Содержание

Резервирование и архитектуры надёжности

Резервирование и архитектуры надёжности

Раздел обобщает принципы обеспечения надёжности электроснабжения ЦОД: устойчивость внешней сети (СН/ВН), сценарии отказов, требования к ИБП и ДГУ, а также сравнительный анализ основных топологий резервирования (N, N+1, 2N, распределённые схемы). Материал адаптирован под РФ с учётом типовых характеристик сетей и нормативов.

1. Устойчивость архитектуры ЦОД

Надёжность электроснабжения ЦОД определяется:

качеством внешней сети (СН/ВН);
глубиной резервирования внутри объекта;
скоростью восстановления при авариях;
устойчивостью распределительных схем к одиночным отказам (single failure points).

2. Надёжность внешнего электроснабжения

2.1. Топология сетей страны

В типовой энергосистеме используются три уровня:

HV transmission (110–500 кВ) — кольцевая/ячеистая топология с генерацией сотен МВт.
HV/MV sub-transmission (35–110 кВ) — преимущественно кольцевая схема питания подстанций.
MV distribution (6–10–20 кВ) — открытые или частично кольцевые распределительные сети.
LV distribution (0,4 кВ) — радиальные сети для конечных потребителей.

Кольцевые HV-сети в РФ имеют высокую устойчивость к одиночным отказам, но MV-сети часто работают в «квази-радиальном» режиме и дают основную часть кратковременных перерывов.

2.2. Типовые частоты отказов (по данным Schneider Electric / адаптация под РФ)

Тип отказа	Подключение к MV	Подключение к HV
Региональное отключение >4 ч	0,01–0,02/год	0,01–0,02/год
Длительные отключения >3 мин	0,5–5/год (в РФ в городах: 1–3/год)	0,1/год
Короткие перерывы <3 мин	0,5–20/год	0,5–5/год
Глубокие провалы напряжения	10–30/год	5–15/год

При подключении ЦОД к MV (6–10 кВ) вероятность кратких перерывов и провалов выше в 2–5 раз по сравнению с HV. Поэтому при мощностях >10 МВт в РФ рекомендуется HV-ввод 35–110 кВ.

2.3. Поведение сети при аварии

На HV-уровне (35–110–220 кВ):

очистка КЗ за 100–200 мс без отключения большинства потребителей;
при сложных авариях — переключения подстанций без потери питания;
перезапуск после полного отключения занимает несколько часов.

На MV-уровне (6–10 кВ):

ликвидация КЗ за 150–500 мс;
возможны повторные автоматические включения (АПВ);
восстановление питания требует поиска повреждённого участка.

3. Резервирование при кратковременных нарушениях

Для провалов/перерывов <3 мин применяется ИБП.

3.1. Технологии ИБП

Тип ИБП	Особенности	Применение в ЦОД
Статические AC ИБП	Двойное преобразование, батареи, высокий КПД	90% ЦОД, стандарт
Ротарные AC ИБП	Аккумуляция на маховике + генератор	Объекты >10 МВт, высокая кратковременная мощность
Статические DC ИБП	Переход на DC-распределение	Перспективные решения с высокой эффективностью
ИБП на уровне стойки	Актуально для edge / HPC	Децентрализация, снижение PDU-рисков

Автономность ИБП определяется временем запуска ДГУ (8–15 с в РФ) и длительностью стабилизации частоты/напряжения.

4. Резервирование при длительных нарушениях

Длительные перерывы (>3 мин) покрываются дизель-генераторными установками (ДГУ).

4.1. Архитектура ДГУ

ДГУ → Автоматика запуска (PLC) → АВР/ATS → НН/СН щиты → ИТ-нагрузка

Полный запуск ДГУ в РФ: 8–12 с (пуск) + 5–10 с стабилизация → суммарно 10–20 секунд.

4.2. Особенности резервирования ДГУ

резервирование по схеме N+1 или N+2;
расход топлива 180–220 г/кВт·ч;
объём аварийного резерва — минимум 8–12 ч при 75% нагрузки;
дневные баки 1–2 ч → основная ёмкость в цистернах/резервуарах.

5. Внутренние архитектуры электроснабжения и топологии

Надёжность внутри ЦОД определяется топологией распределения.

5.1. Основные классы топологий

Топология	Описание	Уровень надёжности	Комментарий
N	Нет резервирования	Низкий	Одиночный отказ вызывает останов ИТ
N+1	Один резервный модуль	Средний	Один отказ не приводит к остановке
2N	Полностью независимые цепочки A и B	Высокий	Нет общих точек отказа
N+N	Две активные цепочки одинаковой мощности	Очень высокий	Дороже 2N, лучше баланс нагрузки
Распределённая N+1	Несколько систем, резерв равномерно распределён	Высокий	Оптимально для ЦОД 5–20 МВт
DRUPS	Ротарные ИБП+генератор в одном блоке	Высокий	Для крупных ЦОД, дорогая инфраструктура

6. Подробный разбор топологий

6.1. Топология N (базовая)

Любой отказ приводит к отключению нагрузки. Применяется только в малых объектов или второстепенных зонах.

6.2. Топология 2N

Характеристики:

два полностью независимых тракта питания А и B;
два ввода, две секции РУ, две системы ИБП, два ДГУ-парка;
каждая стойка имеет два ввода.

Преимущества:

отсутствие единичных точек отказа;
полная ремонтопригодность.

Недостатки:

CAPEX +80–120%;
повышенный OPEX за счёт удвоения оборудования.

6.3. Топология N+N

Разновидность 2N, где обе ветви активны. Преимущество — баланс нагрузки на 50/50 → сниженные потери.

6.4. Топология N+1 (блочная)

Каждый блок ИБП/ДГУ имеет один резерв. Если один блок выходит из строя — нагрузка распределяется на остальные.

Преимущества:

оптимально для ЦОД 1–10 МВт;
более низкая стоимость, чем 2N.

Недостатки:

риск перегрузки при отказах нескольких элементов;
сложная логика распределения нагрузок.

6.5. Распределённая топология N+1

Каждый ИБП обслуживает сегмент нагрузки и имеет резервную способность.

Преимущества:

равномерное распределение риска;
гибкость масштабирования;
CAPEX ниже 2N на 30–40%.

Используется в ЦОД 5–20 МВт (в РФ — наиболее распространённая).

6.6. DRUPS (Diesel Rotary UPS)

Особенности:

совмещает ИБП и роторный накопитель с ДГУ;
высокая устойчивость к кратким помехам;
часто используется в Tier III/IV ЦОД в Азии и Европе.

В РФ применяется редко из-за высокой стоимости и сложности обслуживания.

7. Ошибки при трактовке «полной отказоустойчивости»

Типичная ошибка пользователей — считать схему N+1 полной отказоустойчивой. Полная fault tolerance обеспечивается только архитектурами 2N или N+N.

8. Отключение одного тракта двойного питания

На практике заказчики требуют:

возможность полного отключения тракта А без потери питания стойки;
выполнение регламентов без уменьшения резервирования.

Это приводит к:

удорожанию РУ (дополнительные обходные ячейки);
увеличению трудозатрат на обслуживание;
росту рисков при техническом обслуживании (отключение защиты, обходы).

9. Сравнение архитектур

Топология	CAPEX	OPEX	Надёжность	Масштабируемость	Сложность эксплуатации
N	низкий	низкий	низкая	высокая	низкая
N+1	средний	средний	средняя	высокая	средняя
2N	высокий	высокий	высокая	средняя	высокая
N+N	очень высокий	высокий	очень высокая	средняя	высокая
N+1 распределённая	средний	средний	высокая	высокая	средняя
DRUPS	очень высокий	низкий	высокая	низкая	высокая

Ключевые идеи

Устойчивость внешней сети определяет выбор точки присоединения: MV для 1–10 МВт, HV для 10+ МВт.
ИБП покрывают временной разрыв до запуска ДГУ.
Для Tier III/IV фактически требуется 2N или распределённое N+1 с полной ликвидацией единичных точек отказа.
Блочная N+1 — оптимальный баланс стоимости и надёжности для большинства проектов в РФ.
DRUPS актуален только для крупных объектов (>20 МВт).
Топология должна учитывать не только аварии, но и регламентные отключения — они создают до 60% рисков.