Az UPS-rendszerek felépítésének összehasonlítása Írta: Kevin McCarthy 75. tanulmány
Vezetői összefoglaló Az épületek elektromos hálózata és az adatközpontok kritikus terhelései közötti áramelosztást végző UPS rendszerek tervezésekor öt alapvető szemléletet szoktak követni. Az adott alkalmazásnál leginkább megfelelő megoldás kiválasztását a rendelkezésre állással, a kockázatvállalással, az adatközpont terheléseinek típusaival, a költségvetéssel és a meglévő infrastruktúrával kapcsolatos tényezők befolyásolják. Az alábbiakban mind az öt konfigurációt ismertetjük, továbbá kitérünk előnyeikre és hátrányaikra is. Megvizsgáljuk az egyes konfigurációk által biztosított rendelkezésre állást, valamint útmutatást adunk a megfelelő megoldás kiválasztásához. 2
Bevezetés Bár a fejlett országok közcélú villamos hálózata kiváló megbízhatósági mutatókkal üzemel, tanulmányok rámutattak, hogy még a legjobb elektromos hálózat sem képes kielégíteni a kritikus, folyamatos adatfeldolgozási folyamatok igényeit. A legtöbb vállalat, amikor szembesül az elektromos hálózat által okozott leállások és az adatfeldolgozási hibák lehetőségével, valamilyen szünetmentes tápellátó (Uninterruptible Power Supply, UPS) rendszernek az elektromos elosztó hálózat és az üzletvitel szempontjából nélkülözhetetlen készülékek közé való beiktatása mellett dönt. Az adott alkalmazáshoz kiválasztott UPS-rendszer felépítése közvetlen hatással bír az általa támogatott IT berendezések rendelkezésre állására. Egy rendszer rendelkezésre állása számos tényezőtől függ, ide értve az emberi hibát, az összetevők megbízhatóságát, a karbantartás ütemezését és a helyreállítási időt is. Az egyes tényezők által a rendszer összesített rendelkezésre állására gyakorolt hatást a kiválasztott konfiguráció jelentős mértékben befolyásolja. Az idők során számos tervezőmérnök próbált tökéletes UPS-rendszert kialakítani a kritikus terhelések támogatására, és ezek a megoldások sokszor olyan neveket viselnek, amelyek nem feltétlenül tükrözik az általuk biztosított rendelkezésre állás nagyságrendjét. Párhuzamos redundáns, elválasztott redundáns, forró kötésű, forró szinkronizálású, többszörös párhuzamos busz, rendszer plusz rendszer és elkapó rendszer mind olyan nevek, amelyeket a tervező mérnökök vagy a gyártók aggattak az egyes UPS-rendszerekre. Ezekkel a kifejezésekkel az a baj, hogy különböző emberek számára különböző dolgokat jelentenek, és számos különböző módon értelmezhetők. Bár napjainkban rengetegféle UPS-konfigurációt találunk a piacon, túlnyomó részüket mégis öt alapkategória valamelyikébe sorolhatjuk be. Ezek a következők: (1) kapacitás, (2) elválasztott redundáns, (3) párhuzamos redundáns, (4) elosztott redundáns és (5) rendszer plusz rendszer. Ebben a tanulmányban ezeket az UPS-rendszerkonfigurációkat tárgyaljuk, valamint ismertetjük előnyeiket és hátrányaikat is. A rendszer konfigurációját mindig a terhelések kritikussága szerint kell kialakítani. A megfelelő rendszerkonfigurációt kizárólag a leállások hatásának és a vállalat kockázatvállalási hajlandóságának figyelembe vételével választhatjuk ki. Tanulmányunkban az egyes alkalmazások számára leginkább megfelelő konfigurációk kiválasztásához is adunk útmutatást. A rendelkezésre állások és a költségek nagyságrendje Rendelkezésre állás Az UPS-konfigurációk folyamatos fejlesztését az adatfeldolgozásokért felelős vezetők folyamatosan szigorodó rendelkezésre állási elvárásai ösztönözték. A rendelkezésre állás annak az időnek a százalékos, becsült aránya, amely alatt az elektromos áramellátás rendelkezésre fog állni, és képes lesz a kritikus terhelések megfelelő támogatására. A függelékben szereplő elemzés számszerűsíti a tanulmányban tárgyalt konfigurációk rendelkezésre állásai közötti különbségeket. Mint minden modellnél, az elemzés egyszerűsíté- 3
se érdekében bizonyos feltételezéseket kell tenni, ezért az itt szereplő rendelkezésre állási értékek magasabbak is lehetnek a tényleges telepítéseknél tapasztaltaknál. Az öt alapkonfiguráció összehasonlításához az 1. táblázatban megadtunk egy egyszerű sorrendet, amelyet a függelékben szereplő számítások révén kapott eredmények alapján állítottunk fel. Az egyes konfigurációk részletesebb ismertetésének áttekintése után a sorrend mindenki számára egyértelművé válik. Rétegek Minden UPS-rendszer (és elektromos elosztórendszer) rendszeres karbantartást igényel. Az egyes rendszerkonfigurációk rendelkezésre állása attól függ, hogy milyen szinten képesek elviselni az összetevők meghibásodásait, illetve jellegüknél fogva mennyire teszik lehetővé a normál karbantartások és ellenőrzések végrehajtását úgy, hogy a kritikus terhelés ellátása ne szakadjon meg. Az Uptime Institute ezt a témát Industry Standard Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance 1 című tanulmányában részletesebben is tárgyalja. Az Uptime Institute dokumentumában szereplő rétegek lefedik a jelen tanulmányban szereplő ötféle UPS-architektúrát is, valamint az 1. táblázatban is szerepelnek. Költségek Minél jobb rendelkezésre állást nyújt egy rendszer, annál drágább. Az 1. táblázat az egyes megoldások hozzávetőleges árát is tartalmazza. A megadott költségek az adatközpont kiépítése mellett az UPSrendszer és a teljes hálózatkritikus fizikai infrastruktúra (Network-Critical Physical Infrastructure, NCPI) kiépítésének árát is magukba foglalják. Ide értendők a generátor vagy generátorok, kapcsolóegységek, hűtőrendszerek, tűzvédelmi berendezések, az emelt padlózat, a szekrények, a világítás és a fizikai terület biztosításával, valamint az üzembe helyezéssel kapcsolatos kiadások is. Ezek az induló költségek, az üzemeltetési költségeket, például a karbantartások árát nem tartalmazzák. A költségek számításakor szekrényenként 2,79 négyzetméter alapterületet és 2,3 3,8 kw/szekrény teljesítményt vettünk figyelembe. Az egy szekrényre vetített költség az épület méretének növekedtével csökken, hiszen a költségek nagyobb területre oszlanak el, illetve a nagyobb tételben végzett vásárlásoknak köszönhetően jobb feltételeket lehet elérni a szállítóknál. 1. táblázat Az UPS-konfigurációk rendelkezésre állásának és költségének nagyságrendje Konfiguráció Az adatközpont Rendelkezésre állás Réteg nagyságrendje osztály 1 nagyságrendi költsége Kapacitás (N) 1 = Legalacsonyabb I. réteg 13 500-18 000 USD/szekrény Elválasztott redundáns 2 Párhuzamos redundáns (N+1) 3 II. réteg 18 000-24 000 USD/szekrény Elosztott redundáns 4 III. réteg 24 000-30 000 USD/szekrény Rendszer plusz rendszer (2N, 2N+1) 5 = Legmagasabb IV. réteg 36 000-42 000 USD/szekrény 1 www.upsite.com 4
Mi az N? Az UPS-rendszereket a szaknyelvben sokszor egy N betűt tartalmazó képlettel jellemzik. Egy párhuzamos redundáns rendszert például N+1 rendszernek is nevezhetünk, egy rendszer plusz rendszert pedig 2N rendszernek. Az N -t egyszerűen a kritikus terhelés szükségleteként (angolul need) foghatjuk fel. Másként fogalmazva ez a védett berendezések ellátásához szükséges kapacitás. Az N használatát például a RAIDrendszerek (Redundant Array of Independent Disks, független lemezek redundáns tömbje) segítségével szemléltethetjük. Ha például a kívánt tárolókapacitás biztosításához négy lemezre van szükség, akkor egy négy lemezt tartalmazó RAID-rendszer N felépítésű. Ha öt lemezünk van, de csak négyre van feltétlenül szükségünk, akkor N+1 rendszerünk van. Korábban a kritikus terhelés nagyságát jó előre meg kellett becsülni, ezzel lehetett biztosítani, hogy az UPSrendszer 10 15 évig is képes legyen a terhelések támogatására. A terhelésbecslés elvégzése rendkívül nehéz feladat volt, és nem véletlenül. Az 1990-es években kialakult a watt/terület szemlélet, ami adott egyfajta keretet a vizsgálatoknak, illetve lehetővé tette az egyes létesítmények összehasonlítását. Sajnos a teljesítménymérés ezen eszközével kapcsolatosan is vannak félreértések, ugyanis az érintettek képtelenek megegyezni abban, hogy mi legyen az alapterület mértékegysége. Újabban, a berendezések méretének csökkenésével a watt/szekrény jött divatba. Ez már megbízhatóbb mértékegységnek bizonyult, ugyanis az adott területre eső szekrényeket könnyedén meg lehet számlálni. Függetlenül a terhelési N megválasztásának módjától, fontos, hogy a választást mindjárt a tervezés kezdetekor tegyük meg, így a tervezési folyamatot eleve jó úton tudjuk elindítani. Jelenleg már léteznek méretezhető, moduláris UPS-rendszerek is, amelyek lehetővé teszik, hogy az UPS kapacitás a szükségletek bővülésével párhuzamosan növekedjen. A témát az APC 37., Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra túlméretezéséből eredő többletköltségek elkerülése című tanulmánya tárgyalja részletesen. Kapacitás, avagy N rendszer Egy N rendszer egyszerűen egyetlen UPS-modult tartalmaz, vagy több, párhuzamosan kötött modult, amelyek kapacitása megegyezik a kritikus terhelés várható nagyságával. A szünetmentes tápellátási iparágban messze ez a legelterjedtebb konfiguráció. Amikor egy irodai asztal alatt találunk egy kisebb UPS-t, akkor az egy N konfiguráció eleme. Ha egy 465 négyzetméteres számítógépes helyiség tervezett kapacitása 400 kw, és benne egyetlen 400 kw-os UPS-t, esetleg két darab, közös buszra párhuzamosított, egyenként 200 kw-os UPS-t találunk, akkor szintén N konfigurációról beszélünk. Az N konfigurációra mint a kritikus terhelés támogatásához szükséges minimális konfigurációra tekinthetünk. Bár az imént említett konfigurációk egyaránt N konfigurációk, az UPS-modulok kialakítása a két esetben eltérő. A kisméretű UPS-sel ellentétben az egyfázisú kapacitás (kb. 20 kw) feletti rendszerek belső, statikus megkerülő átkapcsolóval is rendelkeznek, amellyel ha az UPS-modulban belső meghibásodás lép fel biztonságosan át lehet állítani hálózati táplálásra a terhelő készülékeket. Azokat a pontokat, ahol az UPS a megkerülő áramútra áll át, a gyártó gondosan választja meg, hiszen a lehető legnagyobb védelmet kell garantálnia a kritikus terhelések számára, miközben magát a modult is védeni kell a sérülésektől. A véde- 5
lemre példaként vegyük a következőt: a háromfázisú UPS-ekhez általában meg szoktak adni a túlterhelési jellemzőt. Egy ilyen jellemző lehet az, hogy a modul a névleges terhelés 125 százalékát 10 percen keresztül képes elviselni. Amikor a modul észleli a 125 százalékos túlterhelést, elindít egy időzítő eljárást, és egy belső óra tíz perces visszaszámlálásba kezd. Amikor az időzítő lejár, akkor hacsak a terhelés nem tért vissza normál szintre a modul biztonságosan átkapcsol a statikus kerülőágra. Számos olyan helyzet van, amikor szükség lehet a kerülőág használatára; ezeket az egyes UPS-modulok specifikációiban pontosan meg szokták adni. N konfiguráció bővítésére az egyik lehetőség karbantartási, más szóval külső kerülőág beépítése. A külső kerülőág segítségével szükség esetén, például karbantartási célokból a teljes UPS-rendszert vagyis a modulokat és a statikus kerülőágat egyaránt biztonságosan le lehet állítani. A karbantartási kerülőágnak ugyanarról a panelről kell ágaznia, mint az UPS ellátásának, és közvetlenül az UPS kimeneti paneljéhez kell csatlakoznia. Ez az áramkör normál esetben természetesen nyitva van, aktiválására csak akkor van lehetőség, ha az UPS-modul statikus kerülőág üzemmódra van kapcsolva. A tervezés során ügyelni kell arra, hogy a külső kerülőágat ne lehessen zárni, ha az UPS nem statikus kerülőág üzemmódban van. Megfelelő beépítés esetén a karbantartási kerülőág a rendszer fontos összetevője, mely lehetővé teszi, hogy az UPSmodulon a terhelések leállítása nélkül is biztonságosan lehessen dolgozni. A legtöbb N rendszert, különösen a 100 kw alattiakat, a teljes, épületen belüli elektromos hálózat kiépítésétől függetlenül helyezik el az épületekben. Általában az épületek elektromos hálózata is N konfigurációjú, így egy N konfigurációjú UPS-rendszer a tápellátáson kívül mást nem is igényel. Egy átlagos, egymodulos UPSrendszer összeállítása látható az 1. ábrán. 1. ábra Egymodulos, kapacitás UPS konfigurációja Elektromos hálózat Generátor ATS 300 kw UPS Karbantartási kerülőág Energiaelosztó egység 300 kw TERHELÉS 6
Előnyök Egyszerű, költséghatékony összeállítás Az UPS részéről optimális hatékonyságot biztosít, ugyanis az UPS teljes kapacitással üzemel A hálózati ellátásnál nagyobb rendelkezésre állást biztosít Az energiaigények növekedésével párhuzamosan bővíthető. (Lehetőség van arra, hogy adott telepítésbe több egységet is elhelyezzünk. Gyártótól függően azonos névleges UPS-ből akár nyolc darab is párhuzamosan köthető.) Hátrányok Az UPS-modul meghibásodása esetén korlátozott rendelkezésre állást biztosít, ilyenkor ugyanis a terhelés a kerülőágra kerül át, és védelem nélkül marad. Az UPS, az akkumulátorok vagy a szekunder ági készülékek karbantartása alatt a terhelés védelem nélkül marad (évente általában egyszer, 2-4 óra hosszan). A redundancia hiánya miatt a terhelés védelme az UPS meghibásodásaitól erősen korlátozott. Több olyan elem is van a rendszerben, amelynek meghibásodása teljes leállást okoz, vagyis a rendszer csak annyira megbízható, amennyire a legmegbízhatatlanabb eleme. Elválasztott redundáns Az elválasztott redundáns rendszereket időnként N+1 rendszereknek is hívják, holott határozottan eltérnek a szintén N+1 névvel említett párhuzamos redundáns konfigurációtól. Az elválasztott redundáns megoldásnál nincs szükség párhuzamosító buszra, és a moduloknak nem kell azonos kapacitásúaknak lenniük, sőt, akár más gyártótól is származhatnak. Ennél a konfigurációnál normál üzemnél egy fő, avagy elsődleges UPS-modul végzi a terhelések ellátását. Az elválasztott vagy másodlagos UPS a fő UPS-modul vagy modulok statikus kerülőágát táplálja. A konfiguráció használatának előfeltétele, hogy az elsődleges UPSmodul külön bemenettel rendelkezzen a statikus kerülő áramkörhöz. Ezzel a megoldással az előbbi, nem redundáns kialakításhoz képest bizonyos szintű redundanciát lehet elérni úgy, hogy nincs szükség a meglévő UPS teljes lecserélésére. A 2. ábra egy elválasztott redundáns UPS-konfigurációt szemléltet. Normál esetben az elsődleges UPS-modul táplálja a terheléseket, az elválasztott modul pedig terheletlen állapotban várakozik. Ha az elsődleges modul vagy modulok valamiért a statikus kerülőágra terelik a terhelést, az elválasztott modul azonnal átveszi az elsődleges minden feladatát. Az elválasztott modult gondosan kell megválasztani, hiszen képesnek kell lennie a teljes kapacitás azonnali átvételére. Amennyiben erre nem alkalmas, akkor előfordulhat, hogy maga is statikus kerülőágra kapcsol, amivel viszont eltűnik a konfiguráció által biztosított védelem. 7
Bármelyik modul szervizelése egyszerűen megoldható, ha a terhelést a másik modulra tesszük át. Fontos, hogy ettől függetlenül rendelkezésre álljon egy szerviz kerülőág, ugyanis van olyan pont a kimenet, amelynek meghibásodása teljes leálláshoz vezet. Éves szinten 2 4 órára a teljes rendszert le kell állítani, és el kell végezni a megelőző karbantartásokat. A konfiguráció által biztosított megbízhatósági előnyöket sokszor ellensúlyozza a kapcsoló berendezés és a vezérlés bonyolultsága. 2. ábra Elválasztott redundáns UPS-konfiguráció Elektromos hálózat Generátor ATS 300 kw elkapó UPS Statikus átkapcsoló kerülőág 300 kw elsődleges UPS Statikus átkapcsoló kerülőág Karbantartási kerülőág Energiaelosztó egység 300 kw TERHELÉS 8
Előnyök Rugalmas választási lehetőség, a termékeket és modelleket szabadon lehet egymással elegyíteni. Az UPS-rendszer részéről hibatűrést biztosít. Nincs szükség szinkronizálásra. Kétmodulos rendszernél viszonylag költséghatékony. Hátrányok Az elsődleges modul statikus kerülőágának megfelelő működésére alapul, nélküle a másodlagos modul táplálása nem fogadható. Az inverter kapacitását meghaladó áramok szállításához mindkét UPS-modul kerülőágának megfelelően kell működnie. A másodlagos UPS-modulnak el kell viselnie a terhelés hirtelen ráadását, amikor az elsődleges modul kerülőágra kapcsol. (Ez az UPS az esetek többségében hosszú időn keresztül nulla terheléssel üzemel. Erre nem minden UPS-modul alkalmas, ezért a kerülőági modul kiválasztásra kritikus lépés a rendszer tervezése során.) Összetett és költséges kapcsolóberendezésre és vezérlésre van szükség. A másodlagos, terhelés nélküli UPS is energiát fogyaszt, ezért a fenntartási költségek magasabbak. Két modulból (egy elsődleges és egy másodlagos) álló rendszernél legalább még egy megszakítóra szükség van ahhoz, hogy választani lehessen a hálózati áramellátás és a másik UPS, mint kerülőági forrás között. Bonyolultabb, mint a közös terhelőbusszal rendelkező rendszerek. Kettő vagy több elsődleges modul esetén különleges áramkörre (statikus tápátkapcsolóra) van szükség ahhoz, hogy ki lehessen választani, hogy a hálózat vagy a tartalék modul legyen a kerülőági áramforrás. Rendszerenként egyetlen terhelőbusz van, amelynek meghibásodása teljes leállást eredményez. Párhuzamos redundáns, avagy N+1 rendszer Párhuzamos redundáns konfigurációban egy-egy UPS-modul meghibásodásakor nincs szükség a kritikus terhelés hálózati forrásra kapcsolására. Minden UPS feladata a terhelésnek a hálózati ellátás változásaitól és kimaradásaitól való védelme. Ahogy az adatok fontossága növekedik, illetve csökken a kockázatvállalási hajlandóság, úgy a statikus és a karbantartási kerülőágra kapcsolás ötlete egyre inkább elvetendőnek bizonyul. Az N+1 rendszereknél is biztosítani kell a statikus kerülőágat, továbbá a legtöbbnél karbantartási kerülőágat is találunk, miközben kritikus szintű szolgáltatásokat nyújtanak. 9
A párhuzamos redundáns konfigurációknál több, azonos méretű UPS-modult kapcsolunk egy közös buszra. A rendszer N+1 redundáns, ugyanis a tartalék kapacitás legalább egy rendszermodul kapacitásával megegyező. Ha a tartalék kapacitás két modul kapacitásával volna egyenlő, akkor a rendszer N+2 lenne, és így tovább. Párhuzamos redundáns rendszer építésekor az UPS-moduloknak azonos kapacitásúaknak kell lenniük, és azonos gyártótól kell származniuk. Az UPS-modul gyártója biztosítja a rendszer párhuzamosító áramkörét is. A párhuzamosító áramkör az egyes UPS-modulokkal kommunikáló vezérlést is tartalmazhat, továbbá az UPS-modulok egymással is kommunikálhatnak, így teljes mértékben szinkronizált kimenő feszültséget tudnak előállítani. A párhuzamos busz figyelési képességekkel is rendelkezhet, így képes lehet a rendszerterhelés, illetve az üzemi feszültség és áramerősség jelentésére. A párhuzamos busztól elvárjuk, hogy ismerje a rá csatlakozó modulok számát, illetve tudja, hogy a rendszer redundanciájának fenntartásához hány modulra van szükség. A közös buszra csatlakoztatható UPS-modulok száma korlátozott, a korlát minden gyártónál más. A párhuzamos redundáns rendszerekben lévő UPS-modulokon normál üzemi körülmények között egyenlően oszlik el a terhelés. Ha a modulok valamelyikét karbantartási célokból eltávolítjuk a buszról (esetleg belső meghibásodás miatt magától válik le róla), akkor a fennmaradó UPSmoduloknak azonnal át kell venniük a kiesett modulra eső terhelést. Ebből fakadóan a buszról javítás céljából bármelyik modult el lehet távolítani úgy, hogy a kritikus terhelés ne kerüljön át hálózati ellátásra. Az N konfigurációról szóló példa 465 négyzetméteres helyiségének ellátásához kettő darab 400 kw-os vagy három darab 200 kw-os UPS-modult kellene közös buszra párhuzamosítani ahhoz, hogy a redundanciát biztosítsuk. A párhuzamos buszt a rendszer nem redundáns kapacitásához kell méretezni. Ha tehát a rendszer kettő darab 400 kw-os modult tartalmaz, akkor a párhuzamos busz névleges kapacitása is 400 kw. N+1 konfigurációban lehetőség van arra, hogy az UPS-kapacitást a terhelés növekedésével párhuzamosan bővítsük. Mindig megfelelő jelzőket kell beállítani, és ha a meglévő terhelés elér egy bizonyos szintet akkor egy új redundáns modult kell rendelni. (Figyelembe kell venni, hogy egyes UPS-modulok szállítási határideje több hét vagy akár hónap is lehet.) Minél nagyobb az UPS-kapacitás, annál nehezebb ezt a feladatot elvégezni. A nagyméretű, több tonna súlyú UPS-modulokat csak megfelelő felszereléssel lehet a helyükre emelni. Értelemszerűen a modul helyét az UPS-helyiségben is biztosítani kell. A telepítés elvégzéséhez gondos tervezésre van szükség, ugyanis egy-egy nagyméretű UPS-modul elhelyezése mindig jár valamekkora kockázattal. A redundáns UPS-rendszerek tervezésekor fontos szempont lehet a hatékonyság. A csak enyhén terhelt UPS-modulok általában kevésbé hatékonyan üzemelnek, mint a névleges teljesítményük közelében lévők. A 2. táblázat azt szemlélteti, hogy 240 kw terhelés mellett, különböző méretű UPS-modulokat használva mekkora az egyes modulok kihasználtsága. Mint látható, az adott alkalmazáshoz kiválasztott modulméret jelentősen befolyásolhatja a rendszer hatékonyságát. Az alacsony terheléssel üzemelő UPS-ek hatékonysága gyártótól függ, értékét a tervezési szakaszban kell megvizsgálni. 10
Párhuzamosan csatolt UPS-modulok Kritikus terhelés 2. táblázat N + 1 konfigurációk Az UPS-rendszer összesített kapacitása Az egyes UPSmodulok százalékos terheltsége 2 x 240 kw 240 kw 480 kw 50 % 3 x 120 kw 240 kw 360 kw 66 % 4 x 80 kw 240 kw 320 kw 75 % 5 x 60 kw 240 kw 300 kw 80 % A 3. ábra egy jellegzetes, két modult tartalmazó párhuzamos redundáns konfigurációt szemléltet. Az ábrán követhető, hogy bár a rendszer egy-egy UPS-modul meghibásodásának esetére biztosítja a védelmet, a párhuzamosító busz meghibásodása esetén a teljes rendszer leáll. Ahogy a kapacitás rendszereknél, úgy ebben az esetben is fontos a karbantartási kerülőág megléte, amely lehetővé teszi az időszakos, karbantartási célokat szolgáló leállításokat. 3. ábra Párhuzamos redundáns (N+1) UPS-konfiguráció Elektromos hálózat Generátor ATS 300 kw A UPS 300 kw B UPS Karbantartási kerülőág Energiaelosztó egység 300 kw TERHELÉS 11
Előnyök Hátrányok Az egy-egy UPS-modul meghibásodásakor felhasználható extra kapacitásnak köszönhetően a kapacitás konfigurációkhoz képest jobb rendelkezésre állás Az igények növekedésével párhuzamosan bővíthető. Azonos telepítésen belül több egység is lehet. A berendezések elrendezése egyszerű elgondolás alapján, költséghatékony módon történik. Mindkét modulnak azonosnak kell lennie, azonos gyártótól kell származnia, azonos névleges teljesítménnyel és konfigurációval kell rendelkeznie. Az UPS-rendszer primer és szekunder oldalán egyaránt van olyan elem, amelynek meghibásodása teljes leállást eredményez. Az UPS, az akkumulátorok vagy a szekunder ági készülékek karbantartása alatt a terhelés védelem nélkül marad évente általában egyszer, 2-4 óra hosszan. Alacsonyabb működési hatékonyság, ugyanis egyik egység sem üzemel teljes kihasználtsággal. Rendszerenként egyetlen terhelőbusz van, és ennek meghibásodása teljes leállást eredményez. A legtöbb gyártónál külső statikus kapcsolókra van szükség ahhoz, hogy a terhelés egyenlően oszoljon el a két UPS-modul között. Egyébként a terhelések között akár 15 százalékos eltérés is lehet. Emiatt növekednek a költségek, valamint bonyolultabbá válik a rendszer. A legtöbb gyártónál közös, külső szerviz kerülőpanelre van szükség. Emiatt nő a rendszer ára és bonyolultsága. Elosztott redundáns Az elosztott redundáns rendszereket napjainkban széles körben használják. Az elgondolás az 1990-es évek végén született meg, amikor egy tervezőcég megpróbálta a teljes redundáns rendszerek által kínál előnyöket mérsékeltebb költség mellett is elérhetővé tenni. A megoldás alapötlete három vagy több, független beés kimenettel rendelkező UPS-modul használata. A független kimenő buszok több energiaelosztó egységen és STS-en keresztül kapcsolódnak a kritikus terheléshez. A hálózat-ups belépési pontnál az elosztott redundáns és a rendszer plusz rendszer megoldás (a következő rész témája) rendkívül hasonló. Mindkettő biztosítja az üzem közbeni karbantartás lehetőségét, és minimálisra szorítja azoknak az elemeknek a számát, amelyek meghibásodása teljes leálláshoz vezet. A fő különbség a kritikus terhelés számára redundáns áramutak biztosításához szükséges UPS-modulok számában látható, valamint az UPS és a kritikus terhelés közötti áramelosztás szervezésében. Ahogy a terhelési követelmény, N nő, úgy egyre kevesebb UPS-modulra van szükség. 12
A 4. és az 5. ábrán egy 300 kw-os terhelés látható, két különböző elosztott redundáns ellátó rendszerrel. A 4. ábrán látható rendszerben három UPS-modul található elosztott redundáns elrendezésben, amit időnként elfogó rendszernek is hívnak. Ebben az esetben a harmadik modul az egyes STS-ek másodlagos bemenetére csatlakozik, és az elsődleges UPS-modul meghibásodása esetén képes a terhelést elkapni. Az elkapó rendszerekben a harmadik modul általában terhelés nélkül üzemel. 4. ábra Elosztott redundáns elkapó UPS-konfiguráció A elektromos hálózat B elektromos hálózat Generátor 1. automatikus tápátkapcsoló 2. automatikus tápátkapcsoló 3. automatikus tápátkapcsoló 1. 150 kw UPS 2. 150 kw teljesítmény ű UPS 3. 150 kw teljesítmény ű UPS 1. statikus tápátkapcsoló 2. statikus tápátkapcsoló 1. energiaelosztó egység 2. energiaelosztó egység 1. 100 kw teljesítmény ű TERHELÉS 1. 100 kw teljesítmény ű TERHELÉS 1. 100 kw teljesítmény ű TERHELÉS Az 5. ábra elosztott redundáns rendszere három STS-t tartalmaz, és normál körülmények között a terhelés egyenlően oszlik el a három modul között. Ha valamelyik modul meghibásodik, akkor az STS átkapcsolja a terhelést az alternatív forrását tápláló UPS-modulra. A kétféle megoldás között fontos eltérés fedezhető fel a kettős és az egyszeres áramellátásra tervezett készülékek táplálásában. A kettős áramellátásra tervezett készülékek két STS-ről is táplálhatók, az egyszeres ellátásra tervezettek viszont csak egyről. Az STS meghibásodása esetén az egyszeres tápellátású készülékek leállnak. Mivel napjainkban az adatközpontokban egyre kevesebb egyszeres áramellátásra tervezett készülék található, érdemesebb és olcsóbb több kisebb, helyi használatú, az egyszeres ellátású 13
készülékekhez közel elhelyezett tápátkapcsolót alkalmazni. Ha a rendszer kizárólag kettős áramellátásra tervezett készülékeket tartalmaz, akkor a hálózatot STS-ek nélkül is fel lehet építeni. 5. ábra Elosztott redundáns UPS-konfiguráció A elektromos hálózat B elektromos hálózat Generátor 1. automatikus tápátkapcsoló 2. automatikus tápátkapcsoló 3. automatikus tápátkapcsoló 1. 150 kw UPS 2. 150 kw UPS 3. 150 kw UPS 1. statikus tápátkapcsoló 2. statikus tápátkapcsoló 3. statikus tápátkapcsoló 1. energiaelosztó egység 2. energiaelosztó egység 3. energiaelosztó egység 1. 60 kw TERHELÉS 2. 60 kw TERHELÉS 3. 60 kw TERHELÉS 4. 60 kw TERHELÉS 5. 60 kw TERHELÉS Elosztott redundáns rendszereket jellemzően azoknál a nagyméretű, bonyolult telepítéseknél építenek, amelyeknél biztosítani kell az üzem közbeni karbantartás lehetőségét, és a terhelések jelentős vagy túlnyomó része egyszeres tápellátást képes fogadni. A 2N konfigurációhoz viszonyított megtakarítás is emellett a megoldás mellett szól. További az elosztott redundáns konfigurációk melletti érvek: Üzem közben végezhető karbantartás Lehetőség nyílik arra, hogy bármelyik elektromos egységet, illetve az egységek tetszőleges csoportját teljesen le lehessen állítani karbantartás vagy rutinellenőrzés céljából úgy, hogy a terhelést nem kell hálózati ellátásra átkapcsolni. 14
Meghibásodási pont Az elektromos elosztó rendszer olyan eleme, amely valamikor leállást fog okozni, ha megkerülésére a rendszer nem biztosít lehetőséget. Egy N konfigurációjú rendszer gyakorlatilag meghibásodási pontok sorozatából áll. Ezek kiiktatása a redundancia biztosításának kulcsfontosságú lépése. Statikus tápátkapcsoló A statikus tápátkapcsoló (static transfer switch, STS) két bemenettel és egy kimenettel rendelkezik. Általában két különböző UPS-rendszer felől fogadja az áramot, és ezek egyikéről minőségi ellátást biztosít a terhelésnek. Elsődleges ellátó UPS-ének meghibásodásakor az STS körülbelül 4 ms alatt a másodlagos UPS-re kapcsolja át a terhelést, vagyis folyamatosan védett áramellátást biztosít neki. A technológia az 1990-es évek elején fejlődött ki, és elosztott redundáns konfigurációkban széles körben alkalmazzák. A kialakítás legfőbb gyengesége a statikus tápátkapcsolók használatából fakad. Ezek rendkívül bonyolult készülékek, váratlan hibamódokkal rendelkeznek, és ezek közül a legrosszabb az, amikor a két bemenetet egymás felé rövidre zárják. Ilyenkor az STS meghibásodása teljes leállást eredményez, ugyanis hibája egyszerre két UPS kiesését is maga után vonja. Egy-egy STS meghibásodása a primer ágon más rendszerelemekre is kihathat, és a teljes rendszer működését érintheti. Éppen ezért a következő részben ismertetett rendszer plusz rendszer kialakítás jellegénél fogva is nagyobb rendelkezésre állást biztosít, különösen akkor, ha a terheléseket kettős áramellátásra tervezték. Egy STS kialakítása rendkívül sokféle lehet, és a piacon beszerezhető készülékek megbízhatóságában is komoly eltérések észlelhetők. Ennél a megoldásnál az STS az energiaelosztó egység előtt, vagyis a 480 voltos oldalon található. Ez a megszokott alkalmazási mód. Sok mérnök azonban jogosan úgy véli, hogy az STS-t két energiaelosztó egység 208 voltos oldalára helyezve nagyobb megbízhatóságú rendszert kapunk. Ez az elrendezés azonban drágább, mint a 480 voltos feszültséggel üzemelő STS-ekre alapuló. Részletes elemzése az APC 48., Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations (csak angolul) című tanulmányában található. Egyszeres áramellátásra tervezett terhelések Egyszeres áramellátásra tervezett készülékek üzemeltetésekor minden készüléket csak egy STS-ről vagy szekrénybe szerelt tápátkapcsolóról lehet táplálni. A tápátkapcsoló közelebb vitele a terhelő készülékekhez a redundáns rendszerek által biztosított magas rendelkezésre állás elérésének alapfeltétele, amint azt az APC 48. tanulmánya is igazolja. Több száz egyszeres tápellátásra tervezett készülék csatlakoztatása egyetlen STS-re fokozott kockázattal jár. Több kisebb, egyenként a terhelések kisebb hányadát ellátó kapcsolót alkalmazva csökkenteni lehet ezt a kockázatot. Emellett az elosztottan elhelyezett, szekrénybe szerelt tápátkapcsolók nem rendelkeznek olyan hibamódokkal, amelyek a nagyobb STS-eknél látott módon a primer ágon több UPS-re is átterjedhetnek. Éppen ezért a szekrénybe szerelt tápátkapcsolók egyre népszerűbbek, különösen olyan helyeken, ahol a terhelésnek csak egy része egyszeres tápellátásra tervezett. Az APC 62., Egyszeres áramellátásra tervezett készülékek üzemeltetése kettős áramellátású környezetben című tanulmánya részletesebben is tárgyalja az STS-ek és a szekrénybe szerelt tápátkapcsolók közötti különbségeket. 15
Kettős tápellátásra tervezett terhelések A kettős tápellátásra tervezett készülékek egyre elterjedtebbek, esetükben STS használatára nincs szükség. Az ilyen készülékek egyszerűen két energiaelosztó egységhez csatlakoznak, amelyek ellátását két külön UPS-rendszer biztosítja. Több forrás szinkronizálása Ha egy adatközpontban STS-eket használunk, akkor fontos, hogy a két UPS betáplálás szinkronban legyen. A szinkronizálás ellenőrzése nélkül előfordulhat, hogy az UPS-modulok kiesnek szinkronból; különösen akkor, ha akkumulátorról üzemelnek. A fázisból kiesett átkapcsolások megelőzésére az egyik lehetőség szinkronizáló egység telepítése a két UPS-rendszer közé, amelynek segítségével szinkronizálni tudják váltakozó áramú kimenetüket. Ez különösen akkor fontos, ha az UPS-modulok külső áramellátása megszakadt, és akkumulátorról üzemelnek. A szinkronizáló egység biztosítja, hogy az összes UPS-rendszer folyamatosan szinkronban legyen, így az STS által végzett átkapcsolás esetén az áramellátás tökéletesen fázisban marad, és nem kell azzal számolni, hogy a fázisból kiesett átkapcsolás miatt esetleg károsodnak a szekunder ági készülékek. Természetesen a független UPS-rendszerek közé telepített szinkronizáló egység közös okra visszavezethető vagyis az összes UPS-rendszer egyidejű kiesésével járó meghibásodásra teremt lehetőséget. Előnyök Ha az összes terhelő készülék képes a kettős áramellátásra, akkor lehetővé teszi az üzem közben végzett karbantartást. Olcsóbb a 2(N+1) konfigurációnál, mivel kevesebb UPS-modult tartalmaz. Bármelyik kettős áramellátású készülékhez két áramút is vezet, így a redundancia egészen a szolgáltatói belépési ponttól biztosított. Az UPS-modulok, a kapcsoló berendezések és az egyéb elosztó készülékek karbantartását a terhelés kerülőágra terelése, vagyis a terhelések védelem nélküli tápellátásra kapcsolása nélkül is el lehet végezni. Számos elosztott redundáns konfiguráció nem rendelkezik karbantartási kerülőággal. Hátrányok A kapcsolóknak az előző konfigurációkhoz képest széles körű használata miatt viszonylag drága megoldás. A rendszer az STS-ek megfelelő működésére alapul, amelyek meghibásodása teljes leállást von maga után; ráadásul az STS-ek bonyolult meghibásodási módokkal rendelkeznek. Összetett konfiguráció. Nagyméretű, több UPS-modult és nagyszámú statikus tápátkapcsolót és energiaelosztó egységet tartalmazó telepítéseknél a terhelés rendszerelemek közötti egyenletes elosztása, valamint annak követése, hogy melyik elem melyikkel áll kapcsolatban, komoly felügyeleti problémát jelenthet. 16
Váratlan működési módok: a rendszer számos működési móddal rendelkezik, és ezek között számos különböző átmenet lehetséges. Az összes módot normál és hibaállapotban egyaránt tesztelni rendkívül nehéz, ugyanakkor a vezérlési stratégiát és a hibavédelmi készülékeket csak így lehet megfelelően ellenőrizni. Az UPS-ek normál esetben nem teljes terheléssel üzemelnek, ezért működésük hatékonysága rossz. Rendszer plusz rendszer redundáns Rendszer plusz rendszer, többszörös párhuzamos busz, kettős végződés, 2(N+1), 2N+2, [(N+1) + (N+1)], és 2N mind olyan kifejezések, amelyek ennek a konfigurációnak valamelyik változatára utalnak. Ezzel a megoldással lehetővé válik olyan UPS-rendszereket készíteni, amelyeknél soha nincs szükség a terhelések hálózati ellátásra kapcsolására. Ezeket a rendszereket már úgy is meg lehet tervezni, hogy ne legyen bennük egyetlen olyan elem sem, amelynek meghibásodása teljes leállást okoz. Ugyanakkor minél több ilyen elemet akarunk kiiktatni, annál nagyobb költségekkel kell számolnunk. A legtöbb nagyméretű, rendszer plusz rendszer telepítés különálló, különlegesen tervezett épületben található. Esetükben nem ritka, hogy a támogató rendszer (UPS, akkumulátorok, hűtés, generátor, elektromos hálózat és elektromos elosztó helyiségek) mérete megegyezik az adatközpont készülékszobájában elhelyezett rendszerével. Ez az iparágban ismertek közül a legmegbízhatóbb és legdrágább megoldás. A tervező mérnök elképzeléseitől és a megrendelő igényeitől függően rendkívül egyszerű és rendkívül bonyolult is lehet. Bár ez a konfiguráció is kapott nevet, a tényleges megvalósítások között hatalmas különbségeket találhatunk, függően a tervezésüket végző mérnökök elgondolásaitól és tudásától. Amint a 6. ábrán is látható, a konfiguráció 2(N+1) változata lényegében a párhuzamos redundáns UPS-rendszerek megkettőzésére épül. Optimális esetben ezek az UPS-rendszerek különböző kapcsolótáblákról kapják az ellátásukat, sőt, külön hálózati táplálással és különálló generátorral is rendelkezhetnek. Egy ilyen típusú rendszer rendkívül drága, ám az adatközpont falain belül folyó műveletek fontossága és a leállások költsége indokolttá teheti a kiemelt ráfordítást. A világ nagyméretű szervezetei közül több is ezt a konfigurációt választotta kritikus adatainak védelmére. 17
6. ábra 2(N+1) UPS-konfiguráció Elektromos hálózat Generátor Elektromos hálózat Generátor Automatikus tápátkapcsoló Automatikus tápátkapcsoló 300 kw teljesítményu 1A UPS 300 kw teljesítményu 1B UPS 300 kw teljesítményu 2A UPS 300 kw teljesítményu 2B UPS 1. energiaelosztó egység Automatikus szekrényátkapcsoló (ATS) 2. energiaelosztó egység 1. 100 kw teljesítményu TERHELÉS 2. 100 kw teljesítményu TERHELÉS 3. 100 kw teljesítményu TERHELÉS A konfiguráció árát befolyásolja az is, hogy a tervező mérnök meglátása szerint az ügyfél igényeinek kielégítéséhez mennyire mélyen és szélesen kell alkalmazni az elemek megkettőzésének stratégiáját. A konfigurációval szemben alapvető elvárás, hogy bármelyik eleme meghibásodhasson, illetve kézzel kikapcsolható legyen úgy, hogy a kritikus terheléseket ne kelljen hálózati ellátásra átkapcsolni. A 2(N+1) konfigurációkban több helyen is alkalmaznak kerülőágakat, ezek segítségével a rendszer egyes részeit le lehet állítani és alternatív, a rendszer redundanciáját megőrző forrás használatával meg lehet kerül. Erre láthatunk példát a 6. ábrán: az UPS-ek bemeneteinél található összekötő áramkör révén úgy lehet leállítani az elektromos hálózati betápok egyikét, hogy egyik UPS-rendszer leállítására sincs szükség. 2(N+1) konfigurációnál egyegy UPS-modul meghibásodása csak annyit eredményez, hogy az adott UPS-modul kiesik a hálózatból, a vele párhuzamosan csatolt modulok pedig átveszik tőle a terhelést. A 6. ábra példájában a kritikus terhelés 300 kw, a konfiguráció megvalósításához tehát négy darab 300 kwos UPS-modulra van szükség, mindkét párhuzamos buszon két-két darabra. Mindegyik busz olyan elosztó hálózatot táplál, amelynek kellő kapacitása van a kettős áramellátásra tervezett készülékek két külön útvonalon való ellátásához. A 6. ábra egyszeres tápellátásra tervezett készüléke egyben azt is szemlélteti, hogy a redundanciát hogyan lehet közelebb vinni a terhelésekhez. A IV. rétegbeli energiaellátó architektúrák esetében ugyanakkor minden terhelésnek alkalmasnak kell lennie a kettős áramellátás fogadására. A rendszer plusz rendszer konfigurációt választó vállalatok jellemzően inkább a magas rendelkezésre állást, és nem a költségek leszorítását tartják szem előtt. Ezeknél a vállalatoknál magas a kettős tápellátásra 18
tervezett készülékek aránya. Az elosztott redundáns rendszerekről szóló részben említett tényezők mellett ennek a megoldásnak az alkalmazását a következő elvárások teszik szükségessé: Ellenállóképesség Olyan rendszert és épületet kell tervezni, amely ellenáll a természet romboló erejének, valamint érzéketlen az elektromos rendszerekben előforduló, a rendszerelemek között továbbterjedő meghibásodásokra. A meghibásodásokat el kell szigetelni, továbbterjedésüket meg kell akadályozni; például a két UPS-rendszert külön helyiségben kell elhelyezni, és az akkumulátorok sem lehetnek azonos helyiségben az UPS-modulokkal. A megszakítók vezérlése ezeknél a konfigurációknál kritikus tényezővé válik. A megszakítók megfelelő kezelésével elérhető, hogy a rövidzárak hatása az épületnek csak kisebb részeire terjedjen ki. Egy épület megerősítésének része az is, hogy ellenállóbbá tesszük a szélviharokkal, forgószelekkel, árvizekkel szemben attól függően, hogy az épület környezete mit indokol. Az ellenállóképesség fokozásához például az épületet olyan helyre kell tervezni, amelyet az utolsó száz év legnagyobb áradása sem érne el, továbbá ne legyen felette légifolyosó, és ablakok nélküli, vastag falai legyenek. STS A kettős áramellátás fogadására képes IT berendezések elterjedésével ezek a készülékek nemkívánatos meghibásodási módjaikkal együtt egyszerűen elhagyhatók, amivel a rendszer rendelkezésre állása jelentősen javítható. Egyszeres áramellátásra tervezett készülékek A rendszer plusz rendszer konfiguráció által kínált előnyök teljes kihasználásához az egyszeres áramellátású készülékeket szekrénybe szerelt tápátkapcsolókhoz kell csatlakoztatni. Ennek a megoldásnak az előnyeit az APC 48., Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations (csak angolul) című tanulmánya részletezi. Előnyök A két külön áramút meglétének köszönhetően nincs olyan elem, amelynek meghibásodása teljes leálláshoz vezetne, vagyis a rendszer rendkívül jó hibatűrésű. A rendszer a szolgáltatási belépési ponttól egészen a kritikus terhelésekig teljes redundanciát biztosít. A 2(N+1) rendszerekben az UPS-ek redundanciája még az üzem közbeni karbantartások idején is fennmarad. Az UPS-modulok, a kapcsolóberendezések és az egyéb elosztó készülékek karbantartását a terhelés kerülőágra terelése, vagyis a terhelések védelem nélküli tápellátásra kapcsolása nélkül is el lehet végezni. Könnyebb egyenletesen elosztani a terhelést, illetve követni, hogy melyik elem melyiktől kapja az ellátást. 19
Hátrányok A redundáns összetevők nagy száma miatt ez a legdrágább megoldás. Az UPS-ek normál esetben nem teljes terheléssel üzemelnek, ezért működésük hatékonysága rossz. Az átlagos épületek alkalmatlanok a nagyméretű, magas rendelkezésre állású rendszer plusz rendszer konfigurációk befogadására, ezért a redundáns összetevőket csoportokra kell osztani. A megfelelő konfiguráció kiválasztása Egy vállalat képviselői hogyan választhatják ki a számukra leginkább megfelelő konfigurációt? A választást az alábbi szempontok alapján kell elvégezni: Leállások költsége és hatása Mennyi pénz mozog a vállalaton keresztül percenként, és mennyi ideig tart a rendszer meghibásodás utáni helyreállítása? A kérdésre adott válasz alapján körül lehet határolni a költségvetést. Egy 10 000 000 USD/perc és egy 1 000 000 USD/óra forgalmú vállalat esetében teljesen eltérő vonalon kell folytatni az egyeztetéseket. Kockázatvállalás Azok a vállalatok, amelyek még nem éltek át komolyabb leállást, általában nagyobb kockázatok vállalására hajlandóak, mint azok, amelyeknél már volt ilyen esemény. Az okos vállalatok tanulnak a saját iparágukon belül mozgó vállalatok tevékenységéből. Ezt benchmarkingnak (a teljesítményszint meghatározásának) nevezik, és számos módon el lehet végezni. Minél kevésbé hajlandó egy vállalat felvállalni a kockázatokat, annál jobban törekszik a megbízhatóbb működésre és a katasztrófák utáni helyreállítások lehetőségének biztosítására. Rendelkezésre állási követelmények Egy átlagos évben mennyi leállást képes elviselni a vállalat? Ha a válasz az, hogy semennyit, akkor meg kell fizetni a magas rendelkezésre állású rendszer kialakításának költségeit. Ha viszont a vállalat minden éjjel tíz órakor, valamint a hétvégék túlnyomó részén leáll, akkor párhuzamos redundánsnál komolyabb UPSkonfigurációt nem érdemes választani. Bizonyos idő után minden UPS igényel karbantartást, és az UPS-rendszerek időnként nehezen előre látható időpontokban meg is hibásodnak. Minél kevesebb időt lehet találni az éves ütemezésben a karbantartások elvégzésére, annál több redundáns elemet kell beépíteni a rendszerbe. 20
Terheléstípusok (egyszeres vagy kettős áramellátású) Kettős áramellátású készülékek használatával maximálisan ki tudjuk aknázni a redundáns rendszerek által kínált lehetőségeket, ám a rendszer plusz rendszer megoldást még a kettős áramellátású készülékek megjelenése előtt dolgozták ki. A számítógépgyártók gyakorlatilag vásárlóik igényeit követték, amikor kettős áramellátású berendezéseket dobtak piacra. A tervezés során az adatközpontban elhelyezett készülékek jellegét is figyelembe kell venni, noha ez kisebb súllyal esik latba, mint a fenti szempontok. Költségvetés Egy 2(N+1) rendszer kiépítése minden szempontból lényegesen többe kerül, mint egy kapacitás, egy párhuzamos redundáns vagy akár egy elosztott redundáns rendszeré. A költségkülönbözet szemléltetéséhez vegyünk egy nagyméretű adatközpontot. Egy 2(N+1) rendszer kiépítéséhez 30 darab 800 kw-os modulra van szükség (párhuzamos buszonként öt-öt darab, összesen hat párhuzamos busz). Elosztott redundáns rendszer építésekor ugyanez az adatközpont 18 darab 800 kw-os modullal is kiépíthető, vagyis komoly megtakarítás érhető el. A 7. ábra folyamatábrája kiváló kiindulási alapot szolgáltat az egy-egy adott alkalmazáshoz leginkább megfelelő UPS-konfiguráció kiválasztásához. A kevés redundáns elemet magukba foglaló, illetve ilyet egyáltalán nem tartalmazó rendszereknél előre számolni kell a karbantartások miatti leállásokkal. Ha ez a leállási idő nem fogadható el, akkor az üzem közbeni karbantartásokat is lehetővé tévő megoldást kell választani. A folyamatábra kérdéseire válaszolva egyszerűen ki lehet választani a megfelelő rendszert. 21
7. ábra Rendszerválasztási döntési fa El tud viselni egy vállalat félévenként 12, évenként 24 óra kimaradást a karbantartási munkálatok miatt? IGEN NEM Kapacitás, avagy N rendszer El tud viselni egy vállalat évenként 12 óra kimaradást a karbantartási munkálatok miatt? IGEN NEM Párhuzamos redundáns, avagy N+1 rendszer NEM Valóban megengedhetetlen a vállalat szempontjából az egyik rendszer karbantartás miatti kiesése? IGEN Rendszer plusz rendszer: 2N Rendszer plusz rendszer: 2(N+1) 22
Összegzés Az energiaellátó infrastruktúra kulcsszerepet játszik az adatközpontokban elhelyezett berendezések megfelelő üzemeltetésében. Számos különböző UPS-konfiguráció létezik, mindegyiknek egyaránt vannak előnyei és hátrányai is. A vállalat rendelkezésre állási elvárásait, kockázatvállalási hajlandóságát és anyagi képességeit felmérve minden esetben ki lehet választani a megfelelő megoldást. Mint elemzéseink is rámutattak, a legnagyobb rendelkezésre állást a kettős áramellátásra tervezett készülékeket közvetlenül tápláló 2(N+1) architektúrák garantálják, ezek ugyanis teljes redundanciát biztosítanak, és nincs olyan elemük, amelynek meghibásodása teljes leállást vonna maga után. Néhány szó a szerzőről: Kevin McCarthy az APC vezető technológiai tanácsadója, a helyszíni mérnöki tervező csapat tagja. Kevin villamosmérnök, diplomáját 1984-ben az Ohio Állami Egyetemen szerezte, mellékszakiránya az informatika volt. 17 évig adatközpontok tervezésével foglalkozott. Az utóbbi időkben Kevin az EYP Mission Criticalnál volt, ahol a Washington DC-ben található iroda társigazgatója volt. Kevin több ismert ipari kiadványban is publikált már, előadásai pedig 7X24 konferenciákon és egyéb ipari rendezvényeken hangzottak el. 23
Függelék A rendelkezésre állás elemzése A tanulmányunkban szereplő ötféle konfiguráció rendelkezésre állásának összehasonlításához végeztünk egy elemzést. Az alábbiakban ennek részleteit ismertetjük. Availability Analysis Approach Az APC Availability Science Center (rendelkezésre állási tudományos központ) integrált rendelkezésre állási elemzésekkel határozza meg a rendelkezésre állási szinteket. Az elemzés megbízhatósági blokkdiagramokat (Reliability Block Diagram, RBD) és állapottér modelleket alkalmaz az elektromos energia az aljzatoknál az ötféle konfiguráció esetében mérhető rendelkezésre állásának vizsgálatára. A megbízhatósági blokkdiagramok az architektúra alrendszereit képviselik, az állapottér diagramok (más néven Markov-diagramok) pedig az elektromos rendszer által felvehető állapotokat jelenítik meg. Például, ha az áramellátás megszakad, a szünetmentes tápegységek akkumulátoros táplálásra állnak át. Az elemzés alapadatai az iparág által elismert külső szervezetektől származnak, mint például az IEEE és a RAC. A statisztikai rendelkezésre állási szintek alapját független szervezetek által ellenőrzött feltételezések, elméletek adják. Joanne Bechta Dugan, Ph.D., a Virginiai Egyetem professzora Én az elemzést hitelt érdemlőnek, a módszert pedig megbízhatónak találtam. A megbízhatósági blokkdiagramok és a Markov haszonmodellek együttes alkalmazása kiváló megoldás, segítségével egyesíthető a Markov haszonmodell rugalmassága és pontossága a megbízhatósági blokkdiagramok egyszerűségével. Az elemzések során felhasznált adatok Az összetevők modellezéséhez használt adatok külső forrásokból származnak. Az elemzések során a következő elemeket vettük figyelembe: 1. Végződtetések 2. Megszakítók 3. UPS-rendszerek 4. Energiaelosztó egység 5. Statikus tápátkapcsoló (STS) 6. Generátor 7. ATS Az energiaelosztó egység három összetevőre osztható fel: megszakítók, feszültségcsökkentő transzformátor és végződtetések. A kapcsolótábla értékelése a főmegszakító, egy mellékáramköri megszakító és az összes sorosan kapcsolt végződtetés alapján történik. 24
Az elemzések során alkalmazott elméletek Fontos, hogy az olvasó helyesen értelmezze az ötféle konfigurációhoz megadott rendelkezésre állási értékeket. Összetett rendszerek rendelkezésre állásának meghatározásához bizonyos feltételezésekkel kell egyszerűsíteni az elemzést. Az itt szereplő rendelkezésre állások tehát magasabbak lesznek a gyakorlatban elérhetőknél. Az A1 táblázat az elemzés során felhasznált előzetes feltételezéseket, elméleteket tartalmazza. A1 táblázat Az elemzés során figyelembe vett feltételezések Feltételezés Az összetevők meghibásodásának gyakorisága Helyreállító munkacsoportok A rendszerösszetevők működőképesek maradnak Meghibásodások függetlensége Kábelezés meghibásodásának gyakorisága Emberi hiba A tápellátás rendelkezésre állása a fő szempont A meghibásodás definícióját az IEEE 493-1997 szabványából (Gold Book) vettük. (IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and commercial Power Systems) Leírás Az elemzésnél vizsgált összetevők mindegyike állandó meghibásodási arányt mutat. Ez a legjobb feltételezés, figyelembe véve, hogy a berendezéseket csak tervezett élettartamuk alatt használjuk. Ha az eszközöket tervezett élettartamukon túl is használjuk, akkor nemlineáris együtthatóval kell módosítani a meghibásodási arányszámot. Ha n darab összetevő van sorba kapcsolva, akkor feltételezzük, hogy n fő szerelő áll rendelkezésre. Feltételezzük, hogy a meghibásodások elhárításáig az összes rendszerösszetevő működőképes marad. A modellek felállításakor feltételeztük, hogy az ismertetett architektúrák felépítése megfelel a jól bevált ipari módszereknek. Ennek eredményeként rendkívül kicsi a valószínűsége a közös okra visszavezethető hibáknak, a fizikai és elektromos elválasztás pedig megelőzi a hibák továbbterjedését. Ez a feltételezés az elosztott redundáns architektúrákra nem teljesen igaz, esetükben ugyanis a statikus tápátkapcsoló kettő vagy három UPS leállását is okozhatja, a teljes architektúra működésképtelenségéhez is vezethet. Ezt a közös okra visszavezethető meghibásodást a két elosztott redundáns architektúránál modelleztük. Az összetevők közötti kábelezést a számítások során figyelmen kívül hagytuk, ugyanis a kábelezés meghibásodási aránya túlságosan alacsony ahhoz, hogy biztonsággal meg lehessen becsülni, illetve statisztikai jelentőséggel bírjon. A korábbi munkák kimutatták, hogy az ennyire alacsony meghibásodási arányú elemek minimális hatással bírnak az összesített rendelkezésre állásra. A fontosabb végződtetéseket ettől függetlenül számításba vettük. Az elemzések nem terjedtek ki az emberi hibára visszavezethető leállásokra. Noha az adatközpontok leállásait vizsgálva ez is fontos tényező, a modellek feladata az energiaellátó infrastruktúrák összehasonlítása, valamint ezek fizikailag gyenge pontjainak azonosítása. Továbbá az emberi hibák rendelkezésre állásra gyakorolt hatásáról nincsenek adatok. Az elemzések a tápellátás rendelkezésre állására vonatkoznak. Az üzleti folyamatok rendelkezésre állása jellemzően ennél alacsonyabb, ugyanis az energiaellátás helyreállása nem jelenti az üzleti folyamatok azonnali helyreállását. A számítógépes rendszerek általában időt igényelnek az újrainduláshoz, ami miatt csökken a rendelkezésre állási idő ebben az elemzésben ezt nem vettük figyelembe. Minden olyan, az energiaellátó rendszer valamely elemével kapcsolatos probléma, amely a következő események valamelyikének bekövetkeztéhez vezet: Részleges vagy teljes létesítményleállás, illetve a létesítmény az elvártnál alacsonyabb szintű működése Elfogadhatatlan szintű teljesítmény a felhasználói berendezéseknél Az elektromos védőrelék működésbe lépése vagy a létesítmény elektromos rendszerének vészüzemmódba állása Bármely elektromos áramkör vagy berendezés áramellátásának megszűnése 25