InfrastrukturaCIOPolecane tematy

Jak stworzyć system zasilania gwarantowanego w data center

Obecne środowiska IT muszą działać bez przerwy. Budowa wysokodostępnych aplikacji nie może się obejść bez nowoczesnego sprzętu i oprogramowania. Jednak nawet najlepsze serwery nie będą funkcjonować, gdy zostaną pozbawione zasilania. Systemy zasilania gwarantowanego stają się zatem krytycznym elementem odpowiedzialnym za ciągłość działania środowisk IT, a czasem także całych linii produkcyjnych w przemyśle.

Rozwój systemów zasilania gwarantowanego sprawia, że nawet mało prawdopodobna awaria – polegająca na utracie zasilania z obu zewnętrznych linii zasilających – nie powoduje przerwy w pracy. System automatyki umożliwia bowiem zasilenie wszystkich najważniejszych systemów z automatycznie uruchomionego agregatu prądotwórczego. Na czas przełączenia – bądź krótkiej przerwy w zasilaniu – prąd jest dostarczany z baterii akumulatorów lub pochodzi z energii koła zamachowego wykorzystywanego w dynamicznych zasilaczach (DRUPS). Po uruchomieniu generatora prądotwórczego, centrum danych może pracować bez dostarczania energii elektrycznej z zewnątrz. Jedyne praktyczne ograniczenie autonomiczności data center dotyczy zapasów paliwa oraz konieczności przeprowadzania okresowych prac konserwacyjnych agregatu.

Automatyczne przełączenie i odporność na awarie

Epoka ręcznego przełączania źródeł zasilania jest już przeszłością. Obecnie budowane systemy zasilania gwarantowanego zawierają automatyczny układ samoczynnego załączania rezerwy. Może on przełączyć zasilanie pomiędzy dwoma zewnętrznymi liniami zasilającymi oraz jednym – lub nawet dwoma – agregatami. Proces przełączenia odbywa się automatycznie. Zanik napięcia bądź inne poważne zdarzenie (np. uderzenie pioruna) powoduje samoczynne uruchomienie agregatu i przejście na pracę autonomiczną.

Epoka ręcznego przełączania źródeł zasilania jest już przeszłością. Obecnie budowane systemy zasilania gwarantowanego zawierają automatyczny układ samoczynnego załączania rezerwy. Może on przełączyć zasilanie pomiędzy dwoma zewnętrznymi liniami zasilającymi oraz jednym – lub nawet dwoma – agregatami. Proces przełączenia odbywa się automatycznie. Zanik napięcia bądź inne poważne zdarzenie (np. uderzenie pioruna) powoduje samoczynne uruchomienie agregatu i przejście na pracę autonomiczną.

Pośród krytycznych elementów wyposażenia znajduje się tor obejściowy UPS (tzw. bypass). Umożliwia on ominięcie zasilacza awaryjnego. Jest stosowany bardzo rzadko, ale występuje niemal w każdej instalacji. Podobnie, przy konstruowaniu układu samoczynnego załączania rezerwy uwzględnia się ochronę przed skutkami uszkodzenia przełącznika. Zwarcie w jednym przełączniku SZR może spowodować paraliż całego systemu, a nawet przekazywanie energii z zasilacza awaryjnego lub agregatu do sieci (poprzez tzw. napięcie wsteczne). Ochrona przed tym szkodliwym zjawiskiem jest wymagana przez przepisy. Jest także zapisana w normie PN-EN 62040-1:2009/A1:2013-10.

Problem uszkodzonego urządzenia

Warto pamiętać, że uszkodzenie systemu SZR przyczyniło się do najpoważniejszej awarii w historii polskiego hostingu 4 czerwca 2012 r. W jej wyniku doszło do utraty danych z chmury e24cloud w Beyond. pl. Rok wcześniej awaria techniczna układów zasilania dosięgła także serwerownię firmy Amazon zlokalizowaną pod Dublinem, a niedawno centrum danych OVH w Strasburgu. Niezależnie od budowy poszczególnych urządzeń energetycznych, zawsze powinna istnieć możliwość ręcznego, awaryjnego przełączenia zasilania, bez konieczności pracy pod napięciem. Istnieją co prawda procedury, uprawnienia i wyposażenie energetyków do prac pod napięciem, ale jest to kosztowne i niezwykle kłopotliwe.

CAŁY SYSTEM ZASILANIA
Jeszcze dwie dekady temu w wielu lokalizacjach pojęcie zasilania gwarantowanego redukowano do zestawu zasilaczy awaryjnych wspomaganych ewentualnie przez agregat prądotwórczy. Obecnie standardem jest cały system, który składa się z:
• dedykowanej instalacji elektrycznej,
• systemu dystrybucji napięcia w szafach serwerowych (PDU),
• zasilaczy awaryjnych (UPS),
• układów samoczynnego załączania rezerwy zasilania (SZR),
• agregatów prądotwórczych,
• narzędzi monitoringu i zarządzania.

Układ zasilania gwarantowanego musi uwzględniać pracę w każdych warunkach, w tym również możliwość awarii zasilanego urządzenia przy pracy z baterii lub generatora. W sytuacjach awaryjnych – takich jak zwarcie w zasilanym układzie – może dojść do bardzo niekorzystnego zjawiska, w którym zasilacz awaryjny może nie dostarczyć wystarczającego prądu, aby sforsować zabezpieczenie zasilanego urządzenia (przepalić bezpiecznik lub wyzwolić wyłącznik nadmiarowy). Zbyt mały nadmiar energii w układach UPS skutkuje brakiem możliwości szybkiej izolacji uszkodzonego odbiornika lub całego obwodu, co zagraża dostępności zasilania w innych gałęziach. Przy projektowaniu systemów zasilania gwarantowanego uwzględnia się także takie zdarzenia, by uniknąć wyłączenia całego systemu przez jeden uszkodzony odbiornik.

Skalowalność i rozbudowa

Od systemów zasilania gwarantowanego oczekuje się niezawodności i skalowalności. Nie wszystkie komponenty układu są równie łatwe w rozbudowie. Niektóre z nich, np. okablowanie, agregaty, przyłącza lub urządzenia SZR, są właśnie trudne w rozbudowie. Niekiedy projektuje się je od razu na obciążenie docelowe. Projektant uwzględnia każde obciążenie, gdyż rozwój centrum danych powoduje wzrost mocy pobieranej przez systemy IT tam hostowane, a razem z nim rośnie też moc pobierana przez urządzenia chłodzenia. Ten wzrost należy uwzględnić, aby w przyszłości infrastruktura zasilania nadążyła za wzrostem potrzeb systemów IT.

Niektóre elementy systemu, np. okablowanie, agregaty, przyłącza lub urządzenia SZR, są trudne w rozbudowie. Niekiedy projektuje się je od razu na obciążenie docelowe. Projektant uwzględnia każde obciążenie, gdyż rozwój centrum danych powoduje wzrost mocy pobieranej przez systemy IT tam hostowane, a wraz z nim rośnie także moc pobierana przez urządzenia chłodzenia. Ten wzrost należy uwzględnić, aby w przyszłości infrastruktura zasilania nadążyła za wzrostem potrzeb systemów IT.

Zasilacze awaryjne UPS w wielu przypadkach są modułowe i rozbudowywalne, ale nie zawsze rozbudowa będzie łatwa. Aby skalowanie w przyszłości było możliwe i w miarę łatwe, proces rozbudowy należy opracować jeszcze na etapie wczesnego projektowania instalacji. W przypadku zasilaczy należy uwzględnić położenie modułów, wymagany dostęp, okablowanie, dostępność interfejsów, łączy sygnałowych oraz magistrali zasilających.

Redundancja a sprawność energetyczna

Przy planowaniu rozbudowy uwzględnia się także fakt, że rozbudowa powinna odbywać się podczas pracy systemu, gdy odbiorniki w data center są normalnie zasilane. Można to osiągnąć zresztą przy odłączonym zasilaniu, jeśli nadmiarowość konstrukcji umożliwia bezprzerwowe odstawienie modernizowanego obiektu infrastruktury. Odporność na awarię najprościej zrealizować za pomocą nadmiarowości. Klasycznie zrealizowana redundancja UPS (N+1) skutkuje rozłożeniem obciążenia na większą liczbę modułów lub nawet urządzeń. Powstałe w ten sposób mniejsze obciążenie każdego modułu mocy wpływa ujemnie na jego sprawność energetyczną, gdyż wiele zasilaczy pracuje najsprawniej blisko mocy znamionowej. Wynika to z konstrukcji urządzenia.

Najnowsze rozwiązanie równoważenia obciążenia uwzględnia także i ten fakt, wprowadzając część zbędnych w danej chwili modułów mocy w stan jałowy. Moduł mocy w stanie jałowym nie pobiera energii, pozostałe moduły są tak obciążone, aby pracowały z możliwie najwyższą sprawnością. Gdy obciążenie wzrasta, automatyka uruchamia oczekujące moduły mocy, gwarantując wysoką sprawność przy mniejszym obciążeniu i szybką reakcję na zmiany poboru energii przez odbiorniki. Czas uruchamiania modułu mocy od stanu jałowego do pełnej funkcjonalności (w tym pełnej mocy) wynosi zazwyczaj ok. 2 milisekundy (dziesięć razy szybciej niż okres napięcia sieci zasilającej 50 Hz). Jest to nieodczuwalne przez odbiorniki obsługiwane przez taki zasilacz. Układ może równocześnie załączyć więcej niż jeden moduł mocy.

Wraz ze wzrostem liczby zasilaczy oraz modułów, rośnie złożoność systemu podziału obciążenia. Jeśli tym podziałem obciążenia zarządza jakieś urządzenie, staje się ono pojedynczym punktem awarii. Przy kilkudziesięciu pracujących równocześnie modułach zarządzanych przez jedno urządzenie awaria podziału obciążenia jest istotnym czynnikiem ryzyka.

Plan dobry, ale testy lepsze

Każdy system zasilania gwarantowanego należy testować zgodnie z procedurami zachowania ciągłości działania – tak samo jak IT sprawdza, czy można odtworzyć dane z kopii bezpieczeństwa. Co pewien czas należy również uruchomić agregat prądotwórczy – tego wymaga instrukcja eksploatacji. Innymi słowy, o stanie systemów zasilania gwarantowanego można się przekonać wtedy, gdy regularnie prowadzone próby wskazują na to, że używane rozwiązanie spełnia stawiane przed nim oczekiwania.

Proces testowania całej sieci można zrealizować za pomocą obciążnicy. Pobór mocy będzie odpowiadał prawdziwemu obciążeniu przez urządzenia w data center. Zdecydowanie częściej prowadzi się testy polegające na prawdziwym wymuszeniu przełączenia zasilania. Jak pokazuje doświadczenie polskich centrów przetwarzania danych, każdy taki test jest obarczony pewnym ryzykiem. Ale jest to jedyna metoda sprawdzenia, czy zastosowane zabezpieczenie naprawdę zadziała, gdy linia zasilająca przestanie dostarczać prąd.

KOMENTARZ EKSPERTA

Efektywne energetycznie centrum danych

Projektując efektywne data center, należy pamiętać, że wzrost zużycia energii w danym przedsiębiorstwie jest bezpośrednio związany ze wzrostem zapotrzebowania na chłodzenie centrum danych. Dlatego właśnie na potrzeby prefabrykowanych centrów danych powinniśmy wybierać urządzenia skalowalne i modułowe, które pozwolą nam na rozbudowę systemów – w ten sposób, w każdej chwili możemy dostosować środowisko do zwiększających się potrzeb. Jeśli zaś chodzi tylko o sprzęt chłodzący, szczególną wagę należy przykładać do jego jakości i niezawodności, co najlepsze odzwierciedlenie ma w jego parametrach technicznych. Ponadto, kluczową kwestią jest sposób instalacji źródeł chłodu – nie powinny być one instalowane zbyt daleko od urządzeń IT emitujących ciepło. Chłodne powietrze powinno mieć zapewniony swobodny przepływ, natomiast ciepłe i zimne strumienie powietrza nie mogą się ze sobą mieszać. Poza tym, kiedy systemy IT będą skonsolidowane w jak najmniejszej liczbie szaf oraz usytuowane w pobliżu źródeł chłodzenia, ich efektywność dynamicznie wzrośnie.

Zarówno w przypadku korporacji, jak i w trudnych lokalizacjach (np. tereny pustynne, kopalnie) niezawodne okazują się rozwiązania kontenerowe. Jedną z najbardziej istotnych korzyści, płynących z wykorzystania kontenerów, jest łatwa i szybka instalacja. Prefabrykowane moduły do centrów danych dostarczane są bezpośrednio do miejsca instalacji, w postaci gotowej do uruchomienia, ponieważ zawierają całą fizyczną infrastrukturę centrum danych – zmontowaną, przetestowaną i zamkniętą w jednym kontenerze transportowym zgodnym z normami ISO. Co więcej, ich konstrukcja jest skalowalna, dzięki czemu możliwa jest rozbudowa infrastruktury IT oraz jej dowolne, elastyczne modyfikowanie na kolejnych etapach wdrożenia. Jednym z rozwiązań tego typu są kontenery Smart-Shelter od Schneider Electric. Moduły te są projektowane specjalnie do konkretnych zastosowań, zabezpieczone, wodoodporne i atestowane pod względem odporności przeciwpożarowej. Oferują maksymalny poziom funkcjonalności i zapewniają optymalne działanie.

Cezary Gutowski, kierownik wsparcia sprzedaży IT Division, APC by Schneider Electric

Artykuł ukazał się na łamach Magazynu ITwiz nr. 4-5/2018. Szczegóły dotyczące wydania wraz z formularzem dla osób zainteresowanych zakupem wydania dostępne są na stronie: https://itwiz.pl/kiosk

Tagi

Podobne

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *