L’articolo descrive i livelli dell’impianto elettrico nella progettazione e nell’esercizio dei CED secondo lo standard di riferimento che è la norma americana ANSI/TIA 942-A.
Il primo record di archiviazione elettronica dei dati nel cloud, risale agli anni ‘60 negli Stati Uniti, quando il governo americano fece un’audace proposta ai suoi cittadini, con lo scopo di archiviare dati relativi a impronte digitali, documenti fiscali, documenti scolastici, informazioni sui casellari giudiziari e altre informazioni importanti. Queste informazioni potevano essere facilmente recuperate dalle autorità quando necessario, e venivano conservate su nastri magnetici come in un database elettronico. Apparvero così i Centri di elaborazioni dati (CED) detti Data Center in inglese.
Da quel momento fino a oggi, l’idea di base non è molto cambiata; l’archiviazione nei CED consente sia ai funzionari governativi che alle aziende o agli utenti ordinari di accedere ai dati archiviati in questi luoghi. Con il progresso della tecnologia dell’informazione e della comunicazione digitale, un server di rete oggi è indispensabile in qualsiasi ambito, sia esso statale, aziendale, bancario o persona le. Senza dischi rigidi o dischi flash collegati in cloud, è impossibile gestire e archiviare i dati e continuare a fidarsi dell’archiviazione sui computer locali.
I data center hanno la missione di risolvere questo problema, garantendo la fiducia necessaria per questo tipo di servizio. L’infrastruttura fisica per l’archiviazione dovrebbe consentire agli utenti di essere in grado di cercare i dati archiviati in qualsiasi parte del mondo quando lo richiedono alla velocità della rete disponibile. Affinché ci sia fiducia nel servizio di Information Technology (IT), la parte cruciale e critica è il sistema elettrico, quindi deve essere garantita un’elevata disponibilità.
Perché ciò sia possibile, è necessaria l’implementazione di diversi standard, quali: quadri di distribuzione, configurazione degli impianti elettrici, coordinamento e selettività e altri fattori legati all’affidabilità del sistema. Con la crescita di questi servizi, c’è un aumento del numero di data center costruiti, quindi un conseguente innalzamento del consumo energetico. I data center consumano fino al 3% della produzione mondiale di energia elettrica e nei prossimi anni si prevede un aumento del doppio ogni 5 anni, con un consumo che potrebbe raggiungere l’8% dell’energia elettrica prodotta nel mondo.
Per garantire una disponibilità il più vicino possibile al 100%, ai componenti della distribuzione convenzionale vengono aggiunti gruppi elettrogeni diesel, sistemi UPS, batterie, commutatori di trasferimento, stabilizzatori, trasformatori e unità di distribuzione dell’alimentazione. I data center possono essere considerati affidabili, purché costruiti con caratteristiche che soddisfano il criterio della continuità dell’energia elettrica.
I livelli dell’impianto elettrico nella progettazione e nell’esercizio dei CED sono definiti dalla norma americana ANSI/TIA 942- A. Nel documento 942, la Telecommunication Industry Association, propone una classificazione dei CED su 4 livelli, in funzione delle specifiche necessità di impiego e disponibilità. In particolare saranno evidenziati i livelli di ridondanza elettrica.
L’importanza dei data center
I metodi di comunicazione tradizionali (posta, telefax, telefono analogico) stanno scomparendo e vengono via via sostituiti da servizi online come e-mail e VoIP. È opportuno che tutta la tecnologia disponibile provenga da computer, o più in particolare, computer server. Lo spazio fisico in cui si trova l’infrastruttura informatica è chiamato Data Center, o CED, ed è un luogo o edificio con caratteristiche specifiche che fornisce le condizioni di sicurezza e ambientali necessarie affinché possa operare 24 ore su 24, 365 giorni all’anno con un’affidabilità e una disponibilità del (o quasi) 100%.
I data center sono costruzioni complesse e costose, i loro componenti devono essere progettati in modo equilibrato, consentendo, quindi, l’elaborazione e l’archiviazione di informazioni importanti per l’azienda “ospitata”. In questa configurazione di equilibrio la climatizzazione interna e l’alimentazione elettrica sono considerati sistemi critici, perché oltre a essere cruciali, sono quelli che più consumano energia nel loro insieme; inoltre sono di fondamentale importanza, in quanto archiviano dati provenienti da diversi settori dell’economia: energia, illuminazione, telecomunicazioni, Internet, trasporti, traffico urbano, banche, sistemi di sicurezza, sanità pubblica.
Dal punto di vista della sicurezza, in genere, questi ambienti sono monitorati 24 ore su 24 e hanno sistemi di accesso controllati tramite biometria. La costruzione dei data center è complessa, in quanto occorre tenere conto dell’ambiente, rispettare standard internazionali che non sempre possono essere rispettati in tutti i Paesi e, soprattutto, devono seguire la classificazione in livello (TIER) definita dalla società americana Uptime Institute.
La struttura dei data center
Il data center è un insieme integrato di componenti di alta tecnologia che consentono la fornitura di servizi di infrastruttura di tecnologia dell’informazione a valore aggiunto. I data center sono noti come ambienti critici, responsabili dell’archiviazione di varie strutture e apparecchiature, destinati all’elaborazione, all’archiviazione e alla protezione di informazioni vitali per la sequenza aziendale e, di conseguenza, per la continuità delle operazioni di un’organizzazione. Dalla diffusione di internet, all’inizio degli anni 2000, i sistemi (IT), di tecnologia dell’informazione e dei data center hanno assunto un ruolo sempre più importante nelle attività delle aziende. D’altra parte, i servizi IT continueranno a crescere senza precedenti e saranno sempre più allineati con il business.
Le categorie dei data center
Tra le caratteristiche dei data center, possiamo citare due categorie principali, i data center aziendali (EDC) e il data center Internet (IDC). I data center che hanno caratteristiche EDC sono gestiti da società private, istituzioni o enti governativi al fine di memorizzare i dati elaborati internamente e le applicazioni che servono i loro utenti su Internet. Questo modello di data center è il più comune. La categoria IDC appartiene generalmente a fornitori di telecomunicazioni, operatori di reti telefoniche commerciali o altri tipi di fornitori di servizi di telecomunicazioni. Il fulcro di questo modello è la comunicazione con Internet, ovvero la fornitura di vari tipi di servizi di connessione, archiviazione ed elaborazione.
La classificazione elettrica dei centri di elaborazione dati
L’infrastruttura elettrica di un CED deve essere altamente affidabile e disponibile. Maggiore è la qualità e il livello di ridondanza di questo sistema, minore è la sua vulnerabilità ai guasti. Il progettista deve fornire spazi per contenere tutte le apparecchiature elettriche. Anche le partenze elettriche devono avere i loro spazi pianificati per essere allocati nella più breve distanza possibile dai quadri elettrici (QE), tutto questo per ridurre la quantità di cavi elettrici, il costo e la quantità di calore. In situazioni in cui vi è la possibilità di fornire energia elettrica da diverse alimentazioni, è inoltre necessario che vi siano due vie di alimentazioni per percorsi ridondanti ed è comunque consigliabile che il distributore principale sia vicino all’ingresso principale del data center.
Di seguito vengono presentate alcune di queste apparecchiature che compongono l’impianto elettrico:
- ingresso dell’impianto elettrico;
- sottostazione;
- quadri elettrici;
- gruppo elettrogeno;
- sistemi UPS;
- batterie tra gli altri componenti.
È facile capire che, dopo l’installazione, è molto più difficile e costoso incorporare miglioramenti in un circuito. Il progettista, in fase di progettazione, dovrà studiare il modo migliore affinché la progettazione della distribuzione dell’impianto elettrico sia efficiente e restituisca benefici per l’installazione dell’alimentazione nei data center.
I CED sono classificati in 4 tipologie, che vanno da I a IV in base alla loro affidabilità, ridondanza e disponibilità, che rappresenta una classificazione per quanto riguarda i loro possibili guasti o resilienza della rete; in altre parole, indica quanto sono preparati ad affrontare i guasti dei loro elementi chiave e quanto sono solide le loro infrastrutture.
Il sistema è estremamente importante perché costituisce un riconoscimento di qualità in tutto il mondo. Questo sistema è di natura progressiva, poiché ogni livello include i requisiti del livello precedente. La classificazione è suddivisa in quattro livelli, in cui vengono descritte le caratteristiche di base per l’assegnazione di ciascun livello. Questo sistema non impone requisiti funzionali, si riferisce ai requisiti minimi richiesti per appartenere a un certo livello. Tuttavia, è necessario tenere presente che un CED deve disporre di un sistema di protezione antincendio e di un sistema di controllo degli accessi molto sicuro indipendentemente dal suo livello. Questi due requisiti sono di grande importanza perché oltre alla necessità di proteggere apparecchiature di alto valore, è obbligatorio garantire la protezione dei dati che possono essere unici e /o riservati.
Livello di ridondanza elettrica TIER I
Un’installazione di livello 1 fornisce il livello minimo di distribuzione dell’alimentazione per soddisfare i requisiti di carico elettrico, con ridondanza minima o nulla. Gli impianti elettrici hanno un solo percorso, quindi quando c’è un guasto o è necessaria una manutenzione, che provocherà un’interruzione parziale o totale delle operazioni. Per ottenere la capacità di alimentazione, i generatori possono essere installati come unità singole o in parallelo, ma non è richiesta la ridondanza. Per rilevare la perdita di energia normale, è possibile utilizzare una o più quadri di trasferimento automatico e quindi poter trasferire il carico al generatore, ma non è obbligatorio.
Il gruppo di continuità UPS può essere installato come unità singola o in parallelo per aumentare la capacità, ed è richiesta la compatibilità tra il sistema del generatore e l’UPS; quest’ultimo deve avere una funzione di bypass per consentire il funzionamento continuo durante la manutenzione del sistema UPS. Trasformatori di separazione sono accettabili per la distribuzione dell’alimentazione ai carichi elettronici critici in questi tipi data center; inoltre devono essere progettati per gestire carichi non lineari.
L’apparecchiatura di condizionamento dell’aria verrà collegata prima dell’UPS come mostrato nella figura 1.
Il guasto di qualsiasi componente (UPS, linea di distribuzione o apparecchiatura di condizionamento d’aria) influirà sul servizio del CED. Se è necessario eseguire un lavoro programmato sulla scheda di uscita dell’UPS, o sul quadro di distribuzione, o sull’aria condizionata, sarà necessario coordinare preventivamente un’interruzione delle apparecchiature del centro di elaborazione dati poiché queste saranno interessate (esso andrà fuori servizio dopo circa 1 ora a causa della temperatura elevata, se il condizionatore d’aria non funziona).
Il sistema è anche suscettibile a guasti imprevisti (esempio: mancata accensione del gruppo elettrogeno GE in caso di interruzione di rete, guasto di un interruttore automatico nel QED, ecc.) dato che vi sono diversi semplici punti di guasto, e il monitoraggio degli impianti elettrici e meccanici sono opzionali.
Livello TIER II
Le installazioni di livello II devono soddisfare chiaramente tutti i requisiti del livello 1. Inoltre, le installazioni di livello II devono soddisfare i requisiti aggiuntivi specificati di seguito. È necessario un sistema generatore dimensionato per gestire tutti i carichi del CED, sebbene non siano necessari gruppi elettrogeni ridondanti o linee di distribuzione ridondanti. I quadri elettrici di distribuzione devono essere utilizzati per distribuire l’alimentazione ai carichi elettronici critici. Dovrebbero essere fornite di due quadri elettrici ridondanti, ciascuno alimentato preferibilmente da un sistema UPS separato, per alimentare ogni quadro rack delle apparecchiature informatiche.
Nella figura 2 è mostrata un’installazione elettrica di livello II. È caratterizzata da una ridondanza a livello dei principali componenti di rincalzo dell’alimentazione (UPS e GE) e nel sistema di condizionamento, ma la distribuzione dell’alimentazione non è ridondante (percorso singolo). Il sistema di messa a terra dell’edificio deve essere progettato e testato per fornire una resistenza molto bassa e deve essere fornito un pulsante di arresto di emergenza.
Nello schema di figura 2 si osserva che il guasto di una qualsiasi linea di distribuzione elettrica influirà sul servizio del data center. Se è necessario eseguire un lavoro programmato sul quadro di uscita dell’UPS, sarà necessario disalimentare l’apparecchiatura CED, sebbene possa essere fatto sul quadro generale (accendendo il gruppo elettrogeno). Il sistema è anche suscettibile di guasti imprevisti, sebbene meno di un livello I, poiché ci sono ancora diversi semplici punti di guasto. Sono leggermente meno suscettibili alle interruzioni rispetto al Livello I da attività pianificate e non pianificate, la progettazione di UPS e generatori richiede una ridondanza N + 1, ma hanno un unico percorso di distribuzione, il mantenimento di percorsi di alimentazione critici e altre parti dell’infrastruttura richiederanno un processo di chiusura.
Livello TIER III
Gli impianti di livello III devono soddisfare tutti i requisiti di livello II; inoltre devono soddisfare i requisiti aggiuntivi specificati di seguito: devono avere almeno una ridondanza N + 1 nel percorso elettrico del il sistema compreso il generatore e i sistemi UPS, il sistema di distribuzione e tutte le alimentazioni di distribuzione. Questo livello di ridondanza può essere ottenuto fornendo due fonti di alimentazione a ciascuna unità di condizionamento dell’aria oppure suddividendo l’apparecchiatura di condizionamento tra più fonti di alimentazione.
Le alimentazioni e i quadri di distribuzione sono a due vie, quindi il guasto o la manutenzione di un cavo o di un pannello non causerà l’interruzione delle operazioni. È necessario fornire una ridondanza sufficiente per consentire l’isolamento di qualsiasi apparecchiatura meccanica o elettrica, come richiesto per la manutenzione essenziale senza influenzare i servizi forniti con il raffreddamento. Utilizzando una configurazione ridondante distribuita, i singoli punti di guasto vengono virtualmente eliminati.
Devono essere forniti almeno due alimentazioni pubbliche per servire il data center in media o alta tensione (superiore a 400 V). La configurazione dell’alimentazione deve essere primaria selettiva, utilizzando quadri di trasferimento automatico, e si possono utilizzare sottostazioni o trasformatori di distribuzione a secco. I trasformatori devono essere configurati per la ridondanza N + 1 o 2N e devono essere dimensionati in base ai valori nominali esterni. È necessario utilizzare un sistema generatore in standby per fornire alimentazione al gruppo di continuità UPS e al sistema meccanico. La partita di carburante deve essere dimensionata per fornire un minimo di 72 ore di funzionamento del generatore che alimenta l’intero carico.
Devono essere previste quadri di trasferimento automatico in modo che quando rilevano la perdita di potenza normale avviano l’avvio del generatore e il carico passi al sistema del generatore. I serbatoi e le tubazioni del carburante devono essere ridondanti e isolati per garantire che la contaminazione o il guasto del sistema di alimentazione meccanico non influisca sull’intero sistema di generazione. È necessario fornire un sistema di messa a terra per il data center del data center. Gli scaricatori di sovratensioni transitorie devono essere installati a tutti i livelli del sistema di distribuzione dell’alimentazione che servono carichi elettronici critici. Normalmente è progettato con la possibilità di diventare di Livello IV quando le operazioni del cliente lo richiedono.
Un impianto elettrico di livello 3, ha ridondanza N + 1 in componenti di backup di alimentazione, trasformatori di sottostazioni e percorsi di distribuzione dell’alimentazione multipli. In generale, solo uno dei percorsi sarà attivo, l’altro sarà un backup. La ridondanza dovrebbe consentire di eseguire qualsiasi lavoro di manutenzione senza influire sulle apparecchiature critiche. Tutte le apparecchiature del centro di elaborazione devono ammettere un doppio ingresso di alimentazione e quelle che non lo ammettono devono essere alimentate tramite un quadro di scambio statico a 2 ingressi e 1 uscita.
Tra le tante cose che devono essere considerate a questo livello, alcune sono: doppia batteria di avviamento con caricatori singoli in gruppi di generatori, autonomia carburante 72h per essi, sistemi di controllo per apparecchiature di refrigerazione alimentate da UPS, doppia batteria di batterie per UPS, doppia alimentazione (anche se è ammesso che sia una sola se proviene da un sistema ad anello di media tensione).
Livello TIER IV (infrastruttura tollerante ai guasti)
Gli impianti di livello IV devono soddisfare tutti i requisiti di livello III. Gli impianti di livello IV devono essere progettate in una configurazione “2 (N + 1)” in tutti i moduli, sistemi e percorsi. Tutte le alimentazioni e le apparecchiature devono essere in grado di fornire manutenzione manuale o bypass di guasto. Qualsiasi guasto trasferirà automaticamente l’alimentazione, per il carico di sistema critico guasto, al sistema alternativo senza interruzione di corrente ai carichi elettronici critici. E deve fornire un sistema di monitoraggio della batteria in grado di monitorare e determinare individualmente l’impedenza o resistenza di ogni cella e la temperatura di ogni pacco batterie e dare allarmi in caso di imminente guasto di esse.
L’edificio deve avere almeno due alimentazioni pubbliche da diverse sottostazioni pubbliche per la ridondanza ed entrambe le alimentazioni devono essere attive tutto il tempo.
Nella figura 3 è mostrata un’installazione elettrica di livello IV. Ha una ridondanza 2x (N + 1) nei componenti dell’alimentazione di ripristino e più percorsi di distribuzione dell’alimentazione attiva. Detti cavi di alimentazione devono essere installati in canaline diverse in luoghi separati, al fine di evitare incidenti che possono influenzare i due percorsi di distribuzione dell’alimentazione. Come nel livello precedente, la ridondanza deve consentire di eseguire qualsiasi lavoro di manutenzione senza influire sulle apparecchiature critiche. Tutte le apparecchiature del CED devono ammettere il doppio ingresso di potenza e quelle che non lo ammettono devono essere alimentate tramite un quadro di scambio di trasferimento statico con 2 ingressi e 1 uscita.
Lo standard richiede che un guasto imprevisto in qualsiasi parte dell’impianto elettrico non influisca sul servizio alle apparecchiature critiche. Molte delle cose che dovrebbero essere considerate a questo livello coincidono con il livello precedente, e all’interno di quelle di questo livello, una di queste è che l’ingresso dell’alimentazione deve essere diversa per ogni trasformatore oltre che esclusiva. Ciò significa che se avremo la nostra sottostazione con i due trasformatori, dovremo avere due contratti di fornitura per la posa di 2 linee MT esclusive da diverse stazioni di trasformazione. Fornisce la sicurezza di nessuna interruzione nei carichi critici durante le attività pianificate o meno. Mantiene la ridondanza anche durante i lavori di manutenzione su una delle alimentazioni. L’unico modo per avere una interruzione è attivare il pulsante di arresto di emergenza.
Le buone prassi in sintesi
- Il progetto del Data Center deve rispettare una disponibilità del 99,98% in ciascuno dei suoi sottosistemi secondo i parametri richiesti dallo standard normativo e fornire così sicurezza all’utente della disponibilità dei suoi servizi.
- Il Data Center deve considerare le ridondanze necessarie per avere una progettazione e implementazione alla tolleranza di guasto con ridondanze interne a livello di percorsi e attrezzature.
- La base fondamentale del sistema di condizionamento è che gestisce i parametri di temperatura e umidità all’interno del Data Center.
- L’impianto elettrico, così come il sistema di condizionamento, devono essere correlati dalla capacità delle apparecchiature da installare, dipende dal numero di apparecchiature e dal consumo di ciascuna di esse per determinare la potenza e la capacità frigorifera necessarie per il Data Center.
- Si raccomanda inoltre, dopo aver installato completamente l’impianto elettrico, di eseguire prove di continuità elettrica, misura di correnti in diversi punti dell’impianto, prove per l’adeguata attivazione dei banchi batterie di una scansione termica di connessioni, schede e apparecchiature. Occorre inoltre stabilire una routine di revisione annuale per convalidare la validità dei risultati ottenuti.
- Effettuare le opportune regolazioni al sistema di climatizzazione prima di installare l’apparecchiatura informatiche e verificare le condizioni di temperatura e umidità relativa nell’ambiente e sotto il Pavimento Tecnico. Apparecchiature per aria condizionata. Devono mantenere una variazione massima di 2ºC di temperatura e del 5% di umidità relativa.
- Conoscere a fondo il sistema di sicurezza, il corretto utilizzo e le funzioni che svolge. Devono essere programmati i corsi di formazione e aggiornamento delle conoscenze almeno ogni anno, occupandosi principalmente di situazioni di emergenza, in modo tale che prima di ogni incidente agiscano con precisione e rapidità.
- Se in futuro è necessario installare nuove tubazioni per le comunicazioni, non devono ostacolare il flusso di aria di precisione per il raffreddamento delle apparecchiature dati.
- Eseguire test delle prestazioni al 100% del cablaggio bilanciato al termine della sua installazione (da parte di un team di test qualificato), nonché test di perdita di inserzione, lunghezza e polarità dei cavi con collegamenti in fibra ottica.
- Una volta completate le strutture di Comunicazione, occorre documentare in formato cartaceo e digitale: schemi di disposizione dei pannelli, delle apparecchiature e degli accessori negli armadi; percorsi e condotti di cablaggio; disegni di disposizione dei cavi e condotti sotto il pavimento sopraelevato e sopra il soffitto; identificazione di cavi, pannelli e conduttori.
