ارزيابي بازده­اي سيستم يو پي اس

بسياري از سيستم­هاي منبع تغذيه بي ­وقفه (يو پي اس) يك مُد اجراييِ ذخيره انرژي دارند. داده­ ها نشان مي­دهند كه به دليل وجود خطرات بالقوه در اين سيستم­ها، مراكز داده­ي اندكي از آنها استفاده مي­كنند.

اهداف آموزشي

• آشنايي با گزينه­ هاي ذخيره انرژيِ سيستم­هاي منبع تغذيه بي­ وقفه (يو پي اس)
• دانستن چگونگي ذخيره انرژي با راه­اندازي سيستم يو پي اس در مُد eco
• درك اثرات اجراي سيستم يو پي اس در مد eco

“مد eco” اصطلاحي است كه همراه با اجزاء گوناگون بسياري از تجهيزات، براي تعريف يك حالت عملياتي كه در آن انرژي كمتري مصرف مي­شود، و از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه است، به كار برده مي­شود. هنگامي كه اين اصطلاح در مورد يك تلفن هوشمند يا ماشين به كار مي­رود، عموما بدين معني است كه در بين تمام عملكردهاي يك سيستم تعداي عمليات وجود دارند كه تعديل شده­اند، و سيستم به منظور مصرف انرژي كمتر عملكردهاي خاصي را با سرعتهاي پايين­تر اجرا مي­كند. حال آنكه اين روند بر كل عملكرد تجهيزات تاثير مي­گذارد يا نه، بستگي به وظيفه­اي دارد كه آن تجهيزات انجام مي­دهند. كارايي اصلي منبع تغذيه بي­وقفه (UPS) محافظت از بار بحراني طي قطعيِ برق است، كه اين امر با فرآهم آوردن توان پشتيبان از طريق وسيله­اي كه انرژي را در خود ذخيره مي­كند، و با ايجاد ولتاژ و فركانس پايدار ، صورت مي­گيرد. همانند ديگر تجهيزات، هدف از راه اندازي سيستم UPS در مد eco، افزايش بازدهي از طريق كاهش ميزان انرژي مصرفيِ يو پي اس، است. Green Grid مد eco را بدين شكل تعريف مي­كند:” يكي از چندين مد عملياتي يو پي اس كه مي­تواند بازده­اي را افزايش دهد (ذخيره انرژي)، اما بسته به فناوري يو پي اس، مي­تواند در عمل همراه با بِده­بِستانهاي احتمالي­ باشد”. آيا راه­اندازي يو پي اس در مد eco بر عملكرد يو پي اس تاثير مي­گذارد، يعني سيستم كلي را غيرقابل اطمينان مي­سازد و بار بحراني را به طور جدي به خطر مي­اندازد؟ آيا راهي وجود دارد تا بدون لطمه زدن به عمليات و بي­اعتبار كردن آن، بشود بازده­اي را افزايش داد؟ اينها سوالاتي است كه بايد هنگام طراحي و اجراي تاسيسات حساس با مد eco، به آنها توجه شود. هدف اين مقاله ، نگاهي دقيق­تر به مدهاي عملياتي گوناگون يو پي اس و چگونگي تاثيرا آنها بر مراكز داده و ديگر تاسيسات حساس-وظيفه (mission-critical facilities) است.

بازده­اي الكتريكي

گرچه در مراكز داده براي اندازه­گيري بازده­اي معيارهاي گوناگوني به كار مي­رود، اما يكي از پر كاربردترينِ آنها سودمندي توان مصرفي (PUE) است كه توسط Green Grid به وجود آمده است. اين روش توان كليِ تجهيزات مركز داده را با توان به كار رفته براي راه­اندازي دستگاههاي IT مقايسه مي­كند. مقدار PUE براي يك مركز داده­ي بهينه ۱٫۰ است، يعني تمام انرژي وارد شده به مركز داده به طور مستقيم صرف راه اندازي دستگاههاي IT مي­شود.

هر مقداري بالاتر از ۱٫۰ ، بدين معني است كه بخشي از توان كلي تاسيسات معطوف به سيستمهاي پشتيباني از قبيل خنك كننده، روشنايي، و شبكه نيرو شده است. هرچه مقدار PUE بزرگتر باشد، سهم بيشتري از انرژي صرف سيستمهاي پشتيباني مي­شود تا خود دستگاههاي IT، و اين منجر به كم شدن بازده­اي مركز داده مي­شود.

اغلب مهندسان، مالكان، و متصديان به منظور پايين آوردن PUE و افزايش بازده­اي، هنگام طراحي يك مركز داده بر سيستمهاي مكانيكي و توانايي استفاده از خنك كننده رايگان (free cooling) ، تمركز مي­كنند. با اين وجود، سيستم الكتريكي نيز به دليل ناكارآمدي­هايي در تجهيزات الكتريكي و سيستم توزيع، انرژي را به صورت تلفات هدر مي­دهد. به طور معمول، تلفات سيستم الكتريكي ۱۰% تا ۱۲% از كل انرژي مصرفي توسط مركز داده را تشكيل مي­دهد.

به عنوان مثال مركز داده­اي با ۲MW بار IT و ميانگين سالانه PUE برابر با ۱٫۴۵ (بار كلي ۲٫۹MW)، ۳۴۸KW تلفات به صورت الكتريكي دارد و هر سال تقريبا ۳۰۰۰۰۰ دلار صرف انرژي الكتريكي هدر رفته خواهد كرد. اين هزينه اتلافي براي انرژي الكتريكي همراه با بودجه­هاي عملياتي محدودتر و تعهد به پايداري و حفظ محيط زيست، مهندسان و مالكان را مجبور كرد تا براي يافتن راههاي حذف تلفات الكتريكي نگاهي دقيق­تر به سيستم­هاي الكتريكي داشته باشند.

توزيع الكتريكي موروثي

در يك سيستم توزيع الكتريكي موروثي مركز داده­اي معمولي، چهار مولفه وجود دارند كه اكثريت تلفات را شكل مي­دهند:

• ترانسفورماتورهاي پست برق (ايستگاههاي فرعي): تلفات هسته و بي-بار (no-load) ترانسفورماتور
• يو پي اس : تلفات يكسو­ساز و متناوبساز
• واحدهاي توزيع نيرو (PDUها): تلفات بي­-بار و هسته ترانسفورماتور
• منبع تغذيه IT: تلفات يكسوساز و ترانسفورماتور

يك روش كاهش تلفات كه تاثيري بر عملكرد مركز داده ندارد، به كار بردن يا جايگزين كردن تجهيزاتي مانند ترانسفورماتورهاي پست برق و PDU با تجهيزاتي كاراتر است. NEMA TP-1: راهنماي تعيين بازده­اي انرژي براي ترانسفورماتورهاي توزيع، در سال ۲۰۰۵ اتخاذ شد، اين روش بازده­اي­هاي كمينه ترانسفورماتور را به طور تقريبي از ۹۷% به ۹۹% افزايش مي­دهد، اين امر بستگي به نوع و اندازه ترانسفورماتور دارد. در سال ۲۰۱۶ نياز به بازده­اي كمينه ترانسفورماتور از مقدار تقريبي ۸% به ۱۲% افزايش خواهد يافت تا انرژي بيشتري صرفه­جويي شود. ترانسفورماتورهاي فوقِ كارار نيز وجود دارند كه نرخهاي بازدهيِ آنها بيش از ۹۹٫۵% است.  روش ديگري نيز براي افزايش بازدهي وجود دارد، و آن هم حذف تجهيزاتي است كه بيشترين تلفات را دارند. اين روش استراتژي­هاي متفاوتي را در قبال نيروي برق مي­طلبد، از قبيل به كار بردن سيستم توزيع ac و dc با ولتاژي بالاتر به منظور حذف تجهيزاتي مانند ترانسفورماتورهاي PDU، مبدلهاي يو پي اس، و يكسوسازهاي منبع تغذيه. هر يك از اين استراتژيهاي مربوط به نيروي برق، مزايا و معايبي دارند كه بر عملكرد مركز داده تاثير مي­گذارند، بنابراين هنگام طراحي يك مركز داده بايد ارزيابي شوند. روش سومي كه اخيرا توليدكنندگان تبليغ مي­كنند، و برخي از تاسيسات نيز شروع به استفاده از آن كرده­اند، شامل راه­اندازي سيستم UPS در شكلي از مد اقتصادي يا eco است. اين مد عملياتي با حذف تلفات يكسوساز و مبدل در UPS، بازده­اي را افزايش مي­دهد.

سيستم يو پي اس

كميسيون بين­المللي الكتروتكنيك (IEC)، سيستم يو پي اس را به دسته­هاي اجرايي زير تقسيم مي­كند:

• ولتاژ/فركانس وابسته (VFD): يك UPS بايد بار را در مقابل قطعيِ برق محافظت كند. ولتاژ و فركانس خروجي وابسته به منبع ac ورودي است. هدف اين است كه دستورالعملهاي اصلاحي ديگري وضع نشود.
• ولتاژ مستقل: يك يو پي اس بايد بار را از قطعي­هاي برق محافظت كند و يك ولتاژ پايدار بدست دهد. فركانس خروجي به منبع ac ورودي وابسته است. ولتاژ خروجي درون بازه­ي ولتاژيِ از پيش تعيين شده­اي باقي مي­ماند (اعمال شده توسط دستورالعملهاي اصلاحي اضافي براي ولتاژ).
• ولتاژ/فركانس مستقل (VFI): يك UPS بايد بار را از قطعيهاي برق محافظت كند و ولتاژ و فركانسي پايدار ايجاد كند. ولتاژ و فركانس خروجي مستقل از منبع ac ورودي است.

عموما از توپولوژي VFD با عنوان يو پي اس “آفلاين” ياد مي­شود، جايي كه مدارهاي يكسوساز/مبدل آفلاين هستند و جزئي از مسير نرمال نيروي برق به حساب نمي­آيند. چون تلفات مربوط به يكسوساز/مبدل طي عمليات معمولي حذف مي­شوند، در نتيجه اين مد مشابه تاثير اجراي تبديل دوگانه در مد eco است. در مد نرمال، بارِ روي يك سيستم از نوع VFD در معرض نيروي برق عمومي خام (خالص) (raw utility power) قرار دارد. به طور سنتي سيستمهاي يو پي اس كوچكتر و تك-فازي وجود دارند. عموما توپولوژي VFI به عنوان UPSتبديل دوگانه يا “آنلاين” شناخته مي­شود، كه در آن مدارات يكسوساز/مبدل در عملكرد نرمال، آنلاين و درگير هستند (شكل ۱ را ببينيد). نيروي برق در يكسوساز از ac به dc تبديل مي­شود و سپس در مبدل از dc به ac. بعلاوه، نيروي برق dc براي شارژ كردن وسايل ذخيره انرژي تحت عملكرد نرمال به كار مي­رود، و سپس طي قطعي برق نيرو از وسايل ذخيره انرژي گرفته مي­شود. فناوريهاي گوناگوني را مي­توان براي وسايل ذخيره انرژي به كار برد، شامل باتري هاي و فلاي­ويل­ها (flywheel) . سيستم يو پي اس  تبديل دوگانه به يك مسير فرعي استاتيك نيز مجهز شده­اند تا در صورت بروز خرابي مدار يكسوساز/مبدل را از چرخه خارج كنند.

هدف اين مقاله تمركز بر روي توپولوژي يو پي اس استاتيك (VFI) تبديل-دوگانه خواهد بود.

مد eco سنتي

در مد eco سنتي يا كلاسيك، بار عموما از طريق مسير فرعي (bypass) تغذيه مي­شود، و بار بحراني بدون قيد وشرط به نيروي برق عمومي خالص متصل مي­شود، مشابه توپولوژي VFD (شكل ۲ را ببينيد).

شكل ۱

شكل ۲

مبدل در حالت standby قرار دارد و تنها موقعي كه تاسيسات عمومي (برق شهري) درست كار نكنند، درگير مي­شود. به همين دليل تلفات در يكسوساز و مبدل حذف مي­شوند، و سيستم UPS موثرتر مي­شود. سيستم UPS تبديل-دوگانه استاتيك ميانگين، بين بازده­اي ۹۰% در بار ۳۰% تا مقدار تقريبي بازده­اي ۹۴% در بار ۱۰۰% عمل مي­كند. درصد بازده­اي، بسته به فناوري به كار رفته و اينكه آيا UPS حاوي يك ترانسفورماتور ورودي مجزا است يا نه، مي­تواند اندكي بالا يا پايين رود. با حذف تلفات يكسوساز و مبدل ، بازده­اي سيستم UPS در مد eco مي­تواند تا ۹۸% يا ۹۹% افزايش يابد. در پيكربندي نوع-اضافي ۲N (سيستم +سيستم)، جايي كه سيستم به طور معمول هر UPS را زير ۴۰% به كار مي­برد، افزايش در بازده­اي تقريبا برابر است با ۴% تا ۸% . افزايش در بازده­اي به معني كاهش حرارت است و اين به معني تقليل تجهيزات خنك كننده است. Green Grid پيش­بيني مي­كند كه وقتي مد از تبديل-دوگانه به eco تغيير كند، به طور ميانگين مقدار PUE تقريبا ۰٫۰۶ بهبود مي­يابد