Значительную экономию энергии потенциально могут обеспечить прежде всего серверное оборудование и системы климатизации, однако существенный вклад способны внести и ИБП, доля которых в общем объеме потреблении электроэнергии в ЦОД достигает 18%. В конце апреля 2012 года европейский стандарт EN 16001:2009 был заменен на международный норматив «Системы энергетического менеджмента EN ISO 50001:2011» (соответствующий российский ГОСТ вступит в силу 1 января 2013 года). Новые требования предусматривают применение системного подхода для долгосрочного снижения энергопотребления и выбросов парниковых газов.

ВАЖНОЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ЦОД

Как в случае с широко распространенным ныне стандартом ISO 9001, в котором зафиксированы требования к системам менеджмента качества, ISO 50001 фокусируется главным образом на процессах оптимизации, при этом он охватывает всех потребителей электроэнергии на предприятии, начиная с производства и логистики и заканчивая ЦОД и инфраструктурой ИТ. При этом так называемый управляющий цикл планирование – выполнение – проверка – действие (Plan/Do/Check/ Act, PDCA) предусматривает постоянное планирование и реализацию мер по улучшению бизнес-процессов, а также последующую проверку их эффективности со стороны руководства предприятия.

Таким образом, задачи повышения энергоэффективности в ЦОД окончательно переходят под контроль руководства, поскольку многие ЦОД относятся к разряду объектов со значительным расходом электроэнергии, а значит, при сертификации на соответствие ISO 50001 они должны включаться в общекорпоративную систему энергетического менеджмента. Хотя в этом документе нет специальных директив для ЦОД (они относятся к коммерческим зданиям), эксперты считают, что стандарт ISO 50001 может стать одной из важнейших норм для эффективной эксплуатации вычислительных центров.

Поставщики услуг ЦОД и провайдеры облачных сервисов уже сейчас сталкиваются с растущим ценовым прессингом из-за значительного роста тарифов на электроэнергию. Для них любое долгосрочное снижение энергопотребления приведет к повышению их конкурентоспособности. К этому добавляется еще и значительное улучшение имиджа компании, достигаемое благодаря щадящему обращению с природными ресурсами. К тому же можно предположить, что аккредитованные предприятия, в свою очередь, предпочтут поставщиков, у которых тоже имеются соответствующие сертификаты.

Еще одно преимущество нового стандарта заключается в том, что принятые раннее меры по обеспечению эффективности в рамках энергетического мониторинга (к примеру, регулярный учет потребления электроэнергии и постоянные измерения коэффициента энергоэффективности PUE) легко интегрируются в систему энергетического менеджмента в соответствии со стандартом ISO 50001. К тому же владельцы нескольких ЦОД, расположенных в разных странах, выигрывают от международного статуса этого стандарта, поскольку могут использовать на всех своих объектах единые процессы.

Применение нового стандарта сулит немалые преимущества, о чем наглядно свидетельствует пример тайваньской компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Уже в конце 2011 года это предприятие, специализирующееся на производстве микросхем и сотрудничающее с Apple, завершило сертификацию своего ультрасовременного центра обработки данных на соответствие стандарту ISO 50001. И благодаря лишь выполнению соответствующих предписаний TSMC намеревается снизить годовой расход электроэнергии в этом ЦОД на 8%, что эквивалентно экономии приблизительно 2,2 млн кВт×ч и сокращению выбросов углекислого газа примерно на 1350 т. Ожидается, что дальнейшие инвестиции в чрезвычайно энергоэффективную инфраструктуру в этом ЦОД позволят сэкономить до 50 млн кВт×ч, что соответствует уменьшению эмиссий углекислого газа на 36 кт.

РОЛЬ ИБП

Помимо инвестиций в энергосберегающее серверное оборудование и в максимально эффективные системы климатизации, выполнению предписаний по экономии электроэнергии в рамках единой общекорпоративной системы энергетического менеджмента будет способствовать повышение эффективности используемых систем ИБП. Источники бесперебойного питания не только вносят большой вклад в обеспечение бесперебойной работы оборудования, но и существенно влияют на уровень общей энергоэффективности ЦОД, ведь на их долю приходится от 15 до 20% всего потребления электроэнергии. Вследствие их непрерывной эксплуатации, избыточности и взаимодействия с системой климатизации повышение их эффективности всего лишь на несколько процентов способно дать заметный результат.

Потери мощности систем ИБП выражаются главным образом в выделении тепла, которое необходимо отводить с помощью климатических установок, что приводит к дополнительным потерям мощности, поскольку холодопроизводительность систем охлаждения не равна потребленной ими электрической мощности. КПД большинства климатических установок составляет 65–70%. Этот замкнутый круг, приводящий к значительным затратам, трудно увязать с концепциями долгосрочного энергетического менеджмента.

Такие потери мощности можно свести к минимуму путем использования современных многорежимных (Multimode) систем ИБП и виртуализации мощностей. Их применение позволяет при первичной инсталляции реализовать конфигурацию, точно соответствующую текущим потребностям, и наращивать возможности по мере возрастания вычислительной нагрузки.

Рисунок 1. ИБП способны обеспечить оптимальную защиту нагрузки вне зависимости от качества энергосети.
Рисунок 1. ИБП способны обеспечить оптимальную защиту нагрузки вне зависимости от качества энергосети.

Как правило, системы ИБП в центрах обработки данных работают в режиме двойного преобразования, что позволяет в любой момент обеспечить оптимальную защиту нагрузки вне зависимости от качества энергосети (см. Рисунок 1). Однако максимально достижимые значения КПД ограничиваются применением инверторной технологии. Как правило, эффективность новых систем ИБП в режиме двойного преобразования составляет 91–94%. В то же время многорежимные системы ИБП способны без прерывания работы переходить из режима двойного преобразования в специальный режим высокой эффективности, если качество энергосети достаточно высокое. Качество поступающего тока непрерывно контролируется с помощью технологии цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processing, DSP), и при его снижении системы снова возвращаются в режим двойного преобразования, не прерывая свою работу.

Параметры переключения можно настраивать произвольно — к примеру, разрешить переход в более экономичный режим исключительно в нерабочее время или в выходные. Предпосылкой для реализации быстрого перехода из одного режима в другой (менее 2 мс) является бестрансформаторный дизайн на базе IGBT-транзисторов. Традиционные тиристорные схемы не способны обеспечить требуемую быстроту переключения в пределах кривой зависимости напряжения от времени, как это предписывается Советом отрасли информационных технологий (Information Technology Industry Council). Эта кривая, являющаяся эталоном для многих сегментов ИТ, определяет величину и продолжительность отклонений напряжения, к которым блоки питания для ИТ-оборудования должны быть нечувствительны.

На практике загруженность большинства систем ИБП составляет всего лишь 10–40% от их номинальной нагрузки, что не позволяет им достичь оптимальных значений КПД. Причины кроются, с одной стороны, в необходимости обеспечения требуемого уровня избыточности ИБП и создании чрезмерного запаса ресурсов при начальной инсталляции, а с другой — в особенностях современных процессоров, потребление которых оптимизировано в соответствии с нагрузкой, поэтому вне основного рабочего времени оно очень мало.

 

Трансформатор не помеха для энергоэффективности

На современных объектах доля ИБП в потерях («в общем потреблении электроэнергии») вряд ли достигает 18 и тем более 20%. Для современных источников бесперебойного питания КПД в режиме двойного преобразования превышает 90%, так что потери составляют менее 10%. И даже с учетом затрат энергии на работу систем кондиционирования они вряд ли окажутся больше 12% (что подтверждается статистикой и измерениями, выполнявшимися, например, на американских объектах, где установлены ИБП производства GE).

Трудно не согласиться с тем, что перевод ИБП в режим повышенной эффективности требует непрерывного контроля качества входной сети. Однако «традиционные тиристорные схемы» уже давно не применяются в схемах инверторов переменного тока — последние вот уже 25 лет изготавливаются на базе IGBT. А вот само переключение между энергоэффективным режимом питания нагрузки через цепь электронного байпаса и режимом двойного преобразования, когда нагрузка питается от инвертора, и обратно невозможно без тиристоров, поскольку именно полупроводниковые тиристорные коммутаторы широко применяются во всех современных ИБП в качестве быстродействующих и надежных переключателей.

Быстрое (менее 2 мсек) переключение нагрузки на инвертор возможно не только при «бестрансформаторном дизайне». Это подтверждается самим фактом существования ИБП трансформаторного типа (серий SitePro и SG производства GE), в которых режим Super ECO был реализован более 10 лет назад для одиночных ИБП. В 2012 году на европейский рынок вышли ИБП третьего поколения серии SG, где гарантированное время переключения на инвертор в режиме eBoost составляет менее 0,5 мсек, а переходный процесс длится менее 2 мсек. Этот режим реализован как для одиночных, так и для параллельных систем. На рынке США ИБП данной серии с использованием режима eBoost продаются уже более двух лет.

Подход, который предполагает отключение «лишних» ИБП в составе параллельных систем с целью повышения эффективности работы остальных устройств при сохранении заданного пользователем уровня резервирования, известен (и применяется) уже немало лет. Так, еще в 1998 году компания IMV получила первый приз Европейской ассоциации ЕТА за реализацию режима IEM в ИБП серий SitePro (трансформаторная технология) и LanPro (бестрансформаторная технология). Аналогичный режим работы (IEMi) сейчас может быть реализован при использовании ИБП серии SG (с трансформатором инвертора). Таким образом, наличие трансформатора в схеме ИБП никогда не служило серьезным препятствием на пути реализации энергоэффективных режимов работы ИБП. Определяющую роль играют схемотехника и управляющее программное обеспечение.

Константин Соколов — руководитель отдела технической экспертизы и проектирования компании «Абитех».

 

ВИРТУАЛИЗАЦИЯ СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ ИБП

Рисунок 2. Адаптивная система управления модулями (VMMS позволяет максимально повысить общесистемный КПД параллельно эксплуатируемых ИБП и обеспечить оптимальную степень эффективности при низкой нагрузке за счет перехода невостребованных силовых модулей в энергосберегающий режим ожидания.
Рисунок 2. Адаптивная система управления модулями (VMMS позволяет максимально повысить общесистемный КПД параллельно эксплуатируемых ИБП и обеспечить оптимальную степень эффективности при низкой нагрузке за счет перехода невостребованных силовых модулей в энергосберегающий режим ожидания.

При масштабировании систем ИБП необходимо, с одной стороны, обеспечить их максимальную загруженность (соответственно, высокий КПД), а с другой, сохранить возможность дальнейшего увеличения вычислительных мощностей. Одним из подходов, позволяющих значительно повысить средний КПД систем ИБП, является виртуализация их мощностей, к примеру, с помощью адаптивной системы управления модулями (Virtual Module Management System, VMMS) от компании Eaton (см. Рисунок 2).

Система VMMS позволяет максимально увеличить КПД параллельно эксплуатируемых систем ИБП и обеспечивает оптимальные значения КПД как раз при малой их загруженности. Это достигается за счет того, что невостребованные силовые модули (Uninterruptible Power Modules, UPM) переводятся в энергосберегающий режим ожидания. Оптимизация осуществляется путем задания подходящей пороговой нагрузки для силовых модулей с учетом требуемого уровня избыточности. При увеличении нагрузки в основное рабочее время они переходят из режима ожидания в активную фазу. Для дальнейшего повышения КПД эту технологию виртуализации мощностей можно комбинировать с многорежимной технологией, используемой в современных гибридных системах ИБП.

Армин Хауг — инженер в области электротехники в Eaton Power Quality.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF