Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de

Comparación de la disponibilidad de
diversas configuraciones
de alimentación de energía
redundante al rack
Informe interno 48
Revisión 1
Por Victor Avelar
> Resumen ejecutivo
Los interruptores de transferencia y la distribución de
energía por circuito doble para equipos informáticos se
utilizan para aumentar la disponibilidad de los sistemas
informáticos. Las técnicas estadísticas de análisis de la
disponibilidad sugieren que son esperables grandes
diferencias en los niveles de disponibilidad entre los
diversos métodos que se utilizan comúnmente. Este
informe analiza diversas arquitecturas eléctricas que
brindan redundancia y que se implementan en los
entornos de misión crítica de hoy. Se incluyen los
análisis de la disponibilidad de todos los casos contemplados y se presentan los resultados. Este análisis
identifica el enfoque que provee el mejor rendimiento
general y compara el rendimiento y valor de las diferentes alternativas.
Contenido
haga clic en una sección para acceder a ella
Introduction
2
Enfoques para la distribución
de energía en los racks
2
Enfoque basado en el análisis
de la dispo-nibilidad
8
Resultados
10
Conclusiones
12
Recursos
13
Apéndice
14
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Introduction
Los equipos con fuentes de energía redundantes también se denominan equipos de cable
doble, ya que cada fuente de energía tiene su propio cable. El uso de equipos de cable doble
es la “mejor práctica” para ayudar a mantener un nivel de disponibilidad de energía óptimo
para los equipos informáticos y provee la redundancia necesaria para evitar los tiempos de
inactividad causados por una falla única en el sistema de distribución de energía. Esta
redundancia adicional también facilita el mantenimiento del sistema de energía. Desafortunadamente, la mayoría de los entornos de misión crítica de hoy no gozan de todos los
beneficios que derivan de la práctica mencionada. Este informe presenta diversas posibilidades de arquitecturas eléctricas que pueden implementarse en los centros de datos de hoy.
Se incluyen los análisis de la disponibilidad de todos los casos contemplados y se presentan
los resultados.
Enfoques para la
distribución de
energía en los
racks
Las siguientes ilustraciones proveen una reseña de diversos enfoques para incrementar la
disponibilidad de equipos montados en rack, pero pueden aplicarse también a equipos
autosoportados. Por lo general, se selecciona un enfoque determinado con el objetivo de
lograr cierto nivel de disponibilidad; supuestamente, los enfoques más costosos deberían
proveer un nivel más alto de disponibilidad. Las Figuras 1 y 2 muestran cómo suele distribuirse la energía dentro de un rack en los centros de datos actuales.
Monitor
Monitor
Figura 1 (left)
Configuración típica de
alimentación en rack
Teclado
Teclado
Servidor
Servidor
Figura 2 (right)
Configuración típica de
alimentación centralizada
Servidor
Servidor
Almacenamiento
Almacenamiento
UPS en rack
Suministro
de UPS
trifásica
grande
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e
n
t
e
s
La Figura 1 muestra una configuración típica de distribución de energía en rack que se
utiliza en salas de cableado y centros de datos pequeños o medianos. Esta configuración
permite contar con racks de fácil desplazamiento que incluyen respaldo de baterías y
protección contra sobretensiones a través del sistema UPS interno. En centros de datos en
los que se utilizan decenas o cientos de racks, es más común la configuración de la Figura 2
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2
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
con una UPS grande centralizada. En ninguno de los dos casos se ofrece energía redundante en el suministro al rack.
Recursos
APC Informe interno
62
Otras arquitecturas eléctricas utilizan dispositivos para conmutar de una fuente de energía
primaria a otra secundaria. Dos ejemplos de este tipo de dispositivos son el Interruptor
estático de transferencia (STS) y el Interruptor automático de transferencia (ATS). Ambas
unidades tienen un rango de potencia de entre 1 kW aproximadamente y más de 1 mW.
Estos dispositivos se describen en detalle en el Informe Interno Nº 62 de APC: “Alimentación
de equipos de cable único en un entorno de doble alimentación”. A continuación se muestran
ejemplos de ambos interruptores..
Powering Single Corded
Equipment in a Dual Path
Environment
ATS trifásico de 6 kVA para montaje en rack
STS trifásico de 300 kVA
Las Figuras 3 y 4 muestran cómo se distribuye en ocasiones la energía en grandes infraestructuras de misión crítica. En ambos casos, hay dos circuitos redundantes que se conectan
a un STS. Sin embargo, las fuentes del servicio eléctrico que alimentan la UPS pueden ser
redundantes o no; tal elección depende de factores como el costo y la disponibilidad de la
subestación del servicio eléctrico. La única diferencia entre los dos casos es que en el de la
Figura 3 se utiliza un solo transformador aguas abajo del interruptor estático, mientras que
en el de la Figura 4 se utilizan transformadores redundantes aguas arriba del interruptor
estático. Sin embargo, en ambos casos, el STS, el subpanel aguas abajo y el cableado
asociado son posibles puntos de falla únicos. Estos métodos proveen cierto grado de
redundancia, pero los componentes restantes que no tienen redundancia representan un
riesgo de que se produzcan fallas y posibles dificultades para el mantenimiento.
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Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
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Figura 3
Redundancia en la carga
con STS
d
e
PDU con STS
Circuito de energía
primario
UPS 1
Interruptor
estático de
transferencia
Transformador
reductor
Subpanel
UPS 2
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s
Monitor
Teclado
Servidor
Servidor
Almacenamiento
Circuito de energía
de respaldo
B
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q
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e
Figura 4
Redundancia en la carga
con STS (con transformadores redundantes)
d
e
Circuito de energía
primario
UPS 1
PDU con STS
Transformador
1
Interruptor
estático de
transferencia
UPS 2
Transformador
2
Subpanel
t
o
m
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n
t
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s
Monitor
Teclado
Servidor
Servidor
Almacenamiento
Circuito de energía
de respaldo
Figures 3 and 4 are an improvement over the data center configurations shown in Figures 1
and 2, but they still do not offer full redundancy to the rack.En las Figuras 3 y 4 se muestran
mejoras respecto de las configuraciones de centros de datos de las Figuras 1 y 2, pero
todavía no se ofrece redundancia total al rack. Although a redundant UPS and transformer
are added, the static switch, subpanel and their associated wiring are single points of
failure.Aunque se agregan un transformador y una UPS redundantes, el interruptor estático,
el subpanel y el cableado asociado son puntos únicos de falla.
La Figura 5 responde a la limitación de los puntos únicos de falla que se encuentran en las
Figuras 3 y 4 al acercar la redundancia a la carga. En esta solución, se elimina el STS y se
agrega un subpanel adicional, por lo que los beneficios de la redundancia se acercan a la
carga por medio de un Interruptor automático de transferencia (ATS) para montaje en rack.
Ahora, toda tarea de mantenimiento aguas arriba del ATS del rack puede realizarse sin
apagar la carga. Aunque en este caso se presentan menos componentes no redundantes
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Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
que en los de las Figuras 3 y 4, el ATS del rack sigue siendo un punto único de falla, al igual
que la fuente de alimentación de los equipos.
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Figura 5
d
e
Redundancia en la carga
con ATS en rack
Circuito de energía
primario
UPS 1
Circuito de energía
de respaldo
UPS 2
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n
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s
PDU
Transformador
1
Monitor
Teclado
Servidor
Servidor
Almacenamiento
Interruptor de
transferencia
montado en rack
Subpanel
1
PDU
Transformador
2
Subpanel
2
La Figura 6 muestra cómo lograr redundancia total en la carga utilizando equipos de cable
doble con fuentes de alimentación redundantes. Este caso presenta dos cambios importantes con respecto al de la Figura 5: se eliminó el ATS en rack y se utilizan equipos con cable
doble. Ahora la redundancia completa se acerca directamente a la carga. Nótese también
que se utiliza un bloque de tomacorrientes extra para mantener la redundancia. Esta solución
ofrece gran disponibilidad en comparación con los otros casos que planteamos hasta ahora;
sin embargo, también es la solución más costosa y solo puede implementarse con equipos
de cable doble que hayan sido diseñados expresamente para tal uso.
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Figura 6
Redundancia en la carga con
equipos de cable doble
Monitor
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Teclado
d
e
Servidor
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Servidor
Almacenamiento
s
PDU
Circuito de energía
primario
UPS1
Transformador
1
2
Subpanel
1
PDU
Circuito de energía
de respaldo
UPS2
1
Transformador
2
Subpanel
2
La arquitectura de la Figura 7 combina las de las Figuras 5 y 6, y muestra una solución
alternativa que admite cargas de cable simple y doble. Esta solución utiliza una combinación
híbrida de diseños analizados anteriormente. Se mantiene la redundancia total de energía
para los equipos informáticos de cable doble. Para los equipos de cable simple, la redundancia se mantiene hasta el ATS en rack, pero en este caso, las fuentes de energía de los
equipos y el interruptor son puntos únicos de falla.
La Figura 7 también muestra una separación física adicional. A esta práctica, en la que
varios subsistemas dentro del sistema de respaldo y distribución de energía están separados
físicamente, se la suele llamar "compartimentación". Cuando la separación física se implementa correctamente, pueden prevenirse incidentes graves, como cuando un colapso
mecánico en un circuito afecta al otro circuito (una causa común de falla).
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Equipos con dos cables de alimentación
Teclado
Servidor
d
e
Figura 7
Arquitectura
redundante para
cargas de cable
simple y doble
Fuente 1
UPS 1
Transf . 1
Subpanel
1
Separación física
Fuente 2
UPS 2
Transf . 2
Subpanel
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Monitor
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Servidor
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Almac .
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1
2
2
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Equipos con un cable de alimentación
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Monitor
Teclado
Servidor
Servidor
Almac .
Interruptor de
transferencia
montado en rack
Las arquitecturas que se plantean en las Figuras 3, 4, 5 y 7 incorporan interruptores de
transferencia. Con un interruptor de transferencia más grande, una falla puede provocar el
colapso de muchos equipos; en cambio, una falla en un interruptor más pequeño causará el
colapso de solo un rack. Para algunos usuarios, las consecuencias de una falla en cualquiera de sus racks para sus negocios son equivalentes a fallas en 50 racks; para otros usuarios,
poder aislar una falla en un solo rack representa una ventaja. Para estos últimos usuarios, el
ATS en rack provee la ventaja adicional en cuanto a la disponibilidad del aislamiento de
fallas.
Otro factor para tener en cuenta es el tiempo necesario para reparar los interruptores. Un
interruptor de transferencia pequeño no se repara sino que se reemplaza, y se lo puede
conservar para utilizarlo como repuesto por un tiempo limitado en casos en los que se debe
hacer un recambio. Además, se puede crear un bypass para el interruptor rápidamente si es
necesario. Un interruptor mayor debe repararse, y según la ubicación del establecimiento,
pueden pasar varias horas antes de que se presente el personal de reparación. Se requiere
más tiempo para diagnosticar y reparar el sistema, y si el técnico no tiene consigo el
repuesto que se necesita, se pierde aun más tiempo. Por lo tanto, cuando se analizan
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Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
algunos de estos diseños más avanzados, deben evaluarse varias cuestiones para tomar la
mejor decisión. El tiempo de reparación se considera en el modelo estadístico de la disponibilidad que se describe en la siguiente sección.
En general, los equipos con un solo cable de alimentación pueden representar un riesgo
significativo cuando se intenta desarrollar un entorno crítico de negocios con alta disponibilidad. Esto es válido no solo para equipos montados en rack, sino para todos los equipos de
misión crítica. Aun con la mejor construcción posible, cualquier punto de falla único fallará en
algún momento y como resultado habrá tiempo de inactividad. Si se requiere un verdadero
entorno de alta disponibilidad, los puntos de falla únicos en la distribución de la energía
deben minimizarse tanto como sea posible, si no eliminarse por completo.
Enfoque
basado en
el análisis
de la disponibilidad
Se realiza un análisis de la disponibilidad para cuantificar el impacto de utilizar dispositivos
con cable simple frente a dispositivos con cable doble. Se realizan los siguientes cinco
análisis de la disponibilidad:
• Caso 1: carga con cable simple, Figura 2.
• Caso 2: carga con cable simple con Interruptor estático de transferencia, Figura 3
(transformador único).
• Caso 3: carga con cable simple con Interruptor estático de transferencia, Figura 4
(transformadores redundantes).
• Caso 4: carga con cable simple con ATS en rack, Figura 5.
• Caso 5: carga con cable doble, Figura 6.
El análisis combinatorio lineal, también conocido como Diagrama de bloques de confiabilidad
(RBD), se utiliza para ilustrar la disponibilidad de la energía en la toma de salida para las
cinco configuraciones mencionadas. Este método de modelado de sistemas es el más
directo y funciona bien cuando se estudian sistemas en los que existen pocas transiciones
de estado. El análisis combinatorio lineal utiliza datos definidos relativos a la confiabilidad
para luego desarrollar un modelo de sistema que represente la configuración que se analiza.
Dado que este análisis se centra solo en las diferencias entre las configuraciones, se supone
que todo lo que se encuentra aguas arriba del sistema UPS es perfecto, incluso el servicio
de energía eléctrica. Por lo tanto, las disponibilidades que se presentan aquí serán más altas
que las que se esperan en una instalación real.
Los detalles del análisis se incluyen en el Apéndice.
Datos utilizados en el análisis
La mayoría de los datos utilizados para incluir los componentes en el modelo provienen de
terceros. Los datos para el ATS en rack se basan en datos de campo del producto ATS en
rack de APC, que está en el mercado desde hace aproximadamente cinco años y tiene una
base instalada significativa. En este análisis se incluyen los siguientes componentes clave:
1. Terminaciones
2. Disyuntores
3. Sistemas UPS
4. Unidades de distribución de energía (PDU)
5. Interruptores estáticos de transferencia (STS)
6. ATS en rack
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La PDU se divide en tres subcomponentes básicos: disyuntores, transformador reductor y
terminaciones. El subpanel se evalúa en base a un interruptor principal, un disyuntor para el
circuito derivado y terminaciones, todos en serie. El ATS en rack se utiliza sólo en el cuarto
caso. El Apéndice incluye los valores y fuentes de datos de la tasa de fallas
tasa de recuperación
⎛ 1 ⎞
⎜
⎟
⎝ MTTR ⎠
⎛ 1 ⎞
⎜
⎟
⎝ MTTF ⎠
y la
para cada subcomponente, donde MTTF es el tiempo
medio entre fallas y MTTR es el tiempo medio de reparación.
Las tasas de fallas y reparación utilizadas en este análisis se presentan en el Apéndice.
Supuestos utilizados en el análisis
Como en todo análisis de disponibilidad, debe partirse de ciertos supuestos para crear un
modelo válido. La Tabla 1 enumera los supuestos básicos utilizados en este análisis.
Tabla 1
Supuestos para el análisis
Supuesto
Descripción
Failure Rates of ComponentsTasas de fallas de los componentes
All components in the analysis exhibit a constant failure rate.Todos los componentes del análisis poseen una tasa de
fallas constante. This is the best assumption, given that the equipment will be used only for its designed useful life
period.Este es el mejor supuesto, dado que los equipos serán utilizados solo por un período igual a su vida útil
calculada. If products were used beyond their useful life, then non-linearity would need to be built into the failure
rate.Si los productos se utilizaran más allá de su vida útil, entonces deberían incluirse aspectos no lineales en la
tasa de fallas.
Repair TeamsEquipos de
reparación
For “n” components in series it is assumed that “n” repairpersons are available.Se supone que, para una cantidad n
de componentes en serie, se dispone de n personas en el equipo de reparación.
System Components Remain
OperatingLos componentes del
sistema siguen funcionando
All components within the system are assumed to remain operating while failed components are repaired.Se supone
que todos los componentes del sistema siguen funcionando mientras se reparan los componentes que fallaron.
Independence of FailuresIndependencia de las fallas
These models assume construction of the described architectures in accordance with Industry Best Practices.En
estos modelos se supone que las arquitecturas descritas se construyeron de acuerdo con las mejores prácticas de
la industria, These result in a very low likelihood of common cause failures and propagation because of physical and
electrical isolation.lo que da como resultado una probabilidad muy baja de fallas por causas comunes y propagación
debido al aislamiento físico y eléctrico.
Failure Rate of WiringTasa de
fallas del cableado
Wiring between the components within the architectures has not been included in the calculations because wiring
has a failure rate too low to predict with certainty and statistical relevance.El cableado entre los componentes dentro
de las arquitecturas no se consideró para los cálculos dado que tiene una tasa de fallas demasiado baja para
permitir una predicción con certeza y pertinencia estadística. Also previous work has shown that such a low failure
rate minimally affects the overall availability.Además, análisis previos demostraron que una tasa de fallas tan baja
afecta mínimamente la disponibilidad total. Major terminations have still been accounted for.Todavía no se determinó
la tasa de fallas para las terminaciones más importantes.
Human ErrorError humano
Downtime due to human error has not been accounted for in this analysis.El tiempo de inactividad debido a los
errores humanos no se consideró en este análisis. Although this is a significant cause of data center downtime, the
focus of these models is to compare power infrastructure architectures, and to identify physical weaknesses within
those architectures.Aunque la mencionada es una causa significativa del tiempo de inactividad de un centro de
datos, el análisis de estos modelos se centra en la comparación de las arquitecturas de las infraestructuras
energéticas y en la identificación de las debilidades físicas de estas.
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Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Power Availability is the key
measureLa disponibilidad de la
energía es la medida clave
This analysis provides information related to power availability.Este análisis provee información relacionada con la
disponibilidad de la energía. The availability of the business process will typically be lower because the return of
power does not immediately result in the return of business availability.La disponibilidad de los procesos de negocios
normalmente será menor, ya que la recuperación de la energía no da como resultado inmediato la recuperación de
la disponibilidad de los negocios. The IT systems typically have a restart time which adds unavailability that is not
counted in this analysisPor lo general, los sistemas informáticos tienen un tiempo de reinicio que se suma al tiempo
de falta de disponibilidad; el primero no se consideró en este análisis.
No benefit of fault isolationNo se
obtienen con el asilamiento de las
fallas
The failure of any rack is considered a failure, and equivalent to the failure of all racks at once.Las fallas en cualquier
rack son consideradas equivalentes entre sí y equivalentes a la falla de todos los racks a la vez. This assumption
understates the advantage of the Cases 4 and 5. For some businesses, the failure of a single rack is of less
business consequence than the failure of all racks.Este supuesto desestima la ventaja que ofrecen los casos 4 y 5.
Para algunos negocios, la falla de un solo rack acarrea menores consecuencias que la falla de todos los racks a la
vez.
Resultados
Es importante comprender que el objetivo de este análisis es comparar las disponibilidades
teóricas de cada caso. Ya que para todos los componentes de los cinco casos existen los
mismos datos relativos a las tasas de fallas, las únicas diferencias entre los distintos casos
son las cantidades, el MTTR y la ubicación de los componentes. Este método aporta una
demostración muy efectiva de la eficacia de la disponibilidad de una arquitectura cuando se
la compara con otra.
La disponibilidad se mide con respecto a la/ s toma/ s de salida que abastecen de energía a
la carga crítica. En todos los casos se utilizan los mismos datos relativos a la confiabilidad de
los componentes. En el caso 1, una falla en cualquiera de los componentes de la cadena
causaría la caída de la carga. Tomaremos este caso como base.
En los casos 2 y 3, para que se produjera la caída de la carga, tendría que fallar simultáneamente un componente cualquiera de cada circuito redundante. Sin embargo, la falla de
cualquier componente único aguas abajo del STS, o incluso del STS, también causaría la
caída de la carga. En este caso, lo notable de este resultado es lo poco que aumenta la
disponibilidad del sistema en función de la instalación del STS. La razón es que el STS no
ofrece un nivel de confiabilidad significativamente mayor que la UPS aguas arriba, y el STS
sigue siendo un punto de falla único. Nótese además que en el caso 2, el MTTR del transformador minimiza los beneficios del STS.
En el caso 4, para que se produjera la caída de la carga, tendría que fallar simultáneamente
un componente cualquiera de cada circuito redundante. A pesar de que el ATS en rack es un
punto de falla único, su MTTR es breve, dado que puede reemplazarse rápidamente si se
dispone del repuesto. El hallazgo clave en este caso es que aunque el ATS en rack no es
necesariamente más confiable que el STS más grande, al tener un MTTR mucho más breve,
presenta una gran ventaja en cuanto a la disponibilidad.
En el caso 5, para que se produjera la caída de carga, tendría que fallar simultáneamente un
componente cualquiera en cada circuito redundante. En la Tabla 2 se presenta una reseña
de los resultados de los cinco cálculos de disponibilidad.
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Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Tabla 2
Resumen de los resultados de los cálculos de disponibilidad
Caso
Configuración
Disponib.
Cantidad de "nueves"
Caso 1
Carga con cable simple
99,985%
3,8
Caso 2
Carga con cable simple con STS (transformador único)
99,98596%
3,85
Caso 3
Carga con cable simple con STS (transformadores redundantes)
99,99715%
4,5
Caso 4
Carga con cable simple con ATS en rack
99,999931%
6,2
Caso 5
Carga con cable doble
99,9999977%
7,6
Este análisis ilustra lo significativos que pueden ser los equipos de cable doble para lograr
un alto nivel de disponibilidad en una arquitectura eléctrica de alimentación dual. Con
equipos de cable simple no se obtienen todos los beneficios de un diseño tan elaborado,
pero pueden lograrse beneficios muy similares con un ATS en rack.
A partir de los resultados que se presentaron anteriormente, es claro que aumentar la
redundancia en la carga aumenta la disponibilidad. La Figura 8 demuestra que aun si la
confiabilidad (MTTF) de un producto se multiplicara por diez, seguiría sin igualarse la
disponibilidad obtenida cuando se utiliza un set redundante con un nivel de confiabilidad
menor. El sistema redundante provee una disponibilidad cercana al 100%, o una gran
cantidad de "nueves".
0.999975
0.999965
Sistema autosoportado
0.999955
Sistema redundante
0.999945
0.999935
0.999925
0
1,
00
79
73
4,
00
0
0
0
7,
00
67
62
0,
00
0
0
56
3,
00
0
6,
00
50
44
9,
00
0
0
2,
00
39
5,
00
33
27
8,
00
0
0
0
22
1,
00
0
4,
00
7,
00
16
,0
00
0.999915
10
Disponibilidad vs. MTTF
0.999985
50
Figura 8
Disponibilidad total del sistema
0.999995
MTTF (horas)
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Conclusiones
Cuando se implementa una arquitectura de alta disponibilidad, la distribución de energía en
el rack debe considerarse cuidadosamente. Los modelos típicos de distribución de energía
descritos en este informe generan tiempos de inactividad que varían en un factor de 10.000.
Este análisis demuestra muy claramente la importancia de utilizar equipos de cable dual en
un centro de datos crítico. El análisis que se presenta en este informe sugiere que una
arquitectura completa de circuito doble puede proveer un tiempo de inactividad hasta 10.000
veces menor que un diseño de circuito simple.
La práctica común de utilizar interruptores de transferencia para incrementar la disponibilidad
de las cargas con cable simple provee resultados sumamente variables, según cómo se
implemente. En algunos casos, el análisis sugiere que no se obtiene prácticamente ninguna
ventaja del uso de un STS grande. En contraste, cuando el interruptor de transferencia se
acerca al rack, el tiempo de inactividad del sistema causado por el sistema de distribución de
energía disminuye en un factor de 250.
Además, el interruptor de transferencia para montaje en rack provee como ventaja adicional
la localización de la falla, ya que una falla en él abarca un solo rack. Más aun, este interruptor puede implementarse cuando y como se necesite en un entorno de circuito doble.
Los datos provistos sugieren que la práctica común de utilizar sistemas con STS grandes
para cargas con cable simple debería reevaluarse, y que los interruptores de transferencia
montados en rack ofrecen ventajas significativas a costos similares.
En general, el análisis sugiere como principio general acercar la redundancia a las cargas
para mejorar la disponibilidad.
Un análisis cuidadoso siempre debería ser un requisito esencial antes de invertir en cualquier sistema de alta disponibilidad. La cantidad de dinero que, para cada cliente, se justifica
gastar para reforzar la infraestructura eléctrica determinará la solución que deba seleccionarse. El cliente debe comprender claramente sus procesos de negocios para que pueda
calcularse el costo de los tiempos de inactividad. En última instancia, este costo es el que
determinará la inversión en soluciones de disponibilidad.
El autor:
Victor Avelar es Especialista en Disponibilidad en APC. Es el responsable de proveer
asesoramiento y análisis sobre la disponibilidad para las arquitecturas eléctricas y el diseño
de los centros de datos de los clientes. Victor recibió el título de Bachelor en Ingeniería
Mecánica del Rensselaer Polytechnic Institute en 1995 y es miembro de ASHRAE y la
American Society for Quality.
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Recursos
Powering Single Corded Equipment in
a Dual Path Environment
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Apéndice
Componente
Tabla A1 Componentes y valores
Tasa de
fallas
Tasa de
recuperación
Fuente de datos
• Used to supply uninterrupted 480
VAC power to the PDU.Se la utiliza
para abastecer a la PDU con una
tensión ininterrumpida de 480 VCA
Comentarios
UPS 675kW /
750kVAUPS 675 kW/
750 kVA
4.0000E064,0000E-06
0.125
Failure Rate is from Power Quality Magazine,
Recovery Rate data is based on assumption of
4 hours for service person to arrive, and 4
hours to repair systemLa tasa de fallas fue
tomada de Power Quality Magazine; la tasa de
recuperación se basa en el supuesto de que se
necesitan 4 horas para que el personal técnico
llegue al establecimiento y 4 horas para reparar
el sistema.
Static Transfer Switch
(STS)Interruptor estático
de transferencia (STS)
4.1600E064,1600E-06
0.1667
Gordon Associates - Raleigh, NCGordon
Associates - Raleigh, NC
• Includes controlsIncluye los
controles
0.00641
MTBF is from IEEE Gold Book Std 493-1997,
Page 40, MTTR is average given by Marcus
Transformer DataEl tiempo medio entre fallas
(MTBF) fue tomado del Gold Book del IEEE,
estándar 493-1997, Página 40; El MTTR es el
promedio indicado en datos de Marcus
Transformer.
• Used to step down the 480 VAC
input to 208 VAC outputs, which is
required for 120 VAC loads.Se lo
utiliza para reducir la tensión de
entrada de 480 VCA a tensiones de
salida de 208 VCA, que son las
requeridas para cargas de 120 VCA.
IEEE Gold Book Std 493-1997, Page 40Gold
Book del IEEE, estándar 493-1997, Página 40
• Used to isolate components from
electrical power for maintenance or
fault containment.Se lo utiliza para
aislar componentes del suministro
eléctrico para mantenimiento o
contención de fallas.
Step-down TransformerTransformador reductor
Circuit BreakerDisyuntor
7.0776E077,0776E-07
3.9954E073,9954E-07
0.45455
6 x IEEE value6 x valor IEEE
6 Terminations6
terminaciones
8.6988E0088,6988E-008
0.26316
Computed from value by IEEE Gold Book
Estándar 493-1997, Page 41Calculado a partir
del valor del Gold Book de IEEE, estándar 4931997, Página 41
8 x IEEE value8 x valor IEEE
8 Terminations8
terminaciones
Rack ATSATS en rack
1.1598E0071,1598E-007
2.0E-062,0E-06
0.26316
3
Computed from value by IEEE Gold Book Std
493-1997, Page 41Calculado a partir del valor
del Gold Book de IEEE, estándar 493-1997,
Página 41
APC Redundant Switch field dataDatos de
campo de APC sobre interruptores redundantes
APC by Schneider Electric
• Upstream of the transformer, one
termination exists per conductor.Aguas arriba del transformador,
hay una terminación por cada
conductor. Since there are 2 sets of
terminations between components a
total of six terminations are
used.Como hay 2 sets de terminaciones entre los componentes, se
utiliza un total de seis terminaciones.
• Downstream of the transformer, one
termination exists per conductor plus
the neutral.Aguas abajo del
transformador, hay una terminación
por cada conductor más el neutro.
Since there are 2 sets of terminations
between components a total of eight
terminations are used.Como hay 2
sets de terminaciones entre los
componentes, se utiliza un total de
ocho terminaciones.
• The APC Rack ATS MTTF is
calculated to be 1 million hours.Se
calcula que el MTTF del ATS en rack
de APC es de un millón de horas.
A conservative value of 500,000
hours is used.Se utilizó un valor bajo
de 500.000 horas.
Informe interno 48 Revisión 1
14
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Disponibilidad
de una carga con
cable simple
[Caso 1]
La disponibilidad para una carga con cable simple, como la de la Figura 2, se calcula en
base al siguiente diagrama de bloques de confiabilidad. La Figura 9 representa el nivel
superior del diagrama, que calcula la disponibilidad en estado estable basada en los
componentes serie. Este diagrama incorpora bloques "expandibles" para los "componentes
del transformador" y los "componentes del subpanel". El hecho de que haya bloques
expandibles significa que existe un diagrama de bloques de confiabilidad de nivel más bajo
que define sus subcomponentes. Diseñar el diagrama de esta manera facilita los cálculos de
la disponibilidad. El subpanel se utiliza para distribuir la energía directamente entre los
equipos de misión crítica. Los contenidos de estos bloques se muestran en las Figuras 10 y
11.
Figura 9
Carga con cable simple
λ =3,9954e-007
μ= 0,45455
Disyuntor
λ =8,6988e-008 λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008
μ=0,26316
μ=0,45455
μ=0,26316
6
terminaciones
Disyuntor
6
terminaciones
λ =4e-006
μ=0,125
UPS de
675 kW
λ =8,6988e-008 λ =3,9954e-007
μ=0,26316
μ=0,45455
6
terminaciones
Disyuntor
λ =8.6988e-008
μ=0.26316
Componentes
Del subpanel
Figura 10
Componentes del
Figura 11
Componentes del
subpanel
Componentes
6
del
terminaciones
transformador
λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008 λ =7,0776e-007 λ =1,1598e-007
μ =0,45455
μ =0,26316
μ =0,00641
μ =0,26316
Disyuntor
6
8
terminaciónes Transformador terminaciones
reductor
λ =3,9954e-007 λ =1,1598e-007
μ =0,45455
μ=0,26316
8
terminaciones
Disyuntor
λ =3,9954e-007
μ=0,45455
Disyuntor
En base al diagrama presentado, se muestra a continuación la disponibilidad del sistema de
cable simple.
APC by Schneider Electric
Informe interno 48 Revisión 1
15
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Tabla A2
Disponibilidad de una carga con cable
Disponibilidad
99,98498%
1.5021E-041,5021E-04
19,3
128.665
1,3158
99,99640%
3.5958E-053,5958E-05
6,5
180.291
0,31499
Transformer PartsComponentes del transformador
99,98879%
1.1205E-041,1205E-04
85,5
763.201
0,98158
Subpanel PartsComponentes del subpanel
99,99978%
2.1987E-062,1987E-06
2,4
1.092.825
0,01926
Modelo-Nombre
Single-corded LoadCarga
con cable simple
UPS systemSistema UPS
MTTR
(horas)
MTTF
(horas)
Tiempo de inactividad anual
(horas)
Falta de
disponibilidad
Dado que el análisis se lleva a cabo utilizando datos con cinco dígitos significativos, la falta
de disponibilidad es otra manera de expresar los resultados. La falta de disponibilidad se
calcula simplemente como (1 – disponibilidad).
Disponibilidad
de una carga con
cable simple con
Interruptor
estático de
transferencia
(transformador
único) [Caso 2]
El método de distribución de la Figura 3 utiliza un STS y agrega redundancia a todos los
componentes aguas arriba, excepto por el transformador, que se ubica aguas abajo. La
disponibilidad para este caso se calcula en base a 7 cadenas de diagramas de bloques de
confiabilidad que se fragmentan por cuestiones de claridad. La Figura 12 representa el nivel
superior del diagrama. El bloque del "sistema UPS" es un bloque de tipo "1 de 2", es decir,
todos los componentes dentro de ese bloque son redundantes. La Figura 13 muestra los
contenidos del bloque del "sistema UPS".
1 de 2
Figura 12
Sistema
UPS
Carga con cable simple con
STS
APC by Schneider Electric
STS y
distribución
Informe interno 48 Revisión 1
16
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Figura 13
Sistema UPS
λ =3,9954e-007
μ =0,45455
Disyuntor
λ =8,6988e-008 λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008 λ =4e-006
μ =0 ,26316
μ =0,125
μ =0,45455
μ = 0,26316
6
terminaciones
Disyuntor
6
terminaciones
UPS de
675 kW
λ =8,6988e-008 λ=3,9954e-007
μ =0,26316
μ =0,45455
6
terminaciones
Disyuntor
λ =8,6988e-008
μ =0,26316
6
terminaciones
Todos los componentes aguas arriba del STS son redundantes; sin embargo, todos los
componentes dentro del bloque de "STS y distribución", que se muestran en la Figura 12,
constituyen un punto de falla único. El bloque de "STS y distribución" contiene el sistema de
STS, los componentes del transformador y los componentes del subpanel, como se ilustra en
la Figura 14. El sistema de STS es lo que permite el uso de los componentes redundantes
aguas arriba. Este sistema incorpora disyuntores, terminaciones y, lo más importante, el
Interruptor de transferencia estática. El diagrama de bloques de confiabilidad para el sistema
STS se muestra en la Figura 15.
Figura 14
STS y distribución
Figura 15
Sistema STS
Sistema
STS
λ =4,16e-006
μ =0,1667
Interruptor
estático
Componentes
del
transformador
Componentes
del subpanel
λ =3,9954e-007
μ=0,45455
Disyuntor
λ =8,6988e-008
μ=0,26316
6
Terminaciones
Los contenidos del bloque de "componentes del transformador" y del de "componentes del
subpanel" de la Figura 14 se desglosan aun más en las Figuras 16 y 17.
Figura 16
Componentes del transfor-
λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008 λ =7,0776e-007 λ =1,1598e-007
μ=0,00641
μ=0,26316
μ=0,45455
μ=0,26316
6
8
Disyuntor terminaciones Transformador terminaciones
reductor
APC by Schneider Electric
Informe interno 48 Revisión 1
17
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
ë =3.9954e-007 ë =1.1598e-007
ì =0.45455
ì =0.26316
Figura 17
Circuit
Breaker
Componentes del subpanel
8
Terminations
ë =3.9954e-007
ì =0.45455
Circuit
Breaker
En base a los diagramas presentados, se muestra a continuación la disponibilidad del
sistema con cable simple con STS y transformador único.
Tabla A3
Disponibilidad de la carga con cable simple con STS (transformador único) [Caso 2]
Modelo-Nombre
Disponibilidad
Falta de disponibilidad
MTTR
(horas)
MTTF
(horas)
Tiempo de inactividad anual
(horas)
Singled-corded Load with STSCarga con
cable simple con STS
99,98596%
1.4041E-041,4041E-04
20,4
145,513
1.23002
UPS systemSistema UPS
99,99999987%
1.2930E-091,2930E-09
6,5
5,025,125,628
0.00001
Single UPSUPS única
99,99640%
3.5958E-053,5958E-05
6,5
180,291
0.31499
STS & DistributionSTS y distribución
99,98596%
1.4041E-041,4041E-04
20,4
145,518
1.23001
STS systemSistema STS
99,99738%
2.6164E-052,6164E-05
5,6
215,214
0.22920
Transformer PartsComponentes del
transformador
99,98879%
1.1205E-041,1205E-04
85,53
763,201
0.98158
Subpanel PartsComponentes del subpanel
99,99978%
2.1987E-062,1987E-06
2,4
1,092,825
0.01926
(1 Transformer)(1 transformador)
Disponibilidad
de una carga con
cable simple con
Interruptor estático de transferencia (transformadores redundantes) [Caso 3]
El método de distribución de la Figura 4 utiliza un STS y agrega redundancia a todos los
componentes aguas arriba, el transformador inclusive. La disponibilidad en este caso se
calcula en base a 7 cadenas de diagramas de bloques de confiabilidad, de manera análoga
al análisis anterior. La Figura 18 representa el nivel superior del diagrama. El bloque del
"sistema UPS y transformador" es un bloque de tipo "1 de 2", es decir, todos los componentes dentro de ese bloque son redundantes. La Figura 19 muestra los contenidos del bloque
del "sistema UPS y transformador". El bloque de los "componentes del transformador" está
formado por las mismas partes que el de la Figura 16. Hasta aquí, todos los componentes
son redundantes; sin embargo, todos los componentes dentro del bloque de "STS y distribución", que se muestran en la Figura 18, constituyen un punto único de falla.
APC by Schneider Electric
Informe interno 48 Revisión 1
18
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
1 de 2
Figura 18
STS y
distribución
Sistema UPS y
transformador
Carga con cable simple con
STS
Figura 19
Sistema UPS y transformador
λ =3,9954e-007 λ = 8,6988e- 008 λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008 λ = 4e-006
μ=0,45455
μ =0,26316
μ =0,45455
μ= 0,26316
μ = 0,125
Disyuntor
6
terminaciones
UPS de
675 kW
6 terminaciones
Disyuntor
λ =8,6988 e -008 λ = 03,99954e-007
μ=0 ,26316
μ=0,45455
6 terminaciones
Disyuntor
λ =8,6988e-008
μ =0,26316
Componentes
del
transformador
6 terminaciones
En este caso, el bloque de "STS y distribución", que se muestra en la Figura 20, contiene
solo el sistema STS y los componentes del subpanel, porque el transformador se desplaza
aguas arriba como componente redundante. El "sistema STS" en este caso es idéntico al de
la Figura 16, excepto que tiene 8 terminaciones en vez de 6, como se ilustra en la Figura
21. Los contenidos del bloque de "componentes del subpanel" son idénticos a los de la
Figura 17.
Figura 20
Sistema
STS
STS y distribución
Figura 21
Sistema STS
λ =4,16e-006
μ=0,1667
Interruptor
estático
Componentes
del subpanel
λ =3,9954e-007
μ=0,45455
Disyuntor
λ =1,1598e-007
μ=0,26316
8
terminaciones
En base a los diagramas presentados, se muestra a continuación la disponibilidad del
sistema con cable simple con STS y transformadores redundantes.
APC by Schneider Electric
Informe interno 48 Revisión 1
19
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Tabla A4
Disponibilidad de la carga con cable simple con
STS (transformadores redundantes) [Caso 3]
Disponibilidad
Falta de disponibilidad
MTTR
(horas)
MTTF
(horas)
Tiempo de
inactividad
anual
(horas)
99,99715%
2.8495E-052,8495E-05
5,1
178.839
0,24961
UPS system & TransformerSistema UPS y
transformador
99,9999978%
2.1906E-082,1906E-08
21,6
985.221.675
0,00019
UPS SystemSistema UPS
99,99640%
3.5958E-053,5958E-05
6,5
180.291
0,31499
Transformer PartsComponentes del
transformador
99,98879%
1.1205E-041,1205E-04
85,5
763.201
0,98158
STS & DistributionSTS y distribución
99,99715%
2.8473E-052,8473E-05
5,1
178.872
0,24942
STS systemSistema STS
99,99737%
2.6274E-052,6274E-05
5,6
213.880
0,23016
Subpanel PartsComponentes del subpanel
99,99978%
2.19867E-062,19867E-06
2,4
1.092.825
0,01926
Modelo-Nombre
Singled-corded Load with STSCarga con
cable simple con STS
(2 Transformers)(2 transformadores)
Disponibilidad
de una carga con
cable simple con
ATS en rack [Caso 4]
El análisis para una carga con cable simple con un ATS en rack, como se muestra en la
Figura 5, se calcula en base al diagrama de bloques de confiabilidad de la Figura 22, que
representa el nivel superior del diagrama. Este modelo ahora provee redundancia al rack; sin
embargo, el ATS en rack se convierte en el punto de falla único. La Figura 23 muestra los
componentes del bloque del "sistema UPS y distribución". Los contenidos de los bloques de
"componentes del transformador" y "componentes del subpanel" son idénticos a los de las
Figuras 16 y 17, respectivamente.
Figura 22
Carga con cable simple con ATS en
rack
APC by Schneider Electric
1 de 2
λ =2e-006
μ=3
Sistema
UPS y
distribución
Interruptor
POU
Informe interno 48 Revisión 1
20
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
Figura 23
Sistema UPS y distribución
λ =3,9954e-007
μ=0,45455
Disyuntor
λ =8,6988e-008 λ =3,9954e-007 λ =8,6988e-008
μ=0
ì ,45455
μ=0,26316
μ=ì 0,26316
6
terminaciones
Disyuntor
6
terminaciones
λ =4e-006
μ=0,125
ì
UPS de
675 kW
λ =8,6988e-008 λ =3,9954e-007
μ=0,45455
μ=0,26316
6
terminaciones
Disyuntor
λ =8,6988e-008
μ=0,26316
Componentes
del subpanel
Componentes
del
transformador
6
terminaciones
En base a los diagramas presentados, se muestra a continuación la disponibilidad del
sistema con cable simple con ATS en rack.
Tabla A5
Disponibilidad de una carga con cable simple con ATS en rack [Caso 4]
Modelo-Nombre
Disponibilidad
Falta de
disponibilidad
MTTR
(horas)
MTTF
(horas)
Tiempo de inactividad anual
(horas)
Single-corded Load with Rack ATSCarga
con cable simple con ATS en rack
99,999931%
3.558950E073,558950E-07
0,4
499.705
0,00604
UPS system & DistributionSistema UPS
y distribución
99,999998%
2.2562E-082,2562E-08
19,3
856.898.029
0,00018
Transformer PartsComponentes del
transformador
99,98879%
1.1205E-041,1205E-04
85,5
763.201
0,98158
Subpanel PartsComponentes del
subpanel
99,99978%
2.1987E-062,1987E-06
2,4
1.092.825
0,01926
Rack ATSATS en rack
99,999933%
3.3333E-073,3333E-07
0,3
500.000
0,00584
En este caso, con solo agregar otra unidad PDU, aumentó la disponibilidad drásticamente.
Sin embargo, el ATS en rack es el punto único de falla en el sistema, lo que limita la
disponibilidad total a seis "nueves". Es por ello que siempre debe elegirse un ATS en rack en
base a su confiabilidad, y siempre deben tenerse repuestos en el establecimiento para
minimizar el MTTR.
Disponibilidad
de una carga con
cable doble [Caso 5]
El análisis para una carga con cable doble, como en la Figura 6, se calcula en base al
diagrama de bloques de confiabilidad de la Figura 24, que también en este caso representa
el nivel superior. Como en el sistema con ATS en rack, este diagrama calcula la disponibilidad en estado estable en base a las tasas totales de fallas y recuperación de la UPS y la
PDU; sin embargo, no incluye el ATS en rack porque la carga es de cable doble y puede
aprovechar al máximo los circuitos redundantes. Solo uno de los dos circuitos debe estar en
APC by Schneider Electric
Informe interno 48 Revisión 1
21
Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de alimentación de energía redundante al rack
funcionamiento para mantener las cargas críticas. No hay puntos de falla únicos en este
sistema. En realidad, incluso las fuentes de energía de la carga crítica son redundantes.
1 de 2
Figura 24
Sistema
UPS y
distribución
Carga con cable doble
Los diagramas de bloques de confiabilidad de nivel más bajo que componen el bloque de
"sistema UPS y distribución" son idénticos a los de las Figuras 9 y 11. En base a esos
bloques, se muestra a continuación la disponibilidad del sistema con cable doble.
Tabla A6
Disponibilidad de una carga con cable doble [Caso
MTTR
(horas)
MTTF
(horas)
Tiempo de
inactividad
anual
(horas)
Modelo-Nombre
Disponibilidad
Falta de disponibilidad
Dual-corded LoadCarga con cable doble
99,9999977%
2.2562E-082,2562E-08
19,3
856.898.029
0,0001976
UPS system & DistributionSistema UPS y
distribución
99,9999977%
2.2562E-082,2562E-08
19,3
856.898.029
0,0001976
Transformer PartsComponentes del
transformador
99,98879%
1.1205E-041,1205E-04
85,5
763.201
0,98158
Subpanel PartsComponentes del subpanel
99,99978%
2.1987E-062,1987E-06
2,4
1.092.825
0,01926
En este último caso, la disponibilidad del "sistema UPS y distribución" es idéntica a la del
caso anterior, pero la disponibilidad total aumentó a siete "nueves". La diferencia más
importante es que, cuando se utilizan equipos de cable doble, ya no se necesita el ATS en
rack. Como se muestra en el último sistema, el ATS en rack es un punto de falla único y
limita la disponibilidad a seis "nueves".
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Informe interno 48 Revisión 1
22