BTMS Sistem nadzora baterij

Število podatkovnih centrov po svetu se iz leta v leto povečuje, predvsem zaradi razvoja digitalizacije in storitev ter aplikacij v oblaku. V bližnji prihodnosti se bo stopnja gradnje podatkovnih centrov povečevala, s tem pa se bo ustrezno povečala tudi njihova poraba električne energije. Zahteve glede zanesljivosti oskrbe podatkovnih centrov z električno energijo so med najvišjimi med industrijskimi porabniki električne energije, saj je neprekinjena oskrba z električno energijo ključnega pomena za zanesljivo delovanje strežniške strojne opreme. Ocena zanesljivosti električnega napajanja je eden najpomembnejših delov postopka načrtovanja podatkovnih centrov.

Uptime Institute (raziskava o izpadih 2022) spremlja pogostost, vzroke in vplive izpadov v podatkovnih centrih in kritični infrastrukturi že vrsto let. Podatki inštituta kažejo, da se število izpadov na svetovni ravni iz leta v leto povečuje, tako kot se širi sama panoga. Prav tako se povečuje strošek izpadov podatkovnih centrov. Razlogov za povečevanje stroškov je več, zagotovo je največji posamezni razlog vse večja odvisnost gospodarske dejavnosti podjetij od digitalnih storitev in podatkovnih centrov. Izguba kritične storitve IT pogosto neposredno in takoj vpliva na motnje v poslovanju in takojšnjo izgubo prihodkov.

Električna energija je glavni vzrok izpadov

Razumevanje vzrokov za izpade je ključnega pomena za njihovo preprečevanje in nadaljnje načrtovanje potrebnih ukrepov in naložb. To ni vedno tako preprosto, kot se zdi, kajti večina izpadov ima lahko več vzrokov.

Ugotovitve letne raziskave Uptime 2022, ki se skladajo tudi s prejšnjimi leti, kažejo, da težave povezane z izpadi električne energije deleč prednjačijo. Vsi preostali vzroki za izpade so veliko manj pogostejši.

Poglobljena analiza v Uptimeovi ločeni raziskavi nadalje ugotavlja, da so največji vzroki za izpade, povezane z električno energijo, okvare neprekinjenega napajanja (UPS), ki jim redkeje sledijo okvare preklopnega stikala (generator/omrežje) in generatorja.

Inženirji inštituta Uptime Institute pojasnjujejo, da UPS odpovedo iz več razlogov:

• ventilatorji pogosto odpovedo, ker so na splošno poceni in stalno v uporabi.
• kondenzatorji odpovedujejo zaradi izarabe
• baterije odpovedo zaradi dolgotrajne uporabe in nezadostnega nadzora.
• inverterji odpovedo redkeje.

Tudi druge študije (npr. inštitut Ponemon) potrjujejo, da je bila okvara baterij uvrščena med glavne vzroke izpadov podatkovnih centrov.

Izpade lahko preprečimo

Uptime v isti raziskavi 2022 ugotavlja, da tisti, ki so doživeli izpad, menijo, da je izpade mogoče preprečiti z boljšim upravljanjem, obvladovanjem procesov ali z boljšo konfiguracijo. Zato Uptime že vrsto let priporoča izboljšanje upravljanja, planiranja in usposabljanja, kot najboljše in stroškovno najučinkovitejše ukrepe za zmanjševanje izpadov.

Vsak sistem UPS ima niz baterij in odpoved ene baterije lahko povzroči odpoved celotnega niza. Če v nizu baterij odpove ena baterija, ker so baterije med seboj zaporedno povezane, bo ta baterija povzročila odpoved celotnega niza.. Prav to je eden največjih vzrokov, da ob izpadu električne energije UPS ne zmore opraviti predvidene naloge.

Da se to prepreči, uporabniki izvajajo redne preventivne vzdrževalne posege, ki vključujejo obiske na lokaciji, meritve napetosti in notranje upornosti vseh baterij, temperature itd.

Na osnovi ugotovitev pregleda se stranke odločajo za zamenjavo posameznih kritičnih baterij. Izvajanje tovrstnih vzdrževanj je potrebno ne glede na to ali je UPS bil v uporabi ali samo v stanju »pripravljenosti«, kajti značilnost baterij je, da so podvržene učinku samoizpraznitve ter, da s časom izgubljajo svojo kapacitivnost.

Neenakomernost tega procesa samo dodatno povzroča težave. Povprečna življenjska doba baterij je 3-5 let. Glavni vzroki odpovedi baterij so:

• Neenakomerna ali previsoka temperatura
• Neustrezna napetost polnjenja oz. vzdrževanja
• Ohlapni stiki

BTMS sistem za nadzor baterij

Battery Monitoring System (BTMS) omogoča celovit vpogled v stanje vseh segmentov baterijskih sistemov v realnem času, kar zagotavlja neprekinjeno delovanje ključnih sistemov za neprekinjeno napajanja. Kaj merimo in nadzorujemo:

Notranjo upornost baterije
Notranja upornost se s časom delovanja postopoma povečuje in je neposredno povezana z življenjsko dobo baterije. Manjša kot je upornost, manjše so omejitve, s katerimi se baterija srečuje pri zagotavljanju potrebnih konic moči. Konec življenjske dobe lahko natančno določimo z nadzorovanjem trenda impendance. Visoki odčitki impendance so lahko opozorilo za težave, kot sta slab stik na priključkih ali kratek stik.

Napetost baterije
Polnjenje baterije s pravilno napetostjo je ključnega pomena za zmogljivost in življenjsko dobo baterije. Nepravilna polnilna napetost lahko močno poslabša zmogljivost baterije in skrajša njeno življenjsko dobo. Poleg tega lahko povzroči tudi sproščanje nevarnih plinov, korozijo in celo eksplozijo. Merjenje napetosti celic pomaga tudi pri ugotavljanju usodnih okvar baterije, kot je kratek stik v bateriji.

Temperatura notranjosti baterije
Tok polnjenja in praznjenja povzroča dvig temperature baterij, temperatura pa neposredno vpliva na življenjsko dobo in zmogljivost shranjevanja baterij. Zaradi pregrevanja lahko pride do prevelikega izločanja plina in celo do eksplozije. Naš sistem meri notranjo temperaturo na negativnem polu, ki je izjemno dober pokazatelj dejanske temperature v notranjosti baterije.

Stanje napolnjenosti (SOC)
SOC (State of Charge) je opredeljen kot razpoložljiva zmogljivost, izražena v odstotkih. Poznavanje stanja napolnjenosti baterije je enako kot poznavanje količine goriva v rezervoarju za gorivo. SOC kaže, koliko časa bo baterija še delovala, preden jo bo treba ponovno napolniti.

Stanje »zdravja« (SOH)
Namen SOH (State of Health) je spremljanje zmogljivosti, ki jo lahko pričakujemo od baterije v realnem času, oz. prikazati, koliko zmogljivost baterije je še preostalo, preden jo bo treba zamenjati. To je v bistvu funkcija, ki spremlja dolgoročne spremembe v bateriji, in omogoča predvidevanje potrebe po zamenjavi.

Tok (polnjenja in praznjenja) baterijskega niza
Z merjenjem toka baterijskega niza spremljamo energijo, ki jo sprejme ali odda vsak niz. Pri tem ugotavljamo morebitne napake pri polnjenju.

Napetost nizov
Z merjenjem napetosti baterijskih nizov ugotavljamo, ali se baterije polnijo s pravilno napetostjo.

Napetostna izravnava (balansiranje)
Prekomerno ali premajhno polnjenje lahko zelo škodujeta zmogljivosti baterije. Zmogljivost celotnega niza baterij je odvisna od baterije z najmanjšo zmogljivostjo. Zato je zelo pomembno, da je napetost vseh baterij v vsakem nizu uravnotežena. Z napetostno izravnavo poskrbimo, da imajo vse baterije v nizu enako napetost. Na ta način zagotavljamo maksimalno razpoložljivost in življenjsko dobo baterij.

Temperatura in vlažnost prostora
Za svinčene baterije velja, da je optimalna temperatura okolice med 20 in 25 ℃. Če se temperatura poveča za 8-10 stopinj, se lahko življenjska doba baterije skrajša za 50 %. Visoka vlažnost okolice lahko povzroči pospešeno korozijo, nizka vlažnost okolice pa statično elektriko in požar.

Ključne komponente sistema BTMS

BM-CS Cell sensor

Nadzira vsako posamezno baterijo. Omogoča spremljanje statusa baterije, napetosti, notranje upornosti in temperature baterije, ter izračun SOC in SOH. Izvaja funkcijo napetostne izraavnave.

BM-SS String master

Spremlja dogajanje v nizu ter združuje podatke o baterijah. V realnem času nadzira (v povezavi s CS) napetost v nizu, tok polnjenj in praznjenja, stanje baterij (impedanca, temperatura, SOC, SOH).

Napredni merilni algoritmi omogočajo točne meritve brez povečevanja tokov praznjenja, s tem meritve ne povzročajo dodatnih izgub. Izvaja funkcijo uravnoteženja posamezne baterije v optimalnem stanju, omogoča maksimalno pripravljenost in podaljšuje življenjsko dobo baterij in s tem ohranja Komunikacija temelji na protokolu RS 485, ki je kočeno od napajanja. Samodejno zaznavanje naslovov posameznih baterijskih senzorjev. Združi več (max 120) BM-CS v niz.

BM-GW IOT gateway

Združi več BM-SS v spletni UPS web vmesnik. Omogoča vizualizacijo posameznih baterij in nizov ter ostalih nameščenih sistemov na GW. Podatke lahko spremljamo v realnem času kot tudi v obliko obdelane zgodovine (tabele, diagrami). Alarme lahko posreduje po SMS ali e-pošti.Podatke shranjuje v lokalnu buffer (ni izgub podatkov). Zanesljiva povezava lokalnega sistema z BTMS platformo v oblaku (šifrirana komunikacija TLS, skadnost z uredbo GDPR). Omogoča povezavo z do 32 baterijskih nizov.

Celoten sistem je sestavljen še iz preostalih dopolnilnih komponent, ki skupaj tvorijo integrirano celoto (napajalniki, senzorji temperature in vlažnosti, lokalni prikazovalniki, razširitveni moduli…).

BTMS v praksi

V Robotini smo razvili sistem za nadzor baterij, ki omogoča spremljanje vseh pomembnih (zgoraj navedenih) spremenjljivk v realnem času. Sistem je implementiran v dveh podatkovnih centrih GDH v Dubaju. Storitve teh centrov koristijo podjetja kot so Microsoft, Siemens in mnogi drugi. Zmogljivosti teh centrov so naslednje:

• 19 sob z UPSi od 4,2 – 16 MW
• Okoli 9000 baterij / 200 stringov/ 70 UPS-ov
• Prikaz na lokalnih panelih
• Vsaka soba ima po en GW (združevanje UPS-ov) za oddaljeno spletno spremljanje in upravljanje

Visoka raven zanesljivosti oskrbe z električno energijo je ključnega pomena za neprekinjeno delovanje in razpoložljivost podatkovnega centra. To velja zlasti za kritično infrastrukturo kot so telekomunikacijski centri, električna distribucija, transport, obrambni sektor in podobno, kjer izpadi povzročajo izjemno škodo. Z naprednim baterijskim nadzornim sistemom (BTMS), ki s svojo napredno, popolnoma avtomatsko programsko rešitvijo prihrani drage ročne preglede, omeji človeške napake ter učinkovito podaljša življenjsko dobo vseh baterij, preprečujemo izpade delovanja in proaktivno zagotavljamo višjo stopnjo zanesljivosti obratovanja in varnosti podatkov.