مقایسهٔ انواع معماری توزیع برق در مرکزداده [1]

مقدمه

بسیاری از مراکزدادهٔ فعلی، برای تغذیهٔ برق تجهیزات فاوای خود هنوز از معماری توزیع برق چهل سال پیش استفاده می‌کنند. شیوهٔ تامین برق مرکزداده با گذشت زمان بسیار تغییر کرده و معماری قدیمی به چالش‌های سختی دچار شده است. به‌ویژه افزایش توان مصرفی، تعداد روبه‌رشد دستگاه‌های جداگانهٔ فاوا، همچنین نیاز مداوم به کم‌وزیاد کردن دستگاه‌های فاوا، این وضعیت را مشکل‌تر می‌سازد. سیستم‌های بهبودیافته‌ مزایایی دارند. از جمله می‌توان رک‌های فاوا را بدون کابل‌کشی مجدد نصب کرد یا تغییر داد، برق مورد نیاز را از زیر سقف توزیع کرد، همچنین تا ظرفیت ۳۰ کیلووات در رک را با یک ورودی برقِ انعطاف‌پذیر پشتیبانی کرد و بهره‌وری (Productivity) برق را بهبود بخشید. همچنین این سیستم‌ها شاخه‌مدار (Branch Circuit) را تغذیه‌ می‌کنند و در مدیریت ظرفیت از سیستم استاندارد بهره می‌گیرند.

شکل ۱: پنج روش توزیع برق برای رک‌های فاوا

در این مقاله پنج روش توزیع برق را مقایسه می‌کنیم که در مراکزدادهٔ امروزی به کار می‌روند. این روش‌ها عبارت‌اند از: «تابلوی توزیع»، «PDUهای سنتی سربندی‌شده در محل»، «PDUهای سنتی سربندی‌شده در کارخانه»، «تابلوی ایستادهٔ توزیع برق ماژولار»، «باس‌داکت ماژولار توزیع برق» (زیر کف کاذب یا بالای رک‌ها). همچنین مزایا و معایب هر روش را بررسی خواهیم کرد و برای انتخاب روش بهینهٔ کاربردها و دشواری‌های خاص، راهنمایی‌هایی ارائه می‌دهیم. (شکل ۱)

مشخصات فاوای مرکزداده

مرکزدادهٔ سنتی در گذشته، از چند دستگاه بزرگ فاوا تشکیل می‌شد. این تجهیزات به‌جز هنگامی که آن‌ها را برای به‌روز‌رسانی‌های اصلیِ برنامه‌ریزی‌شده خاموشی می‌کردند، به‌ندرت تغییری به خود می‌دیدند. ظرفیت برق این تاسیسات کم بود و در زیرِ کف به حجم هوای کمی نیاز داشت. همچنین معمولا هر ۱ شاخه‌مدار نیاز ۳ متر مربع از محیط سالن رایانش را تامین می‌کرد. جدول ۱ بیانگر ویژگی‌های تجهیزات فاوای امروزی است.

جدول ۱: ویژگی‌های تجهیزات فاوای جدید که بر انتخاب روش توزیع برق موثر است.

ویژگی	توضیح
تعداد دستگاه‌های فاوا	مرکزدادهٔ امروزی ممکن است به‌جای چند دستگاه بزرگ، از هزاران دستگاه با کابل و دوشاخهٔ جداگانه تشکیل شده باشد که به اتصالات بسیاری نیاز دارند.
تعداد به‌روزرسانی تجهیزات فاوا	دستگاه‌های فاوا در طول عمر مرکزداده، اغلب بارها تغییر می‌کنند که باعث تغییر الزامات برق و اتصالات رک می‌شود. باید بتوان مدارهای برق جدید را هم‌زمان با فعالیت مرکزداده اضافه کرد؛ بدون اینکه در تجهیزات فاوای نزدیک به محلِ انجام تغییرات، اختلال رخ بدهد.
ظرفیت برق رک‌های فاوا	هنگامی که ظرفیت برق رک به‌مقدار زیادی افزایش می‌یابد، اغلب نیاز می‌شود چندین شاخه‌مدار نیز اضافه شود. افزایش ورودی برق باعث مسدود شدن پلنوم هوای زیر کف می‌شود. این مسئله مسیر جریان هوا را تنگ می‌کند و انجام تغییرات را دشوارتر می‌سازد.
نوع دستگاه‌های فاوا	برای اجرای سیستم‌های دو مسیرهٔ برق، می‌باید اطمینان یافت که هیچ مداری بیشتر از ۵۰ درصد بارگذاری نمی‌شود.

ولتاژ توزیع

برقی که در بیشتر نقاط جهان برای مصارف فاوا توزیع می‌شود، برق متناوب ۲۳۰/۴۰۰ ولت است. در آمریکای شمالی از پیش، برق متناوب با ولتاژ ۱۲۰/۲۰۸ توزیع می‌شده که ناکارآمدی‌هایی همچون گران‌بودن، بهره‌وری کمتر، سطح اشغال بیشتر را دارد. ولتاژ عملیاتی دیگری نیز در آمریکای شمالی به کار می‌رود که نسبت به ولتاژ ۱۲۰/۲۰۸ برتری‌هایی دارد. برخلاف ولتاژ ۱۲۰/۲۰۸، با ولتاژ ۲۴۰/۴۱۵ می‌توان رک‌های پرظرفیت را بدون افزودن شاخه‌مدارِ بیشتر اجرا کرد. مقالهٔ «توزیع پربازده برق متناوب (AC) در مرکزدادهٔ سبز» [2] به مزایای ولتاژ ۲۴۰/۴۱۵ نسبت به ۱۲۰/۲۰۸ پرداخته است.

تابلوی توزیع برق

در این روش، برق اصلیِ مرکزداده را ابتدا در چندین تابلو توزیع می‌کنند که روی دیوارها نصب شده‌اند (شکل ۲). توان این تابلوها به‌طور معمول بین ۱٫۵ تا ۷۵ کیلوولت‌آمپر است. مونتاژ این تابلوها را ممکن است سازنده از پیش انجام داده باشد، یا پیمانکار برق هنگام نصب در محل انجام دهد. هریک از شاخه‌مدارها یا کابل‌ها را پیمانکار در هنگام نصب می‌بُرد و سربندی و متصل می‌کند. کابل‌کشی برای تامین برق رک‌ها، از نزدیک‌ترین فاصلهٔ ممکن انجام می‌شود. کابل‌ها را روی سینی کابل، از زیر سقف یا از زیر کف یا گاهی مستقیم از داخل کف می‌آورند. تابلوهای دیواری راهبرد بسیار ارزانی در توزیع برق است. این‌ها از قطعاتی تشکیل شده‌اند که به‌سرعت می‌توان در چند روز، نه چند هفته اجرا کرد. مهندسی این روش بسیار انعطاف‌پذیر است و با آن می‌توان همهٔ نیازهای منحصربه‌فرد هر مرکزداده‌ای را برآورده ساخت.

شکل ۲: نمونه‌هایی از تابلوی توزیع برق

مزایا

• هزینهٔ اولیهٔ بسیار کم. این در اصل به‌دلیل قطعات ارزان‌قیمت آن است.
• با محدودیت‌های نامعمولِ محیط فیزیکی سازگار می‌شود.
• دست کارشناسان برق برای ترکیب‌کردن کلید قدرت و کابل بازتر است. زیرا ناچار نیستند با مجموعه‌ای از انتخاب‌های از پیش پیکربندی‌شده کار کنند.
• قطعات را می‌توان به‌سرعت تهیه کرد. برای نمونه از تامین‌کنندهٔ محلی خرید.

معایب

• ریسک خطای انسانی افزایش می‌یابد. زیرا هر نصب به‌شکل سفارشی مهندسی می‌شود که بستگی زیادی به کیفیت کار و مهارت کارشناسان برق دارد.
• اگر برای هوارسانی از پلنوم استفاده می‌شود، کابل‌کشیِ درون آن به‌مرور زمان حجم زیادِ جریان هوای سرد را کاهش می‌دهد. حجم کافی هوای سرد برای تجهیزات مدرن فاوا ضرورت داد. این مشکل از اثربخشی هوارسانیِ سیستم سرمایش می‌کاهد. [مطالعه دربارهٔ مشکلات هوارسانی]
• محیطی ایجاد می‌شود که به‌آسانی تغییرپذیر نیست.
• ممکن است ردیابی و بیرون‌آوردن کابل‌ها، به‌دلیل رد شدن از کف کاذب یا سینی کابل دشوار باشد.

کاربرد متداول

• چنانچه کمترین هزینهٔ اولیه اولویت داشته باشد، برای نصب تجهیزات کم‌ظرفیت بهترین گزینه است.
• هنگامی که احتمال تغییر دادن تجهیزات فاوا کم باشد یا به‌ندرت رخ دهد.
• هنگامی که ظرفیت رک کم باشد و کابل‌کشی در پلنوم هوا انجام شده باشد.

دستگاه‌های PDU سنتیِ توزیع برق

توزیع برق اصلی مرکزداده در سیستم‌های سنتی، به‌وسیلهٔ چندین PDU با توان ۵۰ تا ۵۰۰ کیلوولت‌آمپر انجام می‌شود. گاهی PDUهای بدون ترانسفورماتور را RPP ـ[3] می‌نامند؛ ولی ما در این مقاله بدون درنظرگرفتن این تفاوت، به تمامی دستگاه‌های توزیع برق PDU می‌گوییم. دستگاه‌های PDU از تابلوهای توزیع فرعی تغذیه می‌شوند و اغلب دورتادور محیط قرار می‌گیرند. شکل بعضی از آن‌ها همانند رک فاوا است که هم‌راستا با رک‌ها در یک ردیف قرار می‌گیرند. بدین ترتیب هم نظم و زیبایی محیط حفظ می‌شود و هم محل توزیع برق به محل مصرف نزدیک‌تر است. شاخه‌مدارها از PDUها منشعب می‌شوند و به تجهیزات فاوا می‌رسند. هر رک فاوا از یک یا چند شاخه‌مدار استفاده می‌کند. شکل ۳ نمونه‌ای از این روش را نمایش می‌دهد.

شکل ۳: کابل‌کشیِ سیستم توزیع برق در مرکزدادهٔ سنتی

استفاده از روش‌های سنتی اغلب، مشکلات زیر را دارد:

• کاربران از تغییر دادن مدارهایی که برق در کابل‌های آن‌ها جریان داشته باشد وحشت دارند. این کار خطرناک و برخلاف قوانین است.
• دستگاه‌های PDU، بخش بزرگی از سطح طبقه را پر می‌کنند و ظرفیت تحمل بارِ کف (وزن) را اشغال می‌کنند.
• در دستگاه‌های بزرگ PDU که ترانسفورماتور نیز دارند، در بیشتر مواقع پیش از اینکه بارگذاریِ سیستم کامل بشود، فضای کافی برای نصب کلید قدرت به پایان می‌رسد.
• نیاز به سرمایش برای جبران هدررفت گرماییِ دستگاه‌های بزرگ PDU که ترانسفورماتور دارند، از بهره‌وری مرکزداده می‌کاهد.

سیستم‌های سنتی PDU بر دو نوع‌اند:

• سربندی‌شده در محل: برای توزیع‌کردن برق میان رک‌های فاوا، کابل‌ها را از زیر کف یا داخل سقف عبور می‌دهند. برای کابل‌کشی از سینی کابل یا لوله‌های برق یا لوله‌های فلکسی استفاده می‌کنند.
• سربندی‌شده در کارخانه: برای اینکه برق را از PDU به رک‌های فاوا برسانند، با کابل و اتصالات پیش‌ساخته از طریق سقف کابل‌کشی می‌کنند.

PDU و RPP

PDU یا «واحد توزیع برق» قسمتی است از زیرساخت که طراحی شده تا برق را از مسیر بالادست بگیرد و بین مصارف پایین‌دست توزیع کند. در بعضی از کشورها، به سیستمی PDU می‌گویند که ترانسفورماتوری نیز برای تبدیل ولتاژ یا تامین برق حفاظت‌شده داشته باشد. دستگاه بدون ترانسفورماتور را RPP می‌نامند.

سیستم PDU سربندی‌شده در محل

همان‌گونه که شاخه‌مدارها از تابلوی توزیع برق تغذیه می‌شوند، در این شیوه از PDUهای سربندی‌شده در محل تا رک‌های فاوا کابل‌کشی می‌شود. در این کار ممکن است از لولهٔ برق یا لولهٔ فلکسی استفاده بشود، یا اینکه به‌سادگی کابل‌ها را در سینی‌های زیر سقف بگذارند. اینکه کدام روش انتخاب شود، به الزامات قانونی هر منطقه بستگی دارد. شکل ۴ نمونهٔ PDU سربندی‌شده در محل را نشان می‌دهد. در این شکل هر دو روش را می‌بینید؛ یعنی روش توزیع کابل‌ها از زیر کف کاذب و روش سینی کابل از داخل سقف.

شکل ۴: دستگاه PDU سربندی‌شده در محل؛ کابل‌کشیِ لوله‌های برق در زیر کف کاذب (وسط) و کابل‌کشی به‌وسیلهٔ سینی کابل در سقف (راست)

پیمانکار برق نقش بسیار مهمی در مهندسی این رویکرد دارد. بیشتر کار کابل‌کشی در محلِ نصب انجام می‌شود که شامل بریدن، سربندی و اتصال شاخه‌مدارها، همچنین اتصال به رک‌ها است. اگر سالن کف کاذب داشته باشد، پایه‌های مخصوصِ زیر کف نیز به مهندسی و طراحی ویژه نیاز خواهند داشت. همچنین برای سنجش پارامترها، سنسورهایی در سطح شاخه‌مدار نصب و برنامه‌ریزی می‌شوند.

مزایا

• نسبت به روش تابلوی توزیع، برای نظارت از گزینه‌های سطح بالاتری استفاده می‌شود.
• هزینهٔ اولیه کم است. زیرا این PDUها نسبت به نوع سربندی‌شده در کارخانه یا نوع ماژولار ارزان‌تر هستند.
• با دشواری‌های نامعمول در فضای فیزیکی سازگار می‌شود. در این روش برخلاف تابلوی توزیع دیواری، امکان چیدمان راهبردی در سیستم توزیع فراهم است.
• کارشناسان برق انعطاف بیشتری برای ترکیب کابل و کلید قدرت دارند. زیرا مجبور نیستند ترکیب را از نمونه‌های مونتاژشده و از پیش پیکربندی‌شده انتخاب کنند.

معایب

• ریسک خطای انسانی زیاد است. زیرا اجرای طراحی سربندی در محل، به کیفیت کار و مهارت کارشناسان برق وابستگی بیشتری دارد. هنگامی که سربندی کابل‌ها در محل پروژه اجرا می‌شود، ممکن است اتصالات را سست ببندند یا مشکلات دیگری پیش بیاید.
• سیستم توزیع برق گارانتی محدودی دارد. زیرا نصب اجزایی همچون کلید قدرت و کابل‌های برق، در محل پروژه انجام می‌شود.
• اگر برای هوارسانی از پلنوم استفاده می‌شود، کابل‌کشیِ درون آن به‌مرور زمان حجم زیادِ جریان هوای سرد را کاهش می‌دهد. حجم کافی هوای سرد برای تجهیزات مدرن فاوا ضرورت داد. این مشکل از اثربخشی هوارسانیِ سیستم سرمایش می‌کاهد.
• ممکن است ردیابی و حذف کابل‌ها به‌دلیل انبوه‌شدن در کف کاذب یا در سینی کابل دشوار شود.

کاربردهای متداول

• هنگامی که ارزان‌بودن هزینهٔ اولیه، از توزیع ماژولار و سربندی‌شده در کارخانه مهم‌تر باشد.
• هنگامی که فضای کف کافی است؛ ولی محیط سالن مشکلات ویژه‌ای دارد که استفاده از طراحی ماژولار یا روش سربندی‌شده در کارخانه را محدود می‌کند.
• هنگامی که احتمال تغییرِ تجهیزات فاوا کم است یا به‌ندرت رخ می‌دهد و رشد و توسعهٔ بخش فاوا فقط در سطح PoD اجرا می‌شود.
• برای هنگامی که وضعیت جانمایی تجهیزات فاوا، هم‌زمان با تعیین مشخصات PDU معلوم نباشد. زیرا در این وضعیت، ظرفیت شاخه‌مدار و طول کابل برق به‌دقت روشن نیست و تا زمان نصب نیز مشخص نمی‌شود.

سیستم PDU سربندی‌شده در کارخانه

با روش توزیع سربندی‌شده در کارخانه، بیشتر کارهای کابل‌کشی به‌جای آنکه در محل پروژه انجام بشود، در فرایند تولید و با دقت انجام می‌گیرد. PDUها متناسب با الزامات مشتری، با شاخه‌مدارهای مونتاژشده، با کابل‌های از پیش بریده به‌اندازهٔ درست، سربندی‌شده، متناسب با مقدار جریان برقِ مجاز، پیکربندی می‌شوند. این قطعاتِ کابل و اتصالاتِ پیش‌ساخته را روی PDU نصب می‌کنند. بدین ترتیب تنها کاری که هنگام نصب در سایت باید انجام بشود، اجرای انشعاب‌های برق از کلیدِ ورودی تا ورودی PDU، سپس اجرای کابل‌های از پیش متصل‌شده به هر رک است. راهکارهای توزیع برق اگر استانداردسازی بشوند، پروژه از مهندسیِ زمان‌بر و پرهزینه‌ در محل بی‌نیاز می‌گردد. در شکل ۵ سیستم توزیع سربندی‌شده در کارخانه را می‌بینید که با UPS و ردیفی از رک‌ها یکپارچه شده است.

شکل ۵: سیستم توزیع سنتی سربندی‌شده در کارخانه، هم‌راستا با رک‌ها در ردیف

مزایا

• استفاده از کابل‌ و اتصالاتِ پیش‌ساخته باعث می‌شود کار سربندی هنگام نصب بسیار کم شود و اطمینان‌پذیری (Reliability) افزایش یابد.
• بهره‌مندی از طراحی یکپارچه و سیستم هوشمندِ یکپارچهٔ از پیش پیکربندی‌شده موجب می‌شود مدیریت ظرفیت و مدیریت کم‌وزیاد شدنِ بار مصرفی بهبود یابد.
• تمام سیستم توزیع برق، گارانتی سیستمی دارد. زیرا اجزای آن را در کارخانه طراحی و آزموده (تست) و یکپارچه کرده‌اند.
• با محدودیت‌های نامعمول محیط فیزیکی سازگار است. زیرا دستگاه‌های PDU را می‌توان هرجا که لازم باشد کار گذاشت.
• هزینهٔ اولیهٔ آن از روش‌های ماژولار توزیع برق کمتر است.

معایب

• از آنجا که در این روش، جای نصب کلید‌های قدرت و طول کابل‌ها متناسب با سیستم مشخص می‌شوند، چیدمان محیط فاوا را باید از پیش در چرخهٔ برنامه‌ریزی در نظر گرفت. برای این کار هماهنگی سنجیده میان تجهیزات فاوا و تاسیسات ضروری است.
• هنگامی که الزامات مصرف تغییر می‌کند، هزینهٔ نصب و سربندیِ کابل‌ها و کلیدهای جدید، بیشتر از روش‌های توزیع ماژولار است.
• ردیابی و حذف کابل‌های داخل سینی‌های زیر سقف، به‌دلیل انبوه‌شدن دشوار است.
• سطح بیشتری از کف اشغال می‌کند.
• وزن بیشتری دارد و جابه‌جاکردن آن دشوار است. زیرا باید با همهٔ کابل‌ها و کلیدهای متصل جابه‌جا شود.

کاربرد متداول

• هنگامی که توسعهٔ بخش فاوا تنها در سطح PoD برنامه‌ریزی‌شده باشد.
• هنگامی که برای آینده جابه‌جایی‌هایی پیش‌بینی شود و به تجهیزات قابل حمل نیاز باشد.
• هنگامی که محدودیتی برای جا وجود ندارد و هزینهٔ اولیه اولویت کمتری داشته باشد.

سیستم‌های ماژولار توزیع برق

برای برآورده‌ساختن الزامات تجهیزات مدرن فاوا (جدول ۱)، روش‌های جایگزین برای توزیع برقِ مرکزداده عرضه شده است. این روش‌ها از نظر انعطاف‌پذیری (Flexibility)، مدیریت‌پذیری، اطمینان‌پذیری، همچنین بهره‌وری بهتر هستند. ویژگی‌های زیر در این روش‌ها برجسته‌ترند:

• یکپارچه‌بودن سنجش و اندازه‌گیریِ توان در شاخه‌مدار: ظرفیت و افزونگی در هر مدار مدیریت می‌شود.
• کابل‌های برق با اتصال جداشدنی، انعطاف‌پذیر، قابل تغییر، بی‌نیاز از ابزار خاص: افراد غیر متخصص نیز می‌توانند هر ناحیهٔ فاوا و توزیع برق آن را در طول زمان اجرا کنند.
• کمتر بودنِ سطح اشغال (Footprint): کمتر از PDUهای سنتی فضا اشغال می‌کنند.
• بهره‌وری خوب: از گزینه‌های بدون ترانسفورماتور بهره می‌گیرند که استفاده از مس در آن‌ها بسیار کمتر است.

دو سیستم ماژولار توزیع برق می‌توانند به چنین ویژگی‌هایی مطلوبی دست یابند:

• سیستم توزیع ماژولارِ زیر سقف یا زیر کف: از جعبه‌پریز استفاده می‌کند. برق فاوا را باس‌داکت‌ها از بالای رک‌ها یا کف کاذب تغذیه می‌کنند.
• سیستم توزیع ماژولار ایستاده: برای رساندن شاخه‌مدارهای توزیع‌شده به رک‌ها، کابل‌ها را از سینی‌های سقفی عبور می‌دهند. این کابل‌ها را از پیش سربندی کرده‌اند و با ماژول‌های کلید قدرت، درون پنل‌های ایمن در PDU از نوع ماژولار قرار داده‌اند.

روی‌هم‌رفته هزینهٔ اولیهٔ این روش‌ها به‌ازای هر وات، از روش‌های سنتی توزیع برق بیشتر است. ولی اگر هزینهٔ تمام عمر مفید را در نظر بگیریم، بهای تمام‌شدهٔ کمتری دارند. با به‌کاربردن این روش‌ها می‌توان سریع‌تر با تغییرات سازگار شد، ظرفیت را بهتر مدیریت کرد، از ظرفیت بی‌استفاده (برآورد بیشتر از نیاز) جلوگیری کرد، بهره‌وری را بهبود داد، همچنین از هزینهٔ نگهداری کاست.

توزیع ماژولار از زیر کف یا بالای رک‌ها (باس‌داکت)

باس‌داکت اولین انتخاب برای جایگزین‌شدن با روش توزیع سنتی بود که به انعطاف‌پذیری و قابلیت پیکربندی چندین‌باره دست یافت.

شکل ۶: باس‌داکت تا رک؛ سمت چپ: کابل توزیع متصل به باسِ برق در سقف؛ سمت راست: باس برق زیر کف کاذب

باس برق را بیشتر اوقات در بالای ردیف‌های تجهیزات فاوا نصب می‌کنند. کارهایی که باید در محل پروژه انجام شود عبارت‌اند از: نصب تابلوهای توزیع ثانویه، ایمن‌سازی باس‌داکت‌ها با اتصال به پایه‌های سقفی و ساپورت‌ها، کابل‌کشی از کلید تا ورودی‌های باس‌داکت و سپس نصب‌کردن دستگاه‌های پریزدار. در نهایت نیز این دستگاه‌ها به رک‌ها متصل می‌شوند. قابلیت‌هایی که این روش دارد از جمله آسان‌بودن اجرای تغییرات و سهولتِ حذف کابل‌های زیر کف، بسیاری از دشواری‌های روش‌های سنتی را برطرف می‌کند. رک‌های فاوا یک‌راست از طریق جعبه‌پریز (Plug-in Unit) و با جعبه‌کلید (Breaker Boxes) به باس‌داکت متصل می‌شوند (شکل ۶). همچنین سیستم را متناسب با بیشینهٔ مصرف، پیش‌بینی و اجرا می‌کنند.

انواع باس‌داکت

در این مقاله بیشتر به باس‌داکت‌هایی می‌پردازیم که در محیط فاوا، برای توزیع نهایی برق در میان رک‌ها به کار می‌روند. از راهکار باس‌داکت برای توزیع برق در داخل ساختمان نیز می‌توان استفاده کرد. اگر باس‌داکت‌های «با اتصالات داخلی» از پیش چنان نصب شوند که با چیدمان برنامه‌ریزی‌شدهٔ فاوا هماهنگ باشند، یعنی عمود بر ردیف‌ها نصب شوند، توسعه‌دادن سیستم نهاییِ توزیع فاوا سریع و آسان‌تر خواهد بود. بدین ترتیب هنگامی که گروهی از رک‌های فاوا آمادهٔ نصب می‌شوند، می‌توان PDUها را چه سنتی چه ماژولار، کار گذاشت و توسط باس‌داکت تغذیه کرد (شکل).

مزایا

• سطح کف را اشغال نمی‌کند و بدین ترتیب برای تجهیزات فاوا جای بیشتری باقی می‌ماند.
• مدیریت و ردیابی کابل‌ها به‌خوبی بهبود می‌یابد. زیرا توزیع برق به‌شکل مستقیم با کابل‌هایی انجام می‌شود که از جعبه‌پریزهای بالا یا زیر رک‌های فاوا می‌آیند.
• می‌توان موجودی کابل را به‌مقدار زیادی کاهش داد. زیرا فاصلهٔ باس‌داکت تا هر رک مشخص است.
• اطمینان‌پذیری بهبود می‌یابد. زیرا جعبه‌پریزهای از پیش مونتاژشده هستند و بدون نیاز به ابزار ویژه نصب می‌شوند؛ کارهایی همچون بریدن و سربندی شاخه‌مدارها در محل انجام نمی‌شود.
• تمام سیستم توزیع برق گارانتی دارد. زیرا اجزای آن در کارخانه طراحی و آزموده (تست) و یکپارچه شده است.
• تعداد بیشتری از ظرفیت‌های موجود در بازار قابل استفاده هستند؛ می‌توان ظرفیت‌های متنوع‌تری را فراهم کرد.
• افزودن و جابه‌جایی و تغییر تجهیزات آسان‌تر است. زیرا کابل‌ها درهم‌پیچیده و انباشته نمی‌شوند.

معایب

• اگر ارتفاع سقف کم باشد، اجراکردن این روش از بالای رک‌ها (زیر سقف) با دشواری مواجه می‌شود. زیرا برای انجام‌دادن این کار، باید از بالای رک‌ها تا سقف، حدود ۰٫۶ متر فضا موجود باشد. همچنین اگر پلنوم هوا در کف کاذب باشد، اجرای زیر کف با محدودیت‌هایی روبه‌رو خواهد شد.
• نصب باس‌داکتِ چندتکه و قابلیت‌های مدیریت سربندی در محل، باعث افزایش زمان و هزینه می‌شود و ممکن است مشکلات ویژه‌ای پیش آورد.
• اگر در بالای رک‌ها نصب بشود، ممکن است با کانال‌ها و سیستم هوای بسته تداخل پیدا کند.
• مکان قرارگیری و طول ردیف‌های تجهیزات، برای جانمایی باس‌داکت‌ها باید پیشاپیش بررسی شده باشد. زیرا نصب یا جابه‌جایی باس در هنگام فعال‌بودنِ فاوا، زیان‌بار است.
• احتمال برآوردهای بیشتر از نیاز، در باس بیشتر است. زیرا اغلب باس‌ها را از ابتدا برای بیشینه ظرفیت می‌سازند.

کاربرد متداول

• هنگامی که سطح کفِ محیط فاوا محدود باشد.
• برای تاسیسات بزرگ با پلان باز و تاسیساتی که طراحی سنجیده‌ای برای چیدمان ردیفیِ محیط فاوا دارند.
• هنگامی که دربارهٔ الزامات نهایی مصرف فاوا، اطمینان خوبی وجود داشته باشند.
• هنگامی که تجهیزات فاوا بارها تغییر می‌کنند و جابه‌جا می‌شوند که در نتیجه اغلب نیاز می‌شود مدارهای جدیدی نصب شوند؛ مانند محیط آزمایشگاهی.

سیستم توزیع برقِ ماژولار ایستاده

سیستم‌های ماژولار PDU به‌جای پنل سنتیِ کلید قدرت که کابل‌های آن باید پیچ و سربندی بشوند، پنلی دارند که ماژول‌های کلید سربندی‌شده از پیش در آن نصب هستند. با این آرایش دیگر نیازی نیست کابل‌ها در خود سایت سربندی شوند. بدین ترتیب یک ردیف جدید ۲۴ تایی از رک‌های فاوا را می‌توان با تمام شاخه‌مدارها و سیم‌رابط‌های آن، بدون انجام برش یا سربندی کابل در یک ساعت نصب کرد. کار راه‌اندازی این ردیف شامل نصب کلیدهای قدرتِ ورودی دستگاه‌ها، وارد کردن کابل‌های از پیش مونتاژشده، همچنین رساندن این کابل‌ها به رک‌ها است. نظارت بر برق هر شاخه‌مدار نیز لحاظ شده که در زمان اتصال، به‌شکل خودکار پیکربندی می‌شود. نمونه‌ای از دستگاه ماژولار ایستاده را با ماژول‌های شاخه‌مدار آن در شکل ۷ مشاهده می‌کنید.

شکل ۷: PDU ماژولار ایستاده دارای نصف سطح اشغال یک رک؛ این نمونه دارای ۲۴ ماژول شاخه‌مدارِ نصب‌شده است.

بسیاری از پروژه‌های مرکزداده در واقع عملیات به‌روزرسانی هستند؛ اغلب ظرفیت را افزایش می‌دهند یا ناحیه‌ای پرظرفیت را اجرا می‌کنند. سیستم توزیع برق ماژولار ایستاده، ویژهٔ این پروژه‌های بازسازی است. زیرا نصب این سیستم‌ها نسبت به نصب PDU‌های سنتی، در عملیات جاری مرکزداده بسیار کمتر اختلال ایجاد می‌کند. هنگام توسعهٔ مرکزداده می‌توان PDUهای ماژولار را در کنار PDUهای سنتی موجود به کار گرفت.

در مرکزدادهٔ کوچک‌تر می‌توان PDU ماژولار را مستقیم با سیستم UPS یکپارچه ساخت؛ به‌شکل یک مجموعهٔ کامل در اتاق فاوا قرار داد و با ردیفی از رک‌های فاوا ترکیب کرد. در این حالت دیگر نیازی به اتاق جداگانه برای UPS نیست.

ممکن است یک یا چند ناحیهٔ مرکزداده به شاخه‌مدارهای کمی نیاز داشته باشند. این در هنگامی است که گروهی از رک‌های بسیار پرظرفیت کنار هم قرار گرفته باشند، یا چند رک به‌دلیل شکل اتاق یا دشواری‌های دیگر از بقیهٔ رک‌ها جدا باشند. برای این وضعیت، PDUهای ماژولار کوچک‌تری وجود دارند که داخل رک فاوا نصب می‌شوند و سطح اشغال ندارند. (شکل ۸)

شکل ۸: سیستم‌های توزیع ماژولار کوچک‌تر که مستقیم داخل رک فاوا نصب می‌شوند و برق ۶ رک را تامین می‌کنند (سمت راست با درِ باز).

مزایا

• یکپارچه و مطمئن است. زیرا از پنل‌های پیش‌ساخته و ماژول‌های شاخه‌مدار بهره می‌برد.
• زمان نصب‌ آن کوتاه‌تر است. زیرا شکل ظاهری مناسبی دارد و از ماژول‌های از پیش مونتاژشده استفاده می‌کند که موجب کاهش کارهای سربندی در محل می‌شود.
• طراحی یکپارچه دارد و از روش اتصال و اجرای هوشمند [4] بهره می‌برد. ازاین‌رو مدیریت ظرفیت و کم‌وزیاد شدن بار مصرفی را بهتر انجام می‌دهد و با تغییر در الزامات مصرف سازگار می‌شود.
• تمام سیستم توزیع برق گارانتی دارد. زیرا اجزای آن در کارخانه طراحی و آزموده و یکپارچه شده است.
• به‌دلیل قرار گرفتن در ردیف رک‌ها، منظم و زیبا و با شکل ظاهری رک‌ها هماهنگ است. همچنین به همین دلیل به محل مصرف نزدیک‌تر است.
• توسعه و افزودن PDU برای برآورده‌ساختن نیاز تجهیزات فاوای جدید آسان‌تر است.
• انطباق با محدودیت‌های نامعمول محیط آسان‌تر است. زیرا می‌توان PDUها را در هرجایی که لازم باشد قرار دارد.

معایب

• تعداد موجودی کابل بیشتر می‌شود. زیرا فواصل بین PDU و رک‌های فاوا متغیر است.
• ردیابی و کم‌وزیاد کردن یا اعمال تغییر در کابل‌ها دشوار است. زیرا کابل‌های داخل سینی به‌ویژه در مصارف پرظرفیت، زیاد و جاگیر می‌شوند.
• مقداری از سطح محیط فاوا را اشغال می‌کند.

کاربرد متداول

• برای هنگامی که مرکزداده دارای برنامهٔ توسعهٔ نامعمول باشد؛ چنان‌که نتوان مکان جای‌گیری را از پیش مشخص کرد. در این وضعیت، توزیع برق برای توسعه و جابه‌جایی به انعطاف بیشتری نیاز دارد.
• هنگامی که سالن از نظر شکل یا ارتفاع سقف، محدودیت‌هایی دارد یا در محیط با دشواری‌هایی مواجه است.
• هنگامی که کارکنان فاوا می‌باید بتوانند کلیدها و شاخه‌مدارها را بدون کمک دیگران از نو پیکربندی کنند.
• هنگامی که سرعت اجرا اولویت دارد.
• هنگامی که مرکزدادهٔ موجود، برای ظرفیت بیشتر و اجرای ناحیهٔ پرظرفیت بازسازی می‌شود.

توزیع برقِ داخل رک

در تجهیزاتی همانند بیشتر سرورهای خشابی که به شاخه‌مدار اختصاصی نیاز دارند، یک کابل از سیستم توزیع برق به‌شکل مستقیم به سرور خشابی متصل می‌شود که یک تا سه شاخه‌مدار در خود دارد. این همانند کابل توزیع برق است و PDU در داخل رک به‌کار نمی‌رود. البته اگر رک در خود ترکیبی از تجهیزات گوناگون داشته باشد، PDUهای ویژه‌ای برای داخل آن موجود است که می‌توان پریزها و مقادیر مختلف جریان را با آن‌ها تامین کرد.

مقایسهٔ معماری‌ها

تا اینجا ۵ معماری را توضیح دادیم. اکنون این معماری‌ها را از نظر سه شاخص اطمینان‌پذیری و هزینه و چابکی مقایسه می‌کنیم. در این مقایسه‌ها چنین فرض شده است که ترانسفورماتورها، در تجهیزات زیرساختِ توزیع برقِ بالادستی جا دارند؛ نه در دستگاه‌های جداگانهٔ توزیع برق.

مقایسه از نظر اطمینان‌پذیری

اگر سیستم به‌شکل سفارشی مهندسی بشود، خطای انسانی افزایش می‌یابد. طراحی‌ سفارشی اغلب مشکلات ویژه و منحصربه‌فردی دارد. کارهایی که لازم است برای اجرای سیستم استانداردِ پیش‌ساخته، هنگام راه‌اندازی در محل انجام بشود کمتر است؛ زیرا بسیاری از کارها از پیش در کارخانه انجام می‌شود. برخلاف نوع یکپارچه و پیش‌ساخته، در روش‌های با مهندسی منحصربه‌فرد، ضمانت به سطح سیستم محدود است. ایمنی کارکنان نیز عامل مهمی است؛ روش‌هایی بهتر هستند که کارکنان را کمتر در معرض رساناهای برق‌دار قرار می‌دهند. جدول شمارهٔ ۲ این ۵ معماری را از نظر اطمینان‌پذیری و ایمنی مقایسه کرده است.

جدول ۲: مقایسهٔ اطمینان‌پذیریِ ۵ معماری توزیع برق

مقایسه از نظر هزینه

هزینهٔ توزیع نهایی برق، مانند مسیر پایین‌دست ترانسفورماتورها تا رک‌های فاوا، کمابیش فقط ۵ درصد از کل هزینهٔ سرمایه‌ایِ زیرساخت فیزیکی را تشکیل می‌دهد. این مقدار نسبت به کل هزینه، درصد کمی است. ولی برای اینکه بتوان در هر وضعیتی بهترین روش را پیدا کرد، باید متوجه این نکته بود که سه هزینهٔ سیستم و هزینهٔ نصب و بهای تمام‌شده (TCO) در این ۵ معماری متفاوت است.

از مقایسه‌کردنِ هزینهٔ نصب روش‌های مختلف با سنجش بر مبنای وات، تفاوت معنی‌داری آشکار نمی‌شود. با توجه به اینکه ظرفیت نهاییِ بیشتر مراکزداده از پیش و در هنگام ساخت مشخص نیست، هزینهٔ پیش‌پرداخت هر معماری با درنظرگرفتن برنامهٔ رشد و توسعه‌اش بیشتر می‌شود. بعضی از روش‌ها بسیار توسعه‌پذیر هستند و هزینهٔ سرمایه‌ای را تا سال‌های آینده عقب می‌اندازند یا حتی از آن دوری می‌کنند. روش‌های دیگر نیز هستند که در همان روز اول هزینهٔ سنگینی صرف می‌کنند؛ با این هدف که مقدار نامشخصی از ظرفیت را برای آینده فراهم کرده باشند.

با توجه به هزینهٔ عملیاتی، اگر از کف کاذب به‌عنوان پلنوم برای هدایتِ هوای سرد استفاده بشود، به‌کار گرفتن بعضی از سیستم‌ها سرمایش را ناکارآمد می‌کند. کابل‌های زیر کف کاذب همچنین مجاری عبور کابل، در جریان هوا مشکل ایجاد می‌کنند. این مسئله از کارایی هوارسانی برای سرمایش می‌کاهد که برای جبران آن باید ظرفیت سیستم سرمایش را به‌اندازهٔ بیشتر از نیاز افزایش داد. می‌توان با به‌کار گرفتن آن‌دسته از روش‌های توزیع که کابل‌ها را از زیر سقف و بالای رک‌ها اجرا می‌کنند، بر این مشکل غلبه کرد. برای آگاهی بیشتر به مقالهٔ «چگونه کابل‌کشی زیر سقف باعث می‌شود صرفه‌جویی انرژی در مرکزداده افزایش یابد» [5] مراجعه کنید. جدول شمارهٔ ۳ این معماری‌ها را از نظر هزینه با هم مقایسه کرده است.

جدول ۳: مقایسهٔ هزینهٔ ۵ معماری توزیع برق

مقایسه از نظر چابکی

چابکی سیستم (Agility) عبارت است از توانایی برای تطبیق با تغییر. این ویژگی که ضروری به شمار می‌رود، بر اساس تعداد به‌روزرسانی و تغییرات بخش فاوا سنجیده می‌شود که بیشتر مراکزدادهٔ امروزی با آن سروکار دارند. این ویژگی دربرگیرندهٔ سادگیِ پیکربندی ـ برنامه‌ریزی، سرعت اجرا پس از شناسایی نیاز جدید، انعطاف‌پذیری برای جای‌گیری در محیط فاوا، همچنین قابلیت توسعه یا سازگار شدنِ متناسب با نیازِ تغییر ظرفیت و چگالی (Density) است. جدول شمارهٔ ۴ چابکی این ۵ معماری را مقایسه کرده است.

جدول ۴: مقایسهٔ چابکیِ ۵ معماری توزیع برق

نتیجه‌گیری

در این مقاله پنج روش متداولِ توزیع برق مرکزداده را توضیح دادیم و مزایا و معایب هر روش را بیان کردیم. راهنمایی‌هایی نیز برای انتخاب بهینهٔ هریک ارائه نمودیم.

سیستم «تابلوی توزیع» و «PDU سنتی سربندی‌شده در محل» هنگامی بهترین روش محسوب می‌شوند که: اولویت با کم‌بودن هزینهٔ اولیه باشد، محیط فاوا محدودیت‌های فیزیکی ویژه‌ای داشته باشد، احتمال تغییر در بخش فاوا زیاد نباشد. سیستم‌ «توزیع سربندی‌شده در کارخانه» هنگامی مناسب است که: در مرکزداده به تجهیزات قابل حمل نیاز باشد، افزایش PoD در آینده پیش‌بینی شود، کم‌بودن هزینهٔ اولیه اولویت داشته باشد.

از به‌کار گرفتن روش‌های توزیع ماژولار می‌توان انعطاف‌پذیری، مدیریت‌پذیری، اطمینان‌پذیری، همچنین بهره‌وری بیشتری فراهم کرد و نیازهای فاوای مرکزدادهٔ امروزی را به‌شکل مناسب‌تری برآورده ساخت. استفاده از باس‌داکت هنگامی توصیه می‌شود که بخواهند سالن‌های وسیعی داشته باشند که طراحی و چینش مصارف در آن‌ها دقیق باشد. این روش هنگامی بسیار خوب است که تجهیزات فاوا به مدارهای جدید نیاز داشته باشند و تغییر و انتقال چندین‌باره پیش‌بینی شود. از سوی دیگر «سیستم توزیع ماژولار ایستاده» هنگامی روش بهینه‌ است که برنامهٔ رشد و توسعهٔ مرکزداده نامشخص باشد و مکان قرارگیری تجهیزات، از پیش به‌شکل دقیق روشن نباشد. هنگامی که باید مکان قرارگیری تجهیزات به‌تناسب نیاز تعیین بشود، این روش به‌خوبی سازگار و مناسب است. سیستم ماژولار ایستاده، برای مرکزداده‌ای که برای ظرفیت بیشتر بازسازی می‌شود نیز روش کارآمدی به شمار می‌رود؛ مانند وقتی که بخواهند یک ناحیهٔ پرظرفیت اضافه کنند.

پانویس

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

APC White Paper 129: “Comparing Data Center Power Distribution Architectures” (Revision 3)

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] APC White Paper 128: High-Efficiency AC Power Distribution for Green Data Centers

[3] Remote Power Panel

[4] Plug and play intelligence

[5] APC White Paper 159: How Overhead Cabling Saves Energy in Data Centers