Stromversorgung für große Rechenzentren Blockredundanz trifft USV – Catcher und lokale BBU

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Catcher-Architekturen reduzieren den Aufwand für redundante Stromversorgung. Eine lokale Backup Battery Unit im Rack könnte das Konzept weiter verändern und die bisher nötige unterbrechungsfreie Umschaltung neu denken

Neben den klassischen Redundanzkonzepten 2N und der verteilten Redundanz 3N/2, 4N/3 bis 6N/5 findet sich für große Rechenzentren ein weiteres Konzept: die Blockredundanz beziehungsweise Catcher-Architektur, N+1 oder N+2. ABB nennt beispielsweise neben N+1, 2N und 3N/2 auch Catcher-Systemkonfigurationen. Socomec beschreibt die Catcher-Architektur ausführlich als Alternative zu klassischen und verteilten Redundanzsystemen.

Das Prinzip unterscheidet sich deutlich von 2N.

Beim Catcher wird die Versorgung in N eigenständige Blöcke aufgeteilt, aus denen die kritische Last versorgt wird. Für einen Ausfall werden ein oder mehrere gemeinsame Reserveblöcke vorgehalten, auf die im Fehlerfall umgeschaltet werden kann. Vereinfacht bedeutet dies:

N aktive Versorgungsblöcke + ein oder zwei Reserveblöcke.

Die aktiven Blöcke werden im Normalbetrieb bis zur vollen Kapazität genutzt. Der Reserveblock steht für den Ausfall oder die Wartung eines der aktiven Blöcke zur Verfügung. Socomec beschreibt beispielsweise eine Architektur aus sechs normalen Power Streams und ein oder zwei redundanten Power Streams.

Der Vorteil wird mit zunehmender Anzahl der Versorgungsblöcke deutlich. Bei 2N müssen zehn aktive Versorgungsblöcke im Grundsatz nochmals redundant vorhanden sein, insgesamt 20 Versorgungsblöcke.

Bei einer Blockredundanz können dagegen zehn aktive Blöcke beispielsweise durch einen oder zwei gemeinsam genutzte Reserveblöcke ergänzt werden, in Summe 12 Versorgungsblöcke.

Je größer N wird, desto deutlicher wird der Unterschied beim erforderlichen Invest und beim Platzbedarf.

Redundanzkonzepte für große Rechenzentren

Redundanz neu denken - wenn 2N und Hexagonalsystem an Grenzen stoßen

Der klassische Catcher

Im klassischen Catcher-Konzept ist die USV Bestandteil des jeweiligen Versorgungsblocks. Fällt ein Versorgungsblock aus, muss die kritische Last aktiv auf den Reserveblock übertragen werden. Dafür werden STS (Static Transfer Switches), eingesetzt. Sie ermöglichen eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen zwei Versorgungsquellen.

Socomec beschreibt dieses Prinzip ausdrücklich: Der STS liegt zwischen der USV und der Last und überträgt die kritische Last im Fehlerfall vom normalen Versorgungspfad auf den redundanten Catcher-Pfad. Die Umschaltung erfolgt innerhalb weniger Millisekunden, sodass die kritische Last kontinuierlich versorgt werden kann. Die letzte Meile zu den Racks wird dabei weiterhin zweipfadig aufgebaut.

Das Catcher-System ist also keine grundsätzlich neue Technologie. Der interessante Punkt ist vielmehr, wie sich dieses bekannte Prinzip mit der aktuellen Entwicklung der Rack-Stromversorgung verbinden lässt.

Der STS ist eine zusätzliche komplexe Komponente

Der STS besteht aus Leistungselektronik, Steuerung und Überwachung und ist damit eine technisch anspruchsvolle Komponente innerhalb des kritischen Versorgungspfades. Das bedeutet nicht, dass ein STS grundsätzlich unzuverlässig ist. Im Gegenteil: Hersteller verweisen auf umfangreiche Erfahrungen mit dieser Technik. Aber jede zusätzliche leistungselektronische Komponente erhöht auch die Komplexität des Systems.

Genau an diesem Punkt wird die Verlagerung der USV-Funktion in Richtung Rack interessant.

Was passiert, wenn die USV-Funktion in der IT liegt?

Verlagert man gedanklich die kurzzeitige USV-Funktion aus dem Versorgungsblock in die IT beziehungsweise in das Rack, verändert sich das Bild aus meiner Sicht grundsätzlich. Das Rack besitzt dann eine eigene BBU (Backup Battery Unit) beziehungsweise Kurzzeitüberbrückung. Bei Ausfall des normalen Versorgungsblocks übernimmt zunächst die BBU die Versorgung der IT.

Die Umschaltung auf den Reserveblock muss damit möglicherweise nicht mehr unterbrechungsfrei erfolgen. Sie muss lediglich innerhalb der Autonomiezeit der BBU abgeschlossen sein. Damit verändert sich die Aufgabe des Catchers:

Nicht der Catcher muss die unterbrechungsfreie Versorgung sicherstellen. Diese Aufgabe übernimmt bereits die BBU im Rack.

Der Catcher muss lediglich rechtzeitig eine neue dauerhaft verfügbare Versorgungsquelle bereitstellen.

2N oder lieber N+1?

Hochverfügbarkeit mit verteilter Redundanz aus Investorensicht

Vom STS zum mechanischen Umschalter?

Aus dieser Trennung ergibt sich eine interessante Überlegung. Wenn eine kurze Unterbrechung durch die BBU im Rack überbrückt wird, könnte für die Umschaltung des vorgelagerten Versorgungssystems anstelle eines schnellen elektronischen STS auch ein mechanisches Umschaltsystem betrachtet werden. Ein Automatic Transfer Switch, ATS, schaltet langsamer als ein STS mit einer kurzzeitigen Unterbrechung der Stromversorgung. Das wäre in diesem Fall aber kein Nachteil. Solange die Umschaltzeit deutlich innerhalb der verfügbaren BBU-Autonomie liegt, könnte die IT von diesem Vorgang nichts bemerken. Die Funktionen wären dann klar getrennt:

• Die BBU stellt die kurzfristige unterbrechungsfreie Versorgung sicher.

• Der Catcher stellt die redundante Energieversorgung für den weiteren Betrieb bereit.

• Weniger Reserveblöcke bei großen Systemen.

Die Vorteile einer Blockredundanz werden besonders bei einer großen Anzahl von Versorgungsblöcken sichtbar.

Bei N > 10 reduziert ein Konzept mit einem oder zwei gemeinsamen Reserveblöcken die zusätzlich notwendige Infrastruktur gegenüber einer vollständigen 2N-Struktur erheblich. Gleichzeitig lässt sich die Architektur mit der Besiedelung des Rechenzentrums skalieren. Die Versorgungsblöcke schrittweise ergänzt werden können.

Damit passt die Blockredundanz grundsätzlich gut zu sehr großen, modular aufgebauten Rechenzentren.

Socomec nennt für ein untersuchtes Catcher-Beispiel gegenüber 2N deutliche Einsparungen bei Capex und Footprint. Solche Herstellerangaben lassen sich nicht ohne Weiteres auf jedes Projekt übertragen, zeigen aber das wirtschaftliche Potenzial des Ansatzes.

Abstimmung ist Pflicht

Verteilte Redundanz im Rechenzentrum aus Planersicht

Und was sagen die europäischen Regelwerke?

2N- und Distributed-Redundancy-Systeme sind in der europäischen Planungspraxis etabliert. Bei der Catcher- beziehungsweise Blockredundanz ist die Situation weniger eindeutig. Ich würde deshalb nicht behaupten, dass eine solche Architektur durch europäische Regelwerke grundsätzlich ausgeschlossen ist.

Die EN 50600 betrachtet Verfügbarkeit und Risiko über Anforderungen und Verfügbarkeitsklassen. Der TÜV Nord weist zudem darauf hin, dass verschiedene Anforderungen von der Risikoanalyse des Betreibers abhängen. Beim TSI.Standard existiert darüber hinaus ausdrücklich das Prinzip „Comply or Explain“, mit dem alternative Lösungen bewertet werden können, wenn das Schutzziel nachgewiesen wird.

Die Blockredundanz ist jedoch insbesondere in der europäischen Planung und Zertifizierung deutlich weniger etabliert als klassische zweipfadige Lösungen.

Redundanz wird zur Systemfrage

Die Leistungssteigerungen aktueller Rechenzentrumsprojekte erhöhen den Invest- und Platzbedarf der Stromversorgung erheblich. Blockredundanz kann insbesondere bei einer großen Anzahl von Versorgungsblöcken eine Möglichkeit sein, diesen Aufwand zu reduzieren. Sie ist skalierbar und kann mit der Besiedelung eines Rechenzentrums wachsen.

Besonders interessant wird sie aus meiner Sicht jedoch durch die Entwicklung der IT-Stromversorgung.

Wenn die kurzzeitige USV-Funktion näher an die IT beziehungsweise in das Rack verlagert wird, können Unterbrechungsfreiheit und Redundanz der vorgelagerten Versorgung getrennt betrachtet werden. Dadurch entstehen neue Derivate der Blockredundanz. Und damit hat die IT-Architektur unmittelbar Auswirkungen auf das Design der Stromversorgung.

Fazit

Blockredundanz ist vor allem bei sehr großen Rechenzentren interessant, weil nicht jeder Versorgungseinheit einen vollständigen Reservepfad benötigt.

Die Verbindung mit einer lokalen BBU im Rack verändert das Konzept noch einmal. Die BBU kann die kurze Unterbrechung übernehmen, während das vorgelagerte System auf einen Reserveblock umschaltet.

Damit könnte eine bisher notwendige unterbrechungsfreie Umschaltung durch STS in bestimmten Architekturen anders gelöst werden.

Hinweise und weiterführende Literatur

• Socomec: Rethinking Data Centre Design with Catcher Architecture. Socomec. Online verfügbar.

• Socomec: How can we optimise and secure power supplies in Data Centres? Socomec Technical Note. Online verfügbar.

• ABB: MegaFlex UPS Systems – High Power UPS Solutions. ABB. Online verfügbar.

• Open Compute Project: Open Rack V3 – Power Shelf Specification. OCP. Online verfügbar.

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