu z redundancją modułów.

Zasilacze UPS modułowe składają się z 4 podstawowych elementów – modułów by-passu, komunikacyjnego, mocy i baterii. Charakterystycznym parametrem dla tego typu rozwiązań jest moc modułu i moc maksymalna szafy integrującej moduły. Budowę systemu realizującego zasilanie awaryjne Data Center należy rozpocząć od przygotowania bilansu mocy gwarantowanej na etapie rozpoczęcia pracy serwerowni oraz przy jej docelowym zapełnieniu urządzeniami. Wówczas wybiera się zasilacz modułowy, którego moc maksymalna szafy integrującej zabezpieczy moc docelową, a w szafie umieszcza taką liczbę modułów mocy, która pokryje zapotrzebowanie w pierwszym etapie pracy serwerowni.

W zależności od producenta, zasilacze UPS różnią się między sobą m.in. mocą docelową szaf i mocą pojedynczych modułów. Istotną zaletą rozwiązań o konstrukcji modułowej jest prostota w zbudowaniu systemu redundantnego. W przypadku klasycznych (monoblokowych) zasilaczy UPS, taki system może być przygotowany tylko jako połączenie równoległe dwóch identycznych UPSów. Wówczas, w przypadku awarii jednego z nich, drugi przejmuje jego pracę i zasila odbiorniki. W UPS modułowych natomiast system nadmiarowy buduje się poprzez dodanie o jeden moduł więcej niż wynika to z zapotrzebowania na moc, np. gdy zapotrzebowanie na moc serwerowni na wstępnym etapie wynosi 80 kW, a docelowo 100 kW, wybierany jest zasilacz UPS, którego szafa umożliwia rozbudowę do 120 kW, w pierwszym etapie zainstalowane zostaną 4 moduły po 20 kW (80 kW) oraz jeden nadmiarowy/redundantny o mocy 20 kW (układ N+1). W miarę wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną serwerowni użytkownik będzie uzupełniał szafę o kolejne moduły mocy, aż do 5 modułów 20 kW + 1 moduł redundantny 20 kW. Redundancję stanowi moduł nadmiarowy, który jednak pracuje ciągle, ponieważ obciążenie rozkładane jest równomiernie na wszystkie moduły. W przypadku awarii jednego z nich następuje wzrost obciążenia w pozostałych, a uszkodzony element zostaje automatycznie odłączony od sytemu. Istotną zaletą większości UPS modułowych jest bezprzerwowa możliwość ich wymiany podczas pracy.

Zasilanie awaryjne Data Center a magazynowanie energii

Niezwykle istotnym elementem systemu UPS są baterie, w których magazynowana jest energia elektryczna niezbędna do autonomicznej pracy zasilaczy podczas zaniku napięcia w sieci zawodowej. Do niedawna stosowano wyłącznie baterie wykonane w technologii AGM (ang. Absorbent Glass Mat), gdzie elektrolit absorbowany jest w macie szklanej. To doprecyzowana technologia, a szeroki zakres pojemności akumulatorów ułatwia ich dobór do wymaganego czasu podtrzymania dla konkretnej mocy obciążenia.

Technologia AGM jest jednak powoli wypierania przez nowe akumulatory litowe LFP LiFePO4, których żywotność określa się nawet na 15–20 lat i 5000 cykli. Zdecydowanym argumentem dla wyboru tego typu baterii jest ograniczenie powierzchni zabudowy do 70% względem baterii AGM oraz niższa masa. Baterie LFP mają również wbudowany system BMS, który stale monitoruje wszystkie parametry baterii, co przyczynia się do ograniczenia kosztów ich eksploatacji i konserwacji. Niestety, cena tych rozwiązań jest znacznie wyższa od baterii AGM.

Dynamiczne zasilacze UPS

Zasilanie awaryjne Data Center może być również realizowane w wykorzystaniem dynamicznych zasilaczy UPS. Ich budowa bardzo różni się od klasycznych zasilaczy UPS, począwszy od sposobu magazynowania energii, a kończąc na sposobie jej wytwarzania. Dynamiczne UPSy charakteryzują się przede wszystkim tym, że energia zgromadzona jest w wirującym kole zamachowym. Podczas normalnej pracy z sieci, koło zamachowe przez zainstalowany na nim silnik, wprowadzane jest w ruch do prędkości obrotowej 4000–5000 obr/min., a energia do odbiorników dostarczana jest przez prądnicę, która jest w ciągłym ruchu. W przypadku zaniku energii elektrycznej w sieci, koło zamachowe oddaje zgromadzoną w sobie energię kinetyczną przez uzwojenia silnika, które teraz pełnią funkcję prądnicy. Energia poprzez prosty przekształtnik dostarczana jest do prądnicy o stałej prędkość obrotowej, aby zapewnić częstotliwość i napięcie zgodne z parametrami maszyny.

Zasilacze dynamiczne z uwagi na bardzo krótki czas pracy autonomicznej współpracują z agregatami prądotwórczymi. Ich zalety stanowią m.in. odporność na zmiany obciążenia, charakterystykę obciążenia czy zwarcia po stronie wtórnej i pierwotnej, a także trwałość sięgająca nawet powyżej 20 lat. Samo koło zamachowe jest proste w swojej konstrukcji, a co za tym idzie serwis zostaje ograniczony do uzupełniania smaru oraz wymiany łożysk raz na ok. 7–10 lat, w zależności od warunków eksploatacji.

Zasilanie awaryjne Data Center w podsumowaniu

Wybierając zasilanie awaryjne Data Center warto skonsultować swój wybór z firmami specjalizującymi się w tej dziedzinie. Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań, które można idealnie dopasować do budowanej serwerowni, mając na uwadze jej bieżące i przyszłe potrzeby. Realizując obiekt typu Data Center warto sięgnąć po rozwiązania producentów obecnych na polskim rynku, którzy mogą świadczyć wsparcie serwisowe i dysponują magazynami części zamiennych. Nie należy również zapominać o przeglądach okresowych, które nie tylko służą oczyszczeniu urządzeń, ale przede wszystkim określają ich stan techniczny oraz pozwalają zapobiec potencjalnym awariom.