Grundlagen der USV-Technologie
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Grundlagen der USV-Technologie Alles, was Sie schon immer über unterbrechungsfreie Stromversorgungen wissen wollten, aber nie zu fragen wagten. Autoren: Chris Loeffler, Produktmanager, BladeUPS and Data Center Solutions, Distributed Power Quality, und Ed Spears, Produktmanager, Geschäftsbereich Eaton Power Quality Solutions Eaton Corporation Zusammenfassung Die Planung von Energiekosten, die Sicherstellung einer ausreichenden Versorgung und die Erkennung und Nutzung von Möglichkeiten zur Energieeinsparung sind Themen, die von Betreibern von Rechenzentren weithin diskutiert werden. Wie eine zuverlässige und saubere Versorgung der ITRessourcen mit der benötigten Energie gewährleistet werden kann, ist manchmal jedoch nur ein Randthema. Tatsächlich sind aber Spannungsabfälle, Spannungsspitzen und Stromausfälle nicht nur unvermeidlich, sondern können auch wertvolle IT-Ausrüstung beschädigen und die Arbeit zu einem kompletten Stillstand bringen. Darum kommt der Planung und Realisierung einer robusten Lösung für den Schutz der Stromversorgung eine zentrale Bedeutung zu. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist die Kernkomponente einer gut konzipierten Architektur zum Schutz der Stromversorgung. Das vorliegende Whitepaper erläutert, was eine USV ist und welche Arten von USV’s es gibt. Darüber hinaus gibt es für eine bestimmte Anwendung Empfehlungen für die Auswahl, der am besten geeigneten USV nebst Zubehör. Inhalt Warum ist der Schutz der Leistungsversorgung so wichtig? ............................................................... 2 Was ist eine USV? ....................................................................................................................................... 3 Welche Haupt-USV-Typen gibt es? ........................................................................................................... 3 Einfachwandlersysteme ............................................................................................................................ 3 Doppelwandler-Systeme........................................................................................................................... 4 Multimode-Systeme .................................................................................................................................. 4 Welche USV ist am besten geeignet? ....................................................................................................... 5 Topologie .................................................................................................................................................. 5 Drehstrom oder Wechselstrom? ............................................................................................................... 6 Nennleistung ............................................................................................................................................. 7 USV-Bauformen ........................................................................................................................................ 7 Verfügbarkeit............................................................................................................................................. 8 Skalierbarkeit und Modularität ................................................................................................................ 11 Software und Kommunikation ................................................................................................................. 12 Service .................................................................................................................................................... 14 Welche zusätzlichen Komponenten werden für eine USV benötigt? .................................................. 15 USV-Energiespeicherung ....................................................................................................................... 15 Generator ................................................................................................................................................ 15 Stromverteilereinheiten (PDUs) .............................................................................................................. 16 EPE0747 www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 2 of 17 Fazit .......................................................................................................................................................... 16 Informationen über Eaton ........................................................................................................................ 16 Informationen über die Verfasser............................................................................................................ 17 Warum ist der Schutz der Leistungsversorgung so wichtig? Kein Unternehmen kann es sich leisten, den Schutz seiner IT-Ausrüstung vor Problemen mit der Stromversorgung zu vernachlässigen, und zwar u.a. aus den folgenden Gründen: • Auch kurzfristige Spannungsausfälle können problematisch sein. Auch wenn die Stromversorgung nur für eine viertel Sekunde ausfällt, kann das Ereignisse auslösen, die dazu führen, dass die gesamte ITAusrüstung für einen Zeitraum von 15 Minuten bis zu mehreren Stunden ausfällt. Ausfallzeiten sind kostspielig. Es gibt Fachleute, die sagen, dass die US-Wirtschaft jährlich zwischen 200 Mrd. und 570 Mrd. USD pro Jahr aufgrund von Stromausfällen und Störungen verliert. • Die vom Versorger gelieferte elektrische Energie ist nicht völlig stabil. Der nach dem Gesetz erlaubte Schwankungsrahmen der elektrischen Stromversorgung ist so groß, dass er für empfindliche ITAusrüstung erhebliche Probleme verursachen kann. Nach den geltenden amerikanischen Normen z.B. ist eine Spannungsschwankung von 5,7 Prozent bis 8,3 Prozent bezogen auf die absoluten Spezifikationen zulässig. Dies bedeutet, dass ein Energieversorger, der eine Phasenspannung von 208 V zusagt, tatsächlich eine Spannung zwischen 191 und 220 Volt liefern kann. • Die vom Versorger gelieferte elektrische Energie ist nicht 100 Prozent zuverlässig. In den USA z.B. beträgt die Zuverlässigkeit lediglich 99,9 Prozent, dies entspricht einem potentiellen Stromausfall von 9 Stunden pro Jahr. • Die Probleme und Risiken werden größer. Moderne Speichersysteme, Server und Netzwerkgeräte verwenden Komponenten, die soweit miniaturisiert sind, dass sie unter Bedingungen, die frühere Gerätegenerationen problemlos aushalten konnten, ins Straucheln geraten und ausfallen können. • Generatoren und Überspannungsschutz alleine reichen nicht aus. Generatoren können Systeme bei einem Ausfall der Stromversorgung in Betrieb halten, aber es dauert eine Weile, bis sie hochgefahren sind, und sie bieten keinen Schutz vor Spannungsspitzen oder sonstigen elektrischen Störungen. Ein Überspannungsschutz hilft bei Überspannungen, aber nicht bei anderen Problemen wie z.B. Stromausfall, Unterspannung oder Spannungsabfall. • Heutzutage ist Verfügbarkeit alles. Früher hatte die IT eine unterstützende Funktion im Unternehmen. Heute ist die IT von zentraler Bedeutung für die Betriebsabläufe und die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Wenn die IT-Systeme nicht funktionsfähig sind, kommen wichtige Geschäftsprozesse sehr schnell zum Erliegen. • Verfügbarkeit ist alles, aber auch die Energiekosten müssen im Rahmen bleiben. Die Kosten für Leistung und Kühlung sind in den letzten Jahren dramatisch gestiegen. Üblicherweise sind die Leiter eines Rechenzentrums dafür verantwortlich, dass eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet wird und gleichzeitig Kosten sinken. Hoch effiziente USV-System können bei dem Erreichen dieses Zieles helfen, und heute stehen dazu Systeme bereit, die noch vor wenigen Jahren keine Option waren. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 3 of 17 Was ist eine USV? Einfach gesagt ist eine USV ein Gerät, das: 1. bei Ausfall der Netzspannung eine Notstromversorgung gewährleistet, entweder so lange, dass kritische Ausrüstung geordnet herunter gefahren werden können, so dass keine Daten verloren gehen, oder so lange, dass kritische Programme weiter so laufen können, bis der Generator hochgefahren ist. 2. die eingehende Spannung so konditioniert, dass die nur allzu bekannten Spannungsabfälle und -spitzen empfindliche elektronische Geräte nicht beschädigen. Welche Haupt-USV-Typen gibt es? Im Wesentlichen gibt es drei Ausführungen von USV, die auch als Topologien bezeichnet werden Einfachwandlersysteme Im Normalbetrieb leiten diese Anlagen die vom Versorger eingehende Wechselstromversorgung der ITAusrüstung zu. Wenn die eingehende Wechselstromversorgung außerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt, nutzt die USV ihren Wechselrichter, um Strom aus der Batterie zu entnehmen, und trennt außerdem die eingehende Wechselstromversorgung, um eine Rückkopplung vom Wechselrichter in das Netz zu verhindern. Die USV entnimmt so lange Strom aus der Batterie, bis die Eingangsversorgung wieder innerhalb normaler Toleranzen liegt oder keine Batteriespannung mehr vorhanden ist. Die beiden häufigsten Arten von Einfachwandlersystemen sind Offline/Standby- und Lineinteraktive Systeme. • Bei einer Offline/Standby-USV wird die IT-Ausrüstung so lange mit Netzstrom betrieben, bis die USV ein Problem erkennt. Zu diesem Zeitpunkt wird auf Batterieversorgung umgeschaltet. Einige USVKonzeptionen beinhalten Transformatoren oder sonstige Geräte, die in einem begrenzten Umfang eine Konditionierung der Stromversorgung ermöglichen. • Lineinteraktive USV’s regeln die eingehende Netzspannung je nach Bedarf nach oben oder unten, bevor sie diese an die geschützte Ausrüstung durchlassen. Wie Offline/Standby-USV’s nutzen aber auch sie die Batterie zum Schutz vor Frequenzanomalien. Abbildung 1. Aufbau einer lineinteraktiven USV. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 4 of 17 Doppelwandler-Systeme Wie der Name schon sagt, wandeln diese Systeme die Energie zwei Mal. Zunächst wandelt ein Eingangsgleichrichter den Wechselstrom in einen Gleichstrom um und führt diesen einem Ausgangswechselrichter zu. Der Ausgangswechselrichter wandelt diese Energie wieder zurück in einen Wechselstrom und leitet diese der IT-Ausrüstung zu. Dieser doppelte Wandlungsprozess trennt kritische Verbraucher vollständig von der Netzversorgung und gewährleistet, dass die IT-Ausrüstung nur eine saubere und zuverlässige Stromversorgung erhält. Im Normalbetrieb wird bei einer Doppelwandler-USV die Energie zweimal gewandelt. Wenn die eingehende Wechselstromversorgung außerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt, wird der Eingangsgleichrichter abgeschaltet, und die Ausgangswechselrichter entnimmt statt dessen Strom aus der Batterie. Die USV entnimmt so lange Strom, bis der Wechselspannungseingang wieder innerhalb der normalen Toleranzen liegt, oder die Batterie leer ist. Bei einer erheblichen Überlastung des Wechselrichters oder einem Ausfall von Gleichrichter oder Wechselrichter wird zur Versorgung der Ausgangslasten sofort der elektronische Bypass über den statischen Schalter aktiviert. Abbildung 2. Aufbau einer Doppelwandler-USV. Multimode-Systeme Diese Systeme verbinden Merkmale von Einzel- und Doppelwandlersystemen und bieten erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit: • Unter normalen Bedingungen arbeitet das System im lineinteraktiven Modus. Damit spart es Energie und Kosten und hält gleichzeitig die Spannung innerhalb von sicheren Grenzwerten und beseitigt die üblicherweise in der Netzversorgung vorhandenen Anomalien. • Wenn die Wechselstromversorgung außerhalb der Toleranzen für den lineinteraktiven Modus liegt, schaltet das System automatisch auf den Doppelwandler-Modus um und isoliert damit die IT-Ausrüstung vollständig von der eingehenden Wechselstromversorgung. • Wenn die eingehende Wechselstromversorgung außerhalb der Toleranzen für den Doppelwandlermodus liegt oder vollständig ausfällt, verwendet die USV die Batterie, um die unterstützten Verbraucher weiterhin zu versorgen. Wenn der Generator hochgefahren ist, schaltet die USV zurück in den DoppelwandlerEaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 5 of 17 Modus, bis sich die eingehende Spannungsversorgung stabilisiert hat. Anschließend wird das System wieder zurück in den hoch effizienten lineinteraktiven Modus geschaltet. Multimode-USV’s sind ein optimaler, dynamischer Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Schutz. Unter normalen Bedingungen bieten sie einen maximalen Wirkungsgrad. Sobald Probleme auftreten, wird automatisch der hohe Wirkungsgrad zugunsten eines optimalen Schutzes etwas verringert. Im Endergebnis können damit pro Jahr erhebliche Einsparungen bei den Energiekosten erzielt werden, ohne dass die Sicherheit des Rechenzentrums oder dessen Zuverlässigkeit in Frage gestellt wird. Weitere Informationen zu Multimode-USV’s finden Sie in zwei weiteren Whitepapers mit dem Titel "Welche USV ist die richtige für eine bestimmte Aufgabe" und "Maximierung der Verfügbarkeit von USV’s" unter www.eaton.com/pq/whitepapers. Abbildung 3. Aufbau einer Multimode-USV. Welche USV ist am besten geeignet? Um sicherzustellen, dass Sie die USV wählen, die für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist, sollten Sie bei der Auswahl die folgenden Punkte beachten: Topologie Die erste Frage ist die, ob eine Einzelwandler-, Doppelwandler- oder Multimode-USV am besten geeignet ist. Die Antwort auf diese Frage hängt im Wesentlichen davon ab, welchen Stellenwert die Energieeffizienz für ein Unternehmen gegenüber dem Schutzfaktor hat. Einzelwandler-USV’s haben einen besseren Wirkungsgrad als Doppelwandler-Systeme, bieten aber einen geringeren Schutz. Damit sind sie gut geeignet für Verbraucher, die eine höhere Ausfalltoleranz haben. Offline/Standby-USV’s (die einfachste Art von Einzelwandler-USV’s) sind im Allgemeinen eine gut Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 6 of 17 geeignete Lösung für kleinere Anwendungen, wie z.B. Desktops oder Kassen, während lineinteraktive USV’s üblicherweise bei kleineren Server- Speicher- und Netzwerkanwendungen in Einrichtungen mit relativ störungsfreier Wechselspannungs-Netzversorgung zu bevorzugen sind. Doppelwandler-USV’s bieten zwar den besten Schutz, haben aber einen niedrigeren Wirkungsgrad und sind deshalb das Standardsystem zum Schutz geschäftskritischer Systeme. Multimode-USV’s sind teurer als Einzel- oder Doppelwandlersysteme, und sind die beste Wahl für Unternehmen, die einen optimalen Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Schutz suchen. Drehstrom oder Wechselstrom? Der Energieversorger liefert Drehstrom. Diese Energie steht fast allen kommerziellen und industriellen Kunden zur Verfügung, da diese üblicherweise große Mengen an Strom verbrauchen. Bei einer Drehstromversorgung werden drei separate "Phasen" verwendet, die es ermöglichen, mehr Energie an einen einzelnen Punkt oder Verbraucher zu liefern. In Privathaushalten steht üblicherweise nur Wechselstrom zur Verfügung, da Privathaushalte normalerweise weniger Strom verbrauchen. Die Wechselstromversorgung erfolgt über einen oder zwei Phasen, die mittels Transformatoren aus dem Drehstromenergieversorgungssystem gewonnen werden. Wechselstrom-USV’s sind normalerweise eine vernünftige und wirtschaftliche Option für kleinere, einfachere Anwendungen mit einer niedrigen Leistungsaufnahme, wie man sie üblicherweise in Privathaushalten, kleinen Unternehmen und ausgelagerten oder Außenbüros mit Rechnerleistungen unter 20.000 VA findet. Drehstrom-USV’s werden normalerweise bei Anwendungen mit hoher Leistungsaufnahme bevorzugt; normalerweise handelt es sich dabei um komplexere Anlagen mit höheren Rechnerdichten. Typische Beispiele für den Einsatz von Drehstrom-USV's sind große, mehrstöckige Gebäude, Rechenzentren und industrielle Anlagen, bei denen Prozesse mit hoher Leistungsaufnahme geschützt werden müssen, da hier große Mengen Leistung über relative große Entfernungen verteilt werden müssen. Abbildung 4. Drehstrom wird erzeugt und an große kommerzielle Kunden verteilt. Sekundäre Kunden, wie z.B. Privathaushalte werden mit Wechselstrom versorgt. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 7 of 17 Nennleistung Die Nennleistung einer USV ist die Last, ausgedrückt in Voltampere (VA), für die diese konzipiert ist. Die Nennleistungen von USV’s reichen von niedrigen 300 VA bis hin zu 5.000.000 VA oder mehr. Mit dem im folgenden beschriebenen sehr groben Verfahren können Sie berechnen, wie hoch die Nennleistung der USV für Ihr Unternehmen sein sollte. 1. Erstellen Sie eine Liste der gesamten Ausrüstung, die von der USV geschützt werden soll. 2. Stellen Sie fest, wie hoch Spannung und Strom jedes Geräts auf der Liste sind (Volt, Ampere). 3. Multiplizieren Sie bei jedem Gerät Spannung (Volt) und Strom (A). So erhalten Sie einen VA-Wert. 4. Addieren Sie alle VA-Werte. 5. Multiplizieren Sie diese Summe mit 1,2, damit eine gewisse Reserve für weiteres Wachstum vorhanden ist. Die Nennleistung der USV, für die Sie sich entscheiden, sollte dem Wert entsprechen, der sich aus Schritt 5 ergibt, es sei denn, Sie verfügen über genauere Lastdaten für die zu schützende Ausrüstung. Weitere Punkte, die beachtet werden sollten, sind: • Wenn nur die Nennwerte auf den Typenschildern zugrunde gelegt werden, kann dies dazu führen, dass die USV überdimensioniert wird. Deshalb sollte zusätzlich immer das Bemessungstool des Herstellers herangezogen werden, sofern vorhanden. Die meisten Hersteller bieten im Internet oder als Download Bemessungstools an, mit denen die aufgenommene Leistung der verwendeten Ausrüstung auf der Grundlage der tatsächlich verwendeten Konfiguration genauer abgeschätzt werden kann. • Beim Einsatz einer zentralisierten Architektur zum Schutz der Stromversorgung wird normalerweise eine USV mit höherem kVA-Wert eingesetzt als bei einem dezentralisierten System zum Versorgungsschutz. • Wenn eine USV Motoren, Frequenzumrichter oder Laserdrucker unterstützt, sollte eine höhere VAKapazität vorgesehen werden, um die hohen Einschaltströme dieser Geräte zu berücksichtigen. Anbieter von USV-Anlagen können Sie bei der Auswahl der besten USV und deren Nennleistung für solche Anwendungen beraten. • In Unternehmen, in denen kurz- oder mittelfristig mit einem rapiden Wachstum zu rechnen ist, sollten bei der Berechnung der Wachstumsreserve wie oben erwähnt einen höheren Faktor als 1,2 anwenden. Das gleiche gilt für Unternehmen, die in näherer Zukunft eine Modernisierung der Serverhardware planen, da neuere Server häufig einen höheren Leistungsbedarf haben als ältere Modelle. USV-Bauformen USV’s werden in unterschiedlichen Formaten angeboten, die sich im Wesentlichen in zwei Kategorien einteilen lassen: Im Rack eingebaut oder frei stehend. Die größten USV-Anlagen stehen nicht zum Rackeinbau zur Verfügung, deshalb wird in Unternehmen mit hohem Leistungsbedarf fast immer ein freistehendes Gerät eingesetzt. Bei Unternehmen mit geringeren Anforderungen hängt die Entscheidung für Rackeinbau oder freistehendes Gerät im Wesentlichen von der allgemeinen Philosophie im Rechenzentrum ab. Einige Unternehmen verwenden USV-Anlagen in Racks, damit die Hardware soweit wie möglich in den Gehäusen konsolidiert werden kann. Andere Unternehmen sind bemüht, die vorhandenen Rackeinbauplätze möglichst für Server freizuhalten und verwenden deshalb eine freistehende USV. Aus technischer und finanzieller Sicht ist keine dieser Varianten besser oder schlechter als die andere. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 8 of 17 Verfügbarkeit Im Hinblick auf die Implementierung stehen Unternehmen eine Vielzahl von Möglichkeiten, Technologien und Dienstleistungen zur Verfügung, mit denen die Verfügbarkeit einer Lösung zum Schutz der Stromversorgung erhöht werden kann. Die effektivsten sind im Folgenden dargestellt. Redundante Implementierungsarchitekturen: Die Implementierung von USV’s in redundanten Gruppen kann die Verfügbarkeit erhöhen und gewährleisten, das kritische Lasten weiter geschützt sind, auch wenn eine oder mehrere USV’s ausfallen. Es gibt im Wesentlichen drei Arten von redundanten USVArchitekturen: • Zonen: In einer Zonenarchitektur gewährleisten eine oder mehrere USV’s den Schutz ganz bestimmter Ressourcen eines Rechenzentrums. Wenn während eines Stromausfalls eine USV ausfällt, sind die Auswirkungen dieses Ausfalls auf die Zone beschränkt, die diese Anlage unterstützt. • Seriell: In einer seriellen Architektur werden mehrere USV-Anlagen in Reihe geschaltet, so dass bei Ausfall einer einzelnen USV in der Reihe die anderen dies automatisch ausgleichen. • Parallel: Parallele Architekturen verwenden mehrere unabhängige, parallel geschaltete USV’s, um eine höhere Redundanz zu erreichen. Wenn eine einzelne USV vollständig ausfällt, können die anderen Systeme dafür sorgen, dass die IT-Ausrüstung weiter in Betrieb bleibt. Abbildung 5. Bei einem Zonenschutz werden getrennte geschützte "Zonen" definiert. Zusätzlich kann eine Virtualisierungs-Software verwendet werden, um Lasten bei einem Ausfall oder Wartungsmaßnahmen in andere Zonen zu verschieben. Jede Zone hat eine eigene 60-kW-USV-Anlage. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 9 of 17 Abbildung 6. Serielle USV-Architektur (Kaskade) mit wechselndem Energiefluss bei Ausfall der USV unter Last Abbildung 7. Parallele USV-Anlagen speisen alle den Ausgangsbus, d.h. eine beliebige einzelne USVAnlage kann für Wartungszwecke oder bei einem Ausfall vom System getrennt werden. Parallele Systeme müssen zur Lastverteilung miteinander synchronisiert werden. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 10 of 17 Hot-Swap-fähige Bauteile: Eine USV mit Hot-Swap-fähigen Komponenten können Reparatur- und Verwaltungsarbeiten durchgeführt werden, ohne dass die USV herunter gefahren werden muss - letzteres erhöht das Risiko von Ausfallzeiten für die IT-Ausrüstung. Abbildung 8. Hot-Swap-fähige Batteriemodule ermöglichen die Durchführung von Servicearbeiten ohne Unterbrechung der Schutzfunktion für die Verbraucher. Verlängerung der Batterielaufzeit: Eine typische USV-Batterie kann über einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten die Backupstromversorgung übernehmen. Unternehmen, die eine längere Batterielaufzeit benötigen, können zusätzliche Batteriemodule oder Schränke verwenden und damit die Batterielaufzeit bei einem Ausfall sogar um mehrere Stunden bei Volllast verlängern. Batteriemanagement: Eines der wichtigsten Bauteile einer USV-Anlage ist das Energiespeichersystem, normalerweise eine Batterie. Bei vielen USV-Anlagen wird die Batterie kontinuierlich über eine "Erhaltungsladung" geladen, was der internen chemischen Zusammensetzung der Batterie schadet und die Lebensdauer der Batterie reduziert. Bei großen Reihen von Elektrolytbatterien für hohe Leistungen (mehr als 500 kVA) ist eine Erhaltungsladung der USV-Anlage unumgänglich, bei den meisten in den heutigen USV-Anlagen mit niedrigeren kVA-Werten verwendeten auslaufsicheren Batterien (VRLA, siehe "USVEnergiespeicherung" weiter unten) ist jedoch eine Ladetechnik von Vorteil, bei der die Ladeschaltung ausgeschaltet wird, und die Batterie "ruht". Diese Ladetechnik wird von manchen Herstellern als Advanced Battery Management bezeichnet, und kann die Lebensdauer einer Batterie um bis zu 50 Prozent verlängern. Batterien mit dieser Technologie halten länger und sind dank der dreistufigen Ladetechnik der USV, einer komplexen Sensorschaltung und einer automatischen Batterieprüfroutine, die den Anwender bei warnt, wenn die Leistungsfähigkeit der Batterie abnimmt und ausgetauscht werden sollte, wesentlich zuverlässiger. Fernüberwachung: Die beste Möglichkeit zur Lösung von Problemen mit der USV ist, das Entstehen von Problemen von vorne herein zu verhindern. Fernüberwachungsanwendungen für USV’s erkennen Anzeichen für mögliche Störungen, wie z.B. eine geringere Leistung, Überhitzung der Batterie und senden in Echtzeit Benachrichtigungen aus, wenn sich potentielle Probleme entwickeln. So können Reparaturen vorgenommen werden, bevor es zu einem Ausfall kommt. Rechenzentren können eine solche Fernwartung selber durchführen, oder diese Aufgabe an einen externen Provider auslagern. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 11 of 17 Abbildung 9. Fernüberwachung der USV, die von manchen Anbieter als Option angeboten wird, ermöglicht die genaue Beobachtung des Versorgungsschutzes und Ausgabe von Benachrichtigungen bei Erkennung von potentiellen Problemen. Dazu kann auch ein monatlicher Bericht über den Zustand der USV gehören. Skalierbarkeit und Modularität Die Implementierung eines robusten Versorgungsschutzes ist zeit- und kostenaufwändig. Um eine solche Investition optimal zu nutzen, sollten sich Unternehmen beim Vergleich unterschiedlicher USV-Anlagen über ihren Bedarf für die nächsten drei bis fünf Jahre im klaren sein. Wenn abzusehen ist, dass in diesem Zeitraum der Leistungsbedarf stark steigen wird, sollte eine entsprechende größere USV-Hardware gewählt werden. Rechenzentren mit stark schwankendem Anforderungen oder einem nur schwer abschätzbaren zukünftigen Bedarf können sich für eine der folgenden zwei Strategien entscheiden, um die Skalierbarkeit ihrer USVInstallation zu verbessern: • Parallele Installation von USV-Anlagen: Parallele USV-Architekturen bieten hohe Skalierbarkeit und Redundanz. Bei steigendem Leistungsbedarf können die vorhandenen USV’s einfach durch weitere Module ergänzt werden, statt vorhandene Geräte komplett durch neue zu ersetzen. • Einsatz modularer USV-Produkte: Einige neuere USV-Anlagen zeichnen sich durch eine modulare Konzeption aus, bei der mit steigenden Anforderungen die Kapazität stufenweise erweitert werden kann. Solche Systeme bieten z.B. eine Kapazität von 50 oder 60 kW in 12-kW-Bausteinen, die in Standardracks passen. Bei steigenden Anforderungen kann ganz einfach ein weiteres12-kW-Modul hinzugenommen werden. Auch die größten USV-Anlagen können auf diese Weise in Stufen von 200 bis 300 kW modular aufgebaut werden. Dies ist ein skalierbarer und wirtschaftlicher Weg, um mit einem steigenden Leistungsbedarf Schritt zu halten, der gleichzeitig auch die Anfangsinvestitionen senkt und den Flächenbedarf im Rechenzentrum reduziert. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 12 of 17 Software und Kommunikation Auch bei Verwendung einer USV kann es vorkommen, dass die IT-Ausrüstung ausfällt, wenn der Stromausfall länger anhält oder die USV über längere Zeit einer Überlast ausgesetzt ist. Kommunikationssoftware kann häufig nicht nur eine Echtzeitbenachrichtigung des Status der USV gewährleisten, sondern auch automatisch bei einem Problem mit der Versorgung bestimmte Aktionen einleiten. Dies ist besonders dann von Nutzen, wenn ein System kontinuierlich arbeitet, ohne dass ein Nutzer anwesend ist, um betroffene Anlagen manuell herunterzufahren. Bereits seit 20 Jahren sind die meisten USV’s mit Software ausgestattet, die einem oder mehreren Servern meldet, dass die Wechselstromversorgung ausgefallen ist und die USV auf Batterie läuft. Wenn die Wechselstromversorgung nicht zurückkehrte und die Batterie fast leer war, wurden von diesem System alle offenen Anwendung geschlossen, um einen Datenverlust zu vermeiden. Nach Rückkehr der Netzversorgung wurde dann das System automatisch wieder hochgefahren und in seinen vorherigen Stand versetzt. Diese Lösung wurde ursprünglich auf kleinen PC-Servern implementiert, die von einer einzelnen USV geschützt wurden, und dann auch auf größere Systeme mit unterschiedlichen Betriebssystemen übertragen, bei denen es sich teilweise um firmenspezifische Systeme des Herstellers der IT-Ausrüstung handelte. Die Kommunikation erfolgte über eine serielle RS232-Schnittstelle oder über Relais, die auf einen einfachen Steueranschluss wirkten. Mit steigender Größe und Zahl der IT-Anlagen wurde die serielle Kommunikation (sei es nun über RS232 oder über eine USB -Schnittstelle) durch eine netzwerkbasierte Kommunikation ersetzt, und eine Kommunikation zwischen den USV-Anlagen und mehreren Servern wurde möglich. Bei einer solchen Anlage hat die USV im Netz eine eigene IP-Adresse und ein standortferner Zugriff ist von allen Servern aus möglich, die von dieser USV versorgt werden, so dass jeder Server so programmiert werden kann, dass er die USV abschalten oder auf Probleme mit der Leistungsversorgung überwachen kann. Mit steigender Komplexität der Netze und USV-Kommunikationshardware entwickelten sich im Rahmen der Leistungsmanagementsoftware weitere automatische Funktionen, wie z.B. die Fernbenachrichtigung per EMail, Pager oder SMS, Datenkommunikation mit Protokollerstellung und Trendanalyse, komplexe Skriptprogrammierung zur Abschaltung einer Datenbank oder eines Programmes vor dem Herunterfahren des Serverbetriebssystems, und zahlreiche weitere Funktionalitäten. Angesichts all dieser Fortschritte umfasste eine typische Installation Server mit einem einzigen Betriebssystem, und mit einer einzigen Anwendung auf jedem Server. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 13 of 17 Abbildung 10. Typische USV-Leistungsmanagement-Software kann betroffene Server automatisch und geordnet herunter fahren, wenn die Gefahr besteht, dass die Batteriekapazität der USV nicht ausreicht, um die Dauer des Stromausfalls zu überbrücken. Die Virtualisierung bringt eine völlig neue Komplexität, da eine feste Verknüpfung von Betriebssystem und physischer Hardware nicht mehr der Normalfall ist. Manche Lieferanten von USV-Software müssen sicherstellen, dass Software-Agenten für die Abschaltung sowohl auf jeder virtuellen Maschine als auch auf dem Host installiert sind. Dies kann ziemlich aufwändig sein, wenn die Anzahl der virtuellen Maschinen groß ist, was ja in vielen virtualisierten Umgebungen der Fall ist. Führende USV-Hersteller haben daher neue Software-Plattformen entwickelt, die diese Management-Komplexität reduzieren, und zu diesem Zwecke ihre Software in Virtualisierungs-Managementplattformen wie vCenter® von VMware oder XenCenter® von Citrix integriert. In diesen Umgebungen kann eine einzige Softwareinstallation ein ganzes Servercluster steuern und abschalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einem Versorgungsausfall eine automatische Migration virtueller Maschinen möglich ist - die Abschaltung der Server und die Einstellung des Betriebs ist nicht mehr die einzige Möglichkeit. Durch diese Integration, die nicht nur bei vCenter, sondern auch für Microsoft SCVMM oder Citrix XenCenter zur Verfügung steht, wird die Kontinuität der Geschäftsprozesse gewährleistet. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass logisch organisierte und umfassende Anwendungen für das Versorgungsmanagement für Unternehmen die folgenden Möglichkeiten bieten: • Überwachung und Verwaltung von USV-Anlagen von einem beliebigen Standort mit Internetzugang aus • Automatische Benachrichtigung der zuständigen Mitarbeiter bei einem Alarm oder einer Warnung • Einleiten einer geordneten, unbeaufsichtigten Abschaltung der angeschlossenen Ausrüstung, oder noch besser, Verschieben von virtuellen Maschinen dank enger Integration in Virtualisierungs-Software, und entsprechende Maximierung der Verfügbarkeit von wichtigen Anwendungen und Hardware • Selektive Abschaltung nicht kritischer Systeme und damit Verlängerung der Laufzeit Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 14 of 17 • Analyse und grafische Darstellung von Trends und Erkennung und Vermeidung von Problemen, bevor eine kritische Situation auftritt • Integration in vorhandene Netzwerke und Managementsysteme über offene Standards und Plattformen. Abbildung 11. Die in diesem Beispiel gezeigte USV-Managementsoftware wird in die Bedienkonsole des Administrators für VMware vCenter integriert und ermöglicht die Anzeige und Verwaltung von USVbezogenen Ereignissen und Alarmzuständen im gleichen System wie dem für die Durchführung der ITManagement-Aufgaben. Service Bei ordnungsgemäßem Service kann eine USV bis zu 20 Jahre sicher und zuverlässig ihren Dienst versehen. Ohne einen solchen Service kann auch die beste USV gerade dann ausfallen, wenn man dies am wenigsten brauchen kann. Unternehmen, die sich auf dem Markt nach USV-Hardware umschauen, sollten sich deshalb gleichzeitig auch für einen geeigneten Serviceplan eines Serviceanbieters entscheiden, der über die erforderliche Erfahrung, Kompetenz und Ressourcen für einen umfassenden und hochwertigen technischen Support verfügt. Weitere Informationen zur Auswahl der optimalen Serviceleistungen für Ihr System finden Sie im Whitepaper zur "Auswahl eines USV-Serviceplans" unter www.eaton.com/pq/whitepapers. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 15 of 17 Welche zusätzlichen Komponenten werden für eine USV benötigt? Zu einer umfassenden Lösung für den Versorgungsschutz gehört mehr als nur eine USV. Im Folgenden sind eine Reihe nützlicher Zusatzkomponenten aufgeführt: USV-Energiespeicherung Bei den meisten Lösungen für den Versorgungsschutz wird die Notversorgung entweder durch geschlossene Batterien, auch als VRLA-Batterien (Valve Regulated Lead Acid) bezeichnet, oder durch Nassbatterien, auch als VLA-Batterien (Vented Lead Acid) bezeichnet. Geschlossene Batterien sind normalerweise kostengünstiger, haben aber eine geringere Lebensdauer. Nassbatterien erfordern normalerweise eine spezielle Installation und Wartung. Die Entscheidung, welche dieser Batterien die Richtige ist, wird normalerweise dadurch bestimmt, ob eine höhere Anfangsinvestition für die Anschaffung von Batterien, die nicht so häufig ausgetauscht werden müssen, akzeptiert werden kann. Blei-Säure-Batterien sind eine bewährte Technologie, die für die rauen Einsatzbedingungen in einem Rechenzentrum hervorragend geeignet ist. Andererseits sind diese Batterien auch sperrig und schwer. Aufgrund der in ihnen enthaltenen giftigen Chemikalien ist die Entsorgung kostspielig und unterliegt strengen gesetzlichen Bestimmungen. Deshalb ergänzen immer mehr Unternehmen Blei-Säure-Batterien mit alternativen Standby-Stromversorgungen wie z.B. Schwungrädern. Ein Schwungrad ist eine mechanische Vorrichtung, deren Basiselement normalerweise eine rotierende Scheibe ist. Während des Normalbetriebs wird die Scheibe durch elektrischen Strom in Drehung versetzt. Bei einem Stromausfall dreht sich die Scheibe eigenständig weiter und erzeugt dadurch einen Gleichstrom, der von einer USV als Notenergie verwendet werden kann. Wenn diese Energie von der USV verbraucht wird, verliert die Scheibe allmählich an Schwung und erzeugt immer weniger Energie, bis sie schließlich vollständig zum Stillstand kommt. Vorteile von Schwungscheiben sind, dass diese kleiner und leichter als Blei-Säure-Batterien, einfacher zu warten und frei von umweltschädlichen Substanzen sind. Ihr Nachteil ist, dass sie in Normalfall lediglich 30 Sekunden Standby-Energie liefern können. Andererseits haben Untersuchungen gezeigt, dass 95% aller Netzausfälle nur wenige Sekunden dauern, deshalb kann durch den Einsatz einer Schwungscheibe als Ergänzung zu den Batterien für kurzzeitige kurzen Netzausfälle Platz im Rechenzentrum sparen und die Wartungskosten senken; gleichzeitig wird die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterien verlängert, weil diese weniger häufig eingesetzt werden. Generator Bei einem Netzausfall gibt die USV dem Anwender die wenigen Minuten Zeit, die benötigt werden, um Server geordnet abzuschalten. Heutzutage können es sich aber viele Unternehmen gar nicht mehr leisten, ihre IT-Systeme mehrere Stunden oder gar Tage abzuschalten, bis die Stromversorgung wieder hergestellt ist. In diesen Unternehmen muss die Versorgungsschutzarchitektur in jedem Falle einen Generator beinhalten. Während eine USV eine Notstromversorgung für einen kurzen Zeitraum liefert, kann ein Generator mit Hilfe von Dieselkraftstoff die notwendige Energie erzeugen, um die IT-Systeme für einen Zeitraum von 10 Minuten bis zu sieben Tagen oder noch länger in Betrieb zu halten. Bei der Auswahl eines Generators ist es ratsam, ein Modell zu wählen, dessen kVA-Wert ungefähr das 1,25- bis 3-fache des kVA-Werts der USV beträgt. Bei der Auslegung sollten eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden - dazu gehören z.B. die Konstruktion der USV sowie Generator- und Kraftstofftyp deshalb ist es empfehlenswert, den Rat der Spezialisten der Herstellers von USV und Generator einzuholen. Außerdem muss auch dafür gesorgt werden, dass ein ausreichender Kraftstoffvorrat vorhanden ist, um das Rechenzentrum über einen längeren Zeitraum in Betrieb zu halten. Während eines längeren Stromausfalls kann der entstehende Bedarf an Dieselkraftstoff sehr schnell das regionale Angebot übersteigen. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 16 of 17 Stromverteilereinheiten (PDUs) Eine wichtige Komponente einer Infrastruktur zur Gewährleistung der Qualität der Stromversorgung sind PDUs(Power Distribution Units), die die Energie an nachgeschaltete ITE-Verbraucher verteilen. Die meisten Unternehmen setzen PDUs sowohl als Standmodelle ein, die die Primärverteilung an die Serverracks übernehmen, als auch als Rackeinbaumodelle (auch als ePDUs bezeichnet), die die Energie an die einzelnen Server und sonstigen Geräte verteilen. PDUs können mit optionalen Einrichtungen wie z.B. Überspannungsunterdrückung und Überwachungssystemen für einzelne Schalter (Zweige) zur Überwachung des Energieverbrauchs ausgestattet werden. Fazit Unternehmen investieren heutzutage große Summen in ihre IT-Infrastruktur und in die für den Betrieb dieser Anlagen benötigte Energie. Die Funktionsfähigkeit dieser Infrastruktur ist von zentraler Bedeutung für die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen, und der Schutz vor Spannungsabfällen, Überspannungen oder Unterbrechungen der Stromversorgung darf deshalb nicht vernachlässigt werden. Eine gut konzipierte Lösung für den Versorgungsschutz mit hochwertiger und effizienter USV-Hardware kann zur Gewährleistung der Verfügbarkeit von Geschäftsanwendungen, Senkung von Energiekosten und Sicherheit von Geschäftsdaten beitragen. Durch die Beschäftigung mit grundlegenden Prinzipien der USVTechnologie und Entscheidungskriterien für die Auswahl der richtigen USV für die gegebenen Anforderungen können Betreiber dafür sorgen, dass die für den langfristigen Erfolg so wichtige zuverlässige, störungsfreie Energieversorgung jederzeit verfügbar ist. Informationen über Eaton Eaton ist ein Energiemanagement Unternehmen, das seinen Kunden energieeffiziente Lösungen bereitstellt, mit denen sie elektrische, hydraulische und mechanische Energie effektiver managen können. Als weltweiter Technologieführer übernahm Eaton im Jahr 2012 Cooper Industries plc. Beide Unternehmen zusammen erwirtschafteten im Jahr 2012 einen Pro-forma-Umsatz von insgesamt 21,8 Milliarden USDollar. Eaton beschäftigt ca. 102.000 Mitarbeiter und verkauft Produkte an Kunden in mehr als 175 Ländern. Weitere Informationen finden Sie unter www.eaton.eu. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013 Page 17 of 17 Informationen über die Verfasser Chris Loeffler ist Produktmanager bei der Eaton Corporation und spezialisiert auf Lösungen und Dienstleistungen für die Energieversorgung von Rechenzentren. Er arbeitet bereits seit mehr als 19 Jahren auf dem Gebiet der unterbrechungsfreien Stromversorgungen und war in dieser Zeit für das Produktmanagement bei mehr als 20 USV-und Leistungsverteilungsprodukten für Rechenzentren und industrielle Anwendungen zuständig. Herr Loeffler war bereits in unterschiedlichen Funktionen bei Eaton tätig, unter anderem im Service, und mehr als 12 Jahre lang im Produktmanagement. Herr Loeffler ist Verfasser einer Reihe von Fachartikeln und mehrerer Whitepapers zum Thema Energieeffizienz im Rechenzentrum. Darüber hinaus hat er mehrere Artikel zu unterschiedlichen USV-Topologien für Rechenzentren und industrielle Anwendungen veröffentlicht. Seine Kontaktadresse lautet [email protected]. Ed Spears ist Produktmanager im Eaton-Geschäftsbereich Power Quality Solutions mit Sitz in Raleigh, NC in den USA. Aufgrund seiner 30-jährigen Tätigkeit in der Energietechnik verfügt Ed Spears über umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Prüfung, Vertrieb und Anwendung von USV-Anlagen und der Schulung. Darüber hinaus war er in den Bereichen Technologie und Marketing von Power-QualityProdukten für Telekommunikation, Rechenzentren, Kabelfernsehen und öffentliche Breitbandnetze tätig. Seine Kontaktadresse lautet [email protected]. Tutorials auf Anfrage Eaton-Whitepapers helfen Ihnen, wenn Sie mehr über ein bestimmtes Thema erfahren oder Kunden und sonstigen Interessenten ein Thema erläutern wollen. Ergänzende Informationen zu Fragen wie Wartungsbypass, Parallelschaltung, USV-Topologien, Energiemanagement und mehr finden Sie in weiteren Whitepapers in unserer Online-Literaturbibliothek unter: www.eaton.com/pq/whitepapers. Eaton EMEA www.eaton.eu/powerquality November 2013
