Отказоустойчивые системы бесперебойного электропитания

Подключение высокоточного оборудования, чувствительного к ухудшению качества электроэнергии (компьютеров, активного сетевого оборудования, телекоммуникационной аппаратуры), к существующим электрическим сетям без дополнительной защиты влечет за собой вероятность его выхода из строя и потери невосполнимой информации. По некоторым данным, в типичном офисе за год наблюдается около трехсот потенциально опасных возмущений напряжения. Причем наиболее типичная ситуация — падение напряжения, которое длится обычно всего порядка 5 с, но и этого бывает достаточно для потери файлов и остановки ПК или сервера. Между тем наиболее серьезная проблема состоит в полной потере электропитания, что имеет место почти в 20% случаев.

Клиент не станет разбираться, из-за чего произошла задержка в выполнении его заказа. В результате для любой компании вполне вероятна не только потеря заказчиков, но и приобретение дурной славы необязательного исполнителя. Но последствия могут быть и гораздо тяжелее. Так, очевидно, что сбои в электроснабжении оборудования в банковской и финансовой сфере способны привести к несвоевременной передаче или потере пакетов информации, выходу из строя отдельных фрагментов слаженной системы расчетов, что повлечет за собой убытки, многократно превышающие стоимость оборудования. А в медицине, например, отказ комплекса систем жизнеобеспечения грозит уже не потерей капитала, а потерей человеческой жизни. Риск техногенных аварий, аварий на транспорте заставляет принимать самые серьезные меры для обеспечения надежности электроснабжения.

Таким образом, в любой компании необходимо определить критические нагрузки конкретного бизнес-процесса и обеспечить для них бесперебойное электроснабжение. Один из самых надежных способов защиты высокочувствительного оборудования и информации заключается в создании систем гарантированного энергоснабжения, построенных на основе мощных источников бесперебойного электропитания (ИБП) и дизель-генераторных установок.

При построении системы бесперебойного электропитания, прежде чем закупать оборудование, необходима стадия проектировки системы, на которой определяются основные задачи, формулируется техническое задание, намечаются основные варианты решения, оценивается экономическая эффективность проекта и, наконец, принимается окончательное решение. Стоит отметить, что в любой организации потребители электроэнергии не равнозначны по требованиям к качеству электропитания. Их целесообразно разбить на группы, что позволяет перераспределить ресурсы с максимальным эффектом. Так, в здании, оснащенном средствами информационно-вычислительной техники и телекоммуникаций и оборудованном инженерной инфраструктурой для нормальной работы персонала и функционирования технических средств, можно выделить по крайней мере две основные группы потребителей электрической энергии, требующие разной надежности электроснабжения.

К первой группе обычно относят оборудование, требующее электропитания со стабильно высокими показателями качества, а также не допускающие по условиям технологического цикла перерывов в электропитании. В эту группу потребителей входят все компьютерное оборудование, системы связи, активное сетевое оборудование, аппаратура видеонаблюдения и сигнализации.

Ко второй группе относят оборудование, не требующее стабильно высоких показателей качества электроэнергии и допускающее кратковременный перерыв в электропитании. Эта группа потребителей включает в себя системы аварийного освещения, а также оборудование кондиционирования помещения, где размещается комплекс ИБП. Кроме того, в эту группу могут включаться такие системы, как комплекс средств охраны, сигнализации и другое оборудование, защищенное локальными источниками бесперебойного питания.

Структуры систем гарантированного энергоснабжения

При организации систем бесперебойного электропитания должно решаться множество вопросов, вытекающих из основных эксплуатационных характеристик локальных вычислительных сетей или другого аппаратного комплекса. Это прежде всего время автономной работы, устойчивость системы к внешним дестабилизирующим или поражающим факторам, проникающим по сетям электроснабжения, защита от утечки информации по каналам электроснабжения, устойчивость к одиночному отказу, живучесть, время восстановления и т. д. и т. п. В первую очередь необходимо ознакомиться с типами неполадок в электрической сети и способами борьбы с ними, отчетливо понимать, какие существуют классы систем бесперебойного электропитания, в каких случаях какие типы систем рекомендуется применять, каковы их преимущества и недостатки.

На сегодняшний день обычно рассматривают три наиболее распространенные структуры подобных систем — децентрализованную, централизованную и комбинированную.

Децентрализованная структура

Она предполагает установку достаточно большого количества маломощных офисных ИБП практически для каждого защищаемого прибора (компьютера, коммуникационного узла и т. д.). При правильном выборе ИБП в состав системы может включаться и дизель-генератор. В такой системе каждый потребитель (или группа локальных потребителей) запитывается от отдельного (локального) ИПБ соответствующей мощности. Такая схема рекомендуется для небольших офисов, где аппаратура не имеет постоянного расположения, для маломощных, многочисленных удаленных пользователей и т. д. Данный вариант предпочтителен в случае сложной топологии электрической сети, удаленности отдельных групп оборудования и отсутствия помещения для установки мощного ИПБ. Для реализации децентрализованной структуры используются ИБП мощностью от 250 В.А до 6 КВ.А.

Централизованная структура

Подобные структуры предполагают централизованное преобразование, стабилизацию и распределение энергии для питания потребителей. В общем виде в таких структурах подразумевается установка одного (нескольких работающих в параллель или находящихся в горячем резерве) ИБП, а также одного или нескольких дизель-генераторов. Дополнительные фильтры для особо ответственных потребителей могут быть вынесены непосредственно к нагрузкам либо также централизованы. Централизованная структура предпочтительна при необходимости защищать большое количество оборудования, размещенного в пределах одного здания. Для реализации данного варианта применяются ИБП мощностью от 7,5 до 500 кВ.А. Один из промежуточных вариантов схемы с использованием ИБП большой мощности — вариант установки нескольких ИБП, подключенных параллельно. При реализации данного варианта можно как использовать всю мощность системы, так и иметь возможность аппаратного резервирования. Считается, что использование одного центрального ИБП дает возможность снизить стоимость 1 кВ.А мощности системы бесперебойного питания.

Централизованная структура рекомендуется для применения на крупных объектах (в банках, крупных фирмах, на производстве и т. д.) — там, где критично обеспечить надежность функционирования всего аппаратного комплекса оборудования или технологического процесса особой важности.

Комбинированная структура

Такая структура содержит центральный ИБП, запитывающий всю нагрузку, и в дополнение к нему на особо ответственные участки сети (ответственные серверы, рабочие места) устанавливаются ИБП малой мощности. Эта схема позволяет увеличить время поддержания электропитания и повышает общую надежность всей системы. Характерный пример комбинированной структуры — организация поэтажных комплексов электроснабжения, объединяемых логическими и информационными связями, с возможностью частичного или полного резервирования в рамках единой системы.

Стоит отметить, что в чистом виде первые два варианта применяются достаточно редко. Для устранения недостатков, присущих каждому из них, часто применяется комбинированная двухуровневая система. Задача оптимизации такой системы с точки зрения мощности и стоимости оборудования состоит в том, чтобы определить наиболее ответственных потребителей и минимизировать число групп потребителей путем соответствующего конфигурирования локальной вычислительной сети.

Выбор оборудования

Выбор конкретных моделей ИБП и дизель-генераторов делается на основе данных о текущем и прогнозируемом состоянии оборудования, которое требует подключения к сети гарантированного электропитания. При расчете необходимой мощности ИБП учитывается, что при длительной эксплуатации мощных ИБП в условиях распределенной сети потребителей, подключенной к его входу, нельзя исключать возможность локальных перегрузок и включения несанкционированной нагрузки. Чтобы обеспечить устойчивую безаварийную работу оборудования, его мощность выбирается с запасом 15—20% от расчетной нагрузки. С другой стороны, для обеспечения резервирования параллельного комплекса ИБП в здании необходимо, чтобы расчетная мощность нагрузки не превышала суммарной выходной мощности ИБП без учета резервирования. Аккумуляторные батареи в ИБП, как правило, подбираются на время работы в автономном режиме (на батареях) до 30 мин. Теоретически обеспечить большее время работы, конечно же, можно, но экономически это нецелесообразно. Поэтому применяют систему электроснабжения с резервным источником энергии, где в качестве источника используется дизель-генератор.

Установленная мощность, как правило, зависит от двух факторов: расчетной мощности (мощности нагрузки) и степени избыточного резервирования. Избыточное резервирование может достигать 100%. В этом, наименее экономичном, случае используется схема из одного рабочего и одного резервного ИБП. Сегодня получил широкое распространение принцип резервирования N+1, когда резервируется только часть мощности ИБП, а схема системы бесперебойного электропитания построена таким образом, что позволяет задействовать резерв при отказе одного из работающих ИБП. Как правило, это схемы с так называемым горячим резервом (находящимся под нагрузкой). Этот принцип резервирования реализован в представленных на рынке различных модульных системах электропитания (так называемые модульные ИБП и/или энергетические массивы). Возможно и построение систем и без избыточного резервирования, но они менее предпочтительны. Время автономной работы определяется емкостью аккумуляторных батарей, в расчете на номинальную нагрузку. На практике время автономной работы обычно больше за счет избыточного резервирования и дискретности шкалы номинальных мощностей.

Существует устойчивое мнение, что централизованные системы, а точнее мощные ИБП, значительно дороже по сравнению с суммарной стоимостью маломощных ИБП в децентрализованных системах. На самом деле ряд экспертов утверждают, что это не совсем так. Оказывается, что грамотно спроектированная и реализованная централизованная система гарантированного электропитания в итоге оказывается по суммарным затратам значительно дешевле децентрализованной.

Характеристики отказоустойчивых систем

В оценке и описании систем бесперебойного питания используется несколько понятий и критериев: в частности, степень централизации или децентрализации системы, стоимость единицы мощности системы, запасная мощность и габариты, время простоя и надежность, уровень критических и некритических нагрузок.

Стоит иметь в виду, что в моноблочных ИБП практически любая единичная неисправность приводит к его выходу на нештатный режим работы — либо к отключению нагрузки, либо к переходу ИБП на работу на байпас. Иначе говоря, моноблочный ИБП не допускает ни единой неисправности — это приводит к утрате его основной функции устройства безопасности питания нагрузки. Надежность моноблочных систем питания описывается коэффициентом надежности, который составляет приблизительно 0,99. Это эквивалентно нескольким дням простоя нагрузки в год из-за неисправности ИБП. С недавнего времени, прежде всего с появлением Интернета, четко определилось понятие критических приложений для ИБП. Надежность питания для таких приложений должна составлять 0,999 (что эквивалентно нескольким часам простоя нагрузки в год из-за неисправности ИБП).

В отличие от многих ИБП средних размеров, где даже малая внутренняя неисправность может привести к выходу из строя всего источника, в ИБП модульной архитектуры эта проблема решена. Неисправные компоненты изолируются в свой блок или узел, который можно быстро диагностировать и заменить без больших затрат, даже без прекращения работы защищаемой системы. Помимо исключительной надежности, модульный подход также помогает уменьшить затраты на весь период жизни системы наполовину по сравнению с устройствами других типов. Более того, модульный ИБП легко демонтировать или заменить на месте (от сотрудников для этого не требуется специальной подготовки), причем без отключения питания от предохраняемых устройств. Это уменьшает среднее время замены MTTR с нескольких дней или недель до нескольких минут.

Известно, что надежность системы в значительной мере определяется характеристиками ИБП. Для питания особо ответственной нагрузки чаще всего применяют горячее резервирование ИБП. В этом случае при выходе из строя одного источника остальные немедленно принимают его нагрузку на себя. Вообще говоря, широко известны два варианта резервирования ИБП — последовательное и параллельное. Однако в мощных централизованных системах бесперебойного электропитания используется именно параллельное резервирование по схеме N+1. Кроме того, многие фирмы-производители ИБП обеспечивают параллельную работу своих источников.

Довольно часто современные системы защиты электропитания классифицируют по уровню так называемого коэффициента доступности электропитания. В этом случае обычно рассматривают моноблочные, отказоустойчивые и модульные ИБП.

Традиционный (моноблочный) ИБП не обладает ни избыточностью, ни возможностями горячей замены. Как правило, он обеспечивает нормальную степень доступности электропитания, используя надежность ИБП как такового. Такие системы наиболее эффективны в диапазоне малых мощностей (до 5 кВ.А), когда несколько моноблочных ИБП могут защитить отдельные критические звенья системы. Для защиты электропитания наиболее критичных объектов одного ИБП оказывается уже недостаточно. Чтобы получить централизованное решение для систем большей мощности (более 5 кВ.А), пользователи должны выбрать систему с более высоким коэффициентом доступности.

Так называемые отказоустойчивые ИБП иногда описывают как системы с «разумной» избыточностью. Системы этого типа имеют избыточные компоненты, однако не все главные узлы таких ИБП можно заменять в режиме горячей замены. Системы, построенные на ИБП этого типа, имеют более высокий коэффициент доступности, поскольку обеспечивают защиту нагрузки даже в случае отказа одного из компонентов системы. Но поскольку неисправность компонентов часто означает необходимость замены всего ИБП, системы данного типа имеют серьезные недостатки. В частности, к ним можно отнести дорогостоящий и требующий времени ремонт. Подобные ремонтно-восстановительные работы неизбежно приводят к простою систем и большим неудобствам для администраторов ИС. В отказоустойчивых системах часто некоторые из узлов допускают замену в горячем режиме, например, батарей или блоков силовой электроники. В основном же многие критически важные узлы, например, блоки процессорной электроники, не допускают горячей замены. Считается, что, чем больше таких компонентов, тем ниже коэффициент доступности электропитания.

Модульный ИБП, как и отказоустойчивый, обеспечивает высокие значения коэффициента доступности электропитания. В таких системах многие компоненты заменяются в горячем режиме, и их обычно используют в мультисерверных средах и для защиты телекоммуникационного оборудования. Многие модульные ИБП предусматривают также избыточность батарей. Однако преимущество этих систем по сравнению с отказоустойчивыми ИБП состоит в том, что отказ любого из основных компонентов можно ликвидировать в горячем режиме, что исключает плановые простои на вызов сервисных специалистов.

Высшую степень защиты электропитания обеспечивают системы матричной архитектуры, или «энергетические массивы». В них, по сути, все блоки, включая блоки силовой электроники, батарей и процессорные, и избыточны, и заменяются в горячем режиме. Системы такого типа показывают очень высокие значения коэффициента доступности и представляют собой защиту высшего уровня для администраторов.

Принципы построения

При построении отказоустойчивых систем бесперебойного электропитания часто особо выделяют такие параметры ИБП, как модульность, масштабируемость, избыточность, управляемость и простота в обслуживании.

Построение ИБП из отдельных силовых модулей позволяет оптимально подобрать мощность устройства, требуемую для защиты нагрузки. Пользователь выбирает необходимое ему время батарейной поддержки, которое достигается за счет установки соответствующего количества аккумуляторных батарей. Кроме того, модульность построения упрощает процесс ремонта, который заключается лишь в замене неисправного силового или батарейного модуля. Замена модулей осуществляется непосредственно на месте, где установлен ИБП, без отключения нагрузки от сети.

При построении параллельных систем проектировщики обычно закладывают большой запас, исходя из перспектив расширения бизнеса заказчика. Дело в том, что вносить позже изменения будет очень сложно, для этого придется изменить часть защитно-коммутационного оборудования. С появлением модульных систем бесперебойного питания, в основе которых лежит принцип резервирования N+1, удалось добиться гораздо более эффективного использования ресурсов для защиты ответственного оборудования за счет поэтапного увеличения числа модулей. Пока такие системы предлагают немногие фирмы-производители.

Масштабируемость, оцениваемая как по мощности, так и по времени работы от батарей аккумуляторов, часто выступает как одно из самых главных преимуществ ИБП. Дело в том, что при увеличении суммарной мощности нагрузки не требуется устанавливать новый, более мощный ИБП — достаточно лишь установить один или несколько дополнительных силовых модулей в уже работающую систему. Принцип масштабируемости значительно снижает эксплуатационные расходы на систему бесперебойного питания и упрощает процесс финансового планирования.

Параллельная модульная архитектура ИБП позволяет строить системы бесперебойного питания по принципу избыточности (резервирования) N+1, что значительно повышает общую надежность системы. При выходе одного из силовых модулей ИБП из строя его нагрузка равномерно распределяется между рабочими модулями. Таким образом, неисправность отдельного модуля не сказывается на работе всего ИБП и не вызывает перебоев в работе нагрузки, пользователю нужно лишь заменить неисправный модуль новым. Принцип избыточности применим и к батарейным модулям, которые также устанавливаются параллельно.

Высокая управляемость и простота в обслуживании значительно увеличивают надежность систем бесперебойного питания. Встроенные устройства диагностики, ЖК-дисплеи и мнемонические табло, дистанционные панели мониторинга и поставляемое со всеми ИБП программное обеспечение — все это дает возможность пользователю отслеживать рабочие параметры системы, заранее сообщать обо всех необходимых действиях, а также проводить настройку широкого диапазона параметров и специальных функций. Модульность конструкции сводит к минимуму затраты времени и средств на обслуживание ИБП. Все работы, связанные с наращиванием параметров ИБП и заменой силовых и батарейных модулей, могут осуществляться непосредственно на месте его установки и не требуют отключения нагрузки от сети.