USVs als modulares Konzept

Immer unter Strom

19. Mai 2005, 23:16 Uhr   |  Ralf Dahmer/jos Ralf Dahmer ist Director Product Management IT-Solutions bei Rittal in Herborn.

Sowohl technische wie auch wirtschaftliche Aspekte sprechen für einen modularen Aufbau der Stromversorgungssysteme. Rittal offeriert mit Rimatrix5 eine Lösungsfamilie, die daneben auch Schränke, Kühlung sowie passende Verwaltungs- und Security-Werkzeuge umfasst. Eine N+1-Redundanz für die USVs lässt sich damit relativ einfach erreichen.

Nichts steht so sicher und ununterbrochen unter Strom wie die IT. Zumindest hoffen dies die
Leiter und Lenker der Unternehmen. Denn immerhin ist es inzwischen quer über alle Branchen und vom
Großkonzern bis zum kleinen Mittelständler eine ausgemachte Sache: Nur noch mit höchster
Verfügbarkeit der IT lassen sich die wachsenden Ansprüche der Kunden befriedigen und
Wettbewerbsvorteile halten. Allerdings stellt der Praktiker beim Blick hinter die Türen der
Rechenzentren noch viel zu oft bedenkliche Mängel fest. Drei häufig anzutreffende Aspekte
untersucht der folgende Text:

Die Stromversorgung ist für den Notfall nicht optimal ausgelegt;

die Stromversorgung ist nicht wartungsfreundlich aufgestellt, sodass die
Servicekosten höher ausfallen als nötig, und

jede Veränderung und Erweiterung erzeugt erheblichen Aufwand.

Probleme sind dabei oft darauf zurückzuführen, dass viele Anlagen vor allem mit ausschließlichem
Fokus auf die Server selbst und ohne ganzheitliche Betrachtung geplant und erweitert wurden.
Tatsächlich bilden jedoch Elemente wie Rack, Stromversorgung, Klimatisierung, physikalische
Sicherheit und Management des Datencenters ein Umfeld, das in seiner Wechselwirkung die
tatsächliche Leistung des Rechnerparks wesentlich beeinflusst. Mit dem Ziel optimaler IT-Leistung
sollen neuere Konzepte (zum Beispiel Rimatrix5 von Rittal) das Rechenzentrum ganzheitlich und mit
Blick auf die jederzeitige Skalierbarkeit der gesamten Anlage unterstützen. In diesem Zusammenhang
spielt die Stromversorgung eine nicht zu unterschätzende Rolle.

Onlinetechnik: Losgelöst von Spannungsstörungen

Für eine vollständige Einsatzbereitschaft sind letztlich alle mikroprozessorgesteuerten Systeme
auf optimale und permanente Stromversorgung angewiesen. Neben einer entsprechend abgesicherten
Haupt- und Unterverteilung ist das Thema unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) heute Pflicht
für jede bedeutsame IT-Installation. Allerdings sollte man sich in jedem Fall schon bei der Planung
sehr genau überlegen, welchen Grad an Verfügbarkeit ein Unternehmen anstrebt. Von 95 Prozent über
99 bis zu 99,9 Prozent und weiter steigt der Aufwand für die angestrebte Sicherheit exponentiell.
Daher ist es sinnvoll, sich von vornherein für Lösungen zu entscheiden, die diese Anforderungen
auch investitionssicher erfüllen.

Die Niederspannungshauptverteilung ist bei größeren Anlagen meist in drei Netze unterteilt: den
Netzstrom, den Notstrom (durch Generator) und eine zusätzlich gesicherte Schiene über
unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit Batteriepufferung (USV), die eingreifen, bis der
Generator läuft. Kleinere Unternehmen verzichten je nach Risikoprofil häufig auf den Generator. In
jedem Fall jedoch ist eine wirklich unterbrechungsfreie Stromversorgung über Batterie besonders
gefordert. Statistische Erhebungen zeigen: Mit 47 Prozent sind die weitaus meisten Systemabstürze
nicht auf (länger dauernden) Stromausfall, sondern auf Spannungsschwankungen im
Zehntelsekundenbereich zurückzuführen.

Um solche Havarien auszuschließen, sollte man auf Anlagen der IEC 62040-3-Klasse VFI (Voltage
and Frequency Independent) setzen. Sie schützen verlässlich nicht nur vor Stromausfall und
Spannungsspitzen, sondern auch vor Blitzeinwirkung, Frequenzschwankungen, Spannungsstößen und
-verzerrungen sowie Oberschwingungen. Diese Technik (auch als echte Onlinetechnik bekannt) filtert
alle Störungen prinzipbedingt aus dem Stromnetz heraus.

Im Onlinebetrieb wird der Netzstrom über den Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt, der
auch die Batterie lädt. Der nachgeschaltete Wechselrichter sorgt dann für eine perfekte und vom
öffentlichen Netz vollkommen entkoppelte sinusförmige Wechselspannung, über die das Rechenzentrum –
batteriegepuffert – betrieben wird. Mit einem elektronischen Bypass, der die Umschaltzeit auf
Millisekunden reduziert, ist die dann Stromversorgung tatsächlich unterbrechungsfrei.

Wer sich bei der USV darüber hinaus von vornherein für modulare und daher wartungsfreundliche
und skalierbare Lösungen entscheidet, der erspart sich im späteren Betrieb viele graue Haare. Mit
einer "N+1-Philosophie" für USVs sind Firmen aus heutiger Sicht meist bereits auf der sicheren
Seite: Bei Ausfall eines Moduls, sei es durch Havarie oder für Wartungszwecke, springt dabei das
freie Modul ein.

Modular ist dabei jedoch nicht gleich modular. Für eine flexible Auslegung auf den jeweiligen
Bedarf empfiehlt es sich, nach Lösungen Ausschau zu halten, die die geforderte Redundanz mit
geringst möglichem Aufwand erbringen. Ein Beispiel: Es sei eine Gesamtanschlussleistung von 110 kVA
abzusichern. Konventionelle USV-Anlagen verdoppeln schlicht die Anforderung: Sie bestehen dann aus
zwei USV-Blöcken mit je 120 kVA. Auch damit ist die Formel N+1 vordergründig beachtet – die
Gesamtleistung beträgt jedoch mit 240 kVA mehr als das Doppelte der tatsächlich abzusichernden
Leistung. Das Ganze funktioniert allerdings auch effizienter: Greift man auf USV-Module mit einer
Leistung von je 40 kVA zurück, wie sie Rittal seinen Kunden in einem solchen Fall empfiehlt, dann
genügen bereits vier Module für die geforderte Aufgabe. Mit drei Modulen wird die Absicherung von
120 kVA gewährleistet, das vierte steht in Reserve, um im Ernstfall einzuspringen. Mit dieser
zweiten Lösung ist die Aufgabe mit nur 160 kVA USV-Leistung erfüllt. Damit lassen sich also sowohl
Investitions- als auch laufende Betriebskosten sparen.

Modularität und Wartungsfreundlichkeit fangen im Grunde bereits bei der Verkabelung an. Lange
Kabelwege sind störanfällig, Knäuel im Rack oder im Doppelboden behindern die Luftkühlung und
können zu Wärmenestern führen. Der weit verbreitete Kabelsalat lässt sich leicht durch eine
intelligente Zuführung und Verteilung bis in den einzelnen Schrank hinein ersetzen.

Kein langes Warten bei der Wartung

So genannte Aktive-Power-System-Module (PSM) sind bei der Stromversorgung aktuell der Stand der
Technik. Sie arbeiten mit dreiphasiger Einspeisung und sorgen für eine sichere Einspeisung im Rack
sowie eine überwachte, redundante Stromversorgung. Berührungsschutz nach VDE und EN macht es
möglich, dass sich jede weitere gewöhnliche Wartung oder Erweiterung durch eigenes Personal leisten
lässt.

Auch für Stromverteilung und USV ist es hingegen immer noch die Regel: Für den Notfall oder
selbst für routinemäßige Wartung müssen die Systeme heruntergefahren werden. Der Elektriker kommt
und nimmt die Anlage vom Netz. Die Reparatur von Batterien oder Verteilereinheiten ist
zeitaufwändig und meist riskant, da ausgebaute Teile erst nach Stunden wieder zur Verfügung
stehen.

Mit einer abgesicherten Stromunterverteilung durch PDMs und der übergeordneten Unterverteilung
bis 250 A im so genannten Power Distribution Rack (PDR) steht demgegenüber ein umfassendes
Stromversorgungskonzept zur Verfügung, in dem alle Komponenten zusammenpassen und jederzeit auch
vom Nicht-Fachmann ausgetauscht werden können. Auch hier erweisen sich Modularität und
N+1-Philosophie als klarer Vorteil. Für Wartungsarbeiten wird kurzerhand ein Austauschmodul
eingesteckt. Weiterer Pluspunkt: Elektrofachpersonal braucht nur ein einziges Mal anzurücken: für
die Verbindung des PDR mit dem Drehstromnetz.

Der Griff in den Baukasten

Ob die angestrebte vollständige Redundanz der USV gewährleistet ist, hängt entscheidend auch von
ihrer Architektur ab. Auch modulare Anlagen haben teilweise in ihrem Zusammenspiel noch Engpässe.
Es gibt Systeme, die zwar mit zwei CPUs und mehreren USV-Modulen für Redundanz sorgen, aber zum
Beispiel nur über ein gemeinsames Bedienfeld, einen gemeinsamen Batterie-DC-Bus oder nur einen
gemeinsamen Bypass verfügen. Eine strenge Risikoabwägung wird diese Punkte als kritische Stellen
identifizieren, die ohne zusätzliche Absicherung allein zum Ausfall des gesamten Systems führen
können. Diese "Single Points of Failure" gilt es zu vermeiden, wenn man ganz auf der sicheren Seite
sein will.

Eine so genannte dezentrale Parallelarchitektur (DPA) trägt diesen Bedenken Rechnung. Hier sind
alle Module mit jeweils einem eigenen Bedienfeld, eigener CPU, Power-Modul, Batterie und Bypass
ausgestattet. Diese vollständige Ausrüstung des einzelnen USV-Blocks beseitigt alle Single Points
of Failure. Sie ermöglicht jedoch auch überhaupt erst einen wartungsfreundlichen
Plug-and-Play-Aufbau, da für den Austausch von Modulen an keiner Stelle Eingriffe in die
Wirkungsweise des gesamten USV-Verbunds nötig sind.

Die gleichen Vorteile legt das modulare Prinzip auch mit Blick auf künftige Erweiterungen an den
Tag. "Pay as you grow" heißt das Schlagwort, aber es funktioniert nur mit Systemen, die tatsächlich
im Baukastenprinzip beliebig erweiterbar sind. Hier setzt Rittal auf standardisierte Module für den
einfachen 19-Zoll-Einbau, der sich fast durchgängig auch vom Nicht-Fachmann vornehmen lässt.

Anders als starre Lösungen lassen sich mit diesem Prinzip auch komplette
Stromversorgungseinheiten innerhalb des Rechenzentrums "umstecken", etwa wenn man einen
Serverschrank versetzen oder einen Bereich ausbauen will, die Versorgungskapazität an anderer
Stelle aber nicht mehr benötigt. Diese Flexibilität hat selbstverständlich auch unmittelbare
finanzielle Effekte.

Wie bei jeder Investition gilt nämlich auch bei der Planung der Stromversorgung: Wenn man einen
geplanten oder vielleicht auch nur erhofften späteren Bedarf sofort in der Einrichtung antizipiert,
dann finanziert man möglicherweise auf Jahre voraus. Die kostspielige Überinvestition lässt sich
vermeiden. Ein System, das sich später einfach und schrittweise erweitern lässt, macht es möglich:
Die tatsächlichen Anschaffungen und damit auch die laufenden Betriebskosten können sich heute ohne
Nachteil am augenblicklichen Bedarf ausrichten.

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