Opções de Alimentação do Rack para Configurações de Alta Densidade em Países de 230 VCA

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1 Opções de Alimentação do Rack para Configurações de Alta Densidade em Países de 230 VCA White Paper 28 Revisão 1 por Neil Rasmussen > Sumário Executivo As alternativas para fornecer energia elétrica para Conteúdo clique em uma seção para ter acesso a ela Introdução 2 racks de alta densidade em data centers e salas de rede Métodos históricos de são explicadas e comparadas. Os problemas resolvidos alimentação de racks 2 incluem a quantidade de fontes de alimentação, monofásico x trifásico, o número e a localização dos Requisitos de alimentação 3 disjuntores, a sobrecarga, a escolha de tipos de de racks conector, a escolha da tensão, a redundância e a perda Escolha do sistema de de redundância. A necessidade de adaptação do distribuição de energia 11 sistema de alimentação de rack aos requisitos variáveis aproprado é identificada e quantificada. São definidas diretrizes para sistemas de alimentação de rack que podem Arquitetura de energia 15 adaptável para gabinetes fornecer energia de modo confiável para cargas de de rack alta densidade, adaptando-se ao mesmo tempo às necessidades em constante mudança. Conclusão 17 Recursos 18 Anexo 19 by Schneider Electric White Papers são parte da livraria de White papers Schneider Electric, produzidos pelo centro científico de data centers Schneider Electric DCSC@Schneider-Electric.com

2 Introdução As atualizações de tecnologia da informação (TI) no data center e na sala de rede normalmente ocorrem a cada dois ou três anos.como o equipamento é mudado o requisito de energia, o requisito de redundância e o requisito de conector também costumam mudar com a alteração do equipamento. À medida que os gabinetes de rack se transformam no método padrão para armazenar e organizar sistemas de computação e comunicação, o sistema de distribuição de energia do gabinete do rack deve se adaptar a esses requisitos variáveis. As estimativas de densidade de energia para racks em data centers aumentaram significativamente devido à alta densidade de potência das últimas gerações dos equipamentos de computação. Equipamentos de TI prontos para usar como servidores 1U ou servidores blade podem consumir 20 kw ou mais em um rack totalmente configurado. Essa densidade não pode ser suportada em um ambiente de data center onde o rack médio é alimentado por um único circuito de energia de 230 V e 10 A. Para suportar uma carga de 20 kw em um ambiente elétrico de caminho duplo, seriam necessários 20 circuitos desse tipo por rack. Os requisitos de energia dos modernos equipamentos de computação variam em função do tempo dependendo da carga computacional. Até o ano 2000, essa variação era muito pequena e podia ser ignorada para quase todos os sistemas de computação e comunicação. No entanto, a implementação de tecnologias de gerenciamento de energia nos processadores e servidores começou durante o ano Hoje em dia, a quantidade dos equipamentos de computação que têm uma variação significativa no consumo de energia em resposta à carga computacional está aumentando. Essa variação pode ser 200% mais alta do que o consumo básico de energia do equipamento. O design do sistema de distribuição de energia de um gabinete de rack deve levar essa variação em conta. Link para a fonte White Paper 63 CA x CC para Data Centers e Salas de Rede Este documento enfatiza a distribuição de energia CA para o rack. A distribuição de energia CC tem um papel muito limitado nos modernos data centers de alta densidade, conforme explicado no white paper 63, CA x CC para data centers e salas de rede. Este documento se limita a uma discussão sobre padrões de conector e sistemas de distribuição de 230 V. A estratégia apropriada para distribuição de energia para racks é significativamente diferente para os sistemas de distribuição de 120 V, que predominam na América do Norte. Métodos históricos de alimentação de racks A abordagem mais comum hoje é projetar, elaborar a engenharia e instalar soluções de energia específicas para um gabinete de rack. Caso os requisitos desse gabinete de rack mudem, uma solução de energia alternativa deverá ser projetada, arquitetada e instalada. Embora essa abordagem possa abranger qualquer requisito de energia exclusivo, ela envolve uma quantidade significativa de planejamento, engenharia e reestruturação elétrica. Os gabinetes de rack normalmente são alimentados por um painel de distribuição de energia comum no data center ou na sala de rede. Em muitos casos, esse painel não pode ser desenergizado para adaptar um sistema de distribuição de energia de gabinetes de rack (isto é, instalar outro disjuntor). O resultado é conhecido como trabalho quente e não só gera um perigo de segurança muito grave, mas também um alto nível de risco de criar uma falha no circuito operacional e/ou deslocar/danificar os circuitos elétricos adjacentes. Esses erros resultam em um tempo de inatividade indesejável. Teoricamente, o sistema de energia do gabinete do rack deveria ser adaptável a qualquer combinação realisticamente possível de equipamentos, sob demanda, sem a necessidade de realizar nenhum trabalho que prejudicasse a segurança ou pudesse afetar a disponibilidade do sistema de modo adverso. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 2

3 Requisitos de alimentação de racks As diversas dimensões dos requisitos de energia do gabinete do rack são resumidas nas próximas seções. A natureza dos requisitos é descrita e as abordagens da lógica do projeto são resumidas. Requisitos de tensão Na maior parte do mundo, os data centers são alimentados com 230 V. Isso simplifica muito a distribuição de energia em comparação com os data centers na América do Norte. A escolha de 230 V como um único padrão de tensão para o data center garante a compatibilidade com mais de 97% dos equipamentos, incluindo os equipamentos mais críticos. Para alguns equipamentos, é necessário mudar a fonte de alimentação de 120 V para operações de 230 V com um interruptor seletor. Se esse interruptor não for ativado no equipamento, poderá ocorrer uma falha catastrófica quando o sistema receber 230 V. Os 3% dos equipamentos que são alimentados somente com 120 V podem ser excluídos do data center porque, em quase todos os casos, esses dispositivos são pequenos equipamentos acessórios que possuem substitutos aceitáveis e prontamente disponíveis que funcionarão com 230 V. O ambiente do rack é monofásico. Há uma quantidade insignificante de equipamentos de TI montados em rack fabricados que precisam de alimentação trifásica (algumas marcas de servidores blade são exemplos notáveis). Ocasionalmente, um gabinete de rack OEM préconfigurado é instalado com uma unidade de distribuição de energia (PDU) interna que fornece alimentação trifásica e três terminais de alimentação monofásica para as cargas de TI monofásicas. É importante observar que essas cargas de TI são realmente monofásicas. Apesar da ausência de cargas trifásicas, vale ressaltar que a alimentação trifásica deve ser distribuída para os racks, como será mostrado posteriormente neste documento. Requisitos de energia As densidades de energia no gabinete do rack podem variar muito dependendo do equipamento instalado. No caso de carga extremamente baixa, o gabinete do rack só pode ter painéis de conexão passivos ou alguns switches de Internet que consomem menos de 100 W. No caso de carga extremamente alta, o gabinete do rack pode ser totalmente preenchido com servidores de alta densidade, com uma carga total de 20 kw ou mais. Além de satisfazer o requisito de energia do rack total, o sistema de alimentação do rack também deve fornecer a energia necessária para um dispositivo individual. Enviar vários circuitos derivados para um rack pode dar a impressão de fornecer o requisito de energia total, mas o requisito de energia de uma grande carga individual pode ultrapassar a capacidade de qualquer derivação. Por exemplo, enviar qualquer número de circuitos derivados de 10 A para um rack em que uma única peça do equipamento requer 16 A não é suficiente. Outro exemplo é um chassi de blade com um conector de 16 A que, inicialmente, pode ser preenchido somente com alguns blades e usar 5 A em um circuito de 16 A. Alguns clientes talvez acreditem que podem colocar vários chassis de blade em um único circuito de 16 A, mas à medida que preenchem o chassi, eles sobrecarregam o circuito. Em casos como esse, é recomendado conectar somente um dispositivo de carga a cada circuito derivado. O valor do projeto apropriado para o nível médio de energia do rack é um assunto que gera controvérsias significativas. Uma pesquisa de 2004 da Schneider Electric sobre os padrões de uso em data centers, salas de rede e salas de comunicação corporativos identificou a distribuição do consumo de energia por rack mostrada na Figura 1. Esse gráfico mostra a frequência da ocorrência dos racks configurados para diferentes níveis de energia. A frequência da ocorrência diminui com o aumento do nível de energia. Noventa e cinco por cento dos racks consomem menos de 6,5 kw de energia. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 3

4 Uma projeção do uso em 2008 (com base nas tendências de tecnologia/cliente) também é mostrada na Figura 1. Isso indica que a energia média por rack aumenta ao longo do tempo. Hoje em dia, é possível configurar equipamentos de TI que ultrapassam o requisito de energia de 20 kw por rack se totalmente preenchidos em um gabinete de rack. Embora possa ser atingida, essa ocorrência não é frequente em instalações reais. Os dados coletados indicam que a densidade de energia média por gabinete de rack aumentará significativamente. No entanto, densidades de energia superiores a 6 kw ainda permanecerão em uma pequena fração da base instalada. 15% Dados de 2004 Figura 1 Distribuição da frequência de consumo de energia por rack 10% 5% Projeção de % Por Energia do Rack kw Uma análise dos dados subjacentes da distribuição de energia do rack indica o seguinte: As cargas muito baixas são principalmente gabinetes de rack com painéis de conexão elétrica, switches e hubs As cargas na faixa de 1 kw são principalmente gabinetes de rack preenchidos de modo esparso As cargas na faixa de 2 a 3 kw são principalmente gabinetes de rack preenchidos com equipamentos típicos, mas com um espaço do rack significativo não preenchido As cargas na faixa de 5 kw são parcialmente carregadas com servidores 1U ou contêm uma mistura de tecnologias As cargas na faixa de mais de 7 kw são raras, mas, de acordo com os clientes, estão ficando mais comuns com os recentes aumentos de densidade resultantes dos avanços de tecnologia de servidor O valor médio do consumo de energia do rack em ambientes computacionais corporativos é aproximadamente 1,7 kw. No entanto, constatou-se que as organizações têm um consumo médio de energia variável no ambiente do gabinete do rack geral. Essas organizações adotam abordagens diferentes com relação à quantidade de equipamentos colocados em um gabinete de rack. Algumas deixam grandes quantidades de espaço no gabinete do rack sem utilização, enquanto outras podem colocar o máximo possível de equipamentos. Desse modo, o consumo médio de energia do rack do mercado não é necessariamente um bom indicador do consumo médio de energia do rack em uma organização. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 4

5 Os circuitos elétricos entre o último protetor de sobrecorrente e o equipamento são chamados de circuitos derivados. Na maioria dos países de 230 V, praticamente todos os circuitos derivados dos gabinetes de rack têm classificação nominal de 16 A 1. Mesa 1 Limitações de energia de circuitos derivados Voltagem Classificação de corrente derivada máxima Capacidade de kw máxima por ramo Energia do rack total para 1/2/3/4 circuitos derivados 230 V 16 A 3,7 kw 3,7 / 7,4 / 11 / 14,7 A energia máxima disponível para o gabinete do rack depende do número e do tipo de circuitos derivados fornecidos no gabinete do rack. Claramente, o número de circuitos derivados precisará ser maior do que um para oferecer suporte à densidade de energia da tecnologia de TI atual e futura. Combinando os dados da Mesa 1 e os dados da Mesa 2, as seguintes conclusões podem ser tiradas: Um único circuito derivado de 230 V pode fornecer o requisito de carga para os gabinetes de rack mais comuns de hoje, mas isso não será válido no futuro. Os circuitos derivados de 230 V podem fornecer o requisito de carga para aproximadamente 98% dos gabinetes de rack hoje, mas somente 90% dos racks no futuro. Três circuitos derivados de 230 V podem fornecer o requisito de carga de praticamente todos os gabinetes de rack hoje, e ainda mais de 98% no futuro. Link para a fonte White Paper 46 Estratégias de Refrigeração para Racks e Servidores Blade de Densidade Ultra-alta A impossibilidade de fornecer circuitos derivados suficientes para um gabinete de rack não impede a operação do sistema. Se o rack tiver capacidade de distribuição de energia insuficiente, é possível diminuir a energia consumida por um gabinete de rack removendo o equipamento do rack e transferindo-o para outro gabinete. No entanto, a consequência será a diminuição da utilização do espaço. Para um gabinete de rack ocasional, isso não é um problema grave. Os custos e benefícios da distribuição das cargas no data center são discutidos no white paper 46, Estratégias de refrigeração para racks e servidores blade de ultra-alta densidade. Um sistema de alimentação de gabinete do rack adaptável seria capaz de fornecer energia suficiente para alimentar a carga máxima prevista de qualquer gabinete de rack a qualquer momento sem reestruturar o sistema de alimentação. Dois circuitos derivados de 230 V por gabinete de rack são um aspecto prático do projeto, com a possibilidade de adicionar mais circuitos com facilidade conforme necessário. 1 Os circuitos de 25 A e 32 A também são enviados para o rack, mas esses circuitos são circuitos do alimentador e não circuitos derivados porque precisam de disjuntores adicionais no rack, conforme descrito nas próximas seções. Poucos dispositivos de rack podem utilizar diretamente um circuito derivado de 25 A ou 32 A; geralmente, são blades, roteadores, dispositivos de armazenamento ou servidores independentes. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 5

6 Requisitos de redundância O fornecimento de redundância e/ou tolerância a falhas no sistema de alimentação pode aumentar a disponibilidade de um sistema de computação. Em ambientes de alta disponibilidade, uma maneira comum de fornecer redundância é oferecer duas conexões elétricas independentes para cada peça do equipamento de computação. O equipamento, por sua vez, aceita as duas fontes de alimentação por meio de conexões paralelas independentes que são dimensionadas para que o equipamento continue funcionando com apenas uma conexão elétrica. Esse sistema tem as seguintes vantagens importantes: Se uma fonte de alimentação falhar, o sistema continuará funcionando Se uma conexão elétrica falhar devido ao mau funcionamento do equipamento, o sistema continuará funcionando Se uma conexão elétrica falhar devido a um erro do usuário, o sistema continuará funcionando Se a fonte de alimentação falhar de um modo que danifique a conexão elétrica e os disjuntores, o equipamento que compartilha o disjuntor não será afetado. Se uma conexão elétrica precisar ser desligada para manutenção ou atualização, o sistema continuará funcionando Para que essa abordagem seja eficiente, os seguintes requisitos devem ser satisfeitos: 1. O equipamento protegido deve funcionar com conexões elétricas duplas e funcionar com uma conexão com falha 2. O carregamento dos disjuntores de cada circuito sempre deve ser inferior a 50% da classificação de desligamento durante condições normais, para que o aumento da carga que acompanha a falha do circuito alternativo não provoque o desligamento dos disjuntores. Isso também ajuda a evitar o desligamento do circuito alternativo devido a condições de baixa tensão de linha. Link para a fonte White Paper 48 Comparação de Disponibilidade de Várias Configurações de Redundância de Alimentação do Rack Satisfazer esses dois requisitos pode ser muito difícil. Alguns equipamentos de computação só estão disponíveis com um único cabo de alimentação. Existem também equipamentos fabricados com três cabos de alimentação, onde quais dois são necessários para o funcionamento adequado. Esses tipos de equipamento não funcionam com a perda de uma conexão elétrica. Nesses casos, um switch de transferência automática (ATS) pode ser usado para gerar uma única conexão a partir de duas entradas. Esse ATS pode ser implantado centralmente ou pode ser implantado de modo distribuído colocando o ATS de montagem de racks pequenos no gabinete com o equipamento protegido. Para obter mais informações, consulte o white paper 48, Comparação da disponibilidade de várias configurações de redundância de alimentação do rack. Um sistema de alimentação do gabinete do rack adaptável seria capaz de suportar um ambiente de conexão única ou dupla ou um híbrido de equipamentos únicos e duplos. Além disso, é necessário monitorar a corrente para garantir que todos os circuitos sejam carregados com menos de 50% da capacidade a fim de impedir o encerramento do disjuntor durante a perda de um circuito elétrico. Requisitos de proteção de sobrecarga Um dos conceitos mais mal interpretado da distribuição de energia é a proteção de sobrecorrente dos circuitos derivados. Cada circuito derivado de um gabinete de rack deve ser alimentado por um disjuntor independente, e um gabinete de rack típico precisará de vários circuitos derivados. A Figura 2 ilustra os métodos comuns de distribuição de energia para o rack, mostrando diferentes configurações de circuitos derivados. Na Figura 2a, um único Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 6

7 circuito derivado alimenta um rack. No sistema de 10 A, essa disposição se limita à capacidade máxima de 2,3 kw a 230 V. Para atingir uma energia mais alta, são necessários vários circuitos derivados ou um disjuntor maior e um condutor. Existem duas opções para fornecer vários circuitos derivados para um gabinete de rack, e elas são mostradas nas Figuras 2b e 2c. Figura 2 Ilustração dos métodos de fornecimento de circuitos derivados para o rack, mostrando maneiras alternativas de fornecer vários circuitos derivados para um rack 2a. WHIP 2a. Circuito derivado único para o rack PDU RACK 2b. Várias ramificações: geram os circuitos derivados necessários no PDU WHIP WHIP 2c. Várias ramificações: geram os circuitos derivados necessários no rack PDU RACK PDU RACK 2b. 2c. As disposições das Figuras 2b e 2c são capazes de fornecer a mesma energia, mas com uma configuração diferente de fiação e disjuntor. Observe que, na Figura 2b, o conduíte ou cabo contém vários circuitos derivados. Essas alternativas aumentam as vantagens e desvantagens significativas, conforme resumido na Mesa 2. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 7

8 Mesa 2 Comparação das duas opções para fornecer vários circuitos derivados para um gabinete de rack Número de conexões Localização dos disjuntores Vantagens Desvantagens Menos disjuntores no total Nenhum problema de coordenação com falha Cada ramificação pode ser usada até a capacidade máxima A conexão ao rack pode ser automática Geram os circuitos derivados necessários no PDU Uma conexão por circuito derivado necessário Somente PDU Mais posições de disjuntor necessárias no PDU Mais disjuntores para monitorar a sobrecarga. Coordenação com falha. As ramificações não podem ser usadas até a capacidade máxima. Mais disjuntores na série reduzem a confiabilidade. A conexão talvez precise ser integrada. Pequena falha de eficiência elétrica devido a perdas nos disjuntores adicionais. Geram os circuitos derivados necessários no gabinete do rack Menos conexões por voltagem necessárias no gabinete do rack Disjuntores de alimentação no PDU Disjuntores derivados localizados no gabinete do rack Menos conexões ao rack Menos disjuntores no PDU O resumo da Mesa 2 sugere que há uma vantagem significativa em evitar a necessidade de gerar circuitos derivados no gabinete do rack. A maioria dos usuários que enviam 25 A ou circuitos maiores para os racks não entende que esses circuitos são circuitos do alimentador e não circuitos derivados. Quando cabos de 25 A (ou mais) são usados, os circuitos derivados de 16 A típicos necessários para alimentar receptáculos devem ser fornecidos pelos disjuntores derivados localizados nos racks. Um sistema de alimentação de rack adaptável eliminaria a necessidade de integração, disjuntores em cascata e análises de coordenação do disjuntor, o que indicaria uma abordagem preferencial de vários circuitos derivados por rack. O ideal seria fornecer várias ramificações usando um único cabo de vários condutores para o rack a fim de simplificar a fiação do rack. Requisitos de conector Mais de 99,99% de todos os equipamentos com alimentação CA usados em gabinetes de rack são conectados com um cabo de alimentação e um plugue (uma fração insignificante é integrada). Além disso, 99% de todos os equipamentos de TI do data center utilizam um cabo de alimentação destacável, ou seja, o tipo de plugue pode ser alterado. Os fornecedores OEM aproveitam isso ao criar sistemas de rack completos e geralmente instalarão cabos com plugues de alimentação compatíveis com IEC (anteriormente IEC-320) em todos os equipamentos do gabinete do rack, junto com um filtro de linha estilo IEC O benefício disso é a possibilidade de usar uma única configuração no mundo todo. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 8

9 Internacionalmente, a análise estatística aproximada da frequência da ocorrência para tipos de plugue IEC é fornecida na Mesa 3: Mesa 3 Frequência da ocorrência de tipos de conector IEC em equipamentos de TI Frequência Tipo de conector Descrição Onde utilizado 80% 16% 1% IEC (anteriormente IEC-320) C-14 (macho) C-13 (fêmea) IEC (anteriormente IEC-320) C-20 (macho) C-19 (fêmea) IEC (anteriormente IEC-309) 3% Outros IEC 230 V 10 A (monofásico) 230 V 16 A (monofásico) Várias classificações de corrente de 230 V (monofásica e trifásica) Várias classificações de corrente de 230 V (monofásica) Pequenos servidores, hubs, switches de departamento, monitores, blocos de energia, servidores corporativos, roteadores, alguns servidores blade, grandes servidores de departamento Servidores corporativos, roteadores, alguns servidores blade, grandes servidores de departamento Servidores corporativos, roteadores de operadora, equipamento de armazenamento Pequenos servidores, hubs, switches de departamento, monitores, blocos de energia Os plugues variam de acordo com o país, mas, diferente da América do Norte, a maioria dos países usa uma única tensão de serviço e, assim, a maioria dos cabos de alimentação tem a classificação nominal de 230 V 16 A. Isso significa que um único tipo de plugue serve para a maioria das aplicações, desde pequenos hubs até servidores corporativos. Infelizmente, em vez de usar plugues IEC para alimentar os equipamentos, muitas equipes de TI usam plugues específicos do país (isto é, Shuko ou UK) e aproveitam todas as vantagens da padronização. Os motivos para isso incluem o fato de que alguns fornecedores de equipamento não incluem cabos de alimentação com conectores IEC para IEC nas duas extremidades. Mesmo quando esse cabos IEC são incluídos, às vezes, eles são descartados e o cabo específico do país é utilizado. Na realidade, os benefícios da padronização são tão mau interpretados que, quando somente cabos IEC para IEC são fornecidos, algumas equipes de TI solicitam cabos específicos do país para o fornecedor. Link para a fonte White Paper 116 Padronização e Modularidade na Infraestrutura Física do Data Center Adotando como padrão tipos de plugue IEC, PDUs e UPSs, os gerentes de TI facilitam as atualizações de TI tendo um esquema de energia previsível em que praticamente todos os equipamentos de montagem em rack são alimentados com um receptáculo C13 ou C19. Esse benefício é ainda mais valioso quando vários data centers são gerenciados em diversos países. Por exemplo, a aquisição de PDUs específicos do país cria a necessidade de usar vários fornecedores, o que aumenta a complexidade do gerenciamento do data center. Prazos de entrega para PDUs com combinações de receptáculo exclusivas afetam a programação e excedem os custos. As várias combinações de tipo de plugue rapidamente se transformam em um problema do ponto de vista de inventário e gerenciamento. Para obter mais informações sobre os benefícios da padronização, consulte o White Paper 116, Padronização e Modularidade na Infraestrutura Física do Data Center. O número de receptáculos necessários em um gabinete de rack varia drasticamente com o equipamento instalado. Um gabinete de rack pode conter somente uma carga única no Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 9

10 mínimo. No entanto, ele pode ser preenchido com (42) servidores com cabos estreito de alimentação dupla, totalizando 84 receptáculos. Um sistema de alimentação de gabinete de rack adaptável seria capaz de fornecer receptáculos de energia para todos os vários tipos de plugue que podem ser encontrados, bem como duas conexões, cada uma contendo (42). Para realizar isso, é necessário fornecer uma grande quantidade e diversidade de receptáculos em cada gabinete de rack, ou fornecer várias opções de filtro de linha variáveis com facilidade para satisfazer os requisitos variáveis. Requisitos de harmônica Link para a fonte White Paper 26 Perigos de sobrecargas neutras e harmônicas Historicamente, os equipamentos de computação geram correntes harmônicas em linhas de alimentação CA, o que levou à necessidade de incorporar recursos especiais em sistemas de alimentação como fiação neutra superdimensionada e transformadores K. Durante a década de 1990, regulamentos sobre o projeto de equipamentos de computação, combinados com a desativação gradual de equipamentos mais antigos, resultaram na eliminação desse problema no ano A fiação e os transformadores harmônicos não são necessários no ambiente de alimentação de gabinete do rack. Consulte o white paper 26, Perigos de sobrecargas neutras e harmônicas para obter mais informações sobre esse assunto. Requisitos de reclassificação Diferente da América do Norte, os circuitos internacionais não precisam de reclassificação. Desse modo, o usuário pode utilizar a classificação de energia ou corrente total do sistema. A capacidade de alimentação das arquiteturas de distribuição descritas neste documento são valores de classificação nominal total. Requisitos de cabeamento Link para a fonte White Paper 19 Nova Análise da Adequação do Piso Elevado para Aplicações de Data Center Os cabos para fornecer energia aos gabinetes de rack são uma parte essencial do sistema de alimentação de gabinete de rack. Uma prática comum atualmente é usar o cabeamento subterrâneo de eletricidade. O método de cabeamento subterrâneo apresenta diversos obstáculos para a adaptação, que são descritos no White Paper 19, Nova Análise da Adequação do Piso Elevado para Aplicações de Data Center. Em um sistema de alimentação de gabinete de rack adaptável, o cabeamento de cada rack forneceria todos os circuitos derivados necessários. Nenhuma alteração no cabeamento seria necessária devido a alterações de equipamento no gabinete do rack. Também seria fácil e seguro fornecer as conexões elétricas apropriadas para gabinetes de rack adicionais no futuro. Requisitos de monitoramento de corrente Link para a fonte White Paper 43 Variações Dinâmicas de Energia em Data Centers e Salas de Rede Os sistemas de alimentação de gabinete de rack estão sujeitos a constantes alterações de carga devido à instalação e à remoção de equipamentos e à variação dinâmica do consumo de energia no equipamento instalado. Essas circunstâncias geram a necessidade de monitorar o fluxo de energia nos circuitos derivados para evitar falhas ou perigos devido a sobrecargas. Esse assunto está descrito em detalhes do White Paper 43, Variações Dinâmicas de Energia em Data Centers e Salas de Rede. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 10

11 Requisitos de consistência Devido ao grande número de circuitos de energia no data center típico, há uma vantagem significativa em minimizar os diferentes tipos de distribuição de energia fornecida (classificações de circuitos derivados, polos por cabo, tipos e localização de disjuntores etc.). O ideal seria fornecer um único tipo uniforme de conexão elétrica para cada rack a fim de maximizar a flexibilidade e diminuir o erro humano. O erro humano é uma ameaça constante no data center e tem sido responsável por grande parte do tempo de inatividade. A padronização com um circuito comum de distribuição de energia que satisfaça a necessidade 97% do tempo é apenas um método para reduzir o risco do erro humano. Com cabos padronizados, os usuários ficarão menos confusos, as peças serão minimizadas e as curvas de aprendizagem serão aceleradas, e tudo isso diminui o risco de um caro engano. Escolha do sistema de distribuição de energia apropriado Apesar dos diversos requisitos, restam várias combinações de circuito que podem ser usadas para alimentar gabinetes de rack, cada uma fornecendo uma capacidade diferente de energia total e com recursos-chave diferentes. Há pelo menos 22 maneiras práticas, porém diferentes de alimentar gabinetes de rack na faixa de 2,3 kw a 44 kw por rack. Os detalhes dessas alternativas são fornecidos no Apêndice A. Por meio de uma investigação sistemática dessas alternativas, é possível determinar se elas não são equivalentes no que diz respeito a custos e benefícios e se algumas opções são claramente preferenciais. A análise do Apêndice A, quando considerada com os requisitos definidos na seção anterior, indica que existem quatro formas preferenciais essenciais de distribuição de energia do rack entre os PDUs e os racks, que são usadas em vários racks para atingir a densidade de energia desejada. As quatro formas preferenciais são: Cabos de 230 V e 16 A Cabos de 230 V e 32 A Cabos de 230 V/400 V e 16 A trifásicos Cabos de 230 V/400 V e 32 A trifásicos A Figura 3 ilustra essas quatro formas preferenciais mostrando as configurações de circuito derivado. As características e vantagens desses quatro tipos preferenciais essenciais de distribuição de energia são fornecidas na Mesa 4. Na Mesa 4, os atributos sombreados representam o melhor desempenho para a característica em questão. A figura mostra a vantagem clara da distribuição trifásica para o rack. A análise deste documento indica que os cabos de distribuição que incluem cabos monofásicos ou trifásicos de 25 A não são preferidos, exceto no caso de cabos dedicados. O valor do cabo de 25 A não é ideal porque o tamanho mais comum de circuito derivado que deve ser gerado em um rack é de 16 A, o que leva a dois problemas indesejáveis com um cabo de 25 A: 1. A coordenação entre um disjuntor de circuito derivado de 16 A e um disjuntor de alimentador de 25 A é difícil de atingir, aumentando a probabilidade de acionamento do disjuntor em cascata. 2. Duas ramificações de 16 A são necessárias para utilizar plenamente uma conexão monofásica de 25 A e, se uma dessas ramificações for plenamente utilizada, a outra só poderá ser utilizada pela metade. Esse uso dos disjuntores de circuito é ineficaz. Além disso, o disjuntor do alimentador poderá ser acionado antes dos disjuntores derivados. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 11

12 Quando uma densidade maior do que a fornecida por um ou mais cabos de 16 A ou cabos trifásicos de 16 A é necessária, um cabo trifásico de 32 A é a solução preferida a um cabo trifásico de 25 A. Figura 3 Ilustração das quatro formas preferenciais de distribuição de energia para o rack 3a. Cabo de 230 V e 16 A 3a. WHIP 3b. WHIP 3b. Cabo de 230 V e 32 A PDU RACK PDU RACK 3c. 3d. 3c. Cabo trifásico de 230 V e 16 A 3d. Cabo trifásico de 230 V e 25 A WHIP WHIP PDU RACK PDU RACK Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 12

13 Mesa 4 Características dos quatro tipos preferenciais de distribuição de energia do rack Opções de Alimentação do Rack para Configurações de Característica Níveis de kw obtidos em 1, 2, 3 ou 4 cabos 230 V 16 A 3,7 7, ,7 230 V 32 A 7,4 14,7 22,1 29,4 230/400 V 16 A trifásico 11 22,1 33,1 44,2 230/400 V 32 A trifásico 22,1 44,2 66,2 88,3 kw por cabo 3,7 7, ,1 Comentário kw por posição do polo do painel de disjuntores do PDU kw de carga única máxima Nº de dispositivos de TI de 1 kw por cabo Nº de disjuntores em série com carga 3,7 7,4 3,7 7,4 3,7 7,4 3,7 7, Atualmente, não há quase nenhum produto de rack de TI de produção que precisa de mais de 7,4 kw por plugue, mas isso pode mudar. Observe que uma conexão dedicada suporta apenas um único dispositivo. Coordenação com falha E G E G Os projetos de 32 A precisam de disjuntores derivados adicionais no rack. Custo por kw a 2 kw por rack Custo por kw a 10 kw por rack $270 $320 $515 $645 $81 $64 $52 $64 Inclui disjuntor de fonte, cabo e PDU de rack. Inclui disjuntor de fonte, cabo e PDU de rack. Nota: o sombreamento indica o melhor desempenho para a característica Nota: os custos do cabo não incluem os custos de instalação Coordenação com falha legenda: E = excelente G = bom P = ruim As formas preferenciais podem ser usadas em vários racks para atingir classificações maiores de energia do rack total. A Figura 4 mostra o número de cabos necessários para atingir classificações maiores de energia do rack total. As quatro curvas do gráfico representam a contagem de cabos para os diversos tipos de distribuição de energia. O circuito trifásico de 230 V e 25 A de distribuição de energia do rack não é uma abordagem preferencial, mas está no gráfico para referência. Observe que o número de cabos necessários aumentou linearmente com a classificação de energia conforme esperado. Para classificações de energia superiores a 11 kw por rack, o número de cabos é maior para os sistemas monofásicos de 230 V e 16/32 A. Para os sistemas 2N de trajeto de energia duplo, o número de cabos na Figura 4 deve ser multiplicado por 2. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 13

14 10 Figura 4 Número de cabos de alimentação do rack ou conexões necessárias como uma função da classificação de energia do rack Núm. de Whlps de Energia V 16A 230 V 32A 230 V 16A 3-ph 230 V 25A 3-ph 230 V 32A 3-ph Por Energia do Rack kw Cabos dedicados Outra forma de distribuição de energia são os cabos dedicados. No entanto, os cabos dedicados são recomendados somente quando o equipamento de carga de um rack tem um pequeno número de cabos de alimentação, e cada um consome uma grande quantidade de energia, especificamente se o equipamento usar um tipo de plugue ou uma configuração de energia incomum. Na realidade, uma tendência reconhecida da compactação do equipamento de TI está levando a duas consequências importantes: O aumento da corrente e do consumo de energia pelo cabo de alimentação de cada equipamento está chegando a seu limite de 16 A. Em resultado disso, filtros de linha para racks de várias saídas são reduzidos a uma saída útil por fase. O aumento do cabeamento de dados na parte traseira do rack deixa menos espaço para filtros de linha de rack Essas consequências estão obrigando as equipes de operações de TI a usar filtros de linha de rack tradicionais em aplicações de alta densidade. Em vez disso, elas estão usando cabos trifásicos dedicados que liberam espaço para o cabeamento de dados. Alguns servidores blade e algumas unidades de armazenamento SAN são candidatos para essa abordagem. Por exemplo, um grande subsistema de alimentação de servidor blade que tenha um plugue trifásico IEC A vantagem dos cabos dedicados é que eles nunca precisam de um disjuntor adicional no rack, aumentando a confiabilidade e economizando despesas. A grande desvantagem dos cabos dedicados é a falta de flexibilidade quando o equipamento for alterado no futuro. Os cabos dedicados são comparados aos cabos padrão de 230 V e 32 A na Mesa 5. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 14

15 Mesa 5 Comparação das duas opções para fornecer energia em aplicações de densidade muito alta Número de cabos Método de troca Vantagens Desvantagens Cabos trifásicos padrão de 230 V e 32 A Um cabo por cada 22 kw Fácil: conecte diferentes filtros de linha no rack Várias saídas fornecidas para equipamentos pequenos ou não planejados Limitado a 22 kw Cabos dedicados Um cabo por cabo de alimentação no rack ou um cabo trifásico para cada três cabos de alimentação no rack Difícil: desligue e conecte novos fios ao PDU Nenhum problema de coordenação com falha Nenhum risco de acionamento do disjuntor na relação de 1 para 1 entre o cabo de alimentação e o disjuntor Pode manipular qualquer plugue estranho ou tamanho de circuito Custo mais baixo É necessário planejar com antecedência e conhecer cada cabo de alimentação que pode existir no rack Nenhuma provisão para pequenos equipamentos de TI auxiliares A conexão deve ser integrada. Em geral, os cabos dedicados só devem ser usados quando o requisito de energia ou a configuração do plugue não pode ser fornecido por um circuito trifásico padrão de 32 A IEC 230 V ou quando o custo é muito mais importante do que a capacidade de reconfigurar o rack depois. Estratégia de escolha de distribuição A partir desta análise, é possível tirar as seguintes conclusões sobre a disposição preferencial para circuitos derivados: 1. Use um único cabo de alimentação monofásico de 230 V e 16 A para alimentar racks comuns de densidade média até aproximadamente 4 kw/rack; forneça esse valor por padrão para cada rack. 2. Use um único cabo trifásico de 230 V e 16 A para alimentar racks de densidade maior até aproximadamente 11 kw por rack 3. Para aplicações de servidores 1U ou servidores blade em espaço reduzido, use um ou dois cabos trifásicos de 230 V e 16 A. 4. Para algumas cargas de densidade extremamente alta que têm requisitos de corrente de entrada por cabo de alimentação de mais de 20 A, use dois ou mais cabos trifásicos de 230 V e 32 A. Arquitetura de energia adaptável para gabinetes de rack O reconhecimento cada vez maior das questões descritas neste documento tem levado projetistas e operadores de data centers e salas de rede a desenvolver suas próprias soluções engenhosas para satisfazer a necessidade de sistemas de alimentação adaptáveis para gabinetes de rack. No entanto, ainda falta uma abordagem integrada e eficiente do ponto de vista dos fornecedores de equipamentos. Uma abordagem totalmente integrada incluiria um sistema modular que implementa todos os aspectos da distribuição de energia da conexão de eletricidade CA da instalação, por meio do UPS e dos painéis de energia até a mecânica da conexão dos plugues nos gabinetes de rack. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 15

16 O primeiro sistema de alimentação de gabinete de rack integrado e adaptável foi introduzido em 2001 e aparece na Figura 5. O sistema InfraStruXure, com patente pendente, inclui componentes que foram desenvolvidos para satisfazer os requisitos de um sistema de alimentação de gabinete de rack adaptável. O sistema inclui cabos de distribuição de energia de várias ramificações pré-fabricados, filtros de linha para medição de diversas tensões com mudança rápida e várias configurações de receptáculo, coordenação de disjuntores préconfigurada, suporte de alimentação de trajeto único e duplo configurável no nível do gabinete do rack ou da linha, capacidade CC do ponto de uso e rápida instalação sem conduítes. Este sistema é fornecido como um sistema integrado que pode ser configurado para pedido no estoque componentes. Figura 5 Um exemplo de sistema de alimentação de rack adaptável No-breaks PDU Distribuição do circuito derivado trifásico préinstalado Rack Filtros de linha de distribuição de energia de rack com medição intercambiáveis Link para a fonte White Paper 37 Evitar Custos do Dimensionamento em Excesso da Infraestrutura de Salas de Rede e Data Centers Além da capacidade do sistema de alimentação de gabinete de rack adaptável de responder de modo rápido e econômico a alterações, existem vantagens de tempo de ciclo e custo associadas à instalação inicial do sistema, incluindo uma simplificação significativa do trabalho prévio de engenharia e instalação relacionado ao projeto do data center. Além disso, a capacidade de adaptação do sistema de alimentação de gabinete de rack pode permitir que o sistema seja dimensionado corretamente para o requisito de carga real e cresça de acordo com as necessidades de expansão. Os benefícios econômicos do dimensionamento correto podem ser bem superiores a 50% do custo de ciclo de vida de um data center ou uma sala de rede e são descritos em mais detalhes no White Paper 37, Evitar Custos do Dimensionamento em Excesso da Infraestrutura de Salas de Rede e Data Centers. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 16

17 Conclusão O consumo de energia de cada gabinete de rack no data center ou na sala de rede varia muito e deve aumentar nos próximos anos. O equipamento do gabinete do rack é substituído cinco ou mais vezes durante a vida útil de um data center com facilidade. Essa situação requer um sistema de distribuição de energia de gabinete de rack que possa lidar com os requisitos variáveis. Os principais requisitos de um sistema de distribuição de energia eficiente foram descritos e sugerem uma arquitetura de alimentação prática para gabinetes de rack que possa satisfazer as necessidades de um sistema de alimentação de gabinete de rack adaptável. A abordagem recomendada adota como padrão quatro maneiras para distribuir energia, junto com uma estratégia para escolher a melhor abordagem para uma determinada instalação. Quando essa abordagem é implementada, o resultado é um sistema de distribuição de energia que reduz o erro humano, se adapta ao requisitos variáveis, minimiza a necessidade de planejamento antecipado e satisfaz os requisitos dos equipamentos de TI de alta densidade. Sobre o autor Neil Rasmussen é vice-presidente sênior de Inovação da Schneider Electric. Ele estabelece os rumos de tecnologia do maior orçamento de P&D do mundo dedicado à alimentação, à refrigeração e à infraestrutura de racks para redes essenciais. Neil detém 19 patentes relacionadas à infraestrutura de alimentação e refrigeração de alta eficiência e alta densidade para data centers, e já publicou mais de 50 white papers relacionados a sistemas de alimentação e refrigeração, muitos deles publicados em mais de 10 idiomas, mais recentemente com foco na melhoria da eficiência energética. Ele é um palestrante internacionalmente reconhecido em matéria de data centers de alta eficiência. Atualmente, Neil está trabalhando para promover a ciência das soluções de infraestrutura do data center de alta eficiência, alta densidade e dimensionáveis, além de ser arquiteto principal do sistema APC InfraStruXure. Antes de fundar a APC em 1981, Neil obteve seus diplomas de bacharel e mestre em engenharia elétrica pelo MIT, onde escreveu sua tese sobre a análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para um reator de fusão Tokamak. De 1979 a 1981, ele trabalhou para a MIT Lincoln Laboratories em sistemas de armazenamento de energia flywheel e sistemas de energia elétrica solar. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 17

18 Recursos Clique no ícone para linkar a pesquisa CA x CC para Data Centers e Salas de Rede White Paper 63 Sobrecargas Neutras e Harmônicas de Corrente White Paper 26 Comparação de Disponibilidade de Várias Configurações de Redundância de Alimentação do Rack White Paper 48 Estratégias de Refrigeração para Racks e Servidores Blade de Densidade Ultra-alta White Paper 46 Nova Análise da Adequação do Piso Elevado para Aplicações de Data Center White Paper 19 Variações Dinâmicas de Energia em Data Centers e Salas de Rede White Paper 43 Evitar Custos do Dimensionamento em Excesso da Infraestrutura de Salas de Rede e Data Centers White Paper 37 Padronização e Modularidade na Infraestrutura Física do Data Center White Paper 116 Explore todos os White Papers whitepapers.apc.com Explore todas as ferramentas TradeOff tools.apc.com Entre em contato Para incluir comentários sobre o conteúdo deste White Paper: Data Center Science Center DCSC@Schneider-Electric.com Se você é cliente e tem perguntas relacionadas especificamente com o data center que está projetando: Entre em contato com seu representante de Schneider Electric Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 18

19 Anexo A: análise detalhada de um conjunto abrangente de opções de fornecimento de energia do rack Mesa A1 Características das configurações do circuito de energia do rack Vários tipos de circuito práticos, incluindo vários que podem fornecer energia do rack, são listados na Mesa A1. A tabela é classificada por potência nominal do rack crescente. Total de kw Nº de cabos kw/cabo Nº de polos kw/polo kw de carga única máxima tipo de circuito 2,3 230 V 10 A 1 2,3 1 2,3 2,3 1 E 3,7 230 V 16 A 1 3,68 1 3,7 3,68 1 E 4,6 230 V 10 A 2 2,3 2 2,3 2,3 2 E 5,8 230 V 25 A 1 5,75 1 5,8 5,75 3 P 6,9 230 V 10 A 3 2,3 3 2,3 2,3 3 E 6,9 230 V/400 V 10 A trifásico 1 6,9 3 2,3 2,3 3 E 7,4 230 V 32 A 1 7,36 1 7,4 7,36 3 G 7,4 230 V 16 A 2 3,68 2 3,7 3,68 2 E 11,0 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 3 E 11,0 230 V 16 A 3 3,68 3 3,7 3,68 3 E 11,5 230 V 25 A 2 5,75 2 5,8 5,75 6 P 13,8 230 V/400 V 10 A trifásico 2 6,9 6 2,3 2,3 6 E 14,7 230 V 32 A 2 7,36 2 7,4 7,36 6 G 17,3 230 V/400 V 25 A trifásico 1 17,3 3 5,8 5,75 9 P 17,3 230 V 25 A 3 5,75 3 5,8 5,75 9 P 20,7 230 V/400 V 10 A trifásico 3 6,9 9 2,3 2,3 9 E 22,1 230 V/400 V 32 A trifásico 1 22,1 3 7,4 7,36 9 G 22,1 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 6 E 22,1 230 V 32 A 3 7,36 3 7,4 7,36 9 G 33,1 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 9 E 34,5 230 V/400 V 25 A trifásico 2 17,3 6 5,8 5,75 18 P 44,2 230 V/400 V 32 A trifásico 2 22,1 6 7,4 7,36 18 G Nº de disjuntores coordenação Coordenação com falha legenda: E = excelente G = bom P = ruim As opções descritas na Mesa A1 estão limitadas a, no máximo, três cabos e incluem somente múltiplos em que todos os cabos são da mesma configuração de circuito. Os cabos dedicados podem ser alguma combinação misturada dos cabos na lista acima por rack. Embora essa lista seja abrangente, algumas combinações poderão ser eliminadas se o objetivo for fornecer energia para gabinetes do rack de alta densidade. Um sistema de Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 19

20 alimentação para cargas de alta densidade também deve ser capaz de alimentar cargas únicas de pelo menos 3 kw, pois existem muitas cargas de alta densidade que precisam de até 3 kw. Na maioria dos países de 230 V, praticamente todos os circuitos derivados que alimentam gabinetes do rack têm classificação nominal para equipamentos de 16 A. Desse modo, as opções de cabo de 10 A podem ser eliminadas. Além disso, o sistema de alimentação para cargas de alta densidade não deve exibir uma proporção indevida de coordenação de disjuntores. Excluindo as opções que não satisfazem esses critérios, a lista da Mesa A1 é reduzida para a lista da Mesa A2. Mesa A2 Características das configurações do circuito de energia do rack adequadas para cargas de alta densidade Total de kw Nº de cabos kw/cabo Nº de polos kw/polo kw de carga única máxima tipo de circuito 3,7 230 V 16 A 1 3,68 1 3,7 3,68 1 E 7,4 230 V 32 A 1 7,36 1 7,4 7,36 3 G 7,4 230 V 16 A 2 3,68 2 3,7 3,68 2 E 11,0 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 3 E 11,0 230 V 16 A 3 3,68 3 3,7 3,68 3 E 14,7 230 V 32 A 2 7,36 2 7,4 7,36 6 G 22,1 230 V/400 V 32 A trifásico 1 22,1 3 7,4 7,36 9 G 22,1 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 6 E 22,1 230 V 32 A 3 7,36 3 7,4 7,36 9 G 33,1 230 V/400 V 16 A trifásico ,7 3,68 9 E 44,2 230 V/400 V 32 A trifásico 2 22,1 6 7,4 7,36 18 G Nº de disjuntores coordenação Coordenação com falha legenda: E = excelente G = bom P = ruim Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 28 Rev 1 20