Ausfallsichere Stromversorgung
PDU mit hybridem Transfer-Switch
Unternehmen sind auf die Verfügbarkeit ihres IT-Netzes angewiesen. Spätestens mit der Umstellung der Telekom auf All-IP wird sogar die Telefonie zur LAN-Anwendung. Damit steigt das Rechenzentrum meist in eine höhere Verfügbarkeitsklasse, zumindest benötigen einige Netzwerkkomponenten einen stärkeren Schutz vor Ausfällen. Transfer-Switches bieten eine einfache Möglichkeit, um Komponenten mit nur einem Netzteil über zwei Stromkreise zu versorgen.
Mit der Einführung von neuen, geschäftskritischen Anwendungen wie Cloud Computing und Voice over IP steigen die Anforderungen an die Ausfallsicherheit der RZ-Infrastruktur. So sollten selbst Betreiber kleiner Rechenzentren spätestens dann ein einfaches Redundanzkonzept entwickeln. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die redundante Stromversorgung. Denn kurzzeitige Spannungseinbrüche (Netzwischer) aufgrund eines Blitzeinschlags, eines fehlerhaften Schaltvorgangs oder eines Lichtbogens auf einer Freileitung können bis zu einer Minute dauern. Kommt es gar zu einem Spannungsausfall, sind die Systeme mehr als drei Minuten ohne Netzversorgung. Ein Server reagiert jedoch schon nach etwa 20 Millisekunden auf Spannungsunterbrechungen.
Bisher waren in Deutschland die Rechenzentren meist in die vier TIA-Klassen des amerikanischen Standards TIA-942 oder nach vergleichbaren Standards eingeteilt. Diesen Klassen ist jeweils ein bestimmter Prozentsatz Verfügbarkeit zugeordnet. Ein hochverfügbares TIA-Class-4-Rechenzentrum hat demnach 99,99 Prozent Verfügbarkeit. Doch diese Verfügbarkeit ist schwer fassbar. Dies war einer der Auslöser für die Entwicklung der europäischen Normenreihe EN 50600. Diese enthält auch Verfügbarkeitsklassen, quantifiziert jedoch nicht die Ausfallsicherheit, sondern richtet sich nach dem konkreten Sicherheitsbedarf, der sich aus einer Risikoanalyse ergibt, und verweist auf Beispiele, die die Einordung der eigenen Anforderungen und deren Umsetzung erleichtern soll.
Verfügbarkeitsklassen nach EN 50600-2-2
Die EN 50600-2-2 zur Stromversorgung stammt aus dem Jahr 2014. Cenelec/TC215 überarbeitet sie derzeit. Ein stabiler Normentwurf steht laut VDE DKE für den August zur Veröffentlichung an. Die neue Version definiert Redundanzen über die Anzahl der Versorgungspfade. Missverständliche Formulierungen wie N+1 oder 2N werden entfallen. Außerdem sollen auch asymmetrische Infrastrukturen zugelassen sein, etwa ein Versorgungspfad mit redundanten USVs. Doch die folgende grobe Einteilung der Verfügbarkeitsklassen wird bestehen bleiben:
Die Verfügbarkeitsklasse 1 beschreibt die Infrastruktur und Stromversorgung für einfache IT-Räume ohne große Anforderungen an die Verfügbarkeit. Dabei sind kaum Maßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit vorgesehen. Wartungsmaßnahmen und technische Störungen können deshalb jederzeit zur Unterbrechung des Betriebs führen.
Die Verfügbarkeitsklasse 2 empfiehlt zumindest redundante Komponenten. So kann es bei Wartungsmaßnahmen zu Unterbrechungen kommen, diese sind jedoch planbar. Schon an dieser Stelle lassen sich wichtige Netzkomponenten, die nur über ein Netzteil verfügen, mit einem Transfer-Switch absichern.
RZs mit Verfügbarkeitsklasse 3 arbeiten mit redundanten Systemen. Diese lassen sich vollständig ohne Betriebsunterbrechung warten. Der Betrieb ist auch bei technischen Störungen meist aufrechtzuerhalten. Bei diesen Rechenzentren benötigen Netzwerkkomponenten mit nur einem Netzteil einen Transfer-Switch.
Bei Verfügbarkeitsklasse 4 muss die Stromversorgung fehlertolerant ausgelegt sein. Betriebsunterbrechungen sind praktisch ausgeschlossen. Hier sind Rack-Transfer-Switches ungeeignet, da sie selbst einen Single Point of Failure darstellen würden.
PDU inklusive Transfer-Switch
Betreiber von RZs der Verfügbarkeitsklassen 3 und 4 verwenden meist redundant aufgebaute Server- und Switch-Lösungen mit redundanten Netzteilen und Stromzuführungen. Im Netzwerkschrank laufen dann zum Beispiel links und rechts an der Seite verschiedene Versorgungspfade durch den Schrank. Bei Klasse-3-RZs lassen sich hier auch Netzkomponenten mit nur einem Netzteil integrieren. Dazu benötigt der Anwender eine PDU mit integriertem Transfer-Switch. Bei einem Netzausfall schaltet dieser auf den anderen Versorgungspfad um, noch bevor die angeschlossenen Geräte den Ausfall registrieren.
Der Transfer-Switch PX3TS von Raritan ist ein Beispiel für eine PDU mit integriertem Transfer-Switch und enthält einen besonders schnellen und zugleich energieeffizienten hybriden Schaltmechanismus. Der Switch ist in verschiedenen Varianten erhältlich und bietet auf einer Höheneinheit zum Beispiel acht C13-Anschlüsse sowie einen C19-Anschluss für Kaltgerätestecker. Hinzu kommen ein serieller RS232C-Konsolen-Anschluss, LAN- und USB-Schnittstellen für die Administration sowie Sensor-Ports zum Anschluss von Umweltsensoren. Mit einem USB-WLAN-Adapter ist auch eine Ansteuerung per WLAN möglich.
Mit der PDU gewinnt der Administrator einen guten Überblick über die angeschlossenen Verbraucher. Der Switch misst für jeden Anschluss Strom und Spannung an den Ein- und Ausgängen sowie am Leistungsschutzschalter. Zudem ermittelt er den zugehörigen Energieverbrauch. Darüber hinaus speichert das Gerät die AC-Wellenform der letzten Umschaltung. Über das integrierte Web-Interface kann der Administrator jeden Ausgang remote schalten, fernkonfigurieren und die Messwerte auslesen. Er erhält Alarmmeldungen, wenn sie die eingegebenen Grenzwerte unter- oder überschreiten. Fällt die aktive Zuleitung des Transfer-Switches aufgrund eines Kurzschlusses an seinem Ausgang aus, schaltet das Gerät nicht um, da sich die Überlast dadurch nicht beseitigen ließe. Sie läge dann auch am neuen Versorgungspfad an und würde auch dessen Ausfall verursachen.
Funktionsweise
Der integrierte Transfer-Switch ist an zwei Versorgungsnetze angeschlossen und schaltet bei Stromausfall oder bei merklichen Netzstörungen auf das andere Versorgungsnetz um. Die Umschaltung erfolgt dabei so schnell, dass angeschlossene Verbraucher dies nicht bemerken. Klassische Automatic Transfer Switches (ATS) basieren auf Relais-Technik. Die erlauben zwar eine verlustfreie Energieübertragung und sind preiswert. Doch sie enthalten mit dem mechanischen Schalter bewegliche Teile, die als anfällig für Ausfälle gelten. Beim Schaltvorgang kann ein Lichtbogen überschlagen und Kontakte verkleben, was dann in der Folge zu Kurzschlüssen führen kann, wenn der andere Pfad zugeschaltet wird. Darüber hinaus haben sie relativ lange Schaltzeiten von acht bis 16 Millisekunden.
Static Transfer Switches (STS) basieren auf Halbleitertechnik und schalten erheblich schneller um (vier bis sechs Millisekunden). Bei der Energieübertragung kommt es jedoch zu einer Verlustleistung mit Wärmeentwicklung. Das heißt, solche Geräte müssen mit Lüftern ausgestattet sein. Dies sind wiederum bewegliche Teile, die als anfällig für Ausfälle gelten. Außerdem sind diese Transfer-Switches wesentlich teurer als die ATS-Pendants.
Hybrid-Schalttechnik
Raritan hat eine schnelle und dabei energieeffiziente hybride Schalttechnik mit integrierten Relais und Silizium-Gleichrichtern entwickelt. Um Netzschwankungen zu erkennen, tastet das Gerät den Strom 4.800 Mal pro Sekunde ab. Sind die Toleranzgrenzen unterschritten, kann der Switch dank der Halbeitertechnik innerhalb von vier bis acht Millisekunden wie ein STS auf den anderen Eingang umschalten. Der Transfer-Switch kommt jedoch anders als ein STS ohne Lüfter aus und benötigt nur 20 W. Die Relais übernehmen die Energieübertragung, sobald sie geschaltet haben. Zudem ist der Transfer-Switch mit der patentierten hybriden Schalttechnik preisgünstiger als ein STS.
Die Geräte verfügen außerdem über einen relativ großen Relaiskontakt-Luftspalt, um Lichtbögen zu verhindern. Üblich sind Luftspalte von 0,6 Millimeter, in diesem Fall sind es 3,3 Millimeter. Außerdem sind zwei einpolige Relais integriert und keine Relais mit Wechselkontakt, um einen Single Point of Failure zu vermeiden.
Entscheidend ist es, den Switch so zu konfigurieren, dass er im Störungsfall sicher schaltet. Dazu vergleicht er den gemessenen Effektivwert mit dem konfigurierten Schwellenwert, schlägt Alarm, wenn die Spannung für einen Zeitraum nahe Null bleibt oder zu geringe Änderungen in einer festgelegten Zeit auftreten. Zudem meldet das System Frequenzabweichungen. Kurzschlüsse detektiert der Switch am Ausgang und schaltet nicht um. Über die Messung an beiden Eingängen kann der Switch nach einiger Zeit wieder zur bevorzugten Zuleitung zurückschalten, sobald auf dieser wieder eine stabile Spannung innerhalb der Toleranzgrenzen anliegt und die Netze wieder synchron sind.
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