массив электропитания

 

	массив электропитания - [Интент]
EN
FR

Для индивидуальных пользователей единственным устройством, реально нуждающимся в такой защите, является компьютер. В корпоративной среде, кроме ПК, в обеспечении качественного электропитания нуждаются серверы, коммуникационное оборудование вроде маршрутизаторов, коммутаторов и телефонных станций, а также, в зависимости от профиля компании, приборы автоматики, наблюдения и контроля, различные виды медицинского оборудования и т.п.

Особенности защиты электропитания в корпоративной среде

Как уже отмечалось, корпоративные и индивидуальные пользователи используют различные классы и типы ИБП. Кроме того, для защиты отдельно взятых компьютеров и корпоративных сетей применяются и принципиально разные подходы. Мелкие и даже средние компании, в которых насчитывается порядка десятка серверов и не более сотни компьютеров, для защиты серверов вполне могут применять системы On-Line.

Для крупных компаний, имеющих центры обработки данных с сотнями серверов, такой подход становится неприемлемым. Развертывание компьютерных центров неизбежно ставит перед руководством компаний и работниками инженерно-эксплуатационных служб нелегкую задачу выбора отказоустойчивого и масштабируемого решения, обеспечивающего необходимый запас надежности и мощности.

Еще на стадии проектирования любого информационного центра, жизненный цикл которого составляет в среднем от 6 до 15 лет, закладываются такие характеристики, как проектная мощность, установленная мощность, а также планируется ожидаемая нагрузка.

Проектная мощность информационного центра — это максимальная нагрузка для объекта в целом. Необходимое для обеспечения этой нагрузки электрооборудование может устанавливаться при первоначальной инсталляции информационного центра.

Установленной мощностью называется максимальная нагрузка для установленного оборудования электропитания. Естественно, что установленная мощность не может быть выше проектной.

Ожидаемая нагрузка, то есть потребляемая электрооборудованием мощность, как правило, изменяется с течением времени, что связано с постепенным вводом в эксплуатацию центра и с возможностью последующего прогнозируемого масштабирования.

При традиционном подходе к проектированию информационных центров установленная мощность оборудования электропитания не меняется с течением времени и лишь немногим меньше (или равна) проектной мощности. Иными словами, система с самого начала рассчитывается на некий конечный набор характеристик. Все необходимые для обеспечения работы информационного центра источники бесперебойного питания устанавливаются на начальном этапе, хотя ожидаемая нагрузка отнюдь не сразу будет соответствовать установленной мощности. Таким образом, в систему с самого начала закладывается определенная доля избыточности.

Причины, приводящие к возникновению избыточности инфраструктурных ресурсов, можно условно разделить на две категории: плановая избыточность и избыточность, возникающая в результате ошибок планирования.

Плановая избыточность возникает в результате того, что вычислительные центры проектируются в расчете на максимально возможную в будущем мощность потребления электроэнергии, а значения проектной и установленной мощности устанавливаются с некоторым превышением относительно конечной ожидаемой нагрузки. При этом иногда предполагается, что подсистема питания будет использоваться на неполную мощность, поскольку в таких условиях повышается надежность работы системы.

Избыточность, возникающая в результате ошибок, приводит к тому, что ожидаемая нагрузка превышает фактическую. Это своего рода перестраховка, которая, впрочем, позволяет в дальнейшем избежать непредвиденных капиталовложений, поскольку потери в случае выявления недостаточности инфраструктурных ресурсов настолько высоки, что риск подобного события необходимо исключить, ибо наращивание ресурсов в середине жизненного цикла обходится чрезвычайно дорого.

Чтобы оценить реальный масштаб проблемы избыточности инфраструктурных ресурсов, компания APC (American Power Conversion), мировой лидер по производству источников бесперебойного питания, провела исследования множества реальных объектов. В ходе исследований выяснилось, что за время жизненного цикла информационного центра значение ожидаемой нагрузки возрастает на 30%. Кроме того, фактическая нагрузка на момент ввода в эксплуатацию составляет, как правило, около 30% от ожидаемой нагрузки, а конечная фактическая нагрузка — около 30% от установленной мощности. Из приведенных данных следует, что типичный информационный центр проектируется с троекратным избытком инфраструктурных ресурсов, а на момент сдачи центра в эксплуатацию этот избыток близок к десятикратному.

Избыток инфраструктурных ресурсов, неизбежный при традиционном проектировании информационных центров, порождает и избыточные капиталовложения. Понятно, что для многих компаний такие излишние капиталовложения означают упущенные проекты и отсутствие новых инвестиций, что обойдется значительно дороже прямых потерь. В совокупности же такие излишние расходы на протяжении всего срока эксплуатации информационного центра составляют в среднем около 70% стоимости инфраструктуры электропитания.

Избыточность инфраструктурных ресурсов, свойственная традиционному подходу к проектированию информационных центров, может быть существенно снижена в том случае, если установленная мощность будет не константой, закладываемой на стадии проектирования, а гибко изменяющейся в зависимости от текущих потребностей характеристикой. Так почему же инфраструктура вычислительных центров должна выстраиваться сразу целиком (с запасом на будущее), вместо того чтобы наращиваться по мере увеличения нагрузки? На самом деле все не так просто, как может показаться. В действительности многие информационные центры строятся по многоэтапным схемам, рассчитанным на постепенное возрастание нагрузки. Например, развертывание оборудования электропитания часто осуществляется в несколько этапов; в некоторых случаях распределяется во времени установка резервных модулей ИБП; кроме того, в несколько этапов могут проводиться монтажные работы по прокладке ответвлений внутренней электросети. Все это позволяет получить определенную экономию общих затрат, однако в большинстве случаев отложенная установка дополнительного оборудования обходится настолько дороже его установки на начальном этапе, что при планировании центров отдают предпочтение традиционному подходу.

Для того чтобы инфраструктура вычислительных центров могла наращиваться по мере увеличения нагрузки, то есть была действительно адаптивной, ее следует изначально спроектировать с учетом адаптивной технологии. При разработке такой инфраструктуры как минимум должны быть учтены следующие требования:

• инфраструктура электропитания должна строиться по модульной архитектуре, то есть состоять из готовых модулей, в которых заранее предусмотрены все возможные варианты их применения;

• эти модули должны быть рассчитаны на транспортировку через стандартные дверные проемы и способны подключаться к системе без отключения электропитания;

• установка дополнительных модулей должна происходить без специальной подготовки помещений;

• система должна быть рассчитана на выбор конфигураций — как с резервированием, так и без него;

• процесс инсталляции должен исключать монтажные работы по прокладке кабелей, а также сверление стен и перекрытий.

Кроме того, при разработке такой адаптивной инфраструктуры необходимо учитывать, что ее стоимость вместе с расходами на эксплуатацию не должна существенно превышать стоимости и расходов на эксплуатацию аналогичной централизованной системы, так как в противном случае будет дискредитирована сама идея уменьшения избыточности инфраструктурных ресурсов с целью экономии капиталовложений.

При развертывании адаптивной инфраструктуры избыток мощности значительно сокращается по сравнению с традиционной архитектурой. Характерно, что установленная мощность наращивается с течением времени по мере увеличения фактической нагрузки, оставаясь при этом даже меньше ожидаемой нагрузки, что позволяет избежать ошибок планирования.

От теории к практике

Идея создания модульных систем защиты электропитания, лежащая в основе адаптивной технологии, не является чем-то новым. Такие модульные системы разрабатываются уже не первый год, однако реализовать действительно адаптивную систему защиты электропитания на данный момент удалось лишь компании APC. Эта адаптивная система, а точнее инфраструктура электропитания, получила название InfraStruXure. В рамках InfraStruXure более 70% ресурсов электропитания можно устанавливать постепенно, в соответствии с ростом потребностей информационного центра. На практике единственными частями подсистемы питания, реально требующими заблаговременного развертывания в максимальном объеме, являются входное коммутационное оборудование и главные распределительные щиты, параметры которых должны соответствовать конечному расчетному значению полной мощности. Сами же ИБП, батарейные модули, блоки распределения питания и проводка распределения питания имеют модульную архитектуру и развертываются по мере изменения фактической нагрузки.

А теперь, прежде чем перейти к детальному рассмотрению этой адаптивной инфраструктуры, обратимся к истории построения модульных систем.

 

День вчерашний

До недавнего времени одной из самых популярных серий ИБП, предназначенных для защиты ключевых серверов и информационных центров, была серия Matrix компании APC с мощностью до 3750 Вт. Новизна этого ИБП заключалась в полностью модульной архитектуре. Если во многих ИБП средних размеров даже незначительная внутренняя неисправность могла привести к выходу из строя всего источника питания и нарушить ход работы всех подключенных устройств, то в ИБП Matrix эта проблема решалась за счет изолирования неисправных компонентов в своего рода блок, который можно быстро диагностировать и заменить с минимальными затратами, причем даже без прекращения работы защищаемой системы. Помимо исключительной надежности, такой модульный подход помогал снизить затраты на эксплуатацию источника по сравнению с устройствами других марок. К тому же модульный ИБП Matrix можно было легко демонтировать или заменить на месте без отключения питания от предохраняемых устройств. Все приводило к существенному уменьшению среднего времени замены (одна из важнейших характеристик ИБП) — с нескольких дней или недель до нескольких минут.

Другой особенностью Matrix была возможность практически неограниченного наращивания емкости батареи (что, естественно, увеличивало время работы источника в аварийном режиме) путем подключения дополнительных батарей. При этом не требовалось менять остальные модули Matrix.

Чтобы обеспечить наивысшую надежность, батареи в ИБП Matrix соединялись параллельно, в то время как во многих других источниках использовалось последовательное соединение, при котором выход из строя одной батареи делает все остальные совершенно бесполезными.

И еще одним новшеством, реализованным в свое время в устройствах Matrix, стала возможность централизованного управления источниками по локальной сети.

Таким образом, ИБП серии Matrix представляли собой весьма универсальное решение для обеспечения надежного и качественного электропитания. Эти ИБП были достаточно мощными для того, чтобы урегулировать все проблемы, связанные с электропитанием, и достаточно экономичными, чтобы сохранить капиталовложения. Кроме того, возможность сетевого управления этими источниками позволяла частично реализовать идею комплексного подхода к централизованному управлению системой электроснабжения.

 

День сегодняшний

Принципы, заложенные в ИБП Matrix, получили свое логическое продолжение в ИБП нового поколения корпорации APC под названием Symmetra. Следует сказать, что Symmetra — это не просто мощный ИБП, а целый массив электропитания, разработанный для построения масштабируемых и отказоустойчивых систем. Массив электропитания представляет собой единый блок, состоящий из отдельный модулей. Такая архитектура является основой для компоновки и последующего расширения практически безотказных систем электропитания с гибким диапазоном мощности. При этом массив электропитания Symmetra обладает четырьмя важными отличительными особенностями, делающими его незаменимым для защиты центра обработки данных, — избыточностью, масштабируемостью, управляемостью и удобством в обслуживании.

Система Symmetra выпускается в различных вариантах: с мощностью от 2 до 12 кВ·А (модели серии Symmetra RM для монтажа в стандартный 19-дюймовый шкаф) и в башенном исполнении с мощностью от 4 до 16 кВ·А. Модели серии Symmetra RM способны обеспечить защиту от 5 до 30 серверов от всех аномальных явлений в электропитании и поддерживают возможность удаленного управления.

Массив электропитания Symmetra отличается избыточностью, что в значительной степени повышает безотказность системы и соответственно увеличивает коэффициент доступности защищаемого оборудования. Суть этой избыточности заключается в том, что в массиве электропитания наличествует больше модулей, чем реально необходимо для работы системы при полной нагрузке. Благодаря новой технологии распределения электроэнергии все модули в действуют параллельно и при этом равномерно распределяют между собой нагрузку. При выходе из строя одного модуля остальные берут на себя его работу. Таким образом, все модули поддерживают друг друга.

Итак, если N — это количество модулей, необходимых для работы системы при полной загрузке, то избыточность, равная N + 1, предусматривает наличие одного избыточного модуля. Массив электропитания Symmetra обеспечивает избыточность N + 1. Например, если нагрузка составляет 6 кВ·А, избыточность N+1 достигается с помощью четырех модулей электропитания, каждый из которых рассчитан на мощность 2 кВ·А. Понятно, что для поддержания нагрузки достаточно использовать не четыре, а три модуля, то есть один является избыточным. Если один модуль выйдет из строя или будет удален, остальные три модуля сразу же начнут поддерживать полную нагрузку. При этом не имеет значения, какой модуль вышел из строя, потому что все модули постоянно действуют и поддерживают нагрузку.

Другой важной особенностью массива электропитания Symmetra является его масштабируемость, которая способствует сохранению инвестиций, позволяя наращивать и реконфигурировать систему защиты электропитания посредством установки или удаления модулей. Поскольку массив электропитания Symmetra состоит из распределяющих между собой нагрузку модулей, его можно легко компоновать и реконфигурировать. Для повышения вычислительной мощности центра обработки данных следует установить дополнительные модули электропитания, а чтобы увеличить время автономной работы в аварийном режиме, необходимо установить дополнительные батарейные модули. Если же система переносится на новое место, нужно всего лишь переставить модули из одного массива электропитания в другой. Все изменения можно произвести во время работы систем, которые при этом будут по-прежнему надежно защищены. Установив дополнительные стойки для батарей, можно неограниченно увеличивать время работы.

Естественно, что массив электропитания, предназначенный для защиты информационных центров, должен иметь средства мониторинга и контроля. Управляемость массива Symmetra позволяет использовать существующее программное обеспечение и вспомогательные устройства для управления и контроля за электропитанием и средой, а также для корректного отключения большого количества серверов или для перезагрузки отдельных машин. 

Будучи интеллектуальным устройством, Symmetra выполняет самодиагностику и автоматически уведомляет о возникающих проблемах. Благодаря избыточности эта система продолжает работать в течение всей процедуры обслуживания без понижения уровня своей защищенности.

 

Инфраструктура электропитания InfraStruXure

Силовой массив APC Symmetra, обладающий модульной архитектурой, позволяет создавать масштабируемые системы, предоставляя нужную мощность по мере необходимости. Однако данная система не совсем удовлетворяет требованиям полностью адаптивной инфраструктуры электропитания. В широком смысле под инфраструктурой электропитания следует понимать не только непосредственно модульные источники бесперебойного питания, но и систему кондиционирования, шкафы для монтажа оборудования от ведущих производителей, распределительные щиты, кабели и т.д. В связи с этим создать полноценную адаптивную систему электропитания можно только посредством реализации модульного подхода ко всей инфраструктуре.

Такой комплексный подход к организации электропитания был впервые осуществлен в 2002 году, когда корпорация APC представила на рынке архитектуру PowerStruXure — решение, упрощающее построение инфраструктуры электропитания за счет использования готовых модульных «строительных блоков», включающих средства электропитания и управления. А через год, опираясь на приобретенный опыт, APC представила следующее поколение PowerStruXture — архитектуру InfraStruXure, которая также включает системы охлаждения и кондиционирования.

Специфика системы InfraStrruXure состоит не столько в применении принципиально новых элементов, сколько в особом подходе, позволившем реализовать адаптивную систему. Фактически, InfraStrruXure — это не законченная система, не подлежащая изменению, а своеобразный «конструктор», позволяющий создавать индивидуальные решения путем подбора необходимых стандартных компонентов. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает надежность, доступную цену и предсказуемость, а с другой — допускает высокую степень индивидуализации для решения конкретных проблем. 

InfraStruXure представляет собой открытую адаптивную архитектуру, масштабируемую по мере построения ИТ-инфраструктуры. Данная архитектура обеспечивает полную интеграцию электропитания, охлаждения и кондиционирования, управления и обслуживания на базе инфраструктуры, оптимизированной для оборудования, которое размещается в стойках.

Собственно инфраструктура состоит из трех базовых элементов: блоки электропитания, шкафы для монтажа оборудования (стойки) серии NetShelter VX и система кондиционирования. Для построения инфраструктуры можно использовать все три элемента InfraStruXure или на время ограничиться только одним. В любом случае InfraStruXure позволяет развивать систему на основе уже осуществленных инвестиций. 

Блоки электропитания включают модульные источники бесперебойного питания, блоки распределения питания, аккумуляторные стойки, коммутаторы нагрузки и т.д.

Шкафы-стойки серии NetShelter VX имеют полностью вентилируемые переднюю и двойные задние двери, снимаемые боковые панели, обеспечивающие удобство доступа к содержимому. Крепления кабелей на задней панели позволяют осуществлять их маршрутизацию, а также устанавливать блоки распределения электропитания PDU (Power Distribution Unit) вертикальной конструкции.

Контроль текущих параметров работы системы производится посредством блока мониторинга с цепями управления, позволяющего отслеживать температуру и влажность на уровне отельной стойки с оборудованием.

Для повышения уровня готовности служит специальный коммутатор нагрузки высотой 1 U, который, будучи смонтирован в стойку с двумя силовыми входами, осуществляет автоматическое подключение используемого оборудования к источнику питания. Мощность коммутатора рассчитана на использование на уровне стойки, а возможность задания пользовательских параметров позволяет гибко настраивать схемы питания.

Специальный выпрямитель предназначен для топологий со смешанным электропитанием (постоянный и переменный ток одновременно). Кроме того, он упрощает обслуживание, позволяя отказаться от эксплуатации отдельной электропитающей установки постоянного тока.

Архитектуры InfraStruXure предусматривают возможность применения информационного контроллера, который является сервером высотой 1 U. Это устройство собирает информацию от различных компонентов подсистем APC и обеспечивает управляющему персоналу компьютерных центров возможности мониторинга системы и получения уведомлений при возникновении неполадок в системе питания.

Информационный контроллер предоставляет следующие возможности:

• автоматическое исследование компонентов подсистем InfraStruXure и отображение информации о состоянии всей системы;

• настройка пользователем уведомлений на основе электронной почты с разделением степени важности тревожных сигналов, генерируемых компонентами подсистем;

• фиксация поступивших сообщений вместе с информацией о дате и времени и их запись в динамический журнал событий, что позволяет управляющему персоналу компьютерного центра выяснить истинную причину возникновения неполадок.

Система кондиционирования может включать в свой состав кондиционеры APC NetworkAIR FM, блоки откачки воздуха с системой труб и блоки распределения воздуха.

Основой системы охлаждения является кондиционер APC NetworkAIR FM. Работая в комплексе с другими компонентами архитектуры InfraStruXure, кондиционер позволяет предотвратить перегрев и увеличить общий уровень готовности ответственного оборудования центра обработки данных. Карта сетевого управления APC Network Management Card, являющаяся частью NetworkAIR FM, обеспечивает интеллектуальные функции NetworkAIR FM и возможность управления по сети. Администратор службы ИТ или центра обработки данных может удаленно контролировать состояние и работоспособность устройства с помощью программного обеспечения или стандартного Web-браузера.

В зависимости от потребностей заказчика реализуемая инфраструктура InfraStruXure может быть одного из трех типов: A, B или C. Различия между этими типами состоят в необходимой мощности решения, в количестве устанавливаемых стоек и в наборах элементов, из которых формируется система.

InfraStruXure типа «A» является наиболее простой и предназначена для небольших информационных центров или серверных комнат. Системы типа «A» состоят из готовых стандартных компонентов. В данном случае используется от 1 до 10 стоек NetShelter VX. В качестве блоков электропитания в InfraStruXure типа «A» применяются ИБП Smart-UPS RM мощностью 1500/3000 В·А (если требуется установка не более трех стоек) или уже рассмотренный нами силовой массив Symmetra RM мощностью до 12 кВт. Кроме того, используются блоки распределения питания для монтажа в стойку и блоки мониторинга состояния окружающей среды. Система кондиционирования в InfraStruXure типа «A» может быть построена на основе блока откачки воздуха с системой труб и кондиционера NetworkAIR PA. 

Системы InfraStruXure типа «B» предназначены для крупных информационных центров и включают от 10 до 100 стоек NetShelter VX с блоками распределения питания и блоками мониторинга состояния. Такие системы конфигурируются по заказу компанией APC или ее сертифицированным реселлером в точном соответствии с требованиями клиентов. При установке от 10 до 60 стоек в качестве блоков электропитания используется силовой массив Symmetra PX мощностью 40 кВт, а при установке от 60 до 100 стоек — Symmetra PX 80 кВт. Система кондиционирования и вентиляции может включать, кроме самого кондиционера NetworkAIR FM, блок откачки воздуха с системой труб и блок распределения воздуха.

Системы InfraStruXure типа «С» предназначены для очень крупных информационных центров и включают более 100 стоек NetShelter VX с блоками распределения питания. Как и системы типа «B», такие системы конфигурируются по заказу компанией APC или ее сертифицированным реселлером в точном соответствии с требованиями клиентов. В качестве блоков электропитания используются ИБП Symmetra MW мощностью от 400 до 1000 кВт, которые можно объединять между собой и создавать конфигурации с практически неограниченной мощностью, и отдельные аккумуляторные стойки. В состав системы кондиционирования входят блок откачки воздуха с системой труб, кондиционер NetworkAIR FM и блок распределения воздуха.

Конкретная архитектура зависит от планируемой мощности нагрузки и площади помещения, а также может быть гибридной, то есть сочетать в себе сразу несколько типов. Отметим, что сегментирование потребительского рынка позволяет ускорить процесс внедрения архитектуры в соответствии с нуждами конкретного заказчика, причем с обязательным сохранением ее универсальности и высокой масштабируемости.

 

Пример использования InfraStruXure

Несмотря на то что указанная архитектура еще относительно молода, уже есть немало случаев ее успешного внедрения, в том числе в России. В качестве конкретного примера можно привести внедрение архитектуры InfraStruXure в Центре компетенции по UNIX-технологиям, открывшемся 20 мая этого года в Санкт-Петербурге.

Как и любое решение InfraStruXure, система АРС в Центре компетенции обеспечивает полную интеграцию электропитания, управления и обслуживания и позволяет создать полностью адаптированную для условий Центра систему, а в дальнейшем может наращиваться за счет добавления стандартных модулей и компонентов.

В настоящее время система InfraStruXure состоит из шкафов NetShelter VX, из ИБП Symmetra PX c тремя батарейными и тремя силовыми модулями по 10 кВ·А, включенными по схеме резервирования N + 1, из шкафа распределения питания (PDU), а также из различных необходимых аксессуаров и программного обеспечения АРС для комплексного управления системой.

В Центре компетенции используется следующее оборудование:

• серверы F6800 (Server Base), 4800 (Server Base) и Sun Enterprise 4500;

• хранилище данных Sun StorEdge 9970 производства Sun Microsystems и Hitachi Data Systems;

• корпоративные дисковые массивы Sun StorEdge T3ES для демонстрации и обучения базовым технологиям хранения данных;

• серверы Sun Fire 280 для организации кластерного стенда;

• ленточная библиотека Sun StorEdge L180 Library Base.

Глава московского представительства АРС Максим Иванов сказал: «Мы считаем отрадным тот факт, что компания Lynx BCC применила в Центре компетенции по UNIX-технологиям решение АРС InfraStruXure, став одним из первых партнеров АРС, осознавших преимущества нового системного подхода к защите электропитания. Центр компетенции, на наш взгляд, является чрезвычайно актуальным проектом, поскольку наглядно демонстрирует нашим партнерам и заказчикам важность перехода на новую архитектуру и необходимость ускорения процесса внедрения новых технологий».

[http://www.compress.ru/article.aspx?id=11829&iid=460]