Значительную экономию энергии потенциально могут обеспечить прежде всего серверное оборудование и системы климатизации, однако существенный вклад способны внести и ИБП, доля которых в общем объеме потреблении электроэнергии в ЦОД достигает 18%. В конце апреля 2012 года европейский стандарт EN 16001:2009 был заменен на международный норматив «Системы энергетического менеджмента EN ISO 50001:2011» (соответствующий российский ГОСТ вступит в силу 1 января 2013 года). Новые требования предусматривают применение системного подхода для долгосрочного снижения энергопотребления и выбросов парниковых газов.
ВАЖНОЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ЦОД
Как в случае с широко распространенным ныне стандартом ISO 9001, в котором зафиксированы требования к системам менеджмента качества, ISO 50001 фокусируется главным образом на процессах оптимизации, при этом он охватывает всех потребителей электроэнергии на предприятии, начиная с производства и логистики и заканчивая ЦОД и инфраструктурой ИТ. При этом так называемый управляющий цикл планирование – выполнение – проверка – действие (Plan/Do/Check/ Act, PDCA) предусматривает постоянное планирование и реализацию мер по улучшению бизнес-процессов, а также последующую проверку их эффективности со стороны руководства предприятия.
Таким образом, задачи повышения энергоэффективности в ЦОД окончательно переходят под контроль руководства, поскольку многие ЦОД относятся к разряду объектов со значительным расходом электроэнергии, а значит, при сертификации на соответствие ISO 50001 они должны включаться в общекорпоративную систему энергетического менеджмента. Хотя в этом документе нет специальных директив для ЦОД (они относятся к коммерческим зданиям), эксперты считают, что стандарт ISO 50001 может стать одной из важнейших норм для эффективной эксплуатации вычислительных центров.
Поставщики услуг ЦОД и провайдеры облачных сервисов уже сейчас сталкиваются с растущим ценовым прессингом из-за значительного роста тарифов на электроэнергию. Для них любое долгосрочное снижение энергопотребления приведет к повышению их конкурентоспособности. К этому добавляется еще и значительное улучшение имиджа компании, достигаемое благодаря щадящему обращению с природными ресурсами. К тому же можно предположить, что аккредитованные предприятия, в свою очередь, предпочтут поставщиков, у которых тоже имеются соответствующие сертификаты.
Еще одно преимущество нового стандарта заключается в том, что принятые раннее меры по обеспечению эффективности в рамках энергетического мониторинга (к примеру, регулярный учет потребления электроэнергии и постоянные измерения коэффициента энергоэффективности PUE) легко интегрируются в систему энергетического менеджмента в соответствии со стандартом ISO 50001. К тому же владельцы нескольких ЦОД, расположенных в разных странах, выигрывают от международного статуса этого стандарта, поскольку могут использовать на всех своих объектах единые процессы.
Применение нового стандарта сулит немалые преимущества, о чем наглядно свидетельствует пример тайваньской компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Уже в конце 2011 года это предприятие, специализирующееся на производстве микросхем и сотрудничающее с Apple, завершило сертификацию своего ультрасовременного центра обработки данных на соответствие стандарту ISO 50001. И благодаря лишь выполнению соответствующих предписаний TSMC намеревается снизить годовой расход электроэнергии в этом ЦОД на 8%, что эквивалентно экономии приблизительно 2,2 млн кВт×ч и сокращению выбросов углекислого газа примерно на 1350 т. Ожидается, что дальнейшие инвестиции в чрезвычайно энергоэффективную инфраструктуру в этом ЦОД позволят сэкономить до 50 млн кВт×ч, что соответствует уменьшению эмиссий углекислого газа на 36 кт.
РОЛЬ ИБП
Помимо инвестиций в энергосберегающее серверное оборудование и в максимально эффективные системы климатизации, выполнению предписаний по экономии электроэнергии в рамках единой общекорпоративной системы энергетического менеджмента будет способствовать повышение эффективности используемых систем ИБП. Источники бесперебойного питания не только вносят большой вклад в обеспечение бесперебойной работы оборудования, но и существенно влияют на уровень общей энергоэффективности ЦОД, ведь на их долю приходится от 15 до 20% всего потребления электроэнергии. Вследствие их непрерывной эксплуатации, избыточности и взаимодействия с системой климатизации повышение их эффективности всего лишь на несколько процентов способно дать заметный результат.
Потери мощности систем ИБП выражаются главным образом в выделении тепла, которое необходимо отводить с помощью климатических установок, что приводит к дополнительным потерям мощности, поскольку холодопроизводительность систем охлаждения не равна потребленной ими электрической мощности. КПД большинства климатических установок составляет 65–70%. Этот замкнутый круг, приводящий к значительным затратам, трудно увязать с концепциями долгосрочного энергетического менеджмента.
Такие потери мощности можно свести к минимуму путем использования современных многорежимных (Multimode) систем ИБП и виртуализации мощностей. Их применение позволяет при первичной инсталляции реализовать конфигурацию, точно соответствующую текущим потребностям, и наращивать возможности по мере возрастания вычислительной нагрузки.
Рисунок 1. ИБП способны обеспечить оптимальную защиту нагрузки вне зависимости от качества энергосети. |
Как правило, системы ИБП в центрах обработки данных работают в режиме двойного преобразования, что позволяет в любой момент обеспечить оптимальную защиту нагрузки вне зависимости от качества энергосети (см. Рисунок 1). Однако максимально достижимые значения КПД ограничиваются применением инверторной технологии. Как правило, эффективность новых систем ИБП в режиме двойного преобразования составляет 91–94%. В то же время многорежимные системы ИБП способны без прерывания работы переходить из режима двойного преобразования в специальный режим высокой эффективности, если качество энергосети достаточно высокое. Качество поступающего тока непрерывно контролируется с помощью технологии цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processing, DSP), и при его снижении системы снова возвращаются в режим двойного преобразования, не прерывая свою работу.
Параметры переключения можно настраивать произвольно — к примеру, разрешить переход в более экономичный режим исключительно в нерабочее время или в выходные. Предпосылкой для реализации быстрого перехода из одного режима в другой (менее 2 мс) является бестрансформаторный дизайн на базе IGBT-транзисторов. Традиционные тиристорные схемы не способны обеспечить требуемую быстроту переключения в пределах кривой зависимости напряжения от времени, как это предписывается Советом отрасли информационных технологий (Information Technology Industry Council). Эта кривая, являющаяся эталоном для многих сегментов ИТ, определяет величину и продолжительность отклонений напряжения, к которым блоки питания для ИТ-оборудования должны быть нечувствительны.
На практике загруженность большинства систем ИБП составляет всего лишь 10–40% от их номинальной нагрузки, что не позволяет им достичь оптимальных значений КПД. Причины кроются, с одной стороны, в необходимости обеспечения требуемого уровня избыточности ИБП и создании чрезмерного запаса ресурсов при начальной инсталляции, а с другой — в особенностях современных процессоров, потребление которых оптимизировано в соответствии с нагрузкой, поэтому вне основного рабочего времени оно очень мало.
Трансформатор не помеха для энергоэффективности
На современных объектах доля ИБП в потерях («в общем потреблении электроэнергии») вряд ли достигает 18 и тем более 20%. Для современных источников бесперебойного питания КПД в режиме двойного преобразования превышает 90%, так что потери составляют менее 10%. И даже с учетом затрат энергии на работу систем кондиционирования они вряд ли окажутся больше 12% (что подтверждается статистикой и измерениями, выполнявшимися, например, на американских объектах, где установлены ИБП производства GE).
Трудно не согласиться с тем, что перевод ИБП в режим повышенной эффективности требует непрерывного контроля качества входной сети. Однако «традиционные тиристорные схемы» уже давно не применяются в схемах инверторов переменного тока — последние вот уже 25 лет изготавливаются на базе IGBT. А вот само переключение между энергоэффективным режимом питания нагрузки через цепь электронного байпаса и режимом двойного преобразования, когда нагрузка питается от инвертора, и обратно невозможно без тиристоров, поскольку именно полупроводниковые тиристорные коммутаторы широко применяются во всех современных ИБП в качестве быстродействующих и надежных переключателей.
Быстрое (менее 2 мсек) переключение нагрузки на инвертор возможно не только при «бестрансформаторном дизайне». Это подтверждается самим фактом существования ИБП трансформаторного типа (серий SitePro и SG производства GE), в которых режим Super ECO был реализован более 10 лет назад для одиночных ИБП. В 2012 году на европейский рынок вышли ИБП третьего поколения серии SG, где гарантированное время переключения на инвертор в режиме eBoost составляет менее 0,5 мсек, а переходный процесс длится менее 2 мсек. Этот режим реализован как для одиночных, так и для параллельных систем. На рынке США ИБП данной серии с использованием режима eBoost продаются уже более двух лет.
Подход, который предполагает отключение «лишних» ИБП в составе параллельных систем с целью повышения эффективности работы остальных устройств при сохранении заданного пользователем уровня резервирования, известен (и применяется) уже немало лет. Так, еще в 1998 году компания IMV получила первый приз Европейской ассоциации ЕТА за реализацию режима IEM в ИБП серий SitePro (трансформаторная технология) и LanPro (бестрансформаторная технология). Аналогичный режим работы (IEMi) сейчас может быть реализован при использовании ИБП серии SG (с трансформатором инвертора). Таким образом, наличие трансформатора в схеме ИБП никогда не служило серьезным препятствием на пути реализации энергоэффективных режимов работы ИБП. Определяющую роль играют схемотехника и управляющее программное обеспечение.
Константин Соколов — руководитель отдела технической экспертизы и проектирования компании «Абитех».
ВИРТУАЛИЗАЦИЯ СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ ИБП
При масштабировании систем ИБП необходимо, с одной стороны, обеспечить их максимальную загруженность (соответственно, высокий КПД), а с другой, сохранить возможность дальнейшего увеличения вычислительных мощностей. Одним из подходов, позволяющих значительно повысить средний КПД систем ИБП, является виртуализация их мощностей, к примеру, с помощью адаптивной системы управления модулями (Virtual Module Management System, VMMS) от компании Eaton (см. Рисунок 2).
Система VMMS позволяет максимально увеличить КПД параллельно эксплуатируемых систем ИБП и обеспечивает оптимальные значения КПД как раз при малой их загруженности. Это достигается за счет того, что невостребованные силовые модули (Uninterruptible Power Modules, UPM) переводятся в энергосберегающий режим ожидания. Оптимизация осуществляется путем задания подходящей пороговой нагрузки для силовых модулей с учетом требуемого уровня избыточности. При увеличении нагрузки в основное рабочее время они переходят из режима ожидания в активную фазу. Для дальнейшего повышения КПД эту технологию виртуализации мощностей можно комбинировать с многорежимной технологией, используемой в современных гибридных системах ИБП.
Армин Хауг — инженер в области электротехники в Eaton Power Quality.