IDC 전력관리

1.전력(전력량) 관리

 

개요

 

건축물의 특성으로 인하여 데이터 센터에서 소모하는 전력의 사용량은 제한적일 수밖에 없다. 이는 한전 수전 용량의 제한에서부터 전력 기반 설비의 용량 및 공간 등의 여러 제약을 갖고 있기 때문이다. 수전을 받는 수용가의 입장에서 전력량의 최대값을 관리하는 것은 비용을 절감하기 위한 중요한 기법이다. 반면에 단순하게 장비의 전원을 끄는 것 이외에도, 꾸준하게 고효율 장비의 도입과 불필요한 전력소모를 줄이는 것이 더욱 도움이 된다. 데이터 센터는 전용 건물이 있는 반면에, 대부분의 데이터 센터는 임대건물을 쓰고있는 실정이다. 따라서 이번 장에서는 건축물에 따라 전력을 관리하는 방안에 대해 그린 관점에서 접근한다.

 

목적

 

데이터 센터의 그린화를 위해서 전력(전력량) 관리에 대한 이행 방안과 불필요한 전력소모를 줄이기 위한 방안을 마련한다. 또한 데이터 센터 전용 건물과 임대 건물에서의 전력관리 방안을 비교하고 해법을 습득한다.

 

항목 및 내용

 

기본적으로 전산 장비 배치 관리는 전용 건물과 임대 건물이 동일하다. 전력 용량 관리는 두 가지 사이에 상당한 차이를 보인다. 아래는 전용 건물과 임대 건물의 차이에 대해 간략화 한다.

 

- 전용 건물

• 거의 대부분의 전력 소모는 IT와 IT를 위한 기반 설비에서 발생한다.

• IT와 기반 설비의 계량이 확연히 구분되어 데이터 센터의 전원 사용 효과(PUE) 계산이 비교적 쉽다.

• 사무실 또한 운영 및 개발 업무를 위한 공간으로 사용된다.

- 임대 건물

• 전체 건물 중에서 전산실이 위치한 곳을 제외하면 나머지는 대부분 사무실 용도로 사용된다.

• IT와 기반 설비의 전력량 계량이 어렵기 때문에 전원 사용 효과(PUE) 계산이 상대적으로 어렵다.

 

o 전산 장비 배치 관리

데이터 센터의 가장 기본인 전산 장비의 배치는 ‘공조 부문’에서 언급한대로 시행하면 된다. 최근 데이터 센터 전산 장비들은 전원 이중화뿐만 아니라 요구하는 전원 사양이 상당히 높다. 이에 따라 전산 장비에 연결하는 전원 사양, 분전반 사양 및 전원케이블의 포설 위치를 달리해야 하는 경우가 발생한다. 따라서 에너지 효율화 관점과 전기 부문에서의 관리 방안은 다음과 같다.

- 전력 케이블 배선 : 전산 장비에 연결되는 모든 전력 케이블은 이중 마루 하부에서 연결하는 것이 좋다. 다만, 충분한 천장고가 확보될 경우에 상부 배선을 하는 경우가 있다. 또한 하부 배선을 할 경우에는 반드시 차가운 공기가 모이는 복도(Cold Aisle)에 설치해야 항온항습기 냉기 바람을 막지 않을 수 있다.

- 분전반 배치 : 전산실 내부의 모든 기반 설비들은 항온항습기 바람을 막지 않아야 한다. 또한 전산 장비는 항온항습기에서 기본적으로 2m 이상의 유격 거리를 두는 것이 바람이 잘 올라올 수 있는 방법이기도 하다. 반면에 전산 장비를 설치하는 상면의 제약에 의하여 무작정 유격 거리를 둘 수도 없는 실정이다. 따라서 항온항습기에서 가장 가까운 곳에 분전반(랙(rack) 타입)을 설치하면 어느 정도 해결할 수 있다. 그러므로 운영 과정에 불가피하게 분전반을 추가해야 할 경우에 감안할 수 있다.

- 전원 분배 장치(PDU) : 서버가 요구하는 전원 용량에 따라 PDU의 사양을 달리해야한다. 최근의 고용량 서버들이 많아지는 추세에서 예전처럼 20A 또는 25A 등의 동일한 PDU를 적용할 수 없으며, 랙(rack)에 탑재되는 서버에 맞춘 PDU를 랙(rack)에 설치해야 한다.

- 표준 19인치 서버 랙(rack) 내부의 모든 서버는 PDU에 콘센트를 이용하여 전원을 연결한다. 아래의 그림과 같이 콘센트 연결을 확실히 해야만 서버 전원의 안정성을 기하고, 약간의 단락 발생의 가능성이라도 줄일 수 있다.

 

- 용량(전력량) 관리

전력량 감시 및 관리는 그린 데이터 센터를 추진함에 있어서 가장 중요한 항목이다. 감시의 방안은 단순한 계량기에 의한 수작업 감시가 있으며, 설비 관리 시스템(FMS)에 의한 자동 감시가 있다.

설비 관리 시스템(FMS)으로 감시함에 따라 관리기능(사용량 추이, 피크 값, 장애 관리등)이 가능해 진다. 전원 사용 효과(PUE)를 계산하고 데이터 센터를 관리하기 위하여 앞서 언급한대로 전용 건물과 임대 건물을 구분하여 감시 및 관리방안을 도출한다.

 

• 임대용 건물 : 전산실용의 공간 이외에는 사무실 등의 용도로 사용된다. 24시간 운영되는 건물이 거의 없으며, 수전 이중화, 발전기 가동 상황 및 무정전 전원 장치와 항온항습기의 사용에도 많은 제약이 발생하고 있다. 건물의 다른 용도로 사용되는 전력과 전산실용의 전력을 구분하는 것이 가장 중요하다. 만약에 같이 사용하고 있는 경우에는 해당 전산용 기반 설비를 별도로 감시, 계량할 수 있는 설비가 요구된다. 그린 데이터센터의 운영을 위한 전력량 감시를 위하여 반드시 설치해야 한다. 대부분의 경우에 무정전 전원 장치용과 동력용(항온항습기, 냉각탑 등) 전력량은 해당 설비 전단의 변

압기 출력반에서 계량하게 된다.

• 전용 건물 : 전산 전용 건물의 특성에 의해 대부분 정확하게 무정전 전원 장치용과 동력용이 구분되어 있다. 따라서 전원 사용 효과(PUE)를 계산하기 위한 IT부하와 기반설비 부하량에 대한 측정이 상당히 정확하다. 전산 전용 건물에서는 일부 사무실이 있다 하더라도, 개발 및 운영 업무에 해당하는 조직이 사용한다. 따라서 전체 데이터센터에서 소모하는 총 전력 사용량과 무정전 전원 장치 출력단에서 측정하는 IT 부하량으로 계산이 가능하다.

• 아래의 그림은 설비 관리 시스템(FMS)으로 전력 사용량을 감시, 관리하는 예를 보여준다.

 

2.전력 설비 관리

 

개요

 

전력의 사용에 있어서, 전력의 품질을 유지하는 것이 에너지를 절약할 수 있는 방법중의 하나이다. 한국전력은 데이터 센터 운영에서의 주요한 파트너이다. 따라서 전기의 품질을 유지하고 감시하기 위해 긴밀한 협조가 요구된다. 또한 전기의 품질이 심각하게 변동하는 경우(전압․전류 변동, 순간적인 전압 강하(Sag), 순간적인 전압 상승(Spike), 서지(Surge), 전압 저하, 정전 등)에는 이를 제거하거나 최소화시킬 수 있는 장치에 투자해야 한다.

데이터 센터의 가용성과 안정성을 유지해야 함은 누구나 알고 있는 사항이다. 그러나 장애가 발생할 수 있는 원인을 미연에 차단하는 방법에 대해서는 쉬운 안내가 불가능하다. 다만, 이번 장에서는 전산 담당자도 쉽게 이해할 수 있도록 유도하고, 전기에너지를 효율적으로 사용하여 데이터 센터를 운영, 관리하는 방안을 도출한다.

 

목적

 

데이터 센터에서 사용하는 전력은 가용성과 안정성이 담보되면서 효율적으로 관리되어야 한다. 전력 설비는 사용하면서 꾸준한 전력량 감시를 하여야 하며, 전력량이 늘어나는 원인과 이유를 분명히 알고 있어야 한다. 이러한 전력 설비를 감시하고 효율적으로 관리하는 그린 데이터 센터 설립을 고려해야 한다.

 

다. 항목 및 내용

 

다음의 사항은 데이터 센터의 전력 장애로 인해 발생할 수 있는 사항과 그 징후에 대하여 표현한다. 데이터 센터의 전력 장애로 발생할 수 있는 사항은,

 

- 부분 또는 전체 센터의 중단이나 정상이 아닌 상태에서의 운영 중단

- 데이터 센터 장비의 심각한 장애

- 전기 보호 계전기와 백업 전력시스템의 비상 작동

- 전기 장비나 전산 장비의 전원 중단

 

또한, 품질에 문제가 있을 경우의 그 징후는 다음과 같다.

 

- 부하 차단기(CB)가 과부하 없이 트립(trip)이 된다.

- 변압기의 소음이 더욱 커진다.

- 낙뢰가 있는 동안에 전력 장비에서 문제가 발생된다.

- 자동화된 제어 시스템이 어떠한 이유 없이 정지한다.

- 전력 배전반, 케이블 등이 진동, 떨림 현상이 심하다.

- 전자 시스템이 자주 오동작을 하거나 실패한다.

- 전자 시스템이 위치가 바뀌면 제대로 동작되지 않는다.

- 시스템이 자주 재부팅을 요구한다.

- 조명 램프가 침침하거나 깜박거린다.

- 조명 램프를 자주 교체한다.

- 중성선 케이블이 발열된다.

- 모터의 기능이 약해진다.

- 예기치 못한 전기 요금 증가가 있다.

 

o 역률(Power Factor) 관리

역률이란 부하의 피상전력(VA) 중에서 실제로 부하가 일을 하는 데에 사용된 유효 전력(Watt)의 비율이다. 따라서 역률이 좋아지면 무효 전력(Var)의 비율이 낮아져서 전력손실을 줄일 수 있는 것이다. 반면에 효율이란, 투입된 전력에 대비한 출력 전력의 비율이다. 따라서 전력이 공급되는 부하에서 불필요하게 소모되는 전력 때문에 발생하게 되며, 효율이 높은 장비를 쓰는 것이 전력 손실을 줄일 수 있는 것이다. 그러므로 역률을 적절한 수준으로 관리할 수 있는 별도의 장비들을 사용하여야 한다.

 

그 중에서 고조파 필터 회로의 특징은 다음과 같다. 고조파 필터 회로란 리액터와 커패시터의 직렬 연결된 직렬 공진 회로이다. 이 고조파 필터 회로의 설계는 아래의 2가지 개념으로 설계된다.

 

- 동조 필터 회로(Tuned Filter Circuit): 각각의 동조는 특정 고조파 주파수에 맞추어 설계되며, 이때의 고조파 전류는 약 90 % 정도 감소될 수 있다.

• 재동조 필터 회로(Detuned Filter Circuit)

• 재동조 필터의 주요 목적은 변압기의 인덕턴스와 커패시터의 공진 조건을 피하기 위해 설계 된다.

• 이것은 부하의 상태에 따라서 변화되는 고조파 전류를 적절히 감소시킬 수 있도록 재동조 요소(Detuning factor)를 결정한다.

• 매우 일반적으로 재동조 요소를 7 %(227Hz)에 설정하는 경우 고조파는 약 30~50% 정도 감소하게 된다.

- 이러한 재동조 필터는 전력 계통에서 고조파를 저감시키고, 역률을 개선하는 가장 저렴하고, 합리적인 방법이다.

 

o 부하의 평형(Load Balance) 관리

건물에 인입되는 전기는 삼상 전원을 사용하고 있으나, 변압기에서 말단의 부하에 이르는 각 상의 전류값은 실제 다를 수밖에 없다. 실제로 불평형이 심화되면 안정적인 사용률을 초과하게 되어 배전계통과 접합 부분에 발열이 발생할 수 있다. 이는 안전상에 심각한 위협이 될 수 있으며, 불필요한 전력의 소모로 이어지게 된다. 따라서 전력 사용량뿐만 아니라 각 상의 사용량을 동시에 감시하여야 한다.

 

o 접합 부위 발열 관리

전력의 배전 및 분전 계통에서 저항이 높아지는 부분에는 발열이 생긴다. 이러한 저항의 상승 요인은 장비의 이상이나 접합 부분의 느슨함 및 안정 용량 이상의 전류 흐름으로 분석된다. 이를 방치할 경우에는 소실 및 손상 사고가 발생하여 화재가 날 수 있다. 따라서 전산 서비스의 안정성에 위협이 될 수 있으며, 발열로 인한 에너지 소모도 무시할 수 없기 때문에 주기적인 검사를 실시해야 한다. 비정상적인 발열의 감시는 열화상 카메라가 주로 이용된다.

 

o 배터리 관리

무정전 전원 장치/배터리 실은 항온항습이 필요하다(배터리의 경우, 온도가 30도 이상으로 높아지면, 방전 후에 충전이 불가능할 수 있다). 주기적인 부하의 상 밸런스를 확인하여 불필요한 발열을 제거하며, 정기적인 접속 부위를 점검하고 열화상 카메라로 접속 부위 촬영한다.

 

o 중성점 접지

- 고전압 장거리 송전 선로에 필요

- 전선로 및 기기의 절연 레벨 경감 : 지락 고장 시 건전상의 대지 전위 상승 억제

- 이상 전압의 경감 및 발생 방지

- 지락 고장 시 접지 계전기의 조속하고 확실한 동작

- 1선 지락 시 아크 지락의 조속한 제거 및 소액 리액터 접지 방식

- 과도 안정도에 대한 고려

 

o 지락(grounding) 발생 시 접지의 필요성

접지 설비(지락 방지 설비)는 정상 상태에서 지락 전류가 흐르지 않으나 사고가 발생하면 지락 전류를 용이하게 흘려 전위 상승을 억제할 필요가 있기 때문이다. 접지 시스템은 그 특성상 많은 노이즈 전류와 서지(surge) 전류가 항시 흐르고 지락 사고 발생 시에도 많은 지락 전류가 흐르게 된다. 따라서 사용되는 접지 재료의 전류 용량, 내부식성 및 전식성과 같은 조건도 고려해야 한다.

 

- 지락 설비 : 고저항 접지 장치(HRG)

지락 계전기 : 지락 시 고저항으로 지락 전류를 최소한으로 제한하여 정전을 막고 계속 운전이 가능한 상태로 지락 지점을 찾도록 해주며 화재, 인명 피해를 막을 수 있다.

- 특징

• 누전 발생 시 사전에 감지할 수 있으므로 예방 보수가 가능

• 완전 지락 시 시스템의 정전 없이 전류 감지기(current detector)에 의해 고장점 탐지

• 아크 지락 시 일시적인 과전압 감소 가능