Grundlagen der USV-Technik - Teil 3

Zwischen Redundanz und Energieeffizienz

5. August 2014, 6:00 Uhr | Simon Feger ist Country-Produkt-Manager DACH bei Eaton Electric, www.eaton.com./jos
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Bei der Planung von USV-Anlagen bewegen sich Rechenzentrumsbetreiber stets im Spannungsfeld zwischen Verfügbarkeit und Energieeffizienz. Zum einen müssen sie die erforderliche Zuverlässigkeit im Auge behalten und zum anderen darauf achten, dass die Betriebskosten nicht aus dem Ruder laufen. Parallele USV-Systeme tragen durch Redundanz zu einer höheren Verfügbarkeit bei und können im modularen Aufbau Energiekosten sparen.Die Planung von USV-Anlagen für Rechenzentren erfordert Überlegungen zu zwei zentralen Aspekten: Verfügbarkeit und Energieeffizienz. Für die Betreiber gilt es dabei, einen goldenen Mittelweg zwischen maximaler Ausfallsicherheit und minimalen Betriebskosten zu finden. Die Praxis zeigt, dass dies nicht immer einfach ist, denn mit höherer Zuverlässigkeit steigen auch die Energiekosten an. Das Uptime Institute hat vier unterschiedliche Tier-Topologien aufgestellt, die diesen Zusammenhang aufzeigen. Einige Details dazu finden sich in Tabelle 1. Verfügbarkeit, Ausfallzeit und Kosten stehen folglich in einem direkten Verhältnis. So verursachen nicht-redundante Systeme nur geringe Kosten, weisen jedoch auch relativ hohe Ausfallzeiten auf. Redundante Systeme hingegen kosten etwa das Doppelte, sind dafür aber wesentlich zuverlässiger. Insofern gilt es für Rechenzentrumsbetreiber stets abzuwägen, wie wichtig die Verfügbarkeit für die unternehmenskritischen Prozesse ist, denn nur so lassen sich unnötige Kosten effektiv vermeiden. Ein Ansatz, der mittlerweile in vielen Rechenzentren Verwendung findet, besteht darin, dass abhängig vom jeweiligen Bereich unterschiedliche Topologien zum Einsatz kommen. So ist es beispielsweise möglich, die gesamte USV-Struktur nach Tier II einzurichten und gleichzeitig die Versorgung in besonders empfindlichen Bereichen auf Tier IV aufzustocken. Die Redundanzkonzepte der höheren Tiers teilen sich in N+1-, 2N- oder 2(N+1)-Redundanzen auf. Die Abkürzung "N" (Need) bezeichnet dabei die Kapazität, die benötigt wird, um die anfallende Verbraucherlast zu stemmen. Bei der N+1-Redundanz sind zwei oder mehrere USV-Anlagen durch eine einzige Netzzuleitung versorgt. In der Regel läuft bei diesem Aufbau parallel zur benötigten USV-Leistung ein weiteres identisches USV-System, und die anfallende Verbraucherlast im Normalbetrieb ist zu gleichen Teilen zwischen den Geräten aufgeteilt. Im Falle einer Störung ist jedes Gerät in der Lage, die Verbraucher eigenständig zu versorgen. Das 2N-Konzept ist ähnlich dem N+1-Prinzip aufgebaut, doch speisen die USV-Systeme dabei zwei unterschiedliche Netzzuleitungen. Die so genannte Mehrfach- oder A/B-Einspeisung sorgt dafür, dass selbst bei Ausfall der Niederspannungshauptversorgung eine Stromversorgung der Verbraucher sichergestellt bleibt. Zusätzliche Sicherheit bringt der 2(N+1)-Aufbau, der eine Kombination aus den bereits genannten Redundanzen darstellt. Dabei werden die USV-Anlagen zum einen jeweils von unterschiedlichen Netzzuleitungen gespeist und zum anderen als Parallelsystem betrieben. Aus diesem Grund weisen 2(N+1)-Redundanzen die besten Verfügbarkeitswerte auf.   Verfügbarkeit berechnen Doch wie ist Verfügbarkeit definiert? Üblicherweise ist sie als Prozentsatz der Zeit angegeben, in der die Versorgung vorhanden ist. So ist beispielsweise ein USV-System mit einer Zuverlässigkeit von 99,9 Prozent pro Jahr für 8.751,2 Stunden verfügbar und weist damit eine Downtime von 8,8 Stunden jährlich auf. Für hochverfügbare USV-Lösungen gilt hingegen die Schwelle der fünf Neunen, sprich eine Verfügbarkeit von 99,999 Prozent. Systeme, die diese Standards erfüllen, fallen jährlich lediglich für 5,3 Minuten aus. Zur Berechnung der Verfügbarkeit dient die Formel A= MTBF/MTBF+MTTR. Der MTBF-Wert bezeichnet dabei die "Mean Time Between Failures", also die Zeit, die durchschnittlich zwischen zwei auftretenden Fehler liegt, und die MTTR die "Mean Time To Repair", also die Zeit die in der Regel für die Reparatur des defekten Gerätes nötig ist. In die Kalkulation dieser Werte spielen unterschiedliche Aspekte hinein, etwa die Annahme, dass im Fall eines Fehlers sowohl fachkundiges Personal als auch alle benötigten Ersatzteile direkt vor Ort sind, sodass sich der Defekt schnellstmöglich beheben lässt. Doch auch wenn die vom Hersteller angegebenen MTBF- und MTTR-Werte nur statistisch berechnet sind, bieten sie generell verlässliche Informationen. Für Rechenzentrumsbetreiber stellt sich nun die Frage, wie wichtig die Zuverlässigkeit der USV-Systeme für die Unternehmensprozesse ist. Denn mit steigender Verfügbarkeit und dem Einsatz entsprechender Redundanzkonzepte wie etwa 2(N+1) nehmen gleichzeitig auch die laufenden Betriebskosten zu. Dies liegt vor allem daran, dass es durch höhere Redundanzen zu immer geringeren Auslastungen der USV-Geräte kommt. Da die Anlagen ihren optimalen Betriebspunkt bei einer Auslastung von etwa 80 Prozent und darüber haben, aber meist nur mit Auslastungen von 25 Prozent und weniger arbeiten, ergeben sich immense Verlustleistungen, die die Systeme komplett in Wärme umwandeln. Zu den Energiekosten für die USV-Anlage kommen folglich auch hohe Kosten für die Klimatisierung. Die Planer müssen daher Lösungen finden, die hohe Sicherheit mit geringem Energieverbrauch - auch im Niederlastbereich - verbinden. Im Bereich der Stromversorgung hat sich dabei die Modularisierung des USV-Systems durchgesetzt.   Modulare Technik als energieeffiziente Lösung Gewöhnlich verbinden die Experten mit dem Begriff "modularer Aufbau" ein Parallelsystem mit großer Kapazität, das durch den Zusammenschluss mehrerer einzelner USV-Geräte entsteht. Dabei bringt die modulare Technik unterschiedliche Vorteile mit sich. Beispielsweise lassen sich die Wartungsarbeiten an den einzelnen Modulen bei laufendem Betrieb durchführen, wodurch defekte Teile innerhalb von Minuten auszuwechseln sind. Stundenlange Ausfallzeiten, wie sie bei monolithischen Parallelsystemen entstehen, sind damit hinfällig. Ein modularer Aufbau trägt folglich durch die signifikante Reduktion der MTTR dazu bei, dass die allgemeine Verfügbarkeit deutlich steigt. Hinzu kommt, dass sich die Modulsysteme durch eine bessere Skalierbarkeit auszeichnen und RZ-Betreiber daher ganz einfach nach dem so genannten "Pay as You Grow"-Prinzip verfahren können. Da die USV-Leistung somit stets an den erforderlichen Bedarf angepasst und die USV-Anlagen in der Lage sind, parallel zur Rechenleistung zu wachsen, lässt sich nicht nur eine Überdimensionierung verhindern, sondern auch die Energie- und Kosteneffizienz des Rechenzentrums verbessern.   Hot-Sync-Technik eliminiert den Single Point of Failure Eine Grundvoraussetzung für den Aufbau einer sicheren Stromversorgung in Modulbauweise stellt ein zuverlässiger Kommunikationspfad dar, der die logische Verknüpfung der einzelnen USV-Geräte sicherstellt. Diese Verbindung erfolgt in den meisten Fällen über das so genannte Master-Slave-Prinzip. Unter diesem Prinzip verstehen Elektrotechniker die hierarchische Ordnung, in der die Systeme auf eine bestimmte Ressource zugegreifen. Der Zugriff erfolgt dabei meist über einen Datenkanal und wird von einer Master-Einheit zentral gesteuert und koordiniert. Der Einsatz dieser Technik birgt jedoch die Gefahr eines Single Points of Failure (SPOF). Kommt es beispielsweise zu einem Kabelbruch, kann die gesamte Verknüpfung ausfallen und damit das USV-Parallelsystem nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten. Gerade in Umgebungen, in denen Hochverfügbarkeit oberste Priorität hat, ist daher die Gefahr eines SPOFs nicht zu unterschätzen. Um diesem Risiko vorzubeugen, hat der Hersteller Eaton die patentierte Hot-Sync-Technik entwickelt. Da der Kommunikationsbus modular aufgebauter USV-Parallelsysteme einen kritischen Punkt darstellt, arbeitet Hot Sync mit einem fehlertoleranten Parallelbus, der ohne zusätzliche Steuerleitungen auskommt. Stattdessen steuert ein integrierter digitaler Signalprozessor (DSP) einen Algorithmus, der für die Synchronisation der Ausgänge über die herkömmliche stromführende Verkabelung sorgt und eine gleichmäßige Lastverteilung sicherstellt. Es gibt infolgedessen keine fehleranfälligen Kommunikationsleitungen mehr, und die einzelnen USV-Einheiten arbeiten unabhängig voneinander. Dadurch ist der Single Point of Failure eliminiert und das System wesentlich zuverlässiger.   Fazit Parallele Systeme sind die Grundlage aller hochverfügbaren USV-Lösungen. Fällt eines der Geräte aus, ist das andere in der Lage, die angeschlossene Verbraucherlast für die Dauer der Reparatur zu versorgen. Überdimensionierungen, die hohe Betriebskosten nach sich ziehen, können bei einem monolithischen Aufbau schnell entstehen. Modulare Ansätze wirken dem entgegen und stellen sicher, dass sich die USV-Kapazität stets individuell an die Bedürfnisse anpassen lässt. Damit lässt sich flexibel auf Wachstum reagieren, und die USV-Anlagen arbeiten jederzeit auf dem bestmöglichen Betriebspunkt. Um die Sicherheit des modularen Systems sicherzustellen, gilt es möglichst auf Master-Slave-Ansätze zu verzichten. Lösungen wie die Hot-Sync-Technik eliminieren den Single Point of Failure und bieten höchste Ausfallsicherheit.

Tabelle 2. Ausfallzeiten in Abhängigkeit der Verfügbarkeit

USV-Redundanzen und ihre Auswirkung auf die Auslastungslevel.

Standalone- und Rack-Modularitäts-Topologien bieten maximale Flexibilität.

Die von Eaton entwickelte Hot-Sync-Technik stellt eine hohe Verfügbarkeit sicher.

Tabelle 1. Wichtige Werte der Tier-Klassen I bis IV.

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