Energietransparenz Spannungsqualität Fehlerstromüberwachung. Die 3-1 Lösung des Energiemanagements in Rechenzentren

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1 Smart Energy & Power Quality Solutions PQ Energietransparenz Spannungsqualität Fehlerstromüberwachung Die 3-1 Lösung des Energiemanagements in Rechenzentren

2 Rechenzentren sind dafür konzipiert, IT-Komponenten unterbrechungsfrei zu versorgen und durch entsprechende Redundanzen die Produktivität der IT sicherzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden komplexe Stromversorgungssysteme und Komponenten wie USV-Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) und Netzersatzanlagen eingesetzt. Mehrfacheinspeisungen sorgen für redundante Strompfade. Damit es nicht zu Energieengpässen an den systemrelevanten Komponenten kommt, sind Monitoringsysteme für eine Transparenz der elektrischen Energieflüsse unerlässlich. In erster Linie muss die elektrische Hochverfügbarkeit präventiv überwacht und Überschreitungen gemeldet werden. Aber auch die Energieeffizienz spielt eine immer größere Rolle, um Rechenzentren kosteneffektiv und wettbewerbsfähig zu betreiben. Nur mit einem geeigneten Energiemanagementsystem (EnMS) ist eine effektive Nutzung und Planung der bestehenden Infrastruktur überhaupt erst möglich. Einen Leitfaden für die Einführung, Umsetzung und Optimierung eines Energiemanagementsystemes (EnMS) bietet die DIN EN ISO Die DIN EN ISO soll Unternehmen/Organisationen dabei unterstützen, eine kontinuierliche Verbesserung des Energiemanagements, der Energieeffizienz und der Energieeinsparung zu erreichen. Datenerfassung und Messung Energieeinsatz, Kosten, Produktionsdaten Analyse und Kennzahlen: Soll-Ist-Vergleich, Bildung von Kennzahlen wie zum Beispiel dem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) 2

3 Energieeffizienz auf allen Ebenen In der harmonisierten DIN EN : ; VDE : werden im Hinblick auf die Befähigung zur Energieeffizienz drei Granularitätsniveaus definiert, welche die Messpunkte beinhalten, an denen der Stromverbrauch der elektrischen Einrichtungen und Infrastrukturen eines Rechenzentrums zu erfassen ist. Janitza electronics bietet modulare Systemlösungen, um die Anforderungen eines Energiemanagementsystems gemäß der DIN EN ISO und die Befähigung zur Energieeffizienz entsprechend der DIN EN : ; VDE : zu realisieren. PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) Gesamtanlagenleistung Power Schaltanlagen USV Batterie-Backup Kühlung Kühlanlagen Klimageräte Energieverbrauch IT Server Speicher Telekommunikation Historischer PUE-Verlauf PUE = Gesamtanlagenleistung Energieverbrauch IT Fremdgewerke, wie z.b. Bürofläche, die nicht dem Rechenzentrum zugeordnet werden, müssen von der Gesamtleistung abgezogen werden. Rechenzentrumsbetreiber verwenden den PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) zur Messung der Effizienz. Ein PUE von 2,0 bedeutet, dass für jedes Watt, das für den Betrieb von IT-Geräten verwendet wird, ein weiteres Watt zur Kühlung der IT-Geräte und zur Stromverteilung aufgewendet werden muss. Je stärker der PUE sich einem Wert von 1,0 annähert, desto mehr Energie wird für die Rechenaufgaben selbst verwendet. Planung und Konzeption: Definition und Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen Kontrolle und Korrektur: Kontrolle der Zielerreichung und Überwachung der Umsetzung von Maßnahmen anhand von Daten aus dem Datenerfassungssystem. 3

4 Alles stets im Blick: Hochverfügbarkeit Redundanz der Versorgungen Isolationsbeschaffenheit Energiehotspots Symmetrien Prozentuale Auslastung in kva Kostenstellen für Racks 4

5 Anforderungen an ein Energiemanagementsystem in Rechenzentren Ein Energiemanagementsystem in Rechenzentren muss mehr können als nur Zählerstände zu erfassen. Es muss auch in der Lage sein, die elektrische Spannungsqualität zu bewerten und Schwachstellen aufzeigen. Die Messstellen sollen Strom, Spannung, Leistungsfaktor und wenn möglich auch Strom- und Spannungsverzerrungen auf allen anliegenden Phasen sowie auf dem Neutralleiter erfassen. Idealerweise können die Messgeräte auch Fehlerströme erkennen und den Zustand des 5-Leiter TN-S- Systems überwachen. Das Energiedatenerfassungssystem muss sämtliche Haupt energien an den wichtigsten Knotenpunkten erfassen und wichtige Parameter zur Einhaltung der elektrischen Hochverfügbarkeit im Hintergrund überwachen und protokollieren. Dies erfordert eine schnelle Messtechnik, die Spannungsschwankungen, Oberschwingungen, Flicker, Transienten, Kurzzeitunterbrechungen, Frequenzschwankungen mit hohen Abtastraten kontinuierlich darstellen und aufzeichnen kann. Mit einem performanten Alarmmanagement werden Überschreitungen von definierten Grenzwerten der jeweiligen Parameter unmittelbar gemeldet. Spannungsschwankungen Oberschwingungen Frequenzschwankungen Flicker Transienten & Kurzzeitunterbrechungen Unsymmetrie 1 U2 U1 U3 Spannungsereignisse 5

6 Anforderungen an ein Energiemanagement Die Messgeräte müssen Parallelkommunikation zulassen, um auch mit anderen Gewerken wie der Gebäudeleittechnik / Energieleittechnik / SCADA / Cloud / Data Center Infrastructure Management (DCIM) zu kommunizieren EN an Energieversorgungsübergabepunkten EN Klasse 1 nach gesicherten Stromversorgungseinrichtungen Differenzstrommessung (RCM) an allen wichtigen Gewerken Überwachung des zentralen Erdungspunktes (ZEP) Mit einem Alarmmanager müssen die wichtigsten Messwerte wie Phasenbelastungen, Neutralleiterbelastungen, Spannungen, Spannungsverzerrungen und Fehlerströme permanent überwacht und bei kritischen Werten gemeldet werden Alarmmeldungen müssen an einer besetzten Stelle auflaufen und verwaltet werden (Aktionsplan) Die Datenbank muss eine offene Struktur haben, damit andere Softwaresysteme darauf zugreifen können 6

7 system Alle Messwerte müssen fortlaufend abgespeichert werden Der Benutzer muss in der Lage sein, eigene Reporte zu erstellen und grafische Verläufe über beliebige Zeiträume zu drucken An relevanten Energieerfassungspunkten müssen automatische Energiereporte erzeugt werden können Reporte müssen in gängigen Office-Formaten erstellt werden können Mit Hilfe von virtuellen Messgeräten müssen Kennzahlen wie Gesamtverbrauch, PUE-Wert und Wirkungsgrade der USV-Anlagen visualisiert werden können Das System muss eine Benutzerverwaltung beinhalten Darstellung von Niederspannungshauptverteilungs- und Raumplänen mittels Topologieansichten Es müssen aktuelle Schalt- und Raumpläne hinterlegt und aufgerufen werden können Das System muss nach einmaliger Einrichtung automatisiert im Hintergrund arbeiten Die Energiemanagementsoftware muss für jeden Techniker/Energiemanager unkompliziert bedien- und konfigurierbar sein 7

8 GridVis Energiemanagementsoftware Die Energiemanagementsoftware GridVis kann die beschriebenen Werte verarbeiten und mit automatischen Spannungsqualitätsreporten gemäß EN50160 und bewerten. Spannungsqualitätsreporte beschreiben das Mindestmaß der Strom- und Spannungsqualität, das für den fehlerfreien Betrieb des Rechenzentrums notwendig ist. Die Spannungsqualität nach gesicherten Stromversorgungssystemen muss der EN Klasse 1 entsprechen. Genau für diesen Nachweis bietet Janitza maßgeschneiderte Lösungen. DIN EN : ; VDE : : Die Spannungsqualität muss der EN50160 entsprechen. GridVis -Screen mit historischen Auswertungen Wenn Bedenken bestehen, so sollte die Überwachung von Parametern der Spannungsqualität in Betracht gezogen werden. GridVis gewährleistet ein übersichtliches und einfaches Handling, so dass der Benutzer auch eigene Reporte erstellen und grafische Verläufe visualisieren kann. Mit Hilfe von virtuellen Messgeräten sind Kennwerte wie zum Beispiel Gesamtverbrauch, PUE-Wert und Wirkungsgrad der USV-Anlagen darstellbar. Alle Messwerte werden in einer Datenbank fortlaufend abgespeichert. Mit den Daten punkten können monatlich automatische Energiereporte erzeugt werden. Graphset mit frei wählbaren PQ-Messwerten Beispiel ITIC (CBEMA)-Kurve 8

9 Der Alarmmanager der GridVis überwacht permanent die wichtigsten Messwerte wie Phasenbelastungen, Neutralleiterbelastungen, Spannungen, Spannungsverzerrungen und Fehlerströme. Bei kritischen Überschreitungen erhält das Betriebspersonal eine Meldung und kann entsprechende Maßnahmen einleiten. Mit rechtzeitigen Alarmmeldungen können kostenintensive Produktionsausfälle vorgebeugt werden. Extremwerte wie Einschaltströme oder Überschreitungen sind mit Zeitstempeln in der Datenbank abgelegt und nachträglich analysierbar. Automatisierte Exportfunktionen erlauben es, Daten zu verarbeiten und weiterzugeben. Topologieübersichten gewähren einen schnellen Überblick über das gesamte elektrische Netz. Die Messgeräte können in der GridVis parametriert werden, um zum Beispiel gezielte Ereignistrigger festzulegen. Alarmmanagement: Konfiguration Alarmquellen, Auswahl von Wertetypen und Grenzwerten Benutzer können über persönliche Accounts jederzeit eigene Energieauswertungen ausführen und Spannungsqualitätsreporte zur Überprüfung der elektrischen Hochverfügbarkeit erstellen. Das bietet die GridVis Beliebig viele Datenpunkte Benutzerverwaltung mit verschiedenen Profilen Alarmmanagement Unlimitierte Anzahl von UMGs für alle Editionen außer Basisedition Darstellung von Schaltzuständen auf Topologieseiten, Verknüpfung von Topologien, Aufrufen von Dokumenten und Dateien, Starten von Programmen Online- und historische Daten, z.b. Leistungsprofil, Einschaltströme, Spannungsqualitätsparameter Excel Reporting Tool, Automatisches Erstellen von Excel-Reporten. REST-Interface zum Datenaustausch mit anderen Web-Applikationen Integrierte Spannungsqualitäts- und Kostenstellenreporte Geräte- und Datenbankmanager Server/Client Architektur, Fremdsoftware kann auf zentrale Datenbank zugreifen Fremdgeräte können über das generische Modbus Feature eingebunden werden. Detailanalyse eines kritischen Spannungseinbruchs Vollständiger Überblick über die Energieverteilung mittels Topologieansichten 9

10 Bei der Planung sind viele Themen zu berücksichtigen Richtige Auswahl der Messtechnik Klasse A Spannungsqualitäts-Analysatoren an wichtigen Energieknotenpunkten einsetzen TCP/IP-Kommunikation Master / Slave-Konfiguration Kein Mix aus zu vielen unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen Dort wo kein Datenverlust toleriert werden kann, Messgeräte mit Zwischenspeicher verwenden (Speicherredundanz) Wo die elektrische Hochverfügbarkeit präventiv kontrolliert werden soll, Messgeräte mit Hilfsspannung einsetzen, die USV gepuffert werden Meldewege festlegen (Hardwarealarm, -Benachrichtigungen, GLT Alarmmanagement) Bei Erstinbetriebnahme: Anschlussweise und Zeigerdiagramm überprüfen Geräte mit eindeutigen Ortskennzeichen parametrieren Gerätezeiten synchronisieren (NTP) Ethernet-Ebene (TCP/IP) Server SQL Database Client 1 bis... Mobile Webserver Netzanalyse-Software Modbus TCP/IP BACnet SNMP ProData UMG 511 / 512 UMG 508 / 509 UMG 96RM-E UMG 604 UMG 605 Feldbus-Ebene (z. B. Modbus RTU) UMG 20CM ProData UMG 104 UMG 96RM UMG 103 Analog- / Status- / Impulseingangsebene Wasserzähler Statusmeldung Gaszähler Alarmleuchte Temperaturmessung UMG 508 / UMG 509 / UMG 604 = Janitza Netzanalysator UMG 511 / UMG 512 / UMG 605 = Janitza Spannungsqualitätsanalysator UMG 96RM / UMG 96RM-E / UMG 103 / UMG 104 = Janitza Multifunktionsmessgeräte für die Energiemesstechnik UMG 20CM = Janitza Differenzstrom- (RCM) und Energiedatenerfassung 10

11 An jeder Stelle die richtige Messtechnik Definition der Granularitätsstufen aus der DIN EN : ; VDE : Generell müssen alle Messgeräte im System folgende Eigenschaften aufweisen: Die Verteilungseinrichtungen müssen so ausgewählt werden, dass Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Energieverbrauch auf allen anliegenden Phasen und auch auf dem Neutralleiter gemessen werden können. Granularitätsniveau 1 beschreibt den Einsatz von Messgeräten an Primär- und Sekundärversorgungen (Trafos, Generatoren, Quellen). An den Versorgungen ist es in erster Linie wichtig, hoch wertige Klasse A Spannungsqualitätsmessgeräte einzusetzen, um die Spannungsqualität nach Norm zu bewerten, um Schwach stellen, zum Beispiel während des Netzersatzanlagenbetriebs, herauszufinden. Es können Rückschlüsse getroffen werden, zu welchem Zeitpunkt Oberschwingungsgrenzwerte verletzt werden und woher diese resultieren. Elektrische Anomalien wie Spannungsschwankungen oder transiente Überspannungen werden erkannt. Es findet eine Art Eingangswarenkontrolle der Energie vom EVU statt. Die Spannungsqualität aller elektrischen Komponenten kann an diesen Punkten zusammenfassend analysiert werden. Automatische Spannungsqualitätsreporte nach Norm helfen bei der Auswertung. Elektrische Hochverfügbarkeit Spannungsqualitäts-Überwachung EN 50160, EN , IEEE 519, ITIC (CBEMA) Fehlerstrom- / ZEP- (Zentraler Erdungspunkt) Überwachung Rechtzeitiges Erkennen von zu hohen Oberschwingungen, Flicker, Spannungseinbrüchen, Transienten, Spannungsschwankungen, Unsymmetrien, Frequenzschwankungen,... Einspeisung Trafo 1 ZEP-Feld 11

12 Granularitätsniveau 2 Granularitätsniveau 2 beschreibt den Einsatz von Messgeräten an Zwischenpunkten wie Primärverteilungseinrichtungen und endgültigen Sekundärverteilungseinrichtungen (NSHV; USV; UV; Verbraucher, die direkt an die Verteilungseinrichtungen angeschlossen sind). An diesen Stellen wird die Gesamtenergie auf die unterschiedlichen Gewerke verteilt. Dies sind Verbraucher wie Klimatechnik, USV-Anlagen, AB-Systemverteiler für die IT, Beleuchtung usw. Zur Bewertung der Effizienz der in Rechenzentren eingesetzten Energie sind an diesen Stellen Messungen unbedingt erforderlich. Der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) und DCiE (Datacenter Infrastructure Efficiency) können damit als Kennzahl bestimmt werden. Der PUE- Wert setzt die insgesamt im Rechenzentrum verbrauchte Energie ins Verhältnis mit der Energieaufnahme der Rechner. Mit dem PUE-Wert wird somit die Effizienz des Energieeinsatzes ermittelt. Der DCiE-Wert bewertet den Wirkungsgrad mit der im Rechenzentrum eingesetzten Energie. Die beiden Werte berechnen sich aus der gesamten eingesetzten Energie und der Leistung der IT- Geräte. Die Power Usage Effectiveness errechnet sich aus dem Quotienten der Gesamtenergie des Rechenzentrums zum Energieverbrauch der IT-Geräte. Der DCiE ist der Kehrwert der PUE, also 1/PUE. Mit Hilfe der virtuellen Messgeräte der GridVis EnMS Software lassen sich diese Kennzahlen berechnen und historisch darstellen. Virtuelle Geräte legen einen mathematischen Operator auf vorhandene Daten und bilden damit neue Kennzahlen/Werte. Grundsätzlich müssen Neutralleitermessungen durchgeführt werden, weil der Neutralleiter in der Regel nicht abgesichert ist. Durch viele einphasige Lasten kann der Neutralleiter im Extremfall überhitzen, was einen Totalausfall der Verbraucher als Konsequenz hat. Direkt nach der USV-Anlage sind Klasse A Messgeräte empfehlenswert, um den Nachweis zu erbringen, ob die elektrische Infrastruktur den Anforderungen der IT-Komponenten nach Norm EN Klasse 1 für gesicherte Stromversorgungssysteme gerecht wird. Speziell in Cost Centern muss dieser Nachweis erbracht werden. Spannungsqualitätsanalysatoren auf allen Ebenen von der Mittelspannung bis ins Rack. Beispiel für Stromschienensysteme. 12

13 Granularitätsniveau 3 Granularitätsniveau 3 beschreibt den Einsatz von Messgeräten an den Steckdosen und Systemen zur Regelung der Umgebungsbedingungen (Klimageräte, Netzwerktechnik, IT). An dieser Stelle werden Steckdosenstromkreise zu einzelnen IT-Verbrauchern gemessen. Das IT-Equipment wird ständig ersetzt und erweitert. Die Leistung pro Rack kann stark variieren. Hier ist es wichtig Stromhöhen zu überwachen, um einzelne Stromkreise nicht zu überlasten. Redundanzen müssen eingehalten werden. Mittels einer flächendeckenden Messung können so auch Kostenstellen gebildet werden. Einzelne Racks können verrechnet und Kunden in Form von Kostenstellen zugeordnet werden. Oberschwingungsbehaftete Netzteile, die in Summe den Neutralleiter gefährden, können an dieser Stelle identifiziert werden. Messtechnik und Software zur Befähigung der Energieeffizienz im Sinne der DIN EN : ; VDE : Einzelphasenmessungen und Neutralleitermessungen L1, L2, L3, N EN Zusätzliche Versorgung Schaltanlage zur Übertragung der Versorgung Primär-/ Sekundärversorgung Primärverteilungseinrichtungen Sekundärverteilungseinrichtungen Zusätzliche Sekundärverteilungseinrichtung (falls erforderlich) Steckdose mit Kurzzeitunterbrechung Ungeschützte Steckdose Örtlich geschützte Steckdose USV- Systeme Granularitäts- niveau 1 EN Granularitätsniveau 2 Drittverteilungseinrichtungen Granularitätsniveau 3 UMG 512 UMG 509 UMG 96RM-E UMG 20CM Spannungsqualitätsanalysatoren auf allen Ebenen von der Mittelspannung bis ins Rack. 13

14 RCM auf allen 3 Ebenen Neben der Energietransparenz und Spannungsqualität, verteilt auf alle 3 Granularitätsniveaus, spielt auch die Fehlerstromüberwachung (RCM) eine wichtige Rolle. Janitza bietet Multifunktionsgeräte an, die alle drei Aufgaben erfüllen und kann diese in einem System integrieren. Energiedatenerfassung im Sinne der DIN EN ISO50001, Spannungsqualität nach Norm und die Differenzstromüberwachung. Da in Rechenzentren keine Fehlerstromschutzschalter eingesetzt werden können, wird durch RCM (Residual Current Monitoring) eine maximale Sicherheit durch das Monitoring geschaffen. Zumal es sehr wichtig ist, die Korrektheit des TN-S-Systems permanent zu überwachen. So schreibt die Bitkom: In Rechenzentren werden höchste Verfügbarkeitsanforderungen gestellt. Entsprechend ist die Energieversorgung nachhaltig sicherzustellen. Geradezu selbstverständlich ist die Forderung, dass die Stromversorgung des Rechenzentrums selbst und aller Bereiche im gleichen Gebäude, zu denen Datenkabel laufen, als TN-S-System ausgeführt sein muss. Unbedingt nötig für den sicheren Betrieb ist eine permanente Selbstüberwachung eines sauberen TN-S-Systems und die Aufschaltung der Meldungen an eine ständig besetzte Stelle, z. B. an die Leitzentrale. Die Elektrofachkraft erkennt dann über entsprechende Meldungen den Handlungsbedarf und kann durch gezielte Servicemaßnahmen Schäden vermeiden. Der PEN muss in seinem gesamten Verlauf isoliert verlegt sein. Es darf grundsätzlich nur EINE einzige Verbindung zwischen dem Neutralleiter (N) und dem Erdungssystem (PA) bzw. Schutzleiter (PE) geben! ZEP Schutzerde L1 L2 L3 PEN PE ZEP Zentraler Erdungspunkt Haupterdungsschiene L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 N PE 14

15 RCM auf Granularitätsniveau 1 Ob das TN-S-System fehlerfrei funktioniert, kann z. B. mit dem UMG 512 kontrolliert werden. Es erlaubt eine gesamtheitliche Betrachtung von Spannungsqualität und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) bei den Einspeisungen. So kann sogar die auslösende Phase eines Erdschlussfehlers aufgezeichnet und analysiert werden. Der Phasenstrom steigt dann parallel zum ZEP-Strom an. Der Strom auf dem ZEP ist immer in Abhängigkeit zur Gesamtleistung des TN-S-Systems und der Art der Verbraucher zu betrachten. Das bedeutet, dass einerseits betriebsbedingte Ableitströme toleriert, aber abnormale Abweichungen auf dem ZEP vom RCM gemeldet werden. Ein bewehrter Ableitstromgrenzwert für IT-Komponenten ist z.b. 0,5 ma pro A. RCM auf Granularitätsniveau 2 Ein leistungsfähiges Messgerät mit 6 Messstromeingängen für die 3-in-1-Messung ist das UMG 96RM-E für Zwischenpunkte wie Primär- und endgültigen Sekundärverteilungseinrichtungen. Das UMG 96RM-E überwacht die Außenleiter, Neutralleiter und RCM-Stromsummen in den jeweiligen Unterverteilungen und kann auch Parameter zur Bewertung der Spannungsqualität erfassen. RCM auf Granularitätsniveau 3 In komplexen Elektroinstallationen mit einer Vielzahl von zu überwachenden Punkten bieten sich die 20-kanaligen UMG 20CM an. Diese Messgeräte können über die dazugehörigen Messstromwandler (z. B. CT-6-20) Fehler-, Differenzstrom und Betriebsströme beliebig kombinierbar erfassen, kontinuierlich aufzeichnen und damit die Anforderungen für die Messung an Steckdosenstromkreisen zur IT perfekt abdecken. UMG 512 Überwachung der Spannungsqualität und des ZEP (Gesamtfehlerstrom im TN-S-System) UMG 96RM-E Überwachung von Unterverteilern, Abgängen und einzelnen Hauptverbrauchern mit Fehlerstromerkennung Summenstrom L3 L2 L1 N Differenzstrom PE Überwachung von TN-S-Systemen mit 6-Kanal-Netzanalysatoren UMG 20CM Überwachung von Einzelverbrauchern und Steckdosenstromkreisen mit UMG 20CM und CT-6-20 Netzanalysatoren für alle Ebenen eines TN-S-Systems für eine flächendeckende Energietransparenz und Kontrolle der elektrischen Hochverfügbarkeit. 15

16 Smart Energy & Power Quality Solutions Janitza electronics GmbH Vor dem Polstück 1 D Lahnau Deutschland Tel.: Fax: info@janitza.de Vertriebspartner Artikel-Nr.: Dok-Nr.: Stand 07/2015 Technische Änderungen vorbehalten.