Installations- und Gebäudetechnik

(Bilder Markus Gehrig))

Abb. 1

Abb. 2

Rechenzentren: Herausforderungen und Lösungen

Konkrete Lösungen zur Planung von Verteilsystemen und Herausforderungen, die dabei zu bewältigen sind.

Im Artikel zur EN 50600 war zu lesen, wie die Norm systematisch aufgebaut ist und wie alle Bereiche eines Rechencenters (RZ) abdeckt sind: Dies beinhaltet einerseits das Management zur Strategie sowie auch das Ingenieurteam zum Versorgungs- und andererseits das Verteilkonzept sowie dasjenige vom Facility-Management und auch das Instandhaltungskonzept. Alle diese Bereiche spielen ineinander und ein Fachingenieur macht erst dann einen exzellenten Job, wenn er nicht nur auf die Umsetzung seiner Pflichtenhefte achtet, sondern darüber hinaus auch auf andere Fachgebiete, auf die geplanten Wartungskonzepte und den dort formulierten Mitteleinsatz an Ressourcen sowie auf das Material. Die Vernetzung des Wissens kann zudem das Risiko von Chlusterfucks (CF) senken. Solche CF können in komplexen Systemen wie etwa einem Rechenzentrum entstehen, wenn ein Ereignis oder eine Ereignisabfolge an ein ungeplantes Ende führt, wenn es beispielsweise an Reservematerial fehlt oder an auf der Anlage geschultem Personal oder aber passenden Wartungsverträgen usw. Der strukturelle Aufbau der Infrastruktur ist nur ein Teil und die Ausgestaltung ist individuell von der Betriebsorganisation abhängig. Ebenso wichtig ist die Schaltanlagenleittechnik und der Schutz, die beim Gebäudeelektroingenieur und nicht beim GA-Planer angesiedelt sein sollen, denn dieser versteht von Schutz soviel wie der Sanitärplaner. Mit dem Einsatz moderner und zeitgemässer Schutztechnik lässt sich nämlich die Lage eines Fehlers exakt eingrenzen. Mit richtungsgebundenem Schutz kombiniert und Blockierschutz lässt sich auf der Versorgungsseite – also eingangsseitig der USV – ein zweikanaliges System auch geschlossen betreiben, vorausgesetzt die Kurzschlussleistung lässt das zu. Das würde die Komplexität der Leittechnik reduzieren. Wer den Schutz plant, der plant immer auch die Schaltanlagenleittechnik. Spätestens in der Projektphase muss der Schutz bestimmt werden, denn es ist entscheidend, welche Schalter mit welchen Schutzrelais kombiniert werden.
Ich gehe hier nicht auf Produkte, sondern auch auf Bauarten und Funktionen ein. Auf der Versorgungsseite kann die Auswirkung eines Spannungsausfalls auf die zu versorgende IT, ob niederohmig oder hochohmig, gleich behandelt werden, da der Spannungseinbruch bis zur Abtrennung der Fehlerstelle bei einem Kurzschluss von der nachgeschalteten USV überbrückt wird. Anders sieht das natürlich bei einem nicht USV-gestützten zweiten Pfad (Klasse 3) aus oder auf der Ausgangsseite der USV-Anlage. Bei Letzterem kommt es auf die Kurzschlussfähigkeit der USV-Anlage an. Rotierende oder hybride USV-Systeme sind hier im Vorteil. Bis zur Trennung, also Kontaktöffnung, können gut 20 Millisekunden ins Land gehen, bei strombegrenzenden Leistungsschaltern undSchmelzsicherungen liegt die Zeit deutlich unter 10 Millisekunden. Solange dauert auch der Spannungseinbruch.

Vorgaben und Lösungen

Nicht selten liest man in IT-Strategiepapieren über Leistungsanforderungen von 1,5 bis 3 kW pro Quadratmeter oder 5 bis 10 kW je Rack. Bei 1000 Quadratmetern ist man da schon bei 1,5 Megawatt oder 3 Megawatt. Aber welcher Wert gilt jetzt? Und wie genau soll die Kostenschätzungnach SIA sein? Die Angaben zur Verfügbarkeit sind kurz und klar: Hochverfügbar entspricht nach EN 50600 der Klasse 4.
Das ist wiederum sehr teuer. Wird nach der Kostenschätzung die Anforderung dann heruntergestuft, fängt der seriöse Planer wieder bei null an – so wie der Architekt, nachdem er ein Mehrfamilienhaus geplant hat und nun doch ein Einfamilienhaus bauen soll.
Nach EN 50600-2-2 gibt es die vier generischen Lösungsansätze. Aber gibt es noch andere Möglichkeiten? Grundsätzlich sind diese vier Klassen Best Practice, dennoch ist die sture Umsetzung nicht zu empfehlen. Vielmehr muss die Planung den Anforderungen des Betriebs gerecht werden, für den die Anlage gebaut wird. Wenn der RZ-Betreiber zur Erkenntnis gelangt, dass er ein hochverfügbares Rechenzentrum ohne Netzersatzanlage haben will, bedeutet das nicht, dass die Norm nicht angewendet werden kann. Der Ingenieur ist dann eben gefordert, im Rahmen der Vorgabe die Hochverfügbarkeit zu erreichen. Es gibt aber verschiedene Möglichkeiten, Hochverfügbarkeit zu erreichen: dies etwa durch Redundanz oder Zweikanaligkeit und Resilienz, also stabilisierende Widerstandsfähigkeit.
Mit der Resilienz kann ein vollständiges Versagen der Stromversorgung verhindert werden. Ein grosses Rechenzentrum kann also in kleinere Einheiten unterteilt werden, die wiederum der höchsten (oder eben der geforderten) Klasse entsprechen. Mit Redundanz schafft man jedoch nie und nimmer Resilienz, denn die Kugel links in Bild 1 bleibt auch nicht oben, wenn es zwei davon gibt.

Resilienz

Resilienz zu schaffen, bedeutet auch die Strukturkomplexität zu vermindern. Das kann zum Beispiel bedeuten, dass automatisierte Abläufe vereinfacht und von der Leittechnik zur Schutztechnik verlagert werden. Ein Beispiel dazu: Gegeben ist gemäss Bild 2 eine Mains-Tie-Tie-Mains-Situation. Gemäss der Norm dürfen diese Kuppelschalter (Tie=Knoten) beide nicht betriebsmässig eingeschaltet sein. Mit moderner Schutztechnik hingegen macht das Sinn, dieses Netz geschlossen zu betreiben. Denn die Schalter schalten selbsttätig ohne irgendwelche Logik die fehlerhafte Stelle frei. Im Kurzschlussfall auf einer der beiden Schienen (1) erkennen die Kuppelschalter die Richtung, schalten in Schnellzeit, also ohne Verzögerung, aus, reduzieren damit die Kurzschlussleistung und blockieren die Auslösung des Schalters auf der gesunden Seite. Nur der Einspeiseschalter der fehlerhaften Sammelschiene wird abgeschaltet. Falls der Fehler bei einem Transformator (2) liegt, spürt der betreffende Trafosekundärschalter in Rückwärtsrichtung den Kurzschlussstrom und schaltet in Schnellzeit aus. Der richtungsabhängige Blockierschutz funktioniert sehr zuverlässig, denn die althergebrachte zeitselektive Staffelung funktioniert hier als Reserveschutz. Die starke Eingrenzung der Fehlerstelle ist sehr wichtig, da in der Niederspannung nicht versuchsweise automatisch auf eine Fehlerstelle geschaltet werden darf. Dem Schaltanlagenleitsystem ist eine Verriegelungsliste hinterlegt, welche die verbotenen Schaltungen enthält. Mit einer sehr starken und sicheren Lokalisierung hat das Leitsystem mehr Freiheitsgrade, die Versorgung wieder aufzubauen.
Wie es mit der Zuverlässigkeit, der Verfügbarkeit und der Resilienz auf der USV-Ausgangsseite bestellt ist, werden wir in einem späteren Bericht behandeln. Das gleissende Licht und die langen Schatten des USV-Marketing liessen Jahrzehnte lang einige Schwachstellen im Dunkeln. 

Hier gehts zum Artikel: Normen zu Rechenzentren