Modernizacja systemu UPS w serwerowni w Warszawie objęła diagnostykę dwóch wieloletnich zasilaczy awaryjnych, naprawę jednej jednostki oraz wymianę drugiej na trójfazowy UPS Online Blacktec BT-Q 20K o mocy 20 kVA. Celem prac było odtworzenie skutecznej ochrony zasilania infrastruktury IT, ograniczenie ryzyka niekontrolowanego wyłączenia urządzeń oraz przygotowanie instalacji do bezpiecznej obsługi serwisowej.
W przypadku działającej serwerowni nie można traktować UPS-a jak samodzielnego urządzenia ustawionego między rozdzielnicą a szafą rack. Dlatego zakres realizacji obejmował również baterie, bypass serwisowy, rozłącznik baterii, trasy kablowe, instalację wejściową i wyjściową, pomiary oraz procedurę przyszłego przełączenia odbiorów.
W skrócie
W ramach realizacji wykonaliśmy:
- diagnostykę dwóch eksploatowanych zasilaczy APC UPS,
- wymianę wentylatorów i akumulatorów w jednostce nadającej się do dalszej pracy,
- demontaż wyeksploatowanego UPS-a,
- montaż Blacktec BT-Q 20K o mocy 20 kVA,
- konfigurację trójfazową 3/3,
- instalację zewnętrznego modułu bateryjnego,
- podłączenie 120 akumulatorów 12 V,
- montaż bypassu serwisowego 63 A,
- montaż rozłącznika baterii,
- wykonanie nowych tras kablowych,
- modernizację instalacji zasilającej i odbiorczej,
- konfigurację, uruchomienie i pomiary,
- kontrolę układu ładowania,
- przygotowanie instalacji do bezpiecznego przełączenia odbiorów.
Punkt wyjścia: dwa UPS-y w różnym stanie technicznym
W serwerowni pracowały dwa wieloletnie zasilacze awaryjne APC. Chociaż oba urządzenia należały do tej samej grupy infrastruktury, ich stan techniczny wymagał dwóch różnych decyzji serwisowych.
W pierwszej jednostce stwierdziliśmy zużycie wentylatorów chłodzących oraz kompletu akumulatorów. Jednocześnie główny tor mocy pozostawał sprawny. Dlatego dalsza eksploatacja urządzenia była możliwa po wymianie elementów zużywających się w normalnym cyklu pracy.
Drugi UPS znajdował się w znacznie gorszym stanie. Stopień zużycia urządzenia, jego wiek oraz zakres potencjalnych napraw powodowały, że dalsza modernizacja nie miała uzasadnienia technicznego ani ekonomicznego.
W praktyce wymiana samych baterii nie rozwiązałaby problemu. Pozostałe podzespoły nadal miałyby za sobą wiele lat pracy, a ryzyko kolejnej awarii pozostałoby wysokie. Dlatego rekomendacja obejmowała demontaż urządzenia i zastąpienie go nowym systemem UPS Online VFI.
Modernizacja systemu UPS rozpoczęła się od diagnostyki
Prawidłowa modernizacja systemu UPS nie zaczyna się od wyboru modelu z katalogu. Najpierw trzeba ustalić, które elementy instalacji są sprawne, które wymagają naprawy, a które powinny zostać wymienione.
Podczas diagnostyki wieloletniego UPS-a sprawdzamy między innymi:
- stan akumulatorów,
- napięcia poszczególnych bloków bateryjnych,
- pracę wentylatorów,
- temperaturę wewnątrz urządzenia,
- komunikaty i historię alarmów,
- stan prostownika i falownika,
- działanie bypassu,
- układ ładowania,
- połączenia DC,
- dostępność części zamiennych,
- możliwość bezpiecznego testu pod obciążeniem.
Samo napięcie baterii nie wystarcza do oceny jej stanu. Akumulator może wskazywać prawidłowe napięcie spoczynkowe, a jednocześnie mieć wysoką rezystancję wewnętrzną i bardzo niską pojemność użytkową.
Ponadto należy uwzględnić temperaturę pracy. Dla typowych akumulatorów VRLA punktem odniesienia jest zakres około 20–25°C. Długotrwała praca w wyższej temperaturze przyspiesza proces starzenia, dlatego bateria może utracić zdolność podtrzymania znacznie wcześniej, niż wynikałoby to z samego wieku kalendarzowego.
Dlaczego jeden UPS naprawiliśmy, a drugi wymieniliśmy
Decyzja o naprawie lub wymianie nie powinna opierać się wyłącznie na wieku urządzenia. Znacznie ważniejszy jest rzeczywisty stan toru mocy, dostępność części i koszt przywrócenia pełnej sprawności.
| Kryterium | Naprawa UPS | Wymiana UPS |
|---|---|---|
| Sprawny prostownik i falownik | wskazana | nie zawsze konieczna |
| Zużycie ograniczone do baterii i wentylatorów | uzasadniona | zwykle zbędna |
| Dostępne części zamienne | wymagane | bez znaczenia |
| Powtarzające się alarmy toru mocy | ryzykowna | zalecana |
| Brak możliwości pełnego testu | wymaga oceny | często bezpieczniejsza |
| Wysoki koszt naprawy względem wartości urządzenia | nieopłacalna | uzasadniona |
| Duże ryzyko kolejnej awarii | słaby efekt | ograniczenie ryzyka |
W pierwszym zasilaczu wymieniliśmy wentylatory i komplet baterii. Dzięki temu urządzenie mogło pozostać w eksploatacji.
Natomiast w drugim UPS-ie zakres zużycia był znacznie większy. Dlatego inwestowanie w kolejne naprawy nie dawało wystarczającej pewności dalszej pracy.
Tym samym klient nie poniósł kosztu wymiany obu jednostek. Zamiast tego sprawny technicznie UPS został przywrócony do pracy, natomiast zużyty system zastąpiono nowym urządzeniem.
Modernizacja systemu UPS: Blacktec BT-Q 20K 3/3
W miejsce wyeksploatowanej jednostki zamontowaliśmy Blacktec BT-Q 20K o mocy 20 kVA. Jest to trójfazowy UPS pracujący w konfiguracji 3/3, czyli z trójfazowym wejściem i trójfazowym wyjściem.
Podstawowy zakres konfiguracji obejmował:
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Model UPS | Blacktec BT-Q 20K |
| Moc znamionowa | 20 kVA |
| Konfiguracja | 3 fazy wejście / 3 fazy wyjście |
| Topologia | Online VFI |
| Magazyn energii | zewnętrzny moduł bateryjny |
| Liczba akumulatorów | 120 × 12 V |
| Bypass serwisowy | 63 A |
| Rozłącznik baterii | zastosowany |
Dobór UPS-a nie może opierać się wyłącznie na sumie mocy znamionowych urządzeń w szafach rack. Dlatego przy projektowaniu należy uwzględnić również moc czynną, moc pozorną, współczynnik mocy PF, asymetrię obciążenia faz oraz planowany rozwój infrastruktury.
Modernizacja systemu UPS a współczynnik PF
PF, czyli power factor, określa relację między mocą czynną wyrażoną w kW a mocą pozorną wyrażoną w kVA.
Przykładowo odbiorniki pobierające 12 kW przy PF równym 0,8 wymagają 15 kVA mocy pozornej. Dlatego ocena wyłącznie na podstawie wartości kW może prowadzić do błędnego doboru UPS-a.
W serwerowni warto dodatkowo sprawdzić rozkład obciążenia między fazami. Duża asymetria może powodować, że jedna faza osiągnie granicę obciążenia wcześniej, mimo że całkowita moc systemu nadal będzie wyglądała na bezpieczną.
Dlaczego zastosowaliśmy UPS Online VFI
Blacktec BT-Q 20K pracuje w topologii Online VFI. Oznacza to, że napięcie zasilające odbiorniki jest stale przetwarzane przez prostownik i falownik.
Tor energii wygląda następująco:
sieć zasilająca → prostownik → szyna DC → falownik → odbiorniki
Dzięki temu serwery i urządzenia sieciowe nie są zasilane bezpośrednio z sieci. UPS stabilizuje napięcie i częstotliwość, natomiast podczas zaniku zasilania energia jest pobierana z baterii bez przerwy przełączeniowej.
Offline, Line Interactive i Online VFI – różnice
| Technologia | Sposób pracy | Czas przełączenia | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Offline | odbiornik zwykle pracuje bezpośrednio z sieci | kilka milisekund | stanowiska robocze, proste urządzenia |
| Line Interactive | stabilizacja napięcia i przełączenie na falownik | kilka milisekund | małe systemy IT, pojedyncze serwery |
| Online VFI | stałe podwójne przetwarzanie energii | praktycznie 0 ms | serwerownie, telekomunikacja, infrastruktura krytyczna |
W serwerowni Online VFI jest rozwiązaniem właściwym, ponieważ eliminuje moment przełączania między siecią a falownikiem. Ponadto ogranicza wpływ zapadów napięcia, zmian częstotliwości i części zakłóceń sieciowych.
Warto również zwrócić uwagę na parametr THDi, czyli zawartość harmonicznych prądu pobieranego przez UPS. Niski THDi zmniejsza obciążenie instalacji, transformatorów i przewodu neutralnego. Jednak konkretna wartość powinna być zawsze potwierdzona w dokumentacji technicznej wybranego modelu oraz sprawdzona w odniesieniu do instalacji obiektu.
120 akumulatorów 12 V i zewnętrzny moduł bateryjny
Nowy UPS został połączony z zewnętrznym modułem bateryjnym, w którym zastosowano 120 akumulatorów 12 V.
W przypadku takiego układu poprawne wykonanie obwodu DC ma kluczowe znaczenie. Dlatego należy uwzględnić nie tylko liczbę baterii, lecz także:
- konfigurację stringów,
- napięcie całego łańcucha,
- przekroje przewodów,
- zabezpieczenia zwarciowe,
- spadki napięcia,
- momenty dokręcenia połączeń,
- rozłącznik baterii,
- temperaturę otoczenia,
- dostęp serwisowy,
- równomierność parametrów poszczególnych bloków.
Nie należy łączyć w jednym stringu baterii o różnym wieku, różnej pojemności lub pochodzących z różnych serii produkcyjnych. W praktyce najsłabszy akumulator ogranicza wydajność całego łańcucha.
Czas autonomii nie wynika wyłącznie z liczby baterii
Czas autonomii zależy od kilku parametrów:
- rzeczywistego obciążenia w kW,
- napięcia magistrali DC,
- liczby i pojemności baterii,
- temperatury,
- wieku akumulatorów,
- sprawności UPS-a,
- końcowego napięcia rozładowania.
Dlatego liczba 120 akumulatorów nie pozwala sama w sobie określić czasu podtrzymania. W tym celu potrzebne są dane o pojemności Ah oraz rzeczywistym obciążeniu odbiorów.
Na etapie projektowania można skorzystać z kalkulatora doboru UPS i czasu podtrzymania. Jednak końcowa konfiguracja powinna zostać zweryfikowana na podstawie charakterystyk rozładowania producenta baterii.
VRLA czy Li-Ion
W modernizowanych systemach UPS stosuje się głównie baterie VRLA lub Li-Ion, w tym technologię LiFePO4.
| Cecha | VRLA | Li-Ion / LiFePO4 |
|---|---|---|
| Koszt początkowy | niższy | wyższy |
| Masa | większa | mniejsza |
| Żywotność cykliczna | ograniczona | wyższa |
| Tolerancja temperatury | umiarkowana | zależna od systemu BMS |
| Monitoring | podstawowy lub opcjonalny | rozbudowany BMS |
| Zastosowanie | standardowe instalacje UPS | obiekty z ograniczoną przestrzenią i wysokimi wymaganiami |
W tej realizacji zastosowano system oparty na akumulatorach 12 V. Natomiast przy kolejnych modernizacjach warto porównać koszt całego cyklu życia VRLA z rozwiązaniami LiFePO4, szczególnie gdy istotne są masa, przestrzeń i częstotliwość wymiany baterii.
Bypass serwisowy 63 A
Istotnym elementem modernizacji był zewnętrzny bypass serwisowy 63 A.
Bypass pozwala zasilić odbiorniki z pominięciem UPS-a. Dzięki temu można odłączyć urządzenie do przeglądu, naprawy lub wymiany bez wyłączania chronionej infrastruktury.
Należy jednak rozróżnić:
- bypass statyczny – wewnętrzny element UPS-a, który automatycznie przejmuje obciążenie w określonych stanach,
- bypass serwisowy – zewnętrzny układ umożliwiający fizyczne odseparowanie UPS-a od instalacji.
Brak bypassu serwisowego może oznaczać, że każda poważniejsza naprawa wymaga wyłączenia serwerów. Natomiast prawidłowo wykonany bypass pozwala prowadzić prace w kontrolowanym trybie.
Jednocześnie samo przełączenie na bypass powinno odbywać się według procedury. Błędna kolejność operacji może doprowadzić do zwarcia między źródłami lub przerwy w zasilaniu.
Modernizacja instalacji zasilającej i odbiorczej
Nowy UPS wymagał dostosowania instalacji elektrycznej. Dlatego wykonaliśmy nowe trasy kablowe, połączenia wejściowe i wyjściowe, obwód baterii oraz podłączenie bypassu.
Zakres prac obejmował:
- demontaż wyeksploatowanych elementów,
- przygotowanie miejsca montażu,
- wykonanie nowych tras przewodów,
- podłączenie zasilania trójfazowego,
- podłączenie odbiorów gwarantowanych,
- wykonanie połączeń DC,
- montaż rozłącznika baterii,
- kontrolę przewodów ochronnych,
- sprawdzenie kolejności faz,
- opisanie elementów instalacji.
W praktyce nowy UPS nie kompensuje błędów istniejącej instalacji. Zbyt mały przekrój przewodu, źle dobrane zabezpieczenia albo nieprawidłowa kolejność faz mogą powodować alarmy i problemy z uruchomieniem.
Dlatego modernizacja systemu UPS powinna obejmować cały tor zasilania, a nie tylko samą jednostkę mocy.
Uruchomienie, konfiguracja i pomiary
Po zakończeniu prac instalacyjnych wykonaliśmy konfigurację oraz uruchomienie systemu.
Sprawdziliśmy między innymi:
- napięcia wejściowe,
- napięcia wyjściowe,
- kolejność faz,
- pracę prostownika,
- pracę falownika,
- układ ładowania baterii,
- komunikaty na panelu UPS,
- połączenia modułu bateryjnego,
- działanie bypassu,
- gotowość instalacji do przełączenia odbiorów.
Samo uruchomienie UPS-a bez odbiorów nie zamyka realizacji. Dlatego instalacja została przygotowana do kontrolowanego przełączenia urządzeń gwarantowanych.
W działającej serwerowni termin przełączenia powinien być uzgodniony z administratorem. Należy również przygotować plan awaryjny, kolejność odbiorów i procedurę powrotu do poprzedniego stanu.
Monitoring SNMP i dalsza obsługa systemu
W tej realizacji podstawowy zakres obejmował modernizację toru zasilania. Jednak w kolejnych etapach warto również rozważyć monitoring SNMP.
Karta SNMP może przekazywać do systemu nadzoru informacje o:
- zaniku napięcia,
- pracy bateryjnej,
- niskim poziomie baterii,
- przeciążeniu,
- przejściu na bypass,
- temperaturze,
- alarmach urządzenia,
- planowanym zamknięciu serwerów.
Dzięki temu administrator otrzymuje informację o problemie bez konieczności fizycznego sprawdzania panelu UPS-a.
Ponadto monitoring powinien zostać zintegrowany z procedurą eskalacji. Sam e-mail z alarmem nie wystarczy, jeżeli nikt nie reaguje poza godzinami pracy.
Więcej materiałów technicznych dotyczących UPS, baterii i infrastruktury krytycznej znajduje się w czytelni AL Projekt.
Redundancja N+1 – kiedy należy ją rozważyć
W opisywanym obiekcie modernizacja objęła dwa funkcjonujące systemy UPS. Nie oznacza to jednak automatycznie pełnej redundancji N+1.
N+1 oznacza, że system ma jeden dodatkowy moduł ponad liczbę potrzebną do obsługi całego obciążenia. Przykładowo, jeżeli do zasilenia serwerowni potrzebne są dwa moduły, instalacja N+1 wykorzystuje trzy.
Redundancja powinna obejmować nie tylko UPS-y, lecz także:
- rozdzielnice,
- bypassy,
- baterie,
- trasy kablowe,
- listwy PDU,
- zasilacze urządzeń IT.
Jeżeli dwa UPS-y zasilają tę samą pojedynczą linię bez niezależnych torów, rzeczywista odporność na awarię może być ograniczona.
Dlatego przy projektowaniu redundancji trzeba przeanalizować cały tor od rozdzielnicy głównej do zasilaczy serwerów.
Efekt techniczny modernizacji
Po zakończeniu prac serwerownia otrzymała:
- odnowiony UPS APC po wymianie wentylatorów i baterii,
- nowy UPS Online Blacktec BT-Q 20K,
- zewnętrzny moduł bateryjny,
- 120 akumulatorów 12 V,
- bypass serwisowy 63 A,
- rozłącznik baterii,
- nowe połączenia zasilające i odbiorcze,
- instalację przygotowaną do przełączenia odbiorów.
Najważniejszym rezultatem nie była sama wymiana urządzenia. Odtworzony został kompletny tor zasilania gwarantowanego, który obejmuje UPS, baterie, zabezpieczenia, bypass oraz instalację elektryczną.
Dzięki temu ograniczono ryzyko awarii wynikającej z dalszej eksploatacji zużytego sprzętu. Ponadto przygotowano system do przyszłych prac serwisowych.
Wnioski z realizacji
Ta modernizacja systemu UPS pokazuje, że nie zawsze należy wymieniać wszystkie urządzenia. Czasami rozsądniejszym rozwiązaniem jest naprawa jednostki, której tor mocy pozostaje sprawny, oraz wymiana urządzenia, którego dalsza eksploatacja wiąże się z nadmiernym ryzykiem.
Jednocześnie dobór nowego UPS-a powinien uwzględniać:
- rzeczywiste obciążenie,
- współczynnik PF,
- asymetrię faz,
- czas autonomii,
- typ baterii,
- warunki termiczne,
- bypass serwisowy,
- monitoring,
- późniejszy serwis,
- możliwość rozbudowy.
W rezultacie klient otrzymał rozwiązanie dopasowane do stanu infrastruktury, a nie tylko nowe urządzenie o określonej mocy.
FAQ – modernizacja systemu UPS
Kiedy należy wymienić UPS zamiast go naprawiać?
Wymiana jest uzasadniona, gdy zużycie obejmuje główny tor mocy, części zamienne są niedostępne, awarie powtarzają się lub koszt naprawy jest wysoki względem wartości urządzenia. Ponadto należy uwzględnić ryzyko awarii pozostałych podzespołów.
Czy wymiana baterii wystarczy do przywrócenia sprawności starego UPS-a?
Nie zawsze. Jeżeli falownik, prostownik, wentylatory, kondensatory lub bypass są zużyte, wymiana baterii może poprawić czas podtrzymania, ale nie usunie innych zagrożeń.
Dlaczego do serwerowni stosuje się UPS Online VFI?
UPS Online VFI stale przetwarza energię przez prostownik i falownik. Dzięki temu podczas zaniku zasilania nie występuje przerwa przełączeniowa, co ma znaczenie dla serwerów, macierzy i urządzeń sieciowych.
Do czego służy bypass serwisowy?
Bypass serwisowy pozwala zasilić odbiorniki z pominięciem UPS-a. Dzięki temu urządzenie można odłączyć do przeglądu lub naprawy bez wyłączania chronionej infrastruktury.
Od czego zależy czas podtrzymania UPS-a?
Czas autonomii zależy od obciążenia, pojemności baterii, napięcia stringu, sprawności UPS-a, temperatury i wieku akumulatorów. Sama liczba baterii nie wystarcza do jego wyliczenia.
Jak często należy serwisować UPS?
Standardowo przegląd wykonuje się co najmniej raz w roku. Jednak w serwerowniach o wysokiej krytyczności zalecane są częstsze kontrole baterii, temperatury i historii alarmów.
Czy dwa UPS-y oznaczają redundancję N+1?
Nie. Redundancja zależy od konfiguracji całego systemu. Trzeba sprawdzić, czy awaria jednego UPS-a nie spowoduje utraty zasilania oraz czy istnieją niezależne tory zasilające odbiorniki.
Potrzebujesz ocenić stan systemu UPS?
Wieloletni UPS może pracować bez aktywnego alarmu, a jednocześnie nie zapewniać wymaganego czasu podtrzymania. Dlatego przed kolejną wymianą baterii warto sprawdzić cały tor mocy, bypass, chłodzenie i instalację elektryczną.
AL Projekt wykonuje przeglądy, modernizacje, pomiary, montaż i serwis systemów zasilania gwarantowanego dla serwerowni, Data Center, telekomunikacji, przemysłu oraz infrastruktury krytycznej.
Rozwiązania UPS Online, trójfazowe systemy Blacktec oraz konfiguracje bateryjne można również sprawdzić na stronie Blacktec i w platformie B2B AL Projekt.
