Was ist Power Quality in einem Rechenzentrum?

Power Quality, auch Netzqualität oder Spannungsqualität genannt, beschreibt die Qualität und Stabilität von Spannung und Strom, mit denen IT-Geräte versorgt werden.

Bei einer stabilen elektrischen Infrastruktur geht es nicht nur darum, ausreichend Leistung zur Verfügung zu stellen. Auch Abweichungen bei Spannung, Strom, Frequenz und Wellenform können für den zuverlässigen Betrieb der angeschlossenen Geräte relevant sein.

Wichtige Power-Quality-Parameter sind unter anderem:

• Total Harmonic Distortion (THD)
• Oberschwingungen und harmonische Verzerrungen
• Crest Factor
• Power Factor
• Spannung und Spannungsspitzen
• Strom und Stromspitzen
• Spannungseinbrüche
• Frequenz
• Phasenlast
• Fehlerstrom / Residual Current

Durch die kontinuierliche Überwachung dieser Werte erhalten Betreiber ein wesentlich vollständigeres Bild davon, was elektrisch in einem Rack geschieht, als dies allein durch die Messung des Energieverbrauchs möglich wäre.

Warum wird Power Quality für KI und High-Density-Racks immer wichtiger?

KI- und HPC-Infrastrukturen verändern die elektrischen Lastprofile moderner Rechenzentren.

GPU-Systeme können sehr hohe Leistungen benötigen, während sich ihre Last je nach Workload erheblich verändern kann. Moderne KI-Training-Racks können daher deutlich höhere und dynamischere Leistungsprofile aufweisen als herkömmliche Server-Racks.

Für Rechenzentrumsbetreiber bedeutet dies, dass die Information:

„Dieses Rack verbraucht 40 kW“

zunehmend nur einen Teil des Gesamtbildes darstellt.

Betreiber möchten zusätzlich wissen:

Ist die Spannung stabil?
Treten Stromspitzen auf?
Nimmt die harmonische Verzerrung zu?
Wie verhält sich der Power Factor?
Treten Abweichungen nur kurzfristig oder wiederholt auf?
Wann genau ist ein elektrisches Ereignis aufgetreten?

Hier wird Power Quality Monitoring besonders wertvoll.

Was ist Total Harmonic Distortion (THD)?

Total Harmonic Distortion, kurz THD, ist ein Maß für die harmonische Verzerrung einer elektrischen Spannungs- oder Stromwellenform.

Im Idealfall weisen Wechselspannung und Wechselstrom eine saubere Sinusform auf. Nichtlineare elektrische Lasten können diese Wellenform jedoch verzerren.

Server enthalten beispielsweise Schaltnetzteile. Diese und andere nichtlineare Lasten können Oberschwingungen im elektrischen System verursachen.

THD zeigt an, wie stark die Verzerrung im Verhältnis zur Grundfrequenz ist.

In einem Rechenzentrum können daher sowohl Voltage THD als auch Current THD wertvolle Informationen über die elektrischen Bedingungen liefern, unter denen die IT-Geräte betrieben werden.

Warum sollten Oberschwingungen im Rechenzentrum überwacht werden?

Oberschwingungen sind Frequenzanteile, die die normale sinusförmige Wellenform von Spannung oder Strom verzerren.

Dies ist relevant, da moderne Rechenzentren eine große Anzahl nichtlinearer elektrischer Lasten enthalten.

Wenn die harmonische Verzerrung zunimmt, kann dies ein Grund sein, genauer zu untersuchen, was innerhalb eines Racks oder an anderer Stelle in der elektrischen Verteilung geschieht.

Dabei ist insbesondere der Ort der Messung wichtig.

Eine Messung am Anfang der elektrischen Infrastruktur zeigt, was an diesem Punkt geschieht. Eine intelligente Rack-PDU kann elektrische Eigenschaften hingegen nahe an den IT-Geräten messen, die die elektrische Energie tatsächlich verbrauchen.

Dadurch eignet sich Power Quality Monitoring auf Rack-Ebene besonders gut, um Abweichungen zu erkennen und zu analysieren.

Was ist der Crest Factor?

Der Crest Factor beschreibt das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und dem RMS-Wert einer elektrischen Wellenform.

Er liefert damit Informationen darüber, wie hoch Spitzen in einer Strom- oder Spannungswellenform im Verhältnis zu ihrem Effektivwert sind.

Ein auffälliger Crest Factor kann zusätzliche Informationen über die Eigenschaften einer elektrischen Last und mögliche Verzerrungen der Wellenform liefern.

In Kombination mit THD-, Strom-, Spannungs- und Power-Factor-Messungen entsteht ein umfassenderes Bild als durch die alleinige Betrachtung des Energieverbrauchs.

Was sind Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen?

Ein Spannungseinbruch (Voltage Dip) ist eine vorübergehende Absenkung der Spannung.

Eine Spannungsspitze (Voltage Peak) ist dagegen eine vorübergehende Erhöhung der gemessenen Spannung.

Da solche Ereignisse sehr kurz sein können, sind sie bei der ausschließlichen Betrachtung aktueller oder durchschnittlicher Messwerte möglicherweise nicht sichtbar.

Deshalb ist die Ereignisprotokollierung wichtig.

Wenn ein Power-Quality-Monitoring-System eine Abweichung mit einem Zeitstempel erfasst, können Rechenzentrumsbetreiber anschließend untersuchen, wann das Ereignis stattgefunden hat, und es mit anderen Ereignissen im Rechenzentrum vergleichen.

Warum sollten Stromspitzen überwacht werden?

Auch beim elektrischen Strom können kurzzeitige Spitzen auftreten.

Insbesondere bei dynamischen IT-Lasten kann es wichtig sein, nicht nur den durchschnittlichen Strom, sondern auch Spitzenwerte zu kennen.

Eine dauerhaft hohe Last und eine kurzzeitige Stromspitze beschreiben zwei unterschiedliche elektrische Verhaltensweisen.

Durch die Analyse von Stromspitzen (Current Peaks) zusammen mit anderen Messwerten erhalten Betreiber einen besseren Einblick in das tatsächliche elektrische Verhalten eines Racks.

Was ist der Power Factor?

Der Power Factor, auf Deutsch Leistungsfaktor, beschreibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich genutzten Wirkleistung und der gesamten bereitgestellten Scheinleistung.

Ein Power Factor nahe 1 bedeutet, dass ein großer Anteil der bereitgestellten Leistung effektiv als Wirkleistung genutzt wird.

Der Power Factor kann daher zusätzliche Informationen über die elektrischen Eigenschaften von IT-Geräten liefern.

Zusammen mit Wirkleistung (W), Scheinleistung (VA), Blindleistung (VAR), THD und Crest Factor entsteht ein umfassenderes Bild der elektrischen Last.

Warum sollte die elektrische Frequenz überwacht werden?

In europäischen Rechenzentren arbeitet die elektrische Infrastruktur normalerweise mit etwa 50 Hz.

Die Frequenzüberwachung macht Veränderungen dieser grundlegenden elektrischen Frequenz sichtbar.

Obwohl die Frequenz in der Regel sehr stabil ist, gehört sie zu einem vollständigen Power-Quality-Bild und kann zusammen mit anderen Messwerten zur Analyse elektrischer Ereignisse verwendet werden.

Was ist Residual Current Monitoring?

Residual Current Monitoring (RCM), auch Fehlerstromüberwachung genannt, misst Fehler- bzw. Differenzströme innerhalb einer elektrischen Installation.

Ein Fehlerstrom kann erkannt werden, wenn die hin- und zurückfließenden Ströme nicht vollständig ausgeglichen sind.

Eine kontinuierliche Überwachung kann Rechenzentrumsbetreibern helfen, Veränderungen oder Abweichungen frühzeitig zu erkennen und gezielt zu untersuchen.

Schleifenbauer PDU 5.0 kann optional mit Residual Current Monitoring Typ B nach IEC/EN 62020 ausgestattet werden, einschließlich Messung von Gesamt-, Spitzen-, AC- und DC-Fehlerströmen.

Dies kann insbesondere in kritischen Rechenzentrumsumgebungen wertvoll sein, in denen Betreiber einen besseren Einblick in die elektrischen Bedingungen auf Rack- oder Phasenebene benötigen.

Warum Power Quality auf Rack-Ebene überwachen?

In einem Rechenzentrum befinden sich Messgeräte an verschiedenen Stellen der elektrischen Infrastruktur.

Letztendlich befindet sich die IT-Last jedoch im Server-Rack.

Die Rack-PDU ist eines der letzten Glieder zwischen der elektrischen Infrastruktur und den angeschlossenen IT-Geräten. Power Quality Monitoring auf PDU-Ebene kann daher wertvolle Informationen über das elektrische Verhalten nahe an der tatsächlichen IT-Last liefern.

Dadurch kann beispielsweise eine Abweichung in einem einzelnen Rack mit anderen Racks oder mit Messungen an anderen Stellen der elektrischen Infrastruktur verglichen werden.

Welche Power-Quality-Parameter kann eine intelligente PDU messen?

Nicht jede intelligente PDU misst dieselben elektrischen Parameter.

Schleifenbauer PDU 5.0 kann auf Input- und Branch-Ebene unter anderem folgende Parameter messen:

• Voltage / Spannung
• Voltage Dip / Peak
• Current / Strom
• Current Peak / Stromspitze
• Active Power / Wirkleistung (W)
• Apparent Power / Scheinleistung (VA)
• Reactive Power / Blindleistung (VAR)
• Energy / Energie
• Total Harmonic Distortion (THD)
• Crest Factor
• Frequency / Frequenz
• Power Factor / Leistungsfaktor
• Optional Residual Current Monitoring

Abhängig von der PDU-Konfiguration können verschiedene Messwerte auch auf Outlet-Ebene zur Verfügung stehen.

Eine intelligente Rack-PDU kann damit weit mehr sein als nur eine Stromverteilung oder ein Energiezähler. Sie kann gleichzeitig als Messpunkt für elektrische Bedingungen nahe an der IT-Last dienen.

Power Quality Monitoring mit Schleifenbauer PDU 5.0 und EnerTree

Bei Schleifenbauer ist die gewünschte PDU-Funktionalität unabhängig von der gewählten Management-Architektur.

Nach der Auswahl einer Metered, Monitored, Switched oder Managed PDU kann entschieden werden, wie die Intelligenz und die Power-Quality-Daten verwaltet werden sollen.

Dafür stehen zwei Hauptarchitekturen zur Verfügung.

Controller Module mit EnerTree Lite

Eine PDU mit Controller Module verfügt über lokale Intelligenz direkt in der PDU.

EnerTree Lite ist eine Embedded-Software, die direkt auf dem Controller Module läuft.

Über die Weboberfläche können Messdaten lokal angezeigt und verwaltet werden. EnerTree Lite unterstützt Power-Quality-Messungen wie THD, Crest Factor sowie Spannungsspitzen und Stromspitzen mit Zeitstempel. Darüber hinaus stehen historische Daten, Trends, Alarme sowie Integrationen über Protokolle wie SNMP, Modbus und REST zur Verfügung.

Diese Architektur entspricht dem konventionellen Ansatz für das Management intelligenter PDUs und eignet sich für kleinere oder lokal verwaltete Installationen.

Gateway Module mit EnerTree Platform

Für größere Umgebungen kann dieselbe intelligente PDU stattdessen mit einem Gateway Module ausgestattet werden.

Anstatt die Intelligenz lokal in jeder einzelnen PDU zu betreiben, wird das Management mit EnerTree Platform zentralisiert.

EnerTree Platform läuft als Software in einer dedizierten Virtual-Machine-Umgebung (VM) und ist für die zentrale Überwachung und Verwaltung von bis zu 10.000 PDUs ausgelegt.

Power-Quality-Daten aus einer großen Anzahl von Racks können dadurch zentral gesammelt, analysiert und miteinander verglichen werden.

EnerTree Platform bietet darüber hinaus Funktionen wie:

• Echtzeit-Monitoring
• Umfangreiche historische Daten
• Trends und Power-Quality-Analysen
• Dashboards
• Reporting und Analytics
• Geplante Berichte
• Schwellenwerte und Alarme
• Datenbank- und Datenexport
• Massenmanagement
• Zero Touch Provisioning
• Integration mit DCIM-, BMS- und ERP-Systemen

Power Quality Monitoring wird damit Teil einer umfassenderen Data Centre Energy Management (DCEM)-Umgebung.

Von einem Rack bis zu Tausenden von PDUs

Der Unterschied liegt also nicht nur darin, was die PDU messen kann.

Die entscheidende Frage ist vielmehr, wie diese Informationen verwaltet werden sollen.

Ein Controller Module mit EnerTree Lite bietet eine konventionelle, lokal intelligente PDU-Architektur.

Ein Gateway Module mit EnerTree Platform macht dieselbe PDU-Funktionalität zum Bestandteil einer zentralisierten und skalierbaren Plattform für Energie- und Power-Quality-Management.

Dank der modularen PDU-5.0-Architektur kann diese Entscheidung auch später geändert werden, indem das Kommunikationsmodul ausgetauscht wird, ohne die komplette PDU ersetzen zu müssen.

Power Quality Monitoring ohne separate Software-Lizenzgebühren

EnerTree Lite und EnerTree Platform sind Bestandteil der Schleifenbauer PDU-5.0-Architektur und stehen ohne wiederkehrende Software-Lizenzgebühren zur Verfügung.

Dadurch können Rechenzentrumsbetreiber Power-Quality-Daten, Energiemessungen, Alarme und historische Informationen sowie mit EnerTree Platform erweiterte zentralisierte DCEM-Funktionen nutzen, ohne dass die Software-Lizenzkosten mit jeder zusätzlichen PDU steigen.

Bei großen PDU-Installationen kann dies einen wesentlichen Unterschied bei den Gesamtkosten für Monitoring und Management ausmachen.

Power Quality als Bestandteil des Rack Energy Managements

Die steigende Leistungsdichte von KI-, GPU- und HPC-Infrastrukturen macht es immer wichtiger, nicht nur kWh und Rack-Last zu betrachten.

THD, Oberschwingungen, Crest Factor, Power Factor, Spannungseinbrüche, Spannungs- und Stromspitzen, Frequenz und Fehlerströme liefern jeweils unterschiedliche Informationen über das elektrische Verhalten innerhalb und rund um ein Rack.

Durch die Messung dieser Parameter nahe an der IT-Last und ihre zentrale Analyse erhalten Rechenzentrumsbetreiber mehr Informationen, um Abweichungen zu untersuchen, Trends zu erkennen und ihre elektrische Infrastruktur besser zu verstehen.

Mit Schleifenbauer PDU 5.0, EnerTree Lite und EnerTree Platform kann Power Quality Monitoring in dieselbe Infrastruktur integriert werden, die für Rack-Stromverteilung, Energiemessung und PDU-Management verwendet wird.

Mehr über Power Quality Monitoring erfahren?

Entdecken Sie EnerTree DCEM für PDU-Monitoring und Energiemanagement oder kontaktieren Sie Schleifenbauer, um zu besprechen, welche PDU- und Management-Architektur am besten zu Ihrem Rechenzentrum passt.