Интеллектуальные системы защиты электропитания

Балбеков А. Интеллектуальные системы защиты электропитания // Корпоративные системы. 2001 . №2. C. 70-77

Отношение к защите электропитания от сбоев в системах где используются электронное и/или электрическое оборудование, может быть разным. В одних случая это расчет на то, что авось пронесет в других в расчет принимается даже малейший риск сбоя работы оборудования в критические моменты времени В конечном счете, все определяется убытками, которые понесет организация.



В бой электропитания может привести не только к приостановке работы, но и к потере ценной информации или выходу из строя аппаратной части компьютера. Эти убытки каждая организация оценивает по-разному. Для одних ? это только прямые затраты на восстановление потерянной информации и поврежденного оборудования. Для других ? в оценку потерь входит также ущерб от простоя или снижения эффективности функционирования производственных или деловых процессов. Для третьих ? в потери включается и упущенная выгода, например, незаключенные сделки или переход клиента к конкуренту. Для четвертых ? критичным является уменьшение ?гудвила? (стоимости имиджа компании, отраженной в бухгалтерском учете), что приводит к снижению стоимости акций компании.

Известны случаи, когда даже редкие сбои электропитания оборудования приводят к тому, что только затраты на восстановление информации (вариант 1) превышают стоимость источника бесперебойного питания (ИБП). Есть и ситуации, когда просто недопустимо внезапное отключение оборудования (больницы, аэропорты, расчётные центры банков...).

Непосредственное отношение к проблеме с перебоями электроэнергии имеет закон очередей, действующий в рыночных условиях: при насыщенности предложений по какому-либо товару/услуге клиент становится в ту очередь, которая короче. Иначе говоря, если клиент не получает своевременного и качественного обслуживания, а выбор у него есть, то ожидать лояльности от него не приходится.

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ

ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Причина сбоев может быть разной: понижение напряжения на продолжительное время, кратковременные перебои подачи электроэнергии, полные отключения, импульсные всплески напряжения и другие. Количественные характеристики сбоев в конкретных условиях могут быть разными и меняться со временем. Практика свидетельствует, что не существует панацеи от всех неприятностей, связанных со сбоями электропитания, и все чаще возникает понимание необходимости комплексного подхода по обеспечению надлежащего качества электропитания.

С этой целью разрабатываются системы обеспечения бесперебойного питания или системы по защите электропитания (ЗЭ), которые становятся неотъемлемой составляющей любой компьютерной системы и должны быть составной частью стратегии планирования системы в целом, а не чем-то таким, о чем задумываются постфактум. Более того, необходимо учитывать, что проблемы питания целесообразно рассматривать в рамках единого проекта наряду со многими другими подсистемами здания, поскольку они требуют вложения значительных средств и увязки с силовой электропроводкой, коммуникационным электрооборудованием и аппаратурой кондиционирования воздуха.

Изначально системы гарантированного бесперебойного электропитания рассчитаны на несколько лет непрерывной эксплуатациии, и их срок можно сравнить со сроком службы кабельных подсистем здания и основного компьютерного оборудования. За 15-20 лет работы организации оснащение рабочих мест меняется три-четыре раза, несколько раз делается ремонт, но система гарантированного бесперебойного электропитания должна работать безотказно.

Комплексное системное применение средств, обеспечивающих бесперебойное электропитание нужного качества, позволяет существенно снизить общий уровень затрат, или то, что часто еще называют ?общая стоимость владения?. Это достигается за счет уменьшения поломок и простоев оборудования, исключения потери информации, а значит снижение уровня риска нарушения критичных бизнес-процессов.

СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Накопленный опыт разработки систем ЗЭ на основе ИБП позволяет условно разделить их на группы в зависимости от принятой концепции построения. Существует три основные концепции построения системы защиты электропитания:

- централизованная защита всей техники одним мощным ИБП или от 2 до 6 ИБП, работающих параллельно на одну нагрузку;

- распределённая защита, когда каждый отдельный потребитель (или кластер) имеет свой ИБП;

- комбинированная защита, когда вся вычислительная техника имеет один мощный ИБП, а особо ответственное оборудование (серверы, активное сетевое оборудование) дополнительно ?персональные? ИБП.

В зависимости от конкретных условий (топологии энергосети, количества потребителей, мощности энерговводов и т. д.) выбирается тот или иной метод.

Централизованная система защиты электропитания применяется в случае полной защиты по электропитанию целого помещения или здания. При этом на всё помещение/здание устанавливается один ИБП большой мощности до 4 MB-А (или от 2 до 6 ИБП, работающих параллельно на ?одну нагрузку?).

Основные преимущества:

- использование on-line технологии защиты оборудования от аварий во входной электрической сети;

- применение единого ИБП (или нескольких параллельных) является идеальной распределённой нагрузкой для входной электрической сети с высоким cos ф.

- повышается надёжность системы в целом (за счёт снижения количества устройств и более высокой отказоустойчивости самого оборудования);

- снижается необходимая резервная мощность системы (за счёт малой вероятности одновременного превышения номинального энергопотребления несколькими потребителями - коэффициент пересчёта - 0,7);

- наличие у мощных ИБП цепи BYPASS, позволяющей в критические моменты работы (профилактика, ремонт, перегрузка) автоматически или вручную переводить электропитание потребителей прямо от входного энерговвода (основной линии), либо от дополнительного;

- комплексная защита оборудования целого здания или его части;

- возможность подключения потребителей электроэнергии большой мощности;

- увеличение времени автономной работы системы до 24 часов за счёт использования в качестве источника дизель-генератора, работающего совместно с мощным ИБП.

Основные недостатки:

- необходимость проектирования особой электрической разводки по зданию до конечных потребителей;

- необходимость большого специального помещения для ИБП с кондиционированием воздуха для отвода выделяющейся в виде теплоты мощности (-5% от мощности ИБП) и поддержания температуры 15-25 С? для нормальной работы аккумуляторных батарей;

- сложность монтажа и ремонта (связанные с большим весом и габаритами ИБП);

- требование большой мощности в основном и дополнительном энерговводах.

Распределённая система защиты электропитания осуществляется с помощью ИБП малой и средней мощности (до 6 кВ А) для каждой рабочей станции (один на один) или на 3-10 рабочих станций (кластерная). Благодаря этому создаётся гибкая система, позволяющая легко менять расположение и количество рабочих мест в помещениях и при этом степень индивидуальной защиты оборудования на рабочем месте значительно возрастает, так как электропитание не зависит от соседних устройств.

Основные преимущества:

- нет необходимости в специальной электрической проводке;

- изменение расположения и количества рабочих мест не влечёт, как правило, изменения прокладки электрических кабелей;

- равномерное распределение капиталовложений на ИБП по мере роста количества рабочих мест. Основные недостатки:

- большая рассредоточенность и количество типов ИБП усложняет их обслуживание.

- невысокая перегрузочная способность одного ИБП на рабочем месте.

- невысокое качество защиты оборудования от помех и аварий во входной электрической сети.

Впрочем, как будет отмечено, существуют такие способы организации системы ЗЭ, которые уменьшают значимость отмеченных недостатков.

Комбинированная система защиты электропитания сейчас самая популярная и самая надёжная, включает в себя один или несколько мощных ИБП/дизель-генераторов (питающих всё здание, рабочие станции, системы охраны, пожарной безопасности и др.) и несколько ИБП малой и средней мощности, защищающих особо ответственное и дорогостоящее оборудование (серверы, активное сетевое оборудование, комнаты охраны, видеонаблюдение и т. д.).

ПОДСИСТЕМЫ В СИСТЕМЕ ЗЭ

Как отмечалось, причина сбоев электропитания может определяться целым рядом факторов. Для устранения и минимизации последствий действия применяются технические решения, соответствующие физике процесса каждого из них, поэтому и реализуются решения различными способами.

Это значит, что имеется различное специализированное оборудование, которое имеет свой типоразмер-ный ряд, соответствующий основным количественным параметрам сбоя и параметрам минимизации его последствий. Существует также комбинированное оборудование, которое, кроме специализации на защите по какому-либо основному сбою, способно в некоторой степени осуществлять защиту и по другому виду сбоя. Разнообразие видов и типов оборудования, предлагаемого для ЗЭ, и комплексное решение проблемы требуют применения системного подхода, а согласование действий оборудования различных типоразмеров реализуется в виде сложного комплекса.

Для согласованной работы разнообразного оборудования применяется своя система управления, а для поддержания оборудования в работоспособном состоянии используются вспомогательные системы.

Современные средства защиты электропитания представляют собой не механический конгломерат одних ИБП, как это часто понимают, а систему, имеющую, по крайней мере, три внутренние инфраструктурные составляющие. Это функциональная подсистема, состоящая из системообразующих элементов, подсистема управления этими элементами и вспомогательная подсистема, в которую входит оборудование, предназначенное для поддержки работоспособности элементов функциональной подсистемы.

Функциональная подсистема

Так как основная функция системы ЗЭ ? это защита электропитания, то техническое средство, которое обеспечивает выполнение основной функции по одному из сбоев/помех электропитания, является основным оборудованием, т. е. системообразующим элементом функциональной подсистемы. В качестве основных технических средств можно назвать:

- источники бесперебойного питания;

- интегрированные системы защиты;

- устройства распределения питания и статические переключатели;

- магнитные синтезаторы напряжения;

- устройства согласования питания, развязывающие трансформаторы и сетевые фильтры.

Наиболее часто используемым оборудованием в системах ЗЭ являются источники бесперебойного питания, которые могут быть представлены несколькими конструктивными решениями (в зависимости от принятой технологии защиты оборудования - ?offline?, ?on-line? или ?line-interactive?.

?Off-line? оборудование. В большинстве компьютеров в настоящее время используются источники питания коммутируемого типа, позволяющие выдержать короткие провалы основного питания за счет накопления относительно небольшого количества энергии во встроенных конденсаторах. Это означает, что допускается использование ИБП типа ?off-line?, поскольку небольшое время задержки (порядка нескольких миллисекунд) при переходе питания от основной сети на батарею ИБП не является жизненно важным фактором. Используемые главным образом в маломощном конце спектра мощностей ИБП модели типа ?off-line? являются простейшими и экономичными. Они обеспечивают частично отфильтрованное сетевое питание нагрузки (что означает отсутствие действительного кондиционирования питания), при этом заряженная батарея остается в резерве. Если значение входного напряжения падает ниже определенного уровня, то встроенный в -ИБП переключатель соединяет батарею с инвертором, преобразующим постоянный ток батареи в переменный, который подается на компьютер. Существует время переключения между основной сетью и ба&