Como construir um data center de nível IV de acordo com o esquema N + 1

Sistemas UPS com barramento paralelo isolado (barramento IP) - a resposta dos desenvolvedores ao crescimento das capacidades do data center. Muitos data centers com IP-Bus já foram construídos no mundo, incluindo aqueles com o certificado do Uptime Tier IV Institute. Tais decisões estão sendo observadas pelos clientes russos.

Na prática de construção de data centers, há uma tendência constante em direção ao seu alargamento. Objetos com capacidade de 100 MW apareceram no mundo. A Rússia também não se destaca, apesar de seguir nessa direção com algum atraso. Há 10 anos, em nosso país, um data center com capacidade de 5 MW era considerado grande e hoje vários operadores líderes anunciaram planos de construir instalações para 2.000 ou mais racks, o que corresponde a um consumo de energia de 15 MW ou mais.

Para a organização de sistemas de engenharia de alta potência, como a prática mundial demonstrou, o mais conveniente do ponto de vista econômico é um circuito com conexão paralela de dispositivos N + x (N + 1, N + 2 ...). Além disso, a capacidade da unidade das maiores instalações mundiais de UPS - dinâmica, que pode ser usada em tais soluções, é limitada pela energia (e custo) dos maiores motores a diesel usados ​​para trabalhar com UPSs.

No entanto, a conexão paralela direta do no-break, oferecendo a capacidade de criar configurações eficazes de N + x, possui várias desvantagens significativas:

• Instalações de baixa tensão só podem ser usadas em sistemas de até 5 MW. Isso ocorre devido a restrições nas classificações disponíveis de dispositivos de pacote de baixa tensão (6300 A) e a altas correntes de curto-circuito, cujos valores podem exceder 150 kA.
• As soluções de média tensão, que possibilitam a construção de sistemas com mais de 5 MW, aumentam o custo do sistema de energia e nem sempre se adequam aos clientes em termos de operação.
• Componentes comuns do sistema - barramentos de entrada e saída, bypass - são pontos comuns de falha.

O esquema N + N (2N), que corresponde ao nível de tolerância a falhas do Tier IV Uptime Institute, possibilita, através da construção de módulos de energia separados, evitar as principais deficiências dos sistemas paralelos clássicos. Mas essa abordagem tem outras desvantagens óbvias:

• 100% de duplicação de equipamentos, ou seja, altos custos de capital;
• pegada grande;
• nível máximo de carga - 50% (na prática - não superior a 40%);
• altos custos operacionais.

Por esses motivos, a configuração N + N (2N) raramente é usada para instalações com capacidade superior a 10 MW.

Em 2005, foi encontrada uma solução que, mantendo a principal vantagem do circuito paralelo - o número ideal de módulos UPS no circuito N + x - para colocar em prática sistemas com capacidade de até 20 MW, permanecendo em baixa tensão de 0,4 kV. Essa solução, apelidada de configuração de barramento IP, atende ao mais alto nível de tolerância a falhas (Tier IV Uptime Institute). A idéia do barramento IP é baseada no uso de um barramento em anel para conectar módulos UPS individuais, cada um dos quais é isolado usando um reator (Fig. 1).


Figura 1. Paralelo de isolamento do no-break

Nos sistemas de barramento IP, cada no-break opera com sua própria saída de carga e é simultaneamente conectado a um barramento comum (barramento IP) através de um estrangulamento de isolamento, que executa várias funções importantes:

• permite redistribuir a energia ativa entre os no-breaks - um módulo de no-break com carga mais baixa "ajuda" outros módulos ao transmitir excesso de energia através de um barramento IP (Fig. 2);
• fornece alimentação ininterrupta à carga em caso de desligamento do no-break para trabalhos de manutenção ou em caso de acidente (Fig. 3, Fig. 4);
• diminui a troca de correntes reativas entre as instalações da UPS, devido às impedâncias dos reatores, de modo que não há necessidade de controlar a energia reativa dentro do sistema.

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

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Fig. 2. Um exemplo de distribuição de carga em um sistema de 16 instalações da UPS

Em contraste com a configuração paralela “direta”, no sistema de barramento IP, cada instalação da UPS controla sua tensão de saída independentemente das demais - não há dispositivo de controle centralizado e um ponto comum de falha é eliminado. Supondo que o fluxo de energia de um no-break desapareça repentinamente por algum motivo, sua carga permanece conectada ao barramento IP usando o bloqueador de IP, que agora funciona como uma fonte de energia de backup. Nesse cenário, a carga receberá automaticamente e ininterruptamente energia do barramento IP (consulte a Fig. 3).


FIG. 3. Exemplo de redundância do sistema em caso de falha / desligamento de uma instalação do no-break

Na prática, o barramento IP geralmente é feito na forma de um anel, como mostra a Fig. 4. O segundo segmento do barramento IP, geralmente chamado de barramento de retorno, atua como uma fonte de backup para cargas, permitindo que você os conecte diretamente ao barramento IP através de switches separados - um tipo de desvio, que garante a tensão nominal da carga, mesmo em situações de emergência. situações ou ao executar serviços de manutenção. Tais desvios não são um ponto comum de falha, porque, no momento inicial, até o desvio fechar, a carga continua recebendo energia ininterrupta do barramento IP através do estrangulador IP, conforme mencionado acima.


FIG. 4 Exemplo de operação da carga No. 2 diretamente do barramento IP de backup

O comportamento do sistema de barramento IP em cenários de curto-circuito também difere significativamente dos processos em uma configuração paralela "direta". No circuito do barramento IP, possíveis curtos-circuitos devido ao uso de bloqueadores de IP têm apenas um efeito insignificante nas cargas. Nesse caso, as correntes de curto-circuito não excedem 100 kA, o que permite o uso de equipamentos de comutação, proteção e barramento padrão.

No caso de um curto-circuito no lado da carga do no-break (consulte a Fig. 5), o efeito desse curto-circuito em todo o sistema é relativamente insignificante devido ao fato de as cargas restantes serem isoladas do no-break por meio de dois reatores conectados em série. Por outro lado, a corrente de curto-circuito fornecida pelo no-break a um barramento IP comum é limitada pela resistência do bloqueador de IP. Portanto, as mudanças de tensão nas cargas não afetadas são insignificantes e permanecem na região segura da curva ITI (CBEMA).


FIG. 5. Exemplo de distribuição e valores de correntes de curto-circuito no sistema de barramento IP com curto-circuito no barramento de força de carga conectado ao no-break 2

No caso de um curto-circuito no barramento IP, apenas um reator IP está localizado entre o ponto de falha e o no-break ou a carga. Portanto, a queda de tensão nas cargas neste cenário será muito maior em comparação com o curto-circuito no sistema de distribuição de carga. Com uma baixa resistência à transição, a queda de tensão inicial na carga será de 30%. Para fontes de alimentação de servidores sensíveis, de acordo com a curva ITI (CBEMA), essa queda de tensão é aceitável por um máximo de 500 ms. O uso de proteção direcional segmentada, especialmente adaptada aos requisitos do sistema de barramento IP, permite limpar o curto-circuito no barramento IP por 60 ms, isolando seletivamente o curto-circuito e, ao mesmo tempo, permite que a parte do sistema não seja diretamente afetada permaneça completamente viável.

O sistema de barramento IP consiste em várias instalações da UPS, cujo número é determinado pelo nível de redundância N + x especificado e inclui os seguintes componentes principais: uma UPS com um dispositivo de armazenamento de energia, uma bobina IP para conectar a instalação da UPS ao barramento IP e os comutadores necessários para a operação segura do sistema.

Na fig. A Figura 6 mostra uma modalidade de um sistema de barramento IP baseado em um no-break rotativo.

Elementos do sistema:

1. Rede externa
2. barramento
IP 3. barramento IP de retorno
4. UPS rotativo com volante
5. DGU para uma longa interrupção da rede (opcional)
6. bloqueador de IP
7. comutador de derivação
8. IP -switches
9. Carregar




FIG. 6.

De acordo com a experiência prática de Piller, UPSs dinâmicos com volantes (Fig. 6) como dispositivos de armazenamento de energia de backup são ideais para sistemas de barramento IP desde Os inversores cinéticos como parte do DIBP podem operar no modo de absorção instantânea de energia e descarga instantânea, o que é importante para estabilizar os parâmetros operacionais do sistema IP-Bus quando a carga muda.

Além disso, os geradores de motores no DIBP têm a capacidade de fornecer altas correntes de curto-circuito de até 20 x Inom, o que permite que os sistemas de barramento IP lidem com a limpeza de curto-circuito por um tempo muito longo, sem expor as cargas vizinhas aos efeitos negativos de um curto-circuito.
Os no-breaks estáticos com baterias têm capacidade limitada de enviar e receber instantaneamente altas correntes e, além disso, as correntes de curto-circuito dos próprios no-breaks são relativamente baixas. Por esses motivos, as soluções de barramento IP em no-breaks estáticos são mais um experimento e praticamente não são encontradas nos data centers existentes.

O primeiro sistema de barramento IP do mundo foi implementado em 2007 para um data center de 36 MW em Ashburn (Virgínia, EUA). Dois sistemas separados de barramento IP foram instalados na instalação, cada um dos quais inclui 16 UPSs Piller UNIBLOCK UBT 1670 kVA com volantes em uma configuração 14 + 2. Em caso de interrupções de longo prazo da rede externa, cada DIBP é suportada por um gerador diesel de 2810 kVA separado com um "turn-on mais baixo", que funciona tanto em cargas de fonte de alimentação ininterruptas quanto garantidas
Após o sucesso do primeiro sistema de barramento IP, essa configuração rapidamente ganhou popularidade no setor de data centers. Outro marco no desenvolvimento e reconhecimento da tecnologia IP-Bus foi o recebimento do certificado Tier IV Design & Facility Uptime Institute em setembro de 2017 pelo data center australiano NEXTDC B2 com sistema de fonte de alimentação IP-Bus N + 1.

O mercado russo de data centers está entrando apenas na fase de construção de grandes instalações com capacidade superior a 10 MW. Com base nos resultados dos primeiros cálculos conceituais e estimativas de orçamento de soluções de barramento IP em vários projetos de data center na Rússia (na faixa de capacidades de 5 a 15 MW), as seguintes conclusões podem ser tiradas. Comparadas à configuração 2N em no-breaks estáticos, as soluções de barramento IP baseadas em DIBP não são mais caras nos custos de capital iniciais, elas proporcionam um ganho de 30 a 60% no espaço ocupado, mais de 50% mais rentáveis ​​em termos de custo de propriedade (TCO) por um período de 10 anos. Comparadas à configuração redundante distribuída N + 1 (DR 3/2, 4/3), implementada em UPSs estáticos e dinâmicos, as soluções de barramento IP baseadas em DIBPs não são mais caras nos custos iniciais de capital (para data centers com capacidade de 10 MW ou mais), proporcionam um ganho de 20-50% na área ocupada, 50% mais rentável em termos de TCO por um período de 10 anos.

Portanto, tenho certeza de que a implementação de sistemas de barramento IP em data centers russos é apenas uma questão de tempo.