Выбор и применение источников бесперебойного электропитания (ИБП)

(Окончание, начало в №28)

Системы с резервированием (избыточные системы)

Некоторые критические коммерческие и банковские применения, системы управления производственными процессами требуют непрерывного (бесперебойного) электропитания. Установка ИБП гарантирует это. Но ИБП, содержащие электронное оборудование, батареи и электромеханические элементы, сами могут выйти из строя. Это значит, что один единственный ИБП, обеспечивающий электропитанием компьютерный центр, нельзя рассматривать как абсолютно надежное устройство. Избыточная система ИБП может работать с деградацией, т.е. маскировать аварию одного компонента или даже целого ИБП без видимого нарушения нормальной работы всей системы.

Системы последовательного резервирования. В обычном режиме первый ИБП обеспечивает электропитание критической нагрузки, а второй выполняет роль горячего резерва. При отказе ИБП-1 его "байпасс" подключается к выходу первого модуля, автоматически принимающего на себя нагрузку спустя приблизительно 2-8 мс. Недостатки такой системы - наличие множества нерезервируемых точек отказа, отсутствует распределение нагрузки; допустимая перегрузка ограничена номиналом переключателя первого ИБП; потеря энергии значительна, поскольку второй ИБП не подключен.
Параллельная система с автоматом ввода резерва. Структура работает с двумя или большим числом модулей ИБП совместно с автоматическим переключателем перехода (ATS). Переключатель контролирует потерю напряжений на выходах ИБП и тотчас же переключает нагрузку на другой модуль (или модули), если фиксируется отказ. Эта система на самом деле не является избыточной, поскольку отказ ATS является катастрофическим.
Параллельная система с внешним механизмом переключения. Обычно ИБП имеют внутренний переключатель, чтобы изменить режим инвертора на режим "байпасса". Некоторые изготовители выполняют этот переключатель внешним (CES) для того, чтобы иметь возможность подключить несколько ИБП в параллель. Преимущество этой конфигурации заключается в том, что во-первых, возможно распределение нагрузки между ИБП, а во-вторых, потери мощности минимальны из-за того, что ток нагрузки не проходит через два переключателя. Внешний переключатель является критическим элементом такой конфигурации, если он выйдет из строя, избыточность теряет всякий смысл. Применительно к параллельно скомпонованным ИБП система является избыточной, применительно к внешнему переключателю - нет.
Параллельная система "ведущий-ведомый". Здесь один ИБП выполняет роль "ведущего", а все другие - "ведомых". "Ведущий" отвечает за равномерное распределение нагрузки между параллельно включенными ИБП. Если один из ИБП выходит из строя, "ведущий" автоматически перераспределяет его нагрузку среди других работоспособных "ведомых". Эта структура также имеет слабые места. Если "ведущий" ИБП выйдет из строя, он автоматически переключится в режим "байпасса", но если откажет схема, управляющая "ведомыми" ИБП, тогда вся конфигурация без "ведущего" становится неуправляемой. При таком развитии событий "ведомые" ИБП могут либо переключиться в режим байпасса, либо отключиться от сети.
Настоящий режим параллельного резервирования без единственной точки отказа. Корпорация General Electric, которая обеспечивает оборудованием армию США, продает свои системы также и для гражданских нужд. Эта фирма, в частности, является единственным в мире производителем модульных параллельных ИБП с настоящим резервированием, называемым резервируемой параллельной архитектурой (RPA). При использовании RPA отпадает необходимость в установке внешних электронных устройств или переключателей для управления модулями ИБП в параллельной системе. Один из произвольно выбранных модулей ИБП системы становится "ведущим". Одновременно обеспечивается доступ остальных модулей ИБП ко всем параметрам управления. Система содержит избыточную шину, гарантирующую высокую степень отказоустойчивости. В случае выхода из строя одного из модулей ИБП нагрузка автоматически перераспределяется между работоспособными модулями. В случае отказа "ведущего" ИБП другой автоматически берет на себя роль "ведущего".

Для повышения надежности питания критичной нагрузки достаточно подключить дополнительный модуль ИБП параллельно существующим. Более того, модули ИБП можно легко включать и отключать.

Примененная технология гарантирует бесперебойное электропитание критической нагрузки - при отключении какого-либо модуля его нагрузка автоматически перераспределится среди других модулей ИБП без видимых изменений напряжения на входе нагрузки. Добавление модуля в параллельную структуру - далеко не тривиальная задача: новый модуль должен сначала синхронизироваться с напряжением нагрузки; после чего "ведущий" должен интегрировать его во всю систему, что приводит уже к другому распределению нагрузки.

Тонким моментом рассматриваемой технологии является точная синхронизация всех параллельных модулей ИБП. Подстраиваемыми значениями являются напряжение нагрузки и, в зависимости от конкретной нагрузки, больший или меньший ток. Точность распределения нагрузки между модулями ИБП в технологии RPA такова, что все модули в системе вырабатывают примерно одинаковый ток (разброс токов составляет несколько ампер).

Что необходимо знать пользователю о системах ИБП?

Длительная автономная работа компьютерной сети с одним сервером не имеет смысла при аварии электропитания, если отдельные рабочие станции не охвачены системой ИБП. Более важным моментом в такой ситуации, как показывают наблюдения, является корректное управляемое завершение приложений прежде, чем будут разряжены батареи. Обычно считается нормальным завершение работы сервера в течение пяти минут после аварии первичной сети.

Для того, чтобы автоматически выполнить описанную процедуру, следует правильно выбрать тип ИБП в комбинации с необходимым программным обеспечением. Это ПО должно быть установлено на сервере и, возможно, на другом компьютере сети. Как только сервер загрузится после включения электропитания, батареи еще не успеют зарядиться, и вторая авария сети может привести к выходу из строя всей системы. Поэтому в особо "продвинутых" системах перед включением критической нагрузки должны быть заряжены батареи.

В вычислительных центрах или госпиталях, где отключение систем не допустимо, ИБП большей частью служат в качестве моста на время между началом аварии и запуском дизель-генератора. Как правило, нескольких минут вполне достаточно для выполнения описанной процедуры. Не следует при этом забывать, что мощность используемого ИБП часто должна иметь несколько сот кВА, поскольку все оборудование на время переключения работает от ИБП.

ИБП доступны в диапазоне мощностей от 300 ВА до 500 кВА. В случае более сложных проектов целесообразно проконсультироваться у специалистов. Как было сказано, компьютерные системы и промышленные установки с высоким значением коэффициента готовности должны иметь ИБП с резервированием конфигурации. Электрическая схема такого проекта совместно с программным обеспечением, необходимым для разных компьютеров, также требует экспертиз. В простых случаях пользователь сам может выбрать требуемый ИБП, но нужно рассчитать его мощность. Что для этого необходимо?

Первым делом следует определить все возможные нагрузки, которые будут подключены к ИБП. Следует помнить, что недостаточно подключить только сервер. Операционная система, такая, как Windows NT, требует, чтобы компьютеры сети отключались в определенной последовательности. Также ясно, что мониторы, внешние приборы, как, например, диски, устройства печати и активные сетевые компоненты, аналогичные коммутаторам и маршрутизаторам, должны питаться от ИБП.
На следующем шаге надо определить, какая подсистема требует специальной защиты.
Затем следует определить полную мощность S (значение в ВА) каждой составной части оборудования, а также предусмотреть необходимый запас мощности в случае расширения сети или всей системы.
Далее следует просуммировать все значения полных мощностей и по вычисленному значению выбрать требуемый тип ИБП.

Большинство ИБП оборудованы автоматическими тестами мониторинга батарей, выполняемыми один раз или дважды в месяц в обязательном порядке; пользователь имеет также возможность выполнять мониторинг батарей один раз в год для оценки емкости их заряда. Тесты позволяют оценить динамику изменения напряжения в зависимости от времени и нагрузки. Если напряжение понижается очень быстро, батареи следует забраковать. Время разряда батарей для питания нагрузки должно быть не меньше, чем время автономной работы ИБП.

Системы ИБП очень сильно различаются в зависимости от применения. Это различие определяется прежде всего уровнями безопасности. Например, есть компьютерные энтузиасты, которые просто желают защитить свой компьютер от сбоев в случае помех сети. Такой человек находится на нижнем уровне безопасности. Очень сложные компьютерные сети с центральным сервером соответствуют наивысшей степени безопасности (см. таблицу).

Уровень безопасности	Тип режима Характеристика ИБП	Защищаемые характеристики Область применения
1	Off-line: Работа нагрузки не слишком зависит от напряжения и частоты первичной сети, времени переключения 2-8 мс. При недонапряжении требуется автономный режим. Прямо-, трапеце- или синусоидальная форма напряжения, отключающее и диагностическое ПО - на выбор.	Защита от пропадания сети, не защищает от перенапряжений. Одно рабочее место.
2	Active standby или line interactive: Работа нагрузки не зависит от частоты, пошаговая регулировка пере- и недонапряжения с применением автотрансформатора. Время переключения 2-8 мс. Прямо-, трапеце- или синусоидальная форма напряжения, отключающее и диагностическое ПО - на выбор.	Защита от аварий электроснабжения и от перенапряжения. Одно рабочее место или сеть с малым числом рабочих мест.
3	On-line (VFI): Двойное преобразование напряжения, стабильное выходное синусоидальное напряжение, не зависящее от первичной сети, высокостабильная контролируемая частота, отсутствует время переключения, гальваническая развязка от внешней сети.	Защита от аварий электроснабжения и всех сбоев первичной сети: пере- и недонапряжений, искажений частоты и всплесков. Серверы и сети с большим числом рабочих мест.
4	On-line (VFI) c RPA: Двойное преобразование напряжения, стабильное выходное синусоидальное напряжение, не зависящее от первичной сети, высокостабильная контролируемая частота, отсутствует время переключения, гальваническая развязка от внешней сети. Параллельная избыточность, улучшение мощности и автономной работы. Система изменяется без отключения.	Та же защита, что и для 3 уровня с добавлением системной избыточности RPA. Компьютерные центры, интернет-провайдеры, майнфреймы, обслуживание систем с множеством рабочих мест, промышленные приложения, очень чувствительные к помехам сети.