طراحی سیستم توزیع برق مرکزداده، برای تجهیزاتی که دو ورودی برق دارند [1]

مقدمه

هدف اصلی از به‌کاربردن معماری برق دو مسیره (Dual-Path) و تجهیزات با دو ورودی برق (Dual-Corded)، اطمینان از تداوم کارکرد فاوا در هنگام خرابی یکی از بخش‌های سیستم توزیع برق است. چنین کاری با داشتن مسیر جایگزین ممکن می‌شود.

«دو ورودی بودن برق» یعنی دستگاه فاوا دارای دو ورودی جداگانه باشد، چنان‌که هرگاه یکی از کابل‌ها قطع بشود بتواند به کارکرد خود ادامه دهند.

مفهوم «دو مسیره بودن برق» این است که سیستم توزیع برای فراهم‌ساختن نیاز توانِ بخش فاوایی که دو ورودی برق دارد، دو مسیر جداگانه داشته باشد. هر دستگاه فاوا در این حالت، برق خود را از دو مسیر جداگانه دریافت می‌کند. دو مسیر برق ممکن است در نقاط بالادستی به یکدیگر متصل باشند. این اتصال ممکن است در تابلوی توزیع، خروجی UPS، تابلو برق (Switchgear)، همچنین اتصالات برق شهری برقرار باشد. مرکزداده را گاهی در جایی ساخته‌اند که دو مسیر برق آن تا سیستم توزیع برق شهری ادامه یافته است و از دو ایستگاه جداگانه یا حتی خطوط فشارقوی جداگانه تغذیه می‌شود. مراکزداده اغلب دو مسیر سیستم برق خود را تا تابلوی تغذیهٔ تاسیسات، جدا نگه می‌دارند و از ژنراتور آماده‌به‌کار برای دستیابی به افزونگی بهره می‌برند.

 تجهیزاتی که دو ورودی برق دارند و سیستم توزیع دو مسیره برای این طراحی شده‌اند که هرگاه در توزیع برق اشکالی پیش بیاید یا منبع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا مشکل پیدا کند، وقفه‌ای در کارکرد مصارف رخ ندهند. با اینکه چنین مفهومی ساده به نظر می‌رسد، برای اطمینان از کارکرد درست سیستم به قوانین و نظارت‌هایی نیاز هست. در این مقاله نخست توضیح می‌دهیم چگونه دستگاه‌های فاوا در چنین محیطی رفتار می‌کنند. سپس وضعیتی را بررسی می‌کنیم که برای دست‌یافتن به پایایی (Availability) پیش‌بینی‌شده ضروری است. سرانجام نیز راهبردهای چگونگی مدیریت محیط‌های با دو ورودی برق را بیان می‌کنیم.

سیستم‌ برق دو مسیره‌ای که درست و با اعتبارسنجی اجرا شده باشد، قابلیت تحمل خطا (Fault Tolerance) را چنان فراهم می‌کند که تعمیر و نگهداری هم‌زمان با کارکرد را در هر نقطه از سیستم امکان‌پذیر می‌سازد. حتی اگر اتصال میان مسیرهای برق وجود نداشته باشد یا یکی از مسیرها مجهز به UPS نباشد، بازهم سیستم از این مزیت برخوردار خواهد بود. بسیاری از بهره‌برداران هستند که از معماری دو مسیره استفاده می‌کنند؛ ولی در هنگام نیاز به آن اطمینان ندارند. اینکه از کلید انتقال قدرت دستی (Static Transfer Switche) و Cross Ties ـ[2] استفاده می‌کنند، نشان‌دهندهٔ درستی این گفته است. یکی از کارهای رایج در طراحی این است که مطمئن بشوند در هنگام هر نوع خرابی و هنگام تعمیر و نگهداری، هر دو مسیر می‌توانند برق لازم را فراهم سازند. ولی اگر سیستم دو مسیره به‌درستی کار کند، نیازی به این کار نخواهد بود. چنانچه سیستم دو مسیرهٔ برق به‌شکل درست و با اعتبارسنجی اجرا بشود، خواهد توانست قطع یکی از مسیرهای برق را بدون هیچ حادثه‌ای تحمل کند و به کار خود ادامه دهد. بدین ترتیب مرکزداده طراحی ساده‌تر و کم‌هزینه‌تری خواهد داشت.

رفتار دستگاه فاوای با دو ورودی برق

چنین فرض می‌شود که همهٔ دستگاه‌های فاوایی که دو ورودی برق دارند، با تغذیه‌شدن از هریک از ورودی‌ها می‌توانند به‌درستی کار کنند. ولی چنین پیش‌فرضی همیشه درست نیست. برای محیط فاوای با دو مسیر برق، نخست باید مشخص کرد که آیا دستگاه‌های فاوا به‌راستی الزامات و اصول دو ورودی بودن را برآورده می‌سازند؟ بیش از ۹۵ درصد از چنین دستگاه‌هایی معمولا با برق یکی از ورودی‌ها درست کار می‌کنند؛ ولی نمی‌توان به کارکرد آن‌ها صددرصد اطمینان داشت. دلیل اینکه برخی از دستگاه‌ها مطابق با اصول دو ورودی کار نمی‌کنند عبارت است از:

• هر دو ورودی برق را برای فراهم‌ساختن افزونگی به کار نبرده‌اند؛ بلکه به این دلیل از چند منبع تغذیهٔ هم‌زمان استفاده می‌کنند که توان بیشتری به دست آورند. بهره‌گرفتن از چند منبع تغذیه به‌جای یک منبع بزرگ‌تر دلایلی دارد: یکی اینکه طراحی دستگاه چنان است که به‌تدریج توسعه می‌یابد، از جمله می‌تواند مصرف توان را افزایش دهد. دیگر اینکه چون طراحان نخواسته‌اند دستگاه‌شان نیاز به پریز برق ویژهٔ بزرگی داشته باشد، با استفاده از دو منبع تغذیهٔ با پریز‌های معمول، از این مشکل جلوگیری کرده‌اند.
• دستگاه سه ورودی برق دارد که دست‌کم کارکرد درست دو تای آن‌ها ضروری است. چنین دستگاهی را با دو مسیر افزونگی برق نمی‌توان به‌درستی تغذیه کرد. چون با قطع‌شدن آن مسیری که دو تا از کابل‌ها را تغذیه می‌کند، دستگاه خاموش می‌شود.
• در پیکربندی معمول برای تامین افزونگی، ۲ ورودی به‌کار می‌رود؛ اما اگر دستگاه فاوا با ظرفیت نهایی پیکربندی بشود، توان مصرفی بیشتر از آن خواهد بود که یک منبع تغذیه به‌تنهایی بتواند از آن پشتیبانی کند. ازاین‌رو اصول دو ورودی برق تنها برای دستگاه‌هایی مناسب است که برای مصرف کم پیکربندی شده باشند. چنین به نظر می‌رسد که این نوعی از خطای طراحی باشد. ولی حتی در آن زمانی که هنوز طراحی شاسی‌های با کارت‌های سوکتی جدیدتر وجود نداشت، این مسئله در بعضی تجهیزات شبکه مشاهده می‌شد. هرچند که بیشتر سازندگان بعدها، منابع تغذیهٔ به‌روز شده‌ای عرضه کردند که ظرفیت بیشتری داشتند، مسئولیت اطمینان از متناسب‌بودن پیکربندی با اصول دو ورودی برق، همچنان برعهدهٔ بهره‌بردار است.
• دستگاه را با دو ورودی طراحی کرده‌اند؛ ولی یکی از منبع تغذیه‌ها از کار افتاده و کسی متوجه نشده یا اینکه مشکل آن هنوز برطرف نشده است. دستگاه در چنین وضعیتی با یک ورودی کار می‌کند که هرگاه قطع بشود از کار می‌افتد.
• دستگاه دارای دو ورودی برق است که هر دو را ندانسته به یک مسیر متصل کرده‌اند. چنین دستگاهی به‌شکل معمول کار می‌کند؛ ولی هرگاه مسیری که دو ورودی را تغذیه می‌کند قطع بشود، از کار می‌افتد. این وضعیت به‌ویژه بیشتر در مرکزداده‌ای رخ می‌دهد که افراد گوناگون اجازه دارند به تجهیزات دسترسی داشته باشند و آن‌ها را تغییر بدهند.
• دستگاه یک ورودی بیشتر ندارد؛ ولی در محیط با برق دو مسیره اجرا شده است. اگر تغذیه با دو ورودی برای چنین دستگاهی ضروری باشد، می‌توان کلید انتقال (ATS) ـ[3] رک‌پایهٔ کوچکی را برای یک یا چند دستگاه نصب کرد. یا اگر مقدار مصرف دستگاهی که یک ورودی دارد زیاد باشد، می‌توان مسیر سومی را با نصب کلید استاتیکِ پرظرفیت تغذیه کرد و قابلیت دو ورودی بودن را برای رک یا برای آن ناحیه‌ای که دستگاه‌ها یک ورودی دارند ایجاد کرد. برای آگاهی بیشتر به مقالهٔ «تغذیهٔ تجهیزات با یک ورودی برق در محیط‌های با دو مسیر برق» [4] مراجعه کنید.

دستگاه‌های دارای دو ورودی، دو نوع هستند

دستگاه‌های فاوای دارای دو ورودی اغلب بدین شکل هستند که برق دو ورودی‌شان را از دو منبع تغذیهٔ جداگانه یا گروهی از منابع تغذیهٔ جداگانه به دست می‌آورند؛ سپس آن‌ها را در درون دستگاه یکی می‌کنند. نیاز مصرف فاوا در وضعیت معمول از هر دو منبع تغذیه، یا دو بانک منبع تغذیه [5]، فراهم می‌شود. ولی تقسیم مصرف اغلب دقیق نیست و هر منبع یا بانک کمابیش ۵۰ درصد از مصرف را (۱۰± درصد) تامین می‌کند. هرگاه برق یکی از مسیرها به‌دلیل اشکال در سیستم توزیع یا خرابی منبع تغذیه قطع بشود، دستگاه بی‌درنگ همهٔ مصرف را از منبع دیگر دریافت می‌کند. از آنجا که نیاز توان رایانش دستگاه فاوا پیش از قطع‌شدن برق با پس از آن یکی است، مسیر برقِ متصل باقی‌مانده که در وضعیت معمول ۵۰ درصد از مصرف را تغذیه می‌کرد، اکنون باید ۱۰۰ درصد از توان را تامین کند. از سویی ممکن است برخی از تجهیزات فاوا باشند که سرعت فن را در هنگام ازکارافتادن یکی از منابع تغذیه بیشتر کنند. ازاین‌رو امکان دارد نیاز توان کلی دستگاه تا ۱۵ درصد افزایش یابد. [6] بدین ترتیب منطقی است که افزایش مصرف ۱۰ درصدی را برای هنگام قطع یکی از مسیرهای برق، پیش‌بینی و برنامه‌ریزی کنیم. مسیر برق و خود منبع تغذیه به‌شکل طبیعی می‌باید بدون هیچ اشکالی آمادگی سازگاری با این تغییر مصرف را داشته باشند.

نوع دیگری از مصارف فاوا نیز هستند که کمتر استفاده می‌شوند؛ یعنی تقریبا ۵ درصد از دستگاه‌های فاوای با دو ورودی. این دستگاه‌ها نیاز توان خود را میان دو ورودی تقسیم نمی‌کنند؛ بلکه در وضعیت کارکرد معمول، همهٔ توان را از یک ورودی می‌گیرند. سپس هرگاه مسیر اولی قطع بشود، مصرف را به دیگری منتقل می‌کنند. این نوع دستگاه‌ها با داشتن قابلیت «انتقال مصرف» (Power Switch) به‌خوبی افزونگی را در محیط با دو ورودی برآورده می‌سازند. اما دو ویژگی غیر معمول دارند که باید در اجرا و در هنگام کارکرد به آن‌ها توجه داشت:

• در نصب دستگاه‌های فاوای دارای دو ورودی که از نوع «مصرف مشترک» (Power Share) هستند، توان هر دو مسیر مساوی تقسیم می‌شود و به همین شکل باقی می‌ماند. اما در نصب دستگاه‌های فاوای نوع «انتقال مصرف»، مقدار جریان برق هریک از مسیرها به این بستگی دارد که پریزها را به کدام مسیر متصل کرده باشند. اگر پریز‌ها اتفاقی متصل شوند، انتظار می‌رود برق سیستم از هر دو مسیر به‌میزان کمابیش برابر فراهم بشود. ولی اگر برای اتصال پریز‌ها از الگوهایی همچون اتصال پریز چپ به مسیر چپ استفاده بشود، امکان دارد در تقسیم مصرف نابرابری بسیاری رخ دهد؛ چندان‌که تامین بخش بزرگ‌تر یا تمام مصرف با یکی از مسیرها باشد. پیش‌تر گفتیم که هنگام قطع مسیر اصلی، ناگهان مسیر جایگزین باید از همهٔ دستگاه‌های فاوا پشتیبانی کند. گاهی در وضعیتی که کارکرد سیستم معمول است، آن مسیری که بدون مصرف برق است به‌نظر کاربران بی‌استفاده می‌آید. ازاین‌رو به‌اشتباه گمان می‌کنند می‌توان دستگاه‌های بیشتری را به آن متصل کرد. در حالی که این همان مسیری است که باید برای اطمینان از افزونگی سیستم خالی بماند. بنابراین اگر سیستم دو مسیره از نوع «انتقال مصرف» باشد، طراحی و کارکرد مرکزداده را می‌باید برای دو ورودی مصارف فاوا به‌درستی سامان‌دهی و برنامه‌ریزی کرد.
• هرگاه یکی از دو مسیر برق خراب یا قطع بشود، دستگاه‌های دارای دو ورودی از نوع «مصرف مشترک» بی‌درنگ سهم مصرف را به مسیر دیگر منتقل می‌کنند. در این هنگام به‌سرعت (در چند میلی‌ثانیه) مقدار توان مسیر جایگزین برای پشتیبانی از تمام مصرف برق دستگاه افزایش می‌یابد. رفتار دستگاه‌های فاوای نوع «انتقال مصرف» کمی متفاوت است. جابه‌جاکردن مسیر متصل در این دستگاه‌ها زمان کوتاهی به‌اندازهٔ ۲۵ میلی‌ثانیه طول می‌کشد. منبع تغذیه در این مدت کوتاه بدون برق می‌ماند و با انرژی ذخیره‌شده در خازن‌های داخل خودش کار می‌کند. پس از اینکه مسیر جایگزین متصل شد، پیش از برقرارشدن تغذیهٔ مصرف فاوا، جریان برق باید نخست خازن‌های خالی‌شدهٔ منبع تغذیه را شارژ کند. ازاین‌رو در مدت کوتاهی وضعیتی پیش می‌آید که مصرفِ منبع تغذیهٔ درحال‌کار برای تقریبا ۵۰ میلی‌ثانیه، جهش‌وار به‌میزان بیش از ۱۵۰ درصد از نیاز مصرف فاوا افزایش می‌یابد. اکنون اگر تعداد زیادی از دستگاه‌های فاوای نوع «انتقال مصرف» نصب شده باشند و هم‌زمان کار کنند، ممکن است اضافه‌باری که در منبع تغذیهٔ سیستم‌های بالادستی پیش آمده، ناخواسته باعث قطع مدار شود و دستگاه‌ها را از کار بیندازد. ازاین‌رو اگر دستگاه‌های نوع «انتقال مصرف» چنان نصب بشوند که ورودی اصلی برق همگی آن‌ها را به یک مسیر برق متصل نکرده باشند، اضافه‌بار آنی بسیار کاهش خواهد یافت.

برای کاهش مشکلات پیش‌گفته، لازم است بدانیم کدام‌یک از دستگاه‌های فاوای دارای دو ورودی برق از نوع انتقال مصرف هستند. سپس به‌شکل برنامه‌ریزی‌شده، آن‌ها را با نوع مصرف مشترک در الگوی یک‌درمیان نصب کنیم. بدین ترتیب بار در میان دو مسیر برق به‌شکل متعادل اعمال خواهد شد.

چگونگی تشخیص نوع دستگاه فاوای دو ورودی

چگونه می‌توان تشخیص داد هر دستگاه فاوا از نوع «مصرف مشترک» است یا نوع «انتقال مصرف»؟ آسان‌ترین کار استفاده‌کردن از جریان‌سنج القائی (Clamp on Meter) و اسپلیتر کابل برق AC برای اندازه‌گیری جریان هریک از دو ورودی است. در نوع «مصرف مشترک» مقدار هر دو ورودی مساوی است.

اگر دستگاه فاوا مانند شکل ۱ دارای سه ورودی باشد که با اصول دو ورودی بودن برق سازگار نیست، با یکی از روش‌های زیر می‌توان آن را در محیط دو مسیره نصب کرد و از مزایای برق افزونه بهره‌مند شد:

1. دستگاه را همانند نوع تک‌ورودی نصب کنید و هر سه ورودی آن را به کلید انتقال رک‌پایه [7] که برای همین طراحی شده است متصل سازید.
2. یکی از منابع را به مسیر ۱ و دومی را به مسیر ۲ و مسیر سوم را به کلید انتقال رک‌پایه متصل کنید. اگر چند دستگاه از این نوع موجود باشد می‌توان از یک کلید انتقال که مشخصات آن درست برآورد شده باشد، به‌شکل مشترک استفاده کرد.

شکل ۲ نمونهٔ کلید انتقال رک‌پایهٔ ۲ کیلوواتی را که برای همین طراحی شده است نمایش می‌دهد. دستگاه‌های با ظرفیت بیشتر نیز موجود است.

شکل ۱ (راست): سروری که سه ورودی برق دارد و با اصول دستگاه‌های با دو ورودی سازگار نمی‌شود.

شکل ۲ (چپ): نمونهٔ کلید انتقال رک‌پایه که به دستگاه‌های تک‌ورودی امکان می‌دهد در محیط دو مسیره از تغذیهٔ با افزونگی بهره‌مند باشند. (APC Rack ATS)

بهره‌وری

گاهی دربارهٔ بهره‌وری انرژی محیط دو مسیره پرسشی پیش می‌آید: اینکه بهره‌وری با استفادهٔ بیشتر از یک مسیر بهتر خواهد بود، یا اگر مقدار مصرف در دو مسیر هم‌اندازه باشد؟ بررسی چنین نشان می‌دهد که اگر طراحی هر دو مسیر در سیستم برق یکسان باشد، هم‌اندازه‌بودن مصرف دو مسیر موجب افزایش بهره‌وری خواهد شد. اما مقدار بیشتر بودن آن کمتر از ۱ درصد است [8] و ازاین‌رو هیچ مزیتی ندارد. البته در بعضی از سیستم‌ها مقدار بهره‌وری یکی از مسیرها از دیگری بیشتر است؛ مثلا هنگامی که یکی از مسیرها توسط UPS پشتیبانی شود و دیگری برق حفاظت‌نشده دریافت کند. در این موارد روشن است که بیشتر استفاده کردن از مسیر برقِ حفاظت‌نشده، اگر ممکن باشد به‌صرفه‌تر خواهد بود.

کدبندی با رنگ

اگر دستگاه‌های فاوا دارای ورودی‌هایی باشند که باید به مسیر ۱ و ۲ و کلید انتقال متصل بشوند، ممکن است پیگیری کابل‌های ورودی گوناگون و اطمینان از درست‌بودن سیم‌کشی‌ها دشوار باشد. توده‌شدن کابل‌ها که معمولا بلندتر از اندازه هستند و انبوه کابل‌های داخل رک مشکل را پیچیده‌تر می‌کند. این مسائل کار ردیابی و اطمینان از اتصال درست را دشوار می‌سازد. برای حل این مشکل می‌توان کابل‌های ورودی برق دستگاه‌های فاوا را با نوع دارای رنگ‌‌های کدبندی‌شده جایگزین کرد که طول به‌اندازه داشته باشند. (شکل ۳)

شکل ۳: کابل‌کشی بهبودیافته برای ورودی‌های برق، با استفاده از رنگ‌های کدبندی‌شده و طول مناسب

برای کدبندی درست کابل‌های برق، از سه رنگ استفاده می‌شود. در شکل ۳ نمونهٔ سیستمی را می‌بینید که در آن کابل‌های مسیر ۱ به‌رنگ آبی و مسیر ۲ به‌رنگ قرمز هستند. برای کابل دستگاه‌های تک‌ورودی نیز رنگ مشکی به‌کار رفته است. هرگاه تنها یک مسیر با UPS حفاظت بشود و مسیرهای دیگر با برق حفاظت‌نشده تغذیه بشوند [9]، برای کابل‌های مسیر UPS رنگ آبی به‌کار می‌رود. دستگاه‌های تک‌ورودی در شکل ۲ با مسیر UPS تغذیه می‌شوند [10]، ولی چنان‌که پیش‌تر بیان کرده‌ایم، همچنین می‌توان آن را با کلید انتقال رک‌پایه (یا کلید انتقال قدرت دستی مرکزی) تغذیه کرد. اگر چنین باشد، برای اتصال به کلید انتقال از کابل مشکی استفاده می‌شود. باید توجه داشت که به‌کاربردن طول مناسب برای کابل‌های ورودی، کار بازبینی را آسان می‌سازد و از درهم‌پیچیدن آن‌ها که موجب بسته‌شدن مسیر هوا می‌شوند می‌کاهد. شکل ۳ نشان می‌دهد کابل‌های ورودی به قطعهٔ قفل‌شونده‌ای مجهز شده‌اند تا از جای خود جدا نشوند. زردی رنگ این قطعه برای کمک به کارکنان است تا بتوانند اتصالات سست را به‌سرعت شناسایی کنند.

از بررسی‌های پیش‌گفته، چند قانون و رویهٔ ساده به دست می‌آید که می‌باید در اجرای دستگاه‌های فاوا به کار رود. خلاصهٔ این مقررات را در پایان همین مقاله آورده‌ایم. اکنون به وضعیتی می‌پردازیم که در محیط دو مسیرهٔ سیستم‌های توزیع برق برای اطمینان از افزونگی ضروری است.

الزامات سیستم توزیع برق

با توجه به ویژگی‌های مصارف فاوای با دو ورودی، اکنون می‌توانیم به این موضوع بپردازیم که طراحی و مدیریت سیستم توزیع برق چگونه باید باشد تا بتوان نیاز افزونگی را به‌شکل مطمئن فراهم ساخت.

مهم‌ترین هدف سیستم توزیع برق این است که اگر در هر نقطه‌ای از مسیر برق خرابی رخ بدهد، مسیر دوم بدون مشکل بماند. اینکه کارکرد مرکزداده در وضعیت معمول درست باشد، هیچ تضمین نمی‌دهد که مسیر دوم (جایگزین) در هنگام خرابی به‌خوبی کار کند.

پیش‌تر توضیح داده‌ایم که خرابی یک مسیر برق موجب افزایش مصرف پلکانیِ (Load Step) مسیر جایگزین می‌شود. مقدار افزایش پلکانی و جایی که افزایش رخ می‌دهد، بستگی به ماهیت خرابی مسیر برق دارد. در ادامه دو نمونهٔ مهم را بیان می‌کنیم که دامنهٔ محدودهٔ افزایش پلکانی مصرف را نشان می‌دهد:

• خرابی مسیر شاخه‌مدار رک اغلب به ۲ برابر شدن جریان مدار مسیر جایگزین آن رک می‌انجامد. ولی جریان کلیدهای قدرت بالادستی که چندین PDU را بر مسیر جایگزین تغذیه می‌کنند، ممکن است تنها چند درصد افزایش یابد.
• خرابی مسیر برقی که با UPS مرکزی تغذیه می‌شود، اغلب به ۲ برابر شدن جریان مدار مسیر جایگزین رک می‌انجامد. افزون بر این در تمام کلیدهای بالادست تغذیه‌کنندهٔ PDUهایِ مسیر جایگزین نیز جریان ۲ برابر می‌شود.

مطمئن‌شدن از اینکه خرابی مسیر معمول موجب اضافه‌بار در هیچ نقطه‌ای از مسیر جایگزین نخواهد شد، در همهٔ موارد در هر دو طراحی و وضعیت عملیاتی ضرورت دارد. با اینکه اطمینان‌یافتن از این موضوع بسیار پیچیده به نظر می‌رسد، با درک‌کردن چند اصل ساده، دست‌یافتنی می‌شود:

• اگر هر مسیر چنان طراحی بشود که هر نقطه از آن بتواند نیاز برق تجهیزات پایین‌دست را به‌خوبی پشتیبانی کند، اضافه‌بار رخ نخواهد داد.
• اگر رویه‌ها یا سیستم‌ها چنان اجرا بشوند که توان دستگاه‌های فاوای نصب‌شده هرگز از مقدار مبنای به‌کاررفته در طراحی سیستم توزیع برق بیشتر نشود، اضافه‌بار رخ نخواهد داد.

با اینکه تعریف‌کردن این اصول ساده در طراحی آسان است، اجرای آن در محیط پویای (Dynamic) مرکزداده کار دشواری است. برای اجرای این اصول دو روش کلی وجود دارد:

• برای هرگونه تغییر یا در هنگام کم‌وزیاد کردن دستگاه‌ها، بدترین وضعیت ممکن را تحلیل کنید تا اطمینان یابید توان در هیچ وضعیتی از مقدار مبنای طراحی بیشتر نمی‌شود. این کار نیاز به اطلاعات بسیاری دربارهٔ دستگاه‌های فاوا دارد که گاهی دشوار به دست می‌آید. داشتن زمان و دانش مهندسی نیز ضروری است. با این‌همه سرانجام ممکن است طراحی محتاطانه‌ای به‌بار آید که در آن ظرفیت مرکزداده به‌میزان چشمگیری بی‌استفاده مانده باشد. این رویکرد بهترین استفادهٔ خود را در جایی دارد که تعداد زیادی تجهیزات فاوای همانند نصب شده است.
• سیستم توزیع برق را پایش کنید و داده (Data) دربارهٔ حاشیهٔ ایمنی عملیاتی فراهم سازید. هرگاه سیستم با کم‌وزیاد شدن یا تغییر دستگاه‌ها به محدودهٔ عملیاتی هریک از نقاط توزیع برق نزدیک شد، هشدار بدهید. در محیط پویای مرکزداده این کاربردی‌ترین رویکرد به‌شمار می‌رود.

برای اجرای راهبرد نظارتی می‌باید هر فاز از هر مدار پایش شود تا مطمئن شویم رخ‌دادن هر شکل از خرابی در هر نقطه از سیستم، موجب اضافه‌بار در مسیر جایگزین نخواهد شد. توجه کنید هرگاه در محیط دو مسیرهٔ مطلوب خرابی رخ بدهد، بار مسیر جایگزین حداکثر فقط ۲ برابر می‌شود. ازاین‌رو پایش برای این است که هیچ‌کدام از مدارها بیشتر از ۵۰ درصد از ظرفیت مبنای خود بارگذاری نشوند. از سویی برای اجرای تاسیساتی که دارای تجهیزات نوع انتقال مصرف هستند، یا آن‌ها که توان مصرفی‌شان در هنگام قطع منبع تغذیه افزایش می‌یابد، برای اطمینان از رخ‌ندادن اضافه‌بار در مدارها می‌باید حاشیهٔ ایمنی بیشتری را فراهم ساخت. تجربه نشان می‌دهد برای فراهم‌بودن کارکرد مطمئنِ مسیر جایگزین در هنگام رخ‌دادن هر شکل از خرابی، پایش‌کردن سیستم برای اینکه بارگذاری مدارها در ۴۰ درصد از ظرفیت مبنا باقی بماند کافی است. سیستم نظارت باید گزارش داشته باشد تا اضافه‌بارها در نصب و راه‌اندازی تجهیزات یا پس از آن در هنگام عملیات، شناسایی شوند و بهره‌بردار بتواند هرآنچه برای کاهش مصرف لازم باشد انجام بدهد.

در محیط فاوای یکنواختی که از چندین دستگاه همانند تشکیل شده باشد، آستانهٔ نظارت (Monitoring Threshold) را باید با اندازه‌گیری رفتار یک نمونه از دستگاه‌های فاوا تعیین کرد. اگر توان دستگاه نمونه با قطع‌شدن یکی از مسیرهای برق افزایش نیافت، می‌توان آستانهٔ نظارت را در ۵۰ درصد از ظرفیت گذاشت. وگرنه برای هر ۱ درصد از افزایش مصرف باید آن را ۰٫۵ درصد کاهش داد. برای نمونه اگر مصرف دستگاه فاوا با قطع یک مسیر به ۱۱۰ درصد برسد، آستانهٔ نظارت را باید ۴۵ درصد از ظرفیت انتخاب کرد.

بااین‌که اجرای نظارت بر حاشیهٔ ایمنی صدها مدار در مرکزداده به‌نظر پیچیده و دشوار می‌رسد، ولی در بسیاری از PDUهای رک این ویژگیِ استانداردشده‌ای است و در برخی از راهکارهای مدیریت زیرساخت مرکزداده (DCIM) به‌شکل کارکرد آماده و بی‌نیاز از تنظیمات اولیه [11] وجود دارد. اشنایدر الکتریک و شرکت‌های دیگر چنین راهکارهایی را عرضه می‌کنند. مقالهٔ «نقش نرم‌افزار مدیریت زیرساخت مرکزداده در بهبود برنامه‌ریزی و کاهش هزینهٔ عملیاتی» [12] توضیح می‌دهد که به‌کارگیری مدیریت زیرساخت (DCIM) چگونه به تغییر و کم‌وزیاد کردن تجهیزات فاوا کمک می‌کند.

بهره‌برداران با اجرای چنین سیستمی می‌توانند رک، PoD، سالن، بلکه همهٔ تاسیسات را با یک مسیر برق تغذیه کنند و هنگام عملیات تعمیر و نگهداری هم‌زمان، به کارکرد سیستم به‌خوبی اطمینان داشته باشند. آن‌دسته از بهره‌بردارانی که به کارکرد سیستم خود مطمئن نیستند و به تداوم کارکرد آن در هنگام تغییر و نگهداری اعتماد ندارند، احتمالا تاکنون عملیات تست و نگهداری را انجام نداده‌اند. در این حال احتمال خرابی در هنگام قطع برق بیشتر است.

قوانین برای فراهم‌ساختن افزونگی مطلوب با برق دو مسیره

پس از آنچه گفتیم اکنون به قوانین اجرای افزونگی برق دو مسیره می‌رسیم:

قانون ۱: دستگاه‌های نصب‌شدهٔ دارای دو ورودی برق را ارزیابی و اعتبارسنجی کنید تا مطمئن باشید قابلیت تداوم کارکرد را در هنگام قطع برق یکی از مسیرها دارند. اگر سازندهٔ دستگاه چنین چیزی را تضمین نمی‌کند، خودتان پیش از اجرا، آن را در محلی که باید نصب بشود آزمایش و ارزیابی کنید. [برای یادآوری شش علتی که موجب می‌شوند دستگاه‌های فاوای با دو ورودی درست کار نکنند، به بخش «رفتار دستگاه فاوای با دو ورودی برق» بازگردید.]

قانون ۲: مطمئن بشوید که سیستم‌ها و رویه‌های نظارت و اصلاح که برای خرابی منبع تغذیهٔ دستگاه‌های دارای دو ورودی برق در نظر گرفته‌اید، به‌درستی اجرا شده‌اند. بیشتر دستگاه‌های فاوا طراحی می‌شوند تا نتایج پایش‌ها را گزارش بدهند؛ ولی اغلب این هشدارها به‌درستی بررسی و پیگیری نمی‌شوند یا برای رسیدگی به آن‌ها کاری انجام نمی‌گیرد.

قانون ۳: مطمئن بشوید که دو ورودی دستگاه‌ها به دو مسیر برق جداگانه متصل شده‌اند. در این کار رویه‌هایی را برای اجرای تغییر و نصب تجهیزات تدوین کنید. همچنین مطمئن بشوید که هریک از دو کابل ورودی در هریک از دو PDU درون رک، به فاز (یا جفت‌فاز) نظیر متصل شده باشند. به‌شکل مطلوب این دو ورودی به گروهی از خروجی‌های متناظر در هریک از دو PDU درون رک متصل می‌شوند. کابل‌های ورودی را با رنگ کدبندی کنید و طول آن‌ها را درست به‌اندازه‌ای که نیاز هست در نظر بگیرید.

قانون ۴: متوجه مصارف دستگاه‌های با یک ورودی باشید. چنانچه این مصارف حساس باشند، اگر بشود می‌باید ویژگی دو مسیره بودن را برای آن‌ها فراهم سازید. برای این کار کلید انتقال خودکار (ATS) را جداگانه برای هریک از دستگاه‌ها نصب کنید. یا برای گروه یا ناحیه‌ای از دستگاه‌های تک‌ورودی از کلید بزرگ انتقال قدرت استفاده کنید.

قانون ۵: متوجه دستگاه‌های با پیکربندی نوع «انتقال مصرف» باشید. مطمئن بشوید که ورودی اصلی برق دستگاه‌های گوناگون همگی به یکی از دو مسیر برق متصل نشده باشند؛ بلکه میان دو مسیر به‌شکل متعادل تقسیم شوند. برای این کار از فرایند مناسب بهره بگیرید.

قانون ۶: هر فاز از هر مدار مرکزداده و همهٔ سطوح سیستم توزیع برق [13] را پایش کنید تا کارکرد مدارهای باردار از آستانهٔ ۴۰ درصد ظرفیت مبنا بیشتر نشود. باید بتوان هرگاه جریان برق عملیاتی از این مقدار بیشتر شد، هشدار دریافت کرد. [14] همچنین پیش از کم‌وزیاد کردن یا تغییر دستگاه‌ها، مطمئن بشوید که حاشیهٔ ایمنی لازم فراهم است و بارگذاری هیچ‌کدام از مدارها بیشتر از ۵۰ درصد از ظرفیت مبنا نمی‌شود.

قانون ۷: برای رک‌ها پروتکل اعتبارسنجی اجرا کنید. در آن درست‌بودن اتصالات کابل‌های ورودی به‌شکل دوره‌ای بازرسی شود. سپس آن‌ها را با خاموش‌کردن یک‌به‌یک ورودی‌های برق بیازمایید. با آزمون‌گرفتن از بخش کوچکی از مرکزداده و انتخاب درست زمان انجام آن می‌توان پیامدهای خرابی را کاهش داد. با این کار اطمینان به سیستم دو مسیره افزایش می‌یابد.

نتیجه‌گیری

در این مقاله به کارکرد دستگاه‌های فاوای با دو ورودی برق و ملاحظات اجرای آن‌ها در مراکزداده‌ای که در برابر خرابی مسیر برق تحمل خطا دارند پرداختیم.

بااین‌که بسیاری از دستگاه‌ها دارای چند ورودی برق هستند، رفتار همانند یکدیگر ندارند و در هنگام استفاده از یک ورودی برق درست عمل نمی‌کنند. در طراحی کارآمد افزونه (Redundant) برای دستیابی به تحمل خطا، می‌باید با انجام آزمون از کارکرد یک‌یک دستگاه‌ها اطمینان یافت. یا هر دستگاه را چنان طراحی کرد که الزامات هنگام کار کردن با یک ورودی را برآورده سازد.

ممکن است در مرکزدادهٔ دو مسیره به‌ناچار بعضی از دستگاه‌هایی که از نوع دو ورودی نیستند نصب شوند. اگر چنین باشد، می‌توان تغذیهٔ این دستگاه‌ها را با کلید انتقال رک‌پایه‌ای انجام داد که برای همین طراحی شده است. یا چنانچه تعداد این دستگاه‌ها زیاد باشد، از کلید انتقال قدرت دستی [15] استفاده کرد. بدین ترتیب می‌توان مزایای کارکرد با دو ورودی برق را برای این دستگاه‌ها فراهم ساخت.

مهیا ساختن برق دو مسیره به‌تنهایی افزونگی را تضمین نمی‌کند؛ زیرا قطع‌شدن هر مسیر ممکن است به اضافه‌بار و خرابی در مسیر دیگر بینجامد. ازاین‌رو تغییر و کم‌وزیاد کردن تدریجی دستگاه‌ها نباید از چهارچوب معیارهای طراحی سیستم بگذرد.

عامل مهمی که با آن می‌توان از داشتن تحمل خطا آسوده‌خاطر بود، نظارت‌کردن بر هر فاز از هر مدار مرکزداده است. بدین ترتیب می‌توان مطمئن شد که هیچ مداری در وضعیت معمول، بیشتر از ۴۰ تا ۵۰ درصد از ظرفیت مبنا بارگذاری نمی‌شود. با اینکه چنین نظارتی به‌دلیل زیاد بودن تعداد مدارها کار پیچیده‌ای به نظر می‌رسد، در بعضی PDUهای درون رک و نرم‌افزارهای DCIM کارکرد استاندارد به‌شمار می‌رود. بهره‌برداران می‌توانند با پیروی از مجموعه‌ قوانین ساده‌ای که در این مقاله بیان کردیم، اطمینان داشته باشند سیستم دو مسیرهٔ مرکزداده دارای افزونگی و پایایی پیش‌بینی‌شده خواهد بود.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 206: “Overload Protection in a Dual-Corded Data Center Environment” (Revision 0)

نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده

[2] Cross Ties For Maintenance

[3] Rack-mount Transfer Switch (ATS)

[4] APC White Paper 62: Powering Single-Corded Equipment in a Dual Path Environment

[5] Banks of Power Supplies

[6] هرگاه یکی از دو منبع تغذیه قطع بشود، هدررفت انرژی مصرف‌شده در آن نیز حذف می‌شود. افزایش هدررفت منبع دوم که باید جبران منبع قطع‌شده را بکند، معمولا کمتر از مقدار هدررفت حذف‌شده است. بدین ترتیب در واقع بهره‌وری خالص منبع تغذیه افزایش می‌یابد. نتیجه اینکه ازکارافتادن یکی از دو منبع تغذیه موجب کاهش توان مصرفی کلی می‌شود. از سویی بسیاری از دستگاه‌های فاوا هستند که سرعت فن‌ها را در هنگام ازکارافتادن یکی از منابع تغذیه افزایش می‌دهند. این مسئله بر مصرف برق می‌افزاید که مقدار آن از میزان کاهش به‌دست‌آمده بیشتر است. این‌چنین است که می‌توان گفت: حذف یکی از منابع تغذیه به‌طور کلی مصرف برق را بیشتر می‌کند.

[7] در سیستم‌هایی که تعداد زیادی دستگاه تک‌ورودی دارند، گاهی کلید انتقال استاتیکیِ پرظرفیت نصب می‌کنند. در این حالت برای تغذیه‌کردن رک‌ها یا ناحیه‌ای مشخص، علاوه بر مسیر ۱ و ۲ ممکن است مسیر سوم نیز به‌کار رود.

[8] جزئیات این بررسی در این مقاله نیامده است.

[9] گاهی به آن سیستم برق Tier 3 می‌گویند.

[10] مصارف غیرضروریِ تک‌ورودی باید به منبع UPS متصل شوند. هرگاه این منبع از کار بیفتد، چنانچه ضروری بشود می‌توان کابل‌های مصارف را به‌شکل دستی به منابع جایگزین متصل کرد. KVM سوئیچ‌ها و مانیتورها نمونه‌ای ازاین‌دست هستند. KVM وسیله‌ای است که با آن از یک موس و کیبورد و مونیتور برای چند کامپیوتر استفاده می‌کنند.

[11] Out of the box function

[12] APC White Paper 107: How Data Center Infrastructure Management Software Improves Planning and Cuts Operational Costs

[13] باید توجه داشت با اینکه پایش شاخه‌مدارهای انتهایی ضرورت دارد، برای داشتن کارکرد مطمئن کافی نیست. افزون بر آن می‌باید بر ورودی‌های تغذیه‌کنندهٔ برق و ورودی‌های فرعی نیز نظارت کرد تا بتوان اطمینان داشت در هنگام خرابی یکی از ورودی‌ها، در مسیر جایگزین اضافه‌بار رخ نمی‌دهد.

[14] اگر هنگامی که برق مسیر اول قطع می‌شود، تغییر آشکاری در مصرف رخ می‌دهد؛ یا اگر متناسب با بار فاوا، تغییر مصرف دینامیکی چشم‌گیری مشاهده می‌شود؛ می‌باید آستانه را کمتر از ۴۰ درصد ظرفیت در نظر گرفت. همچنین به‌جای این کار می‌توان از نرم‌افزار اندازه‌گیری و کنترل توان استفاده کرد.

[15] بسیاری از ATSهای رک‌پایه با سرعت کافی طراحی شده‌اند تا در طول انتقال، همچنان مصارف فاوا را تامین کنند. ATSهای بزرگ مرکزی این ویژگی را ندارند. ازاین‌رو به کلید سریع‌تری نیاز هست تا بتواند از چندین رک یا یک ناحیه پشتیبانی کند.