Sähköenergian mittaaminen konesaliympäristössä

Transkriptio

1 Venla Viitanen Sähköenergian mittaaminen konesaliympäristössä Sähkötekniikan korkeakoulu Kandidaatintyö Espoo Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Työn ohjaaja: DI Tuomo Malkamäki

2 aalto-yliopisto sähkötekniikan korkeakoulu kandidaatintyön tiivistelmä Tekijä: Venla Viitanen Työn nimi: Sähköenergian mittaaminen konesaliympäristössä Päivämäärä: Kieli: Suomi Sivumäärä:5+22 Tutkinto-ohjelma: Elektroniikka ja sähkötekniikka Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaaja: DI Tuomo Malkamäki Tämä kandidaatintyö käsittelee konesalien sähköenergian mittauksen tarpeellisuutta ja erilaisia tapoja toteuttaa mittausjärjestelyt. Aihetta käsitellään ensin yleisellä tasolla ja lopuksi tutustutaan esimerkkikonesaliin ja sen mittausjärjestelyihin. Mittauksen motiiveina painotetaan energiatehokkuuden kehitystä ja sähkön laadun tarkkailua. Mittaamisen toteutuksen käsittelyssä keskitytään mahdollisiin mittaustasoihin. Eri tasojen etuja on listattu ja mittausjärjestelmän suhteuttamista mittaustarpeeseen korostetaan. Työn ensimmäinen yleinen osa on toteutettu kirjallisuustutkimuksena. Toisessa osassa on perehdytty erään konesalin toimintaan. Tietoa on kerätty kyseisen konesalin parissa työskennelleiltä alan asiantuntijoilta haastatteluilla. Lisäksi tutkimuksessa on käytetty tämän konesalin teknisiä dokumentteja. Tutkimuksen tuloksena todetaan, että sähköenergian mittaus on konesalissa erittäin tarpeellista ja se tulee suunnitella huolellisesti. Lisäksi huomataan mittaustarpeen ja siis optimaalisen mittaustavan vaihtelevan eri konesalissa. Muita päätelmiä ovat esimerkkikonesalin mittausjärjestelmään ehdotetut parannukset. Avainsanat: konesali, datacenter, sähkönsyöttö, sähkönmittaus

3 iii Esipuhe Kandidaatintyö on suurin yksittäinen projekti, jonka olen tähän asti opinnoissani toteuttanut. Projekti on ollut pitkä ja haastava mutta myös erittäin mielenkiintoinen ja opettavainen kokemus. Olen lopputuloksesta ylpeä ja toivon että sinä voit lukijana nauttia siitä. Onnekseni olen saanut työskentelyyn sekä kannustusta että ohjausta. Ensinnäkin työn ja sen aiheen minulle antoi Jari Niittylahti. Haluan kiittää häntä sekä kaikkia muita haastateltaviani, jotka ovat asiantuntemuksellaan antaneet näkökulmia ja sisältöä työhöni. Kiitos siis Petri Isopahkala, Tapani Sahlström, Joni Virtanen ja Ari Lukkarinen. Kiitos myös CSC:lle, jossa työskennellessäni olen aloittanut tämän tutkielman kirjoittamisen sekä opponentilleni Kati Harjulalle ja Elmeri Österlundille, jotka auttoivat tekstin viimeistelyssä. Aivan erityinen kiitos kuuluu ohjaajalleni Tuomo Malkamäelle. Hän auttoi erityisesti kehittämään tutkielmaani akateemisempaan suuntaan. Ohjauskeskustelumme olivat antoisia ja auttoivat minua kehittämään työtäni myös rakenteellisesti ja sisällöllisesti. Lisäksi sain keskusteluistamme aina uutta intoa työskentelyyn. Otaniemi, Venla P. Viitanen

4 iv Sisältö Tiivistelmä Esipuhe Sisällysluettelo Symbolit ja lyhenteet ii iii iv v 1 Johdanto 1 2 Mittauksen hyödyt Energiatehokkuus Energiatehokkuuden mittarit konesaleissa Energiatehokkuuden kehittäminen Sähkön laatu Muut mittauksen hyödyt Sähkönsyöttö- ja mittausjärjestelmät Konesalien sähkönsyöttö Sähkönjakelun redundanttisuus Tier-luokitus Sähkönmittaus konesaleissa Mittaus pää- ja ryhmäkeskuksilla Räkki- ja laitekohtainen mittaus Sähköenergiankulutuksen mittaus Pohja-konesalissa Sähkö- ja jäähdytystehon tarve Sähkönjakelu- ja mittausjärjestelmä Axon-ohjelmiston käyttö CSC:llä Pohjan mittausjärjestelmän kehittäminen Axon-ohjelmiston parempi hyödyntäminen Mittaavien virtakiskojen asentaminen Yhteenveto 19 Viitteet 21

5 v Symbolit ja lyhenteet Symbolit P P kok P ICT S Q ϕ Lyhenteet CSC ERE ICT LVIJ NK PDU PK PUE RK UPS pätöteho kokonaissähköteho ICT- laitteiden sähköteho näennäisteho loisteho tehokerroin CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy. Energy Reuse Efficiency eli energian uudelleenkäytön tehokkuus. Information and Communication Technology, suomeksi informaatio- ja kommunikaatioteknologia. Tässä dokumentissa lyhenne viittaa lähinnä konesalin laitekantaan kuten kytkimiin, palvelimiin ja levyjärjestelmiin. Kiinteistön lämpö-, vesi-, ilmanvaihto- ja jäähdytysjärjästelmät. Nousukeskus. Power Distribution Unit. Laite, jonka kautta räkkien laitteisto ottaa virtaa. Pääkeskus. Power Usage Effectiveness eli energian käytön tehokkuus. PUE on suosittu konesalien energiatehokkuuden mittari. Ryhmäkeskus. Uninterrupted Power Supply eli häiriötön energian syöttö. UPS on käytännössä järjestelmä, joka suodattaa syöttövirrasta häiriöt pois. Lisäksi UPS-järjestelmään kuuluu akusto, joka turvaa energian syötön lyhyen sähkökatkon sattuessa tai varavoiman käynnistymisen ajan.

6 1 1 Johdanto Konesaliala kasvaa ja kehittyy nopeasti tietoyhteiskunnan käyttäessä yhä enemmän laskenta- ja tiedonsiirtopalveluja [1, 2]. Kasvua on myös Suomessa, sillä olosuhteet ovat täällä erinomaiset. Kylmä ilma ja alhainen energian hinta laskevat toiminnan kuluja, vakaat poliittiset sekä geologiset olosuhteet tuovat turvaa ja saatavilla on ammattitaitoisia työntekijöitä sekä hyvät tietoliikenneyhteydet.[3] Konesalipalveluiden tuottamiseen kulutetaan yhä enemmän energiaa. Aikaisemmin energiankulutuksen seuraamista ja tarkkailua ei koettu tärkeäksi. Nykyään energiaa käytetään kuitenkin paljon enemmän ja laitekantaan kuuluu yhä herkempiä ja arvokkaampia laitteita. Siksi sähköenergian mittaroinnista on tullut oleellinen osa toimintaa.[1, 4] Tarvittavan mittaroinnin laajuuden ja tarkkuuden arviointi on kuitenkin haastavaa. Tässä kandidaatintyössä käsitellään konesalien sähköenergianmittausta yleisellä tasolla ja yhdessä käytännön tapauksessa. Tavoitteena on luoda kokonaiskuva konesalin sähkön syötöstä ja sähköenergian mittauksesta. Lisäksi korostetaan tarpeenmukaisen mittaroinnin tärkeyttä. Suurimpina haasteina ovat mittaustarpeen arviointi yleisellä tasolla ja kehitysehdotukset esimerkkikonesalin mittausjärjestelmään. Toinen luku käsittelee kulutuksen seuraamisen ja mittaamisen tarjoamia mahdollisuuksia. Mittauksia voidaan hyödyntää laajalti energiatehokkuuden parantamisessa. Myös sähköenergian laadun tarkkailun tärkeyttä korostetaan konesalien usein sisältämien herkempien komponenttien ja laitteiden takia. Kolmannessa luvussa tarkastellaan aihetta sähkönsyötön ja mittaustekniikan näkökulmista. Erilaisia mittausjärjestelyjä esitellään ja vertaillaan. Vertailussa korostuu erityisesti, että mittaustarve voi olla hyvinkin erilainen konesalin omistajan tai asiakkaiden vaatimuksista ja tarpeista riippuen. Viimeisenä käsitellään esimerkki konesalia ja sen mittausjärjestelyjä. Sekä mittalaitteet että mittaustuloksia lukeva ohjelmisto esitellään kolmannessa luvussa. Myöhemmin neljännessä luvussa osoitetaan esimerkkijärjestelmän puutteita ja esitetään kehitysehdotuksia. Lisäksi kiinnitetään huomiota järjestelmän hyviin ominaisuuksiin, joita on mahdollista soveltaa myös muissa kohteissa.

7 2 2 Mittauksen hyödyt Energiankulutuksen mittaus on datakeskuksessa välttämätöntä. Vähintäänkin alueen sähköverkon omistaja mittaa kiinteistön energiankulutusta laskutustaan varten. Tässä luvussa esitellään perusteluja, miksi myös konesalin omistajan tai hallinnoijan olisi mielekästä olla tietoinen käyttämänsä energian määrästä ja laadusta. Lisäksi esitellään, millaisia etuja mittausta tarkentamalla voidaan saavuttaa. 2.1 Energiatehokkuus Energiatehokkuus ja vihreät arvot ovat olleet vahvasti esillä eri aloilla. Myös konesaleista pyritään kehittämään entistä energiatehokkaampia ja vihreämpiä [5]. Konesalien sertifikointijärjestelmiin on lisätty energiatehokkuuskriteerejä, mikä kannustaa energiatehokkuuteen [6]. Vihreän imagon lisäksi energiaa säästämällä saavutetaan kustannussäästöjä [3]. Konesalin kustannuksista käytetyn energian hinta muodostaa merkittävän osan, joka on kasvanut edelleen energian hinnan viime vuosien jatkuvan nousun vuoksi [5, 7]. Tämä puolestaan on lisännyt kustannussäästöjen mahdollisuutta entisestään. Energiakustannusten merkitys voidaan havaita kuvassa 1, jossa on esitetty konesalin koko elinkaaren mahdollinen kustannusrakenne. Alkuinvestoinnin ja kaikkien konesalin ICT-laitteiden ("Information and communication technology") eli varsinaisen hyötykuorman hankintakustannukset on huomioitu. Kuva 1: Konesalin koko elinkaaren mahdollinen kustannusrakenne. Sekä investointiettä käyttökustannukset on huomioitu. Lisäksi mukana ovat konesalin vaatiman muun infrastruktuurin, kuten jäähdytyksen kustannukset. Kuvan 1 Palvelimet-osa esittää ICT-laitteiden hankinta- ja ylläpitokustannukset. Jäähdytys- ja sähkönsyöttöjärjestelmät -osa taas esittää infrastruktuurin kuten sähkönsyötön ja jäähdytyksen hankinta- ja huoltokustannukset.

8 3 Muut mahdolliset kustannukset, kuten tarvittavan tilan ylläpitokustannukset, on huomioitu osiossa Muut. Oranssilla merkitty Energia-osa kertoo energiankulutuksen osuuden kustannuksista. Ihmisten tekemän työn eli työntekijöiden vaikutusta kustannusrakenteeseen ei ole huomioitu. [8] Lisäksi on huomioitava, että kaikki käytetty energia ei välttämättä ole sähköenergiaa, sillä konesalia on mahdollista jäähdyttää myös esimerkiksi kaukokylmällä. Tällöin jäähdytykseen ei tarvitsisi käyttää niin paljon sähköenergiaa, mutta kylmä on ostettava muualta Energiatehokkuuden mittarit konesaleissa Konesalien energiatehokkuuden kuvaamiseen on kehitetty useita erilaisia mittareita. Yleensä mittarit vertaavat hyötykuorman energiankulutusta kokonaiskulutukseen. Myös esimerkiksi ICT-laitteiden käyttösuhde tai käytetyn energian hiilijalanjälki saatetaan huomioida. Esimerkkejä tällaisista mittareista ovat CPE (Computer Power Efficiency) ja TCE ("Technology Carbon Efficiency"). [9, s ] Hyötykuorman kulutus sisältää kaikki konesalin palvelimet, kytkimet, levyt ja muut ICT-laitteet sekä niiden oheislaitteet, kuten näytöt. Kokonaiskulutuksessa taas lasketaan yhteen ICT-kuorma ja kaikki konesalin infrastruktuurin kuluttama energia, kuten jäähdytykseen käytetty energia. Lisäksi joitain koko systeemin kulutukseen verrattuna hyvin pieniä energiankulutuskohteita, kuten valaistus, voidaan laskea mukaan kokonaiskulutukseen. [9, s. 59, 10] Kokonaiskulutuksessa huomioidaan myös sähkönsyöttöjärjestelmässä syntyvät häviöt. Tehohäviöitä aiheutuu esimerkiksi useissa vaihto- ja tasavirtamuuntimissa, joita löytyy muun muassa UPSjärjestelmästä ("Uninterrupted Power Supply") [10, s. 41] ja ICT-laitteiden teholähteistä. Suosituin ja laajimmin käytetty konesalin energiatehokkuuden mittari on yksinkertainen PUE ( Power Usage Effectiveness ), joka esittää hyötykuorman kulutuksen ja kokonaiskulutuksen suhteen. Konesalin PUE-arvo saadaan jakamalla sen tietyssä ajassa kuluttama kokonaisenergia hyötykuorman samassa ajassa käyttämällä energialla. Vaihtoehtoisesti voidaan verrata ICT-laitteiden käyttämää sähkötehoa järjestelmän kokonaistehoon. [9, s , 11, s. 48] PUE-arvo on sitä parempi, mitä pienempi se on. Teoreettinen minimiarvo PUE:lle on 1 ja tällaisessa tapauksessa kaikki konesalin käyttämä energia kuluu ICT-laitteistoissa. [3, 9, s ] Tämän minimiarvon saavuttaminen todellisessa konesalissa on kuitenkin käytännössä mahdotonta. Vaikka jäähdytystä ja muuta infrastruktuuria ei tarvittaisi ollenkaan, energian siirrossa syntyy aina häviöitä. [11]. Sähkönsiirto ICT-laitteille taas on välttämätöntä. PUE-arvo on yksikötön luku ja lauseke sen laskemiseksi on esitetty kaavassa 1. P UE = P kok P ICT (1) PUE:n yleistymistä konesalien energiatehokkuuden mittarina on edesauttanut sen yksinkertaisuus. Se on helppo sekä laskea että ymmärtää. [12] Yksinkertaisuudesta kuitenkin seuraa, että paljon tekijöitä jää huomioimatta käytettäessä PUEarvoa ainoana energiatehokkuuden mittarina konesalille. Jos konesalin tuottamaa

9 4 lämpöä hyödynnetään konesalikiinteistön muiden tilojen lämmityksessä, PUE-arvo ei muutu vaikka energiatehokkuus käytännössä paranee. [13] Uusia mittareita kuitenkin kehitetään jatkuvasti. Edellä esitetyssä hukkalämmön hyödyntävässä tapauksessa PUE-arvoa sopivampi energiatehokkuuden mittari on energian uudelleen käytön huomioiva ERE. EREarvo kuvaa energian uudelleenkäytön tehokkuutta. Laskukaava tälle arvolle on PUEarvon kaltainen. ERE-arvo lasketaan vähentämällä uudelleen käytetyn energian määrä käytetystä kokonaisenergiasta ja jakamalla saatu luku ICT-laitteiden käyttämällä energialla. [14] Näin konesalin hukkalämmön hyödyntäminen tulee huomioitua. ERE = E kok E uudellenkäyttö E ICT (2) Konesalit poikkeavat toiminnaltaan ja rakenteeltaan toisistaan niin paljon, että tässä esitetyt mittarit eivät aina sovellu kahden konesalin vertailuun. Toisaalta esimerkiksi PUE on erinomainen työkalu konesalin energiatehokkuuden kehittymisen seuraamiseen. [9, s. 69] Energiatehokkuuden kehittäminen Energiankulutuksen mittaus sekä motivoi että on välttämätön työkalu konesalien energiatehokkuuden lisäämisessä [10, s. 66]. Jos järjestelmän energiatehokkuutta halutaan kehittää on lähtötaso tiedettävä. Siten voidaan nähdä, kuinka muutokset todella vaikuttavat energiatehokkuuteen ja energian kulutukseen. [9, s. 35, 15] Mittaamalla voidaan myös selvittää, missä energiaa kuluu eniten ja mihin järjestelmän osaan toimenpiteet kannattaa kohdentaa [15]. Lisäksi säännöllisillä mittauksilla voidaan osoittaa energiatehokkuuden mahdollinen kehitys. [9, s. 35]. ICT-laitteiden hyötysuhteella on suuri vaikutus koko konesalin energiatehokkuuteen [5, 11]. Niiden energiankäytön tehokkuudessa voi olla huomattavia eroja. Suositut peruspalvelimet toimivat usein merkittävästi huonommalla hyötysuhteella kuin korkeatasoisemmat laitteet. Palvelimien tehonkulutukseen vaikuttaa myös se, kuinka paljon sitä kuormitetaan. Useimmiten palvelimen hyötysuhde on parhaimmillaan, kun sen tehonkulutus on yli puolet huipputehosta. Toiminnan energiatehokkuutta on mahdollista kehittää ohjaamalla palvelimen käyttöä siten, että kuorma pysyy hyvän hyötysuhteen alueella.[5] Energiatehokkuuteen voidaan vaikuttaa myös kasvattamalla palvelimien käyttöastetta. Tällöin palvelimien määrää voidaan mahdollisesti vähentää. Tämä on mahdollista virtualisoinnin avulla. [4] Konesalissa käytettyjen LVIJ-laitteiden ("Lämpö-, vesi-, ilmanvaihto- ja jäähdytysjärjästelmät") energiatehokkuus vaikuttaa merkittävästi koko konesalin energiatehokkuuteen. Näistä jäähdytysjärjestelmän energiatehokkuus on kaikkein merkittävin. Lisäksi on otettava huomioon, että myös jäähdytysjärjestelmän hyötysuhde voi vaihdella kuorman mukaan samaan tapaan kuin palvelimilla. Konesalia on aina katsottava kokonaisuutena eikä muutosten seurauksia välttämättä ole helppoa ennustaa. [10, s ]

10 5 Kaikkien konesalin toimintaan osallistuvien komponenttien energiatehokkuudet vaikuttavat kokonaisuuteen, vaikka palvelimet ja jäähdytys ovat yleensä kaikkein merkittävimmät energiankulutus kohteet. Esimerkiksi UPS-järjestelmät saattavat toimia huonolla hyötysuhteella. Energiatehokkuutta voidaan parantaa valitsemalla komponentit huolella. [10, s. 51] 2.2 Sähkön laatu Konesalien laitekantaan kuuluu herkkiä laitteita, jotka eivät siedä poikkeamia sähkönsyötössä tai -laadussa [16, 17]. Häiriöitä voivat olla esimerkiksi virta- tai jännitepiikit sekä yliaallot ja sähkökatkot [16, 18]. Näitä voivat synnyttää verkkoon esimerkiksi luonnonilmiöt, kuten ukkonen. Verkkovirta ei välttämättä täytä herkkien ICT-laitteiden laatuvaatimuksia, vaikka muille verkon käyttäjille merkittäviä ongelmia ei esiintyisikään [19]. Enimmät häiriöt voidaan kuitenkin poistaa ja verkkovirran laatua tarkkailla syöttämällä sähköenergia konesaliin UPS-järjestelmän kautta [20]. Vaihtoehtoisesti UPS-laitteiston sijasta suodatukseen voidaan käyttää erilaisia suodattimia, kuten erotusmuuntajia, verkkosuodattimia tai verkko- jännitestabilisaattoreita [21]. Häiriöitä voi syntyä sähkönsyöttöverkossa myös UPS-laitteiston tai muun suodatuksen jälkeen, sillä niiden aiheuttajia voivat olla myös verkon syöttämät laitteet. Suuria häiriöiden lähteitä ovat epälineaariset, induktiiviset ja kapasitiiviset kuormat, epäsinimuotoista virtaa käyttävät laitteet ja puolijohdetekniikkaa hyödyntävät tasasuuntaajat. [18, 17] Konesalin laitekanta voi sisältää useita erilaisia häiriönlähteitä. Esimerkiksi tietokoneen hakkuriteholähde ottaa verkosta ei-sinimuotoista jännitettä, jonka se tasasuuntaa ja syöttää tietokoneen tasavirtaa vaativille komponenteille. Lisäksi tietokoneen käynnistys vaatii varsin sen käyttövirtaan verrattuna suuren virtasysäyksen. [17] Konesaleissa on usein monia loistehoa käyttäviä komponentteja. Tällaisia ovat esimerkiksi jo mainitut ICT-laitteiden teholähteet sekä loisteputket. Loistehoa aiheuttavat käytännössä induktiiviset ja kapasitiiviset kuormat. Järjestelmän loistehon määrää ja laatua on hyvä tarkkailla, jotta se voidaan mahdollisuuksien mukaan kompensoida. Kompensointi on mahdollista, sillä kapasitiivinen ja induktiivinen loisteho kumoavat toisensa. Loistehon määrää suhteessa pätötehoon kuvataan tehokertoimen ϕ avulla. Muut merkit kaavoissa ovat pätöteho P, eli hyödynnetty teho sekä näennäisteho S, eli kulutettu teho ja loisteho Q, eli hukattu teho. [18, 22] cosϕ = P S (3) S = Q 2 + P 2 (4) Yleisimmistä ICT-laitteista esimerkiksi levyjärjestelmät vaativat usein yksivaiheisen sähkönsyötön. Myös jotkin kolmivaihesyötön laitteet saattavat kuormittaa vaiheita epätasaisesti. Näin saliin syntyy helposti yliaaltoja tuottavaa vinokuormaa.

11 Yliaallot, eli verkon varsinaista taajuutta korkeampitaajuiset virrat tai jännitteet, rasittavat sähköverkkoa ja sen komponentteja ja saattavat vahingoittaa niitä. [18, 19] Vaiheiden epätasaisen kuormituksen aiheuttaa vinokuorman, saattaa aiheuttaa myös virran nollajohtimeen.[18] Nollajohtimen virta rasittaa laitteita ja voi olla turvallisuusriski, jos sen arvo nousee lähelle vaihejohtimien virtoja. Nollajohdin on usein ohut, enimmillään vaihejohtimien luokkaa, eikä sitä siis ole tehty kestämään suuria virtoja. Vinokuorma voidaan vähentää kuormittamalla kaikkia vaiheita mahdollisimman tasaisesti. Tämä vaatii kuitenkin vaihekohtaista energianmittausta. Häiriöitä on vaikeaa poistaa kokonaan, mutta niiden määrä ja suuruus voidaan yrittää minimoida. Tämän vuoksi verkon energian laatua on mitattava ja tutkittava jatkuvasti. On myös hyvä varmistua, että verkon häiriöt eivät nouse laitekannalle haitallisiksi. Valmistajat määrittelevät, millaisia laadullisia poikkeamia laitteet kestävät. ICT-laitteiden lisäksi myös sähkönsyöttöjärjestelmä voi kärsiä suurista häiriöistä. [16] Vähintäänkin järjestelmän osien käyttöikä lyhenee, kun niitä rasitetaan epätasaisesti. 2.3 Muut mittauksen hyödyt Mittaamalla konesalin energiankulutusta saavutetaan myös muita etuja. Mittauksen kehittyessä saadaan yksityiskohtaisempia ja tarkempia tietoja konesalin, ja jopa yksittäisten laitteiden, kulutuksesta ja kuormituksesta. Kun konesaliin on toteutettu energiankulutusta mittaava järjestelmä, kannattaa sitä hyödyntää mahdollisimman laajasti. Usein konesalin omistajaa kiinnostaa paljonko energiaa konesali kokonaisuudessaan käyttää. Lisäksi halutaan tietää paljonko eri osat, kuten esimerkiksi ICTlaitteet, kuluttavat energiaa ja mikä on hyötykuorman kulutuksen suhde jäähdytyksen energiankulutukseen. [23] Vaikka tulokset ovat itsessäänkin mielenkiintoisia, on niillä myös taloudellinen merkitys. Käytetyn energian hinta muodostaa merkittävän osan konesalin käyttökustannuksista [5, 24]. Energiankulutusta on siksi hyvä seurata myös kustannusarvioita varten. Kustannusten nousu voidaan ennakoida energiankulutuksen ja sähkön hinnan noususta. Energiankulutuksen mittaus on kehittynyt yhä yksityiskohtaisemmaksi. Mittaus on mahdollista suorittaa jopa palvelinkohtaisesti. Mittauksen ollessa riittävän tarkkaa ja luotettavaa, voidaan tuloksia hyödyntää myös perusteluna asiakkaiden laskutuksessa. [23] 6

12 7 3 Sähkönsyöttö- ja mittausjärjestelmät Konesali tarvitsee toimiakseen monipuolisen sähkönjakelujärjestelmän. Sähköä tarvitsevat sekä ICT-laitteet että infrastruktuurin osat kuten jäähdytyslaitteisto. Lisäksi koko järjestelmän ja sen yksittäisten osien sähkönkulutusta on seurattava. Tässä luvussa on esitetty mahdollinen malli konesalin sähkönjakelulle sekä erilaisia sähkönkulutuksen ja laadun mittauksen ja tarkkailun mahdollisuuksia. 3.1 Konesalien sähkönsyöttö Konesalin sähkönsyöttöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa monella eri tavalla. Usein ne kuitenkin koostuvat saman tyyppisistä elementeistä. Kuvassa 2 on esitetty yksi mahdollinen ratkaisu. Sähkönjakelu alkaa pääkeskukselta PK, jonne konesalin ensisijainen energianlähde on kytketty. Jakelussa seuraavana on pää- ja varavoimakeskus PK-VV, jossa varavoima liittyy jakeluun. Keskuksella voidaan valita syötetäänkö konesalia varsinaisesta energianlähteestä vai varavoiman lähteestä. Tämä keskus saattaa syöttää suoraan LVIJ-laitteiston keskuksia. Lisäksi sieltä voivat saada tehonsa UPS-laitteiston kautta varmennetut LVIJ- ja nousukeskukset. Osaa LVIJ-laitteista on hyvä syöttää UPS-laitteen kautta, jotta niiden toiminta ei häiriinny sähkönsyötön katketessa vikatilanteessa. UPS-laitteiston akusto huolehtii UPS-linjojen sähkönsyötöstä varavoiman syötön käynnistymisen ajan. Nousukeskusten jälkeen seuraavat ryhmäkeskukset eli RK:t, joiden kautta ICT-laitteita syötetään. Ryhmäkeskusten lähdöissä ovat kiinni virtakiskot, joihin räkkien PDU-yksiköt ("Power distribution unit") tai laitteiden virtalähteet voidaan kytkeä virranottimien avulla. [23] PDU koostuu virtajohdosta, jonka toinen pää kytketään virranottimeen, ja räkkiin sijoitettavasta osasta, johon ICT-laitteiden virtajohdot voidaan kytkeä. Virranotin taas voidaan kytkeä suoraan virtakiskoon, jolloin muita laitteita voidaan kytkeä verkkoon virranottimen sähköpistokkeista. [10, s. 41] Kuvattu järjestelmä perustuu vaihtovirtaan. Konesalin sähkönsyöttö on kuitenkin mahdollista toteuttaa myös tasasähköllä. Koko laitteiston toimiessa tasasähköllä ei tarvita energiaa hukkaavia tasa- ja vaihtosuuntaajia ja laitteiston komponentit ovat yksinkertaisempia [25]. Toisaalta tasasähkössä on myös omat ongelmansa. Tällaisia ongelmia ovat esimerkiksi erisuuruisilla jännitteillä toimivat laitteet ja matalajännitteisen siirron suuremmat häviöt. [26] Sähkönjakelun redundanttisuus Redundantissa järjestelmässä komponentteja toimii rinnakkain enemmän kuin järjestelmän toiminta normaalitilanteessa vaatii. Tästä seuraa, että yhden komponentin toiminnan häiriintyessä tai lakatessa järjestelmän toiminta ei häiriinny. Käytännössä yhden järjestelmän komponentin vikaantuessa sen tehtävän suorittaa rinnalle sijoitettu vastaava komponentti. Järjestelmän redundanttisuus on N, jos varalla olevia komponentteja ei ole. Jos komponentteja tarvitaan esimerkiksi kolme kappaletta ja niitä on yhteensä neljä, redundanttisuus on N+1. Redundanttisuus on 2N, kun jo-

13 8 Muuntamo Varavoima G PK PK-VV UPS UPS2 UPS LVIJ NK LVIJ- Keskukset RK RK LVIJ Virtakiskot Virranotin PDU ICT Kuva 2: Konesalin sähkönjakelu.

14 kaisella yksittäisellä komponentilla on varalaite. Esimerkiksi, jos laitteita tarvitaan normaaliin toimintaan kaksi, niitä on oltava neljä. [27] Suomessa rakennettavista uusista konesaleista suurimman osan sähkönsyöttö ja sähkönjakelu tehdään N+1 redundanttisuusluokan mukaan. Muutamissa kohteissa vain sähkön syöttö on luokkaa N+1 ja sähkön jakelua ei ole kahdennettu. [23] Käytännössä kahdennetussa sähkönsyötössä varsinaisen energianlähteen, kuten julkisen sähköverkon, rinnalla on varavoimanlähde. Varavoimanlähde voi olla esimerkiksi generaattori. [27] Täysin N+1 redundantissa sähkönjakelussa minkä tahansa komponentin toiminnan keskeytyminen ei vaikuta ICT-laitteiden toimintaan. Jakelun komponentit kyetään tällöin myös huoltamaan keskeyttämättä järjestelmän toimintaa, sillä kaikkien komponenttienryhmien rinnalla on varalaite. Laitteen toiminnan katketessa yllättäen, automaatiojärjestelmä käynnistää varalaitteen. ICT-laitteiden toiminta häiriintyy vasta, jos kaksi rinnakkaista laitetta ovat pois käytöstä yhtä aikaa. [27] 2N redundantissa systeemissä rinnakkaisista laitteista voi järjestelmän toiminnan häiriintymättä olla poissa käytöstä puolet. Edellytyksenä kahdennetun sähkönjakelun toimimiselle kuitenkin on, että kaikilla ICT-laitteilla on kahdennetut virtalähteet ja ne on kytketty eri keskuksiin. Mikäli jakelua ei ole kahdennettu, aiheuttaa jakelun vika tai huolto ICT-laitteiden ainakin osittaisen alasajon. [27] Tier-luokitus Konesalille voi hakea Uptime Institute -järjestön määrittämää ja myöntämää Tierluokitusta. Tier-luokan tasoille I-IV on määritelty vaatimuksia eri osa-alueisiin ja järjestelmän redundanttisuuteen liittyen. Myös sähköjärjestelmien redundanttisuudelle on omat vaatimuksensa. Ensimmäinen, eli Tier I -luokka, ei edellytä sähköjärjestelmien kahdennusta lainkaan. Toisin sanoen järjestelmä on N redundantti. [28] Tier II -luokan vaatimuksena on, että järjestelmän komponentit ovat N+1 redundantteja, mutta sähkönjakelu voi olla N redundantti eli ei-kahdennettu. Vaatimuksena on, että komponentit on voitava poistaa käytöstä suunnitellusti ICT-laitteiden häiriintymättä. ICT-laitteiden toiminta voi häiriintyä, jos komponentti lakkaa yllättäen toimimasta esimerkiksi laitevian takia. [28] Tier III taas vaatii sekä sähkönsyötön komponenttien ja jakelun että ICT-laitteiden virtalähteiden N+1 redundanttisuutta. Vähimmäisvaatimuksena on, että ICT-laitteiden toiminta ei saa häiriintyä huoltotilanteessa tai yhden laitteen toiminnan yllättäen loppuessa. [28] Tiukin vaatimustaso Tier IV vaatii, että sähkönsyötössä on rinnan kaksi täysin erillistä järjestelmää. Järjestelmien pitää olla myös fyysisesti täysin erillään. ICTlaitteiden toiminta saattaa häiriintyä ainoastaan vakavissa tilanteissa, kuten tulipalossa tai varavoiman pettäessä. [28] 9

15 3.2 Sähkönmittaus konesaleissa Konesalin sähkönmittaus voidaan toteuttaa useilla eri sähkönjakelun tasoilla. Kuvassa 3 on esitetty kuvan 2 kaltaisen järjestelmän mahdolliset mittaustasot. Eri mittaustasoja on kymmenen Mittaus pää- ja ryhmäkeskuksilla Verkkoyhtiö mittaa koko konesalin sähkönkulutusta verkon liittymästä, josta konesalikiinteistön päämuuntajaa syötetään. Verkkoyhtiö tarvitsee tietoa laskutusperusteeksi. Tämä mittaus kertoo koko järjestelmän sähkönkulutuksen häviöt mukaan lukien. Sitä voidaan hyödyntää PUE-arvon määrittämisessä kokonaiskulutuksen arvona. Kulutustiedot voi pyytää verkkoyhtiöltä takautuvasti [11]. Kuitenkin usein kokonaiskulutus PUE-arvoa varten joko otetaan pääkeskuksen kulutusmittauksesta tai lasketaan summaamalla ICT- ja LVIJ-keskusten kulutukset yhteen. Tällöin kokonaiskulutuksessa ei huomioida näitä keskuksia edeltävän sähkönjakelun häviöitä. Seuraava mittaustaso on PK-VV-keskuksen jälkeisillä UPS-laitteilla tai keskuksilla. Sekä pää- että ryhmäkeskuksilla mittaus voidaan toteuttaa joko erillisillä mittareilla tai mittaavilla katkaisijoilla. Katkaisijan mittausominaisuudet riippuvat mallista ja valmistajasta. Kaikki katkaisijat eivät välttämättä sisällä minkäänlaisia mittausominaisuuksia. Jokainen UPS-laite mittaa oman linjansa kulutusta reaaliaikaisesti. Eri UPSmalleista on myös saatavana paljon muutakin informaatiota kulutustiedon lisäksi. UPS-laitteilla voi esimerkiksi mitata kaikkien vaihejohtimien sekä nollajohtimen virtaa erikseen tai tarkkailla sähkön laatua. [29] Ryhmäkeskuksilla on omat energiankulutusmittarinsa. Niiden tuloksista voidaan laskea PUE-arvoa varten ICT-laitteiston kulutus. Haluttaessa keskuskohtaista tarkempia kulutustietoja voidaan mittarit liittää virtakiskoon, eli mitata jokainen keskuksen lähtö erikseen Räkki- ja laitekohtainen mittaus Tarkemmin energiankulutusta voidaan tarkkailla esimerkiksi mittaavalla virranottimella tai mittaroidulla PDU:lla. Markkinoilla on myös mittareita, jotka voidaan asentaa valmiiseen järjestelmään esimerkiksi serverin ja PDU:n tai virranottimen ja PDU:n väliin. Mittalaitteilta tiedot siirretään tietoverkkoa pitkin tietokantaan, jonne ne talletetaan. Mittalaitteiden valmistajat tarjoavat myös ohjelmistoja mittaustulosten seurantaan ja dokumentointiin. Tällaisia ohjelmistoja ovat esimerkiksi Rittalin RiZone ja SKS:n PacketPower. Räkkikohtainen mittaus voidaan toteuttaa mittarilla varustetulla virranottimella. Myös mittaavalla PDU:lla on mahdollista tarkkailla räkkikohtaista kulutusta. Tarkimpaan serverikohtaiseen sähköenergianmittaukseen taas päästään mittaroidun niin sanotun älykkään PDU:n avulla. Osa PDU-malleista mittaa virrankulutusta erikseen kaikissa lähdöissä. Tällöin saadaan laitekohtaista mittausdataa. Lähtöjä on 10

16 11 G Taso 1: Verkkoyhtiön mittaus muuntajalla PK Taso 2: PK:n sähkömittari PK-VV Taso 3: PK-VV:n sähkömittari UPS UPS Taso 4: UPS-laitteiston sisältämät mittalaitteet NK Taso 5: Nousukeskusten sähkömittarit RK LVIJ- Keskukset Taso 6: Ryhmä- ja LVIJ-keskusten sähkömittarit Taso 7: Mittaava virtakisko Taso 8: Mittaava virranotin PDU Taso 9: Mittaroitu PDU ICT LVIJ LVIJ Taso 10: Laitteiden omat sisäiset mittalaitteet Kuva 3: Konesalin kymmenen mahdollista mittaustasoa.

17 myös mahdollista kontrolloida etänä joillakin PDU-malleilla ja ohjelmistoilla. Mittaustarpeen lisääntyessä tuotteiden määrä on kasvanut ja eri valmistajilla onkin nykyään tarjota useita erilaisilla toiminnallisuuksilla varustettuja vaihtoehtoja. Erilaiset mittaroidut PDU-mallit voivat mitata eri suureita ja mittaustaso voi vaihdella. Jotkin PDU-mallit toteuttavat mittaukset lähtökohtaisesti kuten Server Technologyn POPS Switched CDU -mallissa [30]. PDU:n lähdöllä tarkoitetaan yhtä PDU:n pistorasiaa. Lähdöt on voitu myös jakaa mittausryhmiin, jolloin mittaukset ovat lähtöryhmäkohtaisia. Epätarkimmillaan PDU voi mitata kaikki lähdöt yhtenä ryhmänä. Esimerkiksi Eatonin Monitored epdu -mallit toteuttavat mittaukset tällä tarkkuudella vaihekohtaisesti [31]. Saadut tulokset ovat hyödyllisiä esimerkiksi vinokuorman tasoittamisessa. PDU-malleja erottavat toisistaan myös erilaiset lisäominaisuudet. Joissain malleissa lähtöjä voi kontrolloida eli ICT-laiteen virran syöttö voidaan sammuttaa ja käynnistää etänä. Tällainen ominaisuus löytyy esimerkiksi Eatonin epdu-mallista [31]. PDU-voi mitata muutakin kuin sähkönkulutusta ja sähkönlaatua. Esimerkiksi Eaton ja Server Technology tarjoavat myös olosuhdetietoja, kuten lämpötilaa ja kosteutta tarkkailevia laitteita [30, 31]. Mittausratkaisun valinta konesaliin tehdään käyttäjän ja omistajan tavoitteiden, tarpeiden ja arvojen mukaan. Räkki- ja serveritasolla mitattaessa tarvittavat laitteet ovat kalliita ja jokaiseen räkkiin tarvitaan oma mittalaitteensa. Kahdennetussa sähkönsyötössä mittalaitteita voidaan tarvita useampia räkkiä kohden. Tämän tason mittausjärjestelmää ei välttämättä kannata toteuttaa, jos tarkkoja tietoja sähkön kulutuksesta ei tarvita. 12

18 13 4 Sähköenergiankulutuksen mittaus Pohja-konesalissa Pohja-konesali on opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoiman CSC - Tieteen tietotekniikan keskuksen konesali. CSC tarjoaa muun muassa laskenta- ja tallennuspalveluita korkeakouluille, yliopistoille ja yrityksille. Pohja-konesali valmistui vuonna 2008 CSC:n supertietokoneen, Louhen, sijoituspaikaksi. Pohjaan on myöhemmin sijoitettu muitakin laitteita.[32] 4.1 Sähkö- ja jäähdytystehon tarve Pohja-konesalin ylivoimaisesti kuormittavin ja sähköteholtaan suurin laite on supertietokone Louhi. Louhen sähköteho voi täydessä kuormassa olla jopa kw.[32] Sähkötehon on kuitenkin käytössä huomattu olevan noin 450 kw.[33] Louhen lisäksi Pohja-konesalissa on myös muita ICT-laitteita, joiden sähköteho on yhteensä noin 150 kw. Laitekannan yhteisteho on siis noin 600 kw. Maksimi ICT-teho salille on noin 800 kw. Teho siirtyy lähes kokonaan lämmöksi, joten jäähdytyskapasiteettia tarvitaan suunnilleen saman verran. Salin PUE-arvo vaihtelee välillä 1,2-1,5 eli salin kokonaissähköteho on noin kw. Tämänhetkinen kuorma on siis lähellä salin nimellistehoa, joka on 1 MW. PUE-luvun ja energiantarpeen vaihtelu on seurausta ilman lämpötilan vaihtelusta eri vuodenaikoina. Talvella päästään parhaimpaan PUE-arvoon 1,2 ja kesällä taas PUE on huipussaan lähellä arvoa 1,5. Sähkön ja jäähdytyksen tarve on Pohja-konesalissa huomattavan suuri. Sähkönsyöttöja LVIJ-laitteistojen kokoa lisää entisestään se, että salin toiminnan kannalta keskeisimmät komponentit on kahdennettava. Jäähdytyksen jatkuvuuden varmistaminen on tärkeää ennen kaikkea ylikuumenemisen aiheuttamien laiterikkojen estämiseksi. Salin infrastruktuuri onkin pääosin N+1 redundantti. [32] 4.2 Sähkönjakelu- ja mittausjärjestelmä Pohja-salin sähkönsyöttö on luvussa 3.1 esitetyn mallin (Kuva 2) kaltainen. ICTkeskuksia UPS-laitteineen on kolme. Järjestelmän LVIJ-keskuksista kahdella on oma UPS-laitteisto. Muita LVIJ-keskuksia ei ole varmennettu. Kaksi jäähdytyskonetta on kytketty suoraan PK-VV-keskukseen. Sekä ICT- että LVIJ-keskusten ja jäähdytyksen redundanttisuus on N+1. Sähkön laatua ja energiankulutusta mitataan Mittrix Oy:n sähkönmittausjärjestelmällä. Mittarit on sijoitettu sähkönjakelun eri tasoille sähkökeskuksiin. Mittareilta mittaustulokset kerätään tietokantaan. Mittausdatan seuraamisessa käytetään Mittrix Oy:n Axon-ohjelmistoa. Mittauskäytäntöjä ja mittareilta saatavia tietoja esitellään luvussa 4.3. UPS-laitteiston ja nousukeskuksen väliin on sijoitettu mittaavat katkaisijat. Myös UPS-laitteistot sisältävät mittalaitteet. Sekä ICT- että LVIJ-keskusten UPS-laitteistot tarkkailevat läpikulkevaa sähkövirtaa. Niiden mittaustuloksia ei kuitenkaan seurata

19 säännöllisesti. Energiankulutuksen seurantaan käytetään vain varsinaisten mittareiden tuloksia. Keskustasoa tarkempaa mittausta ei CSC:llä ole laajemmin toteutettu. Räkki- ja serverikohtaisessa mittauksesta on ollut vain muutama testilaite. Laajemmalle mittausjärjestelmän kehittämiselle on kuitenkin tarvetta, sillä jatkossa saliin on suunnitteilla sijoittaa useiden asiakkaiden ICT-laitteita. Mahdollisia ratkaisuja tarkemman mittauksen toteuttamiseksi esitellään ja vertaillaan kappaleessa 4.4. Pohja-konesalin mittaus on toteutettu Mittrix Oy:n mallin MXQMB kombinaatiomittareilla, jotka mittaavat sekä lois- että pätötehoa. Mittarit on kytketty useampaan tietoliikenneväylään. Tietoliikenneväylät koostuvat mittarilta toiselle kytketyistä ethernet-kaapeleista. Samaan väylään voidaan kytkeä sarjaan useampia mittareita. Väylät päättyvät multiplekserille, joka välittää mittaustiedot normaalille PC-tietokoneelle. Rakenne on esitetty kuvassa 4. Tältä PC-tietokoneelta käyttäjien on mahdollista lukea ja analysoida mittaustuloksia Axon ohjelmaa käyttäen. 14 Kuva 4: Mittrix Oy:n mittausjärjestelmän rakenne. 4.3 Axon-ohjelmiston käyttö CSC:llä Kaikkien mittareiden tiedot kootaan SQL-tietokantaan. Axon on tietokannan tietojen tarkasteluun tehty ohjelmisto. CSC:llä mittauksessa tärkeintä on saada kulutustiedot PUE arvon laskemiseksi. Käyttäjä voi määritellä Axoniin mittareista mittausryhmiä, jolle mittaustietoja voi hakea. Axoniin on muodostettu oma mittausryhmä ICT-keskuksille. Tämän ryhmän kulutustieto on siis kaikkien ICT-keskusten kulutustietojen summa. PK- VV-keskuksen mittari on oma ryhmänsä, joka kertoo koko järjestelmän tehonkulutuksen. Nämä kaksi ryhmää antavat PUE:n laskemiseen tarvittavat luvut. Näkymä Axonin energiaraportointi valikosta, josta haluamansa ryhmän voi valita, on esitetty kuvassa 5. Ryhmän tai keskuksen kulutustiedoista voi halutessaan tulostaa raportin. Raportista selviää keskuksen kokonaiskulutus, keskiteho, huipputeho ja minimiteho

20 valitulla aikavälillä. Jos mittauksessa on ollut ongelmia, raportissa ilmoitetaan mittausarvojen virhemarginaali. Lisäksi raportti piirtää diagrammin keskuksen sähkötehon tuntikeskiarvoista valittuna aikana. PUE-arvoa varten viikoittaiset keskitehot haetaan järjestelmästä raporttien kautta ja syötetään seurantataulukkoon. Taulukoista seurataan PUE-arvon vaihteluita ja myös tehonkulutuksen kehittymistä vuoden aikana. Eri vuosien taulukkoja vertaamalla voidaan seurata energiatehokkuuden kehittymistä pidemmällä aikavälillä. 15 Kuva 5: Axonin energiaraportointinäkymä. Vasemmalla on lueteltu tehdyt mittausryhmät. Energiankulutuksen lisäksi Axon-ohjelman kautta seurataan manuaalisesti harmonisten yliaaltojen esiintymistä järjestelmässä. Jos yliaaltojen osuuden huomataan nousevan, tihennetään seurantaväliä. Axoniin ei ole toteutettu automaattista häiriöiden seurantaa. Häiriöiden esiintymistä on seurattava hakemalla Axonista esimerkiksi loistehon arvoja. Ohjelmaa ei voi myöskään asettaa lähettämään hälytyksiä esimerkiksi puhelinverkkoon tai sähköpostiin, sillä se toimii suljetussa sisäverkossa.

21 16 5 Pohjan mittausjärjestelmän kehittäminen Tämä luku käy läpi parannuksia Pohja-konesalin mittausjärjestelmään. Käsittelyssä on kaksi kehityskohdetta. 5.1 Axon-ohjelmiston parempi hyödyntäminen Axon mittaa konesalin käyttämää tehoa ryhmäkeskustasolla mutta sen ominaisuuksista ja mittareiden keräämistä tiedoista hyödynnetään tällä hetkellä vain osaa. Ainoastaan sähköenergiankulutusta seurataan säännöllisesti. Ohjelman ja mittaustulosten laajemmalla käytöllä voidaan saada hyödyllistä tietoa konesalin toiminnasta ja sähköverkon häiriöistä. Mittrixin mittarit keräävät tietokantaan paljon muutakin kuin sähköenergian kulutustietoja. Axon väyläluenta-ikkunasta, joka on esitetty kuvassa 6, nähdään mitä arvoja äskettäin on tallennettu. Saatavilla ovat siis virran ja jännitteen keski-, minimi- ja maksimiarvot sekä pätö-, lois- ja näennäistehon arvot ja tehokerroin. Näitä kaikkia suureita mitataan vaiheittain ja arvot ovat mittausjaksokohtaisia. Arvot tallettuvat tietokantaan, mutta niitä ei seurata säännöllisesti. Mainituista suureista tehokerroin ja vaihekohtainen kuormitus ovat energiankulutuksen ja laitteiston käyttöiän kannalta merkityksellisiä. Tehokerroin kertoo konesalin energiatehokkuuteen vaikuttavan loistehon määrän ja laadun. Jos konesalin tehokertoimen keskiarvo ja vaihteluväli tunnetaan ja sen vaihteluväli on pieni, voidaan järjestelmän tuottama loisteho yrittää kompensoida. Vinokuorma rasittaa sähkönsyöttöjärjestelmää epätasaisesti ja lyhentää siten sen joidenkin osien käyttöikää. Vinokuorma aiheuttaa myös virran nollajohtimeen [18]. Vaihekohtaisten kuormien aktiivisen seurannan avulla voidaan pyrkiä vähentämään vinokuormaa konesalissa. Vinokuorman seuranta on erityisen tärkeää konesaleissa, joissa laitekanta muuttuu jatkuvasti. Vinokuormaa pääsee huomaamatta syntymään, kun vanhat laitteet poistetaan ja uusia laitteita kytketään sähkönsyöttöjärjestelmään. Tehokerroin ja vinokuorma on esitetty graafisesti Axon väyläluenta-ikkunan tehokolmiossa kuvassa 6. Ympyrän reunoille asti jatkuvat vektorit kuvaavat vaiheiden jännitteiden ja lyhyemmät vektorit virran suuruutta. Saman väriset vektorit ovat saman vaiheen jännite- ja virtavektorit. Vaiheen virta- ja jännitevektorien välinen kulma on tehokerroin. Vaiheittaisesta kuormituksesta taas kertoo virtavektorin pituus. Häiriöiden, kuten virta- ja jännitepiikit sekä harmoniset yliaallot eivät vaikuta konesalin toimintaan, jos ne pysyvät riittävän alhaisella tasolla. Niiden seuranta olisi hyvä toteuttaa siten, että järjestelmä antaisi käyttäjälle varoituksen tai hälytyksen häiriöiden esiintymistaajuuden tai suuruuden kasvaessa asetetun rajan yli. Käyttäjä voisi määritellä rajat esimerkiksi laitekantansa häiriöiden sietokyvyn perusteella.

22 17 Kuva 6: Axon väyläluenta-ikkuna. Kooste erään mittarin yhden mittausjakson tuloksista. 5.2 Mittaavien virtakiskojen asentaminen Pohja-konesalissa mittaavia virtakiskoja on jo suunniteltu asiakkaan sähkönkulutuksen seuraamiseen. Vähintään virtakiskokohtainen mittaus on välttämätön, sillä samasta sähkökeskuksesta syötetään eri omistajien ICT-laitteita. Tarkempaa energiankulutuksen mittausta ei haluta toteuttaa kustannussyitä. Lisäksi tarkemman mittausjärjestelyn toteuttaminen olisi ollut työläämpää ja monimutkaisempaa. Kuva 7: Mittaavan virtakiskon mittausmoduulin suunniteltu rakenne. Suunnitelman on tehnyt SIR-Sähkö Oy. Virtakiskon keräämä energiankulutustieto siirretään samaan Axon-ohjelmiston tietokantaan, jonne myös keskusten mittareiden mittaustulokset tallentuvat. Sieltä

23 tieto on helposti käytettävissä ja seuranta voidaan yhdistää nyt tehtävän muun kulutusseurannan kanssa. Tavallisesta virtakiskosta tehdään mittaava lisäämällä kiskon päähän mittausmoduuli. Suunnitelma mittausmoduulin rakenteesta on esitetty kuvassa 7. Moduuli yhdistetään nykyisen Mittrix Oy:n mittausjärjestelmän multiplekseriin. Mittaus on toteutettu virtamuuntajilla. 18

24 19 6 Yhteenveto Tavoitteena työssä oli kartoittaa konesalien sähköenergian mittausta; näkökulmina olivat mittauksen hyödyt ja erilaiset mahdolliset mittauksen toteutustavat. Lisäksi esiteltiin CSC:n konesali Pohjan sähkönsyöttö- ja sen mittausjärjestelyt. Lisäksi Pohjan mittausjärjestelmästä etsittiin tärkeimpiä kehityskohtia. Sähköenergian mittauksen todettiin olevan välttämätön työkalu konesalin energiatehokkuuden kehittämisessä. Lisäksi sähkön laadun tarkkailu on erittäin tärkeää laiterikkojen välttämiseksi. Myös muita perusteluja mittaukselle esitettiin. Kaksi mainittua ovat kuitenkin oleellisimmat myös Pohja-konesalissa. Pohjan mittausjärjestelmä on toteutettu mahdollisimman yksinkertaisesti keskusten mittareilla. Tarkempaa mittarointia ei ole aikaisemmin välttämättä tarvittu. Tulevaisuudessa mittausta halutaan kuitenkin tarkentaa, jotta tiettyjen räkkiryhmien energiankulutuksia voidaan tarkkailla erikseen. Helpoiten tämän voi toteuttaa asentamalla näitä räkkiryhmiä varten omat mittaavat virtakiskot. Näin vältytään suurilta muutoksilta. Mittaustulokset on mahdollista tallentaa jo käytössä olevaan Axon-järjestelmään, joten mittausten tarkkailu voidaan yhdistää jo olemassa olevaan seurantaan. Näin suurilta järjestelmän ja käytäntöjen muutoksilta vältytään eikä liikoja kustannuksia tule. Toinen Pohjan mittauksen kehitysehdotus koskee mittaustulosten hyödyntämistä. Olemassa olevaa keskusten vaihekohtaista mittausta on mahdollista hyödyntää energiatehokkuutta kehittäessä. Tämä vaatii vain mittausten tarkempaa seurantaa ja analyysiä. Minkäänlaisia muutoksia laitteistoon ei tarvita. Pohjan mittausjärjestelmästä opittua voidaan soveltaa myös muihin konesaleihin. Ensinnäkin kaikissa konesaleissa olemassa olevaa mittausta kannattaa hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti ja monipuolisesti. Toiseksi pohja on hyvä esimerkki mittaroinnin optimoinnista juuri haluttuihin tarkoituksiin. Mitään ylimääräistä mittausta ei ole toteutettu. Uusien konesalien mittaustarpeen arviointi on oleellinen osa mittaroinnin suunnittelua. Mittauskomponentit ovat kalliita ja ne monimutkaistavat järjestelmää eikä niitä siis kannata asentaa, jos mittaustuloksia ei tulla käyttämään. Lisäksi on otettava huomioon mahdollisuus, että salin käyttötarkoitus ja laitekanta voivat vaihtua, joten myös mittaustarve saattaa muuttua. Olemassa olevan järjestelmän muuttaminen ja lisämittaroinnin asennus jälkikäteen voi olla haastava ja kallis prosessi. Lopputuloksen on oltava mahdollisimman kustannustehokas. Käytännössä mittaroinnin suunnittelu on haastavaa, sillä konesalit saattavat poiketa toisistaan erittäin paljon. Järjestelmä on suunniteltava kyseisen konesalin omistajan tavoitteisiin ja tarpeisiin sopivaksi. Yhtä oikeaa mittausjärjestelmää ei ole. Toisista konesaleista voidaan kuitenkin ottaa mallia. Kokonaisuutena työ korostaa mittauksen merkitystä konesalin toiminnalle. Myös mittauksen huolellisen suunnittelun tärkeyttä on painotettu. Suunnittelun haastavuudesta taas kertoo esiteltyjen mahdollisten mittaustapojen ja -tasojen suuri määrä. Pohja-konesali on hyvä esimerkki juuri mittaustarpeen arvioinnin tärkeydestä. Esimerkki myös osoittaa, että mittaustulosten analysointi on oleellinen osa mittausprosessia.

25 Tulevaisuudessa ICT-laitteiden ja siten myös konesalien tarve tulee luultavimmin lisääntymään entisestään. Tämä lisää edelleen konesalien käyttämän sähköenergian määrää. Tällöin mittauksesta tulee yhä tärkeämpää, kun energiatehokkuutta yritetään lisätä. Samalla tekniikka kehittyy ja uusia innovaatioita syntyy myös sähköenergian siirron ja mittauksen aloilla. Mittaustarve konesaleissa kuitenkin säilynee edelleen, vaikka sen toteutus voi tulevaisuudessa olla hyvin erilainen. 20

26 21 Viitteet [1] E. Zimmermann G. Fettweis. ICT energy consumption trends and challenges [2] K. Kant. Data Center Evolution: A Tutorial on State of the Art, Issues, and Challenges. Computer Networks, [3] Insinööritoimisto Olof Granlund Oy / Jussi Laitinen. Energiatehokas konesali -esite [4] J. Koomey. Worldwide Electricity Used in Data Centers. Environmental Research Letter, 3, [5] U. Hölzle L. A. Barroso. The Case for Energy-Proportional Computing. IEEE Computer, 40(12), [6] Dr. Bernd Schäppi. Certification Concepts for Energy Efficient Data Centres - Comparison of Certification Services in the EU [7] Tilastokeskus. Energian hinnat [8] James Hamilton. Cost of Power in Large-Scale Data Centers. CostOfPowerInLargeScaleDataCenters.aspx, Luettu: [9] D. Alger. Grow a Green Data Center. Cisco Press, [10] U. Hölzle L. A. Barroso. The Datacenter as a Computer An Introduction to the Design of Warehouse-Scale Machines [11] Niittylahti Jari (CSC-Tieteen tietotekniikan keskus Oy). Haastattelu. Haastateltu [12] BCS The Chartered Institute for ICT. Future of Data Centre Efficiency Metrics - A Review of Progress so Far and a Suggested Direction for Further Development. [13] The Green Grid. Recommendations for Measuring and Reporting Overall Data Center Efficiency Version 2 - Measuring PUE for Data Centers [14] Tommi Mäkelä. Aalto University Summer Scool Lecture 7: Green Computing [15] Isopahkala Petri (Sisäasiainministeriö). Haastattelu. Haastateltu [16] Sohail Mumtaz Bajwa M. Fayyaz Akram. A Sample Power Quality Survey for Emerging Competitive Electricity Market in Pakistan [17] T. Keikko E. Falck L. Korpinen, M. Mikkola. Yliaalto-opus

27 22 [18] Vesterinen Ville-Veikko. Sähkön laatu [19] Lukkarinen Ari (CSC-Tieteen tietotekniikan keskus Oy). Haastattelu. Haastateltu [20] UTU Oy. UPS-järjestelmät. 2&id=395, Luettu: [21] Valtionhallinnon tietoturvallisuuden johtoryhmä 1/2002. Tietoteknisten laitetilojen turvallisuus [22] elektrotechnik fachwissen.de. Leistung im Wechselstromkreis. elektrotechnik-fachwissen.de/wechselstrom/leistung-wechselstrom. php. Luettu: [23] Sahlström Tapani (SIR-Sähkö Oy). Haastattelu. Haastateltu [24] APC. Determining Total Cost of Ownership for Data Center and Network Room Infrastructure. [25] ABB White Paper. Data Center Trends: DC Power, Industrial Controls and Connection to the Smart Grid. [26] D. Symanski S. Rajagopalan, B. Fortenbery. Power Quality Disturbances Within DC Data Centers [27] Sahlström Tapani. Energiatehokas konesali [28] Vince Renaud (PE) W. Pitt Turner IV (PE), John H. Seader (PE) and Kenneth G. Brill. Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance [29] Eaton Corporation. Häiriöttömän sähkönsyötön ratkaisut [30] Server Technology. CDU Product Family [31] Eaton Corporation. Intelligent Power Distripution, Maximise and Manage your Rack Power [32] Tero Tuononen. Supertietokone vaatii järeän konesalin. supertietokone-vaatii-jarean-konesalin, Luettu: [33] Virtanen Joni (CSC-Tieteen tietotekniikan keskus Oy). Haastattelu. Haastateltu