Особенности тяжелых ИБП для средних и больших ЦОДов

--> Дата: Дек 14, 2011 96

Информационные технологии сейчас находятся на переломном этапе, вызванном кардинальным изменением потребностей заказчиков. В бизнесе это переход к облачным вычислениям, вследствие чего на массовых рабочих офисных местах со временем по идее должны остаться только терминалы, а все вычисления и хранение данных будут осуществляться удаленно, зачастую даже на зарубежных серверах. У консьюмеров потребность в постоянном доступе к Интернету становится столь же критичной, как и мобильная связь, вследствие чего в магазины не успевают подвозить смартфоны и планшеты, а сеть загружается триллионами запросов и перекачкой петабайтов информации. Ну и само собой, никто не отменял эволюционное развитие постиндустриального общества и естественное непрерывное кратное увеличение объема информации и количества транзакций, в частности переход к электронному правительству.

Обслуживание информационной лавины требует быстрейшего наращивания инфраструктуры, которая может быть или распределенной, или максимально концентрированной. От первого варианта давно отказались, сейчас превалирует как раз второй подход: в мире идет развертывание масштабной сети так называемых центров обработки данных (ЦОДов или дата-центров), которые берут на себя все необходимые функции по приему/передаче, вычислениям и хранению данных. Количество ЦОДов в мире исчисляется уже десятками тысяч, хотя параллельно начались и процессы консолидации, приводящей к закрытию в США и других развитых странах тысяч оказавшихся ненужными дата-центров. Несмотря на это, общее их число растет и будет расти опережающими темпами, соответственно, данный рынок сейчас является одним из наиболее привлекательных среди ИТ-отраслей. Соответственно, связанные с ними продажи ИБП как основы систем электропитания растут существенно быстрее, чем на других целевых рынках, которые или испытывают давление общеэкономических факторов (промышленность, банки…), или связаны с «уходящим» оборудованием (десктопы).

Помимо высоких темпов роста сегмент ЦОДов крайне привлекателен для производителей ИБП еще и тем, что здесь можно ожидать потребности в системах с особыми характеристиками, а значит, с высокой добавленной стоимостью. Это особо важно, поскольку на всех целевых рынкахсуществует общая тенденция: со временем оборудование становится настолько отработанным и стандартным, что даже рядовые китайские фабрики оказываются способны конкурировать в технологиях (а уж по цене-то с ними никто конкурировать не сможет).

Все вышесказанное верно, но есть одно «но». ИБП – это во многом электротехническое оборудование, принципиальные схемотехнические решения для которого разработаны давным-давно, а последние десятилетия конкуренции привели к тому, что практически все устройства «вылизаны» до предела. В результате подавляющее большинство ИБП одинаковой мощности имеют схожие потребительские характеристики, что делает их все применимыми для тех же ЦОДов.

Фактически основной вопрос сейчас состоит вот в чем: действительно ли «все ИБП равны, но некоторые равнее» или же понятие «ИБП для дата-центров» является чисто маркетинговым изобретением, позволяющим раскрутить доверчивых потребителей на приобретение более дорогого оборудования?

Безусловно, в последнем утверждении есть немалая доля правды, но все же было бы неверно утверждать, что специализация ИБП на основных целевых рынках полностью отсутствует. Каждая сфера их применения имеет свои особенности; варьируя множество опций, можно получить на основе одной платформы очень разные по потребительским свойствам устройства.

Теоретически речь может идти о развитии отрасли ИБП в двух направлениях: создание уникальных решений для целевых рынков, например для ЦОДов, и разработка гибких платформ с возможностью кастомизации под различные сферы применения. Вместе с тем наши многолетние наблюдения показывают, что на рынке ИБП первый подход пока фактически не реализуется (нет реальной необходимости, да и сложно и дорого управлять слишком раздутой линейкой). Можно разве что выделить специализированные промышленные решения, которые отличаются только особой защитой самого ИБП от неблагоприятных воздействий внешней среды. Потребительские же характеристики даже этих устройств мало чем отличаются от остальных.

Методика сравнения

Проектирование и планирование ЦОДа регламентируется американским стандартом 2005 г. ANSI TIA/EIA-942 (TIA-942) Telecommunications Infrastructure Standard for Data Center. Стандарт TIA-942 описывает общую структуру, основные элементы и топологию ЦОДа и охватывает все разнообразие его подсистем, включая систему электроснабжения. Однако даже в этом документе, к сожалению, не выделяются и не структурируются в явном виде потребительские характеристики, которые определяют ИБП для ЦОДов. Остается полагаться только на мнение производителей, каждый из которых, естественно, имеет свое видение и выпячивает нужные и полезные ему моменты.

В такой ситуации, например, можно попробовать использовать методику, близкую к мультиатрибутивной модели Фишбейна, позволяющую вычленять ключевые факторы успеха (КФУ) и определять наиболее конкурентоспособную продукцию.

Вкратце модель такова: у каждого устройства есть набор атрибутов – параметров, каждый из которых имеет для потребителя разную значимость. Для разных аппаратов значения параметров различаются, что при подстановке в относительно несложную аддитивно-мультипликативную формулу дает неодинаковые результаты. Устройство с наивысшей оценкой наиболее конкурентоспособно. Однако следует учитывать, что в данном случае модель носит некомпенсаторный характер, т. е. высокая оценка по большинству параметров не может перекрыть провал хотя бы по одному, абсолютно критичному. Проще говоря, если, например, габариты ИБП превышают максимально возможные в данном проекте, его использовать нельзя, пусть он даже будет лучше всех во всем остальном.

В нашем случае данная модель может применяться сразу на двух уровнях. Первая – определение преимущественной применимости ИБП в ЦОДе вообще; вторая – определение критичных параметров ИБП в дата-центрах различного масштаба.

Среди параметров, которые должны включаться в анализ, есть как качественные, так и количественные. Первые могут объединяться в брэнд-имидж, который напрямую зависит от качества и надежности продукции, известности торговой марки, историй успеха, профессиональных партнеров и т. д. Правда, надежность является следствием технических параметров, она определяется продвинутостью схемотехнических решений и качеством элементной базы.

Вторая группа параметров – это сами технические паспортизируемые характеристики, среди которых необходимо выделить только специфические, т.е. имеющие отношение к требованиям рассматриваемого целевого рынка. Например, технология однозначно on-line, поэтому этот момент даже не стоит рассматривать в отличие от, например, суммарной мощности системы.

В идеале для «управляемости» модели анализа необходимо ограничиться разумным количеством составляющих, скажем, около 10 самых важных.

Стоит включить в модель и такой параметр, как стоимость решения, которая, с одной стороны, не является техническим параметром, но с другой – задает сам уровень системы, фактически выступая граничным условием. Дело в том, что в ЦОДах, реализованных по классу Tier 1 (низкая отказоустойчивость, доступность 99,671%) стоимость строительства и всей инженерной системы в два с лишним раза меньше, чем в системах высшего на данный момент класса Tier 4 (высокая отказоустойчивость, 99,995%).

Какие же граничные условия и технические параметры ИБП необходимо принимать во внимание в нашем случае? Анализ товарных предложений (применимости в системах электропитания ЦОДов) вендоров позволяет вычленить следующие основные атрибуты:

Технология (башня/модульность).
Мощность силового блока и количество блоков в параллели.
Наличие/отсутствие трансформатора.
Физические габариты.
КПД в различных режимах.
Повышение надежности путем резервирования.
Развитость средств мониторинга и управления.
Удобство технического обслуживания.
Соответствие требованиям стандартов безопасности и электромагнитной совместимости с другим оборудованием. 1.
Простота работы с ДГУ.

Даже беглый взгляд на этот список приводит к выводу, что мы замахнулись на глобальную задачу, не имеющую строгого решения в рамках данного обзора. Тем более что точные веса коэффициентов можно определить исключительно в результате опроса заказчиков, а это очень затратное и сложное исследование, которое требует соблюдения всех процедур.

Но все же мы сделали первый и обязательный методический шаг, а именно: провели структурирование ключевых вопросов и выделили важнейшие параметры ИБП, без чего невозможно начинать рассмотрение применимости конкретных устройств в ЦОДах. Заказчику желательно проанализировать выделенные пункты и ранжировать их по важности. Чаще всего такую же работу проводит поставщик в рамках технического консалтинга. После этого можно экспертно оценить вес каждого пункта, а затем взять оценки по каждому пункту.

Для простоты можно воспользоваться пятибалльной шкалой, где высшую оценку получает наилучший из представленных параметров. Например, значение КПД в данном крупном проекте имеет самый высокий вес 5, и устройство с самым высоким КПД получает оценку 5 (а с самым низким – от 1 до 4). Итого, максимальный вклад этого пункта для данной модели составит 25.

Затем смотрим на «обслуживание» с «важностью» 3 (важно, но не так, как КПД), по которым данное устройство получает, например, всего 2 балла, поскольку доступ не фронтальный. Соответственно, здесь прибавится только 8 баллов. Итого, по двум этапам (а их у нас 10) устройство получает 33 балла. И так дальше, по всем пунктам, для каждого устройства.

Все преимущество данного подхода в том, что по большому счету итоговые баллы – не самоцель. Даже если в каком-то конкретном случае не удастся получить однозначный численный результат, методика все равно может оказаться очень полезной, поскольку позволяет выделить в явном виде и структурировать несколько действительно принципиальных различий конкурирующих моделей, а также заставляет выбрать, чем можно пренебречь, а чем – ни в коем разе.

Сравнение ИБП для больших ЦОДов

Безусловно, затронутая тема настолько обширна и сложна, что одной публикацией ограничиться просто невозможно. Поэтому мы решили не стремиться в одном материале рассмотреть все вопросы, связанные с требованиями к ИБП для разных ЦОДов.

Нужно обязательно помнить, что в ЦОДах различного типа и масштаба требования к ИБП могут различаться. Например, высокий КПД абсолютно критичен в крупных центрах с большим потреблением электроэнергии; соответственно, значимость этого параметра существенно выше, чем в случае «маленького» ЦОДа, где общий расход электричества невелик. А значит, для каждого типа ЦОД (и ИБП) мы должны строить отдельную модель, с различными граничными условиями и значимостью атрибутов.

Сейчас в России чаще всего строят монолитные дата-центры средней и большой мощности, соответственно, наиболее востребованы на рынке «классические» большие ИБП башенного типа. Такое оборудование есть у всех ведущих вендоров, работающих в сегменте online-ИБП, соответственно, конкуренция здесь наиболее интенсивна. Поэтому мы начнем с анализа именно этого типа оборудования.

Мы выделили 17 реально продающихся в России моделей ИБП с силовыми блоками мощностью от 120 кВА (см. таблицу), способные реализовать системы мощностью от 0,6 до 5,6 МВА в конфигурации N+1. Если модель в основном находится в более низком мощностном диапазоне и мощность 120 кВА достигается только у самой старшей модификации, то мы ее здесь не учитываем.

«Классические» ИБП для средних и больших ЦОДов

Производитель	Модель	Мощность, кВА	Транс- фор- матор	КПД в режиме online, %	Коэффи- циент мощности	Занимаемая площадь, кв.м	Масса, кг	Макс. кол-во блоков в параллели	Макс. мощность по схеме N+1, МВА
APC	MGE Galaxy 7000	160/200/250/300/400/500	–	до 94,5	0,99	1,21-1,55	840–1500	8	3,5
APC	MGE Galaxy 9000	800/900	+	до 94	0,9	3,07-3,9	4260	6	4,5
Chloride	80-NET	120/160/200/300/400/500	–	до 98	0,99	0,72-1,63	380–1300	8	3,5
Chloride	90-NET	250/300/400/500/600/800	+	до 93	0,9	1,34-2,71	1920–3965	8	5,6
Eaton	9390	120/160	–	до 94	0,99	1,77	530	6	0,8
Eaton	9395	225/275/450/550/825/1100	–	до 94,5	0,99	1,19-3,92	830–3120	6	5,5
Emerson Network Power	Liebert Hipulse E	300/400/500/600/800	+	до 93	0,9	1,94-4,41	2540–5050	6	4,0
Emerson Network Power	Liebert NXa	120/140/160/200	–	до 96	0,99	0,58-0,83	720–973	6	1,0
Delta	Ultron DPS	160/200	–	до 96	0,99	0,73	721	8	1,4
Delta	Iltron NT	160/200/260/320/400/500	+	до 93	0,9	0,66-1,89	745–2410	8	3,5
GE DE	SG PurePulse	160/200/250/300/400/500	+	до 93,5	0,9	0,71-1,71	860–2550	6	2,5
Newave	PowerWave 33 S2	120/160/200/250/300	–	до 96	0,99	0,64	280–310	10	2,7
Powercom	ONL 33	120/150/200	+	до 89	н.д.	0,88-1,2	1370–1577	4	0,6
Socomec UPS	Delphys DS	600/800	+	до 92	0,85	3,48	4160–4820	6	4,0
Socomec UPS	Delphys MP elite	120/160/200	–	до 94	0,99	0,8	820–980	6	1,0
Socomec UPS	Delphys MX	250/300/400/500/800/900	+	до 93,5	0,93	1,59-3,18	2300–5900	6	4,5
Socomec UPS	GP	160/200	–	до 96	0,99	0,56	460	8	1,4

Покажем, какие из перечисленных выше пунктов критичны в данном случае и почему, и по каким нужно сравнивать ИБП, а по каким нет.

1. Технология (башня/модульность) – влияет на масштабируемость и резервирование, причем чем мощнее система, тем чаще используются «классические» ИБП. В нашем случае все устройства башенные, так что этот пункт отбрасываем.

2. Мощность силового блока и количество блоков в параллели – задает возможную итоговую мощность системы (нужно помнить при этом, что в ЦОДе необходима топология не ниже N+1). Кроме того, недогруженная или перегруженная система начинает плохо влиять на КПД, что в данном случае очень важно. Этот этап позволяет сократить количество вариантов и перевести его из сравниваемых характеристик в граничное условие.

3. Наличие/отсутствие трансформатора – несмотря на наступление IGBT-транзисторов иногда может потребоваться полная гальваническая развязка, обеспечиваемая трансформатором. Стоит отметить, что у большинства представленных в таблице вендоров есть «полный набор»: ИБП – тяжелая трансформаторная система для самых больших ЦОДов и бестрансформаторное решение – для ЦОДов средней мощности. Возможна также ситуация, когда к IGBT-модели поставляется опциональный изолирующий трансформатор.

4. Массогабаритные параметры – имеют значение не только размеры, но и масса, поскольку с ее увеличением повышается нагрузка на перекрытия и фальшполы. Трансформаторные модели, как видно из таблицы, существенно крупней и тяжелей, но когда с узкой группой уже определились и речь доходит до сравнения, скажем, 2,5- и 3-тонной установки, данным различием в 99% случаев можно пренебречь.

5. КПД в различных режимах – комплексный фактор, причем здесь важна не только возможность работы на байпасе, но и другие методы повышения эффективности, например, обеспечение работы с активно-емкостной нагрузкой при минимальном снижении выходной мощности. Лишний процент КПД в мегаваттных ЦОДах оборачивается очень существенной экономией. В некоторых случаях заказчик не готов работать на байпасе (когда эффективность ИБП доходит до 99%), так что этот атрибут критичен и требует особого внимания. Для тех заказчиков, которые ориентируются не на стоимость приобретения, а на низкие эксплуатационные издержки (а таких все больше), высокий КПД может превысить все остальные резоны.

6. Возможность резервирования – использование резервирующего инвертора, дублированные блоки питания для электроники устройства, разделение и дублирование систем управления инвертором, выпрямителем и статическим байпасом, резервирование систем мониторинга, резервирование батарей. По данному фактору между представленными моделями действительно имеются реальные отличия. Однако с помощью различных опций практически каждое устройство может быть выведено на нужный уровень (вопрос в цене и простоте реализации). При этом для установления веса атрибутов можно использовать требования Tier 1, 2, 3 или 4 для конкретного ЦОДа. Это самый сложный этап, который лучше доверить профессионалам. Важность данного фактора различна для разных уровней (Tier) ЦОДа, так что, как и в предыдущем пункте, здесь нужно подбирать оптимальную конфигурацию опций.

7. Развитость средств мониторинга и управления – встроенная поддержка SNMP, Web/XML, сигнальные контакты, Modbus, совместимость с различными средами управления (HP OpenView…), интеграция средств мониторинга ИБП с системами сетевого управления (NMS). В основном у всех представленных в таблице устройств положение с этим достаточно хорошее, но могут быть нюансы, связанные со спецификой проекта.

8. Удобство технического обслуживания. В некоторых случаях может быть критичен фронтальный доступ к «внутренностям» ИБП, или же вес каждого блока должен позволять его менять дежурному технику в одиночку, и т. д. В нашем случае (самые тяжелые ИБП) скорее имеет значение именно возможность доступа. Это часто принципиально в случае московских ЦОДов, где каждый сантиметр площади «золотой», но вполне реальна ситуация, когда этим фактором также можно пренебречь.

9. Соответствие требованиям стандартов безопасности и электромагнитной совместимости с другим оборудованием. Это особо важно в случае систем, когда ИБП находится непосредственно в стойках с защищаемым оборудованием. Но очевидно, что в самых тяжелых системах, где ИБП установлены в отдельном помещении, этот фактор можно не учитывать.

10. Работа с ДГУ. Дизель-генераторы в связке с ИБП в больших ЦОДах используются практически по умолчанию, поэтому желательно, чтобы у ИБП был низкий коэффициент нелинейных искажений (THD) и близкий к единице коэффициент мощности, что позволяет применять ДГУ с меньшим запасом по мощности. Однако идеальный для этого вариант (IGBT-выпрямитель — IGBT-инвертор, т. е. полностью бестрансформаторная схема) мало того что находится в основном в меньшем диапазоне мощностей, но и не очень хорошо работает со смешанной нагрузкой. Если же в ЦОДе только компьютерное оборудование с импульсными блоками питания, то все хорошо.

После того как удалось отобрать несколько тяжелых устройств, прошедших через данное сито (вряд ли их останется больше 5), остается только на одну чашу весов положить общую «технологическую» оценку устройств, а на другую – факторы имиджа, а также финансовые и иные бизнес-условия. Что-то да перевесит.

Вернуться на главную страницу обзора «Системы бесперебойного электропитания»