ارزیابی بازدهshy;ای سیستم یو پی اس

بسیاری از سیستمshy;های منبع تغذیه بی shy;وقفه (یو پی اس) یک مُد اجراییِ ذخیره انرژی دارند. دادهshy; ها نشان میshy;دهند که به دلیل وجود خطرات بالقوه در این سیستمshy;ها، مراکز دادهshy;ی اندکی از آنها استفاده میshy;کنند.

اهداف آموزشی

• آشنایی با گزینهshy; های ذخیره انرژیِ سیستمshy;های منبع تغذیه بیshy; وقفه (یو پی اس)
• دانستن چگونگی ذخیره انرژی با راهshy;اندازی سیستمیو پی اسدر مُد eco
• درک اثرات اجرای سیستمیو پی اسدر مد eco

ldquo;مد ecordquo; اصطلاحی است که همراه با اجزاء گوناگون بسیاری از تجهیزات، برای تعریف یک حالت عملیاتی که در آن انرژی کمتری مصرف میshy;شود، و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است، به کار برده میshy;شود. هنگامی که این اصطلاح در مورد یک تلفن هوشمند یا ماشین به کار میshy;رود، عموما بدین معنی است که در بین تمام عملکردهای یک سیستم تعدای عملیات وجود دارند که تعدیل شدهshy;اند، و سیستم به منظور مصرف انرژی کمتر عملکردهای خاصی را با سرعتهای پایینshy;تر اجرا میshy;کند. حال آنکه این روند بر کل عملکرد تجهیزات تاثیر میshy;گذارد یا نه، بستگی به وظیفهshy;ای دارد که آن تجهیزات انجام میshy;دهند. کارایی اصلی منبع تغذیه بیshy;وقفه (UPS) محافظت از بار بحرانی طی قطعیِ برق است، که این امر با فرآهم آوردن توان پشتیبان از طریق وسیلهshy;ای که انرژی را در خود ذخیره میshy;کند، و با ایجاد ولتاژ و فرکانس پایدار ، صورت میshy;گیرد. همانند دیگر تجهیزات، هدف از راه اندازی سیستمUPSدر مد eco، افزایش بازدهی از طریق کاهش میزان انرژی مصرفیِیو پی اس، است. Green Grid مد eco را بدین شکل تعریف میshy;کند:rdquo; یکی از چندین مد عملیاتییو پی اسکه میshy;تواند بازدهshy;ای را افزایش دهد (ذخیره انرژی)، اما بسته به فناورییو پی اس، میshy;تواند در عمل همراه با بِدهshy;بِستانهای احتمالیshy; باشدrdquo;. آیا راهshy;اندازییو پی اسدر مد eco بر عملکردیو پی استاثیر میshy;گذارد، یعنی سیستم کلی را غیرقابل اطمینان میshy;سازد و بار بحرانی را به طور جدی به خطر میshy;اندازد؟ آیا راهی وجود دارد تا بدون لطمه زدن به عملیات و بیshy;اعتبار کردن آن، بشود بازدهshy;ای را افزایش داد؟ اینها سوالاتی است که باید هنگام طراحی و اجرای تاسیسات حساس با مد eco، به آنها توجه شود. هدف این مقاله ، نگاهی دقیقshy;تر به مدهای عملیاتی گوناگونیو پی اسو چگونگی تاثیرا آنها بر مراکز داده و دیگر تاسیسات حساس-وظیفه (mission-critical facilities) است.

بازدهshy;ای الکتریکی

گرچه در مراکز داده برای اندازهshy;گیری بازدهshy;ای معیارهای گوناگونی به کار میshy;رود، اما یکی از پر کاربردترینِ آنها سودمندی توان مصرفی (PUE) است که توسط Green Grid به وجود آمده است. این روش توان کلیِ تجهیزات مرکز داده را با توان به کار رفته برای راهshy;اندازی دستگاههای IT مقایسه میshy;کند. مقدار PUE برای یک مرکز دادهshy;ی بهینه ۱٫۰ است، یعنی تمام انرژی وارد شده به مرکز داده به طور مستقیم صرف راه اندازی دستگاههای IT میshy;شود.

هر مقداری بالاتر از ۱٫۰ ، بدین معنی است که بخشی از توان کلی تاسیسات معطوف به سیستمهای پشتیبانی از قبیل خنک کننده، روشنایی، و شبکه نیرو شده است. هرچه مقدار PUE بزرگتر باشد، سهم بیشتری از انرژی صرف سیستمهای پشتیبانی میshy;شود تا خود دستگاههای IT، و این منجر به کم شدن بازدهshy;ای مرکز داده میshy;شود.

اغلب مهندسان، مالکان، و متصدیان به منظور پایین آوردن PUE و افزایش بازدهshy;ای، هنگام طراحی یک مرکز داده برسیستمهای مکانیکیو توانایی استفاده از خنک کننده رایگان (free cooling) ، تمرکز میshy;کنند. با این وجود، سیستم الکتریکی نیز به دلیل ناکارآمدیshy;هایی در تجهیزات الکتریکی و سیستم توزیع، انرژی را به صورت تلفات هدر میshy;دهد. به طور معمول، تلفات سیستم الکتریکی ۱۰% تا ۱۲% از کل انرژی مصرفی توسط مرکز داده را تشکیل میshy;دهد.

به عنوان مثال مرکز دادهshy;ای با ۲MW بار IT و میانگین سالانه PUE برابر با ۱٫۴۵ (بار کلی ۲٫۹MW)، ۳۴۸KW تلفات به صورت الکتریکی دارد و هر سال تقریبا ۳۰۰۰۰۰ دلار صرف انرژی الکتریکی هدر رفته خواهد کرد. این هزینه اتلافی برای انرژی الکتریکی همراه با بودجهshy;های عملیاتی محدودتر و تعهد به پایداری و حفظ محیط زیست، مهندسان و مالکان را مجبور کرد تا برای یافتن راههای حذف تلفات الکتریکی نگاهی دقیقshy;تر به سیستمshy;های الکتریکی داشته باشند.

توزیع الکتریکی موروثی

در یک سیستم توزیع الکتریکی موروثی مرکز دادهshy;ای معمولی، چهار مولفه وجود دارند که اکثریت تلفات را شکل میshy;دهند:

• ترانسفورماتورهای پست برق (ایستگاههای فرعی): تلفات هسته و بی-بار (no-load) ترانسفورماتور
• یو پی اس: تلفات یکسوshy;ساز و متناوبساز
• واحدهای توزیع نیرو (PDUها): تلفات بیshy;-بار و هسته ترانسفورماتور
• منبع تغذیه IT: تلفات یکسوساز و ترانسفورماتور

یک روش کاهش تلفات که تاثیری بر عملکرد مرکز داده ندارد، به کار بردن یا جایگزین کردن تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورهای پست برق و PDU با تجهیزاتی کاراتر است. NEMA TP-1: راهنمای تعیین بازدهshy;ای انرژی برای ترانسفورماتورهای توزیع، در سال ۲۰۰۵ اتخاذ شد، این روش بازدهshy;ایshy;های کمینه ترانسفورماتور را به طور تقریبی از ۹۷% به ۹۹% افزایش میshy;دهد، این امر بستگی به نوع و اندازه ترانسفورماتور دارد. در سال ۲۰۱۶ نیاز به بازدهshy;ای کمینه ترانسفورماتور از مقدار تقریبی ۸% به ۱۲% افزایش خواهد یافت تا انرژی بیشتری صرفهshy;جویی شود. ترانسفورماتورهای فوقِ کارار نیز وجود دارند که نرخهای بازدهیِ آنها بیش از ۹۹٫۵% است. روش دیگری نیز برای افزایش بازدهی وجود دارد، و آن هم حذف تجهیزاتی است که بیشترین تلفات را دارند. این روش استراتژیshy;های متفاوتی را در قبال نیروی برق میshy;طلبد، از قبیل به کار بردن سیستم توزیع ac و dc با ولتاژی بالاتر به منظور حذف تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورهای PDU، مبدلهاییو پی اس، و یکسوسازهای منبع تغذیه. هر یک از این استراتژیهای مربوط به نیروی برق، مزایا و معایبی دارند که بر عملکرد مرکز داده تاثیر میshy;گذارند، بنابراین هنگام طراحی یک مرکز داده باید ارزیابی شوند. روش سومی که اخیرا تولیدکنندگان تبلیغ میshy;کنند، و برخی از تاسیسات نیز شروع به استفاده از آن کردهshy;اند، شامل راهshy;اندازی سیستمUPSدر شکلی از مد اقتصادی یا eco است. این مد عملیاتی با حذف تلفات یکسوساز و مبدل درUPS، بازدهshy;ای را افزایش میshy;دهد.

سیستمیو پی اس

کمیسیون بینshy;المللی الکتروتکنیک (IEC)،سیستم یو پی اسرا به دستهshy;های اجرایی زیر تقسیم میshy;کند:

• ولتاژ/فرکانس وابسته (VFD): یکUPSباید بار را در مقابل قطعیِ برق محافظت کند. ولتاژ و فرکانس خروجی وابسته به منبع ac ورودی است. هدف این است که دستورالعملهای اصلاحی دیگری وضع نشود.
• ولتاژ مستقل: یکیو پی اسباید بار را از قطعیshy;های برق محافظت کند و یک ولتاژ پایدار بدست دهد. فرکانس خروجی به منبع ac ورودی وابسته است. ولتاژ خروجی درون بازهshy;ی ولتاژیِ از پیش تعیین شدهshy;ای باقی میshy;ماند (اعمال شده توسط دستورالعملهای اصلاحی اضافی برای ولتاژ).
• ولتاژ/فرکانس مستقل (VFI): یکUPSباید بار را از قطعیهای برق محافظت کند و ولتاژ و فرکانسی پایدار ایجاد کند. ولتاژ و فرکانس خروجی مستقل از منبع ac ورودی است.

عموما از توپولوژی VFD با عنوانیو پی اسldquo;آفلاینrdquo; یاد میshy;شود، جایی که مدارهای یکسوساز/مبدل آفلاین هستند و جزئی از مسیر نرمال نیروی برق به حساب نمیshy;آیند. چون تلفات مربوط به یکسوساز/مبدل طی عملیات معمولی حذف میshy;شوند، در نتیجه این مد مشابه تاثیر اجرای تبدیل دوگانه در مد eco است. در مد نرمال، بارِ روی یک سیستم از نوع VFD در معرض نیروی برق عمومی خام (خالص) (raw utility power) قرار دارد. به طور سنتی سیستمهاییو پی اسکوچکتر و تک-فازی وجود دارند. عموما توپولوژی VFI به عنوانUPSتبدیل دوگانه یا ldquo;آنلاینrdquo; شناخته میshy;شود، که در آن مدارات یکسوساز/مبدل در عملکرد نرمال، آنلاین و درگیر هستند (شکل ۱ را ببینید). نیروی برق در یکسوساز از ac به dc تبدیل میshy;شود و سپس در مبدل از dc به ac. بعلاوه، نیروی برق dc برای شارژ کردن وسایل ذخیره انرژی تحت عملکرد نرمال به کار میshy;رود، و سپس طی قطعی برق نیرو از وسایل ذخیره انرژی گرفته میshy;شود. فناوریهای گوناگونی را میshy;توان برای وسایل ذخیره انرژی به کار برد، شاملباتریهای و فلایshy;ویلshy;ها (flywheel) .سیستمیو پی استبدیل دوگانه به یک مسیر فرعی استاتیک نیز مجهز شدهshy;اند تا در صورت بروز خرابی مدار یکسوساز/مبدل را از چرخه خارج کنند.

هدف این مقاله تمرکز بر روی توپولوژییو پی اساستاتیک (VFI) تبدیل-دوگانه خواهد بود.

مد eco سنتی

در مد eco سنتی یا کلاسیک، بار عموما از طریق مسیر فرعی (bypass) تغذیه میshy;شود، و بار بحرانی بدون قید وشرط به نیروی برق عمومی خالص متصل میshy;شود، مشابه توپولوژی VFD (شکل ۲ را ببینید).

شکل ۱

شکل ۲

مبدل در حالت standby قرار دارد و تنها موقعی که تاسیسات عمومی (برق شهری) درست کار نکنند، درگیر میshy;شود. به همین دلیل تلفات در یکسوساز و مبدل حذف میshy;شوند، و سیستم UPS موثرتر میshy;شود. سیستم UPS تبدیل-دوگانه استاتیک میانگین، بین بازدهshy;ای ۹۰% در بار ۳۰% تا مقدار تقریبی بازدهshy;ای ۹۴% در بار ۱۰۰% عمل میshy;کند. درصد بازدهshy;ای، بسته به فناوری به کار رفته و اینکه آیاUPSحاوی یک ترانسفورماتور ورودی مجزا است یا نه، میshy;تواند اندکی بالا یا پایین رود. با حذف تلفات یکسوساز و مبدل ، بازدهshy;ای سیستمUPSدر مد eco میshy;تواند تا ۹۸% یا ۹۹% افزایش یابد. در پیکربندی نوع-اضافی ۲N (سیستم +سیستم)، جایی که سیستم به طور معمول هر UPS را زیر ۴۰% به کار میshy;برد، افزایش در بازدهshy;ای تقریبا برابر است با ۴% تا ۸% . افزایش در بازدهshy;ای به معنی کاهش حرارت است و این به معنی تقلیل تجهیزات خنک کننده است. Green Grid پیشshy;بینی میshy;کند که وقتی مد از تبدیل-دوگانه به eco تغییر کند، به طور میانگین مقدار PUE تقریبا ۰٫۰۶ بهبود میshy;یابد