CC BY
115
УДК 621.39
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРОВ
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Аббасова Т.С., к.т.н., доцент,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
Предлагаемая модель оценки энергетической эффективности систем электропитания и кондиционирования центра обработки данных учитывает степень избыточности оборудования и эффект резкого падения КПД на малых нагрузках. На основе модели предложены источники и методы снижения потерь.
Ключевые слова: энергопотребление, потери мощности, постоянный ток.
По оценкам специалистов [1], если в центре обработки данных (ЦОД) не будут приняты меры по снижению энергопотребления, то к 2011 г. объем используемой этими центрами электроэнергии удвоится. Покупка энергосберегающих технологических решений не устраняет проблемы, необходим целостный подход при планировании, разработке и размещении центра, чтобы оптимизировать потребление энергии и возможности охлаждения, а также использование уже имеющейся в ЦОДе техники.
Для определения мероприятий по увеличению энергетической эффективности ЦОД необходимо разработать модель, дающую точное значение величины энергетических потерь в ЦОД. В типичных упрощенных моделях энергетической эффективности ЦОД [2] роль электрических потерь недооценивается, поэтому реальный экономический эффект от повышения КПД обычно существенно больше ожидаемого.
Эффективность (КПД) любого устройства или системы - это доля его входа (электричества, топлива, другой движущей силы), преобразуемая в желаемый полезный результат. Отношение полезного выхода к полному входу обычно выражается в процентах.
Для построения модели ЦОД рассматривается как энергетическая система, «полный вход» которой - потребляемая электроэнергия, а «полезный выход» - количество энергии (мощность), расходуемое компьютерными системами. Потребляемая оборудованием ИТ электрическая мощность является мерой производительности вычислительных систем. Если бы КПД ЦОД был равен 100%, то вся подводимая к нему мощность достигала бы информационных систем. В реальных условиях эксплуатации электроэнергию потребляет не только оборудование ИТ, но и множество других
устройств инженерной инфраструктуры ЦОД, обеспечивающих его надлежащее подключение, электропитание, охлаждение и защиту (трансформаторы, источники бесперебойного питания (ИБП), соединительные элементы, вентиляторы, кондиционеры, насосы, увлажнители, лампы освещения). Некоторые из них, например, ИБП и трансформаторы, подключены последовательно с нагрузками ИТ (потому что они являются частью контура питания), а другие, в том числе лампы освещения и вентиляторы, - параллельно (поскольку в ЦОД должна обеспечиваться поддержка и других важных функций) [3].
В модели КПД к «потерям» относится все, что не является полезной нагрузкой. Но инженерная инфраструктура ЦОД не только обеспечивает питание нагрузки ИТ, но и выполняет много дополнительных функций. Полезный выход подсистем инженерной инфраструктуры (например, устройств кондиционирования и освещения) должен рассматриваться как часть «полезной нагрузки» ЦОД. Для вычисления общего КПД центра обработки данных функции инженерной инфраструктуры, значимые для поддержания внутренней рабочей среды центра, не связанные с питанием нагрузки ИТ, должны рассматриваться как «потери», которые следует минимизировать. Почти вся электроэнергия, поступающая в ЦОД, преобразуется в тепло. Диаграмма на рис. 1 представляет результаты энергетического анализа типичного ЦОД с двумя контурами питания и блоками кондиционирования с резервированием N+1 при типовой нагрузке 30% от предельной мощности.
Рис. 1. Диаграмма преобразования вводимой в ЦОД электроэнергии в тепло
На рис. 1 приняты обозначения: ИБП - источник бесперебойного питания, PDU (Protocol Data Unit) - протокольные блоки данных, CRAC (Computer Room Air Conditioning) - системы кондиционирования воздуха для компьютерных комнат.
В приведенном примере КПД центра не превышает 30%. Хотя уровень нагрузки 30% совпадает с КПД 30%, эти величины означают разные вещи. Далее будет показана взаимосвязь низкого КПД с низкой нагрузкой.
Существующие способы повышения КПД центра обработки данных:
1) Улучшение конструкции отдельных устройств инженерной инфраструктуры для снижения потребления электроэнергии.
2) «Безызбыточный» подбор номинальной мощности компонентов инженерной инфраструктуры для реальной ИТ-нагрузки.
3) Внедрение новых технологий, сокращающих потребность в электроэнергии, для поддержки второстепенных функций инженерной инфраструктуры.
Хотя КПД центра обработки данных можно определить эмпирически путем сложения энергопотребления всего оборудования ИТ с последующим делением на полную входную мощность ЦОД, на практике для расчета используются заявленные производителями значения КПД основных компонентов, включая ИБП и кондиционеры. На первый взгляд, этот способ проще, однако он обычно приводит к значительному завышению КПД и не дает информации для определения возможных путей экономии электроэнергии.
Для систем электропитания производители обычно выражают КПД:
P
п = -2 -100%, (1)
P1
где Р1 - входная мощность (общая подаваемая электроэнергия), Р2 - выходная мощность, потребляемая компьютерным оборудованием.
Для систем охлаждения КПД характеризуется относительным параметром, называемым «коэффициент производительности»:
п °= -100%, (2)
где Q - выведенное тепло, Р1 - входная мощность (общая подаваемая электроэнергия).
Публикуемые значения КПД для однотипных устройств различных производителей практически не отличаются, и это приводит к упрощенному представлению о том, что энергетические потери ЦОД можно определить простым сложением потерь в различных компонентах.
Таким образом, использование представленных производителями номинальных значений КПД приводит к переоценке КПД и, следовательно, к недооценке потерь в реальных условиях. Для построения модели общего КПД ЦОД примем, что реальный
КПД компонентов ЦОД не константа, а функция от уровня ИТ-нагрузки. Рассмотрим КПД для источника бесперебойного питания, являющегося первичным звеном в системе гарантированного электроснабжения ИТ-систем. На рис. 2 приведена диаграмма значений КПД для ИБП ЦОД, работающего с различными нагрузками: при снижении нагрузки до определенного низкого уровня КПД ИБП резко падает до нуля, так как некоторые потери, например, в управляющих цепях, не зависят от нагрузки. Постоянную составляющую потерь назовем «потери холостого хода». По мере уменьшения нагрузки увеличивается доля внутреннего энергопотребления ИБП («потерь», соответствующих красным сегментам каждого столбца) по отношению к общей потребляемой мощности, в результате КПД уменьшается.
Рис. 2. Соотношение внутреннего энергопотребления ИБП и доведенной
до нагрузки мощности
Следует учитывать, что значение для устройства КПД, равное 91%, соответствует его КПД при полной нагрузке, или в наилучших условиях. При низких нагрузках, характерных для большинства существующих ЦОД, описание такого устройства как ИБП, обладающего указанным КПД будет большой ошибкой, например, при нагрузке 10% КПД того же ИБП не превысит 60%. Очевидно, что модель с единственным значением КПД в данном случае неприемлема.
Потери устройства (красный сегмент столбцов) повышаются по мере роста нагрузки (рис. 2). Это явление объясняется наличием дополнительных потерь, не учтенных в потерях холостого хода, которые растут пропорционально нагрузке, и еще одного компонента потерь, не видимого на представленном графике, пропорционального квадрату нагрузки. Его величина обычно незначительна, но из-за нее общий КПД на высоких нагрузках может уменьшиться.
В таблице 1 приводятся положения, которые служат для устранения значительных погрешностей при моделировании энергетической эффективности ЦОД, особенно при низких ИТ-нагрузках, характерных для большинства существующих ЦОД.
Таблица 1
Анализ нагрузки ЦОД
Характеристики энергоэффективности реальной ЦОД Количественные характеристики
1. КПД компонентов, особенно блоков кондиционирования и ИБП, значительно снижается при меньших ГГ-нагрузках ne = f (WIT), ne - КПД электропитания, WIT - нагрузка IT-систем Wit = 100% ^ n = 91% Wit = 10% ^ Пє = 60%
2. Компоненты электропитания и кондиционирования обычно работают с 30%-ой нагрузкой Типичная IT-нагрузка значительно меньше номинальной мощности: Wit = 30% ^ п = 80%
3. Тепловыделение компонентов ЦОД %° = f (WIT), %° - КПД охлаждения
В таблице 2 приведены типичные значения трех составляющих потерь для различных типов оборудования ЦОД при реальных нагрузках, которые всегда будут меньше полной.
Таблица 2
Потери для различных типов оборудования ЦОД
Компонент инженерной инфраструктуры Потери холостого хода, % Пропорциональные потери, % Квадратичные потери, % Полные потери, %
ИБП 4,0 5 - 9,0
БРП 1,5 - 1,5 3,0
Освещение 1,0 - - 1,0
Электропроводка - - 1 1,0
Коммутационное Оборудование - - 0,5 0,5
Г енератор 0,3 - - 0,3
Кондиционер уровня помещения 9,0 - - 9,0
Увлажнитель 1,0 1 - 2,0
Холодильная установка 6,0 26 - 32,0
Из таблицы видно, что при построении более полных моделей компонентов, используемых в ЦОД, для характеристики каждого типа устройства достаточно двух параметров. Потери выражаются как процент от полной номинальной нагрузки оборудования. Выводы по табл. 2 можно сделать следующие:
• потери холостого хода - процент потерь увеличивается по мере снижения нагрузки;
• пропорциональные потери - процент потерь постоянен (не зависит от нагрузки);
• квадратичные потери - процент потерь уменьшается по мере снижения нагрузки;
Типичный КПД системы ИБП, изображенный на рис. 2 и 3, не может адекватно, с приемлемой точностью моделироваться одним параметром КПД, однако эта задача успешно решается при использовании двух параметров из табл. 2, характеризующих потери холостого хода (4%) и пропорциональные потери (5%).
Доля используемой номинальной мощности, %
-♦— КПД ЦОД при
номинальной нагрузке
Уменьшение КПД при типичных для многих ЦОД невысоких нагрузках
Рис. 3. Зависимость КПД ЦОД от уровня нагрузки
Как было показано, в любом анализе КПД ЦОД обязательно должна присутствовать нагрузка как доля от номинальной мощности. Компоненты электропитания и кондиционирования любого типа могут эксплуатироваться с нагрузкой меньше номинальной вследствие следующих причин:
• ИТ-нагрузка ЦОД меньше, чем его конструктивная номинальная мощность. Согласно статистике, среднестатистический центр обработки данных эксплуатируется с нагрузкой 65% от номинальной;
• мощность компонента ЦОД намеренно завышена для обеспечения запаса мощности, чтобы избежать эксплуатации компонентов с нагрузкой, близкой к номинальной, эксплуатация систем без нагрузочного резервирования возможна, однако для особо ответственных объектов рекомендуемый резерв мощности составляет 10.. .20%;
• компонент эксплуатируется в конфигурации с резервированием N+1 (на N рабочих выходов один резервный) или 2N (на N рабочих выходов N резервных) для повышения надежности и обеспечения возможности обслуживания отдельных компонентов без отключения всей системы, ИТ-нагрузка распределяется между несколькими компонентами инженерной инфраструктуры, что заметно сокращает нагрузку каждого из них, в системах 2N нагрузка любого отдельного компонента не превышает 50% от номинального значения; следовательно, использование устройств в конфигурациях с резервированием N+1 или 2N снижает общий КПД центра обработки данных;
• избыточные компоненты реализуются для поддержки «разнообразных нагрузок».
Рассмотрим реализацию избыточных компонентов. Пусть ЦОД с нагрузкой 1 МВт подключен к ИБП мощностью 1,1 МВт. Между ИБП и ИТ-нагрузками находятся 10 блоков распределения питания (БРП), к каждому из них подключена определенная часть ИТ-нагрузок. На первый взгляд могло бы показаться, что требования к системе были бы выполнены при номинальной мощности 100 кВт. Если бы каждый БРП работал с полной нагрузкой, то и ЦОД был бы нагружен полностью. Однако в реальных условиях невозможно обеспечить точную балансировку нагрузки между несколькими БРП. Нагрузка любого БРП диктуется особенностями ИТ-оборудования на участке ЦОД, где находится данный БРП. В реальных ЦОД нагрузка двух одинаковых БРП может различаться почти в два раза. Если к данному БРП подключена секция ЦОД, работающая с предельной нагрузкой, но не использующая всю номинальную мощность БРП, то остальная мощность данного БРП не будет задействоваться, когда другие девять БРП полностью нагружены.
В такой конфигурации единственный способ обеспечить полную номинальную мощность ЦОД - установить БРП с запасом мощности. Типичный запас мощности БРП - от 30 до 100%. Из предыдущих примеров следует, что избыточность снижает КПД системы. Однако для поддержки «варьирующейся» нагрузки необходимы избыточные БРП. По тем же причинам внедряются избыточные системы кондиционирования.
Другая распространенная неточность при моделировании КПД ЦОД состоит в предположении, что на тепловыделение (потери) систем электропитания и кондиционирования приходится лишь незначительная часть от ИТ-нагрузки, а значит, эти параметры могут игнорироваться. Оборудование ИТ, системы электропитания и кондиционирования выделяют тепло практически в одинаковом объеме, и все оно
должно отводиться. В результате увеличивается нагрузка на систему охлаждения, которую требуется строить с большим запасом, что приводит к дополнительным энергетическим потерям. Таким образом, для корректного расчета величины потерь к нагрузке системы охлаждения необходимо отнести не только оборудование ИТ, но и потери в устройствах электропитания и охлаждения, работающих в кондиционируемом пространстве.
Опираясь на приведенные рассуждения, можно построить улучшенную модель для расчета КПД ЦОД, где учитываются следующие факторы:
• компоненты моделируются с учетом трех составляющих - потерь холостого хода, потерь, пропорциональных нагрузке, и потерь, пропорциональных квадрату нагрузки;
• в расчет принимается избыточность вследствие нагрузочного резервирования компонентов;
• в конструкциях с резервированием N+1 и 2N учитывается неполная нагрузка;
• в общую нагрузку системы охлаждения включается ИТ- и тепловая нагрузка от потерь во внутренних компонентах электропитания и охлаждения.
Для заданной конфигурации ЦОД построенная модель дает графическое представление КПД как функции от нагрузки и позволяет получить точный результат для реальной нагрузки ЦОД, которая обычно существенно меньше номинальной.
Предлагаемая модель предусматривает последовательное выполнение следующих действий:
• определение средней степени избыточности для каждого типа компонентов электропитания и охлаждения с учетом факторов запаса мощности, разнообразия нагрузок и резервирования;
• расчет эксплуатационных потерь для каждого типа компонентов с использованием входной нагрузки, доли номинальной нагрузки для данного типа компонента с учетом резерва мощности, потерь холостого хода и пропорциональных потерь;
• оценка дополнительных пропорциональных потерь из-за необходимости охлаждения компонентов электропитания и кондиционирования в центре обработки данных;
• сложение всех потерь;
• вычисление и составление таблицы потерь как функции от ИТ-нагрузки ЦОД.
Улучшенная модель энергопотребления ЦОД позволяет сделать более точный расчет его КПД. Используя типичные значения потерь, резерва мощности, баланса нагрузки, избыточности и резервирования для всех системных компонентов, можно построить график. Здесь же представлена зависимость КПД ЦОД при полной нагрузке. Улучшенная модель объясняет существенное уменьшение КПД при типичных для многих ЦОД невысоких уровнях нагрузки.
Рассмотрим потери из-за низкой энергетической эффективности ЦОД с точки зрения финансовых затрат. На рис. 4 показана стоимость электроэнергии, ежегодно потребляемой ЦОД мощностью 1 МВт, как функция от ИТ-нагрузки. Данный ЦОД имеет типичный высоконадежный дизайн с двойным контуром питания и блоками кондиционирования уровня помещения с резервированием N+1. Для анализа стоимость киловатт-часа электроэнергии принята равной 10 центам. Из рис. 4 видно, что общая стоимость электроэнергии, потребляемой таким ЦОД, составляет от 600 тыс. до 1,7 млн. долларов в год, в зависимости от уровня ИТ-нагрузки. Однако даже при полном отсутствии ИТ-нагрузки расходы составят более 500 тыс. долларов в год, что объясняется потерями в системах электропитания и охлаждения. В типичном ЦОД уровень использования номинальной мощности составляет 30%, так что более 70% стоимости потребляемой электроэнергии теряются из-за низкой энергетической эффективности систем электропитания и охлаждения.
Доля используемой номинальной мощности, %
Совокупное потребление электроэнергии
Энергопотребление инженерной инфраструктуры Энергопотребление ^-нагрузки
Рис. 4. Зависимость финансовых затрат на электроэнергию от доли используемой
номинальной мощности
Предложенная модель показывает, что основной вклад в энергетические потери ЦОД вносят потери холостого хода в инфраструктурных компонентах, которые в типичных ситуациях превосходят мощность, потребляемую ИТ-нагрузкой.
Анализ представленных данных позволяет определить и оценить возможности сокращения потерь и улучшения энергетической эффективности ЦОД:
• сокращение избыточности ЦОД за счет использования адаптивной модульной архитектуры, которая позволяет наращивать инфраструктуру электропитания и охлаждения по мере роста нагрузки;
• повышение КПД систем охлаждения;
• уменьшение потерь холостого хода в компонентах электропитания и кондиционирования центра обработки данных.
По некоторым оценкам [4], постоянный ток на 20.. .40% уменьшает тепловыделение оборудования и на 27% повышает надежность серверов, поэтому целесообразно использовать в ЦОД системы постоянного тока. В комплексах бесперебойного электропитания, построенных на основе ИБП переменного тока, электричество преобразуется три раза: сначала в самом ИБП (из переменного тока в постоянный и обратно в переменный), а затем в блоке питания оконечного оборудования (из переменного тока в постоянный). В системах постоянного тока преобразование из переменного тока в постоянный (АС - DС) осуществляется только один раз - в выпрямителе этой системы. Чем меньше преобразований испытывает электроэнергия, тем выше должен быть КПД системы, меньше число используемых элементов, выше надежность системы, меньше занимаемая ею площадь. Учитывая некоторые варианты конструкций с использованием постоянного тока, сокращение числа элементов в линиях электропередачи означает снижение затрат и упрощение управления.
Если на объекте присутствуют устройства, потребляющие переменный ток, то для них дополнительно устанавливают инверторы. Учитывая некоторые варианты конструкций с использованием постоянного тока, сокращение числа элементов в линиях электропередачи означает снижение затрат и упрощение управления. Недостатки: для передачи постоянного тока необходимы более толстые кабели, чтобы избежать тепловых потерь.
На рис. 5 приведена структурная схемы ИБП для различных преобразований тока.
Рис. 5. Структурные схемы ИБП: а) для систем переменного тока; б) для систем постоянного тока
Узлы связи с критичным к перебоям питания оборудованием требуют надежности электропитания на уровне значения коэффициента готовности КГ = 0,999999. поэтому необходимы определенные принципы расчета систем постоянного тока. В общем виде эта процедура включает в себя определение количества выпрямителей, емкости аккумуляторных батарей, сечений и типа батарейных кабелей, номинального тока расцепителя системы защиты батареи, выбора типа и номиналов распределительных автоматов или предохранителей, а также сечений кабеля питания нагрузки и кабеля для приборов оповещения. Дополнительно при расчете систем могут быть приняты во внимание требования конструктивного размещения системы, конфигурация батарейного стеллажа с учетом требований к максимальной нагрузке на пол, точечной либо распределенной, а также требования к возможности местного или дистанционного управления.
Приборы сети следует разделить по категориям, как показано в [5]:
1) приборы первой категории, которые включены всегда, не имеют своего штатного сетевого источника питания (датчики);
2) приборы второй категории, которые включены всегда, но имеют свой штатный источник питания (обычно это компьютеры, коммутаторы, серверы и т.п.);
3) приборы третьей категории, которые будут включаться периодически и кратковременно (сирены, узлы пожаротушения и т.п.).
Перечислим этапы расчета системы постоянного тока для ЦОД.
1. Определение количества выпрямителей. Для правильного выбора типа системы необходимо знать потребляемую мощность нагрузки в Ваттах (или в Амперах) в номинальном и пиковом режимах и ожидаемую мощность расширения в будущем. Данные о напряжении питания и потребляемой мощности можно найти в технической документации на оборудование.
В настоящее время единого стандарта напряжения и режима заземления для источников питания постоянного тока нет. Традиционно на Взаимоувязанной сети
связи РФ используются напряжения -60В для питания коммутаторов и абонентских линий, -24В для питания каналообразующей аппаратуры. Импортные системы поставляются на напряжение -48В (коммутаторы), а также на +24В (базовые станции сотовой и транкинговой связи). Решение о том, какую схему вторичного питания выбрать, принимается после того, как собрана полная информация о потребителях, их напряжении питания и потребляемых мощностях. С точки зрения надежности целесообразно выбрать некоторую общую платформу (например, -48В) и запитать прочую нагрузку с помощью вторичных преобразователей - DC/DC конверторов (48/24 или 48/60) и инверторов. Преимуществом такого решения будет использование общей аккумуляторной батареи, обеспечивающей равное время резерва для питания всего узла связи.
Количество выпрямителей:
N = Рнагр (3)
выпрнаг р "> V /
выпр
где Рнагр - мощность нагрузки, Рвыпр - мощность выпрямителя.
Полученный результат округлить до целого в большую сторону и запоминить.
При определении мощности нагрузки нужно включить в нее инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный), дополнительные DC/DC конверторы, системы резервного освещения и т. п. Мощность инверторов измеряется в ВА (вольт-амперах), при расчете мощности нагрузки эту мощность можно учитывать в Вт (например, инвертор 1000ВА имеет эквивалентную нагрузку 1000Вт).
Для учета нагрузки DC/DC конверторов их номинальную мощность в Вт нужно разделить на КПД, который для современных конверторов небольшой мощности (до 700Вт) составляет 0,8.. .0,9. р
PDCK = PCD^, [Вт], (4)
Пк
где щк - КПД конвертора, PDC/DC - номинальная мощность конверторов DC/DC.
2. Расчет емкости аккумуляторной батареи. Емкость аккумуляторной батареи определяется из условий 10-часового разряда с постоянной мощностью (или током) при температуре 20...25° С до конечного напряжения 1,8 В на гальванический элемент. Обычно при выборе батареи пользуются разрядными таблицами или формулами, предоставляемыми производителями батарей. Такой метод дает самые точные результаты. Для очень грубой оценки емкости можно воспользоваться методом «ампер-часов» (т. е. умножением тока нагрузки на время резерва в часах).
Процедура расчета с использованием таблиц разряда сводится к следующему: по известному значению мощности нагрузки Рнаг (с учетом всех дополнительных преобразователей) определяется удельная мощность на один 2-вольтовый гальванический элемент батареи. На этом шаге также решается, сколько батарейных «групп», или «стрингов» будет использовано. С точки зрения надежности работы и удобства обслуживания рекомендуется использовать батарею, состоящую не менее чем из двух батарейных групп. Одна группа батареи 48 В имеет 24 гальванических элемента, а одна батарея +24В имеет 12 гальванических элементов. Если принимается решение об использовании ^ат батарейных групп, то количество 2В гальванических элементов (ГЭ) для 48В будет равно:
^Э = 24 • ^ат . (5)
Удельная мощность на один элемент для батареи 48В составит:
Р
Рю = , [Вт], (6)
^ ГЭ
где Рнагр - мощность нагрузки; МГЭ - количество гальванических элементов.
Зная требуемое время резерва в минутах или часах, по таблице разряда определяется емкость аккумуляторной батареи. Для этого полученное значение РГЭ сравнивается со значением мощности разряда в таблице для соответствующего столбца времени резервирования и выбирается большее ближайшее значение. Соответствующая строка покажет требуемую емкость.
3. Расчет системы защиты батареи от глубокого разряда.
Следует учесть два условия: во-первых, при нормальной работе ток батареи должен быть не более 80% номинала устройства защиты, во-вторых, система должна сохранить работоспособность даже при отключении одной из групп батарей (если их больше одной). Если используется больше 6 групп батарей, защита должна обеспечить возможность отключения минимум 20% общего количества групп.
Сначала определяется максимальный ток нагрузки Imax путем деления мощности нагрузки Рнаг на минимальное напряжение (напряжение срабатывания защиты батареи) P
1 max = , [А]. (7)
min bat
Напряжение Umin bat рассчитывается исходя из количества гальванических элементов в батарее (для 48 батареи - 24 шт.) и конечного напряжения разряда на элемент (обычно 1,8В), т. е. 24^1,8= 43,2В. Максимальный ток через одну батарею для «наихудшего случая» составит
Т _ 1 max г . , , ч
max bat ,т -. , [А]. (8)
Nbat 1
Разделив полученное значение Imax bat на 0,8 (коэффициент нагрузки), получим минимальное значение тока системы защиты батареи
Т 1 max bat
batprotect 0 8 , [А]. (9)
4. Расчет сечения и длины батарейных кабелей.
Основным условием расчета сечения является ограничение падения напряжения на кабеле по всей длине, с учетом положительной и отрицательной ветви, до уровня 0,5В. Минимальное сечение батарейного кабеля определяется по формуле I • r • Т
S mm _JbaEU------, [mm2], (10)
UD
где Т - расстояние от батареи до системы питания, [м], r - коэффициент удельного сопротивления меди = 0,0175 [ом-мм2/м] при 20° С, UD - допустимое падение напряжения на батарейном кабеле, равное 0,5В. Если получившееся значение Smin достаточно велико (например, больше 300 мм2), можно использовать несколько кабелей на полюс батареи, число которых определяется по формуле
N —(11)
пол С SK
пол
} каб
где £ каб - сечение выбранного кабеля.
Общая длина батарейных кабелей будет равна
Lбаm 2 ' N бат ' N пол ' L. (12)
5. Расчет системы распределения постоянного тока.
Выбираются сечения кабелей и их длина, типы и номиналы автоматических выключателей или предохранителей. Для расчета сечения кабеля питания можно применить ту же формулу, что и для расчета сечения батарейного кабеля, с той лишь
разницей, что падение напряжение DU при максимальном токе рекомендуется ограничить величиной 2 вольта. Типы и номиналы автоматических выключателей или плавких предохранителей выбираются согласно требованиям нагрузки и рекомендациям производителей систем электропитания. Автоматические выключатели рекомендуется нагружать током, не превышающим 50% от номинала автомата, а плавкие предохранители - не превышающим 80% от номинала автомата. Если нагрузка критична к питающему напряжению, например, имеет «окно» со строго заданными границами, то необходимо использовать т. н. «высокоомное распределение», обеспечивающее постоянство параметров во всех режимах работы системы питания, в том числе в режиме КЗ (короткого замыкания). Такое распределение идеально для нагрузки, имеющей централизованное питание и большое количество взаимосвязанных потребителей.
Выводы
1) Реальный КПД компонентов ЦОД — не константа, а функция от уровня ИТ-нагрузки. Общий КПД ЦОД снижают: неполное использование номинальной мощности нагрузки, использование устройств в конфигурациях с резервированием N+1 или 2N.
2) Для повышения КПД ЦОД наиболее эффективен метод адаптивного подбора номинальной мощности компонентов инженерной инфраструктуры для ИТ-нагрузки. Для поддержки «варьирующейся» нагрузки необходимы избыточные БРП и избыточные системы кондиционирования.
3) Необходимо сокращать ЦОД небольших предприятий и создавать интегрированные структуры ЦОД (концепция Cloud Computing).
4) Предложенная методика расчета систем постоянного тока является одним из примеров практических инженерных способов, дающим хорошие результаты и имеющим приемлемую точность.
Литература
1. Отчет Агентства по охране окружающей среды, представленный 2 августа 2007 г. Конгрессу США.
2. Расмуссен Н. Моделирование эффективности энергопотребления в центрах обработки данных.// LAN. 2007. № 14/11. С. 40-47.
3. Умудумов О.Ф., Аббасова Т.С. Системы вентиляции и кондиционирования в вычислительных центрах // Сборник материалов 8-ой Межвузовской научнотехнической конференции. М.: МГУС, 2007. С. 148-149.
4. Барсков А. Г. ЦОД «в комплексе». //Сети и системы связи. 2007. № 14. С. 38-43.
5. Аббасова Т.С. Методика выбора и подключения источника бесперебойного питания в компьютерных сетях. // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. № 3, т. 3. С. 27-29.
