كيفية اختيار مولد كهرباء مناسب لدعم مركز البيانات؟

فهم متطلبات الطاقة الحرجة للحفاظ على استمرارية تشغيل مركز البيانات

دور المولدات الكهربائية في الحفاظ على عمليات مركز البيانات المستمرة

تُعد المولدات الكهربائية الخط الدفاعي الأخير عندما تسوء الأمور تشغيليًا، حيث تقوم بتغطية الفجوة بين لحظة تعطل الشبكة الكهربائية الرئيسية وقبل أن تنفد بطاريات نظام التغذية الكهربائية الاحتياطي (UPS). وتشير الأرقام الواردة في تقرير معهد Uptime Institute لعام 2024 إلى مدى أهمية هذا الدور. فقد كانت المشاكل الكهربائية وراء نصف حالات الإغلاق الكبرى للمراكز البيانات التي درسها المعهد. ويمكن أن تكلف الشركات حالات الانقطاع الطويلة التي تمتد لأكثر من أربع ساعات أكثر من سبعمئة وأربعين ألف دولار أمريكي فقط في شكل غرامات نتيجة انتهاكات اتفاقيات مستوى الخدمة (SLA). وتؤدي إعدادات المولدات الحديثة أفضل أداء عندما تكون مزودة بمفاتيح تحويل تلقائية (ATS). وعادةً ما تقوم هذه الأنظمة بالتحويل خلال عشر ثوانٍ فقط، ما يعني استمرار العمليات بسلاسة حتى أثناء انقطاع التيار الكهربائي لفترات طويلة من جانب شركة المرافق.

أثر الانقطاعات غير المخطط لها على توافر الخدمة واتفاقيات مستوى الخدمة

عندما تعطلت الأنظمة بشكل غير متوقع، تواجه الشركات مشكلات مالية جسيمة. فقد شهدت بعض مراكز البيانات الكبيرة ارتفاع فواتيرها بأكثر من مليون دولار كل ساعة خلال هذه الحوادث. وفقًا لأبحاث نشرها معهد Uptime Institute العام الماضي، فإن قرابة النصف (حوالي 42٪) من جميع انقطاعات الخدمة حدثت بسبب عطل في نظام الطاقة الاحتياطية. وعادةً ما يكون السبب إما أن المولدات كانت صغيرة جدًا بالنسبة لما يُطلب منها تحمله، أو وجود مشكلات في تزويد الوقود إليها بشكل صحيح. أما بالنسبة للشركات التي تسعى لتحقيق أهداف توفر صارمة للغاية مثل 99.999٪، فإن التخطيط للتشغيل العادي لا يكفي. بل يجب أن تفكر مسبقًا فيما يحدث عندما تفشل عدة مكونات في آنٍ واحد.

معايير Uptime Institute Tier وتأثيرها على اختيار المولدات

بالنسبة للمنشآت الحاصلة على شهادة المستوى الثالث والرابع، هناك حاجة إما إلى تكرار مولدات N+1 أو 2N مع احتياطي وقود لا يقل عن 72 ساعة مخزّن في الموقع عند التعامل مع عمليات حيوية بالغة الأهمية. ويذهب المعيار Tier IV إلى أبعد من ذلك من خلال نهجه المتسامح مع الأخطاء، والذي يتطلب نظامَيْ مولدات منفصلين تمامًا يمكنهما الحفاظ على تشغيل جميع الأنظمة بكامل طاقتها حتى في حال فشل أحد المكونات. وبينما تؤدي هذه المواصفات بالتأكيد إلى زيادة التكاليف بنسبة حوالي 34٪ مقارنةً بالمنشآت الأساسية التي لا تحمل مثل هذه التصنيفات، فإنها توفر أيضًا شيئًا مميزًا للغاية: وهو معدل تشغيل سنوي مثير للإعجاب بنسبة 99.982٪. هذا النوع من الموثوقية يُحدث فرقًا كبيرًا بالنسبة لشركات خدمات السحابة ومشغلي مراكز البيانات الذين يتنافسون في السوق الحالي حيث لم يعد توقف الخدمة مقبولًا بعد الآن.

اختيار نوع المولد الكهربائي المناسب: تصنيفات الطوارئ، والأساسية، والتشغيل المستمر

الاختلافات بين أنظمة المولدات ذات التصنيف الأساسي، وتصنيف الطوارئ، والتشغيل المستمر

عندما يتعلق الأمر بمركزات البيانات، فإن الحصول على التكوين الصحيح للطاقة أمر بالغ الأهمية. تعمل المولدات الاحتياطية كأنظمة احتياطية عندما تحدث مشكلات، على الرغم من أنها مصممة فقط للعمل بشكل عرضي، ربما بحد أقصى حوالي 500 ساعة في السنة. ثم هناك المعدات ذات التصنيف الأساسي التي تتعامل مع الأحمال المتغيرة بمرور الوقت، وتعمل بشكل جيد في الأماكن التي لا تكون فيها الكهرباء دائمًا موثوقة. ويمكن لهذه المعدات التعامل مع التقلبات بشكل أفضل من معظم الخيارات الأخرى. أما المولدات ذات التصنيف المستمر فتستمر في العمل بكامل طاقتها طوال اليوم، ويُنظر إليها غالبًا في البيئات الصناعية حيث لا تتوقف العمليات أبدًا. لكن هذه النماذج لا يمكنها تحمل الزيادات المفاجئة التي تتعامل معها الموديلات ذات التصنيف الأساسي بسهولة. وبالتالي فإن اختيار النوع المناسب يعتمد على نوع استقرار الحِمل الذي نحتاجه من منشآتنا.

مطابقة نوع المولد لمتطلبات تشغيل مركز البيانات

تعتمد معظم مراكز البيانات على المولدات الاحتياطية المقترنة بأنظمة UPS لتلبية معايير الازدواجية من الفئة III/IV. وفي المناطق المعرضة لانقطاع التيار الكهربائي المتكرر، يتم تبني أنظمة هجينة تستخدم مولدات ذات تصنيف أولي بشكل متزايد، حيث تبرر أوقات التشغيل الطويلة والمرونة في تحمل الأحمال متطلبات الصيانة العالية.

تصنيف طاقة مركز البيانات (DCP) مقابل التصنيفات الأخرى للطاقة في الممارسة العملية

تم إنشاء معيار طاقة مركز البيانات أو DCP خصيصًا للبنية التحتية التي لا يمكنها تحمّل التوقف. ويشمل هذا المعيار عناصر مثل التكرار المتوازي حيث تعمل أنظمة متعددة في آنٍ واحد، وكذلك هياكل 2N التي تعني ببساطة وجود مكونات احتياطية لكل جزء على حدة. يعلم معظم الناس حاليًا بمعايير ISO 8528 التي تشير إلى القدرة الأولية القادرة على تحمل الأحمال المتغيرة بشكل غير محدود. ولكن ما الذي يُميز DCP؟ تأتي المولدات المعتمدة بميزات إضافية مثل أنظمة عادم أقوى وأقواس مقاومة للزلازل. كما يجب أن تستوفي هذه المولدات متطلبات TIA-942، وهي شيء تتجاهله المواصفات العادية غالبًا عند الحديث عن موثوقية مراكز البيانات.

تحديد حجم مولد الطاقة الاحتياطي بشكل صحيح للأحمال الحالية والمستقبلية

تحديد حجم المولدات لتطبيقات مراكز البيانات باستخدام ملفات الأحمال الفعلية

إن اختيار المولد المناسب من حيث السعة لا يعتمد فقط على تخمين الأرقام على الورق. بل تعتمد تحديد السعة المناسبة للمولد بشكل رئيسي على بيانات الاستهلاك الفعلية للطاقة الكهربائية في العالم الحقيقي. فكر في كيفية تغير استهلاك الطاقة عبر الفصول المختلفة، خاصةً في اللحظات التي تشغّل فيها الخوادم جميعها في آنٍ واحد. يمكن أن تؤدي هذه الاندفاعات عند التشغيل إلى زيادة الطلب بنسبة تتراوح بين 30 و40 في المئة أحيانًا. ما أفضل نهج؟ تثبيت معدات متقدمة للرصد تسجّل الاستخدام كل 15 دقيقة. وهذا يمنح المهندسين أنماطًا فعلية يمكنهم العمل عليها بدلًا من الاعتماد على افتراضات. ومع هذه المعلومات التفصيلية، يمكنهم إعداد ملفات استهلاك دقيقة تساعد في تجنّب دفع تكاليف زائدة نتيجة اختيار مولّد أكبر من الحاجة، أو التعرّض لخطر فشل النظام بسبب استخدام مولّد صغير جدًا ولا يتماشى مع متطلبات الأحمال.

مراعاة الطلب الأقصى، والتكرار الاحتياطي، والتوسّع المستقبلي

عند تصميم أنظمة النسخ الاحتياطي، من المهم أن تكون قادرة على التعامل مع إعدادات التكرار الحالية مثل تكوينات N+1 أو 2N، بالإضافة إلى توفير هامش للنمو خلال خمسة إلى سبعة أعوام تقريبًا. يميل معظم المحترفين ذوي الخبرة في هذا المجال إلى تخصيص حوالي 20 إلى 25 بالمئة من السعة الإضافية تحسبًا لتوسع العمليات بشكل غير متوقع. كما أنهم عادةً ما يضيفون ما يُعرف بسعة أمان تتراوح بين 1.5 إلى 1 فوق أعلى الأحمال المسجلة حتى الآن. خذ على سبيل المثال منشأة نموذجية بقدرة 2 ميغاواط كسيناريو واقعي نموذجي. غالبًا ما تقوم هذه المنشأة بتثبيت مولدات قادرة على التعامل مع طاقة بقدرة 3 ميغاواط. وهذا يمنحها مرونة عند إضافة رفوف جديدة لاحقًا، ويُلبّي جميع معايير التكرار الصارمة دون الحاجة المستمرة إلى إعادة التجهيز لاحقًا.

دراسة حالة: تحديد حجم مولد احتياطي لمراكز بيانات من الفئة Tier III

انتقل مركز بيانات في بوسطن مؤخرًا إلى معايير المستوى الثالث (Tier III)، مما يعني أنهم يحتاجون إلى أنظمة النسخ الاحتياطي للعمل حتى أثناء الصيانة. لم تتمكن المولدات القديمة البالغة قدرتها 4 ميجاواط من العمل بالديزل من التعامل مع الأحمال عندما دخلت أنظمة التبريد كليهما حيز التشغيل في نفس الوقت واستؤنفت خوادم الخدمة بشكل متزامن. وبعد دراسة جميع الأرقام، اكتشف المهندسون أن الخيار الأمثل لهم هو الانتقال إلى قدرة 6.2 ميجاواط. وقاموا بتثبيت أربع وحدات منفصلة بقدرة 1.55 ميجاواط لكل منها، تعمل معًا تلقائيًا لتقاسم عبء العمل. ويُراعى هذا التكوين ما يقارب 1.5 مرة من الاستهلاك الطبيعي لديهم، بالإضافة إلى توفير هامش للتوسع المستقبلي من خلال وفر إضافي بنسبة 15٪ مدمج ضمن النظام.

تجنب التصغير غير الكافي: العواقب واستراتيجيات المعالجة

تساهم المولدات ذات السعة الصغيرة في 43٪ من حالات توقف مراكز البيانات المرتبطة بفشل الطاقة الاحتياطية (معهد Uptime 2023). وتشمل علامات التحذير حدوث إنذارات متكررة بسبب الحمل الزائد وتأخر استجابات مفاتيح الانتقال. وتشمل طرق المعالجة الفعالة:

• نشر أنظمة المولدات الوحداتية التي تتوسع تدريجيًا
• تنفيذ بروتوكولات فصل الأحمال عن المعدات غير الضرورية
• تحديث الوحدات باستخدام مثبتات الجهد العابرة لإدارة التيارات الزائدة

يُعد اختبار بنك الحمولة السنوي أمرًا ضروريًا للتحقق من الأداء تحت ظروف الذروة المحاكاة.

اختيار الوقود واستقلالية النظام لتشغيل موثوق على المدى الطويل

مقارنة أنظمة المولدات التي تعمل بالديزل والغاز الطبيعي والوقود المزدوج

يعتمد معظم مولدات الطاقة حاليًا على ثلاثة خيارات رئيسية للوقود: الديزل، والغاز الطبيعي، وأنظمة الهجين المعروفة باسم أنظمة الوقود المزدوج. كان الديزل دائمًا شائعًا لأنه يحتوي على طاقة كبيرة في خزانات صغيرة ويستمر في العمل حتى أثناء انقطاع التيار الكهربائي لفترات طويلة. أما العيب؟ فغالبًا ما تكون السلطات المحلية حريصة جدًا بشأن مكان وكمية الوقود التي يمكن تخزينها في الموقع. يُحترق الغاز الطبيعي بشكل أنظف من الديزل ويتدفق باستمرار عبر خطوط الأنابيب تحت الأرض، وهو أمر ممتاز إلى أن يحدث شيء ما لهذه الخطوط. أي عاصفة أو حادث أو أعمال صيانة يمكن أن تقطع خط الإمداد. ولهذا السبب يتجه العديد من المرافق إلى تقنية الوقود المزدوج. هذه الأنظمة تتضمن في الأساس خطط احتياطية مدمجة، حيث تتحول تلقائيًا إلى أي وقود لا يزال متاحًا عندما تنفد إحدى أنواع الوقود أو يتم منعها. وهذا منطقي بالنسبة للأماكن التي لا يمكنها تحمل أي توقف على الإطلاق.

اختيار مصدر الوقود واستقلالية النظام أثناء الأعطال الطويلة

تُعد استقلالية النظام، أي القدرة على التشغيل دون الحاجة لإعادة التزود بالوقود، أمرًا حيويًا خلال انقطاع الكهرباء الذي يستمر لعدة أيام. يدعم التخزين المدمج للديزل تشغيل النظام لمدة 48-96 ساعة، في حين يعتمد الغاز الطبيعي على توفر خط أنابيب دون انقطاع. بالنسبة للمواقع الحيوية، تُفضل الأنظمة الثنائية الوقود، حيث توفر إمكانية التحوّل عند تعطّل إمدادات الوقود الأساسية.

متطلبات تخزين الوقود في الموقع وخدمات إعادة التعبئة

عندما يتعلق الأمر بتخزين الوقود في الموقع، هناك عدة عوامل رئيسية يجب أخذها بعين الاعتبار. أولاً وقبل كل شيء، فإن الخزانات المقاومة للتآكل ضرورية تمامًا. ومن المهم أيضًا المعالجة الدورية باستخدام مبيدات الجراثيم لمنع تلك الكائنات الدقيقة المزعجة من تلوث الوقود. ولا تنسَ تدوير مخزون الوقود بشكل دوري لضمان بقائه صالحًا للاستخدام مع مرور الوقت. أما بالنسبة لمتطلبات مدة التخزين، فإن المعيار NFPA 110 يشترط عمومًا ما بين 12 إلى 24 ساعة من احتياطي الديزل لأنظمة الدعم الاحتياطي الطارئة. ومع ذلك، فإن معظم المرافق من الفئة III والفئة IV تذهب إلى أبعد من ذلك بكثير، وغالبًا ما تحتفظ باحتياطيات كافية لتشغيل مستمر لمدة تتراوح بين 3 إلى 4 أيام. عند التخطيط لإعادة التعبئة، فإن الموقع له أهمية كبيرة. فالمناطق المعرّضة للفيضانات يمكن أن تحدّ بشدة من نوع الخزانات الأرضية التي يمكن تركيبها هناك. كما أن المشغلين الأذكياء يحرصون أيضًا على إبرام اتفاقات قوية مع الموردين لضمان أولوية التسليم لديهم عند حدوث العواصف أو أي أزمات إقليمية أخرى.

ضمان التكرار والتكامل والامتثال في تصميم الطاقة الاحتياطية

نموذجا N+1 و2N للتكرار في معمارية الطاقة الاحتياطية

يساعد إدخال التكرار في أنظمة الطاقة الاحتياطية على منع تلك الأعطال المفردة المزعجة التي نخشى جميعًا حدوثها. خذ على سبيل المثال نهج N+1، حيث يوجد مولد إضافي جاهزًا للاستخدام في حال حدوث عطل في إحدى الوحدات. أصبح هذا التكوين شائعًا جدًا في المرافق من الفئة Tier III وIV هذه الأيام. ثم هناك تكوين 2N الذي يقوم بشكل أساسي بإنشاء نسخ مطابقة لكل مكون كهربائي. ما المقصود بذلك؟ يعني أن النظام يستمر في العمل دون انقطاع حتى لو فشل كل شيء في أحد الجانبين تمامًا. بالنسبة لمراكز البيانات الضخمة والعمليات الكبيرة الأخرى، يصبح هذا النوع من الحماية ضد الأعطال ضروريًا تمامًا عندما تُكلّف أوقات التوقف ملايين الدولارات.

تكوينات المولدات المتوازية لتحقيق التحمل ضد الأعطال

تُزامن التكوينات المتوازية عدة مولدات لتقاسم الأحمال بشكل ديناميكي. يتيح هذا الإعداد إعادة التوزيع التلقائية أثناء الانقطاعات أو الصيانة، مع الحفاظ على استقرار الجهد وكفاءة النظام.

دمج المولدات مع أنظمة التزويد بالطاقة دون انقطاع (UPS) ومفاتيح النقل التلقائية (ATS) لتحقيق تحويل سلس

تدمج الأنظمة الحديثة المولدات مع أنظمة التزويد بالطاقة دون انقطاع (UPS) وأجهزة مفاتيح النقل التلقائية (ATS) لإزالة الفجوات الكهربائية أثناء انتقالات الشبكة. يجب أن تبدأ جهاز ATS بالتحويل خلال 10 ثوانٍ وفقًا للمعيار NFPA 70، بينما تقوم وحدة UPS بتغطية التغذية حتى تصل المولدات إلى إنتاجها الكامل.

الامتثال للمعايير NFPA 110، ISO 8528، NEC، TIA-942 واللوائح البيئية

يعتمد الامتثال على خمسة معايير أساسية:

1. NFPA 110 -- سلامة أنظمة الطاقة في حالات الطوارئ والاحتياطية
2. الـ ISO 8528 -- اختبار الأداء لمجموعات المولدات ذات المحركات الترددية
3. المادة NEC Article 700 -- متطلبات التصميم للأنظمة الطارئة
4. TIA-942 -- مستويات الازدواجية في بنية مركز البيانات الأساسية
5. معايير EPA Tier 4 -- معايير الانبعاثات الخاصة بالمولدات العاملة بالديزل

الاختبار، والصيانة، والاعتماد من أجل الموثوقية على المدى الطويل

نختبر المولدات كل ثلاثة أشهر باستخدام أحمال كهربائية وفقًا لمعايير ISO 8528-8، وهذه الطريقة تضمن أن تعمل عند الحاجة إليها أكثر ما يكون. وللصيانة الدورية، يجب على المرافق استبدال فلاتر الهواء، وتغيير سائل التبريد بانتظام، وإجراء فحص شامل لأنظمة الوقود مرة واحدة سنويًا. أما أي موقع يحتفظ بكمية تزيد عن 1,320 جالونًا من الديزل في الموقع، فهو مطالب قانونًا بإعداد خطط مناسبة للوقاية من التسرب وفقًا لأنظمة SPCC الصادرة عن وكالة حماية البيئة (EPA). ولا ننسَ أهمية الحصول على تأكيد من جهة خارجية أيضًا. فالشهادة من المستوى 1 وفقًا للمعيار NFPA 110 تعني أن النظام بأكمله قادر فعليًا على العمل دون توقف لمدة ثلاثة أيام كاملة في حال حدوث عطل في إمدادات الكهرباء الرئيسية.

الأسئلة الشائعة

لماذا تعد المولدات الكهربائية مهمة لاستمرارية تشغيل مراكز البيانات؟

تُستخدم مولدات الطاقة كنسخة احتياطية للشبكة الكهربائية الرئيسية، مما يضمن استمرارية العمليات أثناء انقطاع التيار. وتحvented هذه المولدات توقف الخدمات والخسائر المالية، خاصة في مراكز البيانات التي تتبع معايير توافر عالية.

ما أنواع المولدات المستخدمة عادةً في مراكز البيانات؟

تستخدم مراكز البيانات عادةً مولدات احتياطية أو أولية أو ذات تصنيف تشغيل مستمر. تُستخدم المولدات الاحتياطية في الحالات الطارئة، والمولدات الأولية في المناطق ذات التيار الكهربائي غير المستقر، والمولدات ذات التصنيف المستمر للعمليات الدائمة، مثل بيئات التصنيع.

كيف ينبغي تحديد سعة المولد لمراكز البيانات؟

يتطلب تحديد سعة المولد تحليل بيانات الاستهلاك الفعلية للطاقة، مع أخذ الطلب الأقصى ومتطلبات التكرار والاحتياجات المستقبلية للتوسع بعين الاعتبار لتجنب التصميم الزائد أو الناقص.

ما أهمية نموذجي التكرار N+1 و2N؟

يشير التكرار N+1 إلى وجود مولد إضافي في وضع الاستعداد لحالات فشل المكونات الفردية، في حين أن التكرار 2N يقوم بنسخ جميع مكونات الطاقة لتوفير تحمل تام للأعطال. وتُعد هذه النماذج ضرورية للحد من توقف الأنظمة.