Das Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit zeigt in seinem Bericht „Rechenzentren 2022. Steigender Energie- und Ressourcenbedarf der Rechenzentrumsbranche“ vom 2. August 2023 auf, wie sich der Energiebedarf der Rechenzentren in Deutschland von 2010 bis 2022 mit nun 17,9 Milliarden Kilowattstunden mehr als verdoppelt hat. Knapp 12 Milliarden Kilowattstunden davon haben laut dieser Studie allein IT-Komponenten (Server, Storage und Netzwerk) verbraucht. Es lohnt sich also, beim Energiesparen hier anzusetzen. Bei alledem muss die Stromversorgung hochverfügbar ausgelegt sein. Oberschwingungen von Netzteilen oder Spannungsspitzen dürfen die Funktion empfindlicher Elektronikkomponenten nicht bedrohen. 

Mit einem granularen Monitoring von Stromverbrauch und Versorgungsqualität bis hinunter zu den Geräteanschlüssen, wissen IT- und Facility-Management-Team, wo sie im Detail ansetzen können, um die Energieeffizienz eines IT-Schrankes oder einer Schrankreihe zu steigern. Darüber hinaus lässt sich dank dieser Messungen der Energieverbrauch einzelner Komponenten wie Klimamodule oder Server bestimmten Kostenstellen zuordnen. Rechenzentren können auf Basis der Messwerte zum Beispiel die Stromkosten den einzelnen Abteilungen, die die angeschlossenen Geräte nutzen, dediziert in Rechnung stellen.

Außerdem hat das IT-Team auf diese Weise die Möglichkeit, bei auftretenden Anomalien schnell einzugreifen, um Ausfälle proaktiv zu verhindern. Das steigert die Verfügbarkeit der IT. Eine granulare Überwachung weist direkt auf das angeschlossene Gerät hin, das eine Anomalie verursacht hat. Das kann ein defektes Netzteil sein oder ein älteres Gerät, dessen Netzteil nicht den aktuellen Standards entspricht. Für die Überwachung der Stromqualität auf Rack-Ebene bieten sich intelligente Rack-PDUs (PDU: Power Distribution Unit) der neuesten Generation an, die über entsprechende Mess- und Diagnosetools verfügen, um neben dem Verbrauch auch die wichtigsten Qualitätsparameter einer Stromversorgung in Echtzeit zu messen.

Intelligente PDUs als kritische Komponenten der Versorgungsinfrastruktur

Diese intelligenten PDUs (iPDUs) stellen in einem Rechenzentrum die Endpunkte einer ausgeklügelten, in der Regel redundant ausgelegten Energiekette dar und lassen sich über eine Netzwerkschnittstelle meist per SNMP fernüberwachen. Die an die Steckdosenleisten angeschlossene IT verbraucht gemäß der Borderstep-Studie etwa zwei Drittel des eingespeisten Stroms eines Rechenzentrums. Und Schwankungen in der Versorgungsqualität lassen sich oft erst am Verbraucher sowie über die Messungen und Diagnosen der iPDUs feststellen. Deshalb gelten diese immer öfter als kritische Komponenten im Versorgungsnetz eines Rechenzentrums. Je nach Funktionsumfang haben sie einen erheblichen Einfluss auf dessen Gesamteffizienz und -wirksamkeit.

Dafür können iPDUs genutzt werden

Bei einer PDU wird die Energie an der Einspeisung und an ihren Ausgängen oder auf Geräteebene gemessen und überwacht. Zur Gewährleistung der Betriebszeit findet die Überwachung gleichzeitig an den Abzweigleitungen der iPDU statt. Das ist entscheidend, wenn eines der angeschlossenen Geräte zum Beispiel eine Überlast oder einen Kurzschluss aufweist.

Rack-PDUs, die den Strom an ihrer Einspeisung überwachen, ergänzen die Messungen am Hauptverteiler (RPP) eines Rechenzentrums durch genauere Messwerte mit umfangreicheren Energieparametern an den Endpunkten der Energieketten. Die RPP-Messdaten können für einen Vergleich mit den datums- und zeitgestempelten iPDU-basierten Versorgungsqualitätsparametern herangezogen werden, um Versorgungsqualitätsprobleme bis hinauf zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen.

Messungen und zugehörige Funktionen einer intelligenten Rack-PDU:

• Überwachung von Strom, Spannung, Leistung, Scheinleistung, Scheitelfaktor, Blindwiderstand, Leistungsfaktor und gespeicherter Energie
• Überwachung vorab konfigurierter Grenzwerte, Rechte sowie Sicherheitseinstellungen
• Alarmmeldung bei Verletzung dieser Einstellungen direkt an der PDU sowie entsprechend den vorab konfigurierten Kommunikationsabläufen etwa per E-Mail und SNMP-Traps
•  Ermittlung des Rack-Energie-Status
• Je nach Hersteller auch Ermittlung der Umgebungsbedingungen über angeschlossene Sensoren
• Energiedaten auf Geräteebene über offene APIs mit anderen Systemen teilen.

Wie moderne iPDUs die Versorgungqualität messen

Die Versorgungsüberwachung am PDU-Ausgang oder an den Auslässen der PDU-Leisten kann wertvolle Erkenntnisse über die Versorgungsqualität am Rack erbringen. Moderne iPDUs wie die Raritan PX4-Serie oder die Server Technology PRO4X Rack-PDUs, beides Marken von Legrand Data Center Solutions, verfügen bereits über entsprechende Messfunktionen. Sie messen an der Einspeisung und den Auslässen im Zeitverlauf die Minimal-, Maximal- und Durchschnittwerte gemäß IEC 62053-21 und IEC 61557-12 mit einer Messgenauigkeit von ± 0,5 Prozent.

Das Datacenter-Team kann diese Steckdosenleisten zur Bestimmung der Normallasten, für Failover-Bemessungen und für Upgrade-Empfehlungen auf Basis der Spitzenwerte verwenden. Wenn das Datacenter-Team simultan die Stromversorgung an den Ausgängen überwacht, lassen sich zum Beispiel die Messergebnisse ähnlicher angeschlossener Geräte miteinander vergleichen. Ein ungenutzter angeschalteter Server, der im Leerlauf einfach nur Energie verschwendet, fällt dann sofort auf. Darüber hinaus ist die Überwachung aller Auslässe einer PDU sehr hilfreich für das Troubleshooting.

Beispiel Klirren aufgrund eines defekten Netzteils

Ergibt sich aus der Überwachung zum Beispiel ein abnehmender Leistungsfaktor, kann das auf Netzteilprobleme hinweisen. Für eine vollständige Identifizierung des Problems sind weitergehende Analysen notwendig. Ein Scheitelfaktor mit einem Betrag über 1,41 weist zum Beispiel auf ein Klirren hin. Der Scheitelfaktor ist der Abstand zwischen Spitzen- und Mittelwert einer Spannung oder einer Stromversorgung. Um diesen zu ermitteln, müssen Strom bzw. Spannung an der Einspeisung und an den Auslässen der PDU gemessen werden. Ein Klirren geht zu Lasten der Versorgungsleistung. Diese Leistungsverluste können über den Verzerrleistungsfaktor ermittelt werden. Ein Wert von 0,95 bedeutet hier, dass fünf Prozent der Leistung für das Erzeugen von Klirren verschwendet wird.

Warum die Analyse von Verzerrungen wie Oberschwingungen so wichtig ist

Es muss übrigens nicht immer ein defektes Netzteil die Ursache für ein Klirren oder für Oberschwingungen sein. Auslöser sind manchmal auch High-Density-Kühlsysteme, da diese mit Lüftern, Frequenzumrichtern und Drehzahlreglern ausgestattet sind und deshalb ebenfalls zu den nichtlinearen Verbrauchern zählen. Das gilt zudem für Schaltnetzteile sowie Computer und unterbrechungsfreie Stromversorgungen, da diese Strom in kurzen Impulsen mit hohen Amplituden aufnehmen. Das schadet vielen IT- und Elektronikgeräten. Vor allem letztere reagieren bereits auf kleine und sprunghafte Spannungsänderungen sehr empfindlich. Außerdem wandern die Oberschwingungen und Verzerrungen der Wellenform zurück in die Stromquelle und beeinflussen andere Geräte, die an diese Quelle angeschlossen sind. Die meisten Stromquellen können einen gewissen Pegel an Oberschwingungsströmen kompensieren. Wenn diese Oberschwingungsströme jedoch zunehmen, können folgende Probleme auftreten:

• Überhitzung von Stromverteilungsausrüstung und Kabeln
• Funktionsstörungen von Geräten
• Höhere Spannungen und fließende Ströme
• Vibrationen und Summen
• Fehlauslösungen von Schutzeinrichtungen
• Generatorausfälle
• Erhöhte Energieverluste und Überhitzung verursachen Komponentenausfälle.

Deshalb sollte das Datacenter-Team für die Versorgung von empfindlichen Elektronik- und IT-Geräten, die auf keinen Fall ausfallen dürfen, bei der Versorgungsqualität entsprechend geringe Toleranzen vorgeben.

Die Next-Generation-PDUs von Legrand Data Center Solutions analysieren als einzige im Markt den Oberschwingungsleistungsfluss und alarmieren, sobald die Messungen außerhalb eines eingestellten Toleranzbereichs liegen. Zudem können sie bei vorab definierten Ereignissen automatisch die genaue Wellenform der Versorgung zum Zeitpunkt des Vorfalls aufzeichnen. So lassen sich Störungen wie Oberschwingungsanteile, Spannungseinbrüche oder -überhöhungen auf einen Blick erkennen. Für Wartungsarbeiten kann sich das Personal die Wellenform auf Anforderung auch über das Menü ausgeben lassen.

Wenn es doch einmal zu einer Überlast kommt, ist es von Vorteil, wenn die Rack-PDU über eine moderne Leitungsschutzschalter-Auslösungserkennung verfügt. Zum einen muss sich die iPDU nicht komplett abschalten, sondern unterbricht nur den betroffenen Versorgungsast. Zum anderen erkennt sie den betroffenen Ausgang und somit das Gerät, das die Auslösung verursacht hat, was die Entstörung erheblich beschleunigt. Farbige LEDs zeigen dem Wartungspersonal vor Ort in drei Farben an, welche Steckdose aktiv oder ausgeschaltet ist, an welcher ein Schwellwert über- oder unterschritten wurde, ob ein Leitungsschutzschalter aktiviert ist oder ein Schwellwert dafür überschritten wurde. 

Die neuen iPDUs können ferner auf Wunsch mit Cx-Steckdosen ausgestattet werden, bei denen sowohl IEC-C20- als auch -C14-Stromkabel einsteckbar sind. Das Management erfolgt über die Xerus-Firmwareplattform der Geräte. Diese setzt sich zusammen aus Benutzeroberfläche und API, den verschiedenen Anwendungen, einer umfassenden Security-Suite, Betriebssystem, Controller sowie der zugehörigen Schnittstellen-Hardware.