Hệ thống nguồn điện cho Datacenter
a. Sơ đồ thiết kế
Chúng ta quan tâm đến 4 hệ thống: Máy phát điện, hệ thống lưu điện UPS, Hệ thống phân phối điện chính và hệ thống phân phối điện trong tủ Rack.
Nguồn ngõ vào: Trạm biến áp + Máy phát điện
Đề xuất này sử dụng 01 mạng điện độc lập để hỗ trợ hệ thống cơ sở hạ tầng của IT và mạng điện này lại được dự phòng bởi máy phát điện (công suất được thiết kế đủ cung cấp cho toàn hệ thống DC).
• Hệ thống phân phối điện độc lập sẽ được lắp đặt nhằm phân tích hệ thống nguồn cho phòng máy chủ ra khỏi nguồn cho các ứng dụng khác như chiếu sáng, điều hoà hay mục đích khác.
• Máy phát điện: nguồn điện dự phòng cho hệ thống khi điện lưới bị gián đoạn. Đây cũng là một phần tử bắt buộc trong hệ thống nguồn của DC vì dù ở bất kỳ cấp độ nào DC cũng không được phép gián đoạn nguồn điện trong thời gian dài.• ATS (Automatic Transfer Switch): thiết bị tự động chuyển đổi giữa nguồn điện lưới sang nguồn điện từ máy phát điện khi có sự gián đoạn điện lưới và chuyển ngược về nguồn điện lưới khi nguồn được cấp trở lại. Trên thực tế một số DC cấp độ thấp cũng không cần thiết bị này, khi đó cần có sự can thiệp của con người trong quá trình chuyển đổi qua lại giữa các nguồn điện
• Tủ phân phối điện (PDU) của APC được thiết kế với hệ thống “nối tắt” (By-pass) nhằm tách biệt UPS ra khỏi hệ thống tải quan trọng khi cần thiết. Các aptomat được sử dụng loại đặc biệt loại C (Type”C”) có thời gian trễ và được bảo vệ chống dòng rò (current leaking to earth from an installation) – ELCB. Trong trường hợp có sự cố ở mạch nhánh nào thì aptomat của nhánh đó sẽ cắt điện chỉ của nhánh đó thôi mà không làm ảnh hưởng đến các nhánh khác (hay nói cách khác không làm ảnh hưởng toàn bộ hệ thống).
Thêm nữa với tính năng theo dõi dòng điện mạch nhánh một cách thông minh, khách hàng có thể biết được tình trạng dòng điện chạy qua mỗi một mạch nhánh thông qua giải pháp quản trị của APC cũng như có thể đặt mức ngưỡng cảnh báo trước khi mỗi mạch nhánh tiến đến ngưỡng nguy hiểm.
- Trong tủ phân phối điện, chúng tôi cung cấp 10 aptomat loại 32A, 30mA cho 10 tủ Rack máy chủ, 3 aptomat loại 16A, 30mA cho các thiết bị phụ trợ khác như IP camera, Access Control,Fire
Suppression cùng với các cáp điện có lăp sẵn các phích cắm (power whips terminate with industrial sockets) có độ dài đủ cung cấp đến từng tủ Rack thiết bị. Thiết bị này cho phép sự mềm dẻo cho việc nâng cấp hay mở rộng trong tương lai mà không làm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp. Mỗi tủ phân phối điện (PDU) sẽ có đủ các vị trí để lắp thêm các aptomat cho nhu cầu trong tương lai mà không làm ảnh hưởng gián đoạn tới nguồn cung cấp chính.
- Tủ phân phối điện PDU của APC được đặt trong tủ Rack có cửa trước và sau thuận tiện cho công việc dich vụ. Với tủ phân phối điện này, không cần thiết phải lắp thêm các bảng phân phối phụ (treo) trong phòng máy chủ nữa.
RPDU: Hệ thống phân phối nguồn trong tủ Rack
Sẽ sử dụng 1 khối phân phối nguồn (viết tắt RPDU) loại 32A cho mỗi tủ Rack máy chủ, các RPDU sẽ được nối với UPS trong cấu hình (N+1). Thêm nữa, mỗi RPDU sẽ có màn hành tinh thể lỏng (LCD) thể hiện dòng điện đang chạy qua mỗi RPDU đồng thời cho phép người sử dụng biết có
Các thiết bị quan trọng như IP camera, Access Control, Fire Suppression bình thường sẽ được cung cấp điện từ hệ thống lưới điện thông thường. Khi có sự cố với lưới điện, các thiết bị này sẽ được cấp điện từ UPS.
Một số hình ảnh về socket nguồn cung cấp điện cho thiết bị như sau:
Để đáp ứng các chuẩn đa dạng này, như đã trình bày ở trên ta có thể sử dụng các loại rack PDU như sau:
Các loại rack PDU này thông thường tập trung cho 2 chủng loại chính là gắn dọc tủ rack (vertical zero U mounted) và gắn ngang như các thiết bị thông thường.
Để kết nối vào nguồn điện từ tủ phân phối thông thường sử dụng 2 loại socket công suất cao, phổ biến nhất là loại IEC- IP44 32A:
9 vấn đề chất lượng nguồn điện
 |
Người Mỹ rất thực tế! Họ nghiên cứu về “chất lượng nguồn điện” từ rất sớm và hàng năm đều thống kê tổn thất do “chất lượng nguồn điện” xấu gây ra cho nền kinh tế nước này. Năm 2001, mức tổn thất khoảng 188 tỷ USD. Vì sự quan trọng đó, thị trường “chất lượng nguồn điện” của Mỹ tăng trưởng đạt 11%/ năm, trong đó: UPS chiếm 70% thị phần; thiết bị triệt xung đột biến điện (TVSSs) chiếm 20% thị phần; Thiết bị giám sát và đo điện chiếm 8% thị phần.
Chúng ta sẽ phải trả giá đắt cho nguồn điện có chất lượng kém. Thông thường, nguồn điện chất lượng kém sẽ gặp 9 hiện tượng thông dụng sau:
Cúp điện: làm gián đoạn sản xuất, mất thời gian và hao phí lương. Nguyên nhân, do lỗi ở trạm phát điện, hư hỏng trên đường dây, chập mạch hoặc quá tải, thiếu điện… Khắc phục bằng cách sử dụng máy phát điện trong trường hợp mất điện hơn 20 phút trở lên, để duy trì nguồn điện liên tục sau khi mất điện trong 20 phút đầu sẽ phải dùng UPS.
Giảm áp tạm thời (Power Sag) dẫn đến hư dữ liệu, hư phần cứng, đèn bị chớp nháy, thiết bị tắt vì điện không đủ đáp ứng… Nguyên nhân do khởi động tải lớn, chuyển mạch điện hệ thống, hư thiết bị chuyển mạch, dịch vụ điện kém… Khắc phục bằng cách dùng UPS và ổn áp có khả năng điều chỉnh sự giảm áp tạm thời.
Xung đột biến điện (Power Surge) là sự gián đoạn trong một chu kỳ sóng sine chuẩn với cường độ rất cao, tăng áp trong thời gian ngắn, mất dữ liệu bộ nhớ, lỗi dữ liệu, hư thiết bị, hư mạch. Nguyên nhân do sét đánh, bật tắt thiết bị lớn, vận hành hệ thống chiếu sáng, các lỗi hệ thống phân phối điện…
Giảm áp (Undervoltage) có điện áp dưới 90% điện áp chuẩn, kéo dài nên gây hiện tượng thiếu điện (Brown-out) làm thiết bị giảm tuổi thọ, hư hỏng do nhiệt độ tăng cao... Nguyên nhân do thời tiết, nhu cầu sử dụng điện cao quá, mất pha, chính sách của công ty phân phối điện trong giờ cao điểm..
Quá áp (Over-Voltage) hơn 2 chu kỳ có mức điện áp trên 110% điện áp chuẩn, gần với xung đột biến điện nhưng thời gian dài hơn, bao gồm nhiều hiện tượng đột biến điện, gây hư hỏng nặng cho môtơ và máy vi tính, làm bộ nhớ bị hư/mất dữ liệu, tăng nguy cơ cháy nổ… Nguyên nhân do lỗi ở hệ thống phân phối điện, sự sụt tải lớn, thay đổi cảm kháng khi chuyển mạch, bão mặt trời… Cách khắc phục, dùng các thiết bị ổn định điện như ổn áp.
Nhiễu đường dây (Line Noise) là nguyên nhân chủ yếu gây lỗi máy tính, hư và mất dữ liệu… Hiện tượng này xảy ra do môtơ điện công suất lớn, bão điện từ, ứng dụng phát sóng, thiết bị HVAC (hệ thống điện lạnh, thông gió) vận hành. Dùng bộ lọc và ổn áp sẽ hạn chế được vấn đề này.
Biến đổi tần số (Frequency Variation). Sự thay đổi tần số điện dẫn đến mất dữ liệu, hệ thống bị đụng (crashes), hư thiết bị. Nguyên nhân có thể do máy phát điện không ổn định, do nhà cung cấp điện, vì vậy cần xem lại chất lượng máy phát điện và dùng UPS tốt.
Xung đột biến điện do chuyển mạch (Switching Transients) là các xung điện áp lớn, xuất hiện nhanh và nhiều (kéo dài) hơn các xung đột biến đơn bình thường, dễ thấy nhất là việc phát tia lửa điện khi cắm điện, bật tắt công tắc, gây mất dữ liệu, thiết bị quá tải nhiệt (heat stress). Nguyên nhân, do xả tĩnh điện, chuyển mạch trên đường dây, sự tương tác chuyển đổi năng lượng phức tạp trong hệ thống điện. Dùng thiết bị triệt xung đột biến điện (TVSS – Transient Voltage Surge Suppression) hay thường gọi là thiết bị lọc sét (SPD - Surge Protection Device) sẽ giải quyết được vấn đề.
Sóng hài (Harmonic Distortion) là sự thay đổi tần số điện dưới dạng bội số của tần số sóng sine cơ bản, sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ, âm thầm diễn biến trong nhiều năm mà rất khó bị phát hiện. Nguyên nhân do ứng dụng có nhiều máy vi tính là những tải phi tuyến, động cơ biến tần, lây từ nguồn điện lưới bên ngoài...
Chúng ta sẽ phải trả giá đắt cho nguồn điện có chất lượng kém. Thông thường, nguồn điện chất lượng kém sẽ gặp 9 hiện tượng thông dụng sau:
Cúp điện: làm gián đoạn sản xuất, mất thời gian và hao phí lương. Nguyên nhân, do lỗi ở trạm phát điện, hư hỏng trên đường dây, chập mạch hoặc quá tải, thiếu điện… Khắc phục bằng cách sử dụng máy phát điện trong trường hợp mất điện hơn 20 phút trở lên, để duy trì nguồn điện liên tục sau khi mất điện trong 20 phút đầu sẽ phải dùng UPS.
Giảm áp tạm thời (Power Sag) dẫn đến hư dữ liệu, hư phần cứng, đèn bị chớp nháy, thiết bị tắt vì điện không đủ đáp ứng… Nguyên nhân do khởi động tải lớn, chuyển mạch điện hệ thống, hư thiết bị chuyển mạch, dịch vụ điện kém… Khắc phục bằng cách dùng UPS và ổn áp có khả năng điều chỉnh sự giảm áp tạm thời.
Xung đột biến điện (Power Surge) là sự gián đoạn trong một chu kỳ sóng sine chuẩn với cường độ rất cao, tăng áp trong thời gian ngắn, mất dữ liệu bộ nhớ, lỗi dữ liệu, hư thiết bị, hư mạch. Nguyên nhân do sét đánh, bật tắt thiết bị lớn, vận hành hệ thống chiếu sáng, các lỗi hệ thống phân phối điện…
Giảm áp (Undervoltage) có điện áp dưới 90% điện áp chuẩn, kéo dài nên gây hiện tượng thiếu điện (Brown-out) làm thiết bị giảm tuổi thọ, hư hỏng do nhiệt độ tăng cao... Nguyên nhân do thời tiết, nhu cầu sử dụng điện cao quá, mất pha, chính sách của công ty phân phối điện trong giờ cao điểm..
Quá áp (Over-Voltage) hơn 2 chu kỳ có mức điện áp trên 110% điện áp chuẩn, gần với xung đột biến điện nhưng thời gian dài hơn, bao gồm nhiều hiện tượng đột biến điện, gây hư hỏng nặng cho môtơ và máy vi tính, làm bộ nhớ bị hư/mất dữ liệu, tăng nguy cơ cháy nổ… Nguyên nhân do lỗi ở hệ thống phân phối điện, sự sụt tải lớn, thay đổi cảm kháng khi chuyển mạch, bão mặt trời… Cách khắc phục, dùng các thiết bị ổn định điện như ổn áp.
Nhiễu đường dây (Line Noise) là nguyên nhân chủ yếu gây lỗi máy tính, hư và mất dữ liệu… Hiện tượng này xảy ra do môtơ điện công suất lớn, bão điện từ, ứng dụng phát sóng, thiết bị HVAC (hệ thống điện lạnh, thông gió) vận hành. Dùng bộ lọc và ổn áp sẽ hạn chế được vấn đề này.
Biến đổi tần số (Frequency Variation). Sự thay đổi tần số điện dẫn đến mất dữ liệu, hệ thống bị đụng (crashes), hư thiết bị. Nguyên nhân có thể do máy phát điện không ổn định, do nhà cung cấp điện, vì vậy cần xem lại chất lượng máy phát điện và dùng UPS tốt.
Xung đột biến điện do chuyển mạch (Switching Transients) là các xung điện áp lớn, xuất hiện nhanh và nhiều (kéo dài) hơn các xung đột biến đơn bình thường, dễ thấy nhất là việc phát tia lửa điện khi cắm điện, bật tắt công tắc, gây mất dữ liệu, thiết bị quá tải nhiệt (heat stress). Nguyên nhân, do xả tĩnh điện, chuyển mạch trên đường dây, sự tương tác chuyển đổi năng lượng phức tạp trong hệ thống điện. Dùng thiết bị triệt xung đột biến điện (TVSS – Transient Voltage Surge Suppression) hay thường gọi là thiết bị lọc sét (SPD - Surge Protection Device) sẽ giải quyết được vấn đề.
Sóng hài (Harmonic Distortion) là sự thay đổi tần số điện dưới dạng bội số của tần số sóng sine cơ bản, sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ, âm thầm diễn biến trong nhiều năm mà rất khó bị phát hiện. Nguyên nhân do ứng dụng có nhiều máy vi tính là những tải phi tuyến, động cơ biến tần, lây từ nguồn điện lưới bên ngoài...
Thiệt hại do điện gây ra
 |
1. Thiệt hại do gián đoạn: Sự gián đoạn là không lường trước được. Tại Mỹ số trường hợp gián đoạn về điện có xu hướng tăng theo sự phát triển của nhân loại. Thống kê chi phí mà các ngành công nghiệp khác nhau của Mỹ phải chịu trong một giờ ngưng vận hành như sau: ngành năng lượng là 30,8 tỷ đồng, viễn thông 22 tỷ đồng, sản xuất 17,6 tỷ đồng… Trung bình, tổn thất tại Mỹ là trên 3 triệu đồng/giây. Thống kê năm 2007 cho thấy, 4/5 DN bị thiếu hụt về điện và 42% phải đóng cửa ít nhất 1 ngày. Mặc dù chủ DN biết đây là một mối đe dọa lớn nhưng chỉ 40% sẵn sàng đầu tư để giải quyết vấn đề.
Ví dụ về tổn thất gián đoạn trong DN nhỏ tại Mỹ: năm 2007, mức lương trung bình/giờ là gần 300 ngàn đồng. Một DN trung bình có 19,5 nhân viên sẽ chịu tổn thất lương là 3,7 triệu đồng/giờ. Chi phí doanh thu mất đi cho một nhân viên ở không xấp xỉ là 2,3 triệu đồng/giờ, nếu nhân với số lượng nhân viên bên trên và tỉ lệ thời gian gián đoạn trung bình trong một năm sẽ có con số tổn thất là 4,1 tỷ đồng/năm.
2. Thiệt hại do thiết bị: Trong 30 năm qua, công nghệ đã tiến những bước dài. Các chíp vi xử lý đã giảm đáng kể về kích thước nhưng lại tăng đáng kể về tốc độ xử lý. Khi chíp ngày càng nhỏ hơn, điện áp đòi hỏi cũng phải giảm tương ứng. Nhưng hệ thống cấp điện của bạn 30 năm rồi có thay đổi không? Điện áp sinh hoạt 110V/220V của bạn có giảm theo không? Vậy tại sao phải lưu ý về việc này? Đó là vì các chíp vi xử lý ngày càng chiếm tỉ lệ cao và quan trọng trong cuộc sống của chúng ta.
Tổ chức “Computer Technology Review” đã thống kê: 80% lỗi máy tính là do điện kém chất lượng gây ra và có thể khắc phục được bằng cách sử dụng đúng thiết bị ổn định chất lượng nguồn điện.
Ví dụ về tổn thất gián đoạn trong DN nhỏ tại Mỹ: năm 2007, mức lương trung bình/giờ là gần 300 ngàn đồng. Một DN trung bình có 19,5 nhân viên sẽ chịu tổn thất lương là 3,7 triệu đồng/giờ. Chi phí doanh thu mất đi cho một nhân viên ở không xấp xỉ là 2,3 triệu đồng/giờ, nếu nhân với số lượng nhân viên bên trên và tỉ lệ thời gian gián đoạn trung bình trong một năm sẽ có con số tổn thất là 4,1 tỷ đồng/năm.
2. Thiệt hại do thiết bị: Trong 30 năm qua, công nghệ đã tiến những bước dài. Các chíp vi xử lý đã giảm đáng kể về kích thước nhưng lại tăng đáng kể về tốc độ xử lý. Khi chíp ngày càng nhỏ hơn, điện áp đòi hỏi cũng phải giảm tương ứng. Nhưng hệ thống cấp điện của bạn 30 năm rồi có thay đổi không? Điện áp sinh hoạt 110V/220V của bạn có giảm theo không? Vậy tại sao phải lưu ý về việc này? Đó là vì các chíp vi xử lý ngày càng chiếm tỉ lệ cao và quan trọng trong cuộc sống của chúng ta.
Tổ chức “Computer Technology Review” đã thống kê: 80% lỗi máy tính là do điện kém chất lượng gây ra và có thể khắc phục được bằng cách sử dụng đúng thiết bị ổn định chất lượng nguồn điện.
Cách bảo vệ các tải và thiết bị nhạy cảm
1. Lựa chọn đúng đơn vị tư vấn thiết kế khi đã quyết định phải đầu tư vào giải pháp nguồn để bảo vệ việc kinh doanh của bạn. Đầu tiên phải xem thiết bị cần bảo vệ có tầm quan trọng như thế nào và có ảnh hưởng ra sao đến năng suất và lợi nhuận. Sau đó đưa ra các chỉ tiêu (ví dụ: tôi cần hệ thống vận hành liên tục ở mức 99%, 99,9% hay 99,999%…) mà bạn mong muốn từ đơn vị tư vấn hay nhà cung cấp. Tiếp theo, bạn cần trang bị cho mình một số nguyên tắc lựa chọn sản phẩm họ đề xuất để tránh sai lầm, ân hận về sau. 2. Dùng thiết bị cho đúng: Hệ thống lớn không thể thiếu UPS nhưng một thiết bị triệt xung đột biến điện 10 triệu đồng đôi khi lại hiệu quả hơn hệ thống 2 UPS 300 triệu đồng. Thiết bị triệt xung đột biến điện cần trong trường hợp chống xung đột biến điện (transient), vì các UPS không thể bảo vệ tải của bạn triệt để trước xung đột biến điện và sóng hài. Một máy biến áp triệt sóng hài chuyên dụng tuy đắt hơn các máy biến áp K-rate 30% nhưng lại cho hiệu suất vận hành cao hơn đến 50%… Các hệ thống thông thường không khớp nhau, vì vậy chúng ta phải có nhiều hệ thống để bảo vệ các tải và thiết bị nhạy cảm. Khi các hệ thống, thiết bị này ráp lại với nhau trong một tổng thể hài hòa thì năng suất và lợi nhuận của bạn sẽ tăng đáng kể cho việc giảm chi phí thay thế, sửa chữa, bảo trì và gián đoạn trong sản xuất đến mức thấp nhất. 3. Chọn nhà sản xuất: Khi chọn nhà sản xuất, so sánh yếu tố năng lượng chuyển đổi (power rating) - công suất chuyển từ điện năng năng lượng khác như ánh sáng, nhiệt, chuyển động…) và phương pháp kiểm tra sản phẩm mà họ tuyên bố trong tài liệu kỹ thuật là rất quan trọng. Với UPS, thời gian backup của pin là quan trọng nên bạn cần xem xét hệ thống nào có khả năng chịu tải khi vận hành càng cao càng tốt và có thể mở rộng được. Đối với thiết bị lọc sét và xung đột biến điện, kiếm những sản phẩm cho điện áp dư/điện áp cho qua (Let-Through-Voltage) được kiểm chứng thấp nhất và thời gian bảo hành lâu nhất… |
