Cara membangun pusat data Tier IV sesuai dengan skema N + 1

Sistem UPS dengan bus paralel terisolasi (IP-Bus) - jawaban pengembang terhadap pertumbuhan kapasitas pusat data. Banyak pusat data dengan IP-Bus telah dibangun di dunia, termasuk yang memiliki sertifikat Lembaga Uptime Tier IV. Keputusan seperti itu diawasi oleh pelanggan Rusia.

Dalam praktik membangun pusat data, ada kecenderungan stabil terhadap pembesaran mereka. Objek dengan kapasitas 100 MW telah muncul di dunia. Rusia juga tidak berdiri di samping, meskipun mengikuti arah ini dengan beberapa penundaan. 10 tahun yang lalu di negara kita, pusat data dengan kapasitas 5 MW dianggap besar, dan hari ini beberapa operator terkemuka telah mengumumkan rencana untuk membangun fasilitas untuk 2.000 rak atau lebih, yang sesuai dengan konsumsi energi 15 MW ke atas.

Untuk organisasi sistem rekayasa daya tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh praktik dunia, cara yang paling baik dari sudut pandang ekonomi adalah sirkuit dengan koneksi paralel perangkat N + x (N + 1, N + 2 ...). Selain itu, kapasitas unit instalasi UPS terbesar di dunia - dinamis, yang dapat digunakan dalam solusi semacam itu, dibatasi oleh kekuatan (dan biaya) dari mesin diesel terbesar yang digunakan untuk bekerja dengan UPS.

Namun, koneksi paralel langsung dari UPS, memberikan kemampuan untuk membuat konfigurasi N + x yang efektif, memiliki sejumlah kelemahan signifikan:

• Instalasi tegangan rendah hanya dapat digunakan dalam sistem hingga 5 MW. Hal ini disebabkan oleh pembatasan pada peringkat yang tersedia dari perangkat paket bertegangan rendah (6300 A), dan arus hubung singkat yang tinggi, yang nilainya dapat melebihi 150 kA.
• Solusi tegangan menengah, yang memungkinkan untuk membangun sistem lebih dari 5 MW, meningkatkan biaya sistem daya dan tidak selalu sesuai dengan pelanggan dalam hal operasi.
• Komponen umum dari sistem - bus input dan output, bypass - adalah titik kegagalan yang umum.

Skema N + N (2N), sesuai dengan tingkat toleransi kesalahan dari Tier IV Uptime Institute, memungkinkan, dengan membangun modul energi terpisah, untuk melepaskan diri dari kelemahan utama sistem paralel klasik. Tetapi pendekatan ini memiliki kelemahan jelas lainnya:

• Duplikasi peralatan 100%, mis. biaya modal yang tinggi;
• tapak besar;
• tingkat beban maksimum - 50% (dalam praktiknya - tidak lebih tinggi dari 40%);
• biaya operasi yang tinggi.

Untuk alasan ini, konfigurasi N + N (2N) jarang digunakan untuk fasilitas dengan kapasitas lebih dari 10 MW.

Pada tahun 2005, sebuah solusi ditemukan bahwa, sambil mempertahankan keunggulan utama dari rangkaian paralel - jumlah optimal modul UPS di sirkuit N + x - untuk dimasukkan ke dalam sistem praktik dengan kapasitas hingga 20 MW sementara tetap pada tegangan rendah 0,4 kV. Solusi ini, dijuluki konfigurasi IP-Bus, memenuhi tingkat toleransi kesalahan tertinggi (Tier IV Uptime Institute). Gagasan IP-Bus didasarkan pada penggunaan bus ring untuk menghubungkan masing-masing modul UPS, yang masing-masing diisolasi menggunakan reaktor (Gbr. 1).


Fig. 1. UPS Isolasi-Paralel

Dalam sistem IP-Bus, setiap UPS beroperasi pada output bebannya sendiri dan secara bersamaan terhubung ke bus umum (IP-Bus) melalui choke isolasi, yang melakukan beberapa fungsi penting:

• memungkinkan Anda untuk mendistribusikan ulang daya aktif antara UPS - modul UPS dengan beban lebih rendah "membantu" modul lain dengan mentransmisikan daya berlebih melalui bus IP (Gbr. 2);
• memberikan catu daya yang tidak terputus ke beban jika shutdown UPS untuk pekerjaan pemeliharaan atau jika terjadi kecelakaan (Gbr. 3, Gbr. 4);
• memperlambat pertukaran arus reaktif antara instalasi UPS, karena impedansi reaktor, sehingga tidak perlu mengontrol daya reaktif di dalam sistem.

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

<img src = " " alt = "image" />
Fig. 2. Contoh distribusi beban dalam sistem 16 instalasi UPS

Berbeda dengan konfigurasi paralel "langsung", dalam sistem IP-Bus, setiap instalasi UPS mengontrol tegangan output secara terpisah dari yang lain - tidak ada perangkat kontrol terpusat dan titik kegagalan yang umum dihilangkan. Dengan asumsi bahwa aliran daya dari satu UPS tiba-tiba menghilang karena suatu alasan, bebannya tetap terhubung ke IP-Bus menggunakan IP choke, yang sekarang berfungsi sebagai sumber daya cadangan. Dalam skenario ini, beban akan secara otomatis dan tanpa gangguan menerima daya dari IP-Bus (lihat Gambar 3).


Ara. 3. Contoh redundansi sistem jika terjadi kegagalan / penutupan satu instalasi UPS

Dalam praktiknya, IP-Bus biasanya dibuat dalam bentuk cincin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Segmen kedua dari IP-Bus, sering disebut Return-Bus, bertindak sebagai sumber cadangan untuk muatan, memungkinkan Anda untuk secara langsung menghubungkannya ke IP-Bus melalui sakelar terpisah - semacam bypass, yang memastikan tegangan pengenal pada beban bahkan dalam keadaan darurat situasi atau saat melakukan pekerjaan layanan. Bypass seperti itu bukan merupakan titik kegagalan yang umum, karena pada saat awal waktu, hingga bypass ditutup, beban terus menerima daya dari IP-Bus melalui IP choke, seperti yang disebutkan di atas.


Ara. 4 Contoh pengoperasian beban No. 2 langsung dari Bus IP cadangan

Perilaku sistem IP-Bus di bawah skenario hubung singkat juga berbeda secara signifikan dari proses dalam konfigurasi paralel "langsung". Dalam sirkuit IP-Bus, kemungkinan hubungan arus pendek karena penggunaan IP choke hanya memiliki efek yang dapat diabaikan pada beban. Dalam hal ini, arus hubung singkat tidak melebihi 100 kA, yang memungkinkan penggunaan peralatan switching, pelindung, dan bus standar.

Jika terjadi korsleting pada sisi beban UPS (lihat Gambar 5), efek korsleting tersebut pada keseluruhan sistem relatif tidak signifikan karena fakta bahwa muatan yang tersisa diisolasi dari UPS dengan menggunakan dua reaktor yang terhubung secara seri. Di sisi lain, arus hubung singkat yang disuplai oleh UPS ke bus IP umum dibatasi oleh hambatan dari IP choke. Oleh karena itu, perubahan tegangan pada beban yang tidak terpengaruh tidak signifikan dan tetap berada di wilayah aman kurva ITI (CBEMA).


Ara. 5. Contoh distribusi dan nilai arus hubung singkat dalam sistem IP-Bus dengan hubung singkat pada bus daya beban yang terhubung ke UPS 2

Jika terjadi korsleting pada IP-Bus, hanya satu reaktor IP yang terletak antara titik kesalahan dan UPS atau beban. Oleh karena itu, penurunan tegangan pada beban dalam skenario ini akan jauh lebih besar dibandingkan dengan korsleting pada sistem distribusi beban. Dengan resistansi transisi yang rendah, penurunan tegangan awal melintasi beban akan menjadi 30%. Untuk catu daya server yang sensitif, menurut kurva ITI (CBEMA), penurunan tegangan ini dapat diterima untuk maksimum 500 ms. Penggunaan perlindungan terarah tersegmentasi, yang secara khusus disesuaikan dengan persyaratan sistem IP-Bus, memungkinkan Anda untuk membersihkan korsleting pada IP-Bus selama 60 ms dengan secara selektif mengisolasi korsleting dan pada saat yang sama memungkinkan bagian dari sistem IP-Bus yang tidak secara langsung terpengaruh untuk tetap sepenuhnya bisa diterapkan.

Sistem IP Bus terdiri dari beberapa instalasi UPS, yang jumlahnya ditentukan oleh tingkat redundansi N + x yang ditentukan dan mencakup komponen utama berikut: UPS dengan perangkat penyimpanan daya, IP choke untuk menghubungkan instalasi UPS ke bus IP, dan sakelar yang diperlukan untuk pengoperasian sistem yang aman.

Dalam gbr. Gambar 6 menunjukkan salah satu perwujudan sistem IP Bus berdasarkan pada rotary UPS.

Elemen sistem:

1. Jaringan eksternal
2. IP-Bus
3. IP-Return-Bus
4. Rotary UPS dengan flywheel
5. DGU untuk gangguan jaringan yang panjang (opsional)
6. IP choke
7. Bypass switch
8. IP -witch
9. Muat




Ara. 6. Contoh sistem IP-Bus menggunakan rotary Piller UNIBLOCK dan DGU eksternal dengan turn-on "lebih rendah"

Menurut pengalaman praktis Piller, UPS dinamis dengan roda gaya (Gbr. 6) karena perangkat penyimpanan energi cadangan ideal untuk sistem IP Bus karena Penggerak kinetik sebagai bagian dari DIBP dapat beroperasi dalam mode penyerapan energi sesaat dan pelepasan sesaat, yang penting untuk menstabilkan parameter operasi sistem IP-Bus saat beban berubah.

Selain itu, generator motor di DIBP memiliki kemampuan untuk memasok arus hubung singkat yang tinggi hingga 20 x Inom, yang memungkinkan sistem IP-Bus untuk mengatasi pembersihan hubung singkat untuk waktu yang sangat lama tanpa memaparkan beban tetangga terhadap efek negatif dari hubung singkat.
UPS statis dengan baterai memiliki kemampuan terbatas untuk mengirim dan menerima arus tinggi secara instan, dan di samping itu, arus hubung singkat UPS sendiri relatif rendah. Untuk alasan ini, solusi IP-Bus pada UPS statis lebih merupakan eksperimen, dan mereka praktis tidak ditemukan di pusat data yang ada.

Sistem IP-Bus pertama di dunia diimplementasikan pada 2007 untuk pusat data 36 MW di Ashburn (Virginia, AS). Dua sistem IP-Bus terpisah dipasang di fasilitas, yang masing-masing mencakup 16 Piller UNIBLOCK UBT 1670 kVA UPS dengan roda gaya dalam konfigurasi 14 + 2. Dalam kasus pemadaman jangka panjang dari jaringan eksternal, masing-masing DIBP dicadangkan oleh 2810 kVA diesel generator terpisah dengan "turn-on diesel" yang lebih rendah, yang berfungsi baik pada beban catu daya yang tidak terputus dan dijamin
Mengikuti keberhasilan sistem IP-Bus pertama, konfigurasi ini dengan cepat mendapatkan popularitas di industri pusat data. Tonggak penting lain dalam pengembangan dan pengakuan teknologi IP-Bus adalah diterimanya sertifikat Tier IV Design & Facility Uptime Institute pada September 2017 oleh pusat data Australia NEXTDC B2 dengan sistem catu daya IP-Bus N + 1.

Pasar pusat data Rusia hanya memasuki fase pembangunan fasilitas besar dengan kapasitas lebih dari 10 MW. Berdasarkan hasil perhitungan konsep pertama dan penilaian anggaran solusi IP-Bus di beberapa proyek pusat data di Rusia (dalam kisaran kapasitas 5-15 MW), kesimpulan berikut dapat ditarik. Dibandingkan dengan konfigurasi 2N pada UPS statis, solusi IP-Bus berbasis DIBP tidak lebih mahal dalam biaya modal awal, mereka memberikan kenaikan 30-60% di ruang yang ditempati, lebih dari 50% lebih menguntungkan dalam hal biaya kepemilikan (TCO) untuk jangka waktu 10 tahun. Dibandingkan dengan konfigurasi redundan N + 1 terdistribusi (DR 3/2, 4/3), diterapkan pada UPS statis dan dinamis, solusi IP-Bus berbasis DIBP tidak lebih mahal dalam biaya modal awal (untuk 10 pusat data) MW atau lebih), berikan keuntungan 20-50% di area yang ditempati, 50% lebih menguntungkan dalam hal TCO untuk jangka waktu 10 tahun.

Dengan demikian, saya yakin bahwa implementasi sistem IP-Bus di pusat data Rusia hanya masalah waktu.