Licenta Aproape Bun 2 [306702]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ ,,GHEORGHE ASACHI” [anonimizat], ENERGETICĂ

ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

Specializarea: Ingineria sistemelor energetice

LUCRARE

DE LICENȚĂ

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]

2018

UNIVERSITATEA TEHNICĂ ,,GHEORGHE ASACHI” [anonimizat], ENERGETICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

Asigurarea continuității în alimentare a consumatorilor critici cu surse UPS

Iași

2018

Cuprins

Capitolul 1. Continuitatea în alimentarea cu energie electrică………………………………………………3

[anonimizat] a energiei…………………8

Capitolul 2. [anonimizat]……………………………………………………………10

2.1. Tipuri și roluri…………………………………………………………………………………………………….13

2.2. [anonimizat]…………………………………………………………………….16

2.3. Tehnologii principale de stocare a energiei prin surse UPS……………………………………19

2.4. Metode realtive de acționare a surselor UPS…………………………………………………………20

Capitolul 3. Surse UPS de backup din centre de date………………………………………………………….23

3.1. Indicatori de performanță energetică ai unui data center……………………………………..24

3.2. Prezentare generală a rețelelor……………………………………………………………………………..25

3.2.1. Servere specializate…………………………………………………………………………………….28

3.2.2. Avantajele rețelelor bazate pe server…………………………………………………………..29

3.2.3. Securitatea și siguranța datelor…………………………………………………………………..30

3.2.4. Modelul client/server………………………………………………………………………………….31

3.3. Sursa de alimentare neîntreruptibilă (UPS) cu management pentru servere………….33

3.4. [anonimizat]………………………………………………34

3.5. Modele de redundanță………………………………………………………………………………………….43

3.6. Simularea strategiilor de alimentare a [anonimizat]-up…………………………………………………………………………………………………………..45

3.7. Analiza riscului de funcționare pentru UPS nJoy 650L………………………………………….59

Concluzii…………………………………………………………………………………………………………………………..60

Bibliografie…………………………………………………………………………………………61

Capitolul 1. [anonimizat], având în vedere complexitatea instalațiilor și riscurile potențiale. [anonimizat] de tensiune, distorsiuni armonice, întrerupei totale (lungi sau scurte) ori se înregistrează valori ale tensiunii sub sau peste cele admisibile. Fiecare dintre acești factori are cauză proprie. Problema trebuie tratată începând cu informarea consumatorilor, care să înțeleagă cauzele unor funcționări necorespunzătoare a echipamentelor pe care le dețin (de la iluminat la structuri hardware) și să-și propună apoi o remediere a acestora. În prezent se urmărește ca pe baza unor echipamente performante de monitorizare on-line, să se stabilească obiectiv calitatea serviciului de alimentare cu energie electrică, ce include în fapt două componente [1]:

calitatea curbei de tensiune (în comparație cu una simetrică, sinusoidală);

calitatea serviciului (în comparație cu o alimentare fără întrerupere, de scurtă sau lungă durată).

Calitatea energiei electrice la un consumator depinde de trei probleme principale:

calitatea energiei electrice primite;

caracteristicile sarcinilor (consumurilor) din instalațiile proprii;

sensibilitatea echipamentelor la defecte, perturbații, abateri de la anumiți indicatori de calitate.

Furnizorii de energie electrică, puși față în față cu cerința de a asigura o anumită calitate a energiei electrice livrate, ridică problema că acei consumatori care au probleme deosebite la abateri de calitate ar trebui să ia măsuri în propriile instalații. Nivelul de calitate a energiei electrice solicitat trebuie să aibă o bază statistică de evenimente pentru estimarea nivelului de risc, respectiv o analiză cost/beneficii care să argumenteze investițiile necesare la consumator (sau/și la furnizor). În alte condiții, garantarea unei calități deosebite într-un anume nod al rețelei la un consumator ar necesita investiții suplimentare necesare în rețea – uneori foarte mari – pentru câțiva consumatori. De altfel, independent de structura rețelei de alimentare, evenimentele nefavorabile care nu țin de exploatare și pot conduce la variații de tensiune sau la întreruperi de foarte scurtă durată (defecte eliminate prin protecții sau automatică), nu pot fi integral eliminate.

ANRE a introdus, prin măsura 28.1.013.0.00/30.08.2007, un standard de performanță pentru serviciul de distribuție a energiei electrice, care stabilește indicatorii de calitate ai alimentării cu energie electrică. Pentru joasă și medie tensiune, indicatorii de continuitate sunt:

Numărul de întreruperi lungi (>3min), pentru care se înregistrează și raportează semestrial cauza, tipul întreruperii, durata, numărul de consumatori afectați, tensiunea la care s-a produs defectul, numărul de etape de reconectare;

Indicele de frecvență medie a întreruperilor în rețea pentru un consumator, calculat prin raportarea numărului total de consumatori cu întreruperi lungi, la numărul total de consumatori deserviți;

Indicele de durată medie a întreruperilor în rețea pentru un consumator, măsurat în min/an, calculat ca medie ponderată a timpului mediu de întrerupere a consumatorilor sau, când reconectarea consumatorilor se face treptat, se calculează împărțind suma întreruperilor lungi la numărul total de consumatori deserviți.

Pentru înaltă tensiune, se urmăresc:

Timpul mediu de întrerupere, calculat ca produsul dintre 525600min/an și energia nelivrată datorită întreruperii, raportat la consumul anual net pentru sistemul electroenergetic;

Indicatorul de severitate, echivalent cu timpul mediu de întrerupere raportat la numărul de incidente produse în rețeaua de transport și însoțite de întreruperi în alimentare la consumatori [2].

Același document dispune și duratele maxime admisibile pentru întreruperile în alimentare planificate (4 întreruperi de maxim 12 ore fiecare în mediul urban și 8 întreruperi de maxim 16 ore în mediul rural) și neplanificate, accidentale (12 ore pentru mediul urban și 24 de ore pentru mediul rural în condiții normale de vreme; 72 de ore pentru mediul urban sau rural, în condiții meteorologice deosebite) [3].

Există și în România echipamente care pot monitoriza permanent curba de tensiune cu respectarea normelor europene de achiziție și prelucrare a informației (SR EN 61000-4-30 pentru aparate și SR EN 50160 pentru măsurători). Pentru ca un consumator să stabilească dacă perturbațiile sunt din rețeaua de alimentare sau i se datorează, monitorizarea tensiunii ar trebui făcută pentru o perioadă determinată cu oprirea consumatorului.

În România, numărul oficial al întreruperilor în alimentarea cu energie este destul de ridicat (tabelul 1.1), iar durata acestor întreruperi mult prea mare comparativ cu celelalte țări ale lumii (figura 1.1).

Tabelul 1.1 – Alimentarea în mediul urban – rapoarte ANRE 2015

Figura 1.1 – Durata întreruperilor la nivel global [4]

Autoritatea Națională de Reglementare în Domeniul Energiei a aprobat Ordinulul ANRE nr. 11/2016 (varianta revizuită a standardului de performanță aprobat în 2007) care are ca scop reglementarea calității serviciului de distribuție a energiei electrice distribuite, stabilirea indicatorilor de performanță în asigurarea serviciului de distribuție, precum și stabilirea modului de urmărire și înregistrare a indicatorilor de performanță. Potrivit acestuia, operatorii de distribuție concesionari vor trebui să promoveze investiții, în egală măsură, atât în mediul urban, cât și în mediul rural. Neîndeplinirea de către operatorii de distribuție a indicatorilor de performanță prevăzuți în Standard, va permite utilizatorilor rețelelor electrice de distribuție, în special consumatorii de energie electrică, să primească compensații bănești de la aceștia, care, în fapt, reprezintă o reducere a facturii de energie electrică achitate lunar. Prin acest Standard, utilizatorii rețelei electrice de distribuție ar trebui să beneficieze, în primul rând, de o calitatea mai bună a serviciului de distribuție prin reducerea numărului și duratei întreruperilor.

Figura 1.2 – Impactul financiar al unui minut de nealimentare cu energie electrică pe domenii de activitate

Mai mult, reglementările în vigoare nu „acoperă” microîntreruperile (acele regimuri de maxim o secundă), care pot defecta echipamentele utilizatorului, din ce în ce mai sofisticate și scumpe. De altfel, o analiză a Departamentului pentru Energie a SUA (redată sintetic în figura 1.2 pe baza mai multor statistici [5]) arată că cel mai afectat de aceste microîntreruperi este mediul de afaceri. Statistica întreruperilor în alimentare și impactul financiar al acestor defecte/întreruperi justifică importanța instalării și utilizării unor sisteme complexe de stocare a energiei care să asigure în condiții maxime de disponibilitate continuitatea în alimentare, la parametrii ceruți.

Figura 1.3 – Impactul financiar al înteruperilor de energie electrică pe domenii de activitate și cauze în Europa

La nivel european se constată o diminuare a disponibilității centralelor electrice convenționale, în ciuda eforturilor de mentenanță întreprinse. Analiza anuală realizată de VGB [6], centrată special pe problema continuității în alimentare, arată că rata de întrerupere forțată a crescut în ultimii zece ani (tabelul 1.2), chiar dacă valoarea investițiilor și numărul lucrărilor de întreținere au crescut. Acest lucru se datorează modului de operare din ce în ce mai flexibil al centralelor (de exemplu încărcărilor parțiale) și faptului că peste 70% dintre centrale sunt mai vechi de 30 de ani.

Tabelul 1.2 – Disponibilitatea energiei electrice în Europa

* rata de utilizare a energiei este raportul dintre energia generată și produsul dintre capacitățile instalate ale centralelor și perioada de referință.

Râmâne așadar în responsabilitatea consumatorului să ia măsuri ca să se asigure că sunt satisfăcătoare pentru el, din punctul de vedere al calității tensiunii și al continuității în alimentare, condițiile în care furnizorul se obligă să-i livreze energia. Pentru a putea preveni o funcționare necorespunzătoare tehnico-economică, este necesar ca să fie aduse la cunoștința consumatorilor problemele de calitate a energiei electrice (cauze, surse, efecte posibile, măsuri de eliminare etc.).

1.1. Disponibilitatea sistemelor de back-up cu unități de stocare a energiei

În principiu toți utilizatorii racordați la o rețea de joasă tensiune au sarcini individuale sau grupuri de sarcini care necesită o calitate a alimentării sau o fiabilitate a acesteia mai ridicate decât cele oferite de rețeaua publică de alimentare. Adesea cerințele acestor consumatori sunt stricte și pot fi îndeplinite ușor folosind o sursă auxiliară. Piața oferă o gamă largă de astfel de surse, astfel încât alegerea depinde de caracteristicile sarcinii și de tipul, durata și severitatea defectului de alimentare care pot fi tolerate. Calitatea tensiunii în punctul comun de cuplare al acestor surse este redusă din cauza efectelor pe care le au alte sarcini din instalație și din cauza impedanței cablurilor, astfel încât calitatea tensiunii la bornele echipamentului este și mai redusă. Această situație este și mai gravă atunci când sarcinile prezintă o caracteristică tensiune – curent neliniară.

Caracteristicile importante ale unei surse de energie electrică de rezervă sunt:

puterea și energia stocată

tipul de transfer

durata maximă de furnizare

eficiența

costul de instalare și de mentenanță

Sursa ideală ar trebui să aibă putere și energie infinite, timpul de conectare nul, durată de generare infinită și cost redus. Deoarece asemenea surse nu există, se apelează la diferite soluții de compromis. Alegerea sursei depinde de consumator și de anumite condiții care sunt cerute. Echipamentele IT, de exemplu, cer o alimentare continuă, adică timp de comutare nul pentru a se evita pierderea unor date. În urma transferului, echipamentul poate necesita să fie alimentat un timp suficient până la scoaterea din funcțiune în siguranță sau poate necesita o alimentare continuă. În primul caz o sursă neîntreruptibilă (UPS) poate fi suficientă, însă în cel de al doilea, ar fi necesară o sursă suplimentară de energie, ca de exemplu un grup diesel-generator, ca sursă de durată și o sursă UPS care să asigure alimentarea în perioada de pornire a grupului. [7]

Disponibilitatea unui sistem de alimentare cu energie electrică este dată de relația:

unde: tFi – durata de funcționare i între întreruperi,

tDi – durata defectului i,

m – numărul duratelor de funcționare între defecte,

n – numărul de defecte observate în intervalul de timp dat.

De asemenea, sistemul de stocare a energiei cu rol de rezervă trebuie să fie rezilient, adică să suporte un număr de defecte ale componentelor sale în timp ce el își continuă funcționarea normală. Acest deziderat se realizează prin instalarea unor subsisteme redundante care să elimine punctele singulare de defect. Soluția este una eficientă din punct de vedere tehnic, însă costisitoare și poate fi făcută doar după analiza costurilor și beneficiilor. Din punct de vedere al furnizării, poate fi mai ieftină asigurarea continuă a mentenanței, însă din punct de vedere al alimentării cu energie, asigurarea sistemelor reziliente este mai eficientă. La rândul lor, sistemele de stocare de energie cu rol de rezervă constituie echipamente de redundață activă sau paralelă pentru sursa principală de putere.

Capitolul 2. Surse neîntreruptibile de putere – UPS

Sursa ideală de energie ar trebui să aibă putere și energie infinite, timpul de conectare nul, durată de generare infinită și cost redus. Deoarece asemenea surse nu există, se apelează la diferite soluții de compromis. Alegerea sursei depinde de consumator și de anumite condiții care sunt cerute. Echipamentele IT, de exemplu, cer o alimentare continuă, adică având timp de comutare nul pentru a se evita pierderea unor date. În urma transferului, echipamentul poate necesita să fie alimentat un timp suficient de mare până la scoaterea din funcțiune sau poate necesita o alimentare continuă pentru a funcționa.

UPS este prescurtarea de la Uninterruptible Power Supply, și are rolul ca la întreruperea curentului să îi mai ofere înca o perioadă de timp (în funcție de puterea pe care o poate debita și de consumul aparatului/lor conectate) calculatorului sau aparatului conectat la acesta (de regulă un consummator critic). Calculatorul sau aparatul ce se dorește a fi conectat la UPS nu va mai fi conectat direct la priză, modeul conectării arătând în următorul fel:

UPS-ul este capabil să comunice cu calculatorul pe portul COM2 în așa fel încât să avertizeze utilizatorul de lipsa tensiunii de la rețea (există un driver de sistem care se poate instala astfel încat calculatorul să dialogheze cu UPS-ul) și să se poată salva în timp util documentele în lucru. Pe langă acest avantaj major, mai există și avantajul în care eventualele perturbații din rețea (produse de receptorii cu regim de lucru intermitent, sau de fotocopiatoare, ascensoare, iluminatul cu lămpi fluorescente, compresoare sau motoare electrice), nu vor mai influența calculatorul. [8]

UPS-urile se folosesc pentru alimentarea de siguranță și conțin acumulatoare de energie (baterii), astfel încât la întreruperea tensiunii de alimenatare UPS-ul poate furniza energie consumatorilor conectați până la descărcarea lor. Un UPS nu trebuie confundat cu un generator de curent, care este folosit pentru alimentarea dispozitivelor electronice când nu este disponibilă rețeaua publică de alimentare cu curent (nu există în acea locație sau nu este disponibilă o sursă de curent momentan).

Bateriile sunt de fapt inima UPS-ului și sunt elemente consumabile. Majoritatea bateriilor au o durată preconizată de viață de 3-5 ani. Durata de viață a bateriilor depinde foarte mult de numărul ciclurilor de încărcare/descărcare, temperatura mediului de funcționare și tensiunea de încarcăre. Temperatura ideală de funcționare se situează între 20-25 grade Celsius. Este indicat să se efectueze un test periodic al UPS-ului (o descărcare si încărcare completă cu sarcină conectată din 3 in 3 luni) din care utilizatorul poate să realizeze la ce timp de autonomie să se astepte în cazul unei eventuale întreruperi de alimentare. Înlocuirea bateriilor este indicat să se efectueze de către specialiști datorită riscului de electrocutare, dar există și alte aspecte care trebuie luate în considerare la înlocuirea acestora (atenuarea șocului la conectarea bateriilor, calibrare, etc.)

În general UPS-urile conțin acumulatoare de tip VRLA (Valve Regulated Lead Acid) adică baterii pe bază de plumb-acid. Acestea nu necesită mentenanță, nu emit vapori periculoase pentru mediu și se pot utiliza în plan orizontal respectiv vertical. Bateriile sunt încărcate de UPS, urmând ca la o întrerupere de curent să furnizeze energie invertorului, care va alimenta consumatorii conectați. Capacitatea acumulatoarelor se exprimă în Ah (amperi-ore).

Tabelul 2.1 – Alegerea tipului potrivit de UPS pentru protejarea sarcinilor în funcție de perturbațiile alimentării cu energie.

[9]

2.1. Tipuri și roluri

A. UPS-uri de tip OFF-LINE(VFD):

Aceste UPS-uri sunt categorizate ca VFD – Voltage and Frequency Dependent – Dependente de tensiune și frecvență. Acest tip de UPS redă spre consumatori tensiunea de intrare. Când detectează întreruperea tensiunii de alimentare comută sarcina pe sursa de energie proprie (acumulatori) până când tensiunea rețelei de alimentare revine sau până la descărcarea bateriilor. Din acest moment pe ieșire se va furniza iarăși tensiunea de intrare și se începe încărcarea acumulatorilor.

Avantaje: cost redus, fără zgomot în mod line.

Dezavantaje: nu protejează consumatorii de perturbațiile rețelei de alimentare, variații de tensiune și frecvență, timp de autonomie redus, apariția unui timp de comutare (cca. 4-7 ms) care ar putea afecta consumatorii sensibili, lipsa bypass.

Domenii de utilizare: IT, telecomunicații, consumatori cu surse în comutație, aplicații cu grad redus de sensibilitate.

B. UPS-uri de tip LINE-INTERACTIVE

VI – Voltage Independent – Independent de tensiune

Aceste UPS-uri redau tensiunea de intrare pe ieșire, cu mici modificări/filtrări. Sunt dotate cu circuite AVR (automatic voltage regulator), care monitorizează tensiunea de intrare. Când aceasta iese dintr-un domeniu bine stabilit, circuitul crește (boost) sau scade tensiunea (buck) pe ieșirile UPS-lui. Dacă tensiunea de alimentare iese din plaja acceptată, sursa va comuta consumatorii pe acumulatori până la revenirea tensiunii de intrare în limitele acceptate. Se prezintă în 2 variante:

– cu tensiune de ieșire dreptunghiulară sau sinus modificat: tensiunea redată spre consumatori în timpul funcționării de pe baterii este un sinus modificat. Această formă de tensiune este acceptată de consumatori cu sursa în comutație (calculatoare, monitoare, etc.). Nu este recomandat pentru alimentarea consumatorilor care conțin transformatoare, motoare, etc. (ex. electrocasnice sau centrale termice care conțin pompă de recirculare);

Figura 2.1 – Schema de principiu a UPS line-interactive

– cu tensiune de ieșire sinusoidală: tensiunea pe ieșirile UPS-ului este sinusoidală, astfel poate fi alimentat din UPS aproape orice tip de consumator.

Avantaje: cost redus, zgomot redus în mod line, grad de protecție mai mare ca la UPS-urile off-line

Dezavantaje: nu protejează consumatorii de toate perturbațiile rețelei de alimentare, de variații de frecvență, timp de autonomie redus, necesită timp de comutare între modurile de funcționare, lipsa bypass.

Domenii de utilizare: IT, telecomunicații, consumatori cu surse în comutație, aplicații cu grad sporit de sensibilitate. Cele cu tensiune de ieșire sinusoidală se utilizează pentru alimentarea centralelor termice, mai ales a celor pe lemne. Acestea din urmă sunt foarte sensibile la întreruperea tensiunii de alimentare, deoarece în acest caz se oprește pompa de recirculare și centrala ramâne fară răcire, ceea ce poate duce la deteriorarea sau în cel mai rău caz explozia ei.

C. UPS-uri de tip ON-LINE (VFI):

VFI – Voltage and Frequency Independent – Independent de tensiune și frecvență
Funcționarea UPS-urilor On-line (dublă conversie) – după cum apare și în denumirea tipului – se bazează pe două conversii: curentul de intrare alternativ este convertit permanent în curent continuu, din care unitatea reconstruiește un curent alternativ, perfect stabil sinusoidal. În urma dublei conversii dispar toate variațiile si perturbațiile existente în rețeaua de alimentare. Pe langă această topologie, în general, UPS-urile de acest tip sunt dotate cu filtre suplimentare la intrare și la ieșire. Deoarece și acumulatorii sunt „on-line”, (sunt conectați permanent), nu există timp de comutare, astfel nu se produce discontinuitate în tensiunea de ieșire la trecerea în mod baterii.
Avantaje: timp de autonomie mare (extensibil), grad de protecție foarte ridicat, durată de viață extinsă a acumulatorilor, bypass static și opțional de mentenanță -zis și manual. (acesta din urmă este standard la UPS-urile mari).

Dezavantaje: preț mai ridicat ca la un UPS line-interactive, consum de energie permanent.
Domenii de utilizare:IT, telecomunicații, aplicații industriale.

Figura 2.2 – Schema de principiu a UPS on-line

D. UPS-uri hibride:

Acestea funcționează ca un UPS offline când curentul de intrare respectă parametrii normali (monitorizați strict) si comută automat pe modul online când sunt detectate fluctuații mai mari ale curentului electric.[ 9]

2.2. Caracteristici tehnice ale UPS-urilor.

1. Puterea UPS-urilor:

Puterea UPS-urilor se exprimă în VA (volt-amperi) și arată puterea totală a consumatorilor ce pot fi alimentați din UPS. Diferența dintre VA si W (watt) rezultă din factorul de putere (cosφ) al UPS-ului. Puterea aparentă, dată de pentru circuite monofazate sau pentru circuite trifazate, și trebuie să fie mai mică sau egală decât puterea totală aparentă a sarcinilor.

Puterea activă P=Scos, sau factorul de putere cos – valorile încărcărilor nu sunt indicate de obicei, deci o dimensionare corectă a surselor UPS necesită măsurători ale puterii active absorbite de fiecare sarcină. Acest factor de putere diferă de la un UPS la altul, funcție de principiul de funcționare, producător, tehnologie de fabricație. În general UPS-urile de tip off-line și line-interactive au cos φ intre 0.6 și 0.7. Majoritatea unităților de tip on-line au factorul de putere cuprins între 0.7 și 0.8. De aici rezultă, că un UPS de 1000 VA cu factorul de putere 0.8 este capabil să alimenteze consumatori de putere totală de 800 W.Majoritatea UPS-urilor sunt proiectate încât să suporte o mică suprasarcină pentru o perioadă scurtă, însă la alegerea UPS-urilor este recomandată o marjă de siguranță de minim 10-15%. Exemplu: dacă puterea totală maximă a consumatorilor ajunge la 850 VA, se recomandă un UPS de 1000VA.

Sursa UPS aleasă trebuie să aibă o putere activă cel puțin egală cu puterea totală activă a sarcinilor.

Randamentul sursei UPS este definit ca raportul dintre puterea activă de ieșire – utilă sarcinii, P2 și puterea activă de intrare, furnizată de UPS, adică:

2. Timpul de autonomie:

Timpul de autonomie sau backup înseamnă durata în care UPS-ul poate să alimenteze consumatorii conectați în regim de baterii. Acest timp se calculează de regulă la sarcina nominală, adică puterea maximă care este capabil să furnizeze UPS-ul. Cum puterea totală a consumatorilor conectați se micșorează așa crește autonomia. Timpul backup depinde de capacitatea, numărul acumulatorilor și sarcina conectată. În general autonomia de bază a UPS-urilor variază între 5 și 10 minute, funcție de model și producător. La unele tipuri de UPS, mai ales din categoria Off-Line și Line-Interactive nu se poate extinde autonomia datorită arhitecturii lor.

3. Numărul și tipul conectorilor:

De multe ori ignorant, tipul conectorilor este unul dintre cele mai importante aspecte . În 99% din cazuri interesează mufa Schuko (CEE 7/3 sau 7/4), nu IEC 320 (C13 sau C14).

4. Tipurile de protecție:

Este necesară protecție la supratensiune, urmată apoi de filtarea curentului de intrare, protecție la fulgere, supraîncărcare si descărcare excesivă a bateriilor.

Factorul de vârf al curentului, definit cu relația , pentru unde sinusoidale are valoarea 1,41, dar această valoare crește cu absorbția curenților de undă deformată (nesinusoidală) ai sarcinilor neliniare.

Capacitatea de supraîcărcare este admisă doar pe parcursul intervalului temporar de transfer. Dacă este posibil, se recomandă schimbarea sarcinilor progresiv, pentru a evita supraîncărcarea.

5. Timpul mediu de încărcare al acumulatorilor:

O valoare cât mai scurtă este de dorit, pentru ca acumulatorii să aibă suficient timp să se încarce în eventualitatea în care apare o nouă pană de current.

6. Zgomotul produs în timpul funcționării:

În mod normal UPS-urile nu fac zgomot (excepție alarmele sonore sau modelelor de putere mare, care vin cu ventilatoare pentru răcirea bateriilor);

7. Parametrii mediului de funcționare și condițiile de depozitare:

Dacă UPS-ul trebuie instalat într-un mediu foarte umed sau cu temperatură ridicată, se recomandă alegerea unui model de sursă neîntreruptibilă care poate funcționa în parametri normali în aceste condiții. Când nu este folosit trebuie respectate condițiile de depozitare precizate de producător pentru a prelungi durata de viață a dispozitivului.Temperatura de lucru, dacă este mai mare decât cea specificată, impune funcționarea cu putere redusă, sub regim, potrivit recomandărilor producătorului.

8. Management:

Aici vorbim despre administrarea de la distanță a UPS-ului, lucru posibil în urma conectării la PC sau direct la Internet a sursei de curent. Cele cu management sunt mai scumpe decât cele fară management și pot furniza în timp real informații despre starea sistemului, calitatea curentului de intrare și de ieșire, precum și gradul de încărcare al bateriilor, plus o serie de parametri care îi interesează mai mult pe administratorii de sisteme informatice decât pe utilizatorii obișnuiți. Managementul prin rețeaua de date a sistemului UPS se face cu ajutorul unui card SNMP (Simple Network Management Protocol) cu IP propriu, cu care se pot citi și controla de la distanță parametrii sursei (tensiune, nivel de încărcare, temperatură). Tot prin acest protocol SNMP se poate comanda închiderea sursei în caz de defect.

Bateriile din UPS-urile de ultimă generație au un sistem inteligent de monitorizare cu semnalizarea defectelor și încărcător independent (figura 2.3) care menține bateriile izolate de linia de curent continuu atunci când UPS-ul nu furnizează energie. Sistemul interactiv BHC (Battery Health Check) pentru mentenanță preventivă și curativă permite monitorizarea de la distanță a stării componentelor.

Figura 2.3 – Sistemul inteligent cu încărcare independentă a bateriilor, tehnologie EBS (Expert Battery System) [10]

9. Alarma sonoră:

Este important ca utilizatorul să știe când UPS-ul a preluat controlul, și să aibă timp să își salveze documentele, să închidă calculatorul sau să fie anunțat cand bateria s-a descărcat complet sau dacă trebuie înlocuită.

10. Display LCD:

O alternativă mai ieftină la un UPS cu management îl reprezintă unul cu display LCD care permite verificarea vizuală și ajustarea parametrilor de funcționare ai aparatului. Acesta este un fel de on-device management.

11.Sloturi pentru baterii suplimentare:

Unele modele de surse neîntreruptibile de curent permit adăugarea de module de acumulatori suplimentari care extind perioada de funcționare fără curent a UPS-ului.[ 11]

12. Costul de exploatare și cu energia OCE, dat de relația:

unde t este intervalul de timp și ce este prețul marginal al energiei pe kWh. Dacă este nevoie de o putere suplimentară pentru ventilarea încăperii, atunci valoarea lui OCE se poate multiplica cu 1,3.

2.3. Tehnologii principale de stocare a energiei prin surse UPS.

Cea mai folosită metodă de stocare a energiei electrice este cea cu baterii chimice, însă și tehnologiile alternative, cum sunt celulele de combustie, sursele volante (rotative), supercondensatoarele sau magneții superconductori de stocare a energiei (SMES) trebuiesc luate în considerare.

Bateriile reprezintă prima opțiune în cazul UPS, deoareace sunt rezultatul tehnologiilor testate, au un cost de achiziție relativ scăzut și o capacitate mare de stocare. Energia specifică a acumulatorilor cu plăci de plumb și acid sulfuric este aproximativ de 30-40 Wh/kg la o capacitate specifică până la 100 W/kg. Se poate obține o putere specifică mai mare, dar se reduce energia specifică.

Bateriile sunt în general ajustate, reglate, prin valvele plăcilor de plumb și acid sulfuric (acest tip de acumulatori se numește VRLA), numite uzual baterii izolate, fără nici un electrolit în vârf, cu emisii foarte scăzute de gaz și potrivite instalațiilor din birouri și spații publice, fără nici un risc sau măsuri speciale de protecție.

Aceste baterii sunt montate în carcasa UPS-ului sau în carcasele electrice, durata lor de viață depinzând de condițiile de funcționare (de ex.: temperatura mediului ambiant să fie în jur de 250C), și bineînțeles de structura și calitatea acumulatorilor.

În cazurile în care este necesară o putere mai mare și un timp de utilizare îndelungat, se folosesc bateriile fixe cu element galvanic deschis (instalația trebuie să fie într-o cameră potrivită și necesită mentenanță regulată).

De asemenea se folosesc și bateriile Nichel-Cadmiu, care sunt mai potrivite în cazul instalațiilor care funcționează în condiții severe de mediu: temperaturi de la -300C la 600C, sunt supuse la eforturi mecanice sau electrice. Durata de viață estimată este între 15 și 20 de ani, iar costul de achiziție este de 5 ori mai mare decât în cazul unei baterii echivalente VRLA.

Pe lângă alte avantaje și câteva observații de eficiență, cum ar fi creșterea prețului bateriei odată cu creșterea costului materialelor, presiunea mediului asupra bateriilor și disponibilitate redusă de spațiu, se constată că sursele rotative reprezintă o alternativă interesantă pentru baterii.

Supercondensatoarele au o putere specifică ridicată, dar o energie specifică foarte scăzută, deci sunt potrivite doar aplicațiilor ce folosesc impulsuri de putere foarte scurte și în care descărcarea completă trebuie să se facă în 1-60 sec..

Tehnologiile de stocare a energiei se pot compara atât prin parametrii putere vs. energie, densitate de putere vs. densitate de energie, cât și prin indicatori de cost, eficiență, grad de reversibilitate, mentenanță, profunzimea descărcării (adâncimea de pătrundere), ciclul de viață, etc..

2.4. Metode relative de acționare a surselor UPS

Acționarea UPS prin dublă conversie.

Este de multe ori raportată la sursele „UPS online”, adică întotdeauna sarcina (încărcarea) este alimentată prin invertor, independent de caracteristicile curentului alternativ de intrare. În cazul unei acționări normale, sarcina este alimentată continuu de către convertor/invertor, printr-o tehnică de conversie dublă (de ex. c.a./c.c si c.c./c.a.) – fig.2.4.a..

Când alimentarea principală cade, UPS injectează energia stocată în timp ce ansamblul baterie/invertor continuă să asigure necesarul de energie, până se epuizează rezerva din UPS sau până se restabilește alimentarea principală cu curent alternativ. Prin adăugarea unui șunt (ramificații), continuitatea alimentării cu energie se poate îmbunătăți prin declanșarea (comanda) ramificației cu un întrerupător de transfer, în cazul în care de defecteează sursa UPS, apar curenți tranzitorii sau vârfuri de sarcină.

Acționarea liniară controlată de UPS

În acest caz, frecvența de ieșire depinde în curent alternativ de frecvența de intrare – fig.2.4.b.. În cazul uzual de acționare, sarcina este alimentată cu putere printr-o conexiune paralel între intrările de curent alternativ și ivertorul UPS-ului. Invertorul furnizează o tensiune la ieșire folosită la încărcarea bateriilor.

Când alimentarea principală cade, invertorul și bateria mențin continuitatea energiei pentru sarcină (încărcare) prin acționarea energiei stocate, iar întrerupătorul deconectează circuitul de intrare de alimentare pentru a preveni „contra alimentarea” prin invertor.

Acționarea prin sursă UPS în rezervă pasivă

Este de multe ori numit „UPS offline”, cu referire la faptul că puterea condiționată electronic alimentează sarcina (încărcarea) atunci când curentul de intrare nu este în parametrii nominali necesari consumatorului – fig.2.4.c.- .

În cazul unei funcționări normale, sarcina este alimentată de la intrările de curent alternativ, printr-un întrerupător al UPS-ului, iar frecvența de ieșire depinde de frecvența de intrare a curentului alternativ.

Când pică alimentarea principală, invertorul este activat și sarcina este transferată invertorului direct sau prin declanșarea întrerupătorului UPS-ului (care poate fi electronică sau electromecanică).[12]

Capitolul 3. Surse UPS de backup din centre de date

Chiar dacă din punct de vedere al rolului său un data center reprezintă “entitatea” ce reunește majoritatea resurselor de stocare, calcul și aplicații software ale unei organizații, interconectate și accesate de către utilizatori printr-o infrastructură de rețea cu disponibilitate totală, un data center nu ține exclusiv de domeniul IT. Un data center este în primul rând o construcție special echipată. De la grosimea zidurilor, la rezistența seismică, la ecranarea de tip cușcă Faraday, până la sistemele de stingere a incendiilor, alimentare electrică și sistemul de răcire, toate contribuie la funcționarea sigură și corectă a echipamentelor high-end. Din punct de vedere al alimentării cu energie electrică, un data center este un consumator critic.

UpTime Institute, singurul organism mondial care eliberează certificări în domeniu, a generat o serie de criterii (legate de arhitectura locației, redundanță, disponibilitate) prin care ierarhizează data centerele pe 4 niveluri de performanță redate în tabelul 3.1.

Redundanța se referă la existența unor echipamente conectate în paralel către care se vor redirecționa automat serviciile sistemului în caz de defect, fără a-i întrerupe funcționarea [13].

Disponibilitatea unui data center se referă la asigurarea unui anumit grad de accesibilitate a serviciilor de rețea într-un interval de timp și se definește ca suma probabilităților de succes ale unui număr de n echipamente care solicită simultan același serviciu într-un interval de o secundă [14].

Tabelul 3.1 – Standardizarea data centerelor [15]

Așadar, pe lângă locație (și posibilitate de extindere), securitate internă (sisteme de control și monitorizare a accesului), conectivitate (referitor la numărul de furnizori de date, nu al lățimii de bandă) și securitate informatică, sistemul de alimentare cu energie este un aspect foarte important ce trebuie luat în calcul în realizarea acestor platforme eterogene. Specialiștii abordează o serie de elemente în acest sens: topografia rețelei electrice, a punctelor de intrare a acesteia în clădirea data center-ului, generatoarele, sistemele de tip Automatic Switch Transfer (sau AAR), unități de distribuție a puterii, etc., mergând până la luarea în calcul a vechimii bateriilor UPS-urilor care deservesc serverele. Atenția deosebită acordată acestui aspect este explicabilă prin prisma faptului că rolul esențial al unui Data Center este de a asigura continuitatea afacerii [16].

3.1. Indicatori de performanță energetică ai unui data center

Energia electrică este vitală în funcționarea unui data center, iar consumul este în creștere (în ultimii 6 ani s-a dublat [17]) datorită necesarului tot mai mare de servere, de putere mai mare, pentru prelucrarea datelor, arhivarea și stocarea lor. Cum aceste servere generează o cantitate mare de căldură, o bună parte din energia consumată este destinată funcționării instalației de răcire atât a fiecărui sistem de stocare, cât și a incintei în care se află (exemplu în figura 3.1).

Figura 3.1 – Utilizarea energiei alocate unui centru de date

Există doi parametri care permit aprecierea eficienței utilizării energiei într-un data center: PUE (Power usage effectiveness) și DCIE (Data Center Infrastructure Efficiency) calculați după următoarele formule [18]:

, (3.1)

În majoritatea data centerelor, PUE este mai mare decât 2, ceea ce înseamnă că reducerea energiei utilizate în infrastructura fizică, procentual, este la fel de importantă ca reducerea sarcinii IT [19].

O valoare de 1,6 pentru PUE, respectiv 62,5% eficiență energetică, este ideală pentru regimul de funcționare actual al centrelor de date: 24x7x365 [20].

În termeni financiari, lunar, 45% din costurile de întreținere al unui data center îl reprezintă cheltuielile cu energia electrică, restul fiind alocat în proporție de 47% mentenanței serverelor și 8% echipementelor de telecomunicații și securitate [21], ceea ce denotă un mod de operare departe de principiile dezvoltării durabile. Recent, au început să fie adoptate o serie de măsuri pentru reducerea consumului de energie și implicit a reducerii emisiilor de carbon, cum ar fi: oprirea serverelor nefolosite, comanda de reset/restart, reconfigurarea fizică a spațiului, controlul echipamentelor de stocare în exces ori slab încărcate prin echipamente colocate, sau virtualizarea serverelor (transformarea hardware-ului în software). Pentru că majoritatea serverelor lucrează fizic la o capacitate de 30%, trebuie menționat că virtualizarea reprezintă o oportunitate enormă de economisire a energiei, aducând până la 80% reducere în funcție de nivelul de maturitate al data centerului [22]. Mai mult, virtualizarea permite accesarea a de zece ori mai multe resurse fizice datorită posibilității de rulare simultană a mașinilor virtuale [17].

Cel mai important este faptul că majoritatea acestor măsuri nu presupun nici un fel de investiție financiară, ci doar un comportament durabil al utilizatorului printr-un management inteligent. Cum viteza transformă oportunitățile în bani, este de dorit ca aceste sisteme IT să lucreze în siguranță, la capacitate și disponibilitate maximă.

3.2. Prezentare generală a rețelelor

În general, toate rețelele au anumite componente,funcții si caracteristici comune.Printre acestea se numară:

Servere-calculatoare care oferă resurse partajate pentru utilizatorii rețelei.

Clienți-calculatoare care accesează resursele partajate în rețea de un server.

Mediu de comunicație-modul în care sunt conectate calculatoarele.

Date partajate-fișiere puse la dispoziție de serverele de rețea.

Imprimante sau alte periferice partajate-alte resurse puse la dispoziție de servere.

Resurse-fișiere,imprimante și alte componente care pot fi folosite de utilizatorii rețelei.

Figura 3.2 – Elementele unei rețele

Chiar daca au aceste elemente comune,rețelele pot fi împărțite în două mari categorii:

De la egal la egal(peer-to-peer)-într-o rețea peer-to-peer, nu există servere dedicate și nici o organizare ierarhică a calculatoarelor.În general fiecare calculator are și rolul de client și de server, neexistând un administrator responsabil pentru întreaga rețea.Utilizatorul fiecărui calculator stabilește resursele locale care vor fi partajate în rețea. Rețelele peer-to-peer sunt numite și grupuri de lucru. Acest termen desemnează un număr mic de persoane. De obicei, o rețea peer-to-peer este formată din cel mult 10 calculatoare.

Figura 3.3 – Rețele peer-to-peer

Bazate pe server- Într-un mediu de lucru cu mai mult de 10 utilizatori o rețea peer-to-peer cu calculatoare care au atât rol de clienți, cât si de servere-este inadecvată. Din acest motiv majoritatea rețelelor au servere dedicate. Un server dedicat este un calculator care funcționează doar ca server, nefiind folosit drept client sau stație de lucru.Serverele se numesc “dedicate” deoarece sunt optimizate să deservească rapid cererile clienților din rețea și să asigure securitatea fișierelor și a directoarelor.

Rețelele bazate pe server introduc o ierarhie proiectată pentru a îmbunătăți administrarea unei diversități de funcții acceptate de rețea, pe măsură ce crește dimensiunea rețelei. Rețelele bazate pe server sunt numite adesea rețele client/server.

Într-o rețea bazată pe server, resursele partajate frecvent sunt grupate Într-un domeniu separat de calculatoare, cunoscute ca servere. Serverele nu au de obicei un utilizator principal. În schimb, ele sunt calculatoare multiutilizator care reglează partajarea resurselor lor de către baza de clienți. În acest tip de rețea, clienții sunt scutiți de sarcina funcționării ca servere pentru ceilalți clienți.

Rețelele bazate pe server pot fi mult mai sigure decât rețelele peer-to-peer, lucru la care contribuie mai mulți factori. În primul rând, rețeaua este administrată centralizat. Resursele din rețea nu mai sunt supuse teoriei ,,cea mai slabă verigă din lanț’’, care este parte integrantă a rețelelor peer-to-peer.

În schimb, toate conturile de utilizator și parolele sunt administrate și verificate centralizat înainte ca unui utilizator să i se acorde accesul la resursele solicitate. În același timp, acest lucru simplifică sarcina utilizatorilor, prin diminuarea nevoii de mai multe parole.

Un alt avantaj al acestei centralizări a resurselor este ca sarcinile administrative, precum salvările de siguranță, pot fi realizate coerent și sigur.

Rețelele bazate pe server oferă o performantă îmbunătățită pentru calculatoarele din rețea, în mai multe moduri. În primul rând, fiecare client este scutit de sarcina de procesare a cererilor primite de la alți clienți pentru resursele sale. Fiecare client dintr-o astfel de rețea trebuie sa facă față doar cererilor generate de principalul și singurul său utilizator.

Figura 3.4 – Rețele bazate pe server

3.2.1. Servere specializate

Numeroasele sarcini ce revin serverelor sunt diverse și complexe.Serverele din rețele mari sunt specializate, fiind adaptate necesităților în continuă creștere ale utilizatorilor.De exemplu într-o rețea Windows NT Server, există următoarele tipuri de servere:

Serevere de fișiere si de tipărire

Servere de fișiere si de tipărire administrează accesul și folosirea de către utilizatori a resurselor de tip fișier și imprimantă.Cu alte cuvinte, serverele de fișiere și de tipărire sunt folosite în general pentru stocarea datelor și a fișierelor.

Servere de aplicații

Serverele de aplicații pun la dispoziția clienților componenta server a aplicațiilor de tip client/server, precum și datele respective.De exemplu, serverele pastrează volume mari de date structurate, care sunt ușor de accesat(baze de date).Baza de date se află pe server și numai rezultatul interogării este descărcat pe calculatorul care a lansat solicitarea.

Servere de postă

Serverele de postă gestionează transferul de mesaje electronice între utilizatorii rețelei.

Servere de fax

Serverele de fax gestionează traficul de mesaje fax în și dinspre rețea, partajând una sau mai multe plăci de fax-modem.

Servere de comunicații

Serverele de comunicații gestionează fluxul de date și mesajele e-mail transmise între rețeaua serverului și alte rețele, calculatoare mainframe sau utilizatori aflați la distanță, care folosesc modemuri și linii telefonice pentru a se conecta la server.

Figura 3.5 – Servere specializate

[23]

3.2.2. Avantajele rețelelor bazate pe server

Rețelele bazate pe server pot fi mult mai sigure decât rețelele peer-to-peer, lucru la care contribuie mai mulți factori.În primul rând, rețeaua este administrată centralizat.Resursele din rețea nu mai sunt supuse teoriei “cea mai slabă verigă din lanț”, care este parte integrată a rețelelor peer-to-peer.

În schimb, toate conturile de utilizator(cunoscute și ca ID-uri) și parolele sunt administrate și verificate centralizat înainte ca unui utilizator să i se acorde accesul la resursele solicitate.

Un alt avantaj al acestei centralizări a resurselor este ca sarcinile administrative, precum salvările de siguranță, pot fi realizate coerent și sigur.

Rețelele bazate pe server oferă o performanță îmbunătățită pentru calculatoarele din rețea,în mai multe moduri.În primul rând, fiecare client este scutit de sarcina de procesare a cererilor primate de la alți clienți pentru resursele sale.Fiecare client dintr-o astfel de rețea trebuie să facă față doar cererilor generate de principalul și singurul său utilizator.

Mai semnificativ, această procesare este lăsată în seama unui server a cărei configurație este optimizată pentru acest serviciu.De obicei, un server are o putere de procesare mai mare, memorie mai multă și unități de hard-disc mai rapide decât cele ale unui calculator client.

Într-o rețea bazată pe server, posibilele “locuri ascunse” sunt reduse la numărul de servere din rețea.Într-un astfel de mediu, resursele bazate pe server pot fi conectate ca unități logice.După stabilirea conexiunii cu unitatea de rețea, resursele aflate la distanță, stocate pe server, pot fi accesate la fel de ușor ca și cele rezidente pe calculatorul unui utilizator.

O rețea bazată pe server are o scalabilitate ridicată.Indiferent de numărul de clienți conectați la rețea, resursele sunt întotdeauna localizate central.În plus, aceste resurse sunt întotdeauna administrate și securizate centralizat.Drept urmare, performanța unei rețele globale nu este compromisă de creșterile în dimensiune.[24]

3.2.3. Securitatea și siguranța datelor

De cele mai multe ori, principalul motiv pentru care se recurge la o rețea bazată pe server îl reprezintă nevoia de securitate.Într-un mediu de lucru pe bază de server, cum ar fi rețeaua Windows NT Server, politica de securitate este stabilită de un administrator, care o aplică pentru fiecare utilizator din rețea.

Deoarece datele importante sunt cetralizate pe unul sau mai multe servere, se poate planifica salvarea lor regulată. Prin intermediul sistemelor redundante, datele de pe un server pot fi copiate și păstrate on-line, astfel că în cazul în care apar probleme la dispozitivul primar de stocare, să fie disponibilă o copie de siguranță a datelor respective.

3.2.4. Modelul client/server

Termenul client/server se referă la împărțirea operațiilor de prelucrare a datelor între calculatorul client și un calculator server, mai puternic.

Figura 3.6 – O rețea simplă client/server

Modul de abordare client/server este avantajos pentru organizațiile în care un număr mare de oameni trebuie să aibă acces permanent la mari cantități de date.

Rețeaua client/server reprezintă cel mai eficient mod de a oferi:

Acces la baza de date și posibilitatea administrării unor aplicații de:

Calcul tabular

Contabilizare

Comunicații

Gestionarea documentelor

Adiministrarea rețelei

Stocarea centralizată a fișierelor

Într-un mediu client/server există două componente importante:

Aplicația, care se numește și client, sau componenta front-end (interfață).

Serverul de baze de date, care se mai numește și server sau componenta back-end.

Figura 3.7 – Clientul (web front-end) și serverul (componenta back-end)

Clientul

Într-un mediu client/server, serverul nu conține software pentru interfața cu utilizatorul.Clientul este cel care se ocupă de prezentarea datelor printr-o formă inteligibilă, prin intermediul unei interfețe cu utilizatorul și prin generarea de rapoarte.

Calculatorul client accceptă instrucțiunile de la utilizator, le pregătește pentru a fi transmise către server, după care emite prin rețea, către server, o solicitare referitoare la anumite informații.Serverul prelucrează solicitarea, localizează informațiile respective, după care le transmite prin rețea înapoi la client.Clientul oferă utilizatorului informațiile primite, prin intermediul interfeței.

Într-un mediu client/server, utilizatorul calculatorului client folosește un fel de formular afișat pe ecran, numit cheie de căutare, în care specifică informațiile pe care le caută.

Serverul

Într-un mediu client/server, serverul este de obicei dedicat păstrării și administrării datelor.Acesta este locul unde se desfășoară majoritatea operațiilor cu bazele de date.Serverul este numit și componenta back-end a modelului client/server, deoarece el răspunde la solicitările clienților front-end.Serverul primește solicitările de la clienți, le prelucrează, după care transmite informațiile cerute înapoi la client, prin rețea.

Software-ul pentru baze de date de pe server reacționează la interogările clientului lansând o căutare.În cadrul modelului client/server, se returnează doar rezultatele căutării.Procesele executate pe server includ sortarea datelor, extragerea datelor căutate și transmiterea acestora către utilizator.De asemenea, software-ul de pe server administrează datele dintr-o bază de date, efectuând următoarele acțiuni:

Actualizări

Ștergeri

Adăugări

Protejări

3.3. Sursa de alimentare neîntreruptibilă (UPS) cu management pentru servere

UPS este o sursă externă de alimentare automată, care poate menține în funcțiune un server sau un alt dispozitiv în eventualitatea căderii rețelei de alimentare. Un sistem UPS este folosit ca sursă de tensiune neîntreruptibilă, care poate asigura interfața cu un sistem de operare cum ar fi Microsoft Windows NT. Un sistem UPS standard furnizează rețelei două componente importante:

O sursă de tensiune care alimentează independent serverul pentru o scurtă perioadă de timp;

Un serviciu sigur pentru operația de oprire.

Sursa de alimentare este de obicei o baterie, însă poate fi si un sistem eolian cu un generator electric.

Dacă intervine o cădere de tensiune, UPS informează utilizatorii cu privire la aceasta și îi avertizează să își întrerupă lucrul.Apoi, UPS așteaptă un interval de timp predefinit, după care oprește sistemul.

Un sistem UPS eficient:

Va preveni eventuali utilizatori care încearcă să obtină acces la server;

Va trimite un mesaj de alarmă administratorului de rețea;

Dacă tensiunea este restabilită în timp ce UPS este activ, acesta va informa utilizatorii că își pot continua lucrul.

Tipuri de sisteme UPS

Cele mai bune sisteme UPS lucrează în tampon (continuu,sau on-line).Atunci când intervine o cădere de tensiune,bateriile UPS preiau automat controlul, procesul fiind insesizabil pentru utilizatori.

Există și sisteme UPS independente, care pornesc doar atunci când se întrerupe alimentarea cu tensiune.Acestea sunt mai ieftine decât primele,însă nu sunt la fel de fiabile.[23]

3.4. Modele de funcționare ale surselor UPS de back-up

În regim normal de funcționare, puterea din rețea circulă în UPS conform indicațiilor din figura de mai jos, prin UPS către sarcină.

Liniile pline indică principala cale de alimentare, și liniile verzi punctate indică ceea ce se întâmplă în timpul funcționării normale.

Liniile punctate arată căile alternative de putere, și celelalte culori indică traseul puterii în condiții non ideale.

Standby UPS (sau UPS offline) este din punct de vedere istoric cel mai comun tip de unitate pentru calculatoarele personale și de rețea. Acest tip de UPS redă spre consumatori tensiunea de intrare și când detectează întreruperea tensiunii de alimentare comută sarcina pe sursa de energie proprie (acumulatori) până când tensiunea rețelei de alimentare revine sau până la descărcarea bateriilor.

Într-un UPS stand-by puterea din rețea circulă în unitate prin dispozitivul de protecție la supratensiune și filtru înainte de a trece prin comutatorul de transfer către sarcina atașată.

În acelasi timp….

O cantitate mică de energie este reținută de încărcătorul bateriei pentru reîncărcare sau pentru menținerea unui grad minim de încărcare a bateriei.

Prin urmare, în timpul funcționării normale, UPS-ul este pasiv filtrând curentul alternativ de intrare care va trece de-a lungul sarcinii atașate.

Atunci când are o perturbație sau o întrerupere din rețea:

Invertorul pornește și începe să preia puterea de la bateria internă, iar comutatorul transferă sarcinii puterea invertorului.

Deoarece invertorul nu este alimentat în timpul funcționării normale, el este considerat o rezervă pasivă (în standby), de unde vine și numele topologiei.

Beneficii:

Cost redus

Eficiență maximă

Compact

Line interactive UPS, prescurtată și VI (voltage independent) este sursa independentă de tensiune, cu ieșire sinus modificat sau cu ieșire sinusoidală. Aceasta este cea mai comună schemă de proiectare pentru sursele utilizate în rețele din clădiri administrative și la servere departamentale.

În timpul funcționării normale, invertorul UPSului este conectat direct la ieșire Funcționând în sens invers el furnizează curent încărcătorului bateriei.La fel ca la UPS-ul în standby, intrarea de curent alternativ este conectată direct la sarcină, considerând că tensiunea este mereu în limite normale.

Când este întreruptă alimentarea de la rețeaua principală, respectiv intrarea de curent alternativ pică, întrerupătorul de bypass se deschide și alimentarea sarcinii continuă de la baterie.

Deoarece invertorul este întotdeauna operațional și conectat la ieșire, linia interactivă reduce foarte mult timpul de transfer, menținând ridicată totodată și eficiența sursei.

Alte modele de linii interactive:

Un alt model încorporează transformatoare separatoare (de izolare față de rețea) pe intrare și/sau ieșire. Aceasta este considerată o măsură de siguranță caracteristică, deși uneori transformatorul este utilizat și pentru filtrarea suplimentară.

Alt model, mai comun, este cel cu circuit de reglare automată a tensiunii (). Pe lângă condiționarea puterii pentru sarcină și monitorizarea tensiunii de intrare, stabilizează nivelurile de tensiune care exced limitele prestabilite. Conține un transformator în trepte ce permite -ului să ridice nivelurile joase de tensiune în cazul unor căderi sau să coboare nivelurile ridicate de tensiune în cazul supratensiunilor. Asigură protecție la vârfuri de tensiune periculoase și permite utilizarea software-ului de gestionare la distanță.

Ca și modelele standby, UPS-urile line interactive sunt foarte eficiente, având posibilitatea de a trece în parametri acceptabili  puterea rețelei direct pe sarcină,  reglarea tensiunii facându-se automat. Având un număr mai mic de componente interne, UPS-urile line interactive  prezintă o fiabilitate ridicată.

UPS-urile on-line dublă conversie oferă cea mai bună protecție pentru echipamente sensibile, critice. În urma funcției de dublă conversie (redresor AC-DC și invertor DC-AC) curentul alternativ încarcă acumulatoarele, ce oferă mai departe putere către invertor, dispărând toate problemele existente în rețeaua de alimentare, obținându-se la ieșire unda perfect sinusoidală și timp de comutare 0.

Exemple:

Caracteristici:

-principalul model din această categorie este UPSul trifazat;

-este de dimensiuni mari și are gama de puteri de la 1000 VA la 1.000.000 VA

În timpul funcționării normale, UPS-ul primește la intrare curent alternativ din rețea, îl transformă în curent continuu, care este utilizat pentru a alimenta invertorul care furnizează mai departe curentul de ieșire sarcinii și pentru a încărca bacteria. Astfel UPSul este capabil să regleze eventuale perturbații de tensiune și de frecvență din rețea.

În cazul unei întreruperi de la rețea, bateria va prelua alimentarea ca sursă primară, de curent continuu. Deoarece invertorul nu sesizează nici o întrerupere de alimentare, generarea de curent alternativ rămâne neafectată, iar comutația se face fără întrerupere..

Atunci când alimentarea din rețea este restabilită, redresorul își reia rolul de furnizor de curent continuu pentru baterie și invertor, fără nici un efect asupra sarcinii.

În cazul unei defecțiuni interne, comutatorul de transfer (întrerupătorul de bypass) poate fi închis și puterea poate fi dirijată în jurul circuitului intern principal al UPSului. În acest caz, sarcina funcționează cu alimentare direct din rețea.

Bypass-ul este necesar în toate UPS-urile mari, care fac parte din infrastructura electrică a unei clădiri și care nu pot fi deconectate și înlocuite.

Beneficii:

-Se pot conecta mai multe modele în paralel;

-Calitatea tensiunii la ieșire

-Capacitatea de a se sincroniza cu alte surse

Limitări:

-Conversiile multiple au impact asupra eficienței energetice

-Cost ridicat pentru modelele sub 5kVA

-Protecție slabă la suprasarcină

3.5. Modele de redundanță

Arhitecturi și moduri de operare

Conectarea în paralel:

Modul de operare ECO

Funcția de management energie este funcția de economisire a energiei prin care se opresc automat perifericele când un dispozitiv principal, de regulă un PC, este în hibernare sau este oprit. Alimentarea perifericelor este restabilită imediat ce dispozitivul principal se trezește sau este pornit.

Modul ecologic este modul de funcționare prin care calea de curent ocolește componentele electrice neutilizate. ECO este o configurație ce suspendă modul online (ce desigur consumă energie pentru menținerea parametrilor electrici în niște plaje foarte stricte) și trece pe Bypass atât timp cât tensiunea se menține în plajele prestabilite.

Funcționare normală:

Mod standard: Redresor / invertor

Mod eco: By-pass

Comentarii: Modul eco expune sarcina direct la rețea.

Funcționare cu perturbații din rețea:

Mod standard: Invertor

Mod eco: Invertor

Comentarii: Nu se schimbă calea de curent prin UPS.

Funcționare în stare de avarie:

Mod standard: by-pass

Mod eco: by-pass

Comentarii: eveniment extrem de rar.

[25]

3.6. Simularea alimentării consumatorilor critici dintr-un centru de date cu sursă de back-up

Ca în orice data center, sistemele de stocare a energiei îndeplinesc acest rol de preluare instantanee a alimentării cu energie electrică în cazul întreruperilor. Din punct de vedere funcțional, sistemele de stocare asigură atât stabilitatea curbei de tensiune (la căderi sau goluri de tensiune), stabilitate în regimuri tranzitorii, cât și managementul energiei (referitor la strategia de consum în funcție de tarifare, diferențiat pe zone orare și durate de utilizare). Un sistem de stocare a energiei utilizat în data center trebuie să îndeplinească următoarele caracteristici:

Disponibilitatea puterii furnizate sarcinii critice prin intermediul UPS-urilor în cazul golurilor, căderilor, vârfurilor de tensiune sau oricăror alte perturbații ce necesită trecerea pe o sursă de rezervă;

Să fie dimensionată corect astfel încât să asigure alimentarea tuturor sarcinilor critice;

Să aibă autonomie suficientă, până când furnizorul de energie comută alimentarea data centerului din rezerva rece sau până când generatorul pornește.

După cum am arătat mai sus, eficiența unei surse de back-up depinde de capacitatea ei de stocare a energiei, iar puterea furnizată scade cu creșterea duratei de funcționare. Așadar, alegerea unității de stocare optime pentru interiorul sursei reprezintă un potențial de creștere a performanței atât la nivel de echipament, cât și la nivel de infrastructură a data center-ului, respectând cele trei proprietăți de mai sus.

Ipoteza experimentului realizat este că într-un centru de date (modelat experimental prin consumatorii critici: server, iluminat de siguranță și instalația de condiționare a aerului – HVAC) trebuie asigurată continuitatea în alimentare cu energie electrică. Pentru back-upul acestor consumatori am utilizat o sursă UPSnJoy cu următoarele caracteristici:

Conținutul pachetului:

Unitatea UPS

Manual de utilizare

Cablu USB

CD cu program de management

Cablu de alimentare

Starea 1: Consumatorii critici sunt conectați la ups-ul alimentat de la rețea

Input: 247,5V

Alimentare: din rețea

Consumatori: server, iluminat cu 2 surse led. Psarcină variază de la 21W la 32W. Nivel de sarcină între 6% și 9%.

Durata: 14 minute

Schema UPS nJoy Isis 650L, 650VA/360W

Starea 2: Întrerupere în alimentarea cu energie electrică de la rețeaua publică

Input rețea: 0V

Alimentare: din UPS

Consumatori: server (cu diferite grade de încărcare – CPU usage), iluminat cu 2 surse led. Psarcină variază de la 21W la 32W. Nivel de sarcină între 6% și 9%.

Durata: 3 minute

Starea 3: Pornește instalația de ventilare în incintă

Input rețea: 0V

Alimentare: din UPS

Consumatori: server (cu diferite grade de încărcare – CPU usage), iluminat cu 2 surse led, instalația de ventilare treapta 1. Psarcină variază de la 32W la 200W. Nivel de sarcină între 9% și 12%.

SOC baterie: 62% ÷ 43%

Durata: 4 minute

Starea 4: Instalația de ventilare pe treapta 2

Input rețea: 0V

Alimentare: din UPS

Consumatori: server (cu diferite grade de încărcare – CPU usage), iluminat cu 2 surse led, instalația de ventilare treapta 2. Psarcină variază de la 200W la 600W. Nivel de sarcină între 12% și 15%.

SOC baterie: 43% ÷ 42%

Durata: < 1 minut

Starea 5: Se restabilește alimentarea cu energie electrică de la rețea

Input rețea: 243,3 V

Alimentare: din rețea

Consumatori: server (cu diferite grade de încărcare – CPU usage), iluminat cu 2 surse led, instalația de ventilare treapta 2. Psarcină 632W. Nivel de sarcină 15%.

SOC baterie: va crește de la 42%

Durata: 2 minute

Rezumatul stărilor de alimentare a consumatorilor critici:

Una dintre caracteristicile bateriei este capacitatea, reprezentând mărimea sarcinii electrice stocate. Valoarea aceasteia scade odată cu creșterea curentului de descărcare, adică odată cu creșterea sarcinii alimentate. Conform relației lui Peukert, la un curent constant în timp, capacitatea este , unde n este o constantă ce depinde de tipul de baterie (pentru Pb-acid este de 1,17), iar t este timpul de descărcare (respectiv de alimentare a sarcinilor). Calculând pentru pentru bateria VRLA din sursa UPS analizată, a cărei capacitate este de 7Ah conform specificațiilor tehnice, descărcată în condițiile de mai sus în 9 minute la 42%, rezultă un curent teoretic constant de:

Deoarece în experimentul realizat avem mai multe stări cu mai multe rate de descărcare, iar produsul reprezintă de fapt o rată de descărcare, vom scrie ecuația lui Peukert modificată pentru două momente distincte t2 (min.31) și t3 (min. 36) care corespund la curenți de descărcare I2 și I3 și la două rate de descărcare K2 și K3 [Ah], iar apoi vom face raportul celor două relații:

,

adică alimentarea suplimentară a ventilatorului pe treapta 1 a presupus o creștere de 9,5 ori a curentului. Acest fapt se verifică și din valorile puterilor sarcinilor.

Din ecuația lui Peukert modificată rezultă o estimare a stării de încărcare a bateriei:

Pentru cazul analizat se verifică:

, adică între starea 1 și starea 4 s-au furnizat către consumatori 4Ah, ceea ce înseamnă – la un timp de furnizare de 9 minute = 0,15 ore – că am avut un curent de decărcare de 26,6A în momentul intrării în funcțiune a ventilatorului pe trepta 2. Valoarea este aproximativ egală cu cea calculată teoretic din formula lui Peukert la curent constant.

Întreruperea de la minutul 37, după conectarea sarcinii celei mai mari, se poate datora declanșării protecției interne a UPS-ului la decărcare completă, deoarece valoarea curentului în acest caz (curent de vârf sau de pornire) a instalației de ventilare pe treaptă superioară a fost de . Un alt argument reiese din faptul că la baterie capacitatea electrică (Ah) este diferită de capacitatea disponibilă (capacitatea debitată în regimuri mai severe de descărcare, ce depinde de temperatură și de regimul de descărcare).

Bateriile din UPS trebuie să dea în sarcină putere ce variază de la 100VA până la 10kVA, iar capacitatea bateriei determină autonomia. Teoretic, la încărcarea maximă:

sau

3.7. Analiza riscului de funcționare pentru UPS nJoy 650L

[26]

Concluzii

În urma analizei asupra continuității în alimentarea cu energie electrică s-a constat că eficiența surselor UPS este ridicată deoarece după întreruperea curentului poate oferi încă o perioadă de timp, calculatorului sau aparatului care este conectat la acesta pentru a se putea salva în timp util documentele în lucru.

În urma simulării strategiilor de alimentare a consumatorilor critici dintr-un centru de date cu sursă de back-up s-au observat următoarele:

Atunci când la ups-ul, care este alimentat de la rețea, este conectat un server si 3 surse led de iluminat, tensiunea de intrare este de 243V, tensiunea de ieșire 206V, nivelul de sarcină 2% si tensiunea bateriei SOC=100%;

Dacă este întreruptă alimentarea cu energie electrică de la rețeaua publică, adică tensiunea de intrare este egală cu 0, alimentarea are loc din UPS, tensiunea de ieșire crește la 220V, nivelul de sarcină variază între 7-8% si ajunge la 10% atunci când crește gradul de încărcare al procesorului;

În cazul în care mai adăugăm la consumatori și o instalație de ventilare setată pe treapta întâi observăm că tensiunea de ieșire crește la aproximativ 230V, nivelul de sarcină oscileaza între 10 și 6% și tensiunea bateriei începe să scadă până ajunge la 0.

La trecerea instalației de ventilare de pe treapta întâi pe treapta a doua, se constată că după încărcarea UPS-ului de la rețea tensiunea bateriei scade mult mai repede, tensiunea de ieșire își păstrează valoarea constantă până ajunge tensiunea bateriei în 0 și nivelul de sarcină este de 6%.

La finalul simulării ajungem la concluzia că UPS-urile sunt eficiente în cazul întreruperii curentului pentru a asigura continuitatea în alimentare a consumatorilor dar este necesar ca alegerea unei surse UPS să se facă în functie de tipul consumatorilor pentru a avea la dispoziție o perioadă de timp cât mai mare pentru salvarea documentelor în lucru.

Bibliografie

Golovanov 2007;

Transelectrica 2010;

ANRE 2015;

FEPCJ 2011;

EIA 2012;

VGB 2011;

Markiewicz 2003;

http://pctroubleshooting.ro/topic/17592-ce-este-un-ups-si-pentru-ce-este-folosit;

http://www.instalnews.ro/despre-ups-uri.html;

Socomec 2011;

http://www.shopniac.ro/ups-sursa-neintreruptibila;

http://www.youtube.com/watch?v=Xb1kiI66RV8;

Testa 2004;

Menasce 2004;

Tier 2012;

Market 2011;

Orgerie 2010;

Green 2008;

Rasmussen 2012;

Dănilă 2012;

Pau 2010;

Green 2009;

Gheorghe Popescu, Mihaela Carasca, Teodor Raducanu, Bazele retelelor de calculatoare, Manual pentru administrarea retelelor LAN si WAN, Editura Teora, 1999;

Peter Norton și Dave Kearns, Rețele de calculatoare (Traducere de Ileana Cazan), Editura Teora, 2000;

Seminar APC – Advanced Technical Training Power Course, Schneider Electric, noiembrie 2015;

Manual UPS nJoy 650L;