• Strategi listrik pusat data

Default Alternative Text

Tujuan pembelajaran

  1. 1. Memahami strategi-strategi yang digunakan untuk mendistribusikan listrik di pusat data.
  2. 2. Mempelajari bagaimana mengukur efisiensi listrik di pusat data.
  3. 3. Mengetahui variasi distribusi mana yang tepat untuk setiap penggunaan/aplikasi.

Pertarungan antara arus bolak-balik (alternate current/ac) milik Nikola Tesla dan arus searah (direct current/dc) dari Thomas Edison sudah berlangsung lebih dari satu abad, dan masih berlanjut di industri pusat data. Walaupun daya ac menjadi standar kerena potensinya melenyapkan kerugian konversi (conversion losses) dan meningkatkan efisiensi, banyak yang percaya bahwa daya dc adalah masa depan distribusi pusat data. Namun, masih banyak yang yakin bahwa tingkat efisiensi yang sama bisa dicapai oleh ac dengan menggunakan peralatan yang lebih efisien dan distribusi tegangan yang lebih tinggi seperti 415/230 V dan 480/277 V.

Jadi, strategi daya mana yang terbaik untuk pusat data Anda? Apa keuntungan dan tantangan dari setiap teknik distribusi listrik? Ini adalah pertanyaan penting yang harus dievaluasi ketika merencanakan pusat data. Tujuan artikel ini adalah melihat lebih dekat strategi-strategi yang digunakan untuk mendistribusikan listrik dan bagaimana dampaknya terhadap pusat data.

Efisiensi listrik

Salah satu metrik yang paling umum untuk mengukur efisiensi di pusat data adalah power usage effectiveness (PUE) yang diciptakan oleh The Green Grid. PUE membandingkan total listrik fasilitas pusat data dengan listrik yang digunakan untuk menjalankan peralatan TI. Pusat data yang optimal memiliki nilai PUE 1,0, ketika semua daya yang masuk ke pusat data langsung digunakan untuk menjalankan peralatan TI. Jika nilainya di atas 1,0, berarti ada listrik yang diarahkan ke sistem pendukung seperti pendinginan, pencahayaan, dan sistem listik. Semakin tinggi angka PUE, semakin besar listrik yang dikonsumsi sistem pendukung. Hasilnya adalah pusat data yang tidak efisien.

Di masa lalu, usaha untuk menurunkan PUE dan meningkatkan efisiensi berfokus pada sistem mekanik dan kemampuan untuk menggunakan free cooling. Saat pemilik pusat data terus berusaha untuk memangkas biaya, fokus beralih ke sistem kelistrikan. Sistem kelistrikan membuang energi dalam bentu kerugian (losses) akibat tidak efisiennya peralatan kelistrikan dan sistem distribusi. Rata-rata, sistem distribusi listrik bertanggung jawab atas 12% losses dari total energi yang dikonsumsi pusat data. Untuk pusat data dengan muatan TI sebesar 2.000 kW (total muatan 2.700 kW), itu setara dengan biaya tahunan sebesar US$280.000 (lihat Gambar 2).

Gambar 2: Dalam contoh konsumsi listrik pusat data ini, muatan TI memakan porsi paling besar. Sumber: Jacobs


Tips desain sistem listrik

Tinjau enam hal utama ini ketika merancang sistem distribusi listrik pusat data:

  • Pasang atau gantikan peralatan listrik dan TI yang sudah ada dengan peralatan yang hemat energi
  • Tinjau peralatan yang diajukan untuk menentukan apakah sistemnya dapat berjalan pada240 Vac atau 380 Vdc
  • Tinjau semua keuntungan dan tantangan dari sistem-sistem listrik yang berbeda tersebut
  • Tentukan seberapa banyak infrastruktur yang harus diganti untuk mengimplementasikan sistem listrik baru
  • Rancang sistem listrik yang fleksibel agar pusat data dapat beradaptasi di masa depan
  • Rancang sistem listrik yang modular dan berskala untuk menghindari partial loading

Sama seperti sistem mekanis, sistem kelistrikan juga bisa dimodifikasi untuk membuatnya lebih efisien dan hemat energi. Kunci utama untuk desain fasilitas kritis adalah tidak berkompromi dalam hal keandalan.

Sistem distribusi listrik yang umum

Sistem distribusi kelistrikan pusat data yang umum terdiri dari lima komponen utama. Listrik dialirkan ke pusat data pada tegangan menengah dari sumber/pembangkit listrik. Kekuatannya diturunkan dari tegangan menengah ke tegangan distribusi (480 V) oleh transformer gardu induk (substation). Listrik kemudian melewati sistem uninterruptible power supply (UPS) yang mengondisikannya dan memberikan kemampuan ride-through ketika terjadi pemadaman. Listriknya kemudian diturunkan lagi ke tegangan gardu induk (208/120 V) oleh power distribution unit (PDU). PDU mengantarkan listrik ke power supply TI, dimana listrik akan dimodifikasi dan diturunkan ke 12 Vdc yang merupakan tegangan operasi internal dari peralatan TI (lihat Gambar 3)


Gambar 3: Sistem distribusi kelistrikan pusat data yang umum terdiri dari lima komponen utama. Sumber: Jacobs

Empat komponen utama dalam sistem distribusi kelistrikan legacy:

  • Transformer gardu induk: Transformer tanpa beban dan core losses
  • UPS: Rectifier dan inverter losses
  • Transformer PDU: Transformer tanpa beban dan core losses
  • Power supply TI: Transformer tanpa beban dan core losses

Salah satu metode untuk meningkatkan efisiensi adalah mengganti peralatan yang ada dengan yang lebih efisien. Sebelum tahun 2005, ketika NEMA TP1 Guide for Determining Energy Efficiency for Distribution Transformers masih digunakan, efisiensi transformer mencapai 97%. Kini transformer ultra-efisien menghasilkan efisiensi mendapat 99,5%. Sistem UPS konversi ganda yang konvensional menghasilkan efisiensi yang bervariasi, dari 84% efisiensi pada 25% muatan hingga 94% pada 100% muatan. Menggunakan flywheel atau topologi UPS pasif bisa meningkatkan kisaran tersebut hingga 94% pada muatan 25% dan 99% pada 100% muatan.

Metode lainnya untuk meningkatkan efisiensi adalah menghapus partial loading pusat data. Menghapus partial loading akan mengurangi losses dengan memungkinkan peralatan untuk beroperasi pada puncak efisiensinya. Ini bisa dilakukan dengan merancang sistem listrik yang modular dan berskala, yang tumbuh bersama muatan, atau dengan merancang sistem listrik yang menggunakan tier yang fleksibel, dan mencocokkan keandalan serta redundancy dengan program-program dalam pusat data.

Metode ketiga adalah menghindari peralatan kelistrikan yang tidak efisien. Metode ketiga inilah yang menjadi alasan pengkajian mendalam strategi-strategi listrik.

Distribusi 415/240 Vac

Strategi distribusi listrik yang semakin sering digunakan pada pusat data adalah 415/240 Vac. Strategi ini tidak menggunakan PDU dan mendistribusikan listrik pada tegangan tinggi dari UPS langsung ke rak server. Tujuan utamanya adalah mendapatkan efisiensi dengan menghapus transformer losses yang berkaitan dengan PDU dan memungkinkan muatan TI untuk beroperasi dengan lebih efisien pada tegangan yang lebih tinggi (lihat Gambar 4).

Di Amerika Utara, standar sistem distribusi listrik diatur dalam konfigurasi "wye" dengan tegangan phase-to-phase 208 V dan tegangan phase-to-neutral 120 V. Di Eropa, sistemnya diatur dengan konfigurasi yang sama, tetapi menggunakan distribusi tegangan yang lebih tinggi. Tegangan phase-to-phase adalah 415 V dan tegangan phase-to-neutral adalah 240 V.

Untuk membakukan Amerika Utara dan Eropa, power supply TI dikembangkan untuk mengakomodasi cakupan tegangan 100-240 V. Konsep di balik strategi ini adalah mendorong power supplt TI ke sisi tinggi dari kisaran tegangan (240 V) dan menggunakan tegangan Eropa.

Gambar 4: Pada konfigurasi sistem distribusi listrik 415/240 Vac, tujuan utamanya adalah mendapatkan efisiensi dengan menghapus transformer losses yang berkaitan dengan PDU dan memungkinkan muatan TI untuk beroperasi secara efisien pada tegangan yang lebih tinggi. In

Keuntungan:

  • Efisiensi energi (penurunan 5-7% losses)
  • Penurunan muatan pada sistem pendingin
  • Peningkatan keandalan/reabilitas
  • Penyulang yang lebih kecil (smaller feeder) dan ukuran konduktor sirkuit cabang untuk menghasilkan kekuatan listrik yang sama
  • Dapatkan white space di pusat data (hilangkan dua rak per PDU)
  • Penghematan biaya pemeliharaan (PDU dan sistem mekanis)
  • Peralatan distribusi listrik sudah tersedia.

Tantangan:

  • Tingginya potensi arus gagal (fault current)
  • Potensi terjadinya arc flash harus ditanggulangi dengan personal protective equipment (PPE) tingkat tinggi
  • Konduktor netral dibutuhkan di seluruh sistem
  • Pengaruh harmonisa (harmonic influence) pada sistem.

Tantangan utama pada sistem distribusi 415/420 Vac adalah tingginya potensi arus gagal. Tidak adanya PDU dalam sistem berarti tidak ada impedansi trafo (transformer impedance) yang membatasi arus gagal hilir dalam pusat data.

Oleh karena itu, analisis korsleting harus dilakukan pada tahap awal perancangan untuk menentukan available interrupting current (AIC) dari peralatan kelistrikan dan memastikan peralatan mampu menahan gangguan arus yang lebih tinggi. Salah satu opsi yang perlu dipertimbangkan ketika merancang sistem 415/420 Vac adalah memecah sistem distribusi menjadi bagian modular yang lebih kecil. Dengan menggunakan trafo gardu induk tinggi impedansi yang lebih kecil, insinyur/teknisi bisa mengurangi arus gagal di keseluruhan sistem. Pilihan lainnya adalah menggunakan perangkat pembatas arus. Karena perangkat pembatas arus cendering bereaksi cepat, dianjurkan pula untuk melakukan studi koordinasi untuk memverifikasi keandalan sisrem.

Distribusi 480/227 Vac

Strategi distribusi listrik 480/277 mirip dengan 415/420 Vac yang meniadakan PDU dan mendistribusikan listrik pada tegangan tinggi langsung ke rak server. Tujuan utama, keuntungan, dan tantangan dari strategi distribusi listrik 480/277 Vac sama persis dengan strategi 415/230 Vac (lihat Gambar 5).

Gambar 5: Tujuan utama, keuntungan, dan tantangan dari konfigurasi distribusi listrik 480/277 Vac (ditunjukkan di sini) sama persis dengan strategi 415/230 Vac. Sumber: Jacobs

Kekurangan utama dari strategi distribusi listrik 480/277 Vac adalah 277 V melampaui rating mayoritas power supply peralatan TI yang hanya 240 V. Implementasi strategi ini membutuhkan server yang dibuat khusus dengan power supply yang dirancang untuk beroperasi di 277 V. Oleh karena itu, strategi ini lebih jarang digunakan dibandingkan strategi 415/240 Vac. Saat ini, strategi 480/277 Vac hanya digunakan pada fasilitas yang sangat besar, di mana penghematan energi lebih penting daripada biaya kustomisasi server.

Distribusi 600 Vac

Strategi distribusi listrik 600 V dibuat berdasarkan standar tegangan Kanada 575/347 Vac. Listrik di turunkan ke 600 Vac di trafo gardu induk dan didistribusikan ke sistem UPS. Listrik kemudian didistribusikan dari sistem UPS pada 600 Vac ke PDU di dekat pusat data. Di PDU, tegangan diturunkan ke 415/240 V atau 208/120 V lalu didistribusikan ke peralatan TI (lihat Gambar 4).

Keuntungan:

  • Pengurangan biaya tembaga (bus peralatan dan penyulang yang lebih kecil untuk menghasilkan jumlah daya yang sama)
  • Menggunakan penuh peralatan listrik 600 V
  • Arus gagal yang lebih rendah (impedansi trafo PDU)

Tantangan:

  • Tidak ada peningkatan efisiensi (losses trafo PDU)
  • Tidak ada white space di pusat daya
  • Tidak menghemat biaya pemeliharaan

Meski strategi distribusi 600 Vac tidak menghapus losses trafo PDU atau menghemat biaya pemeliharaan, strategi ini mengurangi biaya modal. Sistem 600 Vac memanfaatkan pengurangan arus pada tegangan yang lebih tinggi, menghasilkan konduktor yang lebih kecil atau lebih sedikit. Menggunakan konduktor yang lebih kecil atau lebih sedikit akan mengurangi jumlah tembaga dan menghemat biaya. Tegangan yang lebih tinggi juga memungkinkan gardu induk yang lebih besar. Bergantung pada ukuran pusat data, penggunaan gardu induk yang lebih besar bisa mengurangi jumlah kebutuhan gardu induk.

Daya/listrik 380 Vdc

Bertolak belakang kepercayaan umum, listrik dc sangatlah lazim. Industri telekomunikasi dan transportasi telah menggunakan listrik dc selama bertahun-tahun. Sumber energi alternatif dan terbarukan seperti tenaga surya, tenaga angin, dan sel bahan bakar merupakan sumber listri berbasis dc. Sebagian besar perangkat listrik di hunian dan perkantoran beroperasi secara internal menggunakan listrik dc. Dan, yang peling penting, perangkat penyimpanan energi seperti baterai dan sistem UPS juga menggunakan dc.

Jika Anda melihat sistem distribusi pusat data tradisional, listriknya di-rectify/diubah dari ac ke dc, dibalikkan dari dc ke ac, diubah dari 480 Vac ke 208 Vac, diubah lagi dari ac ke dc, lalu diturunkan ke 12 Vdc sebelum disalurkan ke peralatan TI. Setiap kali listrik dikonversi, losses terjadi dalam bentu panas dan menyebabkan penurunan efisiensi energi.

Strategi distribusi listrik 380 Vdc mengantarkan listrik dc dari IPS (dc rectifier) langsung ke power supply TI. Tujuan utamanya adalah meraih efisiensi dengan meniadakan inverter losses di UPS,rectifier losses di power supply TI, dan losses trafo yang berkaitan dengan PDU (lihat Gambar 4).

Gambar 8: Building information modeling (BIM) ini adalah hasil rendering dari pusat data kerapatan tinggi (high-density). Pusat data ini dikonfigurasi dengan sistem isolated redundant UPS dan menggunakan distribusi 415/240 V ke rak. Sumber: Jacobs


Keuntungan:

  • Efisiensi energi (penurunan losses sebesar 8-10%)
  • Penurunan muatan pada sistem pendingin
  • Peningkatan keandalan/reabilitas
  • Jejak fisik yang lebih kecil
  • Terintegrasi dengan sumber energi alternatif
  • Mengurangi biaya pemeliharaan.

Tantangan:

  • Tidak banyak diketahui dan sulit menemukan teknisi dengan pengalaman di sistem dc
  • Arus dc tidak memiliki zero crossing, sulit untuk memadamkan arc
  • Harus mewaspadai penurunan tegangan pada penyulang positif dan negatif
  • Risiko arc flash dc (NFPA 70E menyediakan panduan untuk perlindungan arc flash dc).

Selain sulit menemukan teknisi listrik yang berpengalaman dalam listrik dc, tantangan utama dari ds adalah minimnya standar yang tersedia. Namun, ini mulai berubah. Baik European Telecommunications Standards Institute (ETSI) dan EMerge Alliance telah membakukan 380 Vdc dan membuat panduan untuk distribusi listrik dc.

Kecuali jika pusat datanya ditenagai sepenuhnya oleh sumber listrik alternatif, seperti sel bahan bakar, kemungkinan besar pusat data menggunakan listrik ac dari utilitas. Dalam sistem listrik dc, UPS digunakan untuk mengubah listrik dari ac ke dc. Karena distribusi ke pusat data menggunakan dc, bypass sistem UPS juga akan membutuhkan rectifier. Akibatnya, sistem dc lebih hemat biaya dalam sistem yang redundant penuh (Tier IV) di mana UPS kedua (dc rectifier) digunakan sebagai bypass. Hal yang perlu diperhatikan ketika merancang sistem distribusi listrik dc adalah menggunakan perangkat perlindungan yang tepat, dan mengikuti syarat spesisik untuk sistem grounding dc (merujuk ke IEEE Standard 1100-2005 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment).

Dalam usaha untuk meningkatkan efisiensi energi dan menghemat biaya, berbagai strategi distribusi listrik ke pusat data mulai marak digunakan. Baik jika Anda berencana untuk memutakhirkan pusat data yang sudah ada, memperluas pusat data, atau membangun pusat data baru, perancangan sistem distribusi listrik merupakan bagian penting dari perencanaan, dan harus dievaluasi untuk menentukan sistem mana yang tepat untuk pusat data Anda.

Gambar 6: Ini menunjukkan sistem distribusi listrik legacy 208/120 Vac dalam diagram garis tunggal. Sumber: Jacobs


Studi kasus teoretis

Dua strategi distribusi listrik ke pusat data yang paling populer adalah arsitektur ac yang lebih tinggi 415/240 V dan arsitektur 380 Vdc.

Studi kasus teoretis ini dilakukan oleh Jacobs-KlingStubbins untuk membandingkan biaya modal dan biaya operasional dari kedua strategi ini untuk pusat data 208/120 V. Studi kasus tersebut berdasar pada penyederhanaan pusat data teoretis dengan muatan TI 2 MW, 2 N redundancy (Tier IV), enam modul UPS 750 kVa, dan 30 rak 5 kW per baris.

Sistem 415/240 menghemat 12% biaya modal dan 20% biaya operasional dibandingkan pusat data legacy 208/120 V. Sistem 380 Vdc menghemat 14% biaya modal dan 28% biaya operasional dibandingkan pusat data legacy 208/120 V. Perlu dicatat bahwa, berbeda dengan sistem legacy dan 415 Vac, sistem 380 Vdc menggunakan redundant UPS (dc rectifier) sebagai bypass dan tidak menggunakan bypass terpisah untuk setiap sistem UPS.

Gambar 7: Diagram garis tunggal sistem distribusi listrik 380 Vdc menunjukkan redundant UPS (dc rectifier) sebagai bypass dan tidak menggunakan bypass terpisah di tiap sistem UPS (dc rectifier). Sumber: Jacobs



Kenneth Kutsmeda adalah pimpinan teknik desain di Jacobs (KlingStubbins) di Philadelphia. Selama lebih dari 18 tahun, dia bertanggung jawab atas teknis, perancangan, dan commissioning sistem distribusi listrik untuk fasilitas kritis. Dia berpengalaman membangun pusat data, gedung penelitian dan pengembangan khusus, dan fasilitas teknologi berskala besar yang menggunakan distribusi tegangan menengah.

CSE_Logo_Color_ID

Didukung oleh ContentStream®