Zasilanie Data Center

Data Center
infrastruktura IT
Mariusz Gębala
01.11.2017 Mariusz Gębala

Data Center jest miejscem, w którym wiele czynników ma wpływ na jakość świadczonych usług, możliwość dostosowania rozwiązań do wymagań klientów oraz automatyzacji typowych oferowanych rozwiązań.

Centrum Danych zapewnia dostęp do sieci internet, nadzoruje pracę poszczególnych urządzeń w nim się znajdujących, oferuje szereg usług związanych z konfiguracją serwera czy w końcu udostępnia miejsce, w którym można zainstalować swój sprzęt w monitorowanej 24 godziny na dobę komorze, do której dostęp jest ściśle ograniczony i pilnowany nie tylko przez osoby za to odpowiedzialna, ale także za pomocą czytników kart magnetycznych, wchodzących w skład całego systemu kontroli dostępu, skonfigurowanego w taki sposób, aby dostęp do danego miejsca miały tylko odpowiednie osoby.

Są jednak dwa najważniejsze elementy w każdym Data Center, bez których wszystkie powyżej wymienione czynniki nie będą miały żadnego zastosowania. Chodzi oczywiście o infrastrukturę instalacji elektrycznej oraz o zapewnienie odpowiednich warunków atmosferycznych (temperatura, wilgotność) poprzez wykonanie odpowiedniej instalacji obiegu czynnika chłodniczego. Jednakże nawet w tym przypadku, aby zapewnić chłodzenie, należy instalacji odpowiedzialnej za odpowiednią temperaturę zapewnić zasilanie.

Zródło: materiały własne

 

Infrastruktura zasilająca


Zapewne dla większości osób montujących sprzęt w szafie RACK najważniejsza jest informacja, że podłączając serwer do listwy zasilającej, uruchomi go. Jednakże listwa zasilająca w takiej szafie to efekt końcowy całej instalacji elektrycznej wykonanej w Data Center. Instalując sprzęt w serwerowni, zapewniamy, że raz podłączony, nie straci zasilania bez świadomej ingerencji człowieka. W celu zrozumienia, w jaki sposób jest to możliwe, należy przeanalizować budowę infrastruktury zasilającej od samego początku.

Każdy element pracujący w serwerowni powinien być podłączony do przynajmniej dwóch niezależnych źródeł zasilających. W celu zapewnienia dwóch niezależnych źródeł, zasilających dla samego sprzętu, Data Center musi być uzbrojona w takie niezależne źródła. Są to oczywiście operatorzy energetyczni, którzy osobnymi trasami kablowymi, z osobnych głównych punktów zasilających doprowadzają przewody do budynku. Zasilają one rozdzielnie średniego napięcia, w których instalowane są transformatory wysokich mocy. Jeden transformator zasilony jest od jednego dostawcy, analogicznie drugi od drugiego. Idąc dalej, transformator odpowiedzialny jest za zasilenie kolejnych rozdzielni, tym razem już niskiego napięcia.

W rozdzielni niskiego napięcia energia elektryczna dzielona jest na odrębne obwody, zabezpieczone odpowiednimi wyłącznikami. Jednym z nich jest między innymi komora, w której instalowany jest najważniejszy sprzęt, o którym mowa była wcześniej. W samej komorze pozostaje zamontować gniazda pod podłogą techniczną, zabezpieczyć je odpowiednimi wyłącznikami nadprądowymi i różnicowoprądowymi, podłączyć listwy zasilające, zamocować je w szafie i gotowe. W taki sposób dostarczyliśmy do szafy dwa niezależne źródła energii i teoretycznie nic złego nie może się już stać. I tak by było w idealnych warunkach.

 

Co się dzieje w warunkach ekstremalnych


Niestety, nie ma takiej infrastruktury, która nigdy nie ulegnie awarii, a raz podłączona będzie działać już do końca świata. Na szczęście, jest wiele elementów pozwalających uzyskać takiej instalacji miano niezawodnej. Można sobie wyobrazić sytuację, że z jakiegoś powodu linia energetyczna od jednego z dostawców zostanie zerwana. Konsekwencją takiej sytuacji w końcowym etapie będzie wyłączenie jednej z dwóch listew zasilających w naszej szafie RACK. Taką sytuację jeszcze przeżyjemy, zazwyczaj każdy sprzęt instalowany w szafie ma przecież dwa zasilacze.

Gorzej, kiedy okaże się, że warunki atmosferyczne na zewnątrz były tak ekstremalne, że i drugiemu dostawcy pozrywały się linie energetyczne. Wówczas wyłączy się druga listwa zasilająca, a co za tym idzie, wyłączy się cały sprzęt zainstalowany w szafie. W tym momencie na pomoc przychodzą agregaty prądotwórcze. Zawsze możemy uruchomić agregat o wystarczającej mocy, aby zamieniając olej napędowy na energię elektryczną, przejął na siebie odpowiedzialność za zasilanie poszczególnych elementów infrastruktury Data Center.

Żeby mieć pewność, że na taką ewentualność jesteśmy przygotowani, najlepiej będzie, jeśli tych agregatów będzie więcej niż jeden, gdyby ten pierwszy odmówił posłuszeństwa. Nie ma ograniczeń co do ilości agregatów, dlatego teoretycznie im więcej, tym lepiej (w granicach zdrowego rozsądku). W taki sposób w pewnym sensie jesteśmy niezależni od dostawcy energii elektrycznej (przynajmniej do czasu aż olej napędowy będzie w zbiornikach agregatów).

Zródło: materiały własne

Gdyby tak zostawić całą instalację, to za każdym razem, gdyby wystąpiła awaria podstawowych źródeł zasilających, osoba odpowiedzialna za infrastrukturę energetyczną musiałaby ręcznie taki agregat uruchomić (pod warunkiem, że będzie wiedziała, że dostawca energii uległ awarii – na to też jest rozwiązanie, systemy monitoringu, ale to jest temat na osobny artykuł). Na pomoc w tym przypadku przychodzi sterownik PLC, zaprogramowany w taki sposób, aby automatycznie sterował wyłącznikami na rozdzielni niskiego napięcia. W przypadku zaniku energii od dwóch dostawców zamknie wyłącznik na wyjściu agregatów prądotwórczych i automatycznie zasilanie zostanie podane właśnie przez nie.

Można jednak rozbudować nasz sterownik o funkcję, która pozwoli w przypadku awarii tylko jednego z dostawców przełączyć zasilanie wszystkich odbiorów na tylko tego dostawcę energetycznego, który awarii nie ma. Pozwoli nam to na zaoszczędzenie oleju napędowego w zbiornikach i przy okazji wydłuży żywotność agregatów prądotwórczych.

 

Podsumowanie


Podsumowując dotychczasową część, sytuacja wygląda następująco – w normalnych warunkach, dwóch dostawców zapewnia nam niezależne źródła energii elektrycznej. W przypadku, kiedy jeden z nich ma awarię, sterownik PLC przełącza układ w taki sposób, aby niemający awarii operator przejął całe zasilanie na siebie. W przypadku, kiedy drugi dostawca też nie będzie w stanie dostarczać energii, sterownik przełączy Data Center na zasilanie z agregatów prądotwórczych. I znów teoretycznie mamy układ, który nie może nas już zawieść. Niestety, do prawie idealnego układu jeszcze nam brakuje, ale jesteśmy na dobrej drodze.

Agregaty prądotwórcze, zanim będą w stanie zapewnić dostarczanie energii elektrycznej, potrzebują kilkunastu sekund na rozruch. Przez te kilkanaście sekund pozostaniemy więc bez energii elektrycznej, co skutecznie zrestartuje cały sprzęt znajdujący się w serwerowni. Na szczęście i na to jest recepta, dzięki której nasz układ stanie się niezawodny. Na ten krótki okres, który agregaty potrzebują na rozruch, można wykorzystać awaryjne zasilacze UPS (ang. Uninterruptible power supply). Najprościej mówiąc, UPS składa się z szeregu akumulatorów, dzięki którym na pewien okres możemy wykorzystać zgromadzoną w nich energię do podtrzymania działania całego sprzętu w serwerowni.

W przeciwieństwie do agregatów prądotwórczych UPS nie mają zwłoki czasowej, po której zaczynają pracować. Są one dostępne od razu w momencie, kiedy zanika zasilanie z głównego źródła. Żeby ich zastosowanie miało sens, należy je umieścić na drodze pomiędzy rozdzielnią niskiego napięcia a gniazdami zasilającymi na komorze serwerowej. W normalnych warunkach są transparentną warstwą dla całego układu – w momencie awarii to one są głównym źródłem zasilającym. Po kilkunastu sekundach tym głównym źródłem stają się agregaty prądotwórcze, a po usunięciu awarii przez operatora energetycznego praca instalacji elektrycznej wraca do swojej pierwotnej postaci.

W taki sposób otrzymaliśmy infrastrukturę, która zapewni, że sprzęt podłączony w szafie RACK nie musi obawiać się tego, że kiedyś zabraknie mu energii elektrycznej. Na koniec, w celu wizualizacji powyższych słów załączam blokowy schemat, aby łatwiej można było to wszystko zrozumieć.

Zródło: materiały własne
Zródło: materiały własne
Mariusz Gębala
Mariusz Gębala mariusz.gebala@dataspace.pl Chief Maintenance Engineer. Kierownik działu utrzymania infrastruktury Data Center i serwerów dedykowanych.
Infrastruktura IT
Serwerownia od A do Z i zalety outsourcingu do Data Center
Infrastruktura IT
Data Center vs chmura