Расчет мощности ИБП для ЦОД: кВт, кВА, PF, запас и резервирование

ИБП для ЦОД нельзя выбирать только по мощности в кВт. Нужно одновременно проверить кВт и кВА, учесть коэффициент мощности PF, перспективный рост нагрузки и требуемое резервирование.

Например, при нагрузке 240 кВт и PF = 0,95 полная мощность составит 252,6 кВА. ИБП 250 кВт / 250 кВА по активной мощности подходит, а по полной – уже нет.

Еще одна частая ошибка – считать запас 20% эквивалентом N+1. Запас нужен для роста нагрузки, а N+1 – для работы после отказа резервируемого элемента.

Что нужно знать для расчета

Для предварительного расчета нужны четыре исходных параметра:

• расчетная активная нагрузка P, кВт;
• коэффициент мощности PF;
• ожидаемый рост нагрузки;
• схема резервирования N, N+1, N+2 или 2N.

Основная формула:

S = P / PF

где P – активная мощность, кВт; S – полная мощность, кВА; PF – коэффициент мощности нагрузки.

При выборе ИБП одновременно проверяют:

PИБП ≥ Pрасч

SИБП ≥ Sрасч

1. Определить расчетную нагрузку

В расчет включают оборудование, которое должно сохранять питание при нарушении внешнего электроснабжения:

• серверы и СХД;
• сетевое и телекоммуникационное оборудование;
• автоматику;
• критичные системы мониторинга;
• другие защищаемые потребители, предусмотренные проектом.

Для действующего ЦОД предпочтительны фактические измерения в характерных режимах работы. Для нового объекта используют проектные нагрузки оборудования и стоек.

Номиналы резервированных блоков питания серверов нельзя автоматически суммировать. Два PSU по 1600 Вт не означают, что сервер постоянно потребляет 3200 Вт – расчет ведут по фактическому или проектному потреблению оборудования.

СП 541.1325800.2024 предусматривает подключение к системе бесперебойного питания критичных нагрузок ИТ-оборудования, автоматики и слаботочных систем. Дополнительные нагрузки определяются заданием на проектирование.

2. Перевести кВт в кВА

Полная мощность рассчитывается через PF:

S = P / PF

Если расчетная нагрузка составляет 240 кВт, а PF = 0,95:

S = 240 / 0,95 = 252,6 кВА

Следовательно, ИБП должен обеспечивать не менее 240 кВт / 252,6 кВА.

Значение PF не следует брать автоматически равным 1. Для действующего ЦОД его лучше подтверждать измерениями, для проектируемого – определять по характеристикам нагрузки и исходным данным проекта.

СП 541.1325800.2024 не устанавливает единый PF для всех ЦОД – коэффициент мощности задается в исходных данных на проектирование.

Для нелинейной ИТ-нагрузки также не следует автоматически подменять PF значением cos φ: общий коэффициент мощности учитывает не только фазовый сдвиг, но и искажения формы тока.

3. Учесть запас на развитие

Если текущая нагрузка составляет 200 кВт, а проект предусматривает рост на 20%, расчетная перспективная нагрузка будет:

200 × 1,20 = 240 кВт

Но 20% здесь – только пример.

Универсального нормативного требования всегда добавлять к мощности ИБП 20%, 25% или 30% нет.

Запас лучше определять через реальный сценарий развития:

• сколько стоек планируется добавить;
• как изменится их мощность;
• какой будет нагрузка через несколько лет;
• можно ли расширять ИБП силовыми модулями.

Для модульного ИБП часто рациональнее предусмотреть возможность расширения, чем сразу устанавливать всю перспективную мощность.

4. Рассчитать резервирование

Запас на развитие и резервирование рассчитываются отдельно.

Для параллельной конфигурации ГОСТ IEC 62040-3-2024 использует обозначение n + r, где n – количество блоков, необходимых для питания нагрузки, а r – количество избыточных блоков.

Для N+1 сначала определяют N, затем добавляют один резервный модуль.

Пример N+1

По кВт требуется: 240 / 50 = 4,8 → 5 модулей.

По кВА: 252,6 / 50 = 5,05 → 6 модулей.

Принимаем большее значение: N = 6.

Для N+1 требуется 7 модулей. После отказа одного останется 300 кВт / 300 кВА, что выше расчетных 240 кВт / 252,6 кВА.

Если считать только по кВт, получилось бы 5+1 модулей. После отказа одного осталось бы 250 кВт / 250 кВА – по кВт достаточно, а по кВА уже нет.

Комментарий инженеров СИНТО. N+1 нужно проверять именно после исключения резервируемого элемента. Установленная мощность системы в нормальном режиме сама по себе не подтверждает, что резервирование сохранится при отказе.

Что меняется при 2N

При 2N каждый из двух независимых трактов должен самостоятельно обеспечивать всю расчетную нагрузку.

Для примера выше каждый тракт должен выдерживать минимум:

240 кВт / 252,6 кВА

При этом два ИБП еще не означают полноценные 2N. Независимость проверяют по всей цепочке:

источник → распределение → ИБП → байпас → PDU → ИТ-оборудование

Если отказ общего элемента нарушает оба тракта, он остается единой точкой отказа.

Нужно ли оставлять 20% мощности ИБП свободными

Фиксированного нормативного требования загружать ИБП максимум на 70%, 80% или другое универсальное значение нет.

Свободная мощность должна появляться как результат расчета:

• развития нагрузки;
• резервирования;
• шага мощности модулей;
• требований аварийного режима;
• характеристик выбранного оборудования.

Поэтому правильнее контролировать не условный процент загрузки, а три значения:

текущая нагрузка → перспективная нагрузка → нагрузка после отказа резервируемого элемента

Что проверить после расчета мощности

Расчетный номинал, например 300 кВт / 300 кВА, еще не означает, что подойдет любой ИБП с такими характеристиками.

Отдельно нужно учитывать, что номинал ДГУ нельзя выбирать по простому правилу «ИБП 500 кВА = ДГУ 500 кВА». Для генератора важны входные характеристики ИБП, заряд АКБ после разряда, переходные процессы и другие нагрузки на генераторной шине.

Комментарий инженеров СИНТО. При согласовании ИБП и ДГУ важно проверить не только установившийся режим, но и принятие нагрузки генератором, переключения между источниками и восстановление заряда АКБ.

Если требуется рассчитать весь энергетический тракт – ИБП, АКБ, ДГУ, АВР, PDU, шинопроводы и схему резервирования – это входит в проектирование систем бесперебойного электроснабжения для ЦОД.

АКБ рассчитывается отдельно

Мощность ИБП определяет, какую нагрузку система способна поддерживать. Емкость АКБ – как долго она сможет это делать без внешнего питания.

СП 541.1325800.2024 предусматривает для ИБП с АКБ не менее 5 минут работы при 100% нагрузке в аварийном режиме.

Фактическая автономия может быть больше – в зависимости от времени запуска ДГУ, алгоритма переключений и требований проекта.

Поэтому расчет мощности ИБП и расчет батарейной системы нельзя объединять в одну формулу.

Нормативная база

При расчете ИБП для ЦОД используются, в частности:

СП 541.1325800.2024 «Здания и сооружения центров обработки данных. Правила проектирования» – расчет нагрузок, резервирование, АКБ и внешний байпас.

ГОСТ IEC 62040-3-2024 – активная и полная мощность ИБП, PF, параллельные конфигурации, входные и выходные характеристики, методы испытаний.

ГОСТ IEC 62040-1-2024 – требования безопасности к системам бесперебойного энергоснабжения.

Часто задаваемые вопросы

Считать мощность ИБП в кВт или кВА?

В обеих величинах. ИБП должен одновременно обеспечивать расчетную активную мощность в кВт и полную мощность в кВА.

Как перевести кВт в кВА для ИБП?

По формуле:

S = P / PF

Например, 240 кВт при PF = 0,95 соответствуют 252,6 кВА.

Какой PF использовать для расчета ИБП?

PF определяется по характеристикам нагрузки, исходным данным проекта или измерениям на действующем объекте. Универсального значения PF для всех ЦОД нет.

Какой запас мощности закладывать в ИБП?

Фиксированного нормативного процента нет. Запас должен соответствовать прогнозируемому росту нагрузки и архитектуре конкретного ЦОД.

20% запаса – это N+1?

Нет. Запас учитывает рост нагрузки. N+1 означает, что после отказа одного резервируемого блока оставшаяся система способна обеспечить всю расчетную нагрузку.

Как проверить N+1?

Нужно исключить один резервируемый модуль и проверить, что оставшиеся блоки обеспечивают расчетную нагрузку одновременно по кВт и кВА.

Нужно ли учитывать КПД при выборе мощности ИБП?

КПД не прибавляется к требуемой выходной мощности. Он учитывается при анализе входного потребления и тепловых потерь.

Можно ли подобрать ДГУ по номиналу ИБП?

Нет. Нужно учитывать входные характеристики ИБП, заряд АКБ, переходные процессы и другие нагрузки генераторной системы.

Какое минимальное время работы от АКБ предусматривает СП 541?

Для ИБП с АКБ – не менее 5 минут при 100% нагрузке в аварийном режиме.

Главное в расчете мощности ИБП

Расчет мощности ИБП для ЦОД сводится к последовательности:

нагрузка в кВт → PF → нагрузка в кВА → запас на развитие → N → резервирование

ИБП проверяется одновременно по кВт и кВА. Запас на развитие не заменяет N+1, а N+1 считается выполненным только тогда, когда после отказа одного резервируемого элемента оставшейся мощности достаточно для всей расчетной нагрузки.