`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

DC, AC и ЦОД

Статья опубликована в №9 (626) от 4 марта

+11
голос

Уже довольно давно идет дискуссия между приверженцами использования устройств постоянного (DC) и переменного (AC) тока в системах обеспечения бесперебойного питания. Каждый из этих подходов к организации имеет свою четко определенную и достаточно прибыльную нишу.

Насколько трудно будет интегратору отстоять предложение разворачивать на традиционной АТС или для отдельной сотовой базовой станции систему резервного питания на переменном токе, равно как и предложение построить ЦОД, включающий сотни стоек, на DC-системах? Тем не менее существует довольно обширная промежуточная зона решений, где переход на такие системы предпочтителен. Среди основных аргументов в его пользу – существенно больший КПД за счет отсутствия дополнительных преобразований, меньшие затраты на охлаждение, а значит, повышенная энергоэффективность, а также некоторая структурная простота.

Судя по многочисленным вопросам читателей, описанное выше противоречие до сих пор не укладывается в рамки здравого смысла IT-специалистов общего профиля, непосредственно не связанных с эксплуатацией данного оборудования. Поставить финальную (как нам кажется) точку в разговоре о том, каковы плюсы и минусы каждого из подходов к обеспечению электропитания, и выяснить, что же препятствует дальнейшему проникновению DC-систем в традиционные IТ-структуры, нам помогли сотрудники Emerson, одной из ведущих корпораций рынка систем электроснабжения не только постоянного, но и переменного тока. Забегая вперед, хочется отметить, что одна из причин все же относится к сфере отнюдь не технической и определяется сформировавшимися за десятилетия привычками и пристрастиями «узких специалистов», трудящихся в соответствующих областях.

Одной из предпосылок выработки и установления единых стандартов в вопросе энергоснабжения является лавинообразный рост Интернета и его функциональное сближение с телефонными сетями общего пользования. Однако исторически сложилась ситуация, когда две эти отрасли связи применяют различные схемы электропитания. Последняя из названных систем традиционно использует источники постоянного тока, в то время как компьютерное сетевое оборудование обычно питается переменным. Это различие в подходах к электропитанию традиционно объясняют разным предназначением данных систем связи.

«Виновником» появления систем питания (и, соответственно, резервирования) на постоянном токе стало изобретение телефона. Сначала для подачи напряжения на микрофон в нем использовались так называемые местные батареи, устанавливаемые непосредственно в аппарате. Затем, в конце XIX – начале ХХ века, была предложена конструкция, где на микрофон подавался постоянный ток от центральной станции, на которой специально для этих целей монтировалась аккумуляторная батарея. Именно такая схема электропитания абонентов сохранилась и по сей день. Следует отметить, что по мере появления нового оборудования на узлах связи тоже стали применять системы постоянного тока. Сегодня телефонная связь как часть массовой телекоммуникационной услуги, по своей сути, является услугой общего пользования, предоставляемой в реальном масштабе времени. Она обязана обеспечить непрерывную работу в условиях кризисных ситуаций, стихийных бедствий и возможность обращения по телефонам аварийных и служб спасения. Соответственно, перебои с подачей электроэнергии на протяжении даже нескольких часов обязаны компенсироваться большой емкостью батареи. С учетом времени на среднестатистический ремонт систем электроснабжения нижняя граница автономности, как правило, составляет не менее 4–5 часов.

С одной стороны, у концепции питания переменным током компьютерного оборудования в буквальном смысле «ноги растут» из-под стола: традиционно его производители делали все, чтобы ПК был как можно более дружественным для пользователя устройством, в том числе и подключался в любом месте к любой бытовой розетке. Учитывая все это, источник бесперебойного питания обязан был заменить сеть на время, достаточное для сворачивания активных приложений. Надо сказать, до момента массового распространения портативных ПК логика построения схемы питания не претерпела существенных изменений: берем напряжение из розетки, преобразуем ее для заряда своей низковольтной батареи и, в случае применения ИБП топологии OnLine, вторично конвертируем ее в те же 220–230 В для того, чтобы подать на блок питания ПК. В результате из трех-четырех сотен вольт выпрямленного постоянного наконец получим требуемые для компьютера +12, +5, +3,3 В и другие номиналы. Очевидно, что количество преобразований вряд ли позитивно сказывается на энергоэффективности данной схемы.

DC, AC и ЦОД
Конфигурация системы постоянного тока с параллельным резервированием. Как видно из структурной схемы, она существенно проще, содержит меньшее количество коммутационных элементов

С другой стороны, следует вспомнить, что компьютерная индустрия с самого начала существования сетей была ориентирована на принципы пакетной передачи данных. При этом необходимость работы в реальном масштабе времени появилась лишь для отдельных областей применения. В большинстве случаев допускалось при возникновении перебоев в подаче питания передавать данные после окончания ремонтных работ. Таким образом, в стандартных ситуациях также требовалось лишь корректное сохранение данных, находящихся в процессе обработки. Соответственно, необходимое время резервирования составляло несколько минут. Таким образом, в качестве стандарта в системах компьютерных коммуникаций приняты нормы бесперебойного обеспечения переменным напряжением 220–230 В и резервирования порядка 10–20 мин без перехода на свою автономную генераторную установку.

По мнению директора по продажам DC-систем компании Emerson Сергея Кузнецова, уже достаточно давно длящееся слияние двух разнородных «культур» приводит к необходимости выработки общих требований как, собственно, к технике, так и к надежности связи в целом. Безусловно, важным аспектом данной проблемы является разработка принципов построения систем электропитания.

При проектировании и построении любой инженерной системы (в том числе и электропитания) наиболее важным является решение четырех основных задач: требуемой надежности; максимально возможной безопасности (персонала, оборудования и пр.); простоты в эксплуатации; минимизации первичных и эксплуатационных расходов.

В вопросе организации электропитания для Сети имеют место три очевидные альтернативы: оставить текущую ситуацию без изменений, т. е. осуществлять питание телекоммуникационной составляющей от источников постоянного, а компьютерной – от сети переменного тока; перевести всю систему на питание от источников постоянного либо от сети переменного тока. Последний вариант, по мнению Сергея Кузнецова, учитывая опыт внедрения таких систем и материалы совещания операторов телекоммуникационных систем и производителей оборудования связи и передачи данных, проводимого под эгидой INTELEC (International Telecommunications Energy Conference), нежизнеспособен. Исторически доказана его неприемлемость для телекоммуникационных систем с точки зрения обеспечения их бесперебойного функционирования.

Рассмотрим вкратце, насколько соответствует вышеизложенным требованиям концепция питания постоянным током.

Время резервирования

Телекоммуникационные системы, получающие питание от 48-вольтовых установок постоянного тока, обычно имеют время резервной работы (без перехода на резервный генератор) от батарей 4–8 ч. Устройства передачи данных, питаемые через традиционные AC ИБП, обычно продлевают работу на 5–10 мин. Различия во времени резервирования систем без автономных электростанций могут повлечь за собой высокие затраты операторов в случае, когда они будут устраняться за счет увеличения количества батарей в ИБП или установки генераторов. Кроме того, малое время резервирования отдельных элементов нарушает цельность функционирования системы и, таким образом, определяет остаточную продолжительность ее работы в целом.

Надежность систем питания

Сравнительный анализ параметров показал, что надежность 48-вольтовых систем постоянного тока более чем в 20 раз превышает надежность сопоставимых систем ИБП. Батареи на AC ИБП по сравнению с 48-вольтовыми системами постоянного тока, как правило, имеют в 4–10 раз больше соединенных последовательно гальванических элементов, что приводит к увеличению частоты отказов цепей батарей также в 4–10 раз (подробнее в известной работе «Powering the Internet. Datacom Equipment in Telecom Facilities: The Need for a DC Powering Option», IEEE, 1998). Кроме того, батареи, установленные в обычных ИБП некоторых производителей, менее долговечны (около 5 лет), чем батареи для DC-систем из сферы связи (около 10 лет), и поэтому должны чаще заменяться.

Заземление

Системы постоянного тока заземляются иначе, чем переменного. Различие норм и стандартов приводит к возникновению проблем при обеспечении безопасности и надлежащего заземления оборудования. Главная опасность совмещения нагрузок, подключенных к подсистемам DС и АС, состоит в том, что площади поперечных сечений проводов рассчитываются исходя из разных нормативов. Короткое замыкание в системе постоянного тока может вызвать большие аварийные токи на заземление, что, в свою очередь, способно повлиять на работу или даже повредить электронные системы, подключенные к сети питания переменного тока.

Защита оборудования от помех

При сравнении DC- и AC-систем необходимо рассмотреть, как они могут обеспечить защиту подключенного телекоммуникационного оборудования или средств передачи данных от возмущений в сети питания и помех, вызванных короткими замыканиями в цепях вторичного распределения. Примеры таких возмущений – высокое наведенное напряжение, переходные процессы, удары молнии, гармонические искажения и помехи от другого оборудования. Большая батарея DC-системы работает как фильтр против возможных переходных процессов или гармоник, проходящих через выпрямитель. Короткие замыкания в системе распределения вызывают переходные процессы с большими амплитудами, зависящими от результирующих сопротивления и индуктивности. В системе питания постоянным током может быть организована четкая и предсказуемая среда распределения с контролем как сопротивления, так и индуктивности. Батарея и электролитические конденсаторы во вторичных группах распределения способны обеспечить достаточный ток, чтобы ускорить срабатывание предохранителей.

В случае использования систем питания переменного тока, при работе через байпас ИБП, оборудование без какой-либо защиты от возмущений непосредственно связано с сетью переменного тока. Во вторичном распределении применяются обычные для AC методы организации, для которых трудно предугадать, как срабатывание предохранителя и короткое замыкание будут воздействовать на параллельные нагрузки.

Безопасность эксплуатации

Традиционные ИБП обычно представляют собой источники питания переменного тока с относительно высоким выходным сопротивлением и поэтому не имеют таких возможностей для обеспечения срабатывания предохранителей и подавления гармоник напряжения, как сеть переменного тока. Для удовлетворения требований, чтобы срабатывал только наиболее близкий к неисправности предохранитель, эту особенность принимают во внимание при конфигурировании системы распределения питания от блока ИБП. Однако существует вероятность установки дополнительного оборудования или проведения модификации без должного учета потенциала источника. Возникающие в результате этого перегрузки на нейтрали сложно обнаружить, и в экстремальных случаях они могут стать причиной аварии.

Мировые нормы и стандарты безопасности

Для систем питания переменного тока существует 14 различных систем напряжения и распределения, распространенных в различных странах мира. Напротив, напряжение батарей для питания коммутационного оборудования большинства телекоммуникационных систем составляет -48 В. Оно является универсальным стандартом для оборудования связи и зафиксировано в рекомендациях ETSI (Европейского института стандартов связи) и ANSI (Американского национального института стандартов). Еще один аргумент в его пользу – низкое напряжение питания позволяет минимизировать риски персонала и сокращает список требований по обеспечению безопасности.

Простота эксплуатации

Не секрет, что часто причиной неполадок в системах связи являются действия обслуживающего телекоммуникационные коммутаторы персонала. Чем сложнее структура системы электропитания, тем вероятнее возникновение предпосылок неисправностей и несчастных случаев. Наоборот, риск отказов из-за подобных ошибок в простых и однородных по своей конструкции системах будет меньше. 48-вольтовая система электропитания постоянного тока отличается технической простотой. Она состоит из набора параллельно соединенных выпрямителей, которые соединяются с двумя или более параллельно подключенными цепочками батарей. В случае отключения электричества в сети питания или при отказе выпрямителя система продолжает работать от батарей. Распределение питания к устройствам, являющимся нагрузкой, происходит в точке, откуда расходятся эти параллельные цепочки, здесь устанавливаются только предохранители или автоматы защиты. В состав входят встроенные DC-DC-конвертеры (или установленные на платах модули питания), обеспечивающие их работу от батарей.

Простота технического обслуживания

В случае использования систем питания постоянного тока дополнительная простота технического обслуживания достигается за счет модульности конструкции. Относительно легко соединить выпрямители и батареи параллельно для обеспечения надежного разделения нагрузки, поскольку напряжения низки и нет необходимости заботиться о синхронизации. Таким образом, появляется возможность создания систем электропитания с модульной конструкцией выпрямителей, батарей и проводников, которые связывают их.

Минимизация расходов

Исходя из приведенного выше действия, необходимые для достижения в AC-системах того же уровня надежности и безопасности, что и в случае DC, требуют бoльших затрат. Кроме того, проектирование, установка и техническое обслуживание двух совмещенных систем питания являются очень дорогостоящими мероприятиями. Очевидно и то, что расходы владельцев смешанной системы питания (48-вольтовых DC-установок и традиционных ИБП) будут выше, так как понадобится обслуживание двух систем батарей, различных типов электроники для систем питания, хранение еще одного комплекта запасных частей и т. п. К ним следует добавить затраты на повышение компетентности обслуживающего систему персонала (либо удвоение его численности) или двойные затраты на контрактное обслуживание.

Таким образом, анализ надежности оборудования и величины затрат на обслуживание, распределение, безопасность и т. п. показывает, что обеспечение питания всех нагрузок от источника постоянного тока является наиболее оптимальным решением для телекоммуникационной системы.

Однако насколько оно выгодно, и что является препятствием для построения классических ЦОД на базе DC-систем? Наиболее полно и аргументированно на этот вопрос ответил Виктор Бурцев, один из ведущих российских специалистов по системам постоянного тока, также работающий в компании Emerson. По его мнению, расширение спектра активного оборудования для ЦОД (коммутаторов, маршрутизаторов, серверов, систем хранения данных), предусматривающих низковольтное питание постоянным током, происходит настолько медленно, что возникает подозрение о его искусственном торможении. Производители и их локальные представители на рынках не показывают заинтересованности в предложении таких устройств, зачастую относя их к разряду «нестандартных» заказов, что демонстрируется увеличенной на четверть в сравнении с такими же, но с БП переменного тока, стоимостью и значительно более продолжительными сроками поставки.

Объемы производства классических ИБП и элементов DC-систем питания сильно отличаются, что накладывает отпечаток на конечную цену одинаковых по мощности систем. Так, вероятнее всего, уже ИБП на 50 кВ•А окажется дешевле своего конкурента мощностью 50 кВт. Кроме того, как правило, в комплект поставки и цену любого ИБП уже включен определенный набор ПО под практически все распространенные ОС.

Несмотря на очевидные преимущества подсистем распределения энергии постоянного тока, они оказываются дороже. В первую очередь это связано с бoльшими токами, на которые должна быть рассчитана кабельная подсистема. Соответственно, для обеспечения допустимого падения напряжения ее необходимо исполнить проводами с бoльшим сечением проводников. Невозможно будет использовать имеющиеся в широком ассортименте элементы более дешевой и хорошо освоенной инсталляторами «бытовой» системы распределения. Даже DC-автоматы дороже, чем их собратья для переменных систем: из-за крайне малого внутреннего сопротивления батарей их коммутирующая способность должна быть в два-три раза выше, чем для распределительных AC-сетей, где ток ограничивается ИБП.

Еще один аргумент не относится к технологической сфере: каждый заказчик, инсталлятор и вендор подходят к решению вопроса о бесперебойном питании в силу сложившихся привычек, опыта, традиций, отдавая даже в условиях паритета возможностей двух систем свой голос в зависимости от того, выходцем из какой отрасли («связной» или компьютерной) он является.

Тем не менее, как было показано выше, в телекоммуникациях, наследующих принципы, заложенные еще в городских АТС, системы постоянного тока применяются повсеместно. Одно из таких направление – биллинг. Очевидно, что для операторов связи оно в числе самых важных, и, разумеется, мелочиться на нем они не станут. Таким образом, реалии сегодняшнего возможного противостояния «AC vs. DC» в ЦОДостроении на данный момент складывается не в пользу DC. Что, впрочем, не умаляет роли последних на классическом поприще – в телефонных системах и в качестве источников питания для базовых станций операторов сотовой связи.

Нам же в заключение остается только привести данные аналитиков Ecos Consulting, что компании все же смогут сэкономить, по разным оценкам, 10–25% электроэнергии, если переведут мощности ЦОД на питание от постоянного тока.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

При сравнении DC- и AC-систем необходимо рассмотреть, как они могут обеспечить защиту подключенного телекоммуникационного оборудования или средств передачи данных от возмущений в сети питания и помех, вызванных короткими замыканиями в цепях вторичного распределения.
Примеры таких возмущений – высокое наведенное напряжение, переходные процессы, удары молнии, гармонические искажения и помехи от другого оборудования.

Все то, что касается возникновения перенапряжений и подавления ВЧ-составляющих, "лечится" в DC-системах проще. Да и внутреннее сопротивление источника меньше, соответственно добротность паразитных контуров ниже – колебания в них быстрее затухают.
Переходные помехи от нагрузки несложно устраняются за счет "смягчения" старта инверторов нагрузки (это и AC-системам не помешает).
Проблемы, как правило, обнаруживаются в мощных пусковых токах вспомогательного оборудования (например, DC-ЦОДе, при перезапуске кондиционеров либо чиллерных насосов и т.п.) – но это предмет отдельного разговора о выборе архитектуры построения центров.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT