Ключевой технологической тенденцией в области ИТ, безусловно, является виртуализация ресурсов информационных систем. Ее влияние на системы электропитания двояко. С одной стороны, виртуализация повышает уровень загрузки серверов (и в этом одно из основных ее достоинств), что приводит к увеличению и потребляемой ими электрической мощности. При этом повышается плотность мощности, а значит, предъявляются более серьезные требования к системам охлаждения, в частности, потребляемая ими мощность тоже может возрасти. С другой стороны, возможность загрузить серверы «по максимуму» позволяет сократить их общее число, а вместе с ним и нагрузку на систему электропитания. Какой тренд окажется сильнее — «на повышение» или «на понижение» — зависит от особенностей конкретного проекта.

Столь же неоднозначно и влияние блейд-серверов на изменение требований к электропитанию. Использование общих блоков питания и вентиляторов для нескольких «лезвий» дает очевидную экономию электроэнергии. Но повышение плотности вычислительных ресурсов может привести к резкому увеличению температуры в стойке с блейд-серверами и, как следствие, к необходимости выделения дополнительной электроэнергии на средства охлаждения.

Повышение уровня загрузки ИТ-систем способствует улучшению энергетической эффективности ЦОД, для оценки которой обычно применяют показатель Power Usage Effectiveness (PUE). Он определяется как отношение подаваемой на площадку полной энергии к энергии, потребляемой ИТ-оборудованием. При этом может оказаться, что гораздо более совершенный, с точки зрения инженерных систем, но менее загруженный ЦОД будет иметь значительно худший показатель эффективности, чем устаревший объект, владельцам которого удалось повысить степень загрузки ИТ-оборудования (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Сравнение PUE для двух ЦОД.

 

Впрочем, несмотря на возможное (благодаря виртуализации) снижение темпов роста энергопотребления объектами ИКТ, в целом спрос на энергоресурсы, конечно, будет по-прежнему увеличиваться. Центры обработки данных становятся все масштабнее: в России мультимегаваттные объекты уже давно перестали быть в диковинку, а в США строятся центры с потреблением свыше 100 МВт. Понятно, что на таких объектах снижение энергопотребления даже на десятые доли процента дает огромную экономию, что стимулирует разработку и внедрение все более энергосберегающих решений. Кроме того, ряд экспертов полагает, что на мегаваттных объектах традиционные решения, основанные на установке статических ИБП, не слишком эффективны (см. статью «Старые новые динамические ИБП» в этом номере).

Еще одной тенденцией, влияющей на проектирование и реализацию систем электропитания, является рост интереса к подаче питания по слаботочной кабельной проводке (СКС) сетей Ethernet. Выпускаемые сегодня стандартные (IEEE 802.3at) решения PoE+ позволяют при использовании двух витых пар доводить до нагрузки 25 Вт энергии, а фирменные разработки — повысить подаваемую мощность до 100 Вт. Даже 25 Вт может хватить для работы пользовательского оборудования (телефон, LED-монитор, компактный ПК), что дает возможность отказаться от прокладки силовой проводки до рабочих мест (см. статью «Прощай, силовая проводка?» в этом номере журнала).

Если проекты, в которых по PoE обслуживаются все пользовательские устройства, пока единичны, то внедрение питаемых по локальной сети IP-телефонов уже стало массовым явлением. В результате их использования повышается нагрузка на средства электропитания сетевого оборудования — коммутаторов и промежуточных инжекторов (midspan), через которые, собственно, электричество и «вводится» в СКС. Кроме того, если традиционно емкость аккумуляторных батарей ИБП рассчитывалась исходя из времени автономного электроснабжения 5–10 мин, чтобы успеть корректно закрыть компьютерные приложения и завершить работу ИТ-систем, то для телефонии подобный расчет не годится. Телефоны должны продолжать работать и по прошествии 10 мин после отключения электричества, поэтому необходимо либо увеличить емкость аккумуляторов, либо установить дизель-генератор или другой «долгоиграющий» альтернативный источник энергии. Другими словами, подходы к проектированию и внедрению систем электропитания должны быть иными.

 

ЧТО СКРЫТО ПОД СЛОВОМ «ЭКО»

В последнее время при обсуждении выбора ИБП для защиты важных, а тем более критичных систем, например в ЦОД, устройства, работающие по схемам standby и line-interactive, практически не упоминаются. Уже никого не приходится убеждать в необходимости установки онлайновых ИБП с двойным преобразованием энергии, что гарантирует максимальный уровень защиты оборудования от помех во внешней сети. Выпрямители в таких изделиях преобразуют поступающий извне «грязный» переменный ток (АС) в постоянный (DC), который затем инвертором преобразуется обратно в уже «чистый» переменный ток, идущий на нагрузку. В случае выхода параметров внешней сети за допустимые пределы или при полном отключении электричества, питание нагрузки происходит через тот же инвертор, но подается от аккумуляторной батареи. Зарядка батареи осуществляется постоянным током в штатном режиме работы.

Главный недостаток онлайновых ИБП — относительно низкий КПД, «виной» чему как раз двойное преобразование энергии. В эпоху всеобщей борьбы за повышение энергоэффективности разработчики не могли не вернуться к схемам с одним преобразованием энергии (standby и line-interactive), обеспечивающим более высокий КПД. Результатом стала реализация в большинстве современных ИБП с двойным преобразованием так называемого экорежима (экономичного), который по сути является не чем иным, как режимом line-interactive или standby. Такие устройства следует считать мультирежимными, и именно они, по мнению поставщиков классических (статических) ИБП, будут наиболее востребованы в ближайшие годы.

Напомним, что резервный ИБП (standby) подключает нагрузку напрямую к входной цепи (возможно лишь ограниченное сглаживание помех), а в случае пропадания в последней электричества переключает нагрузку на аккумуляторы. Линейно-интерактивные аппараты (line-interactive) оснащаются ступенчатым регулятором напряжения (бустером), обычно на базе автотрансформатора. Они могут использоваться не только как повышающие бустеры, которые имеют одну или несколько ступенек повышения, но и как универсальные регуляторы, работающие и на повышение, и на понижение напряжения. Использование бустеров позволяет выдержать долгие глубокие подсадки и проседания входного напряжения без перехода на аккумуляторные батареи, что увеличивает срок их эксплуатации.

 

Рисунок 2. Различные режимы работы мультирежимного ИБП Eaton.

 

Мультирежимные ИБП при высоком качестве входного напряжения работают по схеме standby или line-interactive (режим 1 на Рисунке 2), что обеспечивает высокий КПД. Как только параметры на входе выходят за рамки установленных пределов, ИБП переключается на работу с двойным преобразованием энергии (режим 2 на Рисунке 2). Если условия во внешней сети ухудшились настолько, что работа выпрямителя стала невозможной, или электричество пропало вовсе, источник переходит на работу от батарей (режим 3 на Рисунке 2).

 

Рисунок 3. Рост эффективности (КПД) источников бесперебойного питания.

 

Переход на использование мультирежимных ИБП позволяет вплотную приблизиться к идеальной ситуации, когда КПД устройства достигает 100% (см. Рисунок 3). Однако у многих вызывают опасения риски, связанные с переключением между режимами — наиболее «тонким» моментом в работе таких ИБП.

 

ВРЕМЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Блоки питания современной вычислительной техники построены так, что перерывы в электропитании длительностью до 20 мс не оказывают негативного воздействия на работу оборудования. Но доводить дело до этого предельного значения не стоит, поскольку чем дольше блок питания остается без электричества, тем большего стартового тока он потребует в момент включения. Например, если перерыв превышает 5 мс, то для некоторых блоков питания стартовый ток превысит 400% от номинального значения. Не любой ИБП в состоянии обеспечить такой ток.

Считается, что для ИБП, работающих в режиме двойного преобразования, переключение на аккумуляторную батарею осуществляется практически мгновенно, поэтому и перерыва в подаче питания на нагрузку не происходит. Для линейно-интерактивных устройств типичное время переключения составляет от 3 до 8 мс, а для резервных ИБП — 5–12 мс.

Лучшие образцы мультирежимных ИБП, согласно данным производителей, способны переключить нагрузку на батареи за несколько миллисекунд, при таком перерыве стартовый ток блоков питания не превысит двух номинальных значений. По мнению экспертов Eaton, в мультирежимных ИБП входная цепь должна быть синхронизована с инвертором, для того чтобы при исчезновении напряжения во внешней сети инвертор сразу брал на себя нагрузку с минимальным временем переключения. При этом и выпрямитель, и инвертор должны все время находиться в онлайне (под рабочим напряжением) и быть готовы к работе. Это позволит обеспечить переключения между режимами на микросекундном уровне.

 

ЗОНЫ И МОДУЛИ

Одна из самых важных и в то же время сложных задач, связанных с повышением энергоэффективности, — обеспечение максимально точного соответствия между потребностью в энергоресурсах и их выделением (right-sizing). Традиционно ЦОД оснащались, а зачастую и продолжают оснащаться единой централизованной системой бесперебойного гарантированного питания, «чистое» электричество от которой поровну распределяется между всеми стойками. При этом проектировщики изначально предусматривают, что, скажем, на каждую стойку необходима мощность 3 или 5 кВт. Если при таком подходе возникнет потребность в более «мощных» стойках, допустим на 15 кВт, придется перестраивать как инфраструктуру электропитания, так и систему охлаждения.

Сегодня все большую популярность приобретает зонный подход к проектированию и реализации инженерной инфраструктуры ЦОД. В этом случае объект делится на участки, рассчитанные на установку стоек с разной мощностью. Скажем, коммерческий ЦОД может выделить одну зону под стандартные стойки на 3–5 кВт, вторую — подготовить для клиентов, предпочитающих «уплотнять» вычислительные средства (например, с помощью все той же виртуализации) до уровня 15–20 кВт на стойку, а третью зону вообще оставить пустой под будущее развитие и/или нестандартные инсталляции. Для каждой зоны будет заложена своя инженерная инфраструктура, что позволит обеспечить более точное соответствие между спросом и предложением. При этом никто не призывает отказываться от централизованной установки единых ИБП и ДГУ, однако у всех трех зон системы распределения питания, включая устройства PDU, будут различаться.

Зонный подход «наводит порядок» в структуре ЦОД, но не решает задачу постепенного наращивания емкости системы электропитания по мере роста потребностей ИТ-оборудования. Здесь «на сцену» выходят модульные системы, например ИБП, мощность которых можно увеличивать постепенно. По оценкам специалистов компании Eaton, модульные решения, как правило, в 1,5–2 раза дороже классической «монолитной» системы. При грамотном осуществлении планирования, проектирования и инсталляции это соотношение можно снизить до значения 1,3. Однако все названные цифры относятся к капитальным затратам (CAPEX). При модульном подходе стоимость операционных расходов (OPEX) может оказаться существенно ниже за счет снижения затрат на электроэнергию, обслуживание и эксплуатацию оборудования. Если же ЦОД по каким-то причинам не выйдет на рассчитанную при выборе монолитной системы мощность или ее потребуется наращивать далее, модульный подход, без всяких сомнений, окажется более выгодным.

Специалисты Chloride отмечают, что операционные расходы (OPEX) можно снизить, постепенно наращивая мощность системы, например, на базе модульного мультирежимного ИБП Trinergy, что особенно актуально для ЦОД. При использовании подобных решений заказчик имеет возможность сэкономить и распределить затраты по времени, оплатив инсталляцию системы без части силовой начинки. При последующем наращивании нагрузки ИБП не потребуется ни перекоммутация кабельных линий, ни каких-либо перемещения оборудования -- достаточно лишь добавить силовые модули с передней стороны устройства. 

Кроме того, модульный подход способствует повышению отказоустойчивости решения. Классическое решение предполагает параллельное подключение модулей по схеме N+1 (или N+M). В их качестве могут использоваться и отдельные силовые модули одного источника бесперебойного питания, и ИБП целиком. Как в любой системе с резервированием (избыточностью) ресурсов, в параллельной системе ИБП часть модулей будет загружена не полностью. И хотя КПД последнего поколения ИБП при уменьшении уровня загрузки снижается не столь заметно (см. Рисунок 4), все равно желательно, чтобы модули были загружены как можно больше.

 

Рисунок 4. Зависимость КПД от нагрузки для ИБП разных типов.

 

В этой связи эксперты Chloride обращают внимание на адаптивные системы управления ИБП, способные отключать (переводить в «спящий» режим) не нужные в данный момент модули, повышая уровень загрузки оставшихся. При этом «спящие» модули постоянно чередуются для обеспечения равномерной наработки, что также очень важно. При необходимости модули из резерва будут оперативно переведены в рабочее состояние. Это тоже неплохой инструмент для оптимизации КПД мощных систем бесперебойного питания.

Модульный подход к построению систем бесперебойного питания предоставляет заказчику выбор типа соединения аккумуляторных батарей с ИБП, т.е. обеспечивает возможность подключения батарей к каждому модулю отдельно, либо всем массивом ко всей системе. У обеих схем подключения существуют свои «минусы» и «плюсы», но, главное, есть выбор.

 

УЧЕТ И КОНТРОЛЬ

Все разговоры о повышении энергоэффективности имеют смысл только при наличии инструментов, позволяющих измерить потребление электричества. Поэтому все выше спрос на соответствующие приборы и оборудование с функциями мониторинга и учета — например, на «интеллектуальные» блоки распределения питания (PDU), — а также на ПО для обработки и анализа результатов измерений. Такие решения позволяют выявить наиболее проблемные элементы или участки в системе электропитания, определить временные колебания энергопотребления, спрогнозировать потребность в модернизации или установке новых устройств.

Эксперты выделяют три подхода к мониторингу энергопотребления, в зависимости от элемента, на уровне которого осуществляются измерения:

  • ИБП,
  • PDU,
  • сервер (или другое устройство — конечный потребитель).

Чем ближе к конечному устройству осуществляется измерение, тем точнее оно представляет реальную потребляемую им мощность. Однако на крупных объектах установлены тысячи единиц разнотипного оборудования разных производителей. Оснащение каждого конечного устройства средствами измерения потребляемого электричества, а также согласованный сбор и анализ результатов этих измерений далеко не всегда возможны и/или экономически оправданны. Поэтому на практике более востребованы «интеллектуальные» блоки PDU для контроля потребления группы устройств (например, установленных в одной монтажной стойке).

 

Рисунок 5. Оценка мощности, потребляемой конечным ИТ-оборудованием, при измерениях на уровне ИБП (UPS).

 

Что делать, если бюджет не позволяет закупить «интеллектуальные» PDU, которые существенно дороже обычных блоков розеток? Тогда остается полагаться на средства мониторинга, которыми снабжены ИБП (см. Рисунок 5). В этом случае, очевидно, получаемые данные не будут учитывать потери энергии в PDU и других элементах, которые в электрической сети располагаются после ИБП. По данным APC by Schneider Electric, общая ошибка при измерении энергопотребления ИТ-оборудования средствами ИБП иногда достигает 25%.

Однако эту ошибку можно и нужно снизить, что позволит реализовать довольно эффективную и точную систему мониторинга. Для начала необходимо вычесть из данных, поступающих от ИБП, мощность, которая идет на питание оборудования, не относящегося к сфере ИТ (например, тем же самым источником нередко обслуживаются кондиционеры), затем с помощью портативных средств измерений следует оценить потери, возникающие на PDU, чтобы не учитывать их в значениях, получаемых от ИБП. Подобные меры позволяют создать модель, когда, сделав измерения в одной точке (вместо тысяч — существенное снижение расходов на систему мониторинга), можно на основании специальных расчетов получить близкие к реальным цифры по потреблению энергии конечным ИТ-оборудованием.

 

ОТХОД ОТ ДОГМ?

Рекомендуя применение экорежима, поставщики ИБП отошли от догмы, утверждающей, что «для защиты критически важного оборудования режим двойного преобразования обязателен». Следующей может рухнуть догма о «незаменимости» свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АКБ). На сегодняшний день такие батареи — практически не имеющий конкурентов альтернативный источник энергии, применяемый в системах бесперебойного питания. Такие системы обычно проектируются так, чтобы АКБ позволили поддерживать нагрузку в течение 5–15 мин — этого времени достаточно для корректного завершения работы ИТ-систем или перехода на питание от дизель-генератора.

Изобретенные примерно 150 лет назад свинцово-кислотные аккумуляторы остаются одними из самых доступных и выгодных (по стоимости единицы времени резервного электропитания) источников энергии. Но у них масса недостатков. Главные из них — большие размеры и масса, что очень расстраивает владельцев ЦОД, где площадь «на вес золота». По энергетической плотности — отношению емкости батареи (в ампер-часах или в ватт-часах) к ее весу (Вт/кг) — они существенно уступают некоторым другим типам элементов питания, а кроме того, обладают повышенной «чувствительностью» к условиям окружающей среды: при повышении температуры свыше определенного предела срок их службы значительно сокращается (см. Рисунок 6). Вывод однозначен: для них придется выделять не просто большое помещение, а помещение с системой кондиционирования.

 

Рисунок 6. Сокращение срока эксплуатации аккумуляторных батарей при повышении температуры окружающего воздуха.

 

В любом случае типичный срок службы свинцово-кислотных АКБ составляет пять лет, что в два-три раза меньше времени жизни высококачественного ИБП. Замена аккумуляторов — это не только затраты на покупку новых, но и проблема с утилизацией имеющихся устройств, которая тоже «влетает в копеечку». Чтобы быть уверенным в постоянной готовности аккумуляторов, необходимо отслеживать их состояние, для чего применяются не слишком простые и отнюдь не дешевые средства мониторинга. В ИБП в основном устанавливают так называемые необслуживаемые аккумуляторы, то есть не требующие контроля уровня электролита. На самом деле обслуживать их придется — хотя бы регулярно проверять состояние и затяжку контактов, что также увеличивает операционные расходы.

Одной из перспективных замен свинцово-кислотных АКБ считаются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы, которые активно используются сегодня в сотовых телефонах, фотоаппаратах, ноутбуках и другой электронике. Их энергетическая плотность в несколько раз выше, чем у свинцовых, но и стоят они значительно дороже. Так, купленный мной недавно литий-ионный аккумулятор емкостью 600 мА*ч для мобильного телефона стоил примерно столько же, сколько свинцовый аккумулятор емкостью 60 А*ч (т. е. в сто раз большей) для автомобиля. К недостаткам литий-ионных источников энергии следует отнести опасность разрушения корпуса (могут взрываться при перегреве или чрезмерной зарядке) и вероятность полного выхода из строя при глубоком разряде.

Стремительное развитие технологий литий-ионных аккумуляторов связано с большим интересом к ним со стороны производителей гибридных и полностью электрических автомобилей. Небольшой размер и высокая энергетическая плотность делают их практически оптимальными для применения в автомобилестроении. Ведутся интенсивные работы, направленные на повышение безопасности их использования, снижение размеров и цены. Эксперты полагают, что уже через пару лет по общей стоимости владения (TCO) литий-ионные аккумуляторы сравняются со свинцовыми, и начнут постепенно вытеснять последние в сфере ИБП.

Среди других вариантов, являющихся альтернативой свинцовым аккумуляторам, — суперконденсаторы (или ионисторы), топливные элементы, механические маховики. Технологии суперконденсаторов и топливных элементов бурно развиваются, и не исключено, что уже в ближайшее время производители могут приступить к их активному использованию в системах бесперебойного питания. Что касается маховиков, то эти устройства уже применяются как в статических, так и в динамических ИБП, о чем подробнее рассказано в материале «Старые новые динамические ИБП» в этом номере журнала.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF