Захранване с енергия на центрове за данни

Какво стои зад стабилната работа на модерните дейта центрове? Отговорът започва със  системите за електрозахранване, които трябва да съчетават непрекъсваемост, гъвкавост и висока ефективност, особено при днешните натоварвания, движени от изкуствения интелект. В този материал на списание Енергия разглеждаме някои важни особености при изграждането на захранващите архитектури средно и ниско напрежение, осигуряването на резервираност и селективност на защитните системи. Коментираме също така защо UPS системите, генераторите и BESS решенията се превръщат в ключови елементи на енергийната стратегия, с какво се различават и с какво се допълват.

Текст: списание Енергия

Центровете за данни се превърнаха в критична инфраструктура на глобалната цифрова икономика. В тях се съхраняват, обработват и предават огромни обеми информация, поддържащи ежедневни операции във всички сектори от индустрията и финансите до здравеопазването и публичните услуги. В основата на тяхната работа стои комплексна енергийна система, проектирана да осигури непрекъснато, надеждно и качествено електрозахранване. Високата зависимост от електрическа енергия, високата плътност на оборудването и критичността на услугите налагат специализирани инженерингови решения, прецизен избор на апаратура и усъвършенствани методи за управление и мониторинг. В тази архитектура няма място за компромиси, защото всяка секунда прекъсване може да има значителни икономически последици и да засегне милиони потребители.

През последните години традиционните центрове за данни претърпяха съществена трансформация, движена от растящата нужда от изчислителна мощ. С навлизането на изкуствения интелект тази трансформация преминава в нов, още по-интензивен етап. AI системите изискват значително по-висока изчислителна плътност, което води до драматично нарастване на енергийното потребление на единица площ, по-високи пикови натоварвания и чувствителност към колебания в качеството на електрозахранването. Докато традиционните сървърни натоварвания позволяват известна предвидимост и умерени колебания в електропотреблението, то AI натоварванията имат пулсиращ и силно динамичен характер, което прави осигуряването на стабилно напрежение и минимални хармонични смущения ключов фактор за надеждността на работата им.

Днешните AI центрове за данни трябва да интегрират по-сложни резервирани електрически архитектури, по-интелигентни системи за енергиен мениджмънт и решения за по-висока енергийна ефективност, съчетавайки класически инженерни практики с ново поколение технологии. Тази еволюция поставя пред операторите предизвикателството не просто да поддържат непрекъсваемостта, а да оптимизират, адаптират и предвиждат натоварванията в реално време, което е ключово условие за бъдещето на цифровата инфраструктура.

Енергийна обезпеченост

С нарастването на изчислителните натоварвания предизвикателствата вече не се изчерпват само с осигуряване на непрекъсната мощност. Съвременните центрове за данни и особено инфраструктурата за AI обучение, изискват електроенергийни обеми, съпоставими с големи индустриални мощности или средно големи градове. Това налага детайлно планиране на енергийните връзки на ниво електропреносна и разпределителна мрежа. Освен високата инсталирана мощност, проектирането трябва да отчита пикови товари, динамични промени в консумацията, фактор на мощността, хармонични изкривявания и висок ток на включване на силно натоварените изчислителни клъстери. Все по-често към традиционните подстанции и трансформаторни мощности се добавят локални енергийни източници и буфери, като модулни UPS системи и дизел-генераторни групи, батерийни системи за съхранение на енергия BESS и микрогрид конфигурации с интелигентно управление.

Паралелно с това нараства значението на енергийната ефективност и рекуперацията на отпадна от изчислителните машини топлина. Високоплътните IT натоварвания генерират значителни количества топлинна енергия, която все по-често се оползотворява чрез системи за топлообмен и дори връщане към градски отоплителни мрежи, промишлени процеси или локални термични потребители. Тази стратегия предполага синхронизация между електроенергийната и охладителната архитектура, високо температурни режими, прецизно управление на дебита и температурните параметри, както и интеграция с платформи за енергиен мениджмънт и SCADA системи.

Присъединяване към мрежата

В Европа, включително в България, центровете за данни обичайно се присъединяват към мрежата средно напрежение. При големи кампуси или хиперскейл центрове е възможно и директно присъединяване към 110kV чрез собствена подстанция откъдето започва вътрешното електроразпределение и което е сериозна предпоставка за бъдещи разширения. Резервираността на захранването се осигурява още на входа на обекта чрез две физически и електрически независими присъединявания, идващи от различни подстанции или отделни изводи.

На ниво вътрешно разпределение се прилагат двойни шинни системи или две секции комплектно разпределително устройство (КРУ), свързани посредством секциониращ прекъсвач или разединител, оборудвани с необходимите блокировки за оперативна и електрическа безопасност. По правило за центрове за данни се използват уредби, отговарящи на IEC 62271-200, с изпитване на вътрешна дъга (IAC) и клас LSC2B/PM, гарантиращ устойчивост на повреди и функционална изолация на отделните полета. Прекъсвачите са с токови и динамични характеристики, съобразени с високите токове на късо съединение и бързите преходни режими, характерни за високо натоварени електрически системи от този вид.

Трансформирането към ниско напрежение обикновено се реализира със сухи трансформатори по IEC 60076-11 при вътрешен монтаж, поради изискванията за пожаробезопасност и поддръжка, докато при по-големи единични мощности или при външно разполагане могат да се използват и маслени трансформатори. Параметрите за загуби и енергийна ефективност се определят в съответствие с EN 50588-1, което налага стриктен контрол на празничните и товарните загуби.

Защитните и оперативни функции в подстанциите имат съществено значение за експлоатационната сигурност. Прилагат се защити по IEC 60255, обхващащи максималнотокови и минималнотокови защити, насочена земна защита, диференциални защити на трансформатори и шинни системи, както и защити от пренапрежения. Автоматичното превключване между захранващи източници, като например между мрежа и генератор или между два трансформатора, се осъществява чрез ATSE решения по IEC 60947-6-1 на ниско напрежение, а на средно напрежение чрез логически и механични блокировки, интегрирани в уредбите.

Апаратура ниско напрежение

Надеждната система ниско напрежение стъпва върху три основи принципа: правилно подбрана апаратура с достатъчен резерв за токове на късо съединение, селективност, подпомогната от зонови алгоритми и прецизни електронни защити, както и отлична координация с UPS и генераторни режими във всички работни и аварийни сценарии. В комбинация с типово изпитани табла това осигурява предсказуемо поведение, минимална пропускана енергия при аварии и висока непрекъсваемост, което е критично за съвременните изчислителни и AI-инфраструктури.

Обикновено ниското напрежение в центровете за данни се изгражда с въздушни силови прекъсвачи за главни и шинни секции и с прекъсвачи в лят корпус за фидерни и разпределителни линии. При проектиране на защитите се обръща внимание на три параметъра: способност за прекъсване на максималния възможен ток на късо съединение, възможност за повторно включване и издържане на кратковременни токове без повреда. Коректното оразмеряване по тези критерии и по времетокови характеристики е ключово за гарантиране на селективността и механичната устойчивост на шинните системи при силови аварии.

Въздушните прекъсвачи обичайно са изтегляеми, което позволява обслужване и подмяна без спиране на захранването по алтернативния път. Те разполагат с многостепенни електронни защитни уставки, докато прекъсвачите в лят корпус предлагат компактност и широк диапазон на токове за RPP-та и локални табла. В модерните системи НН  селективността се подпомага от зонова логика, която когато възникне повреда, изключва само прекъсвачът най-близо до дефекта, докато по-нагоре по веригата се въвежда кратко закъснение. Това е особено важно при двупътни архитектури с паралелни А/В захранвания и шинни връзки, където всяко локализирано изключване предотвратява каскадни отпадания.

Интеграцията с UPS системи също изисква специфичен подход. В режим на работа по батерия инверторът може да отдаде ограничен ток при късо съединение, така че защитите по изхода трябва да са настроени чувствително и да разпознават и по-малки токови скокове. При преминаване към байпасната линия се появяват значително по-високи токове, затова прекъсвачите трябва да са подбрани така, че да издържат и двата режима и да запазят селективност при автоматични трансфери. Добрата практика е да се прави координационен анализ за всички работни състояния, включващи нормална работа, UPS инверторен режим, байпас и работа с генератор.

Като правило таблата НН се изпълняват като типово изпитани табла, в които са дефинирани температурното поведение, механичната устойчивост, изолационните разстояния и съвместимостта между защитната апаратура и шинната система. Това гарантира, че подбраните устройства ще работят коректно не само поотделно, но и като част от цялостната система. В интелигентните решения защитните блокове предлагат измерване, регистриране на събития, комуникация с BMS/EMS/DCIM системи, функции за зоново изключване и режими за намаляване на дъговата енергия при обслужване. Важно е тези функции да се разглеждат системно, тъй като те влияят както върху селективността, така и върху оперативната безопасност и поддръжката.

По отношение на натоварването прекъсвачите се оразмеряват спрямо реалната околна температура и груповия монтаж. Често се предвижда запас по ток и възможност за настройка на защитните уставки при увеличаване на натоварването, вместо пълна подмяна на апарата при растеж на ИТ мощностите. Това е особено важно предвид висока плътност на натоварване и непрекъснат режим на работа. Качеството на електрозахранването се следи и управлява, като се анализира хармоничното съдържание и фазовия дисбаланс, тъй като импулсните товари на сървърите могат да създадат допълнително термично натоварване и да повлияят на настройките на защитите. При необходимост се предвиждат филтри, компенсация и мониторинг в реално време.

Резервно електрозахранване

Резервното електрозахранване в центровете за данни комбинира UPS системи за кратковременно поддържане на товара и дизел-генератори за дългосрочна автономност. UPS модулите осигуряват непрекъсваемо преминаване при отпадане на мрежата, като поддържат стабилно напрежение и честота и филтрират смущения, преходни процеси и краткотрайни спадове. Високата плътност на натоварванията в AI-оптимизирани среди налага използване на модулни UPS архитектури с паралелиране и разпределена батерийна система, позволяващи N+1 или 2N конфигурации и динамична адаптация към растящи натоварвания.

От ключово значение е правилната координация между UPS инвертора и защитната апаратура. При работа на батерия UPS доставя ограничен ток на късо, което изисква електронна защитна апаратура с висока чувствителност и коректно зададени времеви закъснения. При превключване към статичен байпас и впоследствие към генераторното захранване прекъсвачите трябва да понесат по-високите токове на късо съединение и преходни процеси, без да нарушат селективността.

Дизел-генераторите осигуряват продължителна работа при продължителни мрежови нарушения. Обичайно се използват паралелни генераторни модули с автоматични синхронизационни системи и бърз автоматичен трансфер към шинната система на дейта центъра. Стартирането се координира с UPS, така че товарът да остане захранен без прекъсване, а последователността за поетапно включване ограничава пусковите токове и механичните натоварвания. За критични обекти се предвиждат двустепенни горивни резервоари, системи за подгряване и периодични тестови цикли под товар за потвърждаване на готовността.

Батерийни системи и BESS

Ролята на батериите в центровете за данни се разширява значително отвъд класическата функция за краткосрочно поддържане на товара при отпадане на мрежата. Докато традиционните VRLA батерии все още намират приложение при компактни UPS решения, доминиращ стандарт в модерните високоплътни центрове за данни са литиево-йонните системи, често в конфигурации Li-ion NMC или LFP. Литиевите архитектури предлагат по-висока енергийна плътност, по-дълъг експлоатационен живот, по-добро поведение при циклични режими и съществено намален общ обем на батерийните помещения, което е критично в AI-ориентирани съоръжения.

Нарастването на консумацията и динамиката на AI товарите води до интегриране на батерийни системи за съхранение на енергия (BESS) като отделен елемент в енергийната архитектура, допълващ UPS. BESS обичайно работят върху собствена DC или AC шина и служат не само за поддръжка при отпадане на захранване, но и за функции като peak-shaving, поддържане на локално напрежение, компенсация на реактивна мощност, участие в честотно регулиране и дори взаимодействие с електропреносната мрежа в рамките на energy-as-a-service модели. Това разширява ролята на дата центъра от пасивен консуматор към гъвкав ресурс за енергийната система, което става особено важно при регионално ограничени мрежови мощности и увеличен дял на възобновяеми източници.

Инженерната интеграция на UPS и BESS изисква ясно разграничаване на функциите. UPS остава елементът, гарантиращ непрекъсваемост и качество на захранването на IT товарите с бързи инвертори, нисък преходен импеданс и милисекунден режим на реакция. BESS, напротив, е оптимизиран за по-дълги цикли, поддържане на мощности в рамките на часове и работа при ограничен брой превключвания, като често е управляван от отделна EMS платформа. Тази двустепенна архитектура дава възможност UPS да обслужва критичните динамични процеси, докато BESS поема енергийните функции на ниво обект или микрогрид, без да компрометира дизайна на критичната верига.