Электричество в сети… передачи данных

Принятый в июле 2003 г. стандарт IEEE 802.3af регламентирует способ энергоснабжения устройств, подключенных к сети Ethernet, который предполагает использование кабеля, предназначенного для передачи данных. Эта технология (Power over Ethernet, PoE, энергоснабжение через Ethernet) позволяет избавиться от множества силовых розеток, кабелей и блоков питания. В результате сокращаются расходы, появляется большая свобода в размещении сетевых устройств и повышается надежность системы благодаря снижению риска ошибок при монтаже и проектировании. Однако при внедрении технологии PoE нужно помнить не только о ее преимуществах, но и о дополнительных требованиях к энергоснабжению и охлаждению.

В случае использования PoE максимально возможное энергопотребление на коммутационном узле существенно возрастает, как, впрочем, и тепловыделение, хотя часть энергии рассеивается на проводах и конечных устройствах за пределами узла. Если не принять в расчет возросшие потребности в мощности энергоснабжения и охлаждения, то следует быть готовым к непредвиденным отключениям и нарушениям в работе оборудования. Поскольку PoE обычно применяется в системах связи и контроля доступа, негативный эффект от таких отключений особенно заметен.

Сеть с поддержкой PoE состоит из различных компонентов, каждый из которых необходимо внимательно проанализировать с точки зрения требований к энергоснабжению и охлаждению. Для подачи энергии в сеть Ethernet предусмотрены следующие методы: коммутатор с подачей напряжения в линию; «инжектор питания», устанавливаемый между коммутатором и кроссом; кросс с подачей напряжения в линию; «инжектор питания» для одной линии (последний обеспечивает питание РоЕ-совместимых устройств в сетях, лишенных такой поддержки) (см. Рисунок 1).

На данный момент технология PoE чаще всего применяется для энергоснабжения оборудования VoIP и оборудования беспроводных сетей WLAN. Кроме того, питание по кабелю Ethernet используется в системах контроля доступа, радиочастотной идентификации (RFID) и видеонаблюдения, что в значительной степени обусловлено предельно допустимой мощностью на один порт — 12,95 Вт. Типичный IP-телефон потребляет до 5 Вт энергии, IP-телефон с поддержкой видео, как и считыватель меток RFID или фиксированная камера видеонаблюдения, — 10-12 Вт, беспроводная точка доступа, считыватель карт или электромеханический замок — от 8 до 12 Вт.

Находящаяся на стадии разработки версия стандарта PoE+ (IEEE 802.3at) позволит подключать устройства с энергопотреблением до 30 Вт при передаче данных по двум парам (10BaseT и 100BaseTX) и оборудование мощностью до 60 Вт в случае передачи по всем четырем парам (для гигабитного Ethernet 1000BaseT). Таким образом, точки доступа Wireless Mesh Network мощностью до 50 Вт, управляемые камеры видеонаблюдения с энергопотреблением до 20 Вт и другие достаточно мощные устройства смогут получать питание по одному проводу.

ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ УЗЛОВ

Чтобы понять значение реализации PoE, рассмотрим варианты внедрения технологии PoE для небольших, средних и крупных офисов. Предположим, что на коммутационном узле офиса, где орзанизовано 50 рабочих мест, имеется два 48-портовых коммутатора и «инжектор» для подачи напряжения на устройства с поддержкой PoE. В офисе средних размеров на 100 рабочих мест установлен модульный коммутатор с тремя 48-портовыми картами и одной 24-портовой — все они используются для подачи питания на устройства PoE. В большом офисе для поддержки 200 рабочих мест функционируют два таких коммутатора.

Мы предполагаем, что в любом случае каждому порту PoE придется выделить не менее 7,4 Вт. Хотя большинство устройств потребляет менее 5 Вт, такой запас позволит безопасно подключать на часть портов более мощное оборудование. Впрочем, для поддержки устройств, которым не хватает мощности, могут быть задействованы внешние источники питания и «инжекторы» для одной линии.

В данном контексте следует обратить внимание на тот факт, что источник питания в коммутаторе способен поддерживать более 15,4 Вт на порт (350 мА при напряжении 44 В), тогда как стандарт IEEE 802.3af допускает для конечных устройств потребление не более 12,95 Вт, поскольку при максимальной для кабеля Ethernet длине 100 м напряжение на таком устройстве будет составлять всего около 36 В.

Рассчитывая тепловыделение, следут учесть, что ИБП на коммутационном узле или в серверной работает в одном из трех режимов:

• ИБП обеспечивает питание нагрузки от сети, батарея полностью заряжена. Это нормальный, повседневный режим работы;
• ИБП обеспечивает питание нагрузки от сети и одновременно заряжает батарею. Этот режим активируется после восстановления энергоснабжения. В зависимости от емкости и состояния аккумуляторных батарей, а также продолжительности перебоев в энергоснабжении устройство может находиться в этом состоянии 3 ч или более;
• ИБП питает нагрузку, используя энергию аккумуляторных батарей.

В случае работы от батарей или разряда батарей ИБП выделяет больше тепла, чем при нормальной работе от сети. Таким образом, система охлаждения серверной должна быть соответствующим образом рассчитана.

Без использования технологии PoE энергопотребление коммутационного оборудования малого офиса не превысит 90 Вт. Для поддержки такой нагрузки достаточно ИБП мощностью 500 Вт/750 ВА. В среднем офисе потребление коммутатора составит до 827 Вт, а рекомендуемая мощность ИБП — 1400 Вт/2000 ВА. В крупном офисе коммутаторам понадобится в два раза больше энергии (1653 Вт), а мощность ИБП составит 3500 Вт/5000 ВА. Такой выбор мощности ИБП позволяет обеспечить питание коммутаторов в течение 15-20 мин без дополнительных батарей.

При работе ИБП от сети энергопотребление и тепловыделение коммутационного оборудования с учетом КПД ИБП для малого, среднего и большого офисов составит 97, 961 и 1778 Вт. В режиме заряда батарей энергопотребление увеличится до 115, 1021 и 1797 Вт, соответственно. Тепловыделение окажется несколько ниже, так как часть энергии запасена в батареях. При работе от батарей тепловыделение составит 118, 984 и 1797 Вт.

Предположим, что кроме IP-телефонов на каждом рабочем месте устанавливаются дополнительные устройства PoE. Для малого офиса добавим 10 устройств: IP-видеотелефон, три точки беспроводного доступа, четыре камеры видеонаблюдения и два устройства контроля доступа. Для среднего офиса — 18 устройств: пять считывателей радиочастотных меток, пять точек беспроводного доступа, четыре камеры и четыре устройства контроля доступа. В крупном офисе дополнительно устанавливаются 30 устройств: четыре IP-видеотелефона, пять считывателей радиочастотных меток, пять точек беспроводного доступа, восемь камер и пять устройств контроля доступа.

Таким образом, для малого офиса нагрузка на ИБП составит 546 Вт (мощность ИБП 1500 Вт), для среднего — 1626 Вт (ИБП мощностью
3500 Вт), а для крупного — 3222 Вт (ИБП на 5600 Вт).

При работе ИБП от сети с полностью заряженной батареей энергопотребление коммутационного оборудования и ИБП таково: для малого офиса — 569 Вт, для среднего — 1748 Вт, для крупного — 3580 Вт. В том числе потребление и тепловыделение устройств PoE вне коммутационного узла — 325, 569 и 1117 Вт, соответственно. При заряде батарей потребляемая мощность увеличится на 123, 385 и 774 Вт (из этой мощности в тепло преобразуется около 10-15% энергии с учетом КПД зарядного устройства и тепловыделения на аккумуляторных батареях) и достигнет 692 Вт для малого офиса, 2133 Вт для среднего и 4354 Вт для крупного. Если будет отключено внешнее энергоснабжение, то при работе ИБП от батарей тепловыделение в помещении коммутационного узла составит 269, 1198 и 2630 Вт (для малого, среднего и большого офисов).

Исходя из этих данных, легко посчитать, что при внедрении PoE энергопотребление коммутационного оборудования в малом офисе возрастет в шесть раз, а тепловыделение в помещении коммутационного узла почти в 2,3 раза. Для среднего офиса рост энергопотребления окажется 2,1-кратным, а тепловыделение увеличится в 1,2 раза. Крупный офис будет потреблять энергии примерно в 2,4 раза больше и выделять тепла станет в полтора раза больше.

Очевидно, что при внедрении PoE тепловыделение в помещении коммутационного узла растет медленнее, чем энергопотребление, так как часть потребляемой мощности рассеивается в кабелях и устройствах, находящихся вне коммутационного узла. Причем увеличение энергопотребления гораздо более значимо для малого офиса, где устройства PoE составляют большую часть нагрузки.

ВЛИЯНИЕ ВНЕДРЕНИЯ POE НА ИНЖЕНЕРНУЮ ИНФРАСТРУКТУРУ

Энергоснабжение. Во всех приведенных выше примерах при внедрении технологии PoE существенно возрастает энергопотребление коммутационного оборудования. Это значит, что во многих случаях для подключения ИБП на коммутационном узле уже нельзя использовать стандартные «бытовые» розетки: для этого потребуется установить в электрическом щите выделенный автомат и проложить отдельный кабель. Такую работу невозможно выполнить без привлечения квалифицированного электрика, что увеличивает сроки внедрения и расходы. Для офисов, находящихся на арендуемых площадях, понадобятся дополнительные согласования с арендодателем и внесение изменений в договор аренды. Таким образом, во избежание перебоев в связи с длительными простоями инсталляцию следует тщательно планировать.

Готовность систем. Внедрение PoE увеличивает зависимость от инженерной инфраструктуры (ИБП и кондиционирование), особенно в случае внедрения IP-телефонии. Если какие-либо IP-телефоны предназначаются для совершения экстренных вызовов (скорая помощь, пожарная служба), то уровень готовности системы VoIP должен быть не ниже, чем уровень готовности заменяемой телефонной системы.

Уровень готовности в 99,99% («четыре девятки») достигается при использовании одной линии энергоснабжения с моноблочным ИБП, батареи которого достаточно для обеспечения автономной работы в течение часа. ИБП подключается к электрической сети, а к его выходу — сетевой коммутатор и «инжектор питания» PoE, которые обеспечиваются бесперебойным питанием при отключении внешнего энергоснабжения. Для получения уровня готовности в 99,999% нужен ИБП с резервированием силовых модулей и батареей, рассчитанной на час автономной работы, а также коммутатор, оснащенный встроенной системой питания PoE.

Для достижения более высоких уровней готовности необходимо использовать коммутаторы с двумя независимыми вводами питания, две независимых системы ИБП с резервированием (или два независимых модульных ИБП) и батареей, способной работать в автономном режиме в течение часа, автомат ввода резерва (АВР) и, в дополнение к основному вводу от внешней электрической сети, топливный генератор с автоматическим запуском. В таком варианте обеспечивается непрерывное питание коммутатора и оборудования PoE не только в случае отключения энергоснабжения, но и при неисправностях ИБП, электропроводки или блоков питания коммутаторов. Правильное выполнение всех работ по проектированию и монтажу оборудования, а также регулярное и своевременное обслуживание системы позволяют достичь бесперебойного питания на уровне готовности в 99,9999% («шесть девяток»), что соответствует среднему уровню простоев в год около 30 сек.

Приведенные цифры уровней готовности в значительной степени зависят от особенностей энергоснабжения в конкретном городе и офисе. Если необходимо добиться какого-то заданного уровня готовности, понадобится индивидуальный расчет с учетом особенностей энергоснабжения и состояния электрической сети на объекте.

Время автономной работы. Как правило, необходимое время автономной работы коммутационного оборудования в сетях, где не используется технология PoE, составляет 15-20 мин. При внедрении PoE оно увеличивается, как и нагрузка на ИБП. Обычно минимальное время автономной работы для сетевого оборудования с поддержкой PoE не превышает часа, но запросы бизнеса или местное законодательство могут потребовать увеличения этого периода.

Продлить автономную работу можно различными способами. Например, подключить к ИБП дополнительные батареи. Однако следует помнить, что их установка приведет к повышению нагрузки на перекрытия помещения и потребует много места. Например, в случае крупного офиса батарея, предназначенная для поддержки работы устройств PoE в течение 2 ч, будет весить около 200 кг и займет 19U пространства монтажного шкафа. Кроме того, для заряда ей потребуется большая электрическая мощность, и, соответственно, возрастет тепловая нагрузка на систему кондиционирования. Учитывая, что не все модели ИБП способны работать с дополнительными аккумуляторными батареями, а некоторые имеют ограничение на максимальную емкость подключаемых батарей, может потребоваться замена ИБП. Во многих случаях для обеспечения их быстрого заряда придется устанавливать ИБП с большим запасом мощности.

Другой способ — подключение топливного генератора для питания коммутационного узла или всего здания. При этом требуемое время работы от аккумуляторных батарей снижается до 15 мин. Такое решение более привлекательно, когда надо обеспечить длительное время автономной работы при высоких нагрузках.

Если принять во внимание общую стоимость владения за 10 лет эксплуатации системы, то для нагрузки 12 кВт использование генератора вполне оправдано для поддержки автономной работы на протяжении более 17 мин. Для нагрузки 6 кВт его применение целесообразно, когда необходимо обеспечить автономную работу в течение 45 мин и дольше, а для нагрузки 2 кВт – более 1 ч 15 мин. Обратите внимание: по мере увеличения мощности стоимость генератора в «долларах на ватт» снижается (см. Рисунок 2).

Конечно, при выборе топливного генератора не все так однозначно, и огромное влияние приобретают внешние факторы: местоположение офиса, наличие свободного пространства для установки оборудования, сроки и сложность согласования проекта. Кроме того, несколько раз в год квалифицированные сервис-инженеры должны выполнять работы по техобслуживанию, а вероятность отказа генератора, как механического устройства, заметно возрастает после трех-четырех лет эксплуатации, что может снизить общий уровень готовности системы.

Передача энергии по коммуникационному кабелю. При протекании тока по коммуникационному кабелю напряжение постепенно падает, и по всей длине кабеля выделяется тепло. Стандарт PoE учитывает такое явление: источник питания для PoE должен подавать в кабель напряжение в диапазоне от 44 до 57 В, а нормальное функционирование потребителей энергии в сети PoE рассчитывается при напряжении от 36 до 57 В. Таким образом, при напряжении 44 В на выходе источника питания и падении напряжения на кабеле до 7 В (что случается, когда кабель имеет протяженность 100 м, а его сопротивление не превышает 20 Ом) конечное устройство будет работать нормально.

С другой стороны, тепловыделение может оказывать негативное влияние на коммутатор или «инжектор питания» поблизости от кабеля. В этих местах коммуникационные кабели обычно связаны в толстые пучки, что усиливает эффект от нагревания и приводит к их повреждению, поскольку они как правило, рассчитаны на эксплуатацию при температуре не выше 60°C. При питании обычных IP-телефонов, потребляющих 3-5 Вт, эта проблема проявляется не так явственно, но по мере добавления мощных устройств, потребляющих 12-15 Вт, эффект становится заметным. Как результат — кабели требуется разделить на небольшие пучки и предусмотреть пространство, достаточное для обдува воздухом.

Влияние передачи энергии на передачу данных. Любой источник питания, подающий энергию в кабель передачи данных, генерирует «электромагнитный шум», который может нарушить целостность передаваемых данных. Это оборачивается снижением средней скорости передачи данных — часть пакетов повреждается и повторно посылается протоколами верхних уровней, например, TCP. Для снижения таких эффектов необходимо использовать высококачественные коммуникационные кабели Категории 3 или выше для сетей 10BaseT, а также Категории 5 и выше для сетей 100BaseTX и 1000BaseT. Кроме того, следует внимательно изучить параметры качества напряжения источников постоянного тока для PoE. Для сетей с высокими требованиями к скорости передачи данных надо выбирать модели с наименьшим уровнем пульсаций и шумов на выходе постоянного тока.

Охлаждение коммутационных узлов. Как показано в приведенных выше примерах, при внедрении технологии PoE тепловыделение на коммутационном узле существенно возрастает. Для обеспечения высокой готовности необходимо отводить избыток тепла из помещения. Обычно рекомендуется избегать повышения температуры выше +25°C, хотя предельно допустимая температура в помещении коммутационного узла составляет +30-35°C. При более высоких температурах существенно снижается ресурс оборудования и повышается риск возникновения областей локального перегрева, что чревато отключением оборудования.

Если в офисе поддерживается более низкая температура, чем температура в коммутационном узле, то примерно 300-400 Вт выделяемого тепла отводится из помещения за счет теплопроводности стен, дверей, пола и потолка. При этом температура в помещении коммутационного узла не будет превышать +25°C. При больших уровнях тепловыделения достаточно эффективна пассивная вентиляция, например, вентиляционные решетки в нижней и верхней части двери. Однако такой метод позволяет отвести всего 300-400 Вт, т.е. в сумме 600-800 Вт. Примерно до 2 кВт тепла можно удалить посредством приточной или вытяжной системы вентиляции: в этом случае обеспечивается приток холодного воздуха извне, либо вывод нагретого воздуха из помещения.

Если тепловыделение в коммутационном узле превышает 2 кВт, единственный способ обеспечить необходимое охлаждение — установить систему кондиционирования. Следует помнить, что расчет охлаждения необходимо выполнить для «худшего случая», т.е. для ситуации, когда ИБП заряжает батареи или работает от батарей, а время автономной работы системы составляет более получаса. Кроме того, в отличие от системы кондиционирования офиса расчет делается с учетом круглосуточной работы 365 дней в году в течение хотя бы пяти лет. В противном случае через год-два существенно возрастет вероятность простоев из-за неисправностей системы кондиционирования (см. Рисунок 3).

Не следует забывать, что даже кратковременная работа ИБП от батарей при температуре выше +30°C существенно снижает ресурс аккумуляторов.

ОБРАТНАЯ СТОРОНА POE

Технология PoE дает большой выигрыш при внедрении передачи голоса по Internet, радиочастотной идентификации и системы безопасности, но повышает требования к инфраструктуре, которая в этом случае должна обеспечить более высокий уровень готовности систем. Кроме того, придется наращивать возможности оборудования передачи данных, так как появление новых приложений приведет к увеличению объемов сетевого трафика, что, со своей стороны, потребует дополнительных затрат на инженерную инфраструктуру. В любом случае необходимо тщательно проанализировать состояние инфраструктуры и модернизировать ее для снижения риска простоев.

Нил Уайтинг — старший инженер британского филиала APC по прикладным системам. Он имеет опыт работы в сфере решений для электропитания свыше 30 лет и специализируется на системах электроснабжения переменного и постоянного тока и энерго-системах постоянного тока для телекоммуникационной отрасли, а в последнее время — на решениях в области электроснабжения переменным током для компьютерной и телекоммуникационной отраслей.