Эксплуатация ЦОД. Практическое руководство

В приведенных пунктах ПУЭ мы видим две важные вещи:

А) В обоих случаях источники должны быть взаимно резервирующими, а это те источники, на которых, согласно ПУЭ, п. 1.2.10, «сохраняется напряжение в послеаварийном режиме в регламентированных пределах при исчезновении его на другом или других источниках питания», то есть резерв источников должен быть 2N. Не следует путать это резервирование с двумя линиями от одной подстанции (резерв линий 2N). Наличие резерва 2N по линиям от одного источника, например от ДГУ, вполне логично, так как позволяет обслуживать одну линию без выведения всего комплекса ДГУ из работы. Наличие двух линий от городской подстанции тоже имеет смысл, так как позволит вам не переходить на ДГУ при обслуживании одной из этих линий. Но две линии от одного источника – это все равно третья категория надежности.

Б) Время пропадания электричества равно времени ручного переключения для второй категории и времени автоматического переключения – для первой. При этом в обоих случаях пропадание допустимо и время этого переключения не нормировано, хотя, скорее всего, предполагается, что время ручного переключения исчисляется в минутах (а может, и в часах), а автоматического – в секундах, если другое явно не указано в договоре на электроснабжение. Теперь представьте себе, что электроснабжающая организация согласится добавить себе в договор дополнительные временны?е обременения и, естественно, штрафы за их неисполнение, а они равны штрафам, которые клиенты выставят ЦОД. Считаете ли вы такое развитие событий вероятным?

Подведем итог:

При любой категории внешнего электроснабжения надо понимать, что его безотказная работа находится не в вашей зоне ответственности. Другое дело – всецело принадлежащий вам источник электроснабжения (чаще всего это ДГУ). За его состояние и работоспособность несет ответственность служба эксплуатации, то есть вы сами.

Согласно Uptime Institute Tier Standard: Topology (TS: T), п. 2.5, «перебои в электрической сети (внешней) считаются не аварийной ситуацией, а ожидаемым рабочим условием, к которому площадка полностью подготовлена». Подготовить площадку к такому событию возможно путем проведения плановых работ по переключению на локальные источники генерации электричества и обратно с целью убедиться в надежной работе такого переключения. Однако, по нашему опыту, во многих ЦОД опасаются производить настоящее отключение внешнего электроснабжения для тестирования ДГУ, а следовательно, и тестирования всей энергосистемы в комплексе, считая, что такое переключение может пройти со сбоями и повлиять на сервисы, предоставляемые клиентам. Тем не менее без регулярного проведения таких полноценных запусков ДГУ быть уверенным в безотказной работе ЦОД не представляется возможным.

В результате мы видим, что, с точки зрения стандарта Tier Standard: Topology, категория электроснабжения ЦОД никак не влияет на уровень надежности ЦОД, а служба эксплуатации ЦОД может рассчитывать только на источники электричества, находящиеся в собственном управлении ЦОД (чаще всего это ДГУ), и должна быть всегда готова к вероятному отключению внешних источников электроснабжения, которые рассматриваются как вспомогательные. Однако это утверждение не отменяет положительного влияния на надежность, которое дает наличие двух взаиморезервирующих вводов электроснабжения площадки от одного источника энергии или подстанции. Эту схему нельзя называть второй категорией электроснабжения, так как источник один, но она позволяет сохранять электроснабжение площадки при аварии или обслуживании снабжающих площадку линий, ячеек, трансформаторов.

При наличии одной кабельной линии вся нагрузка будет запитана только через нее. Получается единая точка отказа: это либо трансформатор, либо кабельная линия, либо вводной автомат. При отказе одного из этих элементов потребуется долгосрочный и дорогостоящий ремонт, а вы все это время будете вынуждены работать от собственных источников – ДГУ. В итоге использование двух независимых кабельных линий – это хорошо, но дорого. Однако стоит понимать, что при выборе второй или первой категории надежности стоимость подключения возрастает минимум в два раза относительно присоединения по третьей категории надежности. Ведь для энергоснабжения по первой или второй категории необходимы два источника питания, а присоединение к каждому из них стоит примерно одинаково.

Мощности ЦОД на стадии запуска

К сожалению, не всем очевидно, что ЦОД не запускается на полную мощность сразу же. Поэтому к выбору оборудования следует подходить очень осознанно. Следует выбирать оборудование с таким расчетом, при котором КПД будет наиболее эффективным при поэтапном увеличении мощности ЦОД. Это достигается за счет постепенного наращивания единиц оборудования. Согласно рекомендациям производителей, для обеспечения стабильной работы, например ДГУ, нагрузка на нее не должна быть ниже 30 % номинальной мощности. Режим работы на пониженной нагрузке является неблагоприятным и грозит выходом из строя двигателя, так как при нагрузке ниже 30 % происходит неполное сгорание топлива в камере, что в итоге приводит к выходу из строя форсунок двигателя и неполадкам в поршневой группе.

Для проведения ПНР рекомендуем использовать специальные нагрузочные модули, имитирующие полную проектную ИТ-нагрузку ЦОД. Тем самым нагружается вся технологическая цепочка ЦОД: ДГУ – ГРЩ – ИБП – система распределения электропитания – система охлаждения потребителей ЦОД.

Рис. 1. Применение нагрузочных модулей

Нагрузочные модули лучше брать в аренду, а не покупать для постоянного использования. После запуска ЦОД у вас будет свой нагрузочный модуль – это работающий ЦОД, а проверка систем резервного электроснабжения будет осуществляться путем планового отключения основного источника электроснабжения, что опять же позволит протестировать всю технологическую цепочку систем ЦОД. Не следует бояться такого способа тестирования ЦОД, ведь именно он продемонстрирует работоспособность всего оборудования при возникновении реального отключения питания, которого может не происходить годами.

«Грязная зона» разгрузки

В ЦОД доставляется множество грузов, водители автомобилей и грузчики попадают на территорию ЦОД, посещают туалет и просто прогуливаются около автомобиля. Для упрощения процессов контроля и снижения рисков от присутствия посторонних лиц имеет смысл выделить «грязную зону» в виде разгрузочного тамбура, в котором будет гостевой туалет, кулер, место для отдыха и т. п. В этом случае не потребуется проводить процедуры оформления доступа для водителей и грузчиков.

Достаточная зона разгрузки

Проектировщики не всегда предусматривают достаточно большие однообъемные площади для складирования оборудования, стоек и т. п. Представим себе: в ЦОД приехало оборудование для двух холодных коридоров[28 - Холодный коридор – проем между рядами стоек, размещенных лицевыми сторонами друг к другу, куда подается холодный воздух, проникающий в стойки. Холодный коридор может быть изолированным, то есть иметь двери, крышу и уплотнительные элементы, препятствующие прохождению потоков воздуха в обход ИТ-оборудования; в этом случае он называется CACS (Cold Aisle Containment System).По аналогии горячий коридор – проем между тыловыми сторонами стоек, в который выбрасывается горячий воздух, прошедший через стойки с ИТ-оборудованием. Горячий коридор также может быть изолированным для избежания перемешивания горячего и холодного воздуха. В этом случае такое размещение может называться HACS (Hot Aisle Containment System).], например 50 стоек, к ним 8 кондиционеров и 2 ИБП для расширения. Вы заняли все пространство склада (если оно вообще способно это вместить), а к вам приехали клиенты с еще одной фурой оборудования и не имеют возможности разгрузиться.

«Грязная зона» входной группы

Аналогично с парадной стороны ЦОД есть входная зона, куда приходят потенциальные клиенты, простые посетители и курьеры. Многие посетители проводят здесь совещания и деловые встречи. Нет смысла устанавливать для этой входной зоны регистрацию посетителей или какой-то особый пропускной режим, но далее из этой зоны через полноростовой турникет в ЦОД должны попадать только авторизованные посетители. Удобно организовать во входной зоне несколько переговорных, кафетерий, туалеты, стойку охраны.

Пороги в противопожарных дверях

Часто проектировщик не думает об удобстве персонала, который потом будет эксплуатировать ЦОД, и выбирает самые дешевые двери с порогами, мешающими свободно перемещать тележки с ИТ-оборудованием. На самом деле существуют модели дверей без порогов, что очень сильно упрощает жизнь дежурных и клиентов в будущем.

Размеры коридоров (холодного или горячего) в серверных комнатах и количество дверей

Многие связывают этот вопрос с пожарными рисками, расчет которых часто допускает установку одной двери в довольно длинном ряду стоек. Это неверно. По нашему опыту, в коридоре обязательно должно быть две двери и максимум 12 стоек в ряду. Почему не более 12 в ряд? Чтобы не получился слишком большой путь от пятой-шестой стоек для работы с задней стороны стойки. Почему два выхода? В противном случае посетители и персонал будут вынуждены проделывать очень долгий путь от фасада самой дальней стойки к ее задней части. А в случае проведения работ в холодном коридоре в первой стойке выдвинутый и разобранный сервер сразу же блокирует весь остальной доступ.

Резервирование подъемных механизмов

У вас когда-нибудь ломался лифт? Вы оценивали преимущества наличия второго? Так и в ЦОД часто используются различные подъемные площадки для доставки оборудования на уровень фальшпола. Если одна сломалась или находится на техническом обслуживании, то дежурным не придется поднимать оборудование вручную.

Использование АВР[29 - АВР – автоматическое включение резерва (англ. ATS, Automated Transfer Switch). Согласно ПУЭ, п. 3.2.3, устройство, позволяющее обеспечить подключение нагрузки к резервным линиям электропитания и выполняющее быстрое (за несколько миллисекунд) автоматическое переключение между этими линиями при пропадании напряжения в одной из них.]

Как мы знаем, все системы в ЦОД имеют резервирование, причем не только по количеству оборудования, но и по питанию. И был у нас один пример, который наглядно показал, что проектная группа далека от реальной эксплуатации. К нам попал на рассмотрение проект ЦОД. В нем, в частности, на системе охлаждения были установлены кондиционеры, имеющие по два ввода на каждый. Что интересно, переключение между вводами производилось только в ручном режиме.

Получается, что при отключении одного из вводов переключение на другой ввод должен осуществлять дежурный персонал. Учитывая, что в одном машинном зале было установлено более 30 кондиционеров, а таких модулей несколько штук, временные затраты на включение затянулись бы на часы с неизбежным несоблюдением всех SLA с клиентами. Также при таком количестве устройств серьезную роль играет человеческий фактор – можно забыть сделать какие-либо переключения.

После нашего вмешательства в проект этот недочет был устранен и между вводами на каждом кондиционере установили АВР.

Что касается клиентского оборудования, имеющего один блок питания, мы настоятельно рекомендуем такое оборудование не применять. Или в крайнем случае для снижения рисков также использовать стоечный АВР, при этом учитывая, что сам АВР является единой точкой отказа.

Режим работы ДГУ

В процессе эксплуатации ЦОД периодически приходится сталкиваться с отключением внешнего источника электроснабжения. Отключения внешней сети бывают долгими и кратковременными, однократными или следующими одно за другим. В последнем случае мы можем столкнуться с частыми запусками ДГУ, которые приведут к преждевременному разряду батарей ИБП. Чтобы избежать этого, рекомендуем на этапе проектирования предусмотреть задержку запуска ДГУ минимум в 5 секунд после пропадания электроснабжения на внешнем вводе. Это позволяет избежать многократных запусков ДГУ за короткий промежуток времени в случае быстрого восстановления нормальных параметров электроснабжения внешней электрической сети. При восстановлении основного электроснабжения и появлении напряжения на вводных шинах рекомендуем сделать задержку и на обратное переключение на внешний ввод – такую же, как и при отключении. Это поможет автоматике не реагировать на ситуации, когда внешняя сеть появилась и сразу пропала или ее параметры неудовлетворительны.

Из нашего опыта при запуске ДГУ целесообразнее подавать сигнал на запуск сразу всех машин одновременно (если их несколько). Одновременный запуск всех ДГУ повышает надежность системы резервного электроснабжения: при незапуске, аварии, сбое в работе одной из ДГУ система в целом останется в работе, не нужно будет тратить время на повторный перезапуск и тем самым не будет повторного перехода на аккумуляторные батареи, а после получения сигнала на отключение ДГУ они должны остаться в работе на холостом ходу в течение минимум двух минут для охлаждения систем двигателя и обеспечения ускоренного возврата ЦОД на резервное питание в случае повторного отказа основного питания. Тем самым вы убьете двух зайцев: охладите турбины двигателя и, в случае повторного отключения, сбережете емкость батарей.

Иногда возникает ситуация, когда питание на вводе то появляется, то пропадает с периодами, большими, чем выставленные задержки на включение АВР, а также имеют место частые колебания частоты входного напряжения, то есть городская сеть работает нестабильно. Это может негативно сказаться на времени автономной работы от АКБ. В таком случае надо предусмотреть в АВР функцию «изменение приоритетного ввода». Данная функция будет полезна и при необходимости тестирования ДГУ на корректное энергоснабжение нагрузок ЦОД, когда вместо ручных переключений персонал ЦОД нажатием одной кнопки может запустить ДГУ и перевести ЦОД на питание от нее в автоматическом режиме.

Тип ИБП

Сегодня в отрасли дата-центров идет тихая революция. Она касается сферы источников бесперебойного питания (ИБП). От классических моноблочных аппаратов центры обработки данных (ЦОД) переходят к модульным решениям, однако многие проектировщики по привычке продолжают использовать моноблочные решения, достоинства которых уже неочевидны.

В моноблочных источниках бесперебойного питания выходная мощность обеспечивается одним силовым блоком. В модульных ИБП основные компоненты выполнены в виде отдельных модулей, которые размещаются в унифицированных шкафах и работают сообща. Каждый из этих модулей оснащается управляющим процессором, зарядным устройством, инвертором, выпрямителем и представляет собой полноценную силовую часть ИБП.

Модульная архитектура в ИБП предполагает сборку устройства в стойке из нескольких функциональных элементов определенной мощности. Так достигается возможность масштабировать производительность решения с определенным шагом, быстро наращивая или снижая общую мощность. В случае моноблочного ИБП такая маневренность невозможна: вы покупаете и запускаете строго определенный объем ресурса источника бесперебойного питания.

Несколько преимуществ:

1. Модульные ИБП позволяют получать экономически эффективную модель потребления с оплатой новых мощностей по мере роста, минимизируют эксплуатационные расходы и повышают отказоустойчивость. Модульная архитектура позволяет добиться лучшей унификации узлов и компонентов ИБП. Это, в свою очередь, существенно снижает себестоимость изделия, увеличивает КПД системы и уменьшает время восстановления работы после аварийного отказа любого компонента, так как требуется иметь в запасе меньшее количество запасных частей и узлов. При этом запасные модули уже могут находиться на территории пользователя для сокращения времени транспортировки на объект.

2. Больше свободного пространства. Модульные ИБП существенно компактнее моноблочных. Так, например, система на 500 кВт занимает объем одной телекоммуникационной стойки, а моноблок потребует 2–2,5 стойки.

3. Масштабируемость. Несмотря на компактные размеры, модульные шкафы поддерживают установку дополнительных силовых модулей, что обеспечивает ЦОД большую гибкость в наращивании мощности в соответствии с требованиями бизнеса и без дополнительной площади.

Архитектура модульных ИБП позволяет дата-центрам увеличивать мощность постепенно, более точно подбирая объем в соответствии с нагрузкой. В результате мощность системы может быть увеличена во много раз по сравнению с первоначально установленной. Существующие решения этого профиля сегодня позволяют обеспечивать расширение сети ИБП посредством запуска в параллельную работу до нескольких единиц оборудования.

4. Высокая доступность ресурса. Непрерывное электропитание обеспечивает доступность IT-систем и имеет решающее значение для работы дата-центра. В моноблочном ИБП для технического обслуживания или масштабирования может потребоваться временное отключение от сети, то есть запланированный простой. В модульных системах работает функция горячей замены (hot swap): модули добавляются или заменяются за несколько минут без остановки ИБП в целом. Данные действия по горячей замене модулей вполне осуществимы силами персонала пользователя при минимальном уровне знаний.

С моноблочными источниками бесперебойного питания ситуация значительно сложнее. Их ремонт выполнить настолько быстро не получится. На это может уйти от нескольких часов до нескольких дней. Кроме того, замена узлов и компонентов в моноблоке является сложным процессом, и производить ее могут только обученные специалисты сервисной службы, имеющие достаточный опыт производства подобных работ. Таким образом, любой отказ конденсатора или платы питания приводит к полному выходу ИБП из строя на продолжительное время.

5. Низкое энергопотребление. Моноблочная система требует значительно больших энергозатрат, потому что она обладает большей избыточностью. Для сравнения, КПД модульной системы на начальном этапе существенно выше, чем у моноблока, поскольку возможно обеспечить более высокий уровень загрузки модульного ИБП. Это достигается посредством установки минимально необходимого числа силовых модулей на начальном этапе эксплуатации и наращивания дополнительных модулей по мере необходимости сообразно росту нагрузки. Например, для модульного ИБП на начальном этапе при нагрузке в 100 кВт потребуется три модуля по 50 кВт (с учетом обеспечения резервирования N + 1), а не установка моноблока на 500 кВт одномоментно. Для первого примера коэффициент использования составляет 0,67, а для моноблочного решения – 0,2. Далее с ростом нагрузки количество модулей увеличивается с шагом в 50 кВт. Также можно отметить, что модульная система тише и за счет более высокого КПД выделяет меньше тепла по сравнению с моноблоком.

6. Высокая надежность. Исходя из требований нагрузки, можно предусмотреть минимальное число компонентов, потеря которых не вызовет простоя системы, и обеспечить их избыточность за счет установки резервных модулей. При этом избыточность обеспечивается как для силовых узлов, так и для модулей управления или коммуникации, а также батарейных элементов.

Рис. 2. Замена модуля ИБП силами дежурного электрика ЦОД

Приведем наглядный пример из нашего опыта. На ИБП в результате отказа элемента вышел из строя один из модулей, и система мониторинга зафиксировала аварию. Однако на работоспособности всей системы это никак не сказалось, ведь мы потеряли только часть избыточного резерва, который в нормальном режиме не был задействован нагрузкой. В данном случае нам всего лишь потребовалось самостоятельно заменить вышедший из строя модуль и продолжить работу. При этом мы не только не потеряли часть системы бесперебойного электроснабжения одного из лучей, но и устранили неисправность своими силами в короткое время, не прибегая к помощи сервисной службы вендора, обеспечивающего скорость реакции в 4 часа.

7. Стоимость обеспечения резервирования для моноблочных систем несравнимо меньше. Так, чтобы обеспечить избыточность N + 1 модульной системы, вам необходим лишь один дополнительный модуль в 50 кВт, имеющий сравнительно невысокую стоимость. В случае использования моноблочных ИБП для обеспечения того же уровня резервирования вам потребуется дополнительный моноблок, по мощности эквивалентный основному, что существенно дороже.