Topología de UPS

Comparación de configuraciones de diseño de sistemas UPS

Informe interno N° 75

Por Kevin McCarthy

Revisión 1

2005 American Power Conversion. Todos los derechos reservados. Queda prohibida la utilización, reproducción, fotocopiado, transmisión o almacenamiento en cualquier sistema de recuperación de cualquier tipo de esta publicación, en todo o en parte, sin el consentimiento escrito del titular del derecho de autor. www.apc.com Rev 2005-1

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Resumen ejecutivo Existen cinco configuraciones principales de diseño de sistemas UPS que distribuyen

energía desde la red de suministro eléctrico de un edificio a las cargas críticas de un centro

de datos. La selección de la configuración adecuada para una aplicación en particular se ve

determinada por las necesidades de disponibilidad, la tolerancia a los riesgos, los tipos de

cargas del centro de datos, los presupuestos y la infraestructura existente. Se explican las

cinco configuraciones y se exponen las ventajas y desventajas de cada una de ellas. Se

analiza el impacto en la disponibilidad para cada configuración y se proveen pautas para

seleccionar el diseño apropiado.


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Introducción Aunque las redes públicas de distribución de energía son bastante confiables en la mayoría de los

países desarrollados, estudios realizados demostraron que incluso las mejores redes eléctricas son

inadecuadas para satisfacer las necesidades de las operaciones críticas y constantes de

procesamiento de datos. Ante la posibilidad de que se produzcan tiempo de inactividad y errores en el

procesamiento de datos causados por la red de suministro eléctrico, la mayoría de las empresas optan

por utilizar un sistema UPS (sistema de energía ininterrumpible) entre el sistema de la red pública de

distribución de energía y sus cargas de misión crítica. La configuración de diseño del sistema UPS

elegida para una aplicación tiene un impacto directo en la disponibilidad de los equipos informáticos a

los que ese sistema abastece. Hay muchas variables que afectan la disponibilidad de un sistema, entre

ellas los errores humanos, la confiabilidad de los componentes, los cronogramas de mantenimiento y el

tiempo de recuperación. El impacto que cada una de estas variables tiene en la disponibilidad de todo el

sistema queda determinado en gran medida por la configuración elegida.

A lo largo del tiempo, muchos especialistas en diseño intentaron crear la solución perfecta para

abastecer cargas críticas con sistemas UPS, y a estos diseños se les suelen dar nombres que no

necesariamente son indicadores de la disponibilidad que ofrecen. Paralelo redundante, redundante

aislado, redundante distribuido, HotTie, HotSynch, de buses paralelos múltiples, sistema más sistema, y

sistema Catcher son algunos de los nombres que les dieron a diferentes configuraciones de UPS los

especialistas que las diseñaron o los fabricantes que las crearon. El problema con estos términos es

que pueden tener significados diferentes para diferentes personas y pueden interpretarse de muchas

maneras. Aunque las configuraciones UPS que se encuentran en el mercado de hoy son muchas y

variadas, cinco de ellas son las más utilizadas. Estas cinco son: (1) de capacidad, (2) redundante

aislada, (3) paralela redundante, (4) redundante distribuida y (5) sistema más sistema.

En este informe se explican estas configuraciones de sistemas UPS y se analizan los beneficios y

limitaciones de cada una. La configuración de un sistema debe elegirse en función de la criticidad de la

carga. Tener en cuenta el impacto del tiempo de inactividad y la tolerancia a los riesgos de la empresa

ayuda a elegir la configuración de sistema adecuada. Se brindan pautas para seleccionar la

configuración apropiada para una aplicación dada.


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Escala de disponibilidad y costos Disponibilidad

Las posibilidades de las configuraciones UPS evolucionan constantemente gracias a que los

administradores de procesamiento de datos exigen cada vez mayor disponibilidad. La “disponibilidad”

es el porcentaje estimado de tiempo en que la energía eléctrica está presente y funcionando

adecuadamente para abastecer la carga crítica. Un análisis, que se incluye en el Apéndice, cuantifica las

diferencias de disponibilidad entre las configuraciones presentadas en este informe. Como en cualquier

modelo, se deben establecer ciertos supuestos para simplificar el análisis; por lo tanto, los valores de

disponibilidad que se presentarán serán superiores a los estimados para una instalación real. Con el

propósito de comparar las cinco configuraciones de diseño ya mencionadas, en la Tabla 1 se ofrece una

escala sencilla que presenta los valores de disponibilidad de menor a mayor en base a los resultados

que se exponen en el Apéndice. Tras repasar las explicaciones de las diferentes configuraciones, el

ordenamiento mencionado resultará claro.

Niveles Todos los sistemas UPS (y los equipos de distribución eléctrica) requieren tareas de mantenimiento a

intervalos regulares. La disponibilidad de la configuración de un sistema depende de su nivel de

inmunidad a las fallas en los equipos y a la capacidad inherente para admitir la realización habitual de

tareas de mantenimiento y pruebas de rutina mientras se sigue alimentando la carga crítica. El Uptime

Institute analiza este tema con mayor profundidad en un documento titulado: “Las clasificaciones en

niveles de los estándares de la industria definen el rendimiento de la infraestructura del establecimiento”

(Industry Standard Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance)1. Los niveles descritos en

el documento del Uptime Institute abarcan las cinco arquitecturas UPS mencionadas en este informe y

también se muestran en la Tabla 1.

Costo A medida que la configuración asciende en la escala de disponibilidad, el costo también aumenta. La

Tabla 1 muestra rangos de costos aproximados para cada diseño. Estos representan el costo de

construir un nuevo centro de datos e incluyen no solo el costo de la arquitectura UPS, sino la

infraestructura física para redes críticas (NCPI) del centro de datos. La NCPI comprende generador(es),

tablero de transferencia, sistemas de refrigeración, sistema de apagado de incendios, piso elevado,

racks, iluminación, espacio físico y la puesta en marcha de todo el sistema. Estos son solamente los

1 www.upsite.com


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costos iniciales y no incluyen los costos operativos como los de los contratos de mantenimiento. Estos

costos se basan en el supuesto de que se tiene un promedio de 30 pies cuadrados (2,79 metros

cuadrados) por rack, y en un rango de densidades de potencia de entre 2,3 kW a 3,8 kW por rack. El

costo por rack decrecerá a medida que aumente el tamaño del edificio, ya que existirá una mayor

superficie en la cual distribuir los costos y un mayor poder adquisitivo para los fabricantes.

Tabla 1 – Escala de disponibilidad y costos para configuraciones UPS

Configuración Escala de

disponibilidad Nivel

Escala de costo del centro de datos (US$)

De capacidad (N) 1 = la más baja Nivel I US$13.500 - US$18.000 por rack

Redundante aislado 2 Paralelo redundante (N+1) 3

Nivel II US$18.000 - US$24.000 por rack

Redundante distribuido 4 Nivel III US$24.000 - US$30.000 por rack

Sistema más sistema (2N, 2N+1) 5 = la más alta Nivel IV US$36.000 - US$42.000 por rack

¿Qué significa “N”?

Las configuraciones de diseño de UPS suelen describirse con nomenclaturas que incluyen la letra “N”

en una fórmula. Por ejemplo, un sistema paralelo redundante también puede llamarse diseño N+1, y un

diseño de sistema más sistema puede llamarse 2N. “N” puede definirse como la “necesidad” de la

carga crítica. En otras palabras, es la capacidad de potencia requerida para alimentar los equipos

protegidos. Los equipos informáticos como los sistemas RAID (conjunto redundante de discos

independientes) pueden utilizarse para ilustrar el uso de “N”. Por ejemplo, si se necesitan 4 discos para

obtener la capacidad de almacenamiento deseada y el sistema RAID tiene 4 discos, estamos frente a un

diseño N. Por otra parte, si se tienen 5 discos y se necesitan solo 4 para alcanzar la capacidad de

almacenamiento deseada, se trata de un diseño N+1.

Históricamente, ha sido necesario proyectar los requisitos de potencia para la carga crítica pensando en

las instalaciones futuras para permitir que el sistema UPS alimentara cargas por 10 ó 15 años. Quedó

demostrado, y muy justificadamente, que proyectar esa clase de carga es una tarea difícil. En la década

de 1990, se desarrolló el concepto de “vatios/ área cuadrada” para proveer un marco para el análisis y la

comparación de infraestructuras. Esta medida de potencia no suele comprenderse correctamente por el

simple hecho de que no existe consenso con respecto al concepto de área cuadrada. Más

recientemente, con el auge de la compactación de la tecnología, se comenzó a utilizar el concepto de

“vatios/ rack” para referirse a la capacidad del sistema. Se demostró que este parámetro es más

confiable, ya que la cantidad de racks en un lugar determinado es muy fácil de contar.


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Independientemente de cómo se elija la carga “N”, es esencial que se seleccione desde el principio

para que el proceso de diseño transite por el camino correcto.

Hoy existen diseños de sistemas UPS modulares y escalables que permiten aumentar la capacidad de

la UPS a medida que crece la “necesidad” de componentes informáticos. Para más información sobre

este tema, léase el Informe interno de APC N° 37, “Cómo evitar los costos que ocasiona el

sobredimensionamiento de la infraestructura de los centros de datos y las salas de gestión de redes”.

De capacidad o sistema “N” En pocas palabras, un sistema N es un sistema compuesto por un único módulo UPS, o un conjunto de

módulos en paralelo cuya capacidad es igual a la proyección de la carga crítica. Este tipo de sistema es

con mucho la configuración más común en la industria de las UPS. La UPS pequeña de las que se

encuentran bajo un escritorio de oficina es una configuración N. Asimismo, la sala de cómputos de 5000

pies cuadrados (465 metros cuadrados) con una capacidad de diseño proyectada de 400 kW es una

configuración N ya sea que tenga una sola UPS de 400 kW o dos UPS de 200 kW conectadas en

paralelo a un bus común. Una configuración N se puede ver como el requisito mínimo para proveer

protección a la carga crítica.

Aunque los dos ejemplos que acabamos de describir se consideran configuraciones N, los diseños de

los módulos UPS son diferentes. A diferencia de las UPS pequeñas, los sistemas que superan las

capacidades monofásicas (aproximadamente 20 kW) tienen interruptores de bypass estático que

permiten que la carga se transfiera en forma segura a la red eléctrica si el módulo UPS tiene problemas

internos. El fabricante selecciona cuidadosamente los puntos en los cuales la carga de la UPS se

transfiere al bypass estático para proveer la máxima protección posible para la carga crítica, mientras

que al mismo tiempo protege el propio módulo contra las situaciones que podrían dañarlo. El siguiente

ejemplo ilustra una de estas medidas de protección: Es común en las aplicaciones UPS trifásicas que

los módulos tengan regímenes de sobrecarga. Uno de estos regímenes puede especificar que el

“módulo puede soportar el 125% de la carga nominal por 10 minutos”. Una vez que se detecta una

sobrecarga de un 125% de la carga nominal, el módulo comenzará una rutina de medición del tiempo

por la que un reloj interno iniciará una cuenta regresiva de 10 minutos. Cuando expiran los 10 minutos,

si la carga no volvió a los niveles normales, el módulo transferirá la carga en forma segura al bypass

estático. Existen muchos casos en los que se activa el bypass, y se enumeran claramente en las

especificaciones de cada módulo UPS en particular.


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Una manera de mejorar un diseño de configuración N es dotar al sistema de la capacidad de bypass “de

mantenimiento” o “externo”. Un bypass externo permite que todo el sistema UPS (los módulos y el

bypass estático) se apague de manera segura para tareas de mantenimiento cuando es necesario. El

bypass de mantenimiento sale del mismo panel que alimenta a la UPS y se conecta directamente al

panel de salida de la UPS. Por supuesto, este es un circuito que por lo general está abierto y que solo se

puede cerrar cuando el módulo UPS está en bypass estático. Deben tomarse ciertas medidas en la

etapa de diseño para evitar que se cierre el circuito de bypass de mantenimiento cuando la UPS no está

en bypass estático. Cuando se implementa adecuadamente, el bypass de mantenimiento es un

componente importante del sistema, que permite que un módulo UPS se repare en forma segura sin

que sea necesario desconectar la carga.

La mayoría de las configuraciones de sistemas “N”, especialmente aquellas con una carga menor que

100 kW, son instaladas en los edificios sin reparar particularmente en la configuración de los sistemas

eléctricos generales de cada edificio. En general, los sistemas eléctricos de los edificios se diseñan con

una configuración “N”, así que una configuración “N” para un sistema UPS no tiene mayores requisitos

para su alimentación. Se muestra un sistema UPS común de un solo módulo en la Figura 1.

Figura 1 – Configuración UPS “de capacidad” de un solo módulo

Red eléctrica Generador

ATS

UPS de300 kW Bypass

de mantenimiento

PDU

Carga de300 kW


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Ventajas

• Configuración de hardware conceptualmente sencilla, y rentable

• La eficiencia de la UPS es óptima, ya que se la utiliza en su capacidad total

• La disponibilidad es superior a la de la red eléctrica

• Tiene capacidad de expansión si crecen los requisitos de potencia (es posible configurar

varias unidades en la misma instalación. Según el proveedor o fabricante, pueden

instalarse hasta 8 módulos UPS de la misma potencia nominal en paralelo).

Desventajas

• La disponibilidad es limitada cuando ocurre una falla en un módulo UPS, en cuyo caso la

carga se transfiere al bypass, lo que la expone a una fuente de energía no protegida

• Durante el mantenimiento de la UPS, las baterías o los equipos aguas abajo, se expone

la carga a una fuente de energía no protegida (por lo general, esto ocurre por lo menos

una vez al año con una duración de 2 a 4 horas)

• La falta de redundancia limita la protección de la carga contra las fallas de la UPS

• Existen varios puntos de falla únicos, lo que significa que el sistema solo tiene la

confiabilidad de su punto más débil

Redundante aislado A la configuración redundante aislada se la llama a veces sistema “N+1”. Sin embargo, es

considerablemente diferente de una configuración paralela redundante a la que también se llama N+1.

El concepto del diseño redundante aislado no necesita un bus en paralelo ni requiere que los módulos

sean de la misma capacidad, ni siquiera del mismo fabricante. En esta configuración, existe un módulo

UPS principal o “primario” que habitualmente alimenta la carga. La UPS “secundaria” o “de aislación”

alimenta el bypass estático del/los módulo/s UPS principal/es. Esta configuración requiere que el

módulo UPS principal tenga una entrada separada para el circuito de bypass estático. Esta es una forma

de lograr cierto nivel de redundancia en una configuración que anteriormente no era redundante sin tener

que reemplazar la UPS existente en su totalidad. La Figura 2 ilustra una configuración UPS redundante

aislada.

En el caso de funcionamiento normal, el módulo UPS primario soporta la carga crítica total, y el módulo

de aislación no tiene ninguna carga conectada. Ante un evento por el cual la carga del/los módulo/s

primario/s se transfiera al bypass estático, el módulo de aislación acepta la carga total del módulo

primario instantáneamente. El módulo de aislación debe elegirse cuidadosamente para garantizar que


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sea capaz de aceptar la carga rápidamente. De no ser así, podría transferir la carga al bypass estático y

así vulnerar la protección adicional que provee esta configuración.

Se puede realizar el mantenimiento de cualquiera de los dos módulos transfiriendo la carga al otro

módulo. El bypass de mantenimiento sigue siendo una característica de diseño importante, ya que

persiste el punto de falla único en la salida. Debe cerrarse todo el sistema por 2 a 4 horas por año para

el mantenimiento preventivo del sistema. A menudo el incremento de confiabilidad de esta configuración

se ve opacado por la complejidad del tablero de conmutación y los controles asociados. Los consultores

de MTechnology Inc.2, especializados en sistemas de energía eléctrica de alta confiabilidad, llevaron a

cabo un análisis comparativo de confiabilidad. Utilizando las técnicas de análisis probabilístico de riesgo

(PRA), MTech desarrolló modelos cuantitativos para un sistema UPS redundante aislado y para un

sistema no redundante (de capacidad). El análisis del árbol de fallas más básico, que ignora los

factores que contribuyen a las fallas que surgen de los errores humanos, el desgaste de los

componentes y los efectos ambientales, demuestra que el sistema redundante aislado no afecta

materialmente la probabilidad de falla (falta de confiabilidad). Ambos sistemas tienen una falta de

confiabilidad de un 1,8% por año de operación. El modelo redundante aislado tiene 30 modos de falla

(conjunto mínimo de corte) contra los 7 del sistema de capacidad. Mientras que la probabilidad de los 23

modos de falla adicionales es generalmente baja, el análisis ilustra que al agregar complejidad y

componentes adicionales a un sistema invariablemente aumenta la cantidad de modos de falla

posibles. MTech sostiene que cuando se consideran los errores humanos y los efectos del desgaste,

las razones para no elegir un sistema redundante aislado son aun más poderosas. La operación del

sistema redundante aislado es mucho más compleja que la de un sistema no aislado, y la probabilidad

de que se produzcan errores humanos, mucho mayor. Los beneficios de los procedimientos de

mantenimiento preventivos que posibilitan los diseños redundantes aislados no resisten un análisis

cuidadoso. Los que más se benefician con el diseño UPS redundante aislado son aquellos que venden

los equipos originales y los que sacan provecho con el mantenimiento de los módulos UPS adicionales.

Los equipos del cliente no obtienen ningún beneficio de la energía eléctrica con mayor confiabilidad.

2 MTechnology, Inc; 2 Central Street, Saxonville, MA 01701; teléfono: 508-788-6260; fax: 508-788-6233


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Figura 2 – Configuración de UPS redundante aislada

Bypassdeinterrupt .estático

ATS

Bypassdeinterrupt .estático

PDU

LOAD300kW

UPSCatcher de300 kW

UPSprimariade300 kW

Bypass demantenimiento


Carga de300 kW

Ventajas

• La selección de productos es flexible: los productos pueden combinarse con otros de

cualquier marca o modelo

• Brinda tolerancia a las fallas de la UPS

• No se necesita sincronización

• Es relativamente rentable como sistema de dos módulos

Desventajas

• El sistema depende de la operación adecuada del bypass estático del módulo primario

para recibir potencia del módulo de reserva

• Se requiere que los bypass estáticos de ambos módulos UPS funcionen correctamente

para abastecer una corriente tal que exceda la capacidad del inversor


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• El módulo UPS secundario debe ser capaz de controlar un incremento de la carga

repentino cuando el módulo primario transfiere la carga al bypass. (Por lo general, la UPS

secundaria funciona por un largo período de tiempo con 0% de carga; no todos los

módulos UPS pueden realizar esta tarea, lo que hace que la selección del módulo de

bypass sea clave).

• El tablero de conmutación y los controles asociados son complejos y costosos

• Los costos operativos son más elevados, ya que la UPS secundaria tiene una carga de

0%, que consume energía solo para seguir funcionando

• Un sistema de dos módulos (uno primario y uno secundario) requiere por lo menos un

disyuntor adicional que permita elegir entre la red eléctrica y la otra UPS como fuente del

bypass. Es más complejo que un sistema con un bus de carga común e incrementa aun

más el riesgo de errores humanos.

• Dos o más módulos primarios necesitan un circuito especial para posibilitar la selección

del módulo de reserva o la red eléctrica como fuente del bypass (interruptor estático de

transferencia)

• Hay un único bus de carga por sistema, que es un punto de falla único

Paralelo redundante o sistema “N+1” Las configuraciones paralelas redundantes permiten que el sistema tolere la falla de un módulo UPS

único sin que se deba transferir la carga a la red eléctrica. El propósito de las UPS es proteger la carga

crítica de las variaciones y cortes del suministro eléctrico de red. A medida que los datos se vuelven más

críticos y la tolerancia a los riesgos disminuye, el proceso de pasar a un bypass estático o a un bypass

de mantenimiento se percibe como una solución a la que debe recurrirse con una frecuencia aun menor.

Aun así, los diseños de sistemas N+1 deben tener la posibilidad de un bypass estático y la mayoría de

ellos tienen un bypass de mantenimiento, ya que a pesar de todo proveen capacidades clave.

Una configuración paralela redundante está conformada por varios módulos UPS de la misma

capacidad conectados en paralelo a un bus de salida común. El sistema tiene redundancia N+1 si la

capacidad “excedente” de potencia es por lo menos igual a la capacidad de un módulo del sistema; el

sistema tendría redundancia N+2 si la capacidad excedente fuera igual a la de dos módulos del

sistema; y así sucesivamente. Los sistemas paralelos redundantes requieren módulos UPS de la

misma capacidad y del mismo fabricante. El fabricante de los módulos UPS también provee el tablero

para conexiones en paralelo para el sistema. El tablero para conexiones en paralelo puede tener

controladores lógicos que se comuniquen con los módulos UPS individuales, y los módulos UPS se

comunican entre sí para generar una tensión de salida que esté completamente sincronizada. El bus


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paralelo puede tener capacidad de monitoreo para mostrar la carga del sistema y las características de

tensión y corriente para todo el sistema. El bus paralelo también necesita poder mostrar cuántos

módulos tiene conectados y cuántos módulos se necesitan para mantener la redundancia del sistema.

Existen máximos lógicos para el número de módulos UPS que pueden conectarse en paralelo a un bus

común, y este límite es diferente para cada fabricante de UPS. Los módulos UPS de un diseño paralelo

redundante comparten la carga crítica equitativamente cuando el funcionamiento es normal. Cuando uno

de los módulos se retira del bus paralelo para su mantenimiento (o si llegara a colapsar debido a una

falla interna), se necesita que los módulos UPS restantes acepten inmediatamente la carga del módulo

UPS que falló. Esta capacidad permite que cualquier módulo pueda extraerse del bus y repararse sin

que la carga crítica deba conectarse directamente a la red eléctrica.

Para que su sistema sea redundante, la sala de cómputos de 5000 pies cuadrados (465 metros

cuadrados) de la configuración N del ejemplo requeriría dos módulos UPS de 400 kW o tres módulos

UPS de 200 kW conectados en paralelo a un bus de salida común. El tamaño del bus paralelo se

establece en función de la capacidad del sistema sin la redundancia. Así, el sistema compuesto por dos

módulos de 400 kW tendrá un bus paralelo con una capacidad nominal de 400 kW.

En una configuración de sistema N+1, existe la posibilidad de incrementar la capacidad de las UPS a

medida que crece la carga. Deben instalarse controles de capacidad para que cuando el porcentaje de

la capacidad de la instalación alcance cierto nivel se encargue un nuevo módulo redundante (debe

tenerse en cuenta que los plazos de entrega para algunos módulos UPS pueden ser de varias semanas

o incluso meses). Cuanto mayor es la capacidad de la UPS, más difícil puede volverse esta tarea. Los

módulos UPS grandes pesan miles de libras y requieren aparejos especiales para ser ubicados en su

lugar. Por lo general, en la sala de las UPS hay un espacio reservado para estos módulos. Este tipo de

implementación debe estar planificada, ya que ubicar un módulo UPS grande en una sala acarrea

ciertos riesgos.

La eficiencia del sistema puede ser un factor importante a la hora de diseñar sistemas UPS

redundantes. Por lo general, los módulos UPS con una carga ligera son menos eficientes que los

módulos con una carga cercana a su capacidad total. La Tabla 2 muestra la carga operativa típica para

un sistema, utilizando diversos tamaños de UPS que alimentan una carga de 240 kW en todos los

casos. Como puede verse en la tabla, el tamaño de los módulos elegidos para una aplicación particular

puede afectar en gran medida la eficiencia del sistema. La eficiencia de una UPS en particular con

cargas bajas varía de un fabricante a otro, y debe investigarse durante el proceso de diseño.


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Tabla 2 – Configuraciones N+1

Módulos UPS en paralelo

Carga crítica Capacidad total del sistema UPS

Porcentaje de carga por módulo

UPS 2 x 240 kW 240 kW 480 kW 50% 3 x 120 kW 240 kW 360 kW 66% 4 x 80 kW 240 kW 320 kW 75% 5 x 60 kW 240 kW 300 kW 80%

La Figura 3 muestra una configuración paralela redundante de dos módulos típica. Esta figura muestra

que aunque estos sistemas proveen protección contra las fallas de un solo módulo UPS, sigue

existiendo un punto de falla único en el bus paralelo. Como ocurre con la configuración de diseño de

capacidad, es importante contemplar un circuito de bypass de mantenimiento en estos diseños para

permitir que el bus paralelo pueda cerrarse para el mantenimiento periódico.

Figura 3 – Configuración de UPS paralela redundante (N+1)

UPS B de300 kW

ATS


Bypass demantenimiento

PDU

Carga de300 kW

UPS A de300 kW

PrimaryUPS300kW

Ventajas

• Tiene un nivel de disponibilidad más alto que las configuraciones de capacidad debido a

la capacidad extra que puede utilizarse si colapsa uno de los módulos UPS

• Las probabilidades de falla son menores en comparación con las de las configuraciones

redundantes aisladas, ya que esta configuración tiene menos disyuntores, y los módulos

están on line constantemente (no hay cargas escalonadas)


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• Es expandible si aumentan las necesidades de potencia. Es posible configurar varias

unidades en la misma instalación.

• La disposición del hardware es rentable y conceptualmente simple

Desventajas

• Ambos módulos deben ser iguales en cuanto a diseño, fabricante, régimen nominal,

tecnología y configuración

• Sigue teniendo puntos de falla únicos aguas arriba y aguas abajo del sistema UPS

• Durante el mantenimiento de la UPS, las baterías o los equipos aguas abajo, se expone

la carga a una fuente de energía no protegida; por lo general, esto ocurre por lo menos

una vez al año con una duración de 2 a 4 horas

• Los niveles de eficiencia operativa son más bajos, ya que ninguna unidad se utiliza al

100%

• Existe un bus de carga por sistema, que es un punto de falla único

• Los equipos de la mayoría de los fabricantes necesitan interruptores estáticos externos

para compartir la carga equitativamente entre los dos módulos UPS; de lo contrario,

existirá un amplio margen de 15% en la distribución de la carga; este interruptor aumenta

el costo de los equipos y hace que el sistema sea más complejo

• Los equipos de la mayoría de los fabricantes necesitan un panel de bypass de

mantenimiento externo común; este panel aumenta el costo de los equipos y hace que el

sistema sea más complejo

Redundante distribuido Las configuraciones redundantes distribuidas se utilizan muy frecuentemente en el mercado de hoy.

Este diseño se desarrolló a fines de la década de 1990 por iniciativa de una empresa de ingeniería que

deseaba proveer redundancia completa sin el costo que habitualmente se asociaba con esa capacidad.

Como base, este diseño utiliza tres o más módulos UPS con circuitos de entrada y salida

independientes. Los buses de salida independientes se conectan a la carga crítica por medio de

diversas unidades PDU y STS. Desde la entrada de la red eléctrica hasta la UPS, los diseños

redundante distribuido y de sistema más sistema (que se describe en la siguiente sección) son muy

similares. Ambos proveen la capacidad de mantenimiento concurrente y minimizan los puntos de falla

únicos. La diferencia principal es la cantidad de módulos UPS que se necesitan para proveer caminos

de energía redundantes para la carga crítica, y la organización de la distribución desde la UPS hasta la

carga crítica. A medida que crece el requisito de carga, “N”, la cantidad de módulos UPS disminuye, con

el consecuente ahorro de dinero.


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Las Figuras 4 y 5 muestran una carga de 300 kW con dos conceptos de diseño redundante distribuido

diferentes. En la Figura 4 se utilizan tres módulos UPS en un diseño redundante distribuido que también

podría llamarse “sistema Catcher”. En esta configuración, el módulo 3 se conecta a la entrada

secundaria de cada STS y toma la carga ante la falla de cualquiera de los módulos UPS primarios. En

este sistema Catcher, el módulo 3 no suele tener carga.

Figura 4 – Configuración de UPS redundante distribuida “Catcher” Red eléctrica A

Generador

ATS 1

ATS 2

ATS 3

Red eléctrica B

UPS 1 de150 kW

UPS 2 de150 kW

UPS 3 de150 kW

STS 1 STS 2

PDU 1 PDU 2

Carga 1 de100 kW

Carga 2 de100 kW

Carga 3 de100 kW

La Figura 5 muestra un diseño redundante distribuido con tres STS y la carga distribuida en partes

iguales entre los tres módulos durante el funcionamiento normal. La falla de cualquiera de los módulos

fuerza al STS a transferir la carga al módulo UPS que alimenta su fuente alternativa.

Es evidente en ambos casos la diferencia entre la distribución de energía entre cargas de cable doble y

cargas de cable simple. Las cargas de cable doble pueden alimentarse con dos unidades STS,

mientras que las cargas de cable simple solo pueden alimentarse con un único STS. Para las cargas de

cable simple, el STS es un punto de falla único. A medida que la cantidad de cargas de cable simple en

los centros de datos de hoy es cada vez menor, se vuelve más práctico y menos costoso utilizar varios

interruptores de transferencia pequeños en los puntos de uso cercanos a las cargas de cable simple.


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En los casos en los que todas las cargas son de cable doble, esta configuración puede diseñarse sin

unidades STS.

Figura 5 – Configuración de UPS redundante distribuida Red eléctrica A

Generador

ATS 1

ATS 2

ATS 3

Red eléctrica B

UPS 1 de150 kW

UPS 2 de150 kW

UPS 3 de150 kW

STS 1 STS 2

PDU 1 PDU 2

Carga 1 de60 kW

Carga 2 de60 kW

Carga 3 de60 kW

STS 3

PDU 3

Carga 4 de60 kW

Carga 5 de60 kW

Los sistemas redundantes distribuidos se eligen generalmente para instalaciones grandes y complejas

donde se requiere mantenimiento concurrente y muchas o la mayoría de las cargas son de cable

simple. Esta configuración también genera ahorros con respecto a una configuración 2N. Otros factores

relativos a la industria que impulsan el uso de configuraciones redundantes distribuidas son los

siguientes:

Mantenimiento concurrente: la posibilidad de cerrar completamente cualquier componente eléctrico en

particular, o subconjunto de componentes, para su mantenimiento o pruebas de rutina sin que sea

necesario transferir la carga a la red eléctrica.

Punto de falla único: un elemento del sistema de distribución eléctrica que en cierto punto causará

tiempo de inactividad si no se implementa en el sistema un componente con capacidad de bypass. Un

sistema de configuración N se compone esencialmente de una serie de puntos de falla únicos. La

eliminación desde el diseño de los puntos de falla únicos es la clave de la redundancia.


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Interruptor estático de transferencia (STS): un STS tiene dos entradas y una salida. Por lo general toma

energía de dos sistemas UPS diferentes, y provee a la carga energía acondicionada proveniente de una

de ellas. Cuando falla uno de los circuitos de alimentación UPS primarios, el STS transfiere la carga al

circuito de alimentación UPS secundario en unos 4 milisegundos, lo que mantiene la carga con energía

protegida todo el tiempo. Esta tecnología se desarrolló a principios de la década de 1990, y se utiliza

comúnmente en configuraciones redundantes distribuidas.

La debilidad principal de este diseño es el uso de interruptores estáticos de transferencia. Estos

dispositivos son muy complejos y presentan modos de falla inesperados; el peor de esos modos de

falla causa que cada una de las dos entradas provoque el cortocircuito de la otra. En estos casos, el STS

se vuelve un punto de falla único, ya que puede causar la caída de la carga en las dos UPS

simultáneamente. Una falla en un STS puede propagarse aguas arriba y afectar todo el funcionamiento

del sistema. Por esta razón, el diseño “sistema más sistema” descrito en la siguiente sección ofrece

niveles de disponibilidad intrínseca mayores, en particular si los dispositivos de carga admiten la

alimentación redundante por cable doble.

Existen muchas opciones en una configuración STS y STS con varios grados de confiabilidad en el

mercado para considerar. En esta configuración, el STS está delante de la PDU (del lado de los 480

voltios). Esta es una aplicación común. Muchos especialistas creen justificadamente que ubicar el STS

del lado de los 208 voltios de dos PDU es más confiable. Así se configura una aplicación mucho más

costosa que la del STS de 480 voltios; se la analiza con mayor detalle en el Informe interno Nº 48 de

APC: “Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones energéticas redundantes de

montaje en rack”.

Cargas de cable simple: cuando el entorno está compuesto de equipos de cable simple, cada uno de

los equipos informáticos solo puede alimentarse con un STS único o un interruptor de transferencia para

montaje en rack. Acercar el interruptor a la carga es un requisito esencial para lograr un alto nivel de

disponibilidad en arquitecturas redundantes, como se demuestra en el Informe interno Nº 48 de APC. La

utilización de cientos de dispositivos de cable simple con un solo STS grande es un factor de gran

riesgo. La implementación de varios interruptores más pequeños que alimenten porcentajes menores

de las cargas podría mejorar la situación. Además, los interruptores de transferencia para montaje en

rack distribuidos no registran modos de falla que propaguen las fallas aguas arriba hacia los sistemas

de UPS múltiples, como es el caso de los STS más grandes. Por esta razón, el uso de interruptores de

transferencia para montaje en rack se está volviendo más frecuente, particularmente cuando solo una

fracción de la carga es de cable simple. El Informe interno Nº 62 de APC, “Alimentación de equipos de

cable único en un entorno de circuito doble”, expone las diferencias entre los STS y los interruptores de

transferencia de montaje en rack con mayor detalle.


18

Cargas de cable doble: a medida que pasa el tiempo, las cargas de cable doble se van aceptando como

estándar, por lo tanto el uso de los STS no es necesario. Las cargas pueden conectarse simplemente a

dos PDU separadas que se alimentan con sistemas UPS separados.

Sincronización de fuentes diversas: cuando se emplean unidades STS en un centro de datos, es

importante que los circuitos de alimentación de las dos UPS estén sincronizados. Si no se contempla el

control de la sincronización, es posible que los módulos UPS se desfasen, especialmente cuando el

suministro proviene de baterías.

Una solución para evitar una transferencia desfasada es instalar una unidad de sincronización entre los

dos sistemas UPS, lo que permite que las salidas de CA se sincronicen. Esto es particularmente clave

cuando los módulos UPS pierden el suministro de entrada y funcionan con baterías. La unidad de

sincronización asegura que todos los sistemas UPS estén sincronizados constantemente, para que

durante una transferencia en el STS, la energía esté completamente en fase, lo que evita una

transferencia desfasada y el posible daño a los equipos aguas abajo. Por supuesto, al agregar una

unidad de sincronización entre sistemas UPS independientes es posible que se registre un modo de

falla común, es decir, una falla que puede hacer que todos los sistemas UPS dejen de funcionar

simultáneamente.

Ventajas

• Permite el mantenimiento concurrente de todos los componentes si todas las cargas son

de cable doble

• Ahorro de costos en comparación con un diseño 2(N+1) debido a la menor cantidad de

módulos UPS

• Tiene caminos de energía separados para cualquier carga de cable doble que pueda

requerirse que proveen redundancia desde la entrada de la red eléctrica

• Puede realizarse el mantenimiento de los módulos UPS, el tablero de conmutación y otros

equipos de distribución sin transferir la carga al modo de bypass, lo que expondría la

carga a energía no acondicionada. Muchos diseños redundantes distribuidos no incluyen

un circuito de bypass de mantenimiento.

Desventajas

• Es una solución relativamente costosa en comparación con las configuraciones

anteriores, debido al uso generalizado de tableros de conmutación


19

• El diseño se basa en el funcionamiento adecuado de los equipos STS, que representan

puntos de falla únicos y causan modos de falla complejos

• La configuración es compleja; en instalaciones grandes que tienen muchos módulos

UPS, interruptores estáticos de transferencia y PDU, puede ser un verdadero desafío para

los administradores mantener los sistemas con cargas equitativas y saber qué sistema

abastece a cada carga

• Tiene modos de funcionamiento inesperados: el sistema tiene muchos modos de

funcionamiento y existen muchas transiciones posibles entre ellos. Es difícil poner a

prueba todos esos modos en condiciones previstas y de falla para verificar el

funcionamiento correcto de la estrategia de control y de los dispositivos de liberación de

fallas.

• Existen ineficiencias en la UPS debido al funcionamiento habitual con una carga menor a

la total

Redundancia con sistema más sistema Sistema más sistema, buses paralelos múltiples, alimentación dual, 2(N+1), 2N+2, [(N+1) + (N+1)] y 2N

son nomenclaturas que hacen referencia a variaciones de esta configuración. En la actualidad, con este

diseño, es posible crear sistemas UPS que tal vez nunca requieran la transferencia de la carga a la red

eléctrica. Estos sistemas pueden diseñarse para eliminar todos los puntos de falla únicos posibles. Sin

embargo, cuantos más puntos de falla únicos se eliminan, más costoso es implementar el diseño. La

mayoría de las instalaciones con configuraciones de sistema más sistema se encuentran en edificios

independientes diseñados especialmente. No es infrecuente que los espacios que ocupan los

dispositivos de soporte de la infraestructura (salas de distribución eléctrica, UPS, baterías, equipos de

refrigeración, generador y red eléctrica) tengan el mismo tamaño que el espacio que ocupan los equipos

del centro de datos.

Este es el diseño más confiable y el más costoso de la industria. Puede ser muy sencillo o muy

complejo de acuerdo con la visión del especialista y las necesidades del propietario. Aunque se le dio

un nombre a esta configuración, los detalles del diseño pueden variar significativamente, y esto depende

otra vez de la visión y el conocimiento del especialista en diseño responsable de este trabajo. La

variación 2(N+1) de esta configuración, como se ilustra en la Figura 6, se basa en la utilización de dos

sistemas UPS paralelos redundantes. En un caso óptimo, estos sistemas UPS se alimentan con

tableros de conmutación independientes, incluso con redes eléctricas independientes y, en lo posible,

con sistemas de generadores independientes. El elevado costo de construir este tipo de infraestructura

se justifica de acuerdo con la importancia de los procesos que se lleven a cabo en el centro de datos y el


20

costo que provoque el tiempo de inactividad respecto de las operaciones. Muchas de las organizaciones

más grandes del mundo eligen esta configuración para proteger su carga crítica.

Figura 6 – Configuración de UPS 2(N+1)

ATSen rack

UPS 1B de300 kW

ATS

Red eléctricaGenerador

PDU 1

UPS 1A de300 kW

Generador

ATS

UPS 2A de300 kW

UPS 2B de300 kW

PDU 2

Red eléctrica

Carga 1 de100 kW

Carga 2 de100 kW

Carga 3 de100 kW

El costo de esta configuración se ve afectado por las consideraciones del especialista en diseño sobre

“hasta qué punto” deben duplicarse recursos para satisfacer las necesidades del cliente. El concepto

fundamental detrás de esta configuración requiere que cada uno de los equipos eléctricos pueda fallar o

apagarse manualmente sin que sea necesario que la carga crítica se transfiera a la red eléctrica. Son

muy comunes en los d iseños 2(N+1) los circuitos de bypass que permiten que ciertas secciones del

sistema se cierren y se salteen utilizando una fuente alternativa que mantendrá la integridad redundante

de la instalación. Puede verse un ejemplo de este caso en la Figura 6: el circuito que vincula los tableros

de paneles de entrada de las UPS permite que una de las entradas de la red eléctrica se cierre sin que

se necesite cerrar uno de los sistemas UPS. En un diseño 2(N+1), la falla de un solo módulo UPS

simplemente hace que deba retirarse ese módulo del circuito y que los módulos que están conectados

en paralelo con ese tomen la carga adicional.

En el ejemplo que se muestra en la Figura 6, la carga crítica es 300 kW, por lo tanto, el diseño requiere

que se utilicen cuatro módulos UPS de 300 kW, y dos buses paralelos separados para conectar dos

módulos a cada uno. Cada bus alimenta la distribución necesaria para hacer llegar dos caminos


21

separados directamente a las cargas de cable doble. Las cargas de cable simple que se muestran en la

Figura 6 muestran de qué manera puede acercarse la redundancia a la carga con un interruptor de

transferencia. Sin embargo, las arquitecturas de potencia de nivel IV requieren que todas las cargas

sean de cable doble.

Por lo general, las empresas que eligen configuraciones “sistema más sistema” se preocupan más por

contar con alta disponibilidad que por el costo de lograrla. Estas empresas también tienen un gran

porcentaje de cargas de cable doble. Además de los factores que se analizaron en la sección sobre los

sistemas redundantes distribuidos, los factores que llevan a elegir esta configuración son los

siguientes:

Resistencia (confiabilidad): diseño de un sistema, y un edificio, que sea inmune a todas las

inclemencias de la naturaleza y a todos los tipos de fallas “en cascada” que puedan presentarse en los

sistemas eléctricos. La capacidad de aislar y contener una falla; por ejemplo, los dos sistemas UPS no

deben ubicarse en la misma sala, y las baterías no deben estar en la misma sala que los módulos UPS.

La coordinación entre los disyuntores es un componente clave de estos diseños. Una coordinación

adecuada entre los disyuntores puede evitar que los cortocircuitos afecten grandes sectores del edificio.

Hacer que un edificio sea más resistente también conlleva tomar medidas para que sea más inmune a

eventos como huracanes, tornados e inundaciones, de acuerdo con la ubicación del edificio. Algunos

ejemplos de estrategias para crear esta clase de inmunidad son: no ubicar los edificios en zonas que

presentan una tasa de inundaciones anual de 1/100, evitar zonas bajo rutas de vuelo, especificar el uso

de paredes gruesas y eliminar ventanas.

Interruptor estático de transferencia (STS): con el surgimiento de equipos informáticos que admiten la

modalidad de cable doble, pueden eliminarse estos dispositivos, junto con los perjudiciales modos de

falla asociados, lo que produce un incremento significativo en la disponibilidad del sistema.

Cargas de cable simple: para sacar el mayor provecho de los beneficios de redundancia de los diseños

“sistema más sistema”, las cargas de cable simple deben conectarse a interruptores de transferencia

por rack. Los beneficios de esta práctica se muestran en el Informe interno Nº 48 de APC, “Comparación

de la disponibilidad de diversas configuraciones energéticas redundantes de montaje en rack”.

Ventajas

• Los dos caminos de energía hacen que no exis ta ningún punto de falla único; por lo tanto

tiene una alta tolerancia a las fallas


22

• La configuración ofrece redundancia completa desde la entrada de la red eléctrica hasta

las cargas críticas

• En los diseños 2(N+1), sigue existiendo redundancia en la UPS, incluso durante el

mantenimiento concurrente

• Puede realizarse el mantenimiento de los módulos UPS, el tablero de conmutación y otros

equipos de distribución sin transferir la carga al modo de bypass, lo que expondría la

carga a energía no acondicionada

• Es más fácil mantener los sis temas con cargas equitativas y saber qué sistema abastece

a cada equipo

Desventajas

• Es la solución con el costo más alto, debido a la gran cantidad de componentes

redundantes

• La eficiencia en la UPS disminuye debido al funcionamiento habitual con una carga

menor a la completa

• Los edificios convencionales no están bien preparados para grandes instalaciones

“sistema más sistema” de alta disponibilidad que requieran la separación en diferentes

compartimentos de los componentes redundantes

Selección de la configuración adecuada Entonces, ¿cómo elige una empresa la alternativa que más le conviene? Otra vez, las consideraciones

para elegir la configuración apropiada son:

• Costo/ impacto del tiempo de inactividad: ¿cuánto dinero circula por la empresa por

minuto? ¿Cuánto tiempo lleva recuperar los sistemas luego de una falla? La respuesta a

esta pregunta ayudará a orientar el tratamiento del presupuesto. La situación es muy

diferente si la respuesta es US$10.000.000/ minuto o US$1.000.000/ hora.

• Tolerancia a los riesgos: por lo general, las empresas que no experimentaron una falla

importante tienen una tolerancia a los riesgos mayor que las que sí. Las empresas

inteligentes aprenden a partir de lo que las demás empresas en la industria ponen en

práctica. Este proceso se llama “benchmarking” y puede llevarse a cabo de muchas

maneras. Cuanto menos tolerante a los riesgos es una empresa, más necesidad tiene

de operaciones confiables y capacidad de recuperación de desastres.


23

• Requisitos de disponibilidad: ¿cuánto tiempo de inactividad puede tolerar la empresa en

un año típico? Si los sistemas deben funcionar constantemente, debe incluirse en el

presupuesto un diseño de alta disponibilidad. Sin embargo, si el sistema puede cerrarse

todas las noches después de las 10:00 PM y la mayor parte de los fines de semana, la

configuración UPS no necesita un diseño más complejo que el paralelo redundante.

Todas las UPS necesitan mantenimiento en algún momento y los sistemas UPS fallan de

manera periódica y un tanto impredecible. Cuanto menos tiempo se pueda programar

para mantenimiento en el año, más necesarios serán para el sistema los elementos de

un diseño redundante.

• Tipos de cargas (de cable simple vs. de cable doble): las cargas de cable doble

representan una verdadera oportunidad para aprovechar en un diseño la capacidad de

redundancia, pero el concepto del diseño “sistema más sis tema” se creó antes de que

existieran los equipos de cable doble. Sin duda, la industria de fabricación de

computadoras respondió a las necesidades de los clientes cuando comenzaron a

producirse cargas de cable doble. La naturaleza de las cargas dentro del centro de datos

ayudan a orientar las iniciativas de diseño, pero nos es tan definitoria como los otros

factores enumerados.

• Presupuesto: El costo de implementar un diseño 2(N+1) es significativamente mayor, en

todos los aspectos, que el de un diseño de capacidad, un diseño paralelo redundante e

incluso uno redundante distribuido. Como ejemplo de las diferencias de costos para un

centro de datos grande, un diseño 2(N+1) puede requerir treinta módulos de 800 kW

(cinco módulos por cada bus paralelo y seis buses paralelos). Un diseño redundante

distribuido para la misma instalación requiere solamente dieciocho módulos de 800 kW,

lo que implica un ahorro muy considerable.

El diagrama de flujo que se presenta en la Figura 7 es un punto de partida muy útil para seleccionar la

configuración de diseño de sistema UPS correcta para una aplicación en particular. Para diseños con

poca redundancia de componentes o sin redundancia, los períodos de tiempo de inactividad por

mantenimiento no pueden evitarse. Si este tiempo de inactividad es inaceptable, entonces debe

seleccionarse un diseño que permita el mantenimiento concurrente. Siguiendo las preguntas del

diagrama de flujo, puede identificarse el sistema apropiado.


24

Figura 7 – Árbol de decisión para la selección de configuraciones de diseño

¿Los negocios puedentolerarestar sin sistemas12

horas por semestre y24horasanuales paraque se realicen

tareas demantenimiento?

SÍ

NO

¿Los negocios puedentolerarestar sin sistemas 12horas anuales paraque se

realicen tareas demantenimiento?

SÍ

NO

¿Los negocios necesitanredundanciatotal en cada

sistema durante los períodos demantenimiento? SÍNO

De capacidad o sistema"N"

Paralelo redundante osistema "N+1"

Sistema más sistema:2(N+1)Sistema más sistema: 2N


25

Conclusiones La infraestructura energética es clave para la operación exitosa de los equipos de un centro de datos.

Existen diversas configuraciones UPS que pueden implementarse, cada una con sus ventajas y

limitaciones. Si se comprenden las necesidades de disponibilidad, la tolerancia a los riesgos y el

presupuesto de un negocio, es posible seleccionar un diseño adecuado. Como se demuestra en el

análisis incluido en este informe, las arquitecturas 2(N+1) que alimentan cargas de cable doble

directamente proveen la disponibilidad más alta al ofrecer redundancia total y eliminar los puntos de falla

únicos.

Acerca del autor:

Kevin McCarthy es Consultor de Tecnología Senior para APC; trabaja en el Equipo de Especialistas de

Campo. Kevin es Ingeniero en Electricidad egresado de la Ohio State University en 1984, con una

segunda especialización en Ciencias Informáticas. Ha pasado 17 años diseñando centros de datos.

Recientemente, Kevin trabajó para EYP Mission Critical, donde ocupó el cargo de Socio Gerente en las

oficinas de Washington DC. Kevin publicó artículos en importantes publicaciones de la industria y disertó

en 7x24 Conferences y en muchos otros eventos de la industria.


26

Apéndice – Análisis de la disponibilidad Se realiza un análisis de la disponibilidad para cuantificar las diferencias en los niveles de

disponibilidad de las cinco configuraciones que se presentan en este informe. Los detalles de este

análisis se muestran a continuación.

Enfoque basado en el análisis de la disponibilidad

El Centro de Estudios de la Disponibilidad de APC utiliza un enfoque integral basado en el análisis de la

disponibilidad para calcular los niveles de disponibilidad. Ese enfoque utiliza una combinación de dos

modelos, el diagrama de bloques de confiabilidad (RBD) y el de espacio de estado, para ilustrar la

disponibilidad del suministro energético en la salida para estas cinco configuraciones. Los RBD se

utilizan para representar subsistemas de la arquitectura y los diagramas de espacio-estado, también

llamados diagramas de Markov, se utilizan para representar los varios estados en los que puede

ingresar la arquitectura eléctrica. Por ejemplo, cuando la red eléctrica falla, la UPS pasa al modo de

alimentación a batería. Todas las fuentes de datos para el análisis fueron provistas por terceros

reconocidos por la industria como el IEEE y el RAC. Estos niveles estadísticos de disponibilidad se

basan en supuestos validados por separado.

Joanne Bechta Dugan, Ph.D., profesora de la University of Virginia:

“Creo que los análisis son creíbles y la metodología es sólida. La combinación de diagramas de

bloques de confiabilidad (RBD) y modelos de recompensas de Markov (MRM) es una excelente opción

que permite aprovechar la flexibilidad y precisión del MRM y la sencillez del RBD”.

Datos utilizados en el análisis Los datos utilizados para incluir los componentes en el modelo provienen de terceros. En este análisis

se incluyen los siguientes componentes clave:

1. Terminaciones

2. Disyuntores

3. Sistemas UPS

4. Unidades de distribución de energía (PDU)

5. Interruptor estático de transferencia (STS

6. Generador

7. Interruptor automático de transferencia (ATS)

La PDU se divide en tres subcomponentes básicos: disyuntores, transformador reductor y

terminaciones. El subpanel se evalúa en base a un interruptor principal, un disyuntor para el circuito

derivado y terminaciones, todos en serie.


27

Supuestos utilizados en el análisis Es clave que el lector interprete correctamente los valores para la disponibilidad de las cinco

configuraciones. Para llevar a cabo un análisis de la disponibilidad de sistemas complejos, se deben

establecer ciertos supuestos para simplificar el análisis. Por lo tanto, las disponibilidades que se

presentan aquí serán más altas que las que se esperan en una instalación real. La Tabla A1 enumera

los supuestos básicos utilizados en este análisis.

Tabla A1 – Supuestos para el análisis Supuesto Descripción

Tasas de fallas de los componentes

Todos los componentes del análisis poseen una tasa de fallas constante. Este es el mejor supuesto, dado que los equipos serán utilizados solo por un período igual a su vida útil calculada. Si los productos se utilizaran más allá de su vida útil, entonces deberían incluirse aspectos no lineales en la tasa de fallas.

Equipos de reparación Se supone que, para una cantidad “n” de componentes en serie, se dispone de “n” personas en el equipo de reparación.

Los componentes del sistema siguen funcionando

Se supone que todos los componentes del sistema siguen funcionando mientras se reparan los componentes que fallaron.

Independencia de las fallas En estos modelos se supone que las arquitecturas descritas se construyeron de acuerdo con las mejores prácticas de la industria, lo que da como resultado una probabilidad muy baja de fallas por causas comunes y propagación debido al aislamiento físico y eléctrico. Este supuesto no se aplica completamente a las arquitecturas redundantes distribuidas, porque el interruptor estático de transferencia puede causar que dos de las tres UPS fallen, lo que haría colapsar toda la arquitectura. Esta falla por causa común se incluyó en los modelos de las dos arquitecturas redundantes distribuidas.

Tasa de fallas del cableado El cableado entre los componentes dentro de las arquitecturas no se consideró para los cálculos dado que tiene una tasa de fallas demasiado baja para permitir una predicción con certeza y pertinencia estadística. Además, análisis previos demostraron que una tasa de fallas tan baja afecta mínimamente la disponibilidad total. Todavía no se determinó la tasa de fallas para las terminaciones más importantes.

Error humano El tiempo de inactividad debido a los errores humanos no se consideró en este análisis. Aunque la mencionada es una causa significativa del tiempo de inactividad de un centro de datos, el análisis de estos modelos se centra en la comparación de las arquitecturas de las infraestructuras energéticas y en la identificación de las debilidades físicas de estas. Además, no existen datos relacionados con la forma en que los errores humanos afectan la disponibilidad.

La disponibilidad de la energía es la medida clave

Este análisis provee información relacionada con la disponibilidad de la energía. La disponibilidad de los procesos de negocios normalmente será menor, ya que la recuperación de la energía no da como resultado inmediato la recuperación de la disponibilidad de los negocios. Por lo general, los sistemas informáticos tienen un tiempo de reinicio que se suma al tiempo de falta de disponibilidad; el primero no se consideró en este análisis.

Definición de falla basada en el Gold Book del IEEE, estándar 493-1997; práctica recomendada por el IEEE

Cualquier problema con un componente de un sistema energético que cause que se presente cualquiera de estos problemas: — Cierre de la planta parcial o total, o funcionamiento de la planta por debajo de los estándares — Rendimiento inaceptable de los equipos del usuario


28

para el diseño de sistemas energéticos confiables industriales y comerciales

— Operación de los relés eléctricos de protección u operación de emergencia del sistema eléctrico de la planta — Desenergización de circuitos o equipos

Datos sobre tasas de falla y recuperación

La tabla A2 incluye los valores y fuentes de datos de la tasa de fallas

MTTF1

y la tasa de

recuperación

MTTR1

para cada subcomponente, donde MTTF es el tiempo medio entre fallas y

MTTR es el tiempo medio de recuperación.

Tabla A2 – Componentes y valores

Componente Tasa de fallas

Tasa de recuperación

Fuente de datos Comentarios

Red eléctrica sin rectificar

3,887E-003 30,487 EPRI: se reunieron los datos de la red eléctrica y se calculó un promedio ponderado de todos los eventos registrados en la potencia distribuida.

Este dato depende en gran medida de la ubicación geográfica.

Generador con motor Diesel 1,0274E-04 0,25641 Gold Book del IEEE, estándar

493-1997, Página 406

La tasa de falla se basa en las horas operativas. 0,01350 fallas por intento de encendido, de acuerdo con la Tabla 3-4, página 44.

Interruptor automático de transferencia

9,7949E-06 0,17422 Encuesta sobre confiabilidad/ disponibilidad, informe Nº 4489 de ASHRAE

Se utiliza para transferir la fuente eléctrica de la red eléctrica al generador y viceversa.

Terminación, 0-600 V 1,4498E-08 0,26316 Gold Book del IEEE, estándar

493-1997, Página 41 Se utiliza para conectar dos conductores.

6 terminaciones 8,6988E-08 0,26316

6 x valor IEEE Calculado a partir del valor del Gold Book de IEEE, estándar 493-1997, Página 41

Aguas arriba del transformador, hay una terminación por conductor. Como hay 2 sets de terminaciones entre los componentes, se utiliza un total de seis terminaciones.

8 terminaciones 1,1598E-07 0,26316

8 x valor IEEE Calculado a partir del valor del Gold Book de IEEE, estándar 493-1997, Página 41

Aguas abajo del transformador, hay una terminación por cada conductor más el neutro.


29

Como hay 2 sets de terminaciones entre los componentes, se utiliza un total de ocho terminaciones.

Disyuntor 3,9954E-07 0,45455 Gold Book del IEEE, estándar 493-1997, Página 40

Se lo utiliza para aislar componentes del suministro eléctrico para mantenimiento o contención de fallas. Fijo (incluye caja moldeada), 0-600 A

Transformador reductor de la PDU >100 kVA

7,0776E-07 0,00641

El MTBF fue tomado del Gold Book del IEEE, estándar 493-1997, Página 40; El MTTR es el promedio indicado en datos de Marcus Transformer y Square D.

Se lo utiliza para reducir la tensión de entrada de 480 VCA a tensiones de salida de 208 VCA, que son las requeridas para cargas de 120 VCA.

Interruptor estático de transferencia

4,1600E-06 0,16667 Gordon Associates, Raleigh, NC

La tasa de fallas incluye los controles; ASHRAE no proveyó datos sobre la tasa de recuperación para un STS de este tamaño, así que se utiliza el valor del STS de 600-1000 A.

UPS sin bypass 150 kW

3,64E-05 0,125

La tasa de fallas fue tomada de la edición de febrero de 2001 de Power Quality Magazine; la tasa de recuperación se basa en el supuesto de que se necesitan 4 horas para que el personal técnico llegue al establecimiento y 4 horas para reparar el sistema.

UPS sin bypass. El MTBF es de 27.440 horas sin bypass según la “Guía de aplicaciones de sistemas de energía” de MGE.

Modelos de espacio-estado

Se utilizaron modelos de espacio-estado para representar los diversos estados en que pueden

funcionar cada una de las seis arquitecturas. Además de los datos sobre la confiabilidad, se definen

otras variables para el uso dentro de los modelos de espacio-estado (Tabla A3).


30

Tabla A3 – Variables del modelo de espacio-estado

Variable Valor Fuente de datos

Comentarios

PbypassFailSwitch 0,001 Promedio de la industria Probabilidad de que el bypass no pueda transferir la carga a la red eléctrica si falla la UPS.

Pbatfailed 0,001 Gordon Associates, Raleigh, NC

Probabilidad de caída de la carga de la UPS cuando se pasa a alimentación a batería. Incluye los controles.

Tbat 7 minutos La autonomía de la batería es la misma en todas las configuraciones.

Pgenfail_start 0,0135 Gold Book del IEEE, estándar 493-1997, Página 44

Probabilidad de que el generador no encienda. La tasa de falla se basa en las horas operativas. 0,01350 fallas por intento de encendido, de acuerdo con la Tabla 3-4, página 44. Esta probabilidad también tiene en cuenta el ATS.

Tgen_start 0,05278 Promedio de la industria Tiempo que tarda en encender el generador después de un corte de energía. Es igual a 190 segundos.

Descripción del modelo de disponibilidad

El propósito de esta sección es proveer una reseña de cómo se llevó a cabo el análisis para la

configuración “de capacidad”. En las Figuras A1 a A3, se representa el modelo de disponibilidad para la

configuración “de capacidad” de la Figura 1. Los modelos para las configuraciones de UPS restantes se

crearon siguiendo la misma lógica.

La Figura A1 describe la relación en serie entre las partes aguas arriba y aguas abajo de la

configuración “de capacidad”. El bloque “aguas arriba” representa todos los componentes ubicados

entre la red eléctrica y la UPS inclusive. El bloque “aguas abajo” representa todos los componentes

ubicados a continuación de la UPS y hasta el disyuntor de salida del transformador inclusive.

Figura A1 – RBD de nivel superior, que representa los caminos aguas arriba y aguas abajo

A g u a s

a b a j o

A g u a s

a r r i b a

Dentro del bloque “Entrada de energía” está el diagrama de Markov utilizado para calcular la

disponibilidad de los componentes aguas arriba que alimentan los componentes aguas abajo. Los

bloques de la parte superior de la Figura A2 representan los componentes individuales del bypass, el

sistema UPS, el generador, el interruptor automático de transferencia (ATS) y la red eléctrica,


31

respectivamente. Las tasas de falla y recuperación de estos bloques se ingresan en el diagrama de

Markov, que da como resultado la disponibilidad total para todo el bloque “Aguas arriba”.

Figura A2 – Diagrama de Markov para componentes aguas arriba

Bypass Path

λBypassµBypass

UPS System

λUPSµUPS

µUPS

λUPS*PbypassFailSwitch UPS_and_Bypass_Failed

0

µUPS

1/((1/µPower)*λPower/( λPower+λBypass+λUpstream)+(1/µBypass)*λBypass/(λPower+λBypass+λUpstream)+(1/µUpstream)*λUpstream/( λPower+λBypass+ λUpstream))

λUpstream+λPower+λBypass FailedFromBypass

0

λUPS*(1-PbypassFailSwitch)

OnBypass

1

λPower*Pbatfailed

((1-Patsfail_Switch)*(1-Pgenfail_start)*(1/Tgenstart))*(1-R)

µUpstream

1/Tbat

λUpstream*PbatfailedFail_Upstream

0

µPower

µGen

λGen

gen_failed

0

ATS Path

λUpstreamµUpstream

λUpstream*(1-Pbatfailed)

OnBatt_Upstream_Failure

1

Gen Path

λGenµGen

Utility Path

λPowerµPower

µPower

(Pgenfail_start*(1/Tbat)+Patsfail_Switch*(1/Tbat)-(Pgenfail_start*Patsfail_Switch)*(1/Tbat))*(1-R)

µPower*(1-Patsfail_Switch)

((1-Patsfail_Switch)*(1-Pgenfail_start)*(1/Tgenstart))*(1-R)

On_Gen

1

µPower*R

λPower*(1-Pbatfailed)

Failed_NoPower

0

On_Batt

1

Normal1

La Figura A3 representa los componentes que forman el bloque “Aguas abajo” en la Figura A1. Para las

configuraciones redundantes distribuidas (Figuras 4 y 5), el STS se agrega al comienzo de esta cadena

de componentes.


32

Figura A3 – Diagrama de componentes aguas abajo

=0.45455=3.9954e- 007

=0.263158=1.1598e-007

Transformadorsuperior a100 kVA

=0.00641=7.0776e- 007

Disyuntorinferior a

600 A

=0.45455=3.9954e- 007

=0.263158=8.6988e-008

6Terminaciones

inferiores a600 V

µ = 0.263158λ= 8.6988e- 008

6Terminaciones

inferiores a600 V

8Terminaciones

inferiores a600 V

Disyuntorinferior a

600 A

λ λ

λλλ

µ µ

µµµ

Resultados

La tabla A4 ilustra los resultados del análisis para las cinco configuraciones de UPS.

Tabla A4 – Resultados del análisis

Configuración de UPS Número de figura

Disponibilidad

“De capacidad” de módulo simple 1 99,92% Redundante aislada 2 99,93% Paralela redundante (N+1) 3 99,93% Redundante distribuida “Catcher” 4 99,9989% Redundante distribuida 5 99,9994% 2(N+1) 6 99,99997%

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