Server benötigen Strom, um zu arbeiten. Jede Millisekunde Stromunterbrechung führt zu einem Serverausfall. Deshalb setzen moderne Rechenzentren ausgeklügelte Stromversorgungssysteme ein, um Ihre Projekte online zu halten, selbst wenn Probleme mit der Hauptstromversorgung auftreten.
Schauen wir uns an, wie diese Systeme dieses Maß an Zuverlässigkeit ermöglichen. Der folgende Artikel wird Sie durch die folgenden Punkte führen:
- Das Design der Stromversorgungssysteme in Rechenzentren
- Verschiedene Möglichkeiten zur Erreichung von Stromredundanz
- Was passiert, wenn der Hauptstrom ausfällt
- Wie Backup-Systeme Ihre Server am Laufen halten
- Warum modernes Energiemanagement für Ihre Projekte wichtig ist
Im gesamten Artikel verwenden wir Hub Europe, unser Flaggschiff-Rechenzentrum, als Beispiel, um Ihnen zu zeigen, wie Strom in Rechenzentren funktioniert – nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis.
Stromanforderungen des Rechenzentrums
Rechenzentren verbrauchen enorme Mengen an Strom – so viel wie tausende Haushalte zusammen. Ihre Server benötigen zusammen mit Kühlsystemen und anderer Infrastruktur Megawatt Strom, der zuverlässig rund um die Uhr geliefert wird. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Ein 3,1-MW-Rechenzentrum wie Hub Europe verbraucht etwa so viel Strom wie eine kleine Stadt.
Während ein Haus gelegentliche Stromausfälle ohne größere Probleme überstehen kann, müssen Rechenzentren die Arbeitslast unterstützen, die Kunden auf den darin befindlichen Servern ausführen..
Zuverlässigkeitsstufensystem
Wie diese kontinuierliche Stromversorgung sichergestellt wird, wurde vom Uptime Institute in ein Stufensystem kodifiziert. Unterschiedliche Rechenzentrenstufen bieten erheblich unterschiedliche Zuverlässigkeitsstufen:
Stufe IRechenzentren bieten grundlegende Kapazitäten ohne Redundanz. Sie haben einen einzigen Pfad für Strom und Kühlung und bieten eine Betriebszeit von 99,671% (bis zu 28,8 Stunden Ausfall pro Jahr). Während der Wartung müssen diese Einrichtungen vollständig heruntergefahren werden, was sie nur für nicht-kritische Arbeitslasten geeignet macht.
Stufe II Rechenzentren fügen einige redundante Komponenten hinzu, haben jedoch weiterhin einen einzelnen Verteilungspfad. Sie bieten eine Betriebszeit von 99,741% (bis zu 22 Stunden Ausfall pro Jahr). Obwohl redundante kritische Strom- und Kühlkomponenten vorhanden sind, fehlen die mehrfachen Verteilungspfade, die für die gleichzeitige Wartung erforderlich sind.
Stufe III Rechenzentren erfordern:
- 72-Stunden-Backup-Stromversorgung für längere Ausfälle
- N+1 Redundanz: Jedes kritische System muss mindestens einen zusätzlichen Backup haben, der die gesamte Last des ursprünglichen Systems übernehmen kann. Dies ermöglicht Wartungsarbeiten, ohne Ihre Dienste zu unterbrechen.
Die oben genannten Standards sollen eine Betriebszeit von 99,982 % sicherstellen. Das sind bis zu 1,6 Stunden potenzieller Ausfall pro Jahr.
Die Prinzipien der Stufe III sind in unser Hub Europe Rechenzentrum integriert, indem es doppelte Stromversorgungen, mehrere Backup-Systeme und unabhängige Strompfade gibt, die die Stromversorgung bis zu Ihren Servern gewährleisten. Das System ist wie ein Netzwerk von unterirdischen Autobahnen aufgebaut, durch die Elektrizität in separaten, geschützten Tunneln fließt. Selbst wenn eine „Straße“ blockiert wird, fließt der Strom weiterhin reibungslos über die alternative Route.
Der Weg des Stroms durch das Rechenzentrum
Der Strom folgt einem sorgfältig geplanten Weg von den Versorgungsunternehmen zu den Servern im Rechenzentrum. Lass uns diese Reise durch jede Phase verfolgen, um den Stromfluss besser zu verstehen.
Von der Versorgung zur Einrichtung
Strom gelangt über Hochspannungsleitungen in das Rechenzentrum – typischerweise mit 2 bis über 30 Kilovolt. Ähnliche Stromanforderungen finden sich in Einkaufszentren, regionalen Krankenhäusern, Universitätsgeländen und schweren Industrieanlagen wie Stahlwerken oder Chemiewerken.
Moderne Rechenzentren wie Hub Europe verwenden zwei unabhängige Versorgungen für Redundanz. Jede 20 kV-Verbindung erstellt ihre eigene Stromkette mit speziellen Geräten – wenn eine Versorgungsleitung ausfällt, läuft Ihre Server weiterhin über die andere.
Transformatoren wandeln die eingehende Hochspannung in eine für die Einrichtung nutzbare Spannung um und reduzieren sie auf 480 Volt. Dies schafft bereits in der ersten Phase zwei vollkommen unabhängige Strompfade. Im Vergleich dazu erfüllt der Netzteiltransformator, der deinen Laptop mit Strom versorgt (der typischerweise die Spannung aus der Steckdose auf 19 Volt umwandelt), denselben grundlegenden Zweck wie diese massiven Rechenzentrumsgeräte, aber im Miniaturformat – es werden Watt statt Megawatt gehandhabt.
Die vollständige Stromkette schafft mehrere Umwandlungspunkte, an denen die Spannung schrittweise auf ein handhabbareres Niveau reduziert wird:
- Versorgungsvoltage (20+ kV, die ins Rechenzentrum führt)
- Verteilungsnetz der Einrichtung (480V nach der Transformatorumwandlung)
- Geräteebene (400V in modernen Einrichtungen oder 208V in traditionellen Einrichtungen)
- Serverbereite Stromversorgung (typischerweise 208V/120V einphasig oder 400V/230V dreiphasig, je nach den Anforderungen des Servers)
Jeder Schritt reduziert die Spannung auf handhabbarere und sicherere Werte, während die erforderliche Stromkapazität für den Betrieb der Serverausstattung erhalten bleibt. Moderne Server verfügen in der Regel über Netzteile, die eine Spannungsbreite (100-240V) unterstützen, sodass sie unabhängig von geringfügigen Variationen in der finalen Stromversorgung effizient arbeiten können.
Zentrale Verteilung
Vom Transformator fließt der Strom zu einem zentralen Knotenpunkt (wie dem Niederspannungshauptverteilungssystem – LVMD – im Fall von Hub Europe). Dieses ausgeklügelte System vereint sowohl die Stromverteilung als auch die Umschaltfunktionen in einem zentralen Knotenpunkt. Es fungiert als Verkehrsregler, der den Strom durch mehrere Pfade lenkt:
- Durch UPS-Systeme zu deinen Servern
- Direkt zu den Einrichtungssystemen wie der Kühlung
Es verarbeitet auch zusätzliche / alternative Stromquellen – im Fall von Hub Europe beispielsweise ein 250 kW Solarpanel und ein Notstromdieselgenerator. Apropos Solarenergie: Das 250 kW-System erzeugt genug Strom, um rund 125 Haushalte gleichzeitig zu versorgen.
Das Solarpanel ist nur ein Teil der umfassenderen Nachhaltigkeitsinitiativen bei Hub Europe, die es Contabo ermöglicht haben, die ISO 50001-Zertifizierung für Hub Europe zu beantragen – ein Beweis für unser Engagement für Nachhaltigkeit. Erfahre mehr auf unserer Nachhaltigkeitsseite.
Schutz- und Backup-Systeme
In das LVMD sind Komponenten des Automatischen Umschalters (ATS) integriert. Diese Komponenten überwachen ständig die Qualität des eingehenden Stroms und achten auf folgende Punkte:
- Kompletter Stromausfall (Blackouts)
- Spannungsabfälle (Brownouts)
- Kurzzeitige Schwankungen
Wenn der Netzstrom ausfällt, hält eine Reihe von Ereignissen die Server am Laufen:
- UPS-Systeme aktivieren sich innerhalb von Millisekunden und liefern sofort Backup-Strom
- Notstromgeneratoren starten sofort und beginnen mit ihrer Aufwärmsequenz
- Während der nächsten 10-15 Sekunden erreichen die Generatoren ihre volle Geschwindigkeit und stabile Leistung
- Der ATS überwacht kontinuierlich die Qualität der Generatorstromversorgung
- Sobald der Generatorstrom stabilisiert ist, wechselt der ATS die Server von der USV auf den Generatorstrom
- Wenn der Netzstrom zurückkehrt, überprüft der ATS dessen Stabilität, bevor er wieder umschaltet
- Während all dieser Übergänge laufen die Server ohne Unterbrechung weiter
Generatoren benötigen typischerweise mehrere Sekunden, um volle Leistung zu erreichen und sich zu stabilisieren. Während dieser Übergangszeit überbrücken USV-Systeme die Lücke, um sicherzustellen, dass die Server den Wechsel niemals bemerken.
Der USV-Ansatz variiert je nach Einrichtung – einige verwenden batteriebasierte Systeme, die bis zu 15 Minuten Strom bereitstellen, während andere Schwungradsysteme für kürzere Abdeckung einsetzen. Hub Europe, unser Beispiel, verwendet batteriebasierte USV.
Das USV-System selbst ist redundant ausgelegt, um zusätzlichen Schutz zu bieten und eine unterbrechungsfreie Wartung zu ermöglichen. Doppelte USV-Pfade schaffen zwei völlig unabhängige Stromschutzsysteme für deine Server. Bei Hub Europe bedeutet dies, dass deine Geräte gleichzeitig von zwei separaten USV-Systemen mit Strom versorgt werden, die jeweils die volle Last bewältigen können, falls das andere ausfällt.
Wenn eine USV Wartung benötigt, laufen die Server weiterhin auf dem zweiten Pfad ohne Unterbrechung. Dieser Dual-Pfad-Ansatz beseitigt Single Points of Failure im Stromschutzsystem – wenn eine USV Probleme mit Batterien, Elektronik hat oder Firmware-Updates benötigt, hält die redundante USV alles reibungslos am Laufen.
Letzte Lieferung
Bodenmontierte Stromverteilungsgeräte (PDUs – Geräte, die elektrische Energie an mehrere Geräte in einem Rechenzentrum verteilen) führen die nächste Spannungsumwandlung durch. Sie reduzieren die 480V-Stromversorgung entweder auf 400V (in modernen Einrichtungen) oder 208V (in traditionellen Setups). Die Option 400V reduziert den Stromverlust während der Verteilung und verbessert die Gesamteffizienz.
Von PDUs verteilen Remote Power Panels (RPPs) den Strom über dedizierte Stromkreise, die jeweils durch ihre eigenen Sicherungen geschützt sind. Während traditionelle Einrichtungen Strom über Kabel unter dem Boden führen, nutzen einige neuere Rechenzentren oberirdische Bussysteme für flexiblere Stromverteilung.
An jedem Rack enden Stromschläuche in standardisierten Steckdosen, die oben oder unten im Servergehäuse montiert sind. Diese Kisten sind mit zwei separaten Rack-PDUs verbunden – einer aus jeder Stromkette. Moderne Server nutzen dieses Dual-Power-Setup durch redundante Netzteile. Jedes Netzteil wird mit einer anderen PDU verbunden und bezieht Strom aus unterschiedlichen Ketten. Wenn eine der Ketten Probleme hat, läuft der Server automatisch vollständig auf der verbleibenden Versorgung ohne Unterbrechung.
Redundanz in Aktion
Wie wir gesehen haben, nutzen moderne Rechenzentren mehrere Schutzschichten, um den Strom bei Problemen aufrechtzuerhalten. Um dies zu veranschaulichen, werfen wir einen genaueren Blick darauf, wie die Dinge bei Hub Europe funktionieren, wenn verschiedene Szenarien auftreten.
Normale Betriebe
Während des Normalbetriebs fließt der Strom vom primären 20-kV-Abgabepunkt durch das Stromspeisesystem und das Transformator-System sowie das Photovoltaik-Array. Das LVMD erhält 3,1 MW Strom vom Transformator (ergänzt durch bis zu 250 kW aus Solarenergie) und verteilt ihn auf drei Pfade:
- Über Einspeisung 1 in das USV-System
- Über Einspeisung 2 als redundanten USV-Pfad
- Direkt zu den Einrichtungssystemen wie Kühlung und Beleuchtung
Primärer Energieausfall
Wenn der Hauptstromabgabepunkt ausfällt, wird die 20-kV-Backup-Verbindung automatisch aktiviert. Der Übergang erfolgt nahtlos durch das Stromspeisesystem, wobei die konsistente Stromversorgung für alle Systeme aufrechterhalten wird.
Kompletter Versorgungsausfall
In der seltenen Situation, in der beide Versorgungsquellen ausfallen würden, werden mehrere Systeme aktiviert:
- Das USV-System liefert sofort Strom für kritische Lasten
- Der 3,1 MW-Notstromgenerator aktiviert sich
- Der Bypasskreis erlaubt eine direkte Generatorverbindung, falls nötig
- Solarstrom liefert weiterhin bis zu 250 kW an das LVMD, wenn möglich
Wartung ohne Unterbrechung
Abgesehen von Stromausfallszenarien erfordern Rechenzentren regelmäßige Wartung, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Dazu gehören Batteriewechsel der USV, Generatorprüfungen und Kraftstoffmanagement, Inspektionen der Stromverteilungskomponenten und Infrastruktur-Upgrades. Das redundante Design von Hub Europe bedeutet, dass diese wesentlichen Aktivitäten ohne Beeinträchtigung der Server stattfinden. Zum Beispiel während der Wartung der USV:
- Zuerst stellen die Ingenieure sicher, dass der alternative Strompfad die volle Last tragen kann
- Sie aktivieren den Bypass-kreise, um den Wartungsbereich zu isolieren
- Der Strom fließt durch redundante Systeme, während die Arbeiten fortgesetzt werden
- Nach den Tests werden die Systeme ohne Unterbrechung des Dienstes wieder verbunden
Wie bereits erwähnt, bedeutet der N+1-Redundanzstandard, dass jedes kritische System mindestens eine unabhängige Sicherung hat. Diese Redundanz erstreckt sich über alle Schutzsysteme – von den Stromzuführungen über die USV-Einheiten bis hin zu den Verteilungspfaden. Wenn eine einzelne Komponente gewartet werden muss oder einen Ausfall erfährt, bleiben deine Anwendungen durch die Backup-Systeme geschützt.
Tests in der realen Welt
Systemtests werden durchgeführt, um zu zeigen, wie gut diese Schutzschichten zusammenarbeiten. Zum Beispiel beinhaltete der Stresstest bei Hub Europe, durchgeführt im August 2024, das schrittweise Erhöhen der Lasten über verschiedene Energiepfade, während alle Systeme überwacht wurden. Selbst bei Spitzenlasten von 1.800 kW blieb die Spannung stabil und die Backup-Systeme waren einsatzbereit.
Das Fazit
Wenn du deine Anwendungen in einem modernen Rechenzentrum hostest, arbeiten mehrere Stromschutzsysteme zusammen, um deine Projekte online zu halten. Von dualen Versorgungsleitungen bis hin zur Rack-Level-Redundanz, fügt jede Komponente eine weitere Schutzebene für deine Server hinzu.
Bei Hub Europe beweist diese ausgeklügelte Strominfrastruktur ihren Wert jeden Tag. Mit umfassenden Backup-Systemen erhalten deine Server die zuverlässige Energie, die sie benötigen, um ohne Unterbrechung zu laufen.