Rack energiaellátás redundancia lehetőségeinek összehasonlítása rendelkezésre állás alapján

Rack energiaellátás redundancia lehetőségeinek összehasonlítása rendelkezésre állás alapján 48. tanulmány Ellenőrzés 1

Írta: Victor Avelar

> Összefoglaló Átkapcsolók és a kétsínes betáplálása az informatikai berendezéseknek az IT rendszerek rendelkezésre állásának növelésére használják. A különböző rendszerek rendelkezésre állásának statisztikai elemzése azt mutatja, hogy a különböző alkalmazott megoldások által biztosított rendelkezésre állás jelentős mértékben eltérő lehet. Ebben a tanulmányban különféle, a létfontosságú rendszerekben manapság alkalmazott elektromos architektúrákat vizsgáljuk meg. Ezt követően elvégezzük az egyes megoldások rendelkezésre állási elemzését, majd ismertetjük az eredményeket. Az elemzés alapján megállapítható, hogy melyik megközelítés biztosítja a legjobb általános teljesítményt, illetve az egyéb lehetőségek teljesítmény és érték tekintetében hogyan viszonyulnak hozzá.

Tartalom kattintson arra a részre, amelyre ugrani szeretne

Bevezetés

2

A rackszek-rények áramelosztó rendszereinek típusai

2

A rendelkezésre állás elemzése

8

Eredmények

10

Összegzés

12

Források

13

Függelék

14

Rack energiaellátás redundancia lehetőségeinek összehasonlítása rendelkezésre állás alapján

Bevezetés

A redundáns tápegységekkel ellátott berendezéseket kettős áramellátású rendszereknek is nevezzük, ugyanis a redundanciát biztosító tápegységek mindegyike saját betápvezetékkel rendelkezik. A kettős áramellátás kiváló gyakorlati megoldás az IT eszközök optimális energiaellátásának biztosítására, általa garantálható az áramellátó rendszer egyetlen elemének meghibásodásából fakadó leállások elkerüléséhez szükséges redundancia. A redundancia az energiaellátó rendszer karbantartását is megkönnyíti. Sajnos napjaink üzletvitelhez nélkülözhetetlen rendszereinek túlnyomó része nélkülözni kénytelen az ilyen megoldások alkalmazásából eredő előnyöket. Ebben a tanulmányban a jelenlegi adatközpontokban alkalmazható különféle elektromos architektúrákat tekintjük át. Ezt követően elvégezzük az egyes megoldások rendelkezésre állási elemzését, majd ismertetjük az eredményeket.

A rackszekrények áramelosztó rendszereinek típusai

Az alábbi illusztrációkkal a rackszekrénybe szerelt berendezések rendelkezésre állásának növelésére szolgáló megoldásokat tekintjük át. Megjegyezzük, ezek a megoldások különálló berendezések ellátására is alkalmasak. A különféle megoldásokat általában meghatározott rendelkezésre állási szint elérését célul kitűzve választják. A költségesebb megoldások jellemzően magasabb szintű rendelkezésre állást biztosítanak. Az 1. és a 2. ábrán a napjaink adatközpontjaiban elterjedt áramellátó rendszereket szemléltetjük.

E l e k t r o m o s

Monitor Monitor Billentyuzet

1. ábra (left) Jellegzetes rack UPS megoldás

2. ábra (right) Jellegzetes központi UPS megoldás

Billentyuzet

Szerver

Szerver

v e z e t é k

Szerver Szerver Tároló Tároló

Rackbe szerelt UPS

Nagy 3 fázisú UPS-bol jövo áram

Az 1. ábrán a kis- és közepes méretű adatközpontokban és hálózati helyiségekben széles körben alkalmazott rack energiaellátó megoldás látható. Egy belső szünetmentes tápegységgel és túlfeszültség-védelemmel ellátott rack könnyen mozgatható. Nagyobb, több tucat vagy több száz rackszekrényt is tartalmazó adatközpontokban inkább a 2. ábrán látható, nagyméretű, központi szünetmentes tápegységre épülő megoldást alkalmazzák. A rackszekrények áramellátása egyik esetben sem redundáns. Más elektromos architektúrák külön készülékeket alkalmaznak az elsődleges áramforrásról másodlagos áramforrásra való átállásra. Erre célra statikus tápátkapcsolók (Static Transfer

APC by Schneider Electric

48. tanulmány

Ellenőrzés 1

2


Források

APC tanulmány 62 Powering Single Corded Equipment in a Dual Path Environment

Switch, STS) és automatikus tápátkapcsolók (Automatic Transfer Switch, ATS) szolgálnak. Mindkét készüléktípus 1 kW-tól több mint 1 MW-ig terjedő terhelhetőséggel létezhet. Ezeknek a készülékeknek az ismertetése az APC 62-es számú Powering Single Corded Equipment in a Dual Path Environment (csak angolul) című tanulmányában található. Az alábbiakban mindkét kapcsolótípusra mutatunk példát.

Rackszekrénybe szerelhető, háromfázisú, 6 kVA kapacitású ATS

Háromfázisú, 300 kVA kapacitású STS

A 3. és a 4. ábra bemutat nagyméretű létfontosságú létesítmények áramellátására alkalmazott két megoldást. Mindkét esetben két redundáns útvonal vezet egy STS-hez, ugyanakkor a szünetmentes tápegység áramellátása nem feltétlenül redundáns – a redundancia az áramszolgáltató által biztosított szolgáltatásoktól és ezek költségeitől függ. A két rendszer között az egyetlen különbség az, hogy a 3. ábrán láthatónál a statikus átkapcsoló egyetlen transzformátor primer ágához csatlakozik, míg a 4. ábrán láthatónál redundáns transzformátorok szekunder ága vezet az átkapcsolóhoz. Természetesen mindkét esetre igaz, hogy az STS, a szekunder ági kapcsolótábla vagy a kapcsolódó vezetékezés meghibásodása a teljes rendszer leállásához vezet. Mindkét rendszer biztosít valamilyen szintű redundanciát, ám a redundancia nélküli rendszerelemek jelenléte növeli a meghibásodások kockázatát, és megnehezíti a karbantartások elvégzését. Az alább ismertetett megoldások az amerikai feszültségszinteken működő rendszereket mutatják be, az elosztó-szekrényekben (PDU) látható transzformátor európai alkalmazásoknál elmarad.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

3


3. ábra STS alapú redundáns rendszer

E l e k t r o m o s

PDU STS-sel Elsodleges áramút

1. UPS Statikus tápátkapcsoló

Feszültségcsökk ento transzformátor

Kapcsolótábl a

2. UPS

v e z e t é k

Monitor Billentyuzet

Szerver Szerver Tároló

Másodlagos áramút

E l e k t r o m o s

4. ábra STS alapú redundáns rendszer (redundáns transzformátorokkal)

1. UPS

1. transzformátor Statikus tápátkapcsoló

2. UPS

v e z e t é k

PDU STS-sel

Elsodleges áramút

Monitor

Billentyuzet

Szerver Szerver

Tároló

Kapcsolótábla

2. transzformátor

Másodlagos áramút

A 3. és a 4. ábrán szereplő megoldások ugyan fejlettebbek, mint az 1. és a 2. ábrán láthatók, ám teljes értékű redundanciát ezek sem biztosítanak a rackszekrények számára. Bár bennük redundáns szünetmentes tápegység és transzformátor található, a statikus átkapcsoló, a kapcsolótábla vagy a hozzájuk tartozó vezetékezés meghibásodása változatlanul maga után vonja a teljes rendszer leállását. Az 5. ábrán látható rendszerrel, a redundancia kiterjesztésével ezeket a kényes pontokat tüntetjük el. Ennél a megoldásnál nincs STS, egy további kapcsolótábla hozzáadásával pedig a redundáns rendszerszakasz egy automatikus rack-átkapcsoló révén kiterjesztésre kerül a terhelést adó készülékek felé. A rack-átkapcsolóig terjedő rendszerszakasz karbantartása ilyenkor a fogyasztók leállítása nélkül is megoldható. Bár itt már kevesebb nem redundáns rendszerelem van, mint a 3. és a 4. ábrán felvázolt megoldásnál, a rack-átkapcsoló vagy az egyes készülékek tápegységének meghibásodása továbbra is leállást eredményezhet.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

4


E l e k t r o m o s

5. ábra

v e z e t é k

Rack-es átkapcsolót tartalmazó redundáns rendszer

Áramelosztó egység

Monitor

Billentyuzet Szerver

Szerver

Tároló

Rackbe szerelt tápátkapcsoló

Elsodleges áramút

1. UPS

1. transzformátor

1. kapcsolótábla

Áramelosztó egység Másodlagos áramút

2. UPS

2. transzformátor

2. kapcsolótábla

A 6. ábrán egy olyan megoldás látható, amelynél a készülékek redundáns tápegységekkel rendelkeznek és kettős áramellátást kapnak. Itt már komoly változások történnek az 5. ábrán látható rendszerhez képest: a rack-átkapcsoló eltűnik, viszont kettős áramellátású készülékeket használunk. Ezzel a fogyasztókig vezető áramellátó útvonal végig redundánssá válik. Vegyük észre, hogy a redundancia fenntartásához külön elektromos kábelre van szükség. Ez a rendszer az eddigiekkel összehasonlítva sokkal magasabb szintű rendelkezésre állást biztosít, ugyanakkor a költségei is ennek a legmagasabbak, továbbá kifejezetten kettős áramellátásra tervezett eszközök beszerzését teszi szükségessé.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

5


1 . e l e k t r o m o s v e z e t é k

6. ábra A redundancia biztosítása kettős áramellátással

Monitor

Billentyuzet

Szerver

Szerver

Tároló

2 . e l e k t r o m o s v e z e t é k

Áramelosztó egység Elsodleges áramút

1. UPS

1. transzformátor

1. kapcsolótábla

Áramelosztó egység Másodlagos áramút

2. UPS

2. transzformátor

2. kapcsolótábla

A 7. ábrán látható architektúra az 5. és a 6. ábrán látható megoldások kombinációja, egyszeres és kettős áramellátásra tervezett berendezések használatát egyaránt lehetővé teszi. Esetében a kettős áramellátásra alkalmas készülékek energiaellátása teljes redundanciával történik, az egyszeres áramellátásra tervezettekké pedig automatikus rack-es átkapcsolóval – természetesen az utóbbiaknál a kapcsoló vagy a készülékek tápegységének meghibásodása teljes leállást eredményez. A 7. ábrán fizikai elkülönítésre is láthatunk példát. Ezt az eljárást tagolásnak, szakaszolásnak nevezik, ekkor az energiaellátó és a biztonsági mentésekért felelős rendszerek alrendszerei fizikailag elkülönülnek egymástól. A megfelelően kivitelezett fizikai elkülönítés komoly meghibásodások, akár mechanikai összeomlás esetén is alkalmas az egyik ágban bekövetkező meghibásodások hatásának a másik ágtól való elszigetelésére, vagyis a közös okra visszavezethető meghibásodások megelőzésére.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

6


2 tápkábeles berendezés

1. forrás

1. UPS

1. transzformátor

1. kapcsolótábla

2. transzformátor

2. kapcsolótábla

1 . e l e k tr o m o s v e z e t é k

2 . e l e k tr o m o s v e z e t é k



7. ábra Redundáns architektúra egyszeres és kettős tápellátású készülékekhez

Fizikai elkülönítés

2. forrás

2. UPS

E l e k tr o m o s v e z e t é k

1 tápkábeles berendezés



Rackbe szerelt tápátkapcsoló

A 3, a 4., a 5. és a 7. ábrán látható architektúrák átkapcsolót tartalmaznak. Nagyméretű kapcsoló használatakor egyetlen meghibásodás is a rendszer viszonylag nagy részének leállását okozza, míg a kisebb kapcsolók hibái csak egy-egy rackszekrényt érintenek. Vannak olyan felhasználók, amelyeknél egyetlen rack leállása egyenértékű 50 rack leállásával, másoknál viszont a meghibásodások rackszekrényekre való korlátozása előnyös lehet. Az utóbbi típusú felhasználóknál a rack-es átkapcsolók használata egyben a hibák elkülönítésének előnyével is jár.

További fontos figyelembe veendő tényező az átkapcsolók javításának ideje. Egy kisebb átkapcsolót javítás helyett inkább cserélni érdemes, és a gyors csere érdekében egy-egy cseredarab tárolása nem okozhat problémát. Szükség esetén megkerülése is könnyen megoldható. A nagyobb átkapcsolókat ezzel szemben javítani kell, és helyüktől függően a megfelelő szakemberek helyszínre juttatása órákig is eltarthat. A rendszer diagnosztizálása és tényleges javítása további időt igényel, és ha a szerelő nem rendelkezik a szükséges alkatrésszel, további késlekedéssel kell számolni. Az egyes architektúrák értékelésekor tehát az optimális megoldás kiválasztásához számos szempontot kell figyelembe venni. A javítási idő a következő részben szereplő statisztikai rendelkezésre állási modellnek is része.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

7


Általános esetben, ha magas rendelkezésre állású, az üzletmenet szempontjából nélkülözhetetlen környezetet kell összeállítani, a csak egyszeres energiaellátásra tervezett készülékek nagy kockázatot jelentenek. Ez nem csupán a rackszekrénybe szerelt készülékekre, de minden az üzletmenet szempontjából nélkülözhetetlen berendezés esetében igaz. Hiába a lehető legjobb konstrukció, ha van olyan pont a rendszerben, melynek meghibásodása teljes leállást okoz, akkor előbb-utóbb be is fog következni ez a meghibásodás és leállás. Ha valóban magas rendelkezésre állású környezetre van szükség, akkor az energiaellátó hálózatban a lehető legkisebbre, illetve nullára kell csökkenteni az olyan pontok számát, melyek kiesése teljes leálláshoz vezet.

A rendelkezés re állás elemzése

Az egyszeres és a kettős áramellátásra tervezett készülékek használatának következményeit a rendelkezésre állás elemzésével mérhetjük fel. Ötféle rendelkezésre állási elemzést végzünk el:

• Egyszeres áramellátású készülékek (2. ábra) • Egyszeres áramellátású készülékek statikus tápátkapcsolóval (3. ábra, egy transzformátor)

• Egyszeres áramellátású készülékek statikus tápátkapcsolóval (4. ábra, redundáns transzformátor)

• Egyszeres áramellátású készülékek rack-es átkapcsolóval (5. ábra) • Kettős tápellátású készülékek (6. ábra) Azt, hogy az ötféle megoldásnál milyen az áramellátás rendelkezésre állása az elektromos aljzatoknál, lineáris kombinatorikai elemzéssel, más néven megbízhatósági blokkdiagramokkal (Reliability Block Diagram, RBD) szemléltetjük. Ez a legközvetlenebb rendszermodellezési módszer, kevés állapotátmenettel jellemezhető rendszereknél kiválóan alkalmazható. A lineáris kombinatorikai elemzés meghatározott megbízhatósági adatok alapján folyik, ezeket figyelembe véve történik az elemzés alatt álló rendszer modelljének kidolgozása. Mivel elemzésünk jelenleg csupán a különféle megoldások közötti különbségekre terjed ki, feltételezzük, hogy a szünetmentes tápegységek előtti hálózatszakasz, ide értve a szolgáltató hálózatát is, tökéletesen működik. Az itt szereplő rendelkezésre állási értékek tehát magasabbak lesznek a gyakorlatban elérhetőknél. Az elemzés részletes ismertetése a függelékben szerepel.

Az elemzések során felhasznált adatok Az összetevők modellezéséhez használt adatok túlnyomó része külső forrásokból származik. A rackszekrénybe szerelhető automatikus tápátkapcsolók (ATS) adatai az APC hasonló termékeinek gyakorlati használatával szerzett tapasztalatokra alapulnak – ezek a termékek már sok éve szerepelnek a piacon, és széles körben elterjedtek. Az elemzések során a következő elemeket vettük figyelembe:

1. Sorkapcsok 2. Megszakítók 3. Szünetmentes tápegységek (UPS) 4. Elosztószekrény (PDU) 5. Statikus tápátkapcsoló (STS) 6. Automatikus rack-es átkapcsoló (ATS)


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

8


Az elosztószekrény három összetevőre osztható fel: megszakítók, feszültségcsökkentő transzformátor (Európában nem jellemző) és sorkapcsok. A kapcsolótábla értékelése a főmegszakító, egy mellékáramköri megszakító és a sorkapcsok alapján történik. Rack-es átkapcsoló csak a negyedik esetben szerepel. Az egyes összetevőkhöz tartozó meghibásodási forrásokat és arányszámokat

⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ MTTR ⎠

⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ MTTF ⎠

és a helyreállítási arányszámokat

a függelék tartalmazza; itt az MTTF jelentése a meghibásodásig átlagosan eltelt

idő (Mean Time To Failure), az MTTR jelentése pedig a helyreállításig átlagosan eltelt idő (Mean Time To Recover). Az elemzés során használt meghibásodási és a helyreállítási arányszámokat szintén a függelékben tüntettük fel.

Az elemzések során alkalmazott elméletek Mint minden rendelkezésre állási elemzésnél, egy érvényes modell megalkotásához előzetes feltételezéseket, elméleteket kell felállítani. Az 1. táblázat az elemzés során felhasznált előzetes feltételezéseket, elméleteket tartalmazza.

1. táblázat Az elemzés során figyelembe vett feltételezések

Feltételezés

Leírás

Az összetevők meghibásodásának gyakorisága

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.

Helyreállítást végzó csapatok

Ha „n” darab összetevő van sorba kapcsolva, akkor feltételezzük, hogy „n” fő szerelő áll rendelkezésre.

A rendszerösszetevők működőképesek maradnak

Feltételezzük, hogy a meghibásodások elhárításáig az összes rendszerösszetevő működőképes marad.

Meghibásodások függetlensége

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.

Kábelezés meghibásodásának gyakorisága

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.

Emberi hiba

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.

A tápellátás rendelkezésre állása a fő szempont

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.

A hibák elkülönítése nem jár előnyökkel

Bármely szekrény meghibásodása hibának számít, és egyenértékű az összes szekrény egyidejű meghibásodásával. Egyes vállalkozások esetében egy-egy szekrény meghibásodása nem jár olyan komoly következményekkel, mintha az összes szekrény leállna. Ebben az esetben az elemzés alábecsüli a 4. és az 5. esetben tapasztalható előnyöket.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

9


Eredmények

Fontos megjegyezni, hogy az elemzés célja az egyes megoldások elméleti rendelkezésre állásának összehasonlítása. Mivel az ötféle megoldásban szereplő egyes összetevőkre azonos meghibásodási gyakoriság jellemző, az egyes megoldások között különbség csupán az összetevők mennyiségében, MTTR értékében és a komponensek elhelyezkedésében áll fenn. Ezzel a módszerrel rendkívül hatékonyan lehet bemutatni az egyes architektúrák között a rendelkezésre állás terén tapasztalható különbségeket. A rendelkezésre állást az alapján mérjük, hogy az aljzatok biztosítanak-e áramellátást a készülékek számára. Az összetevőkre vonatkozóan minden esetben ugyanazokat a megbízhatósági adatokat vesszük figyelembe. Az 1. esetben bármelyik összetevő meghibásodása a fogyasztók leállását okozza. Ezt tekintjük a kiindulási pontnak. A 2. és a 3. esetben a fogyasztók leállásához a redundáns útvonalak közül mindkettőben egyszerre kell meghibásodnia valamelyik összetevőnek. Az STS után következő szakasz bármely elemének, illetve magának az átkapcsolónak a meghibásodása továbbra is leálláshoz vezet. Ennek az esetnek a vizsgálata kiválóan rámutat arra, hogy az STS beépítésével milyen kis mértékben növekedik a rendszer rendelkezésre állása. Ennek oka az, hogy az STS nem sokkal megbízhatóbb, mint az előtte található szünetmentes tápegység, és az STS meghibásodása továbbra is teljes leállást okoz. Megjegyezzük, hogy a 2. esetben a transzformátor MTTR értéke miatt az STS beépítéséből fakadó előnyök gyakorlatilag elenyésznek. A 4. esetben a fogyasztók leállásához a redundáns útvonalak közül mindkettőben egyszerre kell meghibásodnia valamelyik összetevőnek. Noha a rack-es átkapcsoló meghibásodása teljes leállást okoz, MTTR értéke kicsi, hiszen tartalék egység rendelkezésre állása esetén rövid idő alatt cserélhető. Ebben az esetben a kulcstényező az, hogy bár a rack-es átkapcsoló nem feltétlenül megbízhatóbb, mint a nagyméretű STS, a jóval alacsonyabb MTTR komoly rendelkezésre állásbéli előnyt biztosít. Az 5. esetben a fogyasztók leállásához a redundáns útvonalak közül szintén mindkettőben egyszerre kell meghibásodnia valamelyik összetevőnek. A 2. táblázat az öt rendelkezésre állási számítás eredményeit foglalja össze.

2. táblázat A rendelkezésre állási eredmények összefoglalása

Eset

Összeállítás

Rendelkezésre állás

Kilencesek száma

1. eset

Egyszeres áramellátású készülékek

99,985 %

3,8

2. eset

Egyszeres áramellátású készülékek STS-sel (egy transzformátor)

99,98596 %

3,85

3. eset

Egyszeres áramellátású készülékek STS-sel (redundáns transzformátor)

99,99715 %

4,5

4. eset

Egyszeres áramellátású készülékek rack-es átkapcsolóval

99,999931 %

6,2

5. eset

Kettős áramellátású készülékek

99,9999977 %

7,6


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

10


Az elemzésből kitűnik, hogy a kettős elektromos architektúrákban a magas rendelkezésre állás elérésében kiemelt szerep jut a kettős áramellátásra tervezett készülékeknek. Ha egyszeres áramellátásra tervezett készülékeket használunk, akkor elérni ugyan nem tudjuk a bonyolultabb rendszerek által kínált előnyöket, ám rack-es átkapcsoló segítségével megközelíthetjük azokat.

0.999985 0.999975 0.999965

Önálló rendszer

0.999955

Redundáns rendszer

0.999945 0.999935 0.999925

0 00

0

79 1,

0

73 4, 00

00

0

67 7,

0

62 0, 00

00

0 00

56 3,

0

50 6,

0

44 9, 00

00

0

39 2,

0

33 5, 00

0

27 8, 00

00

0

22 1,

0

16 4, 00

00

10 7,

00

0.999915 ,0

A rendelkezésre állás és az MTTF viszonya

0.999995

50

8. ábra

A rendszer összesített rendelkezésre állása

A fenti eredményekből tisztán látszik, hogy a fogyasztók redundáns áramellátása növeli a rendelkezésre állást. A 8. ábrán követhető, hogy hiába növeljük egy termék megbízhatóságát (MTTF) tízszeresére, nem fogjuk elérni azt a rendelkezésre állást, amit alacsonyabb megbízhatóságú, de redundáns rendszerelemekkel kapnánk. Egy redundáns rendszer rendelkezésre állása közel 100 százalék, vagyis „sok-kilences” értékkel fejezhető ki.

MTTF (óra)


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

11


Összegzés

Magas rendelkezésre állású rendszer építésekor komoly figyelmet kell fordítani a rackszekrények áramellátására. A tanulmányunkban szereplő áramelosztó megoldások között a leállások várható hosszában tízezerszeres eltéréseket lehet találni. Az elemzés igazolja a kettős áramellátásra tervezett berendezések adatközpontokban való használatának fontosságát. Az elemzés eredményei szerint egy teljes kettős architektúra várható leállási időtartama akár tízezerszer kevesebb lehet, mint egy egyszeresé. Az az elterjedt gyakorlat, mely szerint átkapcsolókat építenek be a rendelkezésre állás növelésére, a tényleges megvalósítástól függően sokféle eredménnyel járhat. Az elemzés szerint egyes esetekben a nagyméretű STS-ek használata gyakorlatilag semmilyen előnnyel nem jár. Ezzel szemben, ha az átkapcsolók az egyes rackszekrényekbe kerülnek, akkor az energiaellátó rendszer miatti leállások ideje 250-edére csökken. Emellett a rack-es átkapcsolók jelenléte segíti a hibák pontos helyének gyors meghatározását, hiszen a meghibásodások csak egy-egy szekrényre terjednek ki. A rack-es átkapcsoló további előnye, hogy a kettős áramellátású környezeten belül tetszőleges helyre, igény szerint telepíthető. Az adatok alapján arra következtethetünk, hogy a nagyméretű STS-rendszerek egyszeres áramellátásra tervezett készülékek táplálására való használatának gyakorlatát érdemes lenne átértékelni, ugyanis a rack-es átkapcsolók alkalmazása előnyösebb, miközben a költségek nagyon hasonlók. Általánosan azt fogalmazhatjuk meg, hogy a rendelkezésre állás növeléséhez a redundanciát közelebb kell vinni a fogyasztókhoz. Minden magas rendelkezésre állású rendszerbe történő beruházás előtt gondos elemzést kell végezni. Azt, hogy melyik megoldást kell választani, az határozza meg, hogy a felhasználó mekkora összeget tud szánni az elektromos infrastruktúra megerősítésére. A felhasználónak pontosan ismernie kell saját üzleti folyamatait, így ki tudja számítani a leállások költségét. Ez az a költség, amely a rendelkezésre állás érdekében indított beruházásokat igazolja.

Néhány szó a szerzőről: Victor Avelar az APC rendelkezésre állás témakörével foglalkozó mérnöke. Rendelkezésre állási tanácsadással és az ügyfelek elektromos rendszereinek és adatközpontjainak elemzésével foglalkozik. Victor 1995-ben szerezte gépészmérnöki diplomáját a Rensselaer Politechnikai Intézetben, valamint az ASHRAE és az American Society for Quality tagja.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

12


Források Powering Single Corded Equipment in a Dual Path Environment APC tanulmány 62

APC tanulmányok tallózása whitepapers.apc.com

APC TradeOff eszközök tallózása tools.apc.com

Elérhetőségünk A tanulmány tartalmával kapcsolatos észrevételeit a következő címre várjuk Data Center Science Center, APC by Schneider Electric [email protected] Amennyiben Ön ügyfelünk, és adatközponti projektjével kapcsolatos kérdése van Forduljon APC–Schneider Electric képviselőjéhez


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

13


Függelék Táblázat A1 Összetevők és értékek

Összetevő

Meghibásodási arányszám

Helyreállítási arányszám

Adatforrás

Megjegyzések

Szünetmentes tápegység, 675 kW / 750 kVA

4,0000E-06

0,125

A meghibásodási arányszám forrása a Power Quality Magazine, a helyreállítási arányszám pedig azon a feltételezésen alapul, hogy a karbantartó személyzet 4 órán belül kiszáll, majd 4 órán belül elvégzi a javítást.

• Feladata folyamatos 480 VAC energiaellátás biztosítása a PDU számára (US feszültségszint).

Statikus kapcsoló (STS)

4,1600E-06

0,1667

Gordon Associates, Raleigh, NC

• A vezérlést is beleértve

Feszültségcsökkentő transzformátor (Európában nem jellemző)

7,0776E-07

0,00641

Az MTBF az IEEE 493-1997 Gold Book szabványának 40. oldaláról származik, az MTTR átlagos értékét a Marcus Transformer Data szolgáltatta.

• Feladata a 480 VAC bemenet 208 VAC kimenetté alakítása, a 120 VAC értékre tervezett fogyasztók igényeinek megfelelően.

Megszakító

3,9954E-07

0,45455

IEEE Gold Book szabvány 493-1997, 40. oldal

• Feladata az elektromos hálózat és a berendezések elkülönítése karbantartási célokból vagy a hibák elszigetelése céljából.

6 végződtetés

8,6988E-008

0,26316

6 x IEEE érték Az IEEE 493-1997 Gold Book szabvány 41. oldalának tartalma alapján számítva.

• Transzformátor primer ága, vezetőnként egy végződtetés. Mivel az összetevők között két végződtetés csoport van, összesen hattal kell számolni.

8 végződtetés

1,1598E-007

0,26316

8 x IEEE érték

• A transzformátor szekunder ága, vezetőnként egy végződtetés és a nulla. Mivel az összetevők között két végződtetés csoport van, összesen nyolccal számolni.

Az IEEE 493-1997 Gold Book szabvány 41. oldalának tartalma alapján számítva. Automatikus rack-es átkapcsoló (ATS)

2,0E-06

3

APC redundáns kapcsolók tapasztalati értékei

• Számításaink alapján az APC rackszekrénybe szerelhető automatikus tápátkapcsolóinak MTTF értékére egymillió órát kaptunk. Visszafogottabb, 500000 órás értékkel számoltunk.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

14


Egyszeres áramellátású készülék rendelkezésre állása [1. eset]

A 2. ábrán szereplő, egyszeres tápellátású készülékek rendelkezésre állása az alábbi RBD alapján számítható ki. A 9. ábrán az RBD legfelső rétege szerepel, amely a sorosan kapcsolt összetevők állandósult állapotbéli rendelkezésre állását adja meg. Az RBD „Transzformátor részei” és „Kapcsolótábla részei” nevű blokkjai tovább bonthatók. A tovább bontható blokkok esetében egy alacsonyabb szintű, az alösszetevőket tartalmazó RBD-t is össze lehet állítani. Az RBD ilyen jellegű rétegezése megkönnyíti a rendelkezésre állási számítások elvégzését. A kapcsolótábla feladata az áram elosztása a készülékek felé. A két blokk tartalma a 10. és a 11. ábrán látható.

9. ábra Egyszeres áramellátású fogyasztó ë =3.9954e-007

ë =8.6988e-008

ì =0.45455

ì =0.26316

Megszakító

6 végzodtetés

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

ë =8.6988e-008

6 végzodtetés

Megszakító

ë =8.6988e-008

ë =4e-006

ì =0.26316

ë =3.9954e-007

ì =0.125

ì =0.26316

ì =0.45455

675 kWos UPS

6 végzodtetés

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

Kapcsolótábla részei

ë =3.9954e-007

10. ábra A transzformátor részei

11. ábra A kapcsolótábla részei

ì =0.45455

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

6 végzodtetés

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

Megszakító

Transzformátor részei

ë =7.0776e-007 ì =0.00641

8 végzodtetés

ë =1.1598e-007 ì =0.26316

Feszültségcsökkento transzformátor

ë =1.1598e-007 ì =0.26316

6 végzodtetés

8 végzodtetés

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

Megszakító

A fenti RBD alapján az egyszeres áramellátásra tervezett készülékek rendelkezésre állása az alábbi.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

15


Table A2 Egyszeres áramellátású készülékek rendelkezésre állása [1. eset]

Rendelke¬zésre állás

Rendelke¬zésre nem állás

MTTR (óra)

MTTF (óra)

Éves leállás (óra)

99,98498 %

1,5021E-04

19,3

128,665

1,3158

99,99640 %

3,5958E-05

6,5

180291

0,31499


99,98879 %

1,1205E-04

85,5

763,201

0,98158


99,99978 %

2,1987E-06

2.4

1,092,825

0,01926

Megnevezés Egyszeres áramellátású készülékek Szünetmentes tápegység rendszer

Mivel az elemzés öt értékes számjegyet tartalmazó adatok alapján folyt, a rendelkezésre nem állás egy másik lehetőség az eredmény kifejezésére. A rendelkezésre nem állás kiszámítása az (1 – rendelkezésre állás) képlettel történik.

Egyszeres áramellátásra tervezett, statikus kapcsolóval kiegészített készülékek rendelkezésre állása (egy transzformátor) [2. eset]

A 3. ábrán szereplő áramelosztási módszer STS alkalmazására alapul, itt a redundancia az STS előtti szakaszra terjed ki, az STS után elhelyezett transzformátort nem érinti. Ennek a környezetnek a rendelkezésre állását héttagú RBD alapján számíthatjuk ki, ezt a könnyebb áttekinthetőség miatt itt felosztottuk. A 12. ábra az RBD legfelső rétegét szemlélteti. A „Szünetmentes tápegység rendszer” blokkot részben kettős vonal határolja, ez arra utal, hogy az e blokkon belüli összetevők kivétel nélkül redundánsak. A 13. ábrán a „Szünetmentes tápegység rendszer” blokk tartalma látható. .

'1/2

12. ábra Egyszeres tápellátású készülékek STS-sel

Szünetmentes tápegység


STS és elosztás

48. tanulmány

Ellenőrzés 1

16


13. ábra Szünetmentes tápegység ë =3.9954e-007 ì =0.45455

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

6 végzodtetés

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

Megszakító

6 végzodtetés

ë =4e-006 ì =0.125

675 kWos UPS

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

6 végzodtetés

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

6 végzodtetés

Az STS előtti szakasz teljes egészében redundáns, viszont az „STS és elosztás” blokk részei közül bármelyik meghibásodása leállást eredményez. Az „STS és elosztás” blokkot az STS, a transzformátor és a kapcsolótábla részei alkotják – lásd a 14. ábrát. Az STS az az elem, amely az előtte lévő redundáns összetevők használatát lehetővé teszi. A STS elemei a következők: megszakítók, végződtetések és a legfontosabb, maga a statikus kapcsoló. Az STS RBD-je a 15. ábrán szerepel.

14. ábra STS és elosztás

15. ábra STS

STS

ë =4.16e-006 ì =0.1667

Statikus kapcsoló



ë =3.9954e-007 ì =0.45455

ë =8.6988e-008 ì =0.26316

6 végzodtetés

Megszakító

A 14. ábra „Transzformátor részei” és „Kapcsolótábla részei” blokkjának alkotóelemei a 16. és a 17. ábrán láthatók.

16. ábra

ë =3.9954e-007

ë =8.6988e-008

ë =7.0776e-007

ë =1.1598e-007

ì =0.45455

ì =0.26316

ì =0.00641

ì =0.26316

A transzformátor részei Megszakító


6 végzodtetés

Feszültségcsökkento transzformátor

8 végzodtetés

48. tanulmány

Ellenőrzés 1

17


ë =3.9954e-007 ì =0.45455

17. ábra A kapcsolótábla részei

ë =1.1598e-007 ì =0.26316

ë =3.9954e-007 ì =0.45455

8 végzodtetés

Megszakító

Megszakító

A fenti RBD-k alapján az egyszeres áramellátásra tervezett, STS-sel és egy transzformátorral táplált készülékek rendelkezésre állása az alábbi.

Table A3 STS-sel táplált, egyszeres áramellátású készülékek rendelkezésre állása (egy transzformátor) [2 eset]

Rendel¬kezésre állás


MTTR (óra)

MTTF (óra)


99,98596%

1,4041E-04

20,4

145513

1,23002

Szünetmentes tápegység rendszer

99,99999987%

1,2930E-09

6,5

5025125628

0,00001

Egy szünetmentes tápegység

99,99640%

3,5958E-05

6,5

180291

0,31499

STS és elosztás

99,98596%

1,4041E-04

20,4

145518

1,23001

STS

99,99738%

2,6164E-05

5,6

215214

0,22920


99,98879%

1,1205E-04

85,53

763201

0,98158


99,99978%

2,1987E-06

2,4

1092825

0,01926

Megnevezés Egyszeres tápellátású készülékek STS-sel (egy transzformátor)

Egyszeres áramellátásra tervezett, statikus tápátkapcsolóval kiegészített készülékek rendelkezésre állása (redundáns transzformátor) [3. eset]

A 4. ábrán szereplő áramelosztási módszer STS alkalmazására alapul, itt a redundancia az STS előtti szakaszra terjed ki, és a transzformátort is érinti. Egy ilyen környezet rendelkezésre állását héttagú RBD alapján számíthatjuk ki, hasonlóan az előző esethez. A 18. ábra az RBD legfelső rétegét szemlélteti. A „Szünetmentes tápegység rendszer és transzformátor” blokkot részben kettős vonal határolja, ez arra utal, hogy az ebbe a blokkba eső összetevők kivétel nélkül redundánsak. A 19. ábrán a „Szünetmentes tápegység rendszer és transzformátor” blokk tartalma látható. A „Transzformátor részei” blokk ebben az esetben is a 16. ábrán látható részekből épül fel. Eddig a pontig minden összetevő redundáns, viszont a 18. ábra „STS és elosztás” blokkjában lévő elemek meghibásodása a teljes rendszer leállását okozza.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

18


'1/2

18. ábra Szünetmentes tápegység és transzformátor

Egyszeres tápellátású készülékek STS-sel

STS és elosztás

19. ábra Szünetmentes tápegység rendszer és transzformátor ë =3.9954e-007

ë =8.6988e-008

ë =3.9954e-007

ì =0.45455

ì =0.26316

ì =0.45455

Megszakító

Megszakító

6 végzodtetés

ë =8.6988e-008

ë =4e-006

ë =8.6988e-008

ë =3.9954e-007

ì =0.26316

ì =0.125

ì =0.26316

ì =0.45455

6 végzodtetés

675 kW-os UPS

6 végzodtetés

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316


6 végzodtetés

Ebben az esetben az „STS és elosztás” blokkot (20. ábra) csupán az STS és a kapcsolótábla részei alkotják, hiszen a transzformátor – mint redundáns összetevő – más szakaszra került. Itt az „STS” azonos a 16. ábrán láthatóval, annyi különbséggel, hogy 6 helyett 8 végződtetés van (21. ábra). A „Kapcsolótábla részei” blokk tartalma azonos a 17. ábrán láthatóval.

20. ábra STS

STS és elosztás

ë =4.16e-006 ì =0.1667

21. ábra STS

Statikus kapcsoló


ë =3.9954e-007 ì =0.45455

Megszakító

ë =1.1598e-007 ì =0.26316

6 végzodtetés

A fenti RBD-k alapján az egyszeres áramellátásra tervezett, STS-sel és redundáns transzformátorral táplált készülékek rendelkezésre állása az alábbi.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

19


Table A4 STS-sel táplált, egyszeres áramellátású készülékek rendelkezésre állása (redundáns transzformátor) [3. eset]



MTTR (óra)

MTTF (óra)


99,99715%

2,8495E-05

5,1

178839

0,24961

Szünetmentes tápegység és transzformátor

99,9999978%

2,1906E-08

21,6

985221675

0,00019

Szünetmentes tápegység rendszer

99,99640%

3,5958E-05

6,5

180291

0,31499


99,98879%

1,1205E-04

85,5

763201

0,98158

STS és elosztás

99,99715%

2,8473E-05

5,1

178872

0,24942

STS

99,99737%

2,6274E-05

5,6

213880

0,23016


99,99978%

2,19867E-06

2,4

1092825

0,01926

Megnevezés Egyszeres tápellátású készülékek STS-sel (két transzformátor)

Egyszeres áramellátású, rackes átkapcsolóval táplált készülékek rendelkezésre állása [4. eset]

Az egyszeres tápellátásra tervezett, rack-es átkapcsolóval táplált készülékek (5. ábra) rendelkezésre állásának elemzése a 22. ábrán – részlegesen – látható RBD alapján végezhető el. Az ábrán az RBD legfelső rétege szerepel. Ennél a modellnél a redundancia a szekrényig terjed, ekkor a rack-es átkapcsoló az az elem, amelynek meghibásodása leálláshoz vezet. A 23. ábrán a „Szünetmentes tápegység rendszer és elosztás” blokk összetevői láthatók. A „Transzformátor részei” és a „Kapcsolótábla részei” blokk rendre megegyezik a 16. és a 17. ábrán láthatóval.

ë =2e-006

22. ábra

'1/2

Egyszeres tápellátású készülékek rack-es átkapcsolóval

Szünetmentes tápegység rendszer és elosztás


ì =3 POU kapcsoló

48. tanulmány

Ellenőrzés 1

20


23. ábra Szünetmentes tápegység rendszer és elosztás ë =3.9954e-007

ë =8.6988e-008

ë =3.9954e-007

ì =0.45455

ì =0.26316

ì =0.45455

Megszakító

6 végzodtetés

ë =8.6988e-008

Megszakító

ë =4e-006

ë =8.6988e-008

ë =3.9954e-007

ì =0.26316

ì =0.125

ì =0.26316

ì =0.45455

6 végzodtetés

675 kW-os UPS

6 végzodtetés

Megszakító

ë =8.6988e-008 ì =0.26316 Kapcsolótábla részei


6 végzodtetés

A fenti RBD alapján az egyszeres áramellátásra tervezett, rack-es átkapcsolóval táplált készülékek rendelkezésre állása az alábbi.

Table A5 Egyszeres áramellátású, rack-es átkapcsolóval táplált készülékek rendelkezésre állása [4. eset]



MTTR (óra)

MTTF (óra)


Egyszeres áramellátású készülékek rack-es átkapcsolóval

99,999931 %

3,558950E-07

0,4

499705

0,00604


99,999998 %

2,2562E-08

19,3

856898029

0,00018


99,98879 %

1,1205E-04

85,5

763201

0,98158


99,99978 %

2,1987E-06

2,4

1092825

0,01926

Automatikus rack-es átkapcsoló (ATS)

99,999933%

3,3333E-07

0,3

500000

0,00584

Megnevezés

Ebben az esetben a rendelkezése állás egyszerűen egy újabb PDU hozzáadásával komoly mértékben javult. A rack-es átkapcsoló meghibásodása ugyanakkor a teljes rendszer leállásához vezet, ezért a teljes rendelkezésre állás csupán hatkilences értékű. Éppen ezért a rack-es átkapcsolót mindig a megbízhatóságot szem előtt tartva kell kiválasztani, és az MTTR minimalizálása érdekében mindig biztosítani kell egy tartalék készüléket.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

21


Kettős áramellátású készülékek rendelkezésre állása [5. eset]

A kettős áramellátású készülékek (6. ábra) elemzése a 24. ábrán – részlegesen – látható RBD alapján történik. Az ábrán ismét a legfelső réteget tüntettük fel. Ahogy a rack-es átkapcsolóval ellátott rendszeré is, ez az RBD is az állandósult állapotbéli rendelkezésre állást adja meg, figyelembe véve a szünetmentes tápegységek és a PDU-k meghibásodási és javítási mutatóit, ám itt a rack-es átkapcsoló kiesik, hiszen a fogyasztók a kettős áramellátás képessége révén teljes mértékben képesek kihasználni a redundáns áramellátásból fakadó lehetőségeket. A készülékek üzemben tartásához elég, ha a két útvonal egyike működőképes. A rendszerben nincsenek olyan elemek, amelyek meghibásodása teljes leálláshoz vezet. Természetesen a készülékek tápegységei szintén redundánsak.

'1/2

24. ábra


Kettős áramellátású é é

Az alsóbb szintű, a „Szünetmentes tápegység és elosztás " blokkot alkotó RBD azonos a 911. ábrákon láthatókkal. Ezen blokkok alapján a kettős áramellátásra tervezett készülékek rendelkezésre állása a következő.

Table A6 Kettős áramellátású készülékek rendelkezésre állása [5. eset]



MTTR (óra)

MTTF (óra)


Kettős áramellátású készülékek

99,9999977 %

2,2562E-08

19,3

856898029

0,0001976


99,9999977 %

2,2562E-08

19,3

856898029

0,0001976


99,98879 %

1,1205E-04

85,5

763201

0,98158


99,99978 %

2,1987E-06

2,4

1092825

0,01926

Megnevezés

Ebben az – utolsó – esetben a „Szünetmentes tápegység rendszer és elosztás” rendelkezésre állása a korábbi esetekben látottal megegyező, az összesített rendelkezésre állás mégis hétkilences szintet ért el. A legfontosabb különbség az, hogy a kettős áramellátásra tervezett készülékek esetében a rack-es átkapcsoló szükségtelenné válik. Amint az utolsó esetből látható, a rack-es átkapcsoló – mint olyan elem, melynek meghibásodása teljes leállást okoz – volt az az összetevő, amely a rendelkezésre állást hatkilences szintre korlátozta.


48. tanulmány

Ellenőrzés 1

22

Rack energiaellátás redundancia lehetőségeinek összehasonlítása rendelkezésre állás alapján

Recommend Documents