Уровень резервирования установленных блоков питания n 1 это

Обновлено: 07.07.2024

В идеальных условиях дата-центр должен работать без остановок 24 часа в сутки 365 дней в году, а из-за технического обслуживания систем или замены вышедшего из строя компонента не должны прерываться критически важные процессы. Но на деле любая система может остановиться из-за незапланированного отключения электроэнергии.

Как строятся системы бесперебойного электроснабжения

Чтобы получить надежную систему обеспечения бесперебойным питанием для ЦОД, используют централизованную, распределенную или комбинированную схему.

При централизованной все потребители подключены к одному или нескольким мощным (обязательно трехфазным) ИБП. Они же выступают посредниками между потребителями и основным входом сети электропитания.

В распределенной – комплекс независимых ИБП (преимущественно однофазных), каждый из которых защищает группу однотипных или близко расположенных потребителей.

Серьезный недостаток централизованной системы – единая точка отказа. Если выйдет из строя один или группа основных ИБП, без электропитания останется весь дата-центр.

У распределенной системы другие проблемы – аппаратная избыточность, низкий КДП и сложность управления и контроля.

Лучшее из обеих схем объединила в себе комбинированная система. В ней есть и основной мощный ИБП первого уровня на входе, и независимые дополнительные источники второго уровня, которые защищают всех или наиболее ответственных потребителей.

Чтобы повысить надежность дата-центра, используют резервирование, при котором отказоустойчивость растет благодаря дублированию ИБП.

Tier как основной показатель надежности ЦОД

Одна из главных характеристик дата-центра – его Tier или уровень надежности. Систему классификации, включающую четыре категории надежности (Tier I – IV), в 90-х годах прошлого века разработал Uptime Institute. Категория ЦОД указывает на уровень резервации инфраструктуры, ее физической безопасности и надежности. С помощью Tier легко просчитать ожидаемый уровень надежности и потенциальные инвестиции в дата-центр, его коммерческие перспективы и технологические стратегии.

Когда говорят о надежности, подразумевают не только бесперебойную работу серверного оборудования, СХД и линий передач данных, но и вообще любых инженерных компонентов, поддерживающих работоспособность ЦОД. Это и системы охлаждения, и насосы, которые подают топливо для дизель-генераторов. От проблем с электропитанием нужно защитить каждую единицу оборудования.

Еще одно уточнение по классификации Tier: каждый следующий уровень в ней является прогрессирующим, то есть включает все требования к предыдущему.

Tier I – базовая категория надежности

Дата-центры с Tier I поддерживают нагрузки, связанные с базовыми офисными задачами. В них отсутствуют дублирующие активные компоненты. Чтобы провести плановые работы (а без них не обойтись, если вы хотите предотвратить нежелательные простои), придется остановить ЦОД.

N – минимальное число ИБП, которые гарантируют
стабильную работу защищаемого оборудования.

В Tier I нет аппаратной избыточности, то есть схема резервирования не используется, а количество ИБП остается минимальным (N). При таких условиях ЦОД простаивает до 28,8 часа в год. В это число входит продолжительность внеплановых отключений и обязательного планового обслуживания. Уровень отказоустойчивости такого дата-центра – 99,671 %.

Tier II – резервные ресурсы

В дата-центре Tier II есть резервные мощности для поддержания работы критически важных компонентов, включая охлаждение. Это позволяет проводить плановый ремонт и частично избежать проблем, связанных с остановкой оборудования.

В Tier II используется резервирование по схеме N+1 – с одним дополнительным элементом. Но чем больше число N, тем выше вероятность отказа и дольше время простоя. Очевидно, что при N=1 и схеме резервирования 1+1 простой будет наименьшим (официальная цифра – 1,14 часа в год), а при N=14 – достигнет показателей конфигурации, в которой резервирование не используется вовсе, то есть N в Tier I. Отказоустойчивость в Tier II – 99,749 %, а среднее нерабочее время – 22 часа в год.

Tier III – параллельное сервисное обслуживание

Дата-центры Tier III поддерживают техобслуживание и ремонт без остановки критически важного оборудования. Это касается не только вычислительных мощностей, но и каналов связи, систем охлаждения и т. п. Любой элемент ИТ-системы можно отремонтировать или отключить, не влияя на работу ЦОД.

В Tier III используется схема 2N, где все компоненты продублированы. В таких случаях часто подключают к нагрузке две параллельные линии электропередач одинаковой мощности, но не меньше мощности потребляемой нагрузки. Для Tier III уровень отказоустойчивости составляет 99,982 % («три девятки»), а ежегодное время простоя не превышает 1,6 часа.

Tier IV – максимальная отказоустойчивость

Дата-центры Tier IV строятся по схеме Tier III, где принципы отказоустойчивости реализованы так, чтобы сбои в работе отдельного оборудования или резервного канала подачи электроэнергии не влияли на ЦОД.

Четвертому уровню защиты соответствует резервирование по схеме 2(N+1), где питание нагрузки по каждой из двух линий дополнительно зарезервировано по схеме N+1, как в Tier II. Уровень отказоустойчивости, который обеспечивает схема 2(N+1), называют «четыре девятки», это 99,995 %, или простой менее 0,4 часа в год.

Чем больше резервных единиц, тем выше уровень надежности Tier,
сложнее ИТ-инфраструктура и больше траты на ее содержание.

Дополнительные схемы резервирования

Перечисленные выше схемы резервирования можно видоизменять. Например, N+1 представляет собой разновидность концепции N+X, где X – количество дополнительных резервных единиц. N+2 дает ощутимый прирост надежности в системах с небольшим количеством N, но при этом дешевле в реализации, чем 2N. Но по мере роста N разница в стоимости между N+2 и 2N уже не компенсирует прирост отказоустойчивости, который обеспечивает второй вариант, Tier III.

Система 2N – тоже не единственный возможный вариант. Как и в предыдущем примере, можно организовать резервирование по схеме 3N и даже 4N. Другое дело, что из-за экономического фактора и сложной реализации такие системы встречаются редко.

Высокая надежность дата-центра: прихоть или необходимость?

Tier IV – это не только надежно, но и дорого. На самом деле, аппаратная избыточность источников бесперебойного питания нужна не каждому бизнесу. В небольшой компании, где не проходят критически важные процессы, из-за остановки которых она теряет деньги, достаточно Tier I. Правда, для ЦОД эта схема не используется последние полвека. Tier II с резервированием по схеме N+1 – тоже не лучшее решение, но оно оправданно в некоторых ситуациях.

Например, если доходы организации не зависят от предоставления услуг в реальном времени, а бизнес защищает себя иначе – например, договором страхования от ущерба, возникшего из-за временной недоступности оборудования.

Другое дело – ИТ-служба крупной компании, которая предоставляет услуги в режиме 24/7/365, или современный ЦОД. В них даже кратковременная остановка приведет к серьезным финансовым и репутационным потерям. Такой бизнес предъявляет строгие требования к безотказной работе.

Обычно решения, которые разрабатываются в соответствии с Tier III и Tier IV, служат даже дольше, чем того требует ИТ-инфраструктура. Это оптимальный выход для компаний, которые не рассчитывают на быстрое возвращение инвестиций в резервирование системы электроснабжения и знают, во сколько им обойдутся простои.

При проектировании или модернизации дата-центра финансировать систему бесперебойного электроснабжения необходимо не по остаточному принципу, а исходя из технологических требований к надежности и бесперебойности обслуживания рабочих нагрузок. Бизнес нуждается не в условно нормальном качестве электропитания, которое регламентируется государственными стандартами, а в реально высоком, позволяющем ему сохранять конкурентное положение на рынке.

Проблема бесперебойного электропитания становится все более актуальной с увеличением зависимости бизнеса от ИТ сервисов.
Но если отключение чайника или даже принтера из-за отсутствия электричества на некоторое время пережить можно, то остановка конвейера из-за скачков напряжения несет серьезные угрозы бизнесу. Даже час простоя может стоить для компании миллионы рублей убытков и репутационных потерь.

Как защититься от аварии, связанной со сбоем электропитания?

Есть ли универсальная 100% гарантия? Специалисты утверждают, и жизненный опыт показывает, что не существует таких отказоустойчивых систем, не чувствительных вовсе ни к человеческому фактору, ни к природным катаклизмам. Но есть меры предотвращения аварийных ситуаций и сведения рисков к минимуму.

Резервирование. Схемы

Один из самых распространенных способов предотвращения аварийной ситуации при кратковременном отключении основного электропитания – источники бесперебойного питания (ИБП), которые "поддержат" автономную работу системы некоторое время. Также они служат для улучшения качества электропитания и сохранения нужных параметров в случае скачков напряжения.

К сожалению, и сами ИБП – устройства, которые могут сломаться в самый неподходящий момент.

Чтобы исключить вероятность потери данных, отключения связи или остановки работы системы (любой), необходимо предусмотреть резервирование. Дублирование информации с жесткого диска домашнего компьютера и контактов из мобильного устройства в облаке – это тоже меры по резервированию, только локальные. В офисах, на производствах, в банках, в учебных учреждениях – везде, где критична потеря работоспособности системы - ставят дополнительные блоки питания устройств/серверов, резервируют каналы связи, хранят данные организаций в нескольких Дата-центрах, где, в свою очередь, электропитание дополнительно зарезервировано от нескольких независимых подстанций.

Выделяют следующие схемы резервирования: N+1, 2N и 2(N+1), где N – это количество модулей в звене системы.

N+1

Система N+1 (рис. 2) – наиболее часто используемая схема резервирования. Для нее характерно несколько одинаковых модулей ИБП, работающих параллельно. Один из модулей в обычных (штатных) условиях остаётся незадействованным, а при выходе из строя одного из работающих - автоматически перехватывает нагрузку без последствий для потребителей.

Параллельная система теоретически может быть собрана из любого количества источников. В этом случае выдаваемая мощность системы будет равна сумме мощностей каждого модуля + 1 модуля для осуществления резервирования.

В такой схеме остаются слабые места – 2 точки с высокой вероятностью отказа (блок питания сервера, и городская сеть). При необходимости проведения регламентных работ (например, подтянуть болты на шине, ведущей к блоку питания оборудования), нагрузку придется отключить от всей группы ИБП.

Учитывая, что почти все современное оборудование имеет два независимых блока питания, логично напрашивается иная схема подключения – 2N, при которой каждый из блоков питания оборудования питается от отдельной группы ИБП

При увеличении количества блоков питания до 3+, схема резервирования подобного типа может меняться до 3N или даже 4N.

В схеме 2N используется бОльшее количество устройств, значит, она дороже. Но с точки зрения надежности, выход из строя одного из элементов N любой из цепочек, или полный выход из строя одной из цепочек не повлияют на работу всей системы в целом. Однако, и в такой схеме есть слабые звенья. Во-первых, это выход из строя двух элементов одной цепи (одного блока питания и одного ИБП в ветке, питающей резервный блок питания), и городская сеть.

Дизель спасет мир

В случаях, когда бизнес требует еще более высоконадежного решения, городская электросеть дополнительно резервируется дизельным электрогенератором с блоком, обеспечивающим бесшовное переключение. В случае обесточивания городской сети ИБП поддержат питание оборудования до полного запуска дизель-генератора, который обеспечит электроэнергией уже всю систему в течение длительного периода

2(N+1)

Следующим этапом повышения надежности может служить дополнительное резервирование внешнего источника, при котором в здание заводится вторая электрическая линия и всю систему подключают от двух разных независимых электроподстанций. Плюс к этому, в каждую цепочку ИБП, подключенную по схеме 2N, параллельно устанавливают резервные ИБП, получая резервирование этого звена уже по схеме 2(N+1).

Зачем нужен Дата-центр?

Обеспечение непрерывности работы ИТ-системы - весьма хлопотное и дорогостоящее удовольствие. Все чаще бизнес выбирает для размещения своих серверов надежные Дата-центры с высоким уровнем отказоустойчивости, в которых соблюдаются требования к резервированию электропитания и каналов связи, к системам газопожаротушения, климатическим условиям, физическому доступу к объекту и т.д. Так, в зависимости от параметров отказоустойчивости выделяют 4 уровня ЦОДов:

В ЦОД ВестКолл присутствуют каналы связи всех основных операторов и при отсутствии связи с одним оператором соединение автоматически переключится на другого, с самым оптимальным маршрутом.

Резервирование каналов связи

Нельзя забывать так же о резервировании каналов связи в офисе компании, чтобы исключить вероятность отсутствия доступа к оборудованию, расположенному в надежном Дата-Центре, с рабочих мест. Для резервирования связи рекомендуется подключать дополнительные каналы связи другого, не основного оператора, либо использовать мобильные решения при невысоких требованиях к качеству связи и при хорошей зоне покрытия в помещении. Резервный канал связи – это временный, но крайне необходимый для бизнеса элемент.

Вывод

Помните, построение отказоустойчивой системы – залог стабильности бизнеса! Требования и доступность технологий диктуют простые правила:

▼сервера нужно ставить в надежные ЦОДы;

▼сервисы подключать или синхронизировать в "облака";

▼пользовательские устройства, критичные к работе в онлайн (рабочие ПК, IP-телефоны, онлайн кассы, камеры видеонаблюдения), подключать к резервным каналам связи.

Параллельные конфигурации источников бесперебойного питания (ИБП) уже более 35 лет используются в отрасли для защиты критической нагрузки. Применяются они и для обеспечения отказоустойчивой работы критических приложений дата-центра. Но какую схему резервирования выбрать при строительстве коммерческого дата-центра в условиях, когда, с одной стороны, бюджет ограничен, а с другой – защита клиентского оборудования и приложений является приоритетом номер один?

N+1: ПУСТЬ ОН В СВЯЗКЕ С ТОБОЙ ОДНОЙ…

В настоящее время наиболее широко распространены параллельные системы с резервированием N+1 (см. рис 1). При отказе одного источника система будет оставаться работоспособной за счет того, что нагрузку на себя берет резервный ИБП. Параллельная система теоретически может быть собрана из любого количества источников – главное, чтобы их общая мощность обеспечивала номинал мощности, которую потребляет нагрузка, плюс один резервный источник. У параллельной системы, спроектированной более дробно, превышение суммарной мощности над номиналом будет меньше. Например, если нагрузка составляет 400 кВА, то можно взять три ИБП по 200 кВА (200+200+200). Превышение мощности такой системы над мощностью нагрузки составит 200 кВА (50% по отношению к нагрузке). А вот если взять менее мощные ИБП, например, 4 ИБП по 100 кВА, то еще одна идентичная система в резерве даст перебор мощности всего на 100 кВА (25%).

Казалось бы, дробная схема более экономична… Но на практике, с учетом кабелей, ПНР, инсталляции, монтажа и даже просто стоимости ИБП, эти выгоды становятся неочевидны, да и места дробная система занимает больше… Поэтому при всем том, что на первый взгляд заманчиво предпочесть большую дробность, схема N+1 обычно сводятся к 2+1, 3+1 – и крайне редко к 4+1.

В дата-центрах с критической нагрузкой схему N+1 применяют крайне редко, да и то из-за ограниченности бюджета. Слабое место этой схемы – единая точка отказа: шина, по которой обеспечивается связь ИБП и нагрузки. При необходимости проведения регламентных работ (например, когда нужно затянуть болты на шине) нагрузку придется отключить от группы ИБП. Самой эффективной стратегией в этом случае будет подключить нагрузку ко второму фидеру от города.

2N – ДВОЙНАЯ БРОНЯ

Идеология стандарта TIA 942 для дата-центров требует, чтобы система продолжала оставаться работоспособной, даже если любой из ее элементов вышел из строя. Учитывая, что почти вся современная нагрузка имеет два независимых блока питания, совершенно естественно напрашивается иная схема подключения – «2N». Каждый из входов (блоков питания сервера) питается от отдельной группы ИБП (См. Рис. 2). В настоящее время обозначилось стремление производителей оборудования увеличить количество блоков питания до трех и выше. Так что если через пять лет будет широко практиковаться три или четыре блока питания, схема резервирования может соответственно измениться с 2N до 3N или даже 4N.

Сравнение показывает, что количество устройств во второй схеме больше, и соответственно она дороже. Но с точки зрения надежности выход из строя любого источника или всей группы не приводит к потере нагрузки, которая плавно уходит на резервный ввод.

3/2 N – ЗВЕЗДНОЕ РЕШЕНИЕ

Искусство проектирования систем защиты электропитания позволяет максимально сохранить надежность системы, но при этом существенно снизить капитальные затраты. Таким решением является схема, приведенная на Рисунке 3. Конечно, эта схема не является инновационным открытием. В мире DRUPS – дизельных роторных ИБП-систем – эта схема называется IP-Star.

На рисунке 4 эта же схема представлена в виде звезды. Ее применение в новом дата-центре компании DataPro в Твери позволяет сохранить уровень надежности практически тот же, что и в схеме 2N, но при этом существенно снизить капитальные затраты.

В новом дата-центре будут введены в строй три серверных зала. Общая мощность потребления нагрузки каждого помещения составляет 400 кВА. Каждая нагрузка в такой схеме подключена к двум активным входам. Каждая группа ИБП включает три источника мощностью 200 кВА каждый – два основных и один резервный. Общая установленная мощность при этом составляет 1800 кВА. Из схемы видно, что при отказе одного из источников с высокой вероятностью нагрузка не теряется. И даже если произойдет авария на централизованной шине одной из групп ИБП, нагрузку подхватит соседняя группа ИБП от другого ввода. Очевидно, что если бы в ЦОДе было не три, а четыре зала, то схема называлась бы не 3/2 N, а 4/3 N.
В нормальном рабочем режиме каждая из нагрузок защищена источниками бесперебойного питания с обоих вводов. При пропадании одного из лучей работоспособность сохраняется. Количество ИБП в этой схеме меньше, в сравнении со схемой 2N (3x200x4)=2400) система дешевле – преимущества третьей схемы (3x200x3=1800 кВА) очевидны.

В целом в третьей схеме все достоинства схемы 2N сохраняются. При этом ИБП загружены на 2/3 от номинала, а не на 50% как в схеме 2N. Поэтому и КПД выше – соответственно счета за электричество меньше. Правда, у качественных источников КПД в зависимости от степени загруженности деградирует не очень сильно. Но в целом и по капитальным затратам, и по операционным расходам схема 3 получается дешевле, чем схема 2N, хотя и несколько дороже, чем N+1. И это при практически том же уровне надежности как у 2N.

В дата-центре компании DataPro в Твери схема резервирования 3/2 N впервые перемена в России и сертифицирована Uptime Institute.

Коротко о главном:
• Дата-центр DataPro в Твери
• Общая площадь ЦОД 2650 м.кв.
• Максимальная мощность 4,5 МВт
• 4 машинных зала с возможностью размещения до 100 стоек в каждом
• Проектная мощность ИТ-оборудования от 3 кВт до 20 кВт на стойку
• Сертификация на соответствие Tier III Uptime Institute Design и Facility*
• Ввод в эксплуатацию в октябре 2013 г.

Комментарий экспертов:

Сергей Ермаков — технический директор компании Inelt.
Проблемы, которые возникают во второй схеме подключения, в основном лежат в плоскости взаимодействия со службами ИТ. На деле при эксплуатации подобных систем отсутствие одного ввода для эксплуатационной команды ИТ-подразделения означает тревогу (alarm): сигнал поступает от системы мониторинга и фиксируется в журнале событий. И не важно, что переключение было предусмотрено схемным решением и при этом процесс не остановился – для ИТ это уже повод писать рапорты о том, что энергетики не обеспечили один из вводов, и начать внутренне расследование.

Именно поэтому там, где требуется высоконадежное решение, предусматривают резервные ИБП на два плеча, но тогда схема из 2N грозит трансформироваться в 2(N+1), что соответствует Tier 4 и еще более удорожает решение. Есть и промежуточные решения – N+ (N+1), когда резервируется только одна из ветвей. Компромисс в том, что в этом случае сокращается количество сигналов тревоги, но они не ликвидируются вообще.

Чтобы сократить длительности алармов, можно ввести большое количество кросс-сочленений, которые в ручном, автоматическом или полуавтоматическом режиме в случае аварии позволят запустить резервный ИБП. Но традиционно к взаимным перехлестным соединениям специалисты относятся настороженно, потому что при эксплуатации таких систем высока вероятность ошибки по неосторожности. С этим тоже можно бороться, но в целом все ухищрения лишь усложняют схему, что, в конечном счете, снижает общий уровень надежности.

Юрий Копылов — технический директор компании Eaton
В настоящее время в дата-центрах стоит актуальная задача – резервирование питания виртуализованных серверов в среде облачных вычислений. В зависимости от производителя эта проблема уже решается средствами ИБП и соответствующего программного обеспечения и систем мониторинга, которые позволяют не дожидаться, когда полностью исчезнет питание на вводе, а перенести критически важные приложения на другие виртуальные серверы, функционирующие в другой зоне. Такие решения уже предложены компанией Eaton: ИБП и система виртуализации уже научились перемещать наиболее критичные приложения на те виртуальные серверы, где проблемы питания физической ИТ-инфраструктуры отсутствуют.

Интересные решения могут получиться, если в любой из рассмотренных схем применить современные «модульные» ИБП, где каждый из ИБП не является единым устройством на 200 кВА (как в примерах), а сам состоит из интеллектуальных модулей, работающих в параллельном режиме. Они не только обеспечивают внутреннее резервирование и некоторую избыточность самого ИБП, повышая его надежность, но и в связке с другими ИБП параллельной системы образуют некую «матричную структуру», автоматически перераспределяющую общую нагрузку среди работающих модулей.

Основным способом защиты критичной нагрузки от возможных неполадок в электросети является установка источника бесперебойного питания (ИБП). Широкое распространение получила централизованная схема электропитания с использованием одномодульного ИБП. Однако для проведения профилактических, регламентных и др. работ ИБП переводится в режим Bypass, и нагрузка остается незащищенной на некоторое время. Для определенных типов нагрузок при непрерывном производственном цикле данный риск неприемлем. Предлагаемый Вашему вниманию обзор исследует распространенные схемы резервирования ИБП: системы с параллельным резервированием, системы с последовательным резервированием, системы с резервированием шины питания нагрузки (LBR) и системы с синхронизацией выхода (LBS). Здесь же описаны основные преимущества и недостатки каждого варианта.

К сожалению, промышленные электросети не обладают 100-процентной надежностью, гарантирующей отсутствие возможных перебоев с электроснабжением. Стандартным средством защиты критичной нагрузки являются одномодульные ИБП, построенные по схеме с двойным преобразованием напряжения (On-Line). Они комплектуются батарейными комплектами, рассчитанными на непродолжительное время работы в автономном режиме (обычно не более 30 минут). Для защиты от долговременных перебоев устанавливают дополнительный дизель-генератор с запасом топлива для непрерывной работы 8 … 24 часа.

Основными элементами одномодульного ИБП (рис.1), работающего по схеме On-Line, являются выпрямитель, инвертор, аккумуляторные батареи, зарядное устройство, а также устройства коммутации цепи Bypass (обходная цепь питания нагрузки, минуя схему двойного преобразования). Одномодульная система отличается высокой надежностью и простотой. Она является оптимальным решением для нагрузок, допускающих кратковременные запланированные отключения для обслуживания ИБП. Однако в моменты технического обслуживания ИБП или выполнения других регламентных работ возникает необходимость его перевода в режим Bypass. Для некоторых видов нагрузок с непрерывным технологическим процессом данный риск недопустим. Кроме того, нельзя забывать о возможности выхода из строя самого ИБП.

Для решения вышеупомянутых задач были разработаны всевозможные схемы резервирования. Приведенная таблица иллюстрирует преимущества и недостатки схем резервирования, рассматриваемых в данном обзоре.

Сравнение различных схем резервирования ИБП

* Подразумевается возможность обслуживания системы бесперебойного питания без отключения нагрузки и без питания ее от “грязной” сети.

Рис. 1. Одномодульный UPS

BCB — батарейный размыкатель;
MBB — переключатель ручного Bypass;
MIB — размыкатель ручного Bypass;
SBB — статический переключатель;
UIB — входной размыкатель модуля;
UOB — выходной размыкатель модуля

Системы с параллельным резервированием ИБП

Система с параллельным резервированием состоит из двух или более модулей ИБП, включенных в параллель и работающих на общую нагрузку. По отношению к проектной нагрузке система должна иметь определенную избыточность по мощности в виде одного или нескольких дополнительных модулей для обеспечения резерва. Как правило, каждый модуль оснащен своим батарейным блоком, хотя и не исключен вариант использования общего батарейного комплекта для всей системы в целом.

При безаварийной работе нагрузка системы равномерно распределяется между модулями ИБП, а в случае выхода из строя или принудительного отключения одного из них нагрузка распределяется среди оставшихся модулей. Такая схема включения обеспечивает высокую степень защиты (99.99%). При этом процесс технического обслуживания отдельных модулей не приводит к временному питанию нагрузки от “грязной” сети. Однако все еще остается необходимость отключения системы при проведении работ с шиной питания нагрузки или оборудованием, расположенным между ИБП и нагрузкой.

Несмотря на простоту концепции построения параллельной системы резервирования, методы ее конкретной реализации существенно различаются у разных производителей ИБП.

Главное различие заключено в механизме распределения нагрузки между модулями. Большинство производителей используют инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), обладающие высокими динамическими характеристиками. Однако для их параллельной работы на единую нагрузку требуются дополнительные устройства синхронизации. При этом один из модулей ИБП становится ведущим и по его выходному напряжению синхронизируются оставшиеся модули системы. Недостаток данного решения очевиден. При выходе из строя ведущего модуля или цепей синхронизации выходит из строя вся система. Ведущий модуль — ее слабое звено.

Для преодоления этого недостатка в ИБП Powerware используется технология HotSync . Уникальность этой технологии заключается в отсутствии сигнальных интерфейсных связей между ИБП - ИБП Powerware "видят" друг друга через силовые выходы, равномерно распределяя нагрузку между собой. Технология позволяет использовать до 4 ИБП в параллель. Т.е., например, иметь систему Powerware 4х80=320 кВА или 4х80= 240+80 кВА (один ИБП обеспечивает резервирование по схеме N+1)

При этом возможно использование дополнительного кабинета управления, который не является блоком синхронизации или распределения мощности, а содержит коммутационные компоненты режима общего статического Bypass, устройства изоляции модулей ИБП относительно друг друга и контрольно-измерительные элементы для сбора и передачи информации (рис. 2).

Рис. 2. Система с параллельным резервированием

BCB — батарейный размыкатель;
MBB — переключатель ручного Bypass;
MIB — размыкатель ручного Bypass;
SBB — статический переключатель;
SOB — выходной размыкатель системы;
UIB — входной размыкатель модуля;
UOB — выходной размыкатель модуля

Дополнительные возможности систем с параллельным резервированием

Для экономии денежных средств совсем не обязательно использовать схему с двойным резервированием, обладающую двойной стоимостью. Например, для нагрузки 600 кВА можно построить систему 2 x 600 кВА, а можно 3 x 300 кВА. В последнем случае схема обладает полуторной избыточностью по мощности и, следовательно, такой же избыточностью по стоимости и является удачным компромиссом между высокой надежностью и экономичностью.

Схемы с параллельным резервированием позволяют производить техническое обслуживание отдельных модулей ИБП, не прерывая процесс защиты критичной нагрузки. Однако для обслуживания системы в целом или ее переконфигурирования, а также для проведения регламентных работ с элементами шины питания нагрузки требуется перевод системы в Bypass или полное отключение нагрузки. Поэтому схемы с параллельным
резервированием непригодны в тех случаях, когда работа системы в режиме Bypass недопустима даже на короткое время. Кроме того, в них не предусмотрена защита от сбоев на участке шины питания нагрузки.

Для повышения надежности защиты критичной нагрузки рекомендуется использовать схемы с синхронизированным выходом (LBS) и схемы резервирования шины питания нагрузки (LBR). Но прежде чем перейти к их рассмотрению, остановимся на схеме последовательного резервирования модулей ИБП.

Системы с последовательным резервированием ИБП

Система с последовательным резервированием состоит из одного или нескольких основных модулей и одного резервного. Каждый основной модуль работает на собственную нагрузку. Резервный модуль используется в качестве первичного источника питания входов Bypass основных модулей системы (рис. 3, 4).

Такая конфигурация позволяет производить техническое обслуживание основных и резервного модулей без отключения нагрузки и без снятия ее защиты. В этой схеме выходы основных модулей синхронизированы c выходом резервного модуля системы.

При пропадании питания на входе одного из основных модулей ИБП переходит в автономный режим работы и нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта данного ИБП. Если к моменту его разряда питание не восстановится, произойдет автоматический переход модуля в Bypass, т.е. на резервный блок. Разумеется, в этом случае резервный блок становится недоступен для оставшихся основных модулей, и при переходе в Bypass второго основного модуля подключенный к нему сегмент нагрузки запитывается от незащищенного входа системы.

Рис. 3. Простейшая система с последовательным резервированием

ABB — размыкатель резервной цепи Bypass;
BIB — размыкатель цепи статического Bypass;
BSB — входной размыкатель цепи Bypass;
MBB — переключатель ручного Bypass;
MIB — размыкатель ручного Bypass;
PBB — размыкатель основной цепи Bypass;
RIB — входной размыкатель цепи выпрямителя

Особенности систем с последовательным резервированием ИБП

Резервный модуль работает в режиме Off-Line.
По входу Bypass основных модулей включен резервный ИБП, а не “грязная” сеть.
Данная схема — хороший способ модернизации существующей одномодульной системы для повышения ее надежности путем включения дополнительного резервного модуля.

На основании этого схему с последовательным резервированием можно рассматривать как существенно более надежную в сравнении с одномодульной. Дополнительное преимущество системы с последовательным резервированием заключается в возможности использования разноранговых модулей (модулей с разной мощностью) и разнотипных модулей (модулей от разных производителей).

Недостатки схем с последовательным резервированием ИБП

Для реализации подобной схемы требуется большее количество автоматических переключателей и защитных автоматов в сравнении с параллельными системами.
Например, схема с 4 модулями (3 основных, 1 резервный) требует 3 независимые линии Bypass со своими переключателями. Вследствие этого среднее время наработки на отказ (MTBF) системы с последовательным резервированием может оказаться ниже в сравнении с одномодульными ИБП или системами с параллельным резервированием.
Система с последовательным резервированием нуждается в дополнительной цепи коммутации источника питания входов Bypass основных модулей (для систем из 3 или более модулей).
Для модернизации простейшей двухмодульной системы (1 основной, 1 резервный модули) требуются большие затраты.
Мощность каждого сегмента нагрузки ограничена мощностью соответствующего основного модуля ИБП.

Таким образом, применение схемы последовательного резервирования, с одной стороны, облегчает обслуживание модулей и переконфигурирование системы, но, с другой стороны, приводит к снижению ее надежности в целом. Подобная конфигурация наиболее эффективна в варианте с двумя модулями (1 основной, 1 резервный). Однако при увеличении количества основных модулей рекомендуется использовать другие схемы резервирования.

Рис. 4. Четырехмодульная система с последовательным резервированием

Резервирование шины питания нагрузки (LBR)

При необходимости дальнейшего увеличения надежности системы бесперебойного электропитания рекомендуется применять технологию LBR. Ее концепция заключается в использовании 2 независимых систем бесперебойного питания. Мощности каждой из них должно быть достаточно для питания 100-процентной критичной нагрузки. Для повышения надежности рекомендуется подключать их к фидерам независимых трансформаторных подстанций. Нагрузка разбивается на два сегмента, каждый из которых соединен отдельной шиной со своей системой бесперебойного питания. Автоматический переключатель с соответствующим устройством управления, установленный непосредственно в нагрузке, позволяет переводить систему в следующие режимы работы (рис. 5):

две независимые системы ИБП независимо питают соответствующие сегменты нагрузки;
две независимые системы ИБП подключаются в параллель для питания всей нагрузки в целом;
питание всей нагрузки осуществляется одной из систем ИБП.

Преимуществом данной конфигурации является использование двойного выходного фидера в схеме резервирования. Система поддерживает две независимые выходные цепи питания. Схема резервирования непосредственно приближена к нагрузке, и тем самым достигается максимальная надежность системы. Кроме того, появляется возможность технического обслуживания шины питания нагрузки без ее отключения.

Оборудование с дублированными электрическими входами может непосредственно подключаться к двойному фидеру данной системы. В то же время использование распределительных устройств с двойным входом позволяет подключать и нагрузку с единственным электрическим входом.

Основное преимущество конфигурации LBR заключается в том, что любой из ИБП или любой участок цепи может быть отключен без потери напряжения на выходе системы и без перевода нагрузки на питание в режиме Bypass.

Рис. 5. Конфигурация LBR

A — вход выпрямителя;
B — выход модуля UPS;
C — батарейный вход;
D — вход цепи статического Bypass;
F — выход системы;
G — шина питания нагрузки;
H — батарейный размыкатель;
I — вход цепи ручного Bypass

Системы с синхронизацией выхода (LBS)

Схема с синхронизацией выхода (LBS) сходна с технологией LBR. Она состоит из двух независимых систем бесперебойного питания со своими независимыми выходными шинами. Системы обладают достаточной мощностью для питания всей нагрузки целиком, но в отличие от технологии LBR не имеют силовых соединений по выходу модулей (рис. 6). Синхронизация модулей осуществляется с помощью дополнительной цепи синхронизации с точностью до 3 градусов во всех режимах (включая запрещенный Bypass и автономный режим работы ИБП).

Схема LBS предназначена для питания нагрузки от двух электрически независимых синхронных фидеров. Нагрузка с дублированным электрическим входом подключается к ним непосредственно, а нагрузка с единственным входом предполагает использование дополнительных быстродействующих статических переключателей. В отличие от остальных методов резервирования (кроме LBR) данная система не имеет уязвимых участков схемы питания на всем пути от ИБП до нагрузки.

Система LBS является более эффективной и надежной в сравнении с одномодульной, параллельной или системой с последовательным резервированием. Это связано с наличием дублирующей шины питания нагрузки.

При проектировании схемы LBS нет необходимости в применении дорогостоящих систем управления, переключателей и др. Достаточно использовать два одномодульных ИБП с дополнительной панелью синхронизации.

Отсутствие электрической связи между выходными фидерами обеспечивает полную независимость одной цепи питания от другой в случае возникновения каких-либо проблем в нагрузке. Синхронизация ИБП осуществляется с помощью цепей синхронизации без силового соединения на их выходе. При этом допускается даже подключение ИБП к независимым трансформаторным подстанциям.

В обычных одномодульных системах ИБП синхронизируются с источником на входе Bypass. Если два ИБП имеют общий источник питания цепи Bypass, они синхронно работают в нормальном режиме эксплуатации. Однако при переходе на батареи, при питании от различных входных фидеров или при асинхронных цепях Bypass выходы ИБП будут рассогласованы.

При проектировании системы LBS используется дополнительный блок синхронизации, состоящий из интерфейсной карты, устанавливаемой в каждом UPS, и настенной панели управления, имеющей небольшие габариты. Блок синхронизации производит минимальный обмен информацией с ИБП. Он активизируется только при появлении рассогласования между фидерами. Отсутствие связей между ним и средствами управления ИБП гарантирует максимальную независимость системы и изоляцию модулей.

Схема с синхронизацией выхода (LBS) является самой экономичной реализацией топологии с двойной шиной питания нагрузки.

Рис. 6. LBS-система

BIB — размыкатель цепи статического Bypass;
RIB — входной размыкатель цепи выпрямителя;
BCB — батарейный размыкатель

Если вы остановили свой выбор на топологии с двойной шиной питания нагрузки (LBR или LBS), следующим шагом будет выбор устройств распределения мощности (PDU), отвечающих вашим потребностям. На рис. 7 представлены различные способы подключения нагрузки:

1. PDU с двумя вводами и ручной коммутацией нагрузки с единственным
электрическим вводом.

2. PDU с двумя вводами и автоматической коммутацией нагрузки (автомат
включения резерва).

3. PDU с двумя вводами и со статическим переключателем, обеспечивающим мгновенную коммутацию.

4. Нагрузка с единственным вводом подключена к статическому переключателю с двумя
резервными вводами через 2 x PDU. Это позволяет производить профилактику
одного ИБП и одного PDU без отключения нагрузки.

5. Нагрузка с двойным электрическим вводом подключена через 2 x PDU, что позволяет
производить профилактику одного ИБП и одного PDU без отключения нагрузки.

Рис. 7. Способы подключения нагрузки

PDU — устройство распределения мощности

При построении системы бесперебойного электропитания уже недостаточно полагаться на надежный одномодульный ИБП. Все чаще возникает необходимость проектирования “действительно бесперебойных” схем, допускающих техническое обслуживание и переконфигурирование без отключения нагрузки или рисков, связанных с питанием от “грязной” сети. Предлагаемые технологии LBR и LBS позволяют строить системы с двумя выходными фидерами для устранения всех уязвимых точек в системе энергопитания критичной нагрузки.

Приведенные в данном обзоре пять способов резервирования имеют свои преимущества и недостатки. Одномодульная система является оптимальным решением задач, не требующих непрерывного цикла работы в течение всего срока службы оборудования. Параллельная система обладает большей надежностью и допускает обслуживание в процессе работы. Конфигурация с последовательным резервированием позволяет свести резервирование к уже существующей одномодульной установке. Технология LBR обладает максимальной надежностью и гибкостью в обслуживании всех ее компонентов, включая шину питания нагрузки и установленные на ней силовые коммутационные элементы. Технология LBS позволяет добавить резервную систему бесперебойного питания и внедрить топологию двойной шины питания нагрузки в уже существующую систему.

Читайте также: