paralelo redundante

Comparação de configurações de sistemas UPS

Aplicação Técnica nº 75

Por Kevin McCarthy

©2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obtenção de dados sem o consentimento por escrito do proprietário dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0

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Sumário Executivo Há cinco configurações principais de concepção de sistemas UPS que distribuem energia

da rede pública de um edifício para as cargas críticas de um centro de dados. A selecção da

configuração adequada a uma dada aplicação é determinada pelos requisitos de disponibi-

lidade, tolerância de risco, tipos de cargas do centro de dados, orçamento e infra-estruturas

existentes. Neste documento são explicadas as cinco configurações, bem como discutidas

as suas respectivas vantagens e desvantagens. É abordada a questão do impacto da dis-

ponibilidade em cada configuração e são fornecidas directrizes para a escolha da concep-

ção mais adequada.


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Introdução Embora a rede pública de distribuição de electricidade seja bastante fiável na maioria dos países desenvol-

vidos, há estudos que indicam que mesmo os melhores sistemas públicos não são adequados às necessi-

dades de operações fundamentais e contínuas de processamento de dados. A maior parte das empresas,

quando confrontadas com a possibilidade de períodos de inactividade e erros de processamento de dados

provocados por falhas na rede pública, optam por implementar um sistema UPS (Fonte de alimentação

ininterrupta) entre o sistema de energia pública e as cargas críticas da empresa. A configuração de siste-

ma UPS seleccionada para a aplicação tem um impacto directo na disponibilidade do equipamento TI que

suporta. Há uma série de variáveis que afectam a disponibilidade do sistema, como sejam falhas huma-

nas, fiabilidade dos componentes, prazos de manutenção ou tempos de recuperação. O impacto que

cadavariável tem na disponibilidade geral do sistema é determinado, em grande parte, pela configuração

escolhida.

Ao longo dos tempos vários engenheiros tentaram criar a solução UPS perfeita para suportar cargas críti-

cas. Essas concepções têm muitas vezes nomes que não indicam necessariamente onde se inserem no

espectro de disponibilidade. Paralelo Redundante, Montagem em cascata, Redundância distribuída, ‘Hot

tie’, ‘Hot synch’, Múltiplos bus paralelos, Sistema mais Sistema são alguns dos nomes já atribuídos às

diferentes configurações UPS pelos engenheiros que as conceberam ou pelos fabricantes que as criaram.

O problema destes termos é que podem ter significados diferentes de pessoa para pessoa e estão, portan-

to, sujeitos a múltiplas interpretações. Embora haja múltiplas e variadas configurações UPS hoje em dia no

mercado, apenas cinco têm uma aplicação mais generalizada. E são elas respectivamente: (1) Sistema

Simples, (2) Montagem em cascata, (3) Paralelo Redundante, (4) Redundância distribuída e (5) Sistema

mais Sistema.

Este documento descreve essas configurações de sistema UPS e apresenta vantagens e limitações de

cada uma. A configuração de sistema a escolher deve reflectir a criticidade da carga. É recomendável

efectuar uma pré-avaliação do impacto dos períodos de inactividade e da tolerância de risco da empresa,

na hora de seleccionar a configuração mais adequada do sistema mais. São fornecidas directrizes para

seleccionar a configuração mais adequada a uma determinada aplicação.

Escala de disponibilidade e custos Disponibilidade A força motriz por trás do constante desenvolvimento de novas hipóteses de configurações UPS é a cons-

tante e crescente procura de disponibilidade por parte dos gestores de processamento de dados. A “Dispo-

nibilidade” é a percentagem de tempo estimada em que a alimentação eléctrica vai estar operacional e a

funcionar sem problemas no suporte à carga crítica. Uma análise em anexo quantifica as diferenças de

disponibilidade entre as configurações apresentadas no presente documento. Tal como em qualquer


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modelo, é preciso formular hipóteses ou pressupostos para simplificar a análise. Como tal, os valores

de disponibilidade apresentados serão maiores que o esperado para uma instalação real. Para poder

comparar as cinco configurações mais comuns, foi concebida uma escala simples que é apresentada na

Tabela 1 e ilustra a classifica o ranking de disponibilidade, com base nos resultados em anexo. Esta ordem

será bem evidente após a leitura das exposições sobre as diferentes configurações.

Escalões Todos os sistemas UPS (e equipamento de distribuição eléctrica) necessitam de manutenção regular.

A disponibilidade de uma configuração está relacionada com o grau de imunidade a falhas de equipamento

e à capacidade inerente de ser sujeita a manutenção e a testes de rotina, mantendo ao mesmo tempo a

carga crítica. O Uptime Institute aprofunda este tópico num documento entitulado “Industry Standard Tier

Classification Define site Infrastructure Performance”1. Os escalões descritos no documento do Uptime

Institute englobam as 5 arquitecturas UPS mencionadas neste artigo e também estão representados na

Tabela 1.

Custos Quanto melhor classificada estiver a configuração na escala de disponibilidade, maiores são os custos.

A Tabela 1 apresenta intervalos aproximados de custo para cada concepção. Estes custos representam

os gastos de montagem de um novo centro de dados e incluem não só os custos da arquitectura UPS,

como também da Infra-estrutura física crítica de rede (NPCI) completa do centro de dados. Estes consis-

tem em gerador(es), quadro de distribuição, sistemas de arrefecimento, chão falso, extinção de incêndios,

bastidores, iluminação, espaço físico e a interligação de todo o sistema. Estes são apenas os custos ini-

ciais e não incluem custos operacionais, como contratos de manutenção. Estes custos equivalem a uma

média de 2,79 m2 por bastidor e têm por base uma variação de densidade de potência de 2,3 kW/bastidor

a 3,8 kW/bastidor. O custo por bastidor diminui na razão inversa da dimensão do edifício, o que representa

uma maior superfície ocupada para dispersão de custos e um maior poder de compra relativamente aos

fornecedores.

Tabela 1 – Escala de disponibilidade e custos para configurações UPS

Configurações Escala de disponibilidade

Categoria de escalão1

Intervalo de custos de centro de dados (USS)

Sistema Simples (N) 1 = Menor Escalão I € 11.000 - € 14.000/bastidor Montagem em cascata 2 Paralelo Redundante (N+1) 3

Escalão II € 14.000 - € 19.000/bastidor

Redundância distribuída 4 Escalão III € 19.000 - € 24.000/bastidor Sistema mais Sistema 5 = Maior Escalão IV € 28.000 - € 33.000/bastidor

1 www.upsite.com


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O que é “N”? O desenho das configurações UPS é muitas vezes descrito por nomenclaturas que utilizam a letra “N” nos

cálculos. Por exemplo, um sistema redundante paralelo também pode ser designado por sistema N+1 e

uma concepção Sistema mais Sistema também pode ser denominada 2N. “N” pode definir-se simplesmente

como a “necessidade” de carga crítica. Por outras palavras, é a capacidade de potência necessária para

alimentar o equipamento protegido. Pode recorrer-se a equipamento TI, como os sistemas RAID (Conjunto

redundante de discos independentes), para exemplificar a utilização de “N”. Por exemplo, se forem neces-

sários 4 discos para armazenagem e o sistema RAID contiver precisamente 4 discos, chama-se a isto

concepção “N”. Mas se existirem 5 discos de armazenagem para apenas 4 necessários, estamos perante

uma concepção N+1.

Desde sempre que as necessidades de alimentação de carga crítica tiveram de ser previstas para um

espaço de tempo futuro relativamente amplo, para permitir que um sistema UPS pudesse suportar cargas

durante 10 ou 15 anos. Projectar este tipo de carga provou ser uma tarefa difícil e é natural que assim

seja. Nos anos 90, o conceito de “Watts / Área quadrada” foi desenvolvido para proporcionar uma base de

discussão para a comparação de um edifício com outro. Há alguns desentendimentos relativamente a esta

medida de potência, pelo simples facto de ainda não se ter chegado a um consenso quanto ao significado

de área quadrada. Ultimamente, devido à tendência de compactação tecnológica, tem sido mais utilizado

o conceito “Watts / bastidor” para definir a capacidade do sistema. Este demonstrou ser mais fiável, já que

é muito fácil contar o número de bastidores num espaço. Seja qual for o sistema de selecção da carga “N”,

o fundamental é que essa selecção seja feita logo à partida para permitir que o processo de concepção

arranque da melhor maneira.

Neste momento já existem concepções de sistema UPS modulares e redimensionáveis, que permitem que

a capacidade UPS cresça ao ritmo das “necessidades” TI. Para mais informações nesta matéria consulte a

Aplicação Técnica nº 37 “Evitar custos de infra-estruturas sobredimensionadas em centros de dados e salas

de rede”.

Capacidade ou sistema “N” Um sistema N é por definição um sistema com um módulo UPS simples, ou um conjunto em paralelo de

módulos, cuja capacidade é equivalente às previsões de carga crítica. Este tipo de sistema é de longe

o mais comum de todas as configurações na indústria UPS. A pequena UPS por baixo da secretária do

escritório é uma configuração N. Do mesmo modo, uma sala de computadores de 465 m2 com uma capaci-

dade projectada de 400 kW é igualmente uma configuração N, quer seja através de uma UPS única de

400 kW, ou de duas UPS de 200 kW em paralelo com um bus comum. Uma configuração N pode ser

vista como o requisito mínimo para fornecer protecção à carga crítica.


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Embora ambos os exemplos acima descritos sejam considerados configurações N, as concepções UPS

modulares são diferentes. Ao contrário da UPS pequena, os sistemas acima das capacidades monofásicas

(cerca de 20 kW) têm comutadores internos de bypass estático que permitem que a carga seja transmitida

em segurança para a rede pública, se o módulo UPS estiver com problemas internos. As alturas em que

a UPS passa para bypass estático são cuidadosamente definidos pelo fabricante de modo a proporcionar

a máxima protecção à carga crítica e simultaneamente salvaguardar o próprio módulo contra potenciais

danos internos. O exemplo seguinte ilustra uma dessas medidas preventivas: É frequente que os módu-

los de aplicações de UPS trifásicas registem sobrecargas. Num desses registos pode verificar-se que:

“o módulo suporta 125 % da taxa de carga durante 10 minutos.” Uma vez detectada uma sobrecarga de

125 %, o módulo dá início a uma temporização de rotina, com o relógio interno a começar uma contagem

decrescente de 10 minutos. Quando a contagem chega ao fim e caso a carga não tenha voltado a níveis

normais, o módulo transfere a carga em segurança para bypass estático. Há vários cenários em que o

bypass pode ser activado e eles estão claramente descritos nas especificações de cada módulo UPS.

Uma forma de expandir uma concepção de configuração UPS é fornecer ao sistema capacidade de bypass

de “manutenção” ou “externo”. Um bypass externo permitiria que todo o sistema UPS (módulos e bypass

estático) fossem desligados em segurança para manutenção, se e quando este tipo de situação se verifi-

casse. O bypass de manutenção derivaria do mesmo painel que alimenta a UPS e ligaria directamente ao

painel de saída da UPS. Isto, como é óbvio, é um circuito aberto normal que só pode ser fechado quando

o módulo UPS está em bypass estático. É preciso ainda evoluir um pouco em termos de concepção, para

impedir o fecho do circuito de bypass de manutenção quando a UPS não está em bypass estático. Quando

devidamente implementado num sistema, o bypass de manutenção revela-se um componente importante

no sistema, permitindo mexer em segurança no módulo UPS, sem ter de desligar a carga.


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A maior parte das configurações de sistema “N”, especialmente abaixo de 100 kW, são aplicadas em

edifícios sem olhar atentamente à configuração dos sistemas eléctricos gerais dos mesmos. No geral,

os sistemas eléctricos dos edifícios estão desenhados numa configuração “N”, de maneira que uma

configuração UPS “N” não precise de mais do que isso para ser alimentada. Na Figura 1 é apresentada

uma configuração normal de sistema UPS de módulo simples.

Figura 1 – Configuração UPS de “capacidade” de módulo simples

Corrente pública Gerador

ATS

UPS300 kW Bypass de

manutenção

PDU

CARGA300 kW

Vantagens

• Configuração de hardware conceptualmente simples e eficaz em termos de custos

• Eficiência optimizada da UPS, porque é utilizada toda a sua capacidade

• Fornece disponibilidade para além da que deriva da rede pública

• Ampliável no caso de aumento das necessidades de alimentação (É possível configurar

várias unidades na mesma instalação. É possível ter até 8 módulos UPS da mesma classe

em paralelo, consoante o fornecedor ou fabricante.)


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Desvantagens • Disponibilidade limitada no caso de avaria de módulo UPS, já que a carga é transferida para

funcionamento bypass, expondo-a a corrente eléctrica não protegida

• Durante a manutenção da UPS (baterias ou equipamento a jusante), que costuma ter lugar

pelo menos uma vez por ano com uma duração média de 2 - 4 horas, a carga fica exposta a

corrente não protegida

• Ausência de redundância limita a protecção da carga contra avarias da UPS

• Muitos focos individuais de avaria, o que significa que a fiabilidade do sistema é equivalente

à do ponto mais fraco

Montagem em cascata Uma configuração de montagem em cascata é por vezes designada de sistema “N+1”. Contudo, é bastante

diferente de uma configuração redundante em paralelo, que também é designada de N+1. O conceito de

concepção de montagem em cascata não implica bus que estabeleça ligação em paralelo, nem implica que

os módulos tenham a mesma capacidade, ou que provenham sequer do mesmo fabricante. Neste tipo de

configuração há um módulo UPS principal ou “primário”, que por norma alimenta a carga. A UPS de “isola-

mento” ou “secundária” alimenta o bypass estático do(s) módulo(s) UPS principal(ais). A configuração exige

que o módulo UPS primário tenha uma entrada separada para o circuito de bypass estático. Esta é uma

forma de atingir um estado de redundância para uma configuração não redundante, sem ter de substituir

por completo a UPS pré-existente. A Figura 2 mostra uma configuração de UPS redundante isolada.

Num cenário de normal funcionamento, é o módulo UPS primário que transporta toda a carga crítica e o

módulo de isolamento está completamente descarregado. Na eventualidade de a carga do(s) módulo(s)

primário(s) ser transferida para bypass estático, o módulo de isolamento aceitaria imediatamente a carga

total do módulo primário. O módulo de isolamento tem de ser cuidadosamente seleccionado, para garantir

que é capaz de absorver carga com a rapidez exigida. Caso contrário, pode acontecer que ele próprio

tenha de transferir a carga para bypass estático, o que anularia a protecção acrescida facultada por

esta configuração.

O funcionamento pode ser assegurado por qualquer dos módulos, pela simples alternância de carga de

um para o outro. Um bypass de manutenção continua a ser um elemento de concepção importante, já que

os focos individuais de avaria de saída persistem. O sistema tem de ser todo desligado durante 2 - 4 horas

por ano por uma questão de manutenção preventiva de nivelamento do sistema. Os ganhos de fiabilidade

obtidos com esta configuração são muitas vezes ensombrados pela complexidade do comutador e respecti-

vos controlos.


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Figura 2 – Configuração UPS de montagem em cascata

Vantagens • Selecção de produto versátil; os produtos podem ser misturados com outros de qualquer

origem ou modelo

• Proporciona tolerância a avarias da UPS

• Não é necessária sincronização

• Relativamente eficaz em termos de custos para sistema de dois módulos

Desvantagens • Dependente de um funcionamento sem avarias do bypass estático do módulo primário para

receber corrente do módulo de reserva

• Implica funcionamento sem avarias de bypass estático de ambos os módulos UPS para

alimentação, no caso de se ultrapassar a capacidade do inversor

• O módulo UPS secundário tem de ser capaz de suportar um aumento súbito de carga quan-

do o módulo primário passa para bypass. (Esta UPS funcionará, na generalidade, com 0 %

de carga durante muito tempo. Nem todos os módulos UPS conseguem comportar esta tare-

fa, o que faz da selecção do módulo bypass um aspecto vital).


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• Comutador e respectivos controlos complexos e dispendiosos

• Custos operacionais mais elevados devido a carga de 0 % na UPS secundária, que precisa

de energia para se manter a funcionar

• Um sistema de dois módulos (primário e secundário) exige pelo menos um disjuntor suple-

mentar, que permita escolher entre rede pública e qualquer outra UPS como fonte de

bypass. É um sistema mais complexo do que com bus de carga comum

• Dois ou mais módulos primários necessitam de um circuito especial para activar a selecção

do módulo de reserva ou da rede pública como fonte de bypass (Comutador de transferência

estática)

• Bus único de carga por sistema, um foco de avaria

Sistema redundante paralelo ou “N+1” As configurações redundantes paralelas conseguem suportar a avaria de um módulo UPS simples,

sem necessitar de transferir a carga crítica para a rede pública. O objectivo de qualquer UPS é proteger

a carga crítica de variações e cortes de energia na rede pública. Quanto mais importantes são os dados,

e a respectiva tolerância de risco faz diminuir a intenção de recorrer a bypass estático, mais o bypass de

manutenção é visto como algo que deve ser minimizado. As concepções de sistema N+1 mantêm a neces-

sidade de ter capacidade de bypass estático e a maioria delas têm bypass de manutenção, já que conti-

nuam a fornecer capacidades críticas.

Uma configuração redundante paralela consiste em ligar em paralelo a um bus de saída múltiplos módulos

UPS do mesmo tamanho. Os sistemas redundantes paralelos exigem módulos UPS da mesma capacidade

e do mesmo fabricante. O fabricante de módulos UPS também fornece a placa de ligação em paralelo para

o sistema. A placa de ligação em paralelo pode conter lógica que comunique com os módulos UPS indivi-

duais, o que possibilita a comunicação dos módulos entre si, de modo a criar uma voltagem de saída

completamente sincronizada. O bus paralelo pode ter a função monitora de indicar a carga do sistema,

a voltagem do sistema e as características da corrente ao nível de um sistema. O bus paralelo também

tem de registar o número de módulos no bus paralelo e o número de módulos necessários à manutenção

da redundância no sistema. Há um máximo lógico estabelecido para o número de módulos UPS que podem

estar ligados em paralelo a um bus comum e esse limite difere de fabricante para fabricante. Os módulos

UPS numa concepção redundante em paralelo partilham a mesma quantidade de carga crítica em situações

de normal funcionamento. Quando é cortada a ligação de um dos módulos ao bus paralelo, por uma ques-

tão de manutenção (ou no caso de este se auto-excluir por avaria interna), os restantes módulos UPS têm

de estar preparados para acolher de imediato a carga do módulo subitamente ausente. Esta capacidade

permite que qualquer módulo seja desligado do bus paralelo e arranjado, sem que a carga crítica tenha

de ser desviada para rede pública pura.


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Para ser redundante, a sala de computadores de 465 m2 do exemplo de configuração N exigiria a utilização

de dois módulos UPS de 400 kW ou três módulos UPS de 200 kW ligados em paralelo a um bus comum

de saída. O bus paralelo está dimensionado segundo a capacidade não-redundante do sistema. Ou seja,

um sistema equipado com dois módulos de 400 kW teria um bus paralelo com uma capacidade nominal

de 400 kW.

Numa configuração de sistema N+1 existe a possibilidade de aumentar a capacidade da UPS em função

do aumento de carga. Os indicativos de aviso de capacidade devem ser configurados de modo a que seja

encomendado um novo módulo redundante sempre que a percentagem de capacidade atinja um determi-

nado limite, (sabendo à partida que o tempo de entrega de alguns módulos UPS pode demorar semanas

ou mesmo meses). Quanto maior a capacidade da UPS, mais complicada se pode revelar a tarefa. Os

módulos UPS de grandes dimensões podem pesar toneladas e implicam equipamento de instalação espe-

cial para os colocar no sítio. Deve existir por norma uma área reservada na sala UPS para este tipo de

módulo. Este género de instalação tem de ser bem planeada, já que colocar um módulo UPS de grandes

dimensões numa sala acarreta alguns riscos.

A eficiência do sistema pode ser um importante factor a considerar na concepção de sistemas UPS redun-

dantes. Módulos UPS com pouca carga são normalmente menos eficientes do que módulos com carga

mais próxima da sua capacidade total. Na Tabela 2 pode ver-se a carga de funcionamento típica num

sistema com diferentes tamanhos de módulos UPS, todos a fornecerem uma carga de 240 kW. Como se

pode ver pela tabela, o tamanho de módulo escolhido para uma determinada aplicação pode influenciar

bastante a eficiência do sistema. A eficiência de uma dada UPS para pequenas cargas varia de fabricante

para fabricante e deve ser analisada durante o processo de concepção.

Tabela 2 – Configurações N + 1

Módulos UPS em paralelo

Carga crítica Capacidade total do sistema UPS

% 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 %

A Figura 3 representa uma típica configuração redundante paralela de dois módulos. Esta figura mostra

que embora estes sistemas facultem protecção contra avarias de um módulo UPS único, continua a haver

focos de avaria no bus paralelo. Tal como no caso da configuração da concepção de capacidade, é impor-

tante uma avaliação prévia do circuito de bypass de manutenção nestas concepções, de maneira a que o

bus paralelo possa ser desligado periodicamente para inspecção.


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Figura 3 – Configuração UPS de Paralelo Redundante (N+1)

UPS B300 kW

ATS

Corrente pública Gerador

Bypass de manutenção

PDU

CARGA300 kW

UPS A 300 kW

Vantagens

• Maior nível de disponibilidade do que as configurações de capacidade, devido à capacidade

suplementar que pode ser utilizada quando um dos módulos UPS avaria

• Ampliável no caso de aumento de necessidades energéticas É possível integrar múltiplas

unidades na mesma instalação

• A disposição do hardware é teoricamente simples e eficaz em termos de custos

Desvantagens • Ambos os módulos têm de partilhar a mesma concepção, fabricante, classe, tecnologia e

configuração

• Continuam a existir focos individuais de avaria a montante e jusante do sistema UPS

• Durante a manutenção da UPS (das baterias ou do equipamento a jusante), que costuma

ter lugar pelo menos uma vez por ano, com uma duração média de 2 - 4 horas, a carga fica

exposta a corrente não protegida

• Níveis mais baixos de eficiência operacional, porque nenhuma unidade é utilizada a 100 %

• Bus único de carga por sistema, um foco de avaria


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• A maior parte dos fabricantes precisa de recorrer a comutadores estáticos externos para dis-

tribuir a carga equitativamente pelos dois módulos UPS, caso contrário a partilha tem uma

larga margem de diferença de 15 %. Isto aumenta os custos do equipamento e torna-o mais

complicado

• A maioria dos fabricantes precisa de usar um painel externo normal de bypass de manuten-

ção. Isto aumenta os custos do equipamento e torna-o mais complicado

Redundância distribuída As configurações de redundância distribuída já são largamente utilizadas hoje em dia no mercado. Esta

concepção foi desenvolvida no final dos anos 90 por uma empresa de engenharia, que pretendia fornecer

capacidade de redundância total, sem os custos associados à sua execução. A base desta concepção

assenta em três ou mais módulos UPS com alimentadores de entrada e saída independentes. Os bus

de saída independentes estão ligados à carga crítica através de várias PDUs e STS. Da entrada de rede

pública até à UPS, as concepções de redundância distribuída e de Sistema mais Sistema (abordada na

secção seguinte) são bastante semelhantes. Ambas proporcionam manutenção simultânea e minimizam

os focos de avaria. A grande diferença entre elas está na quantidade de módulos UPS necessários para

fornecer circuitos de alimentação redundantes para a carga crítica e na organização da distribuição desde

a UPS até à carga crítica. À medida que aumentam as necessidades de carga “N”, aumenta também a

poupança em termos de quantidade de módulos UPS.

As Figuras 4 e 5 representam uma carga de 300 kW com dois conceitos diferentes de redundância

distribuída. Na Figura 4 utilizam-se três módulos UPS numa concepção de redundância distribuída, que

também pode ser designada de “sistema captor”. Nesta configuração o módulo 3 está ligado à entrada

secundária de cada STS e “capta” a carga no caso de avaria de um módulo UPS primário. No sistema

captor o módulo 3 está por norma descarregado.


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Figura 4 – Configuração UPS de “captura” de redundância distribuída

Corrente pública A

Gerador

ATS 1

ATS 2

ATS 3

Corrente pública B

UPS 1150 kW

UPS 2150 kW

UPS 3150 kW

STS 1 STS 2

PDU 1 PDU 2

CARGA 1100 kW

CARGA 2100 kW

CARGA 3100 kW

A Figura 5 representa uma concepção de redundância distribuída com três STS e com a carga distribuída

irmãmente pelos três módulos durante normal funcionamento. A avaria de um dos módulos obrigaria à

transferência da carga do STS para o módulo UPS que alimentasse a sua fonte alternativa.

É bem visível por estas duas linhas a diferença entre distribuir corrente por cargas de cabos duplos ou

por cargas de cabos simples. As cargas de cabos duplos podem ser alimentadas por duas unidades STS,

enquanto as de cabos simples só podem ser alimentadas por um único STS. Para cargas de cabos simples,

o STS transforma-se num foco de avaria. Como é cada vez mais escasso o número de cargas de cabo

simples nos centros de dados, é também cada vez mais prático e menos dispendioso aplicar uma série de

pequenos comutadores de transferência no local, junto às cargas de cabo simples. Esta configuração pode

ser concebida sem unidades STS, no caso de sistemas só com cargas de cabos duplos.


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Figura 5 – Configuração UPS de redundância distribuída

Corrente pública A

Gerador

ATS 1

ATS 2

ATS 3

Corrente pública B

UPS 1150 kW

UPS 2150 kW

UPS 3150 kW

STS 1 STS 2

PDU 1 PDU 2

CARGA 160 kW

CARGA 260 kW

CARGA 360 kW

STS 3

PDU 3

CARGA 460 kW

CARGA 560 kW

Os sistemas de redundância distribuída são normalmente aplicados em instalações amplas e complexas,

em que a manutenção simultânea é um requisito obrigatório e muitas, ou mesmo a maioria, das cargas são

de cabo simples. As poupanças em relação a 2N também convidam ao uso desta configuração. Os outros

factores que conduzem a uma preferência pela redundância distribuída são os seguintes:

Manutenção simultânea – A possibilidade de desligar por completo qualquer componente eléctrico, ou um

conjunto de componentes, para manutenção ou testes de rotina, sem que a carga tenha de ser transferida

para a rede pública.

Foco individual de avaria – Um elemento do sistema de distribuição eléctrica que em qualquer altura

pode originar períodos de inactividade, se não tiver sido desenvolvido no sistema uma forma de bypass.

Um sistema de configuração N é essencialmente constituído por uma série de focos individuais de avaria.

É, portanto, fundamental eliminá-los de uma concepção para se ter redundância.


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Comutador de transferência estática (STS) – Um STS tem duas entradas e uma saída. Ele recebe normal-

mente corrente de dois sistemas UPS diferentes e fornece a carga com corrente condicionada de um deles.

Quando se avaria um dos alimentadores UPS primários, o STS transfere a carga para o alimentador UPS

secundário no espaço de cerca de 4 milissegundos e assim consegue manter a carga permanentemente

em alimentação protegida. Esta tecnologia foi desenvolvida no princípio dos anos 90 e é frequentemente

utilizada em configurações de redundância distribuída.

O principal ponto fraco desta concepção é o recurso a comutadores de transferência estática. São

dispositivos muito complexos que têm padrões de avaria imprevisíveis, sendo que o pior cenário é quan-

do se avariam de uma maneira que gera um curto-circuito entre as duas entradas. Quando isto acontece,

o STS pode transformar-se num foco de avaria, já que pode fazer com que duas UPS fiquem ao mesmo

tempo sem carga. A avaria de um STS pode propagar-se para montante e afectar o funcionamento de

todo o sistema. É por esta razão que a concepção sistema + sistema descrita na secção seguinte tem

maior disponibilidade base, especialmente se os dispositivos de carga tiverem capacidade de alimentação

redundante com cabos duplos.

Há várias opções de mercado de configurações STS, bem como diferentes graus de fiabilidade STS, a ter

em conta. Nesta configuração o STS aparece primeiro que a PDU (no lado de 480 volts), naquela que é

uma aplicação banal. Muitos engenheiros crêem, e com razão, que colocar STS no lado de 208 volts de

duas PDUs constitui uma aplicação mais fiável. É uma aplicação bastante mais dispendiosa do que a do

STS de 480 volts e é discutida mais pormenorizadamente na Aplicação Técnica nº 48 da APC “Comparação

da disponibilidade de várias configurações de alimentação de bastidores”.

Cargas de cabo simples – Quando o ambiente consiste em equipamento de cabo simples, cada peça de

equipamento TI só pode ser alimentada por um STS simples ou por um comutador de transferência de

montagem em bastidor. Colocar o comutador mais para junto da carga é um pré-requisito para elevada

disponibilidade em arquitecturas redundantes, conforme é demonstrado pela Aplicação Técnica nº 48 da

APC. Instalar centenas de dispositivos de cabo simples num grande e único STS constitui um elevado

factor de risco. Colocar vários comutadores pequenos a alimentar pequenas percentagens de carga,

resolveria este problema. Além disso, os comutadores de transferência de montagem em bastidor assim

distribuídos não revelam os padrões de avaria que alastram falhas a montante para o sistema UPS múltiplo,

como no caso de um grande STS. É por esta razão que a utilização de comutadores de transferência de

montagem em bastidor é cada vez mais comum, especialmente quando só uma pequena porção da carga

é de cabo simples. A Aplicação Técnica nº 62 da APC “Alimentação de equipamento de cabo simples em

ambiente de circuitos duplos” discute pormenorizadamente as diferenças entre STS e comutadores de

transferência de montagem em bastidor.

Cargas de cabos duplos – As cargas de cabos duplos são cada vez mais a norma com o evoluir dos tem-

pos, daí que seja dispensável a utilização de um STS. As cargas podem ser simplesmente ligadas a duas

PDUs separadas, que são alimentadas por sistemas UPS separados.


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Sincronização de fonte múltipla – Quando são instaladas unidades STS num centro de dados, é importante

que as fontes de alimentação das UPS estejam em sincronização. Sem controlo de sincronização pode

acontecer que os módulos UPS fiquem em quadratura, especialmente quando estiverem a ficar sem

bateria.

Uma solução para impedir o cenário em quadratura é instalar uma unidade de sincronização entre os

dois sistemas UPS, permitindo que fiquem sincronizados com a saída CA. Isto é especialmente importan-

te quando os módulos UPS tiverem perdido corrente de entrada e estiverem a funcionar com bateria.

A unidade de sincronização assegura uma sincronia permanente entre todos os sistemas UPS, para

que durante uma transferência no STS a corrente fique 100 % em fase, impedindo uma transferência

em quadratura e possíveis danos no equipamento a jusante. É claro que o acréscimo de uma unidade

de sincronização entre sistemas UPS independentes pode originar uma avaria de padrão comum ou uma

avaria que deite simultaneamente abaixo ambos os sistemas UPS.

Vantagens • Permite manutenção em simultâneo de todos os componentes, se todas as cargas forem de

cabos duplos

• Poupanças de custo versus concepção 2(N+1) devido ao menor número de módulos UPS

• Dois circuitos de alimentação separados num qualquer cenário de cargas de cabos duplos

proporciona redundância de entrada de rede pública

• Pode ser efectuada manutenção em módulos UPS, quadro de distribuição e outro equipa-

mento de distribuição sem ter de transferir a carga para modo bypass, caso contrário a carga

ficaria exposta a alimentação não condicionada. Muitas das concepções de redundância dis-

tribuída não possuem circuito bypass de manutenção

Desvantagens • Solução relativamente dispendiosa a comparar com as configurações anteriores, devido ao

excessivo recurso a quadros de distribuição

• A concepção assenta num normal funcionamento do equipamento STS, o que significa focos

de avaria e padrões de avaria complexos

• Configuração complexa; Em grandes instalações com muitos módulos UPS, bem como

comutadores de transferência estática e PDUs, pode ser problemático em termos de gestão

conseguir manter carga uniforme entre os sistemas e saber que cargas são alimentadas por

que sistemas


18

• Modos de funcionamento inesperados: o sistema tem vários modos de funcionamento e

várias possíveis transições entre eles. É difícil testar todos estes modos em condições pré-

vias e de avaria, para determinar se a estratégia de controlo e se os dispositivos de elimina-

ção de avarias funcionam bem ou não

• Existem ineficiências nas UPS devido à não utilização de carga total durante o normal

funcionamento

Redundância de Sistema mais Sistema Sistema mais Sistema, Bus paralelo múltiplo, Dupla terminação, 2(N+1), 2N+2, [(N+1) + (N+1)] e 2N, são

tudo variações de nomenclatura desta configuração. Com esta concepção é possível criar sistemas UPS

que nunca precisem de transferir a carga para a rede pública. Estes sistemas podem ser desenhados de

maneira a eliminar todo e qualquer potencial foco de avaria. Todavia, quantos mais focos de avaria são

eliminados, mais cara é a implementação da concepção. As maiores instalações de Sistema mais Sistema

estão situadas em edifícios autónomos de concepção especial. Não é invulgar que o espaço ocupado pelas

infra-estruturas de suporte (UPS, bateria, arrefecimento, gerador, rede pública e salas de distribuição) seja

tão grande quanto o ocupado pelo equipamento do centro de dados.

Esta é a concepção mais fiável e mais cara da indústria. Pode ser muito simples ou muito complexa, con-

forme o desenho do engenheiro e os requisitos do dono da empresa. Embora tenha sido atribuído um

nome a esta configuração, há vários aspectos da concepção que podem variar imenso e isso, mais uma

vez, depende da ideia e conhecimento do engenheiro responsável pela concepção. A versão 2(N+1) desta

configuração, tal como aparece na Figura 6, gira em torno da duplicação de sistemas UPS de Paralelo

Redundante. Em condições perfeitas estes sistemas UPS seriam alimentados por quadros de distribui-

ção diferentes, ou até mesmo por correntes públicas diferentes e, possivelmente, por sistemas geradores

diferentes. O elevado custo de construir este tipo de instalação é justificável pela grande importância do

que se faz dentro das paredes do centro de dados e dos prejuízos que representam os períodos de inactivi-

dade. Muitas das grandes organizações mundiais escolheram esta configuração para proteger a carga

crítica.


19

Figura 6 – Configuração UPS 2(N+1)

ATS DEBASTIDOR

UPS 1B300 kW

ATS

Corrente pública

Gerador

PDU 1

UPS 1A 300 kW

Gerador

ATS

UPS 2A300 kW

UPS 2B300 kW

PDU 2

Corrente pública

CARGA 1100 kW

CARGA 2100 kW

CARGA 3100 kW

O custo desta configuração é influenciado pelo grau de “aprofundamento e amplitude” que o engenheiro

responsável pela concepção julga ser necessário para o esforço de duplicação do sistema, de modo a

satisfazer as necessidades do cliente. Esta configuração assenta na ideia base de que qualquer das peças

do equipamento eléctrico pode avariar ou ser desligada manualmente, sem que a carga crítica tenha de ser

transferida para a rede pública. Nas concepções 2(N+1) são vulgares os circuitos bypass, que permitem

que certas secções do sistema sejam desligadas e passadas para uma fonte alternativa que mantenha a

redundância da instalação. É possível ver um exemplo disto mesmo na Figura 6: o circuito de ligação entre

os painéis eléctricos de entrada das UPS vai permitir que uma das entradas de rede pública seja desligada,

sem ser preciso desligar um dos sistemas UPS. Numa concepção 2(N+1) uma avaria de um módulo UPS

não representaria mais do que a saída desse módulo do circuito e na transferência automática da carga

suplementar para os outros módulos em paralelo.

No exemplo apresentado na Figura 6, a carga crítica é de 300 kW, como tal a concepção exige que sejam

fornecidos 4 módulos UPS de 300 kW, dois por cada bus paralelo autónomo. Cada bus distribui a corrente

necessária para alimentar dois circuitos separados que vão directamente para as cargas de cabos duplos.

A carga de cabo simples, presente na Figura 6, mostra como um comutador de transferência consegue

trazer a redundância para mais perto da carga. No entanto, as arquitecturas eléctricas de Escalão IV

exigem que todas as cargas sejam de cabos duplos.


20

As empresas que escolhem configurações Sistema mais Sistema estão geralmente mais preocupadas

em ter elevada disponibilidade, do que propriamente com os custos. Estas empresas também possuem

uma grande percentagem de cargas de cabos duplos. Para além dos factores referidos na secção sobre

redundância distribuída, há ainda outros que contribuem para a escolha desta configuração e que são os

seguintes:

Robustez – Conceber um sistema, e um edifício, que seja imune às catástrofes naturais e ao tipo de avarias

em cadeia que ocorrem nos sistemas eléctricos. A capacidade de isolar e conter uma avaria; por exemplo,

os dois sistemas UPS não ficariam na mesma sala e as baterias não estariam na mesma sala dos módulos

UPS. A coordenação dos disjuntores torna-se num aspecto crítico destas concepções. Uma boa coordena-

ção de disjuntores pode impedir que os curto-circuitos afectem grandes secções do edifício.

Tornar um edifício mais robusto também pode significar torná-lo mais imune a calamidades como ciclones,

tornados e cheias, conforme as necessidades, já que depende da localização do mesmo. Por exemplo,

projectar os edifícios para longe de planícies que tiveram cheias nos últimos 100 anos, evitar locais de

passagem de rotas de aviões e pôr paredes duplas, bem como não pôr janelas, tudo isso ajuda a criar

a tal imunidade.

Comutador de transferência estática (STS) – Com o advento de equipamento TI de cabos duplos fiável, já

é possível eliminar estes dispositivos, bem como os seus indesejáveis padrões de avaria, obtendo com isso

um significativo aumento de disponibilidade no sistema.

Cargas de cabo simples – Para tirar inteiro partido das vantagens de redundância das concepções de

Sistema mais Sistema, as cargas de cabos simples deviam estar ligadas a comutadores de transferência ao

nível do bastidor. As vantagens de efectuar este procedimento estão patentes na Aplicação Técnica nº 48

“Comparação da disponibilidade de várias configurações de alimentação de bastidores”.

Vantagens • Dois circuitos de alimentação separados permitem que não haja focos de avarias; Grande

tolerância a avarias

• A configuração oferece redundância completa desde a entrada de rede pública até às cargas

críticas

• Nas concepções 2(N+1) continua a existir redundância da UPS, mesmo durante manutenção

simultânea

• Pode ser efectuada manutenção em módulos UPS, quadro de distribuição e outro equipa-

mento de distribuição sem ter de transferir a carga para modo bypass, caso contrário a carga

ficaria exposta a alimentação não condicionada

• É mais fácil manter os sistemas uniformemente carregados e saber que cargas são alimen-

tadas por que sistemas


21

Desvantagens • Solução mais dispendiosa devido ao elevado número de componentes redundantes

• Existem ineficiências nas UPS devido à não utilização de carga total durante o normal

funcionamento

• Os edifícios típicos não estão bem preparados para alojar grandes instalações de Sistema

mais Sistema de elevada disponibilidade, que exigem compartimentação de componentes

redundantes

Seleccionar a configuração mais adequada Como é que uma empresa escolhe a opção que lhe é mais indicada? Mais uma vez, os factores a ter em

conta para seleccionar a configuração mais acertada são:

• Custo / Impacto de período de inactividade – Quanto é que a empresa factura por minu-

to, quanto tempo demora a recuperação dos sistemas após avaria? A resposta a esta

pergunta ajuda a calcular um orçamento para submeter a discussão. Se a resposta for

€ 10.000.000/minuto ou € 1.000.000/hora, os termos da discussão serão diferentes.

• Tolerância ao risco – As empresas que nunca tiveram uma avaria grave são normalmente

mais tolerantes ao risco do que as que tiveram. As empresas mais inteligentes aprendem

com o que fazem as outras do mesmo ramo. A isto chama-se “benchmarking” e pode ser

feito de várias formas. Quanto mais intolerante ao risco for uma empresa, mais vontade

interna terá de contar com um sistema fiável e de ter boas capacidades de recuperação

a incidentes.

• Requisitos de disponibilidade – Quanto tempo de períodos de inactividade suporta uma

empresa num ano normal? Se a resposta for “nenhum”, então deve orçamentar-se uma con-

cepção de elevada disponibilidade. Contudo, se a empresa puder estar inactiva durante a

noite depois das 22h, e na maior parte dos fins-de-semana, então a configuração UPS não

precisaria de ser mais elaborada do que uma concepção de Paralelo Redundante. Todas

as UPS vão precisar, mais tarde ou mais cedo, de manutenção e os sistemas UPS têm de

facto avarias pontuais e até certo ponto imprevisíveis. Quanto menos tempo se puder dis-

por durante o ano para manutenção, mais o sistema implica a instalação de elementos de

concepção redundante.


22

• Tipos de cargas (cabos simples vs. duplos) – As cargas de cabos duplos possibilitam uma

verdadeira oportunidade de uma concepção atingir capacidade redundante, mas o conceito

de Sistema mais Sistema foi inventado antes de existir equipamento de cabos duplos.

A indústria de fabrico de computadores ouviu decididamente as preces dos seus clientes,

quando começou a fazer cargas de cabos duplos. A natureza das cargas num centro de

dados ajuda a definir o esforço de concepção, mas é muito menos decisiva do que os facto-

res acima indicados.

• Orçamento – O custo de implementação de uma concepção 2(N+1) é significativamente

maior, em todos os aspectos, do que uma concepção de capacidade, ou de Paralelo Redun-

dante ou até de redundância distribuída. Para exemplificar esta diferença de custos pode

adiantar-se que num grande centro de dados uma concepção 2(N+1) pode exigir 30 módulos

de 800 kW (cinco módulos por bus em paralelo; seis bus em paralelo). Uma concepção de

redundância distribuída para este mesmo tipo de espaço só exige 18 módulos de 800 kw,

o que significa enormes poupanças de custo.

O organigrama apresentado na Figura 7 é útil como ponto de partida para seleccionar a concepção de

sistema UPS mais adequada a uma determinada aplicação. Para concepções com pouca ou nenhuma

redundância dos componentes, devem esperar-se alguns períodos de inactividade para manutenção.

Se for incomportável ter períodos de inactividade, então deve escolher-se uma concepção que permita

manutenção em simultâneo. É possível encontrar o sistema mais adequado aos seus interesses, seguindo

as questões formuladas no organigrama.


23

Figura 7 – Esquema de selecção de configuração


24

Conclusões A infra-estrutura de alimentação é crítica para o bom funcionamento do equipamento de um centro de

dados. Podem implementar-se diferentes tipos de configurações UPS, cada uma com as suas vantagens

e desvantagens. Para melhor escolher a concepção mais adequada a um dado negócio, convém que sejam

previamente determinados os requisitos de disponibilidade, a tolerância ao risco e os tectos orçamentais.

Conforme ficou demonstrado na análise feita neste artigo, as arquitecturas 2(N+1) que alimentem directa-

mente cargas de cabos duplos fornecem a disponibilidade mais elevada, por proporcionarem redundância

completa e eliminarem os focos de avaria.

Acerca do autor: Kevin McCarthy é Consultor sénior de tecnologia da APC e trabalha na equipa de engenharia sedeada no

terreno. Kevin é engenheiro electrotécnico, tendo-se formado em 1984 pela Ohio State University com um

bacharelato em ciências informáticas. Desenvolveu concepções para centros de dados durante 17 anos.

Ultimamente Kevin esteve a trabalhar para a EYP Mission Critical, como Sócio-gerente do escritório da

cidade de Washington. Publicou artigos nas principais publicações deste sector da indústria e discursou

em conferências 7X24 e outros eventos importantes deste ramo.


25

Anexo – Análise de disponibilidade

É feita uma análise de disponibilidade para quantificar as diferenças de disponibilidade entre as cinco

configurações apresentadas nesta nota de aplicação. Os pormenores da análise estão descritos abaixo. Estratégia de análise de disponibilidade O Centro Científico de Disponibilidade da APC usa uma análise de disponibilidade integrada para calcular

os níveis de disponibilidade. Esta estratégia baseia-se na combinação de Diagramas de blocos de fiabilida-

de (RBD) com modelos de Estado Espacial para representar a disponibilidade de alimentação nas toma-

das para estas cinco configurações. Os RBD são utilizados para representar subsistemas de arquitectura,

e diagramas de estado espacial, também denominados diagramas Markov, que são por sua vez utilizados

para representar os vários estados em que a arquitectura eléctrica pode entrar. Por exemplo, quando

o utilitário falha, a UPS transfere para a bateria. Todas as fontes de dados para análise têm como base

instituições autónomas reconhecidas pela indústria, como o IEEE e o RAC. Estes níveis de disponibilida-

de estatística baseiam-se em suposições validadas de forma independente. Joanne Bechta Dugan, Ph.D., Professora na University of Virginia

“A análise feita é, na minha opinião, credível e a metodologia sólida. A combinação de Diagramas de Blocos

de Fiabilidade (RBD) e modelos de recompensa de Markov (MRM) é uma excelente escolha que permite

aliar a flexibilidade e exactidão dos MRM à simplicidade dos RBD.” Dados utilizados na análise Os dados utilizados para modelar os componentes é originário de instituições terceiras. Nesta mesma

análise estão incluídos os seguintes componentes chave:

1. Terminações

2. Disjuntores

3. Sistemas UPS

4. PDU

5. Comutador de transferência estática (STS)

6. Gerador

7. ATS A PDU está subdividida em três componentes básicos: Disjuntores, transformadores-redutores e termina-

ções. O subpainel é avaliado com base num interruptor principal, um disjuntor individual e terminações

todas em série. Hipóteses utilizadas na análise É fundamental que o leitor faça uma correcta interpretação dos valores de disponibilidade das cinco configu-

rações. Para poder efectuar uma análise de disponibilidade de sistemas complexos é preciso formular

hipóteses para simplificar a análise. Como tal, as disponibilidades aqui apresentadas serão mais elevadas

que o esperado para a verdadeira instalação. A Tabela A1 apresenta uma lista das hipóteses mais elemen-

tares utilizadas na análise.


26

Tabela A1 – Hipóteses da análise

Hipótese Descrição Taxas de avaria dos componentes

Todos os componentes em análise exibem uma taxa de avaria constante. Esta é a melhor hipótese, dado que o equipamento é usado unicamente para o período de vida útil para o qual é concebido. Se os componentes fossem usados para além do seu período de vida útil, seria necessário acrescentar a não linearidade à taxa de avaria.

Equipas de reparação Para “n” componentes em série parte-se do princípio que haverá “n” pessoas disponíveis para os reparar.

Componentes do sistema continuam operacionais

Parte-se do princípio que todos os outros componentes do sistema continuam operacionais enquanto as partes avariadas são reparadas.

Independência das avarias Estes modelos partem do princípio que a construção das arquitecturas acima descritas está de acordo com as Melhores Práticas da Indústria. Isto resulta numa probabilidade muito baixa de avarias de origem comum e da sua propagação, devido ao isolamento físico e eléctrico. Esta hipótese não se aplica na totalidade às arquitecturas de redundância distri-buída, porque o Comutador de transferência estática pode fazer com que se avariem duas ou três UPS, o que provocaria uma avaria geral da arquitectura. Esta avaria de origem comum foi modelada para as duas arquitecturas de redundância distribuída.

Taxa de avaria da cablagem As ligações de cabos entre os componentes das arquitecturas não foram incluídas nos cálculos porque têm uma taxa de avaria demasiado baixa para se poder fazer uma previsão exacta e relevante em termos estatísticos. Além disso, estudos anteriores demonstraram que uma taxa de avaria assim tão baixa tem um impacto mínimo na disponibilidade. As maiores terminações foram ainda assim consideradas no cálculo.

Falha humana O período de inactividade devido a falha humana não foi considerado nesta análise. Embora seja um factor significativo de períodos de inactividade em centros de dados, o interesse fulcral destes modelos é comparar arquitecturas de infra-estruturas de alimentação e identificar pontos fracos nessas mesmas arquitecturas. Além disso, não há muitos dados relativos ao impacto das falhas humanas na disponibilidade.

Disponibilidade de alimenta-ção é a medida principal

Esta análise fornece informação relacionada com a disponibilidade de alimentação. A disponibilidade do processo empresarial será normalmente menor porque o retorno de alimentação não resulta de imediato no retorno de disponibilidade empresarial. Os sistemas TI têm normalmente um tempo de reinício que gera indisponibilidade que não é considerada nesta análise.

Definição de avaria segundo IEEE Std 493-1997 (Livro dourado) Práticas recomendadas pelo IEEE para a concepção de sistemas fiáveis de alimenta-ção eléctrica industrial e comercial

Qualquer falha num componente de sistema de alimentação que provoque uma das seguintes coisas: — Encerramento parcial ou total de unidade fabril, ou funcionamento abaixo do padrão

normal — Desempenho inaceitável de equipamento do utilizador — Activação do sistema protector de reserva ou do funcionamento de emergência do

sistema eléctrico da unidade fabril — Desenergização de qualquer circuito eléctrico ou equipamento


27

Taxas de avaria e de recuperação

A Tabela A2 inclui os valores e origem das taxas de avaria ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

MTTF1

e de recuperação ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

MTTR1

para

cada subcomponente, em que MTTF é o Tempo Médio Para Avaria e MTTR é o Tempo Médio Para

Recuperação.

Tabela A2 – Componentes e valores

Componente Taxa de avaria

Taxa de Recuperação

Fonte de dados Comentários

Rede pública 3,887E-003 30,487 EPRI – Foram recolhidos os dados da rede pública e feita uma média ponderada de todos os acontecimentos de corrente de distribuição.

Estes dados estão muito dependentes da localização geográfica.

Gerador de motor diesel

1,0274E-04 0,25641 Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 406

A taxa de avaria é baseada nas horas de manutenção. 0,01350 de avarias por tentativa de arranque pela Tabela 3-4 pg 44

Comutador de transferência automática

9,7949E-06 0,17422 Estudo de fiabilidade / disponibilidade – ASHRAE artigo nº 4489

Utiliza-se para transferir fonte de electricidade da rede pública para o gerador e vice-versa.

Terminação, 0 - 600 V

1,4498E-08 0,26316 Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 41

Utiliza-se para ligar dois condutores.

6 terminações 8,6988E-08 0,26316 6 x o valor IEEE Informatizado a partir de valor do Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 41

A montante do transformador existe uma terminação por condutor. Como há dois conjuntos de terminações entre componentes, são usadas no total seis terminações.

8 terminações 1,1598E-07 0,26316 8 x o valor IEEE Informatizado a partir de valor do Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 41

A jusante do transformador existe uma terminação por condutor, para além do neutro. Como há dois conjuntos de terminações entre componen-tes, são usadas no total oito terminações.

Disjuntores 3,9954E-07 0,45455 Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 40

Utilizam-se para isolar os componentes da alimentação eléctrica para manutenção ou contenção de falhas Fixo (incluindo estojo próprio), 0 – 600 A

Transformador-redutor PDU >100 kVA

7,0776E-07 0,00641 MBTF é do Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 40, MTTR é a média obtida pelos dados da Marcus Transformer e Square D

Utiliza-se para reduzir 480 VCA de entrada para 208 VCA de saída, exigido para cargas de 120 VCA.


28

Componente Taxa de avaria

Taxa de Recuperação

Fonte de dados Comentários

Comutador de transferência estática

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

Taxa de avaria inclui controlos; taxa de recuperação não foi obtida pela ASHRAE para esta dimensão de STS, por isso o valor usado foi entre 600 – 1000 A STS

UPS sem bypass 150 kW

3,64E-05 0,125 Taxa de avaria tirada da Power Quality Magazine, edição Fev 2001, Taxa de recuperação é baseada na suposição de 4 horas para chegada de pessoa e 4 horas para reparar sistema.

UPS sem bypass. MTBF é 27,440 hrs sem bypass segun-do "Guia de aplicações de sistemas de alimentação " da MGE.

Modelos de estado espacial Foram usados modelos de estado espacial para representar os vários estados em que as seis arquitecturas

podem existir. Para além dos dados de fiabilidade, foram definidas outras variáveis a serem usadas nos

modelos de estado espacial (Tabela A3).

Tabela A3 – Variáveis de modelos de estado espacial

Variável Valor Fonte de dados Comentários PavariaLiga-çãoBypass

0,001 Média da indústria Probabilidade de o bypass não conseguir ligação ao utilitário no caso de falha da UPS.

Pfalhabat 0,001 Gordon Associates, Raleigh, NC

Probabilidade de a carga da UPS baixar quando se muda para bateria. Inclui controlos.

Tbat 7 minutos Autonomia de bateria foi igual para todas as configurações.

Pgerfa-lhar_arranque

0,0135 Livro dourado do IEEE Std 493-1997, Página 44

Probabilidade do gerador falhar arranque. A taxa de avaria é baseada nas horas de manutenção. 0,01350 de avarias por tentativa de arranque pela Tabela 3-4 pg 44. Esta probabilidade também tem em conta o ATS.

Tger_arrancar 0,05278 Média da indústria Tempo que o gerador demora a arrancar depois de um corte de energia. Equacionado em 190 segundos.

Descrição de modelo de disponibilidade O objectivo desta secção é fornecer uma visão geral da forma como a análise foi efectuada para a configu-

ração de “capacidade”. Da figura A1 à A3 podem ver-se modelos de disponibilidade para configuração de

“capacidade” da Figura 1. Os modelos para as configurações UPS restantes foram criados segundo a

mesma lógica.


29

A Figura A1 descreve a relação em série entre secções a montante e jusante da "configuração de capaci-

dade". O bloco a ”Montante” inclui tudo o que encontra entre a rede pública e a UPS, inclusive. O bloco a

“Jusante” representa tudo o que aparece depois da UPS, o que inclui todos os componentes até ao disjun-

tor de saída do transformador, inclusive.

Figura A1 – RBD de nível superior que representa os circuitos a montante e jusante

Dentro do bloco “Entrada de alimentação” encontra-se o diagrama de Markov utilizado para calcular a

disponibilidade dos componentes a montante que alimentam os componentes a jusante. Os blocos na parte

superior da Figura A2 representam respectivamente os componentes individuais de Bypass, Sistema UPS,

Gerador, Comutador de transferência automática (ATS) e Rede pública. As taxas de avaria e recuperação

destes blocos alimentam o diagrama Markov, o que resulta em disponibilidade geral para todo o bloco a

“Montante”.


30

Figura A2 – Diagrama Markov de montante

A Figura A3 representa os componentes que constituem o bloco “Jusante” da Figura A1. Para as configu-

rações de redundância distribuída (Figuras 4 e 5), o STS seria adicionado no início desta cadeia de

componentes.

Circuito bypassëBypassìBypass

Sistema UPSëUPSìUPS

ìUPS

ëUPS*PbypassAvarComutAvar__

UPS_e_Bypass 0

ìUPSëMontante+ëAlimentação

+ëBypassFalhaDeBypass 0

ëUPS*(1-PbypassAvarComut)

EmBypass 1

ëAlimentação*Pavariabat

((1-Pavarats_Comutador)*(1-Pavarger_arranque)*(1/Tarranqueger))*(1-R)

ìMontante

1/Tbat

ëMontante*Pavarbat Avar_Montante

0

ìAlimentação

ìGer

ëGer

avaria_ger 0

Circuito ATS

ëMontanteìMontante

ëMontante*(1-Pavarbat)

Avar_NaBat_

Montante 1

Circuito Ger

ëGenìGen

Corrente públicaëPowerìPower

ìAlimentação

(Pavarger_arranque*(1/Tbat)+Pavarats_Comutador*(1/Tbat)-(Pavarger_arranque*Pavarats_Comutador)*(1/Tbat))*(1-R)

ìAlimentação*(1-Pavarats_Comutador)

((1-Pavarats_Comutador)*(1-Pavarger_arranque)*(1/Tarranqueger))*(1-R)

Em_Ger 1

ìAlimentação*R

ëAlimentação* (1-Pavarbat)

Avaria_SemAlimen-

tação 0

Em_Bat 1

Normal

1

1/((1/ìAlimentação)*ëAlimentação/(ëAlimentação+ëBypass+ëMontante)+(1/ìBypass)*ëBypass/(ëAlimentação+ëBypass+ëMontante)+(1/ìMontante)*ëMontante/(ëAlimentação+ëBypass+ëMontante))


31

Figura A3 – Diagrama de jusante

ì=0,45455ë=3,9954e-007

ì=0,263158ë=1,1598e-007

TRANSFORM ACIMA

100 kVA

ì=0,00641ë=7,0776e-007

DISJABAIXO

600 A

ì=0,45455ë=3,9954e-007

ì=0,263158ë=8,6988e-008

6 TERMINAÇS

ABAIXO 600 V

ì=0,263158ë=8,6988e-008

6 TERMINAÇS

ABAIXO 600 V

8 TERMINAÇS

ABAIXO 600 V

DISJABAIXO

600 A

Resultados A Tabela A4 apresenta os resultados da análise para as 5 configurações UPS.

Tabela A4 – Resultados da análise

Configuração UPS Número da figura

Disponibilidade

Configuração UPS de “capacidade” de módulo simples

1 99,92 %

Configuração UPS de montagem em cascata 2 99,93 % Configuração UPS de Paralelo Redundante (N+1) 3 99,93 % Configuração UPS de redundância distribuída “captora”

4 99,9989 %

Configuração UPS de redundância distribuída 5 99,9994 % Configuração UPS 2(N+1) 6 99,99997 %

paralelo redundante

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