Cómo construir un centro de datos de nivel IV de acuerdo con el esquema N + 1

Sistemas UPS con bus paralelo aislado (IP-Bus): la respuesta de los desarrolladores al crecimiento de las capacidades del centro de datos. Muchos centros de datos con IP-Bus ya se han construido en el mundo, incluidos los que tienen el certificado del Nivel IV Uptime Institute. Dichas decisiones están siendo observadas por clientes rusos.

En la práctica de construir centros de datos, existe una tendencia constante hacia su ampliación. Objetos con una capacidad de 100 MW han aparecido en el mundo. Rusia tampoco se hace a un lado, aunque sigue en esta dirección con cierto retraso. Hace 10 años en nuestro país, un centro de datos con una capacidad de 5 MW se consideraba grande, y hoy varios operadores líderes han anunciado planes para construir instalaciones para 2,000 o más racks, lo que corresponde a un consumo de energía de 15 MW y más.

Para la organización de sistemas de ingeniería de alta potencia, como lo ha demostrado la práctica mundial, lo más conveniente desde un punto de vista económico es un circuito con conexión paralela de dispositivos N + x (N + 1, N + 2 ...). Además, la capacidad de la unidad de las instalaciones de UPS más grandes del mundo, la dinámica, que se puede usar en tales soluciones, está limitada por la potencia (y el costo) de los motores diesel más grandes utilizados para trabajar con UPS.

Sin embargo, la conexión paralela directa del UPS, que proporciona la capacidad de crear configuraciones efectivas de N + x, tiene varios inconvenientes importantes:

• Las instalaciones de baja tensión solo pueden utilizarse en sistemas de hasta 5 MW. Esto se debe tanto a las restricciones en las clasificaciones disponibles de los dispositivos de paquete de bajo voltaje (6300 A) como a las altas corrientes de cortocircuito, cuyos valores pueden exceder los 150 kA.
• Las soluciones de media tensión, que permiten construir sistemas de más de 5 MW, aumentan el costo del sistema de energía y no siempre se adaptan a los clientes en términos de operación.
• Los componentes comunes del sistema (buses de entrada y salida, derivación) son puntos comunes de falla.

El esquema N + N (2N), correspondiente al nivel de tolerancia a fallas del Tier Uptime Institute, permite escapar de las principales desventajas de los sistemas paralelos clásicos mediante la construcción de módulos de potencia separados. Pero este enfoque tiene otras desventajas obvias:

• 100% de duplicación de equipos, es decir altos costos de capital;
• gran huella;
• nivel de carga máxima: 50% (en la práctica, no superior al 40%);
• altos costos operativos

Por estas razones, la configuración N + N (2N) rara vez se usa para instalaciones con una capacidad de más de 10 MW.

En 2005, se encontró una solución que, manteniendo la ventaja principal del circuito en paralelo, la cantidad óptima de módulos UPS en el circuito N + x, es poner en práctica sistemas con una capacidad de hasta 20 MW mientras se mantiene a un bajo voltaje de 0.4 kV. Esta solución, denominada configuración de bus IP, cumple con el nivel más alto de tolerancia a fallas (Tier IV Uptime Institute). La idea del bus IP se basa en el uso de un bus de anillo para conectar módulos UPS individuales, cada uno de los cuales está aislado mediante un reactor (Fig. 1).


Figura 1. Aislamiento de UPS-Paralelo

En los sistemas de bus IP, cada UPS funciona con su propia salida de carga y se conecta simultáneamente a un bus común (IP-Bus) a través de un estrangulador de aislamiento, que realiza varias funciones importantes:

• le permite redistribuir la energía activa entre los UPS: un módulo UPS con una carga más baja "ayuda" a otros módulos al transmitir el exceso de energía a través de un bus IP (Fig. 2);
• proporciona una fuente de alimentación ininterrumpida a la carga en caso de apagado del UPS para trabajos de mantenimiento o en caso de accidente (Fig. 3, Fig. 4);
• ralentiza el intercambio de corrientes reactivas entre las instalaciones de UPS, debido a las impedancias de los reactores, por lo que no hay necesidad de controlar la potencia reactiva dentro del sistema.

• (. 5).
  
  - IP-Bus, , N + (N + 1, N + 2…). — 70%, .

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Fig. 2. Un ejemplo de distribución de carga en un sistema de 16 instalaciones de UPS

En contraste con la configuración paralela "directa", en el sistema de bus IP, cada instalación de UPS controla su voltaje de salida independientemente de los demás: no hay un dispositivo de control centralizado y se elimina un punto común de falla. Suponiendo que el flujo de energía de un UPS desaparezca repentinamente por alguna razón, su carga permanece conectada al bus IP utilizando el estrangulador IP, que ahora funciona como fuente de energía de respaldo. En este escenario, la carga recibirá energía de forma automática e ininterrumpida del bus IP (consulte la Fig. 3).


Higo. 3. Ejemplo de redundancia del sistema en caso de falla / apagado de una instalación de UPS

En la práctica, el bus IP generalmente se hace en forma de anillo, como se muestra en la Fig. 4. El segundo segmento del bus IP, a menudo llamado bus de retorno, actúa como una fuente de respaldo para las cargas, lo que le permite conectarlos directamente al bus IP a través de interruptores separados, un tipo de derivación, que garantiza el voltaje nominal en la carga incluso en caso de emergencia. situaciones o al realizar trabajos de servicio. Tales derivaciones no son un punto común de falla, porque en el momento inicial del tiempo, hasta que se cierra la derivación, la carga continúa recibiendo energía del bus IP a través del estrangulador IP, como se mencionó anteriormente.


Higo. 4 Ejemplo de operación de carga No. 2 directamente desde el bus IP de respaldo

El comportamiento del sistema IP-Bus en escenarios de cortocircuito también difiere significativamente de los procesos en una configuración paralela "directa". En el circuito IP-Bus, los posibles cortocircuitos debidos al uso de estranguladores IP solo tienen un efecto insignificante en las cargas. En este caso, las corrientes de cortocircuito no superan los 100 kA, lo que permite el uso de equipos estándar de conmutación, protección y bus.

En el caso de un cortocircuito en el lado de la carga del UPS (consulte la figura 5), ​​el efecto de dicho cortocircuito en todo el sistema es relativamente insignificante debido al hecho de que las cargas restantes están aisladas del UPS por medio de dos reactores conectados en serie. Por otro lado, la corriente de cortocircuito suministrada por el UPS a un bus IP común está limitada por la resistencia del estrangulador IP. Por lo tanto, los cambios de voltaje en cargas no afectadas son insignificantes y permanecen en la región segura de la curva ITI (CBEMA).


Higo. 5. Ejemplo de distribución y valores de corrientes de cortocircuito en el sistema de bus IP con cortocircuito en el bus de alimentación de carga conectado al UPS 2

En el caso de un cortocircuito en el bus IP, solo se encuentra un reactor IP entre el punto de falla y el UPS o la carga. Por lo tanto, la caída de voltaje a través de las cargas en este escenario será mucho mayor en comparación con el cortocircuito en el sistema de distribución de carga. Con una baja resistencia de transición, la caída de voltaje inicial a través de la carga será del 30%. Para fuentes de alimentación de servidor sensibles, de acuerdo con la curva ITI (CBEMA), esta caída de voltaje es aceptable por un máximo de 500 ms. El uso de protección direccional segmentada, especialmente adaptada a los requisitos del sistema de bus IP, le permite limpiar el cortocircuito en el bus IP durante 60 ms aislando selectivamente el cortocircuito y al mismo tiempo permite que la parte del sistema IP-Bus que no se ve directamente afectada permanezca completamente factible.

El sistema de bus IP consta de varias instalaciones de UPS, cuyo número está determinado por el nivel de redundancia N + x establecido e incluye los siguientes componentes principales: un UPS con un dispositivo de almacenamiento de energía, un estrangulador de IP para conectar la instalación del UPS al bus IP y los interruptores necesarios para la operación segura del sistema.

En la Fig. La Figura 6 muestra una realización de un sistema de bus IP basado en un UPS giratorio.

Elementos del sistema:

1. Red externa
2. Bus
IP 3. Bus de retorno IP
4. UPS giratorio con volante
5. DGU para una interrupción de red larga (opcional)
6. Estrangulador de IP
7. Interruptor de derivación
8. IP -interruptores
9. Carga




Higo. 6. Un ejemplo de un sistema de bus IP que utiliza un UPS Rotary Piller UNIBLOCK y una DGU externa con un encendido "inferior".

Según la experiencia práctica de Piller, los UPS dinámicos con volantes (Fig. 6) como dispositivos de almacenamiento de energía de respaldo son ideales para los sistemas de bus IP ya que Las unidades cinéticas como parte del DIBP pueden funcionar tanto en modo de absorción de energía instantánea como de descarga instantánea, lo cual es importante para estabilizar los parámetros de funcionamiento del sistema de bus IP cuando cambia la carga.

Además, los generadores de motor en el DIBP tienen la capacidad de suministrar altas corrientes de cortocircuito de hasta 20 x Inom, lo que permite a los sistemas de bus IP hacer frente a la limpieza de cortocircuito durante mucho tiempo sin exponer las cargas vecinas a los efectos negativos de un cortocircuito.
Los UPS estáticos con baterías tienen una capacidad limitada para enviar y recibir instantáneamente altas corrientes, y además, las corrientes de cortocircuito de los UPS en sí son relativamente bajas. Por estas razones, las soluciones de bus IP en UPS estáticas son más un experimento y prácticamente no se encuentran en los centros de datos existentes.

El primer sistema de bus IP del mundo se implementó en 2007 para un centro de datos de 36 MW en Ashburn (Virginia, EE. UU.). Se instalaron dos sistemas IP-Bus separados en la instalación, cada uno de los cuales incluye 16 UPS Piller UNIBLOCK UBT 1670 kVA con volantes en una configuración 14 + 2. En caso de interrupciones a largo plazo de la red externa, cada DIBP está respaldado por un generador diesel de 2810 kVA con un "encendido inferior", que funciona tanto en cargas de alimentación ininterrumpidas como garantizadas
Tras el éxito del primer sistema de bus IP, esta configuración rápidamente ganó popularidad en la industria del centro de datos. Otro hito en el desarrollo y el reconocimiento de la tecnología IP-Bus fue la recepción del certificado del Instituto de tiempo de actividad de nivel y diseño de nivel IV en septiembre de 2017 por el centro de datos australiano NEXTDC B2 con sistema de fuente de alimentación IP-Bus N + 1.

El mercado de centros de datos ruso solo está entrando en la fase de construcción de grandes instalaciones con una capacidad de más de 10 MW. En base a los resultados de los primeros cálculos conceptuales y evaluaciones de presupuesto de las soluciones de IP-Bus en varios proyectos de centros de datos en Rusia (en el rango de capacidades de 5-15 MW), se pueden sacar las siguientes conclusiones. En comparación con la configuración 2N en UPS estáticos, las soluciones de bus IP basadas en DIBP no son más caras en costos de capital iniciales, otorgan una ganancia del 30-60% en el espacio ocupado, más del 50% más rentable en términos de costo de propiedad (TCO) por un período de 10 años. En comparación con la configuración redundante distribuida N + 1 (DR 3/2, 4/3), implementada en UPS estáticos y dinámicos, las soluciones de bus IP basadas en DIBP no son más caras en costos de capital inicial (para centros de datos con una capacidad de 10 MW o más), otorgan una ganancia del 20-50% en el área ocupada, 50% más rentable en términos de TCO por un período de 10 años.

Por lo tanto, estoy seguro de que la implementación de los sistemas de bus IP en los centros de datos rusos es solo cuestión de tiempo.