All-in-One gegen modulare USV

Ein kurzer Leitfaden für Einsteiger, warum modulare USV-Systeme überlegen sind und wie es dazu gekommen ist.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen für Rechenzentren werden nach ihrer Architektur in zwei große Gruppen unterteilt: monolithische und modulare Systeme. Erstere gehören zum traditionellen Typ der USV, während letztere vergleichsweise neu und fortgeschrittener sind.

Der Unterschied zwischen monolithischen und modularen USV-Systemen

Bei monolithischen USV-Systemen wird die Ausgabeleistung von einem einzigen Leistungsmodul bereitgestellt. In modularen USV-Systemen sind die Hauptkomponenten als separate Module ausgeführt, die in einheitlichen Gehäusen untergebracht sind und zusammenarbeiten. Jedes dieser Module ist mit einem Mikroprozessor, einem Ladegerät, einem Wechselrichter und einem Gleichrichter ausgestattet und bildet einen vollwertigen Energiemodul der USV.

Das erklären wir mit einem einfachen Beispiel. Wenn man zwei USV-Systeme – ein monolithisches und ein modulares – mit einer Leistung von 40 kVA betrachtet, wird das erste über ein einziges Leistungsmodul mit 40 kVA verfügen, während das zweite beispielsweise aus vier Leistungsmodulen mit jeweils 10 kVA besteht.

Möglichkeiten zur Skalierung

Wenn monolithische USV-Systeme an ihre Leistungsgrenzen stoßen, muss parallel zu dem bestehenden System ein weiterer Block mit derselben Leistung angeschlossen werden. Dieser Prozess kann recht komplex sein.

Modularlösungen bieten eine höhere Konstruktionsflexibilität. In diesem Fall können an einen bereits funktionierenden Block ein oder mehrere Module angeschlossen werden. Dies ist ein relativ einfacher Vorgang, der in kurzer Zeit durchgeführt werden kann.

Möglichkeiten zur flexiblen Leistungserweiterung

Die schrittweise Leistungserweiterung ist in der Anfangsphase des Rechenzentrums entscheidend. Es ist ganz logisch, dass die Auslastung in den ersten Monaten bei 30–40 % liegen wird. Es ist praktischer und wirtschaftlicher, USV-Systeme zu verwenden, die genau auf diese Leistung ausgelegt sind. Mit dem Wachstum der Kundenbasis wird die Auslastung des Rechenzentrums steigen, und damit auch der Bedarf an zusätzlicher Stromversorgung.

Die Leistung von USV-Systemen lässt sich schrittweise zusammen mit der technischen Infrastruktur steigern. Bei der Verwendung von monolithischen USV-Systemen ist eine flexible Leistungserweiterung grundsätzlich nicht möglich. Bei modularen USV-Systemen hingegen ist dies problemlos umsetzbar.

Zuverlässigkeit von USV-Systemen

Bei der Zuverlässigkeit arbeiten wir mit zwei Konzepten: der mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall (MTBF) und der mittleren Wiederherstellungszeit (MTTR).

MTBF ist eine wahrscheinlichkeitstheoretische Größe. Der Wert der mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall basiert auf dem folgenden Postulat: Die Zuverlässigkeit eines Systems nimmt mit der Anzahl seiner Komponenten ab.

In diesem Parameter haben monolithische USV-Systeme einen Vorteil. Der Grund ist einfach: In modularen USV-Systemen gibt es mehr konstruktive Elemente und Steckverbindungen, von denen jede als potenzielle Ausfallstelle betrachtet wird. Daher ist hier theoretisch die Ausfallwahrscheinlichkeit höher.

Für USV-Systeme, die in Rechenzentren verwendet werden, ist jedoch nicht der Ausfall selbst entscheidend, sondern wie lange die USV in einem nicht funktionsfähigen Zustand bleibt. Dieser Parameter wird durch die mittlere Wiederherstellungszeit (MTTR) bestimmt.

Hier haben modulare Blöcke einen klaren Vorteil. Sie zeichnen sich durch eine geringe MTTR aus, da jedes Modul schnell ausgetauscht werden kann, ohne die Stromversorgung zu unterbrechen. Voraussetzung ist, dass ein solches Modul auf Lager ist und ein Fachmann den Ausbau und die Installation durchführen kann. Tatsächlich dauert dies nicht länger als 30 Minuten.

Bei den monolithischen USV-Systemen gestaltet sich die Situation deutlich komplizierter. Ihre Reparatur kann nicht so schnell erfolgen. Dafür kann es mehrere Stunden bis Tage dauern.

Zur Bestimmung der Ausfallsicherheit eines Systems kann ein weiterer Parameter verwendet werden – die Verfügbarkeit oder Betriebsbereitschaft. Dieser Wert ist umso höher, je größer die durchschnittliche Betriebszeit bis zum Ausfall (MTBF) und je kürzer die durchschnittliche Wiederherstellungszeit des Systems (MTTR) ist. Die entsprechende Formel lautet:

durchschnittliche Verfügbarkeit (Betriebsbereitschaft) =

Im Hinblick auf modulare USVs ergibt sich folgendes Bild: Ihre MTBF-Werte sind geringer als die von monolithischen Systemen, jedoch ist gleichzeitig der MTTR-Wert deutlich niedriger. Dadurch ist die Betriebsbereitschaft modularer unterbrechungsfreier Stromversorgungen höher.

Energieverbrauch

Ein monolithisches System erfordert deutlich höhere Energieaufwendungen, da es überdimensioniert ist. Dies lässt sich am Beispiel eines N+1-Redundanzschemas erklären. N ist die Last, die für den Betrieb der Rechenzentrums-Ausrüstung erforderlich ist. In unserem Fall nehmen wir sie als 90 kVA an. Das N+1-Schema bedeutet, dass in der Systemkonfiguration ein nicht genutztes Ersatzteil bis zum Ausfall vorhanden bleibt.

Bei der Verwendung einer monolithischen unterbrechungsfreien Stromversorgung mit 90 kVA für die Umsetzung des N+1-Schemas muss ein weiteres gleichwertiges Gerät eingesetzt werden. Somit beträgt die gesamte Überdimensionierung des Systems 90 kVA.

Bei der Verwendung von modularen USVs mit 30 kVA gestaltet sich die Situation anders. Bei derselben Last benötigt das N+1-Schema einen weiteren identischen Modul. Dadurch beträgt die gesamte Überdimensionierung des Systems nicht 90 kVA, sondern nur 30 kVA.

Daraus ergibt sich, dass der Einsatz modularer Stromversorgungen den Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren senken kann.

Wirtschaft

Wenn man zwei unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) mit der gleichen Leistung vergleicht, ist die monoblok Variante günstiger als die modulare. Aus diesem Grund sind monoblok USVs nach wie vor beliebt. Eine Erhöhung der Ausgangsleistung führt jedoch dazu, dass sich die Kosten des Systems verdoppeln, da ein weiterer gleichwertiger Block hinzugefügt werden muss. Zusätzlich entsteht die Notwendigkeit, Schaltanlagen und Verteilerschränke zu installieren sowie neue Kabelverbindungen zu verlegen.

Mit modularen unterbrechungsfreien Stromversorgungen lässt sich die Leistung des Systems schrittweise erhöhen. Das bedeutet, dass lediglich so viele Module angeschafft werden müssen, wie zur Deckung des aktuellen Strombedarfs erforderlich sind — ohne unnötige Überkapazität.

Fazit

Monoblock-USV-Systeme überzeugen durch ihren günstigen Preis und sind einfach einzurichten und zu bedienen. Gleichzeitig erhöhen sie den Energiebedarf des Rechenzentrums und sind schwierig skalierbar. Solche Systeme sind praktisch und effizient, wo geringe Leistungen erforderlich sind und keine Erweiterungen geplant sind.

Modulare USV-Systeme zeichnen sich durch einfache Skalierbarkeit, minimalen Wiederherstellungszeiten, hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit aus. Diese Systeme sind optimal, um die Leistung des Rechenzentrums kostengünstig bis in beliebige Höhen zu steigern.

Quelle: habr.com