Коэффициент Power Usage Effectiveness (PUE) показывает отношение общего энергопотребления ЦОД к энергопотреблению ИТ-оборудования. Чем больше энергии требуется для работы трансформаторов, источников бесперебойного питания, распределительных устройств и других элементов инженерной инфраструктуры, тем выше значение PUE. Поэтому важно не только повысить эффективность охлаждения, но и сократить потери при передаче и преобразовании электроэнергии ЦОД.
Потери энергии на этапах распределения в ЦОД
На пути от внешнего ввода к серверным стойкам электроэнергия проходит через трансформаторы, распределительные устройства и источники бесперебойного питания (ИБП). На каждом участке возникают собственные потери, поэтому высокий КПД отдельных устройств ещё не означает такой же эффективности всей системы. Например, при нескольких последовательных преобразованиях общий КПД определяется совокупностью потерь каждого звена. По этой причине систему питания оценивают целиком и при фактической нагрузке, а не только по паспортным характеристикам оборудования.
Потери в трансформаторах и кабельных линиях
В трансформаторе возникают два основных вида потерь – потери холостого хода в магнитопроводе и нагрузочные потери в обмотках. Первые присутствуют постоянно, пока трансформатор находится под напряжением, а вторые увеличиваются примерно пропорционально квадрату тока. Поэтому выбирать трансформатор с чрезмерным запасом мощности не всегда рационально – при длительной работе с небольшой нагрузкой доля постоянных потерь относительно передаваемой мощности будет возрастать.
В кабельных линиях потери связаны прежде всего с электрическим сопротивлением проводников и зависят от величины протекающего тока. При одинаковой передаваемой мощности повышение напряжения позволяет уменьшить ток, а вместе с ним и потери мощности на нагрев проводников, которые пропорциональны квадрату тока (I²R). На результат также влияют длина трассы, сечение кабеля, состояние контактных соединений и распределение нагрузки между фазами. Поэтому параметры кабельной сети рассчитывают под фактические токи и конфигурацию ЦОД, а не просто увеличивают сечение проводников с максимальным запасом.
КПД ИБП: влияние на общий PUE
В источнике бесперебойного питания (ИБП) двойного преобразования входной переменный ток сначала преобразуется в постоянный, а затем инвертор снова формирует переменное напряжение для питания подключенной нагрузки. При этом часть энергии теряется в силовой электронике и вспомогательных системах ИБП. Эти потери непосредственно увеличивают энергопотребление инженерной инфраструктуры, а выделяемое тепло дополнительно создаёт нагрузку на систему охлаждения.
Даже разница в несколько процентов КПД становится заметной при мегаваттной нагрузке. Если ИБП отдаёт нагрузке 1 МВт при КПД 96%, собственные потери составляют около 42 кВт. При КПД 98% они снижаются примерно до 20 кВт. Разница превышает 21 кВт постоянной мощности, что при непрерывной работе соответствует примерно 186 МВт·ч в год. При этом дополнительный расход энергии на удаление выделяемого тепла в расчёт ещё не включён.
Для резервированных систем важен КПД не только при номинальной, но и при частичной нагрузке. В архитектурах N+1 и 2N мощность распределяется между несколькими ИБП или силовыми модулями, поэтому отдельное оборудование значительную часть времени может работать далеко от номинальной загрузки. Если в этой зоне его КПД снижается, фактические годовые потери будут выше, чем можно предположить по паспортному значению максимальной эффективности.
Модульные ИБП позволяют точнее согласовать включенную мощность с текущей нагрузкой. В системах, где предусмотрено интеллектуальное управление силовыми модулями, часть из них может переводиться в режим ожидания при сохранении необходимого резерва. Это позволяет оставшимся модулям работать в более эффективной зоне нагрузки.
Современные технологии питания с высоким КПД
Снизить PUE только заменой одного ИБП на более эффективную модель сложно. Потери необходимо уменьшать по всей цепочке питания: сокращать количество преобразований энергии, поддерживать силовые модули ИБП в эффективном диапазоне загрузки и выбирать напряжение распределения с учетом передаваемой мощности. При этом энергоэффективность нельзя повышать за счёт надёжности: схема должна сохранять требуемое качество электропитания, селективность защит и возможность обслуживания оборудования без отключения ИТ-нагрузки.
ИБП с трансформаторной и бестрансформаторной архитектурой
В трансформаторных архитектурах силовой трансформатор может обеспечивать гальваническую развязку входных и выходных цепей, а при необходимости делать преобразование напряжения. Такие решения применяют там, где разделение электрических цепей предусмотрено проектом или требуется особенностями системы электроснабжения. Обратная сторона – дополнительные потери, тепловыделение, масса и габариты трансформатора.
В бестрансформаторных ИБП преобразование выполняется с помощью силовой электроники в основной силовой цепи. За счёт этого оборудование обычно получается компактнее, легче и эффективнее. Но выбор нельзя делать только по максимальному КПД. Бестрансформаторный ИБП сам по себе эффективнее и компактнее, но если по схеме всё равно нужна гальваническая развязка или изменение уровня напряжения, трансформатор придется поставить отдельно
Системы распределения постоянного тока (DC) в ЦОД
Ещё один способ сократить потери – уменьшить число преобразований переменного и постоянного тока на пути к серверному оборудованию. В традиционной архитектуре энергия несколько раз преобразуется – AC в DC и наоборот, прежде чем поступает к электронным компонентам. Распределение постоянного тока позволяет в определенных схемах исключить часть промежуточных преобразователей.
На уровне серверных стоек широко применяется питание порядка 48–50 В постоянного тока. Такая архитектура используется, в частности, в оборудовании Open Compute и современных системах питания высокоплотных стоек. При росте мощности появляется другое ограничение – чем ниже напряжение, тем больший ток необходимо передать. Например, для передачи 100 кВт при 48 В потребуется ток более 2000 А, поэтому резко возрастают требования к шинам, соединениям и проводникам.
Именно поэтому для наиболее мощных вычислительных систем развивается распределение постоянного тока при более высоком напряжении. Уже применяются решения класса 400 В DC, а для новых высокоплотных AI-стоек рассматриваются архитектуры 800 В DC. Повышение напряжения позволяет передавать ту же мощность при существенно меньшем токе и уменьшать потери в распределительной системе.
DC-система требует соответствующей коммутационной и защитной аппаратуры. В цепи постоянного тока отсутствует естественный переход тока через ноль, как в сети переменного тока, поэтому гашение электрической дуги при отключении представляет отдельную инженерную задачу. Архитектуру DC имеет смысл рассматривать вместе с серверным оборудованием, системой резервирования и распределением мощности, а не как отдельную замену традиционной AC-сети.
Оптимальную схему питания ЦОД выбирают по совокупности требований: КПД, надежности, стоимости, масштабируемости и возможности обслуживания. Перед модернизацией полезно определить потери на отдельных участках и построить энергетический баланс – тогда становится понятно, где замена оборудования действительно повлияет на PUE, а где эффект будет минимальным. Подобрать трансформаторное и генераторное оборудование, а также провести нагрузочные испытания энергетической инфраструктуры для обеспечения электроэнергией ЦОД помогут специалисты компании АГК.
Анна С. (МЛ)
