การจัดการระบบไฟฟ้ากำลังของศูนย์ข้อมูลโดยใช้ UPS และเทคโนโลยี Power Monitoring

ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์

     
     สวัสดีท่านผู้อ่านทุกท่านครับ ในยุคของข้อมูลข่าวสาร ศูนย์ข้อมูลหรือ Data Center จึงเป็นหัวใจสำคัญขององค์กรธุรกิจทุกประเภท IT Equipment Racks เป็นอุปกรณ์หลักของศูนย์ข้อมูล ซึ่งในปัจจุบันโหลดของ IT Equipment Racks เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในปี ค.ศ.1996 Server Racks สามารถติดตั้ง Single–corded Servers ชนิดแรงดันไฟฟ้า 120 Volt จำนวน 14 ชุดโดยมีโหลดไฟฟ้ารวมเท่ากับ 4 kW

ในปี ค.ศ.2001 Server Racks ถูกพัฒนาให้สามารถติดตั้ง Double–corded Servers ชนิดแรงดันไฟฟ้า 208 Volt 1 Phase จำนวน 42 ชุด และภายในห้าปีต่อมา Server Racks ขนาดเดียวกันสามารถติดตั้ง Double–corded Servers เพิ่มขึ้นเป็น 84 ชุด และกินไฟเกือบ 20 kW เมื่อมีการพัฒนา Dual Corded Blade Server ขึ้น ซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดทำให้ Server Racks สามารถติดตั้ง Dual Corded Blade Server จำนวน 6 ชุดและกินไฟเพิ่มขึ้นเป็น 24 kW
   

    เมื่อโหลดของ IT Equipment Racks เพิ่มขึ้น ทำให้การออกแบบระบบไฟฟ้ากำลัง (Power Infrastructure) เพื่อรองรับโหลดวิกฤตจึงต้องคำนึงถึงประเด็นต่าง ๆ เหล่านี้ได้แก่
- ความพร้อมใช้งาน (Power Supply Availability) ขึ้นอยู่กับชนิด (Type) ของ UPS และรูปแบบ (Configuration) ของ UPS 

- การจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปยังจุดใช้งาน (Power Distribution)  ตั้งแต่ UPS จนถึง IT Equipment Racks 

- การจ่ายพลังงานไฟฟ้าภายใน IT Equipment Racks

     ในบทความฉบับนี้จึงต้องการนำเสนอแนวความคิดในการออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังของศูนย์ข้อมูล (Data Center) เพื่อรองรับความต้องการใช้งานในอนาคต ติดตามรายละเอียดได้เลยครับ

ความพร้อมใช้งาน (Power Supply Availability)
     การออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังโดยใช้ UPS ต่อแบบ Redundancy ทำให้ระบบไฟฟ้าของศูนย์ข้อมูลมีความพร้อมใช้งาน (Availability) และมีความมั่นคง (Reliability) UPS ที่ใช้งานในปัจจุบันแบ่งได้เป็น 3 ชนิดได้แก่ Passive Standby UPS, Line Interactive UPS, On–line Double Conversion UPS โดย UPS แต่ละชนิดจะมีระดับของความพร้อมใช้งานและความมั่นคงแตกต่างกัน โดย On–line Double Conversion UPS เป็นชนิดที่เหมาะกับการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับโหลดวิกฤตมากที่สุด 
    

ในปัจจุบันการต่อ UPS เพื่อใช้งานแบ่งได้ 4 ชนิดได้แก่

1. Single Module System (SMS) UPS เป็นการต่อ UPS จ่ายโหลดเพียงหนึ่งชุด ไม่มี Redundancy เป็นชนิด Single Bus Configuration ที่ด้านออกของ UPS

 รูปที่ 1 Single Module System (SMS) UPS

2. 1+1 UPS หรือ Parallel Redundant มี UPS ต่อขนานกัน จ่ายโหลดไฟฟ้าชุดเดียวกัน โดย UPS แต่ละตัวสามารถจ่ายโหลดได้ทั้งหมดในกรณีที่ UPS ตัวใดตัวหนึ่งเสียหรือต้องมีการซ่อมบำรุง UPS ที่ด้านออกของ UPS เป็นชนิด Single Bus Configuration

 รูปที่ 2 1+1 UPS

3. N+1 UPS N เป็นจำนวนโมดูลของ UPS ที่ต้องใช้แล้วเพิ่ม UPS อีกหนึ่งโมดูลเป็น Redundancy ของระบบ ในระบบที่ต้องการความพร้อมใช้งานที่สูง N ต้องไม่เกิน 3 โดยระบบ N+1 UPS นี้สามารถใช้ External Bypass ได้ซึ่งได้รับการยอมรับในสหรัฐอเมริกา

รูปที่ 3 N+1 UPS

4.  Dual–bus, 2N or 2 x (N+1) UPS เป็นระบบจ่ายที่เป็นอิสระกันสองระบบโดยด้านออกของ UPS เป็นชนิด Double Bus Configuration โดยสองระบบต้องมีการ Synchronize กัน แต่ละ Bus จะมี Redundant UPS System ต่ออยู่

รูปที่ 4 Dual–bus, 2N or 2 x (N+1) UPS

     การต่อ UPS แบบ Redundant จะช่วยให้สามารถบำรุงรักษา UPS ขณะจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้ โดยไม่กระทบคุณภาพพลังงานไฟฟ้า จากการวิจัยพบว่า การต่อ Redundant UPS โดยด้านออกของ UPS เป็นชนิด Single Bus จะมีความพร้อมจ่ายไฟฟ้าได้ถึง 99.99% ขณะที่การต่อให้ด้านออกของ Redundant UPS เป็นชนิด Double Bus จะช่วยขจัดปัญหา Single Point of Failure ระหว่าง UPS กับโหลดไฟฟ้า
    

    การต่อ UPS แบบ Redundancy ที่มีรูปแบบง่ายที่สุดคือ การต่อแบบ 1+1 โดยมีจำนวนโมดูลน้อยที่สุด ทำให้ใช้งานและบำรุงรักษาง่าย การต่อ UPS แบบ N+1 ต้องรักษาสมดุลของความพร้อมใช้งานและการใช้ทรัพยากรให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด โดยทั่วไปในกรณีที่โหลดติดตั้งปัจจุบันน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับโหลดที่ต้องเพิ่มขึ้นในอนาคต การกำหนดขนาดของโมดูล UPS เบื้องต้นอาจจะอ้างอิงกับโหลดติดตั้งในปัจจุบันได้ แต่ในระยะยาวอาจจะเกิดปัญหากับความมั่นคงของระบบได้หากว่าต้องเพิ่มจำนวนโมดูลมากขึ้น
      

     จากการวิจัยพบว่าในระบบ Single Bus Configuration การต่อ UPS แบบ N+1 ควรมีจำนวนโมดูล ไม่เกิน 3 เพราะถ้าจำนวนโมดูลเกิน 3 เช่น 4+1, 5+1 ทำให้ ความมั่นคงของระบบ (System Reliability) ลดลงอย่างรวดเร็ว ตามที่แสดงในรูปที่ 5 

รูปที่ 5 เป็นกราฟแสดง System Reliability ของ N+1 UPS โดยมีค่า MTBF ที่ 10, 15, 20 ปี จะพบว่าค่า System Reliability จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อจำนวนโมดูลของ UPS เกิน 3
    

     เมื่อจำนวนโมดูลเพิ่มขึ้นทำให้ชิ้นส่วนของระบบเพิ่มขึ้น เกิดความเสี่ยงจากการใช้งานและความเสี่ยงจากการบำรุงรักษา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโมดูลใดโมดูลหนึ่งของ UPS เสีย จะมีผลกระทบต่อการจ่ายพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดได้ โดยทั่วไปในระบบฯที่ต้องการความมั่นคงสูง (High Reliability) จะกำหนดขนาดของ UPS แต่ละโมดูลไว้ไม่น้อยกว่า 1/3 ของโหลดทั้งหมด ในกรณีที่โหลดมีโอกาสขยายตัวมากในอนาคตสามารถกำหนดขนาดของ UPS แต่ละโมดูลไว้ที่ 1/2 ของโหลดทั้งหมดได้ทั้งนี้เพื่อให้สามารถจ่ายโหลดที่เพิ่มขึ้นในอนาคตได้โดยไม่กระทบต่อความมั่นคงของระบบไฟฟ้ากำลัง
    

      แบตเตอรี่ของ UPS เป็นส่วนประกอบหนึ่งที่สำคัญที่มีราคาแพงที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบางครั้งอาจจะแพงกว่า UPS ด้วยซ้ำ ดังนั้นควรกำหนดขนาดของแบตเตอรี่ให้รองรับโหลดในเบื้องต้นและเผื่อโหลดเพิ่มเติมตามต้องการ
    

      การออกแบบ Redundant UPS ต้องคำนึงต้นทุน ต่อ กิโลวัตต์ (Cost per Kilowatt) ด้วย จากการวิจัยพบว่าต้นทุนต่อกิโลวัตต์จะลดลงเมื่อขนาดของโมดูลเพิ่มขึ้น หมายความว่าถ้าซื้อ UPS ขนาดเล็กจำนวนหลายโมดูล จะแพงกว่าซื้อ UPS ขนาดใหญ่ จำนวนสองสามโมดูล ตามรูปที่ 6

 รูปที่ 6 เป็นกราฟแสดงต้นทุนต่อกิโลวัตต์ที่ลดลงเมื่อโมดูล UPS มีขนาดใหญ่ขึ้น ระบบ Redundant UPS ที่มีโมดูล UPS ขนาดเล็กจำนวนมากจะมีราคาแพงกว่าระบบฯที่มีโมดูลขนาดใหญ่จำนวนน้อย

การจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปยังจุดใช้งาน (Power Distribution)

     โดยทั่วไปจะออกแบบระบบจ่ายไฟฟ้าจาก UPS ไปยังแผงไฟฟ้าย่อย (Power Distribution Unit: PDU) และจากแผง PDU จ่ายไฟฟ้าไปยัง Equipment Racks โดยตรง การออกแบบวิธีนี้จะเหมาะสมในกรณีที่มี Equipment Racks จำนวนไม่มาก แต่ในปัจจุบันจำนวน Equipment Racks เพิ่มมากขึ้น รวมถึงระบบฯต้องมีความยืดหยุ่นสามารถเพิ่มเซอร์กิตเบรกเกอร์เพื่อจ่ายไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เพิ่มเติมได้ ดังนั้นจึงออกแบบเป็นระบบ Two Stages Power Distributions ซึ่งจะมีความยืดหยุ่นและจ่ายไฟฟ้าให้กับ Equipment Racks ได้อย่างคุ้มค่า โดยมี Block Diagram ดังนี้ 

รูปที่ 7 บล็อกไดอะแกรมของ 2 Stages Power Distribution

     การจ่ายพลังงานไฟฟ้าจะเริ่มต้นจาก UPS ที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับ Mid Level Distribution Units ซึ่งเป็น Floor Mounted Distribution Board ปกติจะรับไฟฟ้า 3 phase 4 wire 380/220 VAC ทำให้มีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะเพิ่มเซอร์กิตเบรกเกอร์เพื่อจ่ายไฟฟ้าให้กับโหลดไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ในอนาคต จากแผงไฟฟ้า Mid Level Distribution Units จะจ่ายไฟฟ้าไปยัง Load Level Distribution Unit ชนิด Panel Board ซึ่งจะจ่ายไฟฟ้าไปยัง Rack Mounted Equipment อีกต่อหนึ่ง โดยแผง Panel Board นี้จะติดตั้งใกล้กับ Equipment Racks 
   

    การจ่ายพลังงานไฟฟ้าแบบ 2 Stages Power Distributions จะมีข้อดี คือการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ที่ติดตั้งเพิ่มเติมในอนาคตทำได้ง่าย โดยไม่กระทบกับการใช้งาน นอกจากนี้การเดินสายไฟฟ้าระหว่างแผง Panel Board กับ Equipment Rack ที่สั้นลง ยังช่วยลด Underfloor Cabling ลดการเดินสายไฟฟ้าข้ามไปมา ไม่กีดขวางการจ่ายลมเย็นจากใต้พื้นยก ส่งผลให้การจ่ายลมเย็นในห้อง Server ดีขึ้น

 รูปที่ 8 ไดอะแกรมเปรียบเทียบ 1 Stage Power Distribution และ 2 Stages Power Distribution

การจัดการพลังงานไฟฟ้าภายใน IT Equipment Racks (Rack Level Power Management)
   เนื่องจากจำนวน IT Equipment Racks ในห้อง Server เพิ่มมากขึ้นตามความต้องการของระบบข้อมูลสารสนเทศที่เพิ่มขึ้น รวมถึงภายใน Equipment Rack แต่ละชุด ก็สามารถติดตั้ง Servers ภายใน Rack ได้มากขึ้น ทำให้จำนวนอุปกรณ์ต่อตารางเมตรเพิ่มมากขึ้นจากเมื่อก่อนอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้การเดินสายไฟฟ้าภายใน Equipment Rack เป็นเรื่องที่ชวนปวดหัวมากขึ้น กลุ่มของสายไฟฟ้าก็มีขนาดเพิ่มขึ้นในบางครั้งก็สามารถกีดขวางการจ่ายลมเย็นเพื่อระบายความร้อนภายใน Equipment Rack ทำให้เกิดความร้อนเกินขึ้นได้ 
     

   นอกจากนี้ปัญหาที่น่ากังวลก็คือ มีการพัฒนาอุปกรณ์ IT ที่มีขนาดเล็กลง แต่กินไฟฟ้ามากขึ้น โดยที่เจ้าหน้าที่ที่รับผิดชอบอาจจะไม่รู้ เมื่อติดตั้งอุปกรณ์ใหม่เพิ่มเข้าไป ปรากฏว่าอุปกรณ์ใหม่กินไฟฟ้าที่เหลืออยู่ไปหมดจนในบางครั้งทำให้ Equipment Rack เกิดภาวะโหลดเกินพิกัด (Overload) จน Equipment Rack นั้น ๆ หยุดทำงาน
    

    ในปัจจุบันมีการพัฒนาอุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าชนิด Power Strip ซึ่งสามารถติดตั้งเข้าไปภายใน Equipment Rack ในแนวดิ่งหรือแนวนอนก็ได้ สามารถลดการเดินสายไฟฟ้าภายใน Rack การเพิ่ม/ลดอุปกรณ์ทำได้ง่าย รวมถึง Power Stripเหล่านี้จะมี LED Display แสดงค่า กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า โหลดแต่ละเฟส ทำให้สามารถรู้สถานะทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ภายใน Rack ได้ นอกจากนี้ยังสามารถต่อเชื่อม Power Strip ผ่าน SNMP Protocol ทำให้ส่งข้อมูลสถานะทางไฟฟ้าทั้งหมดไปแสดงผลทางไกลได้

รูปที่ 9 Server Rack ติดตั้งพร้อม Power Strip

     เทคโนโลยีด้าน Power Monitoring เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่จำเป็นสำหรับการบริหารการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้แก่ IT Equipment Racks สามารถตรวจติดตาม (Monitoring) ได้ตั้งแต่ระดับวงจรย่อย (Branch Circuits Level) โดยเฉพาะ Rack ที่กินไฟมากก็ได้ หรืออาจจะครอบคลุมไปถึงระดับ Mid Level Distribution ด้วยเลยก็จะทำให้ระบบ Power Monitoring มีความสมบูรณ์ในการบริหารการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับ Data Center

สรุป
     จากรูปแบบของระบบ UPS ที่ดี รูปแบบการจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ยืดหยุ่นและมีความมั่นคง รวมถึงระบบ Power Monitoring ที่ทันสมัยจะทำให้ระบบไฟฟ้ากำลังของศูนย์ Data Center มีความยืดหยุ่นรองรับการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มเติมได้ มีความพร้อมใช้งาน และมีต้นทุนที่ประหยัดและคุ้มค่า ทำให้ศูนย์ Data Center ในวันนี้กลายเป็น Data Center ที่มีความพร้อมสำหรับอนาคตอีกด้วย 

อ้างอิง
1. EC&M - July 2008
2. UPS Electrical Design Guide MGE UPS System