Jaká je spolehlivost a účinnost současných UPS?

Která konstrukce systému nepřerušeného napájení (UPS) je nejvhodnější pro konkrétní datové centrum? Odpověď závisí na kombinaci faktorů ovlivněných průmyslovými trendy a technologickým pokrokem a je navíc komplikována i marketingovými triky.

Pohotovost a dostupnost UPS závisí na mnoha faktorech. Jsou jimi:

·    Vícenásobné napájecí okruhy
Standby UPS má typicky dva napájecí okruhy, ale obsluhuje je jen jediný výkonový přepínač. Porucha tohoto přepínače způsobí, že IT zařízení ztratí napájení.

Naproti tomu Line interactive UPS má také dva napájecí okruhy, ale bez sdíleného výkonového rozhraní. Pokud výkonové rozhraní selže, může UPS stále ještě pracovat v zálohovacím režimu na baterie – dostatečně dlouho k tomu, aby se dalo přejít na napájení z motorgenerátoru nebo regulérně odstavit připojená zařízení.

V případě UPS s dvojitou konverzí, případně multimodové UPS, mají tyto modely typicky dva napájecí okruhy – jeden z elektrorozvodné sítě a generátoru, druhý z baterie – plus systém elektronického bypassu, který se využívá k přemostění vadných vnitřních součástek nebo k synchronizaci systému s mechanickým bypassem při plánované údržbě systému. Multimodové systémy jsou dokonce vybaveny systémem automatického bypassu zajišťujícího nepřerušené napájení při přepnutí během servisních zásahů.

·    Redundance pomocí paralelního řazení
Spolehlivost a dostupnost lze zvýšit instalací několika spolupracujících UPS systémů. Při paralelní konfiguraci napájí několik UPS společnou výstupní sběrnici, která přivádí napájení na IT zařízení. Pokud dojde k výpadku některé z UPS, jsou ostatní dimenzovány tak, aby byly schopny převzít její zatížení.

Protože výroba systémů schopných paralelního řazení přináší zvýšené náklady, je tato funkce vyhrazena pro UPS vyšší cenové třídy.

·    Krátká střední doba opravy (MTTR)
Střední doba mezi poruchami (MTBF) je spíše teoretická než praktická veličina, která je založena na statistických výpočtech opírajících se o hodnoty MTBF jednotlivých komponent a na laboratorních testech.

Mnohem důležitější je pro dané zařízení znát hodnotu MTTR. Pokud UPS vyžaduje servisní zásah, bude produkt s velmi nízkou hodnotou MTTR zpět v provozu mnohem dříve, což má v konečném důsledku významnější dopad na celkovou dostupnost než hodnota MTBF.

Hodnota MTTR je lepší (kratší) u modulárních konstrukcí a u zařízení se snadno udržovatelnými komponentami, jako jsou baterie vyměnitelné za provozu a elektronické moduly. Modulární systémy jsou výrobně nákladnější, takže modularita je vyhrazena pro UPS s dvojitou konverzí a pro multimodové UPS.
Některé modely standby UPS mají velmi omezenou modularitu – mohou mít výměnné baterie – ale všeobecně se tyto systémy používají u malých, nikoli klíčových aplikací, kde je možné bez nepřiměřených nákladů vyměnit celou jednotku.

·    Životnost a stav baterie
Provoz UPS vyžaduje využívání baterie ve všech stanovených situacích na napájecím přívodu. To zpětně ovlivňuje dobu zálohování a životnost baterie. Využívání baterie je nejnižší u zařízení s dvojitou konverzí a u multimodových konstrukcí.

Někteří výrobci navíc používají vícestupňovou techniku dobíjení, nabízející životnost baterie podstatně převyšující životnost při klasickém kapkovitém dobíjení nebo trvalém dobíjení malým proudem, přičemž tato technologie dobíjení se opět vyskytuje u UPS s dvojitou konverzí a multimodových UPS.

Topologie vs. účinnost
S čím vyšší energetickou účinností UPS pracuje, tím méně energie pro provoz vašeho datového centra musíte nakoupit od rozvodných závodů. A protože většina spotřebované energie se promění v teplo, znamená to, že čím je UPS účinnější, tím méně zaplatíte za klimatizaci a další chladicí systémy, které toto teplo odvádějí.

Pokud je celková účinnost infrastruktury datového centra (DCiE) vysoká, náklady na chlazení mohou být rovny pouze 50 % nákladů na elektrické napájení IT zařízení. Pokud je energetická účinnost datového centra nízká, pak podle průmyslových studií mohou být náklady na klimatizaci a chlazení stejné jako náklady na elektrické napájení IT – mohou činit až 80–100 % těchto nákladů.

Technologický pokrok za poslední tři dekády naštěstí podstatně zvýšil efektivitu UPS. V roce 1980 měla většina UPS v nejlepším případě účinnost 75–80 %. Energetické ztráty znamenají tvorbu tepla, takže i náklady na chlazení byly vyšší.

V devadesátých letech vzrostla efektivita UPS na 85 až 90 %. V roce 2000 dosáhla účinnost hodnoty až 94 %. Následně, v důsledku vyššího ekonomického tlaku způsobeného nárůstem cen energií, se tato hodnota u UPS optimalizovaných pro napájení dnešních IT zařízení dostala na 97 % a výše. Poslední generace UPS změnila celou situaci pomocí nových úsporných technologií umožňujících dosáhnout až 99% účinnosti bez zhoršení spolehlivosti.

Energetická účinnost je zásadně ovlivňována konstrukcí UPS a jejím provozním režimem. UPS s jednoduchou konverzí (standby a line interactive) vykazují vyšší účinnost než UPS s dvojitou konverzí, protože u nich chybí konverze AC–DC a zpět.

Nové multimodové  UPS ale dosahují vysoké hodnoty energetické účinnosti, protože režim dvojité konverze, jehož efektivita je nižší, používají jen tehdy, je-li to nezbytné, a po zbytek času pracují jako energeticky úsporný systém.

Účinnost je též otázkou mechanické velikosti UPS. Velké moduly UPS mají typicky vyšší efektivitu než malé, protože energie spotřebovávaná ovládací elektronikou a pomocnými komponentami u nich tvoří menší podíl z celkového příkonu. Například UPS modul s výkonem 500 kW a s danou konstrukcí bude typicky mnohem energeticky účinnější než modul s výkonem 5 kW a stejnou konstrukcí.

Údaje o energetické účinnosti poskytované dodavateli je ale třeba nebrat jako nominální hodnotu. Pokud uživatel hodnotí UPS, nestačí znát špičkovou efektivitu, které je dosahováno při plném zatížení (to je hodnota, která se obvykle udává). Je totiž nepravděpodobné, že bude provozovat UPS při plném zatížení.

Protože hodně IT systémů používá z důvodů redundance duální napájecí zdroje, je typické zatížení UPS v datovém centru nižší než 50 %, v některých případech je zatížení pouze 20 až 40 %.

Předchozí generace UPS (ty dodané před rokem 1990) jsou při nižších úrovních zatížení podstatně méně účinné; při nich je podstatně méně účinná i většina dnešních UPS. Tento trend změnily až nové multimodové technologie s funkcemi pokrokové správy napájení, takže je běžné očekávat vysokou účinnost o hodnotě 95 % či více  až do poklesu zatížení na úroveň 20 %.

Úspory mohou být dramatické – vezměme si například datové centrum s 1 000 servery a tradiční UPS provozovanou s účinností 86 %. Její výměna za nový multimodový systém s účinností 96 % ušetří provozovateli ročně 1,4 milionu korun za energii (při ceně 2 Kč za kWh). Vyšší účinnost UPS zajistí také při stejné kapacitě baterie delší dobu zálohování a nižší provozní teplotu, která se zpětně projeví prodloužením životnosti součástek a zvýšením celkové spolehlivosti a parametrů datového centra.

Autor pracuje jako manažer aplikací pro datová centra u divize Distributed Power Solutions společnosti Eaton.