기고
전력 보장 데이터 센터를 위한 UPS
ABB Conceptpower DPS 500 UPS
신덕영(deok-young.shin@kr.abb.com)
ABB코리아 산업자동화 사업본부 전력변환 사업부
IT 기술이 발달함에 따라 현대사회는 데이터센터에 많이 의존하고 있다. 데이터센터에는 절대로 고장시간이 발생되어서는 안되기 때문에 깨끗한 전력이 지속적으로 공급되어야 한다. 이 때, 무정전전원장치 (UPS, Uninterruptible Power Supply)는 전기 공급을 원활하게 해주는 중요한 역할을 수행한다. UPS의 신뢰성을 위해 ABB는 UPS 제품을 위한 설계 철학을 반영하였으며, 가장 많은 전기를 소모하는 데이터센터의 특성을 고려하여 ABB UPS는 에너지 절감 비용에 기여할 수 있도록 높은 에너지 효율성을 바탕으로 제작됐다. 데이터센터는 다양한 방면으로 전력 보호가 필요한데, 각 상황에 맞게끔 최적화된 솔루션을 적용한다면 투자비용 대비 빠른 회수를 기대할 수 있다. 또한, 데이터센터에는 전력이 한 번이라도 공급이 중단되면 원활한 운영에 큰 타격을 입으므로 올바른 UPS 타입을 선택 및 설치하여 사고를 미연에 방지할 수 있다. Conceptpower DPA 500 UPS가 바로 그 해결책이 될 수 있다.
전력외란(Power disturbance)은 다양한 형태로 나타난다. 정전 뿐만 아니라, 짧은 순간 또는 오랜 시간 동안 전압이 저하되거나 상승하여 전압저압 또는 과전압을 일으킬 수 있다. 그리고 그 결과 출력전압의 전기적 잡음, 주파수 변화, 또는 하모닉 등이 발생할 수 있다.
모든 전기적 문제의 해결책, UPS
전력외란(Power disturbance)
UPS는 전기의 공급 상태를 조절하여 전기 스파이크, 과전압, 전압저압, 잡음, 하모닉을 제거할 수 있다. 전체 전력에 이상이 생길 경우에는 배터리 또는 기타 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급받는다. 비상 발전기는 장시간 동안의 정전상태에 효과를 발휘한다. 이로 인하여 데이터센터는 24시간 내내 원활하게 운영이 되고, 어떠한 데이터 손상 및 손실이 발생하지 않게 된다.
데이터센터의 어플리케이션
데이터센터에서 UPS의 중요한 역할은 바로 서버를 보호하는 것이다. UPS는 서버랙의 중앙 또는 각 열의 측면인 끝에 설치할 수 있다. 기존 토폴로지는 대부분 대규모 데이터센터에 적합하며 최신 토폴로지는 일반적으로 소규모 데이터센터에 많이 쓰인다.
서버는 데이터센터의 구성 중 UPS를 보호를 필요로 하는 유일한 존재가 아니다. 냉각과 안전을 관리하고 ‘기계적 부하(mechanical load)’라 불리는 보조 장치 및 시스템 또한 데이터센터의 원활한 운영을 위한 중요한 부분이며 ABB는 이를 위한 신뢰성 높은 보조 전력 솔루션도 같이 제공한다.
데이터센터 설계 및 용량
전기 기반시설의 4 Tier 특성
데이터센터 디자인과 용량
데이터센터는 크기, 전력밀도(power density), criticality에 따라 설계된다. 전력 계획(power scheme)은 데이터센터 현장 기반시설의 일부이다. 업타임 인스티튜트(Uptime Institute)는 Tier 등급(Ⅰ~Ⅳ단계)을 만들어 가이드라인으로서의 역할을 하며 적용 가능한 전력 보호 범위의 이해를 돕는다.
업타임 인스티튜트(Uptime Institute) : 데이터센터 디자인, 구성, 운영에 대한 등급을 만들고 관리하는 유일한 국제기관이다. 데이터센터 기반시설에 대한 국제 공인 인증인 ‘Tier 인증’을 부여한다. 2008년부터 ‘GEIT(Green Enterprise IT) Awards’로 전 세계 우수 데이터센터를 선정해 왔으며, 올해부터 ‘브릴 어워즈’로 격상했다. ‘브릴 어워즈’는 데이터센터 분야 최고 권위 상으로, 매년 디자인, 시설 관리 등 5개 분야의 최고 데이터 센터를 선정한다. http://uptimeinstitute.com
- Tier Ⅰ: 기본 현장 기반시설 (nonredundant)
- Tier Ⅱ: 리던던트 현장 기반시설 (redundant)
- Tier Ⅲ: 동시에 유지보수 가능한 현장 기반시설
- Tier Ⅳ: 고장허용 현장 기반시설
Tier 등급에 따른 전력 유효성 증가
6 + 6 UPS의 Tier Ⅳ 파워 시스템
듀얼코드 IT 부하 혁신으로 듀얼 버스 콘셉트 발전이 가능하게 되었으며, 현재 Tier Ⅳ 어플리케이션에 사용된다. 오늘날, 고장허용 Tier Ⅳ 전력 기반시설은 주요 데이터센터에 일반적으로 사용되며, 심지어 데이터센터 자체는 필수적으로 Tier Ⅳ 인증 받지 않아도 된다. 그 이유는 보호된 전력의 중요성이 비용에 비례하기 때문이다. 이와 같은 설계로 전기 공급의 실패를 견뎌낼 수 있으며, 동시에 유지보수를 가능하게 하고 심지어 주요 부하를 방해하지 않고 기반시설 작업이 가능하다. 위와 같이 작업을 가능케 하기 위해서는 두 가지 분리된 UPS시스템으로 구성된 N+N 그리고 최대의 요구를 만족할 수 있는 N+1 Redundancy 구성도 가능하다.
신뢰성과 유용성
UPS는 IT 신뢰성과 데이터의 유용성을 보장하기 위해 아주 중요한 역할을 수행한다. 그러므로 UPS 자체의 신뢰성은 가장 먼저 고려되어야 한다. UPS가 한 번이라도 오작동을 하면 성과에 큰 타격을 입히고 임수 수행에 필수적인 부하(load)가 위기에 처한다. 전력 유용성을 높이는 가장 확실한 방법은 UPS 시스템의 중복성(redundancy)을 최적화하고 유지보수와 수리 시간을 최소화하는 것이다.
시스템이 얼마나 좋은지 측정하는 유용성은 아래와 같이 공식으로 규정된다.
MTBF / (MTBF + MTTR) X 100%
MTBF(mean time between failures)는 평균 고장 간격을 의미하며 MTTR(mean time to repair in hour)은 평균 고장 수리 시간을 의미한다. 이는 UPS에 필수적인 요소이며, 모듈러 UPS 디자인은 시스템의 MTTR을 최소화한다.
최대 3M2까지 scalable한 ABB의 Conceptpower DPA 500
ABB의 Conceptpower DPA 500 UPS를 예를 들자면 분산적 병렬 구조방식(DPA, decentralized parallel architecture)으로 유용성과 신뢰성을 보장한다. 여기서 각각의 UPS 모듈은 모든 시스템 작동에 요구되는 모든 하드웨어와 소프트웨어를 포함하고 있다. UPS 모듈은 공통 부품을 공유하지 않고 각 UPS 모듈이 독립적 static bypass, 정류기, 인버터, 로직 컨트롤, 제어패널, 배터리 충전기 및 배터리를 갖추고 있다.
모든 중요 부품이 똑같이 각 유닛에 배치되기 때문에 일말의 잠재적 실패도 사전에 제거할 수 있다. 만일 하나의 UPS 모듈에 고장이 발생하더라도 하나의 모듈용량 만큼만 줄어들 뿐, 전체 시스템을 정상적으로 운영할 수 있다. 고장 난 모듈은 완벽하게 분리되기 때문에 모듈 운영에 영향을 미치지 않는다. 뿐만 아니라 전원이 연결된 상태에서 유지보수가 가능하다.
전력을 끄지 않고 교체 가능한 DPA 500 모듈
ABB Conceptpower DPA 모듈은 중요 부하에 영향을 끼치지 않고 전력을 끄거나 공급전원우회 없이 제거하거나 삽입할 수 있다. 이처럼 특별한 장점으로 지속적으로 가동이 가능하며, MTTR을 막대하게 줄여주고, 특수 스패어 파트 재고를 줄이고 시스템 업그레이드를 간편하게 이루어준다.
수리 시간의 엄청난 감소와 마찬가지로 온라인 교체(swap) 기술은 99.9999%의 유용성을 달성할 수 있기에 중단시간이 발생하면 안 되는 데이터센터에 아주 적합하다.
UPS 토폴로지
대체로 UPS 디자인은 스탠바이, 선간전압(line-interactive), 이중전환 온라인의 3개 운영 구조 중 하나로 나누어진다.
스탠바이 UPS
스탠바이(오프라인) 시스템은 일반적으로 저출력(low-power) (5kVa 까지)이며, 전압변환 없이 main supply에서 중요부하(load)를 공급한다. 바이패스 공급이 실패할 경우에는 부하를 인버터에 전송한다. 배터리는 main supply로부터 충전되고 mains가 실패할 경우 안정된 전력을 공급하는데 사용된다.
선간전압(Line-interactive) UPS
스탠바이 모델과 같이 line-interactive UPS도 일반적으로 main supply로부터 주요 부하를 공급하고 바이패스 공급이 실패할 경우 인버터에 파워 전달한다. 배터리, 충전기, 인버터 전력 차단은 오프라인 시스템에서도 똑같은 방법으로 활용된다. 그러나 바이패스 선에 추가된 통제 회로 때문에 전압조정 tap-charger 변압기는 저전압 또는 과전압을 대비해 사용될 수 있다.
선간전압 UPS 토폴로지는 일반적으로 스탠바이 UPS와 주로 경쟁하는 10kVA 까지의 저출력에 사용된다. 보다 많은 비용이 소모되지만 장시간의 정전시간 동안 부하를 지킬 수 있다.
큰 시스템의 경우에는 Tap-charger 변압기 대신 액티브 자동 전압 조절기(AVR, automatic voltage regulator)로 사용하기도 한다. 이 line-interactive UPS 시스템은 수백 kVA를 공급할 수 있다.
이중변환 UPS
전력 용량(500W ~ 5MW)에서 가장 많이 사용되는 UPS 토폴로지는 이중 변환 온라인 토폴로지이다. 이름에서도 짐작할 수 있듯이 들어오는 교류는 정류기에 의해 계속적으로 DC로 변환이 되고 인버터를 통해 다시 AC로 바꾼다. 여기에서 완벽하게 깨끗한 파형이 메인 또는 발전기 공급 상황 하에 생성될 수 있다.
이중전환 UPS 디자인은 최상급의 공급 정확성을 선사한다. 부하는 언제든지 원하는 전력이 공급된다.
이중 변환 토폴로지는 데이터센터와 같은 중요한 어플리케이션에 쓰인다. 병렬 로드 쉐어링(load-sharing parallel )구성을 운영하는 능력으로 이러한 중요 어플리케이션에 적합한 redundancy를 제공한다.
UPS 구분
UPS 특성을 표준화하기 위해 IEC(IEC 62040-3)는 UPS 출력 전압의 운영 행동에 근거하여 3단계의 UPS 구분 코드를 도입하였다.
- 1단계: 입력 전력에 따른 UPS 출력의 의존성
- 2단계: UPS 출력에 따른 전압 파형
- 3단계: UPS 출력의 오차 곡선
이 3단계는 AA-BB-CC 타입으로 요약된다. ABB UPS는 각 단계에서 최고의 등급을 갖추었기에 ‘VFI-SS-111’ 인증을 받았으며, 이 인증에는 다음과 같은 의미가 담겨있다.
- VFI(voltage and frequency independent): 출력 전압은 모든 전력 선 전압과 주파수 변동에서 독립적이며 IEC 61000-204에 의해 제시된 tolerance 내에서 규제된 범위 내에 있다. 보통, 이중 변환 UPS만이 VFI 조건을 충족하는 반면, 예를 들어 스탠바이 UPS는 가장 낮은 용량을 받는다.
- VFD (voltage and frequency dependent)
- SS: 출력 전압의 총 하모닉 역률은 모든 선 및 레퍼런스 비선형 부하에서 0.08보다 낮다(IEC 61000-2-2)
- 111: 오차 곡선은 다이나믹 상황에서 출력전압과 지속시간을 설명한다. 첫 번째 숫자는 운용모드의 변화에서의 성능을 보여주고, 예를 들면 정상모드-저장된 에너지 모드-바이패스 모드. 두 번째 숫자는 단계 선형 부하 성능을, 세 번째 숫자는 단계 비선형 부하 성능을 뜻한다. ‘111’의 숫자조합은 사용자로 하여금 중요 부하가 최적으로 보호된다는 것을 보장할 수 있다. 이 표현은 모든 운영 상황에서도 품질의 출력 전압을 뜻한다.
에너지저장시스템
배터리는 99%가 UPS 제조업체가 선택한다. 전력이 끊기거나 특정 범위에서 벗어날 때 사용하기 위해서이다. 운동 에너지로 에너지를 저장하는 플라이휠은 배터리의 대체품이다. 플라위휠은 사이클링으로부터 영향을 받지 않으며, 약간의 냉각만 요구하고, 다양한 온도 범위에서 운영할 수 있다. 하지만 플라이휠의 초기 비용은 배터리기반의 시스템에 비해 월등히 비싸고, 부하는 배터리 시스템이 관리하는 몇 문보다 짧은 몇 초간만 백업 할 수 있다.
수소 원료 셀은 수소와 산소가 화학적으로 결합하여 물을 생성할 때, 전기적 에너지가 생성되는 현상을 이용한다. 수소 원료 셀은 배터리보다 훨씬 더 비싸다. 또한 폭발 가스이기 때문에 이를 저장할 때는 엄청난 주의가 필요하다. 하지만 infancy 수소 연료 셀 기술은 UPS시스템을 위한 파워 보존의 장래성을 갖고 있다.
낮은 TCO 비용
ABB UPS의 TCO(Total Cost of ownership/초기투자비용 & 유지보수 비용)는 매우 낮다. 위에서 언급되었던 모듈성과 확장성뿐만 아니라, 최고수준의 에너지효율성을 갖추었기 때문이다. ABB의 Conceptpower DPA 500을 예로 들면 96%까지의 효율성으로 운용이 된다. ABB UPS의 효율 곡선은 굉장히 평탄하여 모든 부분에서 상당한 절약효과를 이끌어 낸다. 그 결과 UPS 시스템과 호환 가능한 특정 제품의 TCO를 최소화할 수 있다.
전력사용효율(PUE, Power Usage Effectiveness) 지수는 데이터센터 산업의 전력 효율을 계산하기위해 사용된다. PUE는 시설에 사용된 전체 전력을 데이터 저장과 관련된 기계에 사용된 전력으로 나눈 값으로 나온다. 데이터센터는 PUE 지수를 가능한 1에 가까워지기 위해 고군분투하고 높은 UPS 효율이 1에 가까워지기 쉽다.
PUE : 데이터센터 전체 전력 사용량을 IT장비 전력 사용량으로 나눈 값. 에너지 효율이 높고 저 전력 설비가 많을수록 1에 가까워진다.
뿐만 아니라, 데이터센터의 냉각비용은 상당한 비중을 차지한다. 전력을 적게 사용하기 때문에 고효율 UPS는 냉각 강도가 크지 않기 때문에 더 많은 절약을 이끌어낸다. ABB UPS 솔루션은 크기가 또한 작기 때문에 설치공간이 제한되었거나 확장할 수 없는 데이터센터에 이상적인 제품이다.
UPS 개발
데이터센터는 크기, 개수, 복잡성이 증가되기 마련이므로 UPS 제품에 도전과제가 많이 주어진다. 또한 점점 갈수록 정교화된 모듈과 컨테이너화된 데이터센터는 보다 더 다재다능한 전력 보호 계획을 필요하다. 그러나 전력의 계속되는 유용성이 UPS 존재의 유일한 이유이기 때문에 신뢰성 및 유지성은 UPS 디자인의 주춧돌로 남아있을 것이다.
하지만, TCO와 지속가능성은 보다 더 에너지 효율적인 기술을 향한 개발을 이끌어 낼 것이다.
무변압기 UPS는 계속해서 시장을 지배할 것이고, UPS가 차지하는 물리적 공간은 점점 더 줄어들 것이다. 그러나 높은 전류를 전송하기 위해 필요한 구리가 차지하는 공간은 줄어들지 못할 것이다. 따라서 고압에서 운영되는 대체 또는 보조 UPS 솔루션이 분명히 개발될 것으로 전망된다. 상대적으로 작은 전류가 필요하기 때문에, MV UPS는 수십만 메가와트를 공급할 수 있도록 설계될 것이다. 그리고 굉장히 큰 부하 블록 또는 심지어 전체 데이터센터를 수용 가능할 것이다.
대체 에너지 자원, 스마트그리드, 데이터센터 기반시설 관리 툴(DCIM), 기타 등등은 새로운 기준을 마련할 것이다. 물론 예상치 못한 개념도 나타날 것이다. 결국에는 데이터센터는 지구상에서 가장 빠르게 성장하고 가장 빠르게 움직이는 산업분야가 될 것이며, 영감을 위해 비옥한 분야가 될 것이다.