Системы бесперебойного электроснабжения

Что необходимо учитывать при расчете мощности и времени автономной работы при построении СБЭ.

Во многих публикациях, проспектах и технических материалах компаний-производителей можно встретить термин «системы бесперебойного электропитания», под которым подразумеваются источники бесперебойного питания (ИБП). Термин «электропитание» в данном контексте употреблен неверно, так как, согласно определению, обеспечение потребителей электрической энергией называется «электроснабжение». В случае инфокоммуникационных систем потребителями являются технические средства и соответствующее оборудование, а их электроснабжение должно быть бесперебойным. К тому же само понятие «система электроснабжения» шире и включает в себя совокупность машин и аппаратов (электрических), линий (кабельных, воздушных), вспомогательного оборудования и помещений, где они установлены. Поэтому маленький настольный ИБП с подключенным к нему персональным компьютером вряд ли можно считать системой, но в то же время на основе ИБП малой мощности строятся так называемые распределенные СБЭ.

Данная тема весьма обширна для журнальной статьи, поэтому мы остановимся лишь на некоторых, наиболее важных или неочевидных на первый взгляд моментах.

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ И ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ СБЭ

Какие же существуют СБЭ и как их можно классифицировать? Система бесперебойного энергоснабжения строится в соответствии с одной из двух традиционных структур: распределенной (локальной) и централизованной. При распределенной системе СБЭ (см. Рисунок 1) одно устройство или небольшая группа получают питание от отдельного (локального) ИБП.

Рисунок 1. Распределенная СБЭ.

Распределенная система имеет следующие преимущества:

• система создается без переделки существующей электрической сети с использованием "розеточных" ИБП (т. е. включаемых непосредственно в розетку ИБП малой мощности);
• наращивание мощности и изменение конфигурации осуществляется достаточно просто;
• при отказе одного из ИБП отключается лишь незначительная часть системы, а последствия отказа устраняются обычной заменой поврежденного источника;
• для размещения ИБП не выделяются специальные помещения.

Недостатки распределенной системы состоят в следующем:

• установленная мощность ИБП используется неэффективно из-за невозможности обеспечения номинальной загрузки всех ИБП;
• время автономной работы всей системы не одинаково для всех нагрузок;
• при подключении дополнительной нагрузки или коротком замыкании в цепи нагрузки одного ИБП дает о себе знать недостаточная перегрузочная способность системы (этот недостаток не слишком существенен и проявляется редко);
• в случае использования резервных или линейно-интерактивных ИБП даже при сбалансированной симметричной нагрузке в нейтральном проводнике возникают токи, значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках; это явление приводит к перегрузке нейтрального проводника и ухудшению электромагнитной совместимости.

Рисунок 2. Централизованная СБЭ.

Централизованная система (см. Рисунок 2) строится на основе одного или несколько мощных ИБП. Перечислим преимущества централизованной структуры:

• эффективное использование установленной мощности ИБП и емкости батарей;
• устойчивость к перегрузкам;
• возможность увеличения времени автономной работы за счет отключения менее ответственных потребителей в соответствии с так называемым планом "деградации" системы;
• исключение перегрузки нейтрального проводника на участке от ввода до ИБП.

Недостатки централизованной системы:

• более высокая стоимость по сравнению с распределенной системой;
• вероятность общего отказа из-за неисправности распределительной сети бесперебойного электроснабжения или самого ИБП.

В чистом виде каждая из приведенных систем встречается достаточно редко. Типичными областями применения распределенной системы являются офисные здания, где в арендуемых помещениях размещаются организации сравнительно небольшого размера, а многочисленные персональные компьютеры функционируют в режиме независимых рабочих станций, зачастую без обюединения их в локальную сеть. Использование для электроснабжения централизованной системы целесообразно, когда оборудование выполняет общую задачу и состоит из однотипных по назначению и надежности элементов (телекоммуникационные центры, издательские комплексы и т.п.). На практике часто строится двухуровневая система, которая представляет собой комбинацию централизованной и распределенной системы (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Двухуровневая СБЭ.

Оптимизация установленной мощности ИБП и, соответственно, стоимости оборудования состоит в выделении наиболее ответственных потребителей, электроснабжение которых будет осуществляться от ИБП малой мощности (ИБП «второго уровня»), последовательно подключенных к централизованной системе. Двухуровневое резервирование предназначено для защиты файловых серверов и рабочих станций администраторов, коммуникационного оборудования, систем связи и др. от обесточивания вследствие аварий электрической сети внутри здания, вызванных локальными повреждениями, короткими замыканиями или перегрузками (в том числе подключенной к основному ИБП сети бесперебойного электроснабжения).

Появление нового класса ИБП «энергетических массивов» позволяет организовать электроснабжение в соответствии с централизованной схемой и разделить оборудование по функциональным и территориальным группам. Коммутационные центры, серверы и телекоммуникационное оборудование защищаются энергетическими массивами малой и средней мощности в масштабах телекоммуникационной (серверной) стойки или технологического помещения. Рабочие же станции защищаются по централизованной схеме в масштабах здания.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ИБП ДЛЯ СБЭ

Выбор конкретных моделей ИБП для проектируемой СБЭ производится на основе расчета потребляемой мощности нагрузки и прогноза ее роста в будущем.

Для расчета мощности ИБП необходимы следующие расчетные и задаваемые параметры:

• мощность нагрузки;
• коэффициент мощности нагрузки;
• пусковые токи потребителей, мощность которых соизмерима с номинальной мощностью ИБП;
• время автономной работы ИБП;
• время заряда батарей;
• требования к надежности.

Как правило, в задании на проектирование обычно предоставляются следующие данные:

• мощность нагрузки;
• характер нагрузки;
• требуемое время автономной работы ИБП.

При расчете мощности ИБП следует помнить, что основными потребителями являются устройства с импульсными блоками питания, чье потребление характеризуется высоким крест-фактором (отношением амплитудного значения тока к его действующему значению). Поэтому при выборе мощности ИБП по каталогу необходимо обращаться к значениям номинальной мощности, относящейся именно к нагрузке с импульсными блоками питания (Switch Mode Power Supply, SMPS).

Рисунок 4. Параллельный комплекс ИБП.

При расчете необходимой мощности ИБП, включаемых в параллельный комплекс (см. Рисунок 4), учитывается, что при возможном отказе одного ИБП мощность оставшихся должна соответствовать мощности нагрузки. Данное требование резервирования или избыточности можно представить формулой N + 1, где N количество ИБП, обеспечивающих продолжение работы СБЭ при отказе одного из устройств. Эти же соображения необходимо иметь в виду при выборе количества модулей для ИБП класса «энергетический массив».

В простейшем случае N = 1, однако в нормальном режиме каждый из ИБП будет загружен не более чем на 50%. Со снижением нагрузки уменьшается коэффициент полезного действия ИБП и возможно появление нелинейных искажений на входе ИБП, а потому оптимальной представляется система из четырех ИБП, каждый из которых в нормальном режиме загружен не более чем на 75%.

Основной трудностью при расчетах параметров СБЭ, как это ни покажется странным, является определение расчетной мощности нагрузки S_р.

Наиболее часто приходится сталкиваться с завышением или занижением мощности ИБП как при проектировании СБЭ, так и при постановке задания. Недобросовестному проектировщику завышение мощности позволяет продать больше оборудования, увеличить таким образом оборот и, соответственно, прибыль за счет заказчика. Для ориентировочной проверки можно прибегнуть к оценке мощности СБЭ на основании удельной мощности потребления инфокоммуникационного оборудования на единицу площади офисного помещения. Расчет S_р сопряжен с некоторыми трудностями, поскольку нормы проектирования не определяют удельные мощности нагрузок для средств информатики и телекоммуникаций. В ведомственных нормах проектирования ВСН 59-88 приводятся значения для терминальных устройств и больших ЭВМ (мэйнфреймов), что не подходит для компьютерных сетей и центров обработки данных. Для расчета мощности нагрузки компьютерной сети можно пользоваться удельным потреблением, выражаемым в ВА/мб?, или единичной мощностью одного рабочего места (рабочей станции) [ВА]. В некоторых публикациях приводится значение 40 Вт/мб? для одного этажа и 30 Вт/мб? для нескольких этажей или всего здания. При санитарной норме 6 мб? на одно автоматизированное рабочее место получаем 240 и 180 Вт или, при коэффициенте мощности pf=0,7, 340 и 250 ВА. Приведенные значения достаточно точно соответствуют реальным. В последнее время с выпуском рабочих станций и персональных компьютеров на базе Pentium 4 и мониторов с диагональю 19б? наметился некоторый рост потребляемой мощности, но, скорее всего, это временное явление, поскольку мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) постепенно вытесняются плоскими жидкокристаллическими (ЖК) мониторами. Для таких автоматизированных рабочих мест потребление не превысит 200 ВА.

Нередко ошибки допускает сам заказчик. При оценке потребности в мощностях СБЭ необходимо знать мощности вновь устанавливаемых рабочих станций, серверов и активного сетевого оборудования. На практике потребляемая мощность не так уж редко определяется по каталожным данным блоков питания оборудования, что является грубой ошибкой. Эти данные приводятся на заводской табличке («шильдике») со стороны задних панелей инфокоммуникационного оборудования и характеризуют максимальную нагрузочную способность блока питания, но не действительную мощность потребления. Для реальной оценки мощности необходимо уточнить нагрузку по технической документации или провести замер с помощью, например, компактных измерителей тока, мощности и энергии, включаемых непосредственно в розетку, или электроизмерительных приборов (тестеров, мультиметров) с функциями измерения токов, напряжений и мощностей.

В простейшем случае при выборе ИБП для распределенной системы необходимо обеспечить соответствие мощности ИБП и подключаемого к нему оборудования с разумным запасом.

Расчет мощности нагрузки компьютерной сети требует учета коэффициента использования (К_и) для рабочих станций и персональных компьютеров. Он характеризует отношение числа одновременно работающих устройств к общему количеству установленных на обюекте однотипных устройств. В нормативной документации таких сведений не приводится. Из опыта эксплуатации можно определить этот коэффициент для рабочих станций как 0,7–0,9 в пределах этажа и 0,4–0,6 для здания в целом. Необходимо заметить, что К_и зависит от режима работы и назначения здания (министерство, офис крупной компании, бизнес-центр и т. д.). Коэффициент использования серверов и коммутационного оборудования близок к единице. Определение К_и на этапе составления технического задания – важный момент в совместной деятельности подрядчика и заказчика. При его завышении окажутся завышенными и мощность ИБП, и инвестиции в оборудование, а занижение приведет к дефициту мощности СБЭ.

Итак, расчетную мощность можно определить двумя способами.

1. S_р = S_уд x П_оф
   
   (S_уд – удельная мощность, 30–40 Вт/мб?; П_оф – площадь офисных помещений, мб?).

Этот способ следует применять, когда состав нагрузки точно не известен.

2. S_р = нёS_рс х K_и + нёS_о
   
   (S_рс – мощность рабочей станции, 200–340 ВА; S_о – мощность активного сетевого оборудования и серверов, ВА).

Учитывать мощность принтеров, как правило, не требуется, поскольку обычно они включаются не в сеть СБЭ, а в сеть общего назначения.

По расчетной мощности S_р выбирают мощность ИБП S_ибп:

S_ибп = S_р/N

В самом простом случае при установке одного ИБП N = 1 и S_ибп = S_р. То же самое справедливо и при установке двух ИБП в параллельную систему, так как, согласно формуле N+1, оставшийся в работе ИБП должен обеспечить мощность нагрузки S_р. Для трех ИБП в параллельной системе N = 2, для четырех N = 3 и т. д. Шкала номинальных мощностей ИБП дискретная, следовательно, на практике берется ближайшее большее значение Sибп по каталогу. И наконец, выбирая мощность ИБП, надо ясно представлять перспективу развития СБЭ, т. е. учитывать возможность роста мощностей нагрузки. Если это обстоятельство будет упущено, то в определенный момент проблема дефицита мощности встанет со всей остротой. Возможной альтернативой защиты инвестиций является применение масштабируемых СБЭ на основе параллельных комплексов и, разумеется, ИБП класса «энергетический массив» как наиболее приспособленных к масштабируемости (дабы на начальном этапе работы СБЭ не образовывалась излишняя мощность, пока не все нагрузки включены или не произведена техническая модернизация средств информатизации).

Выбор защитно-коммутационного оборудования (автоматических выключателей, выключателей нагрузки, рубильников и предохранителей) для подключения ИБП должен производиться с учетом КПД, токов заряда батарей и установленной мощности ИБП S_ибп. Номинальные значения защитно-коммутационного оборудования выбираются на основании установленной мощности, что позволяет в случае необходимости полностью нагрузить систему. Как известно, максимальный КПД для технологии двойного преобразования 0,93. Ток заряда батареи ИБП, для которой время автономной работы предусмотрено в пределах 10–15 мин, не превышает 10% номинального тока ИБП в режиме «на линии». Отсюда номинальный ток защитно-коммутационного оборудования для подключения ИБП имеет вид:

I_ном. = (S_ибп/h+ 0,1 S_ибп)/3U_ф,

где U_ф – фазное напряжение.

Для автоматического выключателя выбирается ближайший больший номинал в соответствии с линейкой номинальных значений по каталогу. То же утверждение относится и к выбору сечения кабеля. Как правило, такие расчеты не делаются, если в инструкциях и рекомендациях по установке оборудования приводятся фирменные рекомендации по подключению.

КАК РАССЧИТАТЬ ВРЕМЯ АВТОНОМНОЙ РАБОТЫ

Помимо мощности, СБЭ характеризуется временем автономной работы (run-time), т. е. временем работы ИБП от аккумуляторной батареи (АБ). Данный показатель тесно связан с понятием отказоустойчивости и не должен быть меньше того срока, который необходим для включения или переключения на резервный (резервирующий) источник электроснабжения от внешней системы или от дизельной электростанции (ДЭС). При полном отключении основных и резервных источников электроснабжения время автономной работы позволяет завершить информационный процесс без потери информации: например, корректно остановить сервер. Эта функция возлагается преимущественно на ИБП второго уровня.

Поскольку процесс автоматизирован, на этапе инсталляции специального программного обеспечения (ПО) важно правильно выбрать время начала закрытия сервера (см. Рисунок 5). Рекомендуется, чтобы время автономной работы позволяло без дополнительного перезаряда батареи дважды произвести такое закрытие. Диаграмма на Рисунке 5 показывает последовательность событий при отключении питания (power fail), подаче управляющего сигнала на остановку сервера от ИБП (shutdown) и сигнала об исчерпании емкости батареи (low battery). Последний подается за 1-2 мин до окончания работы ИБП. Обозначения сигналов в тексте и на Рисунке 5 сохранены в соответствии с терминологией, используемой при описании ПО, и характерны для большинства операционных систем (ОС) и изготовителей ПО ИБП.

Основная логика работы ПО состоит в том, что время закрытия сервера не должно превышать время разряда батареи. Рекомендация относительно возможности остановки сервера дважды без перезаряда батареи дана исходя из того, что переход ИБП в автономный режим вследствие аварии может повториться из-за отказа резервного источника или повторения аварии (например, короткое замыкание (КЗ) на линии ИБП, срабатывание защиты и повторное включение силами дежурного персонала при неустраненном КЗ). Момент остановки сервера зависит от ОС и параметров информационных процессов сервера.

Для центральных (основных) ИБП время автономной работы обычно составляет 10–20 мин, чего вполне достаточно для запуска резервной ДЭС или завершения работы пользователей компьютерной сети. Альтернативой ДЭС может служить СБЭ с более продолжительным временем автономной работы. АБ большой емкости значительно дороже, имеет длительное время заряда, однако может применяться в случае, когда по какой-либо причине установка резервной ДЭС невозможна. Если же ничто не препятствует установке ДЭС, то следует учитывать финансовый аспект данной альтернативы. При мощностях более 10 кВА применение СБЭ с большим временем автономной работы (более 15–20 мин) становится экономически нецелесообразно. Кроме того, немаловажен и технический аспект, связанный с длительностью заряда батареи. На Рисунке 6 приведена диаграмма заряда батареи. Время t – это время заряда до 80% емкости при токе 10% от номинального. Типичное значение t равно 10–12 ч. Когда автономная работа становится более продолжительной, количество параллельных цепочек аккумуляторов возрастает, а ток заряда, соответственно, уменьшается. Если время автономной работы будет составлять несколько часов, то понадобится несколько дней, чтобы полностью зарядить батарею.

Как и при расчете мощности, выбирая время автономной работы для ИБП первого уровня, необходимо ясно представлять себе перспективы развития СБЭ. Увеличение времени автономной работы возможно впоследствии путем увеличения емкости АБ. Главное – заранее предусмотреть такую возможность при создании СБЭ (включая соответствующие площади в электромашинных помещениях, необходимые запасы по сечениям питающих кабелей, коммутационной аппаратуры, комплектации ИБП и т. д.). И снова ИБП класса «энергетический массив» способны показать свое преимущество перед традиционными моноблочными ИБП, пусть даже и включенными в параллельный комплекс.

Выбирая время автономной работы ИБП первого уровня, руководствоваться следует другими соображениями, нежели вопросами корректного закрытия приложения на файловых серверах, как это было описано выше. В первую очередь необходимо обеспечить указанное в задании время автономной работы для расчетной мощности нагрузки, а не для мощности, равной номиналу выбранного ИБП. Поясним сказанное на примере. Пусть, согласно требованиям технического задания, время автономной работы не превышает 30 мин, и уровень резервирования соответствует N + 1. В результате расчета мощности нагрузки получено значение S_р = 9,3 кВА. Для обеспечения резервирования N + 1 выбираем ИБП класса «энергетический массив» с модулем мощностью 4 кВА и линейкой мощностей 4, 8, 12, 16, 20 кВА. Таким образом, для питания нагрузки 9,3 кВА потребуется установить три модуля по 4 кВА в общей сложности на 12 кВА. Чтобы обеспечить резервирование (избыточность) по формуле N + 1, количество модулей массива следует увеличить на один. В итоге получаем 16 кВА (четыре модуля на 4 кВА). По специальным номограммам (таблицам) или программе-конфигуратору определяем время автономной работы для нагрузки 9,3 кВА. В результате потребуется восемь модулей батарей, что позволяет поддерживать автономную работу в течение 32 мин при нагрузке 9,3 кВА. Если же время автономной работы выбирать исходя из 12 кВА (мощность без резервирования N), то понадобится уже десять модулей, а для 16 кВА (полная установленная мощность с резервированием N + 1) то же время автономной работы в состоянии обеспечить только 14 модулей. Опыт автора показывает, что в большинстве случаев предлагается именно последний вариант.

САМОЕ ВАЖНОЕ

В качестве резюме отметим основные ключевые позиции, на которые следует обращать внимание, приступая к созданию СБЭ:

• правильное определение исходных данных для расчета мощности S_р - залог защиты инвестиций и отсутствия дефицита мощности СБЭ;
• время автономной работы следует определять, учитывая расчетную мощность нагрузки S_р, а не мощность ИБП S_ибп;
• необходимо ясно представлять перспективы развития инфокоммуникационной системы и СБЭ в отношении роста мощностей нагрузки.

Наилучшими показателями в плане масштабируемости и защиты инвестиций обладают ИБП класса «энергетический массив».