Энергозащитные комплексы для информационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Вопрос организации систем бесперебойного питания или автономного энергоснабжения становится для российских предприятий все более актуальным. Частые сбои в работе магистральных энергосетей, высокие тарифы на электричество и тепло, существенная стоимость подключения -- вот далеко неполный перечень факторов, побуждающих компании в большей степени полагаться на собственные силы. Здесь на первый план выходит проблема правильного построения соответствующих систем, ведь даже небольшие ошибки при выборе их компонентов и при установке могут привести к серьезным техническим сбоям, влекущим за собой немалые финансовые потери.

Существенный рост энергопотребления, наблюдающийся в последние годы, постепенно становится одной из самых насущных проблем начала XXI века. Значительный "вклад" в развитие этой неприятной тенденции вносят энергозатратные информационные системы предприятий и организаций -- разрастающиеся, усложняющиеся и, соответственно, требующие все больше и больше энергии.

В странах, где информационные технологии уже давно являются неотъемлемой частью бизнеса, а суммарная мощность таких решений, как центры обработки данных, превышает тысячи ГВт, вопросами их экономичности занимаются на самом высоком уровне.

Так, недавно президент США Джордж Буш подписал законопроект, возлагающий на Агентство по защите окружающей среды обязанность разработать и предложить методики по снижению потребления электроэнергии центрами.

В России власти пока не так сильно озабочены размерами потребляемой энергии информационных систем. Тем не менее, для всех российских владельцев больших "ИТ-хозяйств" проблемы энергоснабжения более чем актуальны.

Но если в США на первый план выходит вопрос чрезмерного электропотребления -- стоимость потребленных ИТ-системами киловатт там может легко перекрыть стоимость всех суперсовременных серверов и новейших инженерных систем, эти киловатты потребляющие, -- то в России основная проблема -- возможность получить требуемую мощность, ведь на всех электричества уже не хватает.

Таким образом, целью ВКР является рассмотрение основных аспектов применения энергосберегающих комплексов информационных систем.

Задачи ВКР:

1. Рассмотреть системы бесперебойного электроснабжения.

2. Изучить системы гарантированного электроснабжения.

3. Исследовать составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем такие как:

- источники бесперебойного питания;

- аккумуляторные батареи ИБП;

- дизель-генераторные установки;

- стабилизаторы напряжения.

1. Состав и основные функции комплексов энергозащиты

стабилизатор нагрузка энергозащита коммутация

1.1 Системы бесперебойного электроснабжения

Что необходимо учитывать при расчете мощности и времени автономной работы при построении системы бесперебойного электропитания.

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 системы бесперебойного электропитания.

Распределенные и централизованные системы бесперебойного электропитания.

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

Распределенная система имеет следующие преимущества:

- система создается без переделки существующей электрической сети с использованием "розеточных" источников бесперебойного питания (т. е. включаемых непосредственно в розетку ИБП малой мощности);

- наращивание мощности и изменение конфигурации осуществляется достаточно просто;

- при отказе одного из источника бесперебойного питания 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 источников бесперебойного питания 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.

Централизованная система 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 объединения 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.

Оптимизация установленной мощности ИБП и, соответственно, стоимости оборудования состоит в выделении наиболее ответственных потребителей, электроснабжение которых будет осуществляться от источников бесперебойного питания 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 системы бесперебойного электропитания.

Выбор конкретных моделей ИБП для проектируемой системы бесперебойного электропитания 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).

При расчете необходимой мощности ИБП, включаемых в параллельный комплекс, 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 системы бесперебойного электропитания 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 системы бесперебойного электропитания, является определение расчетной мощности нагрузки Sр.

Наиболее часто приходится сталкиваться с завышением или занижением мощности ИБП как при проектировании системы бесперебойного электропитания, 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 системы бесперебойного электропитания на основании удельной мощности потребления инфокоммуникационного оборудования на единицу площади офисного помещения. Расчет Sр 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/м2, или единичной мощностью одного рабочего места (рабочей станции) [ВА]. В некоторых публикациях приводится значение 40 Вт/м2 для одного этажа и 30 Вт/м2 для нескольких этажей или всего здания. При санитарной норме 6 м2 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 19” наметился некоторый рост потребляемой мощности, но, скорее всего, это временное явление, поскольку мониторы на базе электроннолучевых 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 системы бесперебойного электропитания 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 (Ки) для рабочих станций и персональных компьютеров. Он характеризует отношение числа одновременно работающих устройств к общему количеству установленных на объекте 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 коэффициент использования 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 коэффициента использования 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 системы бесперебойного электропитания.

Итак, расчетную мощность можно определить двумя способами.

Sр = Sуд x Поф

(Sуд - удельная мощность, 30-40 Вт/м2; Поф - площадь офисных помещений, м2).

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

Sр = Sрс х Kи + Sо

(Sрс - мощность рабочей станции, 200-340 ВА; Sо - мощность активного сетевого оборудования и серверов, ВА).

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

По расчетной мощности Sр выбирают мощность ИБП Sибп:

Sибп = Sр/N

В самом простом случае при установке одного ИБП N = 1 и Sибп = Sр. 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 Sр. 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 системы бесперебойного электропитания, 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 систем бесперебойного электропитания на основе параллельных комплексов и, разумеется, ИБП класса «энергетический массив» как наиболее приспособленных к масштабируемости (дабы на начальном этапе работы системы бесперебойного электропитания 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 Sибп. 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:

Iном. = (Sибп/h+ 0,1 Sибп)/3Uф

где Uф - 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, система бесперебойного электропитания 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. Рекомендуется, чтобы время автономной работы позволяло без дополнительного перезаряда батареи дважды произвести такое закрытие.

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. 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 дизельной электростанции или завершения работы пользователей компьютерной сети. Альтернативой ДЭС может служить системы бесперебойного электропитания с более продолжительным временем автономной работы. Аккумуляторная батарея 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 дизельной электростанции, то следует учитывать финансовый аспект данной альтернативы.

При мощностях более 10 кВА применение системы бесперебойного электропитания с большим временем автономной работы (более 15-20 мин) становится экономически нецелесообразно.

Кроме того, немаловажен и технический аспект, связанный с длительностью заряда батареи. 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 системы бесперебойного электропитания. Увеличение времени автономной работы возможно впоследствии путем увеличения емкости аккумуляторных батарей. Главное - заранее предусмотреть такую возможность при создании системы бесперебойного электропитания (включая соответствующие площади в электромашинных помещениях, необходимые запасы по сечениям питающих кабелей, коммутационной аппаратуры, комплектации ИБП и т. д.). И снова источники бесперебойного питания 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. Например, 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 Sр = 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.

1.2 Системы гарантированного электроснабжения

Система гарантированного электроснабжения - это объединенный единой схемой набор устройств, предназначенных для обеспечения электропитания потребителя с заданными показателями качества и надежности. В общем случае СГЭ предусматривает:

- осуществление электроснабжения оборудования компьютерной сети с необходимыми показателями качества и надежности;

- разделение компьютерного и технологического оборудования компьютерной и технологических нагрузок здания (освещение, лифты, кондиционеры, вентиляция, отопление и т.п.);

- обеспечение замены или проведения ремонтно-восстановительных работ без перерыва питания нагрузки;

- сохранение работоспособности узлов и нагрузок при отказе одного или нескольких узлов СГЭ;

- отсутствие влияния СГЭ на питающую сеть и работу других ее потребителей.

Система гарантированного электроснабжения может дополнительно обеспечивать:

- управление системой в автоматическом и ручном режимах, в том числе дистанционное;

- наличие в системе средств мониторинга и статистики состояний узлов СГЭ, показателей качества электрической энергии;

- предотвращение несанкционированного доступа к информации по линиям сетевого питания.

Существует два основных способа построения выделенной сети электроснабжения оборудования компьютерных сетей. Оба они предполагают организацию питания компьютерного оборудования по пятипроводной радиально - магистральной схеме от выделенных фидеров отдельно от других нагрузок здания.

Их отличие заключается только в том, что в одном случае магистрали выделенной сети подключаются непосредственно к вводному распределительному устройству здания, а во втором случае выполняется подключение с полным гальваническим разделением от некомпьютерных нагрузок здания. Такая выделенная сеть электроснабжения не должна иметь гальванической связи с силовыми сетями здания или городской сети.

Гальваническое разделение может быть выполнено разными способами, но оно предусматривает в обязательном порядке создание дополнительного технологического контура заземления, который также гальванически не связан с другими контурами заземления здания.

Распределительные щиты для компьютерных и некомпьютерных нагрузок здания также выполняются раздельно с ограничением доступа к распределительным щитам компьютерных нагрузок.

Только выделенная сеть электроснабжения компьютерных нагрузок с гальваническим разделением в наиболее полном объеме позволяет гарантировать отсутствие влияния других нагрузок здания на работу компьютерного оборудования.

Рассмотрим более детально элементы, составляющие в общем случае структуру систем гарантированного энергоснабжения.

Заземление.

В здании может быть пять независимых контуров заземления:

- контур повторного заземления на вводе в здание;

- защитное заземление технологического оборудования здания;

- независимый заземлитель молниезащиты;

- независимый контур заземления компьютерного оборудования;

- измерительный контур.

Контур повторного заземления на вводе в здание выполняется на практике достаточно часто, хотя и не регламентирован какими - либо нормативными документами.

Независимый контур компьютерного заземления является одним из важнейших элементов СГЭ, который обеспечивает выравнивание потенциалов на корпусах компьютерного оборудования - он должен обладать минимальным активным и полным сопротивлением.

Некорректно выполненное заземление компьютерного оборудования может стать в одних случаях причиной низкочастотных колебаний напряжения, в других - радиочастотного излучения. В свою очередь, каждое из этих проявлений может стать причиной сбоев и неустойчивой работы компьютерного оборудования, колебаний растра мониторов и т.п. Наиболее распространенной причиной возникновения таких нежелательных режимов является наличие гальванической связи между различными контурами заземления в нескольких точках. Признаком наличия таких связей и общих контуров является ток в заземляющем проводнике компьютерного оборудования.

Как показывает опыт, полное отсутствие гальванической связи между контурами заземления технологического оборудования здания и компьютерного оборудования или наличие такой связи только в одной точке не сказывается отрицательным образом на работе компьютерного оборудования. Наличие гальванической связи любого из перечисленных с заземлителем молниезащиты недопустимо.

Наконец, пятый контур заземления - измерительный - предназначен для упрощения комплекса периодических измерений параметров первых четырех контуров заземления.

Грозозащита.

Это комплекс мероприятий и средств, обеспечивающих защиту от высоковольтных импульсов. Можно выделить два вида устройств: молниеотводные установки (как пассивные так и активные) и ограничители напряжения.

Молниеотводные установки служат для предотвращения грозового разряда через конструкции и коммуникаций здания.

Ограничители напряжения обычно устанавливаются во входном распределительном устройстве здания, а иногда и во вторичных распределительных щитах. Возможна установка ограничителей напряжения непосредственно на линиях питания чувствительного оборудования в этажных щитах или непосредственно возле точек подключения оборудования.

Коммутация вводов и нагрузок.

Аппаратура автоматического ввода резерва (АВР) является одним из важнейших элементов СГЭ. В соответствии с рекомендациями ПУЭ, в СГЭ взаимное резервирование источников переменного тока осуществляют при помощи АВР.

Длительность перерывов электропитания до 20 мс для оборудования компьютерных сетей гарантирует отсутствие каких-либо нарушений в его работе. Очевидно, что обычные АВР таким быстродействием не обладают, у них оно как минимум на порядок ниже. Поэтому для обеспечения непрерывности работы компьютерного и телекоммуникационного оборудования его питание осуществляют от АБП или от АВР через агрегат бесперебойного питания.

В последние годы на рынке появились скоростные переключатели нагрузки, типичное время переключения которых составляет 5 мс.

К числу таких устройств относятся серии STS (Static Transfer Switch) и XTS производства компании MGE UPS Systems. Ряд таких устройств представлен в диапазоне токов от 10 до 600 А. Использование скоростных АВР при наличии двух независимых источников позволяет осуществить их взаимное резервирование, при котором интервал перерыва питания не превысит предельного значения 20 мс. Основное назначение скоростных АВР - использование их в качестве составного элемента сложных резервированных СГЭ для повышения показателей надежности всей системы в целом.

Фильтры.

По назначению различают четыре вида фильтров:

* фильтры питающего напряжения;

* фильтры, устанавливаемые непосредственно в последовательных линиях связи и компьютерной сети, как встроенные в АБП, так и автономные;

* фильтры ля предотвращения считывания информации по линиям сетевого питания;

* силовые фильтры гармоник тока.

Защитные фильтры питающего напряжения одновременно выполняют фильтрацию электромагнитных и радиочастотных помех. При этом величина подавления помех как в фазном, так и в нулевом проводе должна быть не менее 20дБ. При подавлении высоковольтных импульсов уровень пропускаемого напряжения не должен превышать 5%. Среди фильтров питающего напряжения особое место занимают фильтро-симметрирующие устройства (ФСУ). Это вид устройств может быть использован только для трехфазных нагрузок. При этом обязательным условием является наличие нейтрали наряду с фильтрацией гармонического состава напряжения ФСУ особенно эффективны при устранении не симметрии напряжений в трехфазной сети, которая для однофазных нагрузок проявляется в виде провалов, колебаний и перенапряжений.

Защитные фильтры для последовательных линий связи и компьютерной сети служат для защиты линий передачи данных и особенно удобны для защиты различного сетевого оборудования. например концентраторов, мультиплексоров и маршрутизаторов, а также последовательных портов компьютеров, терминальных и других периферийных устройств. Установка защитных устройств обязательна на обоих концах соединений при их длине более полутора метров.

Отдельно необходимо отметить фильтры типа ФП, применяемые в качестве элемента защиты информации по линиям сетевого питания. Эти фильтры устанавливаются непосредственно на вводах режимных помещений, например серверной или центра обработки данных.

Стабилизаторы переменного напряжения.

В настоящее время стабилизаторы напряжения в составе СГЭ практически не используются. Потребитель, а зачастую и продавец АБП, вообще не видят в этом необходимости, если в составе СГЭ тем или иным образом предусмотрено использование АБП. Они считают достаточным применение в системе гарантированного электроснабжения АБП с максимально широким входным диапазоном. С этим можно согласиться, но только при одном условии - структура СГЭ и секционирование ее нагрузок должны быть такими, чтобы даже в случае короткого замыкания в одной из нагрузок АБП не переходил в режим байпаса.

Это условие связано с тем, что реальный входной диапазон АБП в режиме байпаса не превышает +10% уровня номинального напряжения. Именно при таком напряжении на байпасном входе АБП, при его переходе в режим байпас, можно гарантировать нормальную работу нагрузок. Если по тем или иным причинам режим байпаса неизбежен, тогда на входе байпаса АБП необходимо установить стабилизатор напряжения, входной диапазон которого равен входному диапазону АБП или превышает его, причем характеристики стабилизатора напряжения должны обеспечивать его нормальную работу в режимах перегрузки АБП.

Входной диапазон байпаса не может превышать допустимого входного диапазона подключенных к нему нагрузок. Поскольку через байпас нагрузки подключены непосредственно к сети. ГОСТ 13109-97 регламентирует безопасный для них диапазон отклонения напряжения сети - +/- 10% от номинального значения сетевого напряжения.

Средства гальванической развязки.

В структуре СГЭ гальваническая развязка предназначена для разделения компьютерных и других технологических нагрузок здания с целью исключения влияния последних на работу компьютерного оборудования. Полная гальваническая развязка предусматривает гальваническую развязку не только входных или выходных цепей АБП, но и цепей байпаса. В большинстве случаев она обеспечивается при помощи входного или выходного изолирующего трансформатора. В том случае, если основные цепи АБП оснащены средствами гальванической развязки на высокой или основной частоте сети, для обеспечения режима полной гальванической развязки необходимо предусмотреть дополнительный трансформатор в цепи байпаса.

В АБП с трехфазным входом и однофазным выходом для улучшения симметрии загрузки фаз в цепи байпаса необходимо использовать трансформатор с первичной обмоткой напряжением 380-400 В и вторичной обмоткой 220-230 В.

Если секционирование нагрузки АБП гарантирует, что для него режим байпаса невозможен, тогда использование трансформатора в цепи байпаса не является обязательным.

Другое предназначение гальванической развязки - предотвращение считывания информации по линиям сетевого питания. Трансформатор, предназначенный для работы на основной частоте сети, в сочетании с дополнительными специализированными фильтрами, например серии ФП, все же не дает 100%-ной гарантии предотвращения считывания информации.

Наилучшее решение - использовать в качестве элемента гальванической развязки пары мотор-генератор, работающей совместно с АБП.

Электромеханическая связь АБП и нагрузки позволяет полностью предотвратить возможность считывания информации по линиям сетевого питания.

Средства горячей замены ИБП.

Одним из важнейших требований к СГЭ является обеспечение непрерывности питания нагрузки даже в таких специфических условиях, как проведение ремонтно- восстановительных работ или замена оборудования. В случае СГЭ на основе одного или нескольких нерезервированных АБП их отключение производится при помощи внешнего байпасного модуля. Его использование является потенциально опасной операцией в отношении АБП. В случае, если напряжение инвертора АБП не синхронизировано с питающей сетью или ее напряжение выходит за пределы входного диапазона в режиме байпаса, переход АБП в этот режим невозможен. При включении цепи внешнего байпаса в таком режиме инвертор АБП, как правило, выходит из строя. Для предотвращения повреждения инвертора в цепях ручного байпаса должны быть предусмотрены необходимые цепи блокировки.

Генераторные установки.

Увеличение аккумуляторного парка АБП при необходимости обеспечения продолжительного времени автономной работы СГЭ в силу целого ряда причин, в том числе экономических, может оказаться нецелесообразным.

В этом случае, а также при отсутствии второго независимого ввода для нагрузок первой категории или третьего независимого ввода для нагрузок особой группы первой категории, в состав СГЭ вводят автоматизированную генераторную установку.

В качестве двигателей в таких установках чаще всего используют дизель или турбину. Время восстановления питания для таких установок составляет от 8 до 30с. Очевидна необходимость совместного применения в составе СГЭ агрегат бесперебойного питания и генераторной установки.

Генератор такого автономного источника имеет ограниченную мощность, и в общем случае оптимальной для него является активная нагрузка. Уменьшение коэффициента мощности нагрузки приводит к снижению предельной мощности, которую способен отдать в нагрузку генератор. При емкостном характере нагрузки такое снижение может достигать 70%. Для индуктивного характера нагрузки снижение мощности незначительно и не превышает 15%.

Таким образом, при необходимости работы на реактивную нагрузку установленная мощность генераторной установки должна быть увеличена, поэтому ее минимизация является важной составляющей при проектировании СГЭ.

Другой аспект проблемы заключается в том , что искажения входного тока обычного АБП с шестиимпульсным выпрямителем без фильтра достигают 30% при 100%-ной нагрузке. Снижение нагрузки приводит к росту искажений в его входном токе. Так при 25% нагрузки коэффициент нелинейных искажений входного тока достигает 100%, что в свою очередь, может приводить к недопустимому уровню искажения напряжения генератора и стать причиной неудовлетворительной работы его систем возбуждения и регулирования частоты. С учетом этих особенностей необходимо укомплектовать генераторную установку необходимыми регуляторами напряжения и скорости, а также принять меры по снижению уровня искажений тока нагрузки генератора. Значительные искажения питающего напряжения могут стать причиной перехода АБП в автономный режим работы.

Для нормальной совместной работы АБП и автономного генератора, а также для уменьшения установленной мощности последнего необходимо предусмотреть включение в состав АБП опций, снижающих искажения во входном токе и повышающих его входной коэффициент мощности, или применять АБП, стандартный выпрямитель которого обеспечивает фильтрацию входного тока.

Фильтры гармоник тока.

Для снижения искажений во входном токе АБП комплектуются пассивными LC-фильтрами. Обычно это 5-или (значительно чаще) 10%-ный компенсированный фильтр или некомпенсированный фильтр с контактором. Существенно реже используется некомпенсированный фильтр, из-за значительной емкостной составляющей в его входном сопротивлении. При использовании совместно с АБП пассивных фильтров необходим тщательный расчет реактивной мощности. Следует убедиться в каждом конкретном случае в том, что мощность генератора будет достаточной во всех режимах его работы, а уровень емкостной составляющей во входном сопротивлении не превышает допустимого.

АБП с двенадцатипульсным выпрямителем - одно из наиболее старых решений, обеспечивающих приемлемый уровень искажений входного тока АБП и его совместную работу с генератором.

В настоящее время все перечисленные решения устарели и не соответствуют стандарту IEC61000-3-4[1]. Некоторые производители АБП уже давно отказались от комплектации АБП двенадцатипульсным выпрямителем, поскольку его стоимость значительно превышает стоимость обычного шестимпульсного в комплекте с любым из пассивных или активных фильтров, при этом гармонический состав входного тока любого из таких выпрямителей лучше, чем у двенадцатиимпульсного выпрямителя. Затраты будут сопоставимы только в том случае, если для АБП потребуется полная гальваническая развязка. Отдельно нужно отметить интерактивный АБП с дельта - преобразованием. Именно дельта - преобразователь выполняет в таких АБП функции устройства нормализации напряжения нагрузки в режиме работы от сети, а также активного фильтра входного тока, корректора входного коэффициента мощности, обеспечивая совместимость с генераторной установкой.

Несколько раньше появилась концепция ТНМ (Total Harmonic Management) предусматривающая активную фильтрацию гармоник входного тока АБП. Эта концепция получила свое дальнейшее развитие в моделях. АБП с IGBT-выпрямителями, которые наряду с фильтрацией гармоник входного тока корректируют входной коэффициент мощности, обеспечивая совместимость АБП с генераторной установкой.

Таким образом, наилучшую совместимость АБП и генератора, а также соответствие в полной мере стандарту IEC61000-3-4 во всем диапазоне нагрузок обеспечивают только АБП с активной фильтрацией гармоник входного тока.

Оборудование для утилизации тепла.

Одной из важнейших проблем при построении СГЭ является обеспечение оптимальных температурных режимов эксплуатации АБП и его аккумуляторных батарей. Обычно предельная температура эксплуатации АБП составляет +40°С. В то же время рекомендованная среднесуточная рабочая температура АБП составляет +20°С. В настоящее время в АБП наиболее часто применяют необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Именно они накладывают наиболее существенные ограничения на рабочую температуру внутри АБП или шкафа с аккумуляторными батареями и определяют оптимальные температурные режимы эксплуатации. Необходимо особо отметить, что эта температура в общем случае не соответствует температуре внутри помещения, в котором установлен АБП. Например, при попадании на поверхность АБП прямых солнечных лучей температура внутри него может существенно превысить предельные +40°С за счет нагрева поверхности корпуса. Но если даже температура не будет достигать предельного значения, она негативно сказывается на сроке службы аккумуляторных батарей.

Эксплуатация батарей при температуре +35°С уменьшает его в 3 раза. Таким образом, несоблюдение температурных режимов эксплуатации АБП может привести к увеличению эксплуатационных расходов за счет преждевременной замены комплекта аккумуляторных батарей.

Для АБП большой мощности существует и другой аспект этой проблемы, который рассмотрим на примере серии АБП Silcon DP300E. Это оборудование рекламируется производителем, фирмой АРС, как серия наиболее экономичных АБП. За это свое качество АБП Silcon DP300E в технической прессе называют «зелеными». Именно высокий КПД этих АБП послужил критерием выбора для нашего примера.

АБП DP340E мощностью 40 кВА имеет габариты 1400 * 1000 * 800мм (1.12м). Ширина передней дверцы - 800мм. С учетом рекомендаций производителя и требований техники безопасности для обслуживающего персонала, помещение минимального размера для этого типа АБП имеет высоту 1900мм, ширину - 1000мм. длину - 2400мм (т.е. его объем составляет 4.56м). В автономном режиме работы АБП на полную нагрузку его рассеиваемая мощность составляет 1,8кВт. Приближенный теплотехнический расчет показывает, что в помещении с приведенными размерами и исходной температурой +20°С, температура поднимется до уровня отключения АБП по перегреву (+40°С) менее чем за 75 секунд.

Приведенный пример показывает, что без средств активного удаления тепла, как в режиме работы от сети, так и в автономном режиме работы, АБП не обеспечит заданное в спецификации минимальное время при работе на номинальную нагрузку.

Таким образом, наряду с АБП система утилизации тепла - одна из важнейших составных частей СГЭ, от работы которой не только зависит надежность работы СГЭ в целом, но и стоимость ее эксплуатации.

2. Составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем

2.1 Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания, согласно действующим стандартам, классифицируют по принципу действия на три основные группы:

1) Off-Line/Stand-By/back-up UPS;

2) Line-Interactive;

3) On-Line.

Источники бесперебойного питания типа Off-Line.

Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случае, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов.

Это наиболее простые ИБП, а значит, и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:

* фильтр-нагрузка;

* выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.

Сеть к нагрузк.е

При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель (surge suppressor), хотя может быть и фильтр-стабилизатор (line conditioner) либо их сочетание, а также статический переключатель.

Одновременно через выпрямитель подзаряжаются и аккумуляторы аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем переключается на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10-20мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5-10 мин.

Основные недостатки ИБП Off-Line.

Главными недостатками ИБП off-line считают:

* плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения (sags), превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;

* невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание;

* несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи.

Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа - устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети.

Источники бесперебойного питания типа Line-Interactive. В источниках бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive, иногда Ferroresonant) сочетаются преимущества типа On-line с надежностью и эффективностью резервных (standby). В источниках бесперебойного питания этого типа в отличие от технологии Off-line в прямую цепь включен ступенчатый автоматический регулятор напряжения (booster), построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях применяется сетевой стабилизатор напряжения.

Инвертор связан с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному (conditioned) переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью лишь в том случае, когда входное напряжение электросети пропадает.

Сеть к нагрузке.

Из-за такого взаимодействия ("interaction") со входным сетевым напряжением данная архитектура и получила свое название. В определенном диапазоне изменения сетевого напряжения, выходное напряжение поддерживается в заданных границах за счет переключения обмоток трансформатора либо стабилизатором. Инвертор как правило работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзарядку аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение для полного питания нагрузки при перебоях в электросети. Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания нашли наиболее широкое применение в системах защиты компьютерных сетей.

Трансформатор, сделанный по специальной так называемой ferro-технологии, сглаживает скачки напряжения, при этом источник бесперебойного питания реже переключается на работу от аккумуляторной батареи, и следовательно повышается срок службы батареи. Обычно, эти источники бесперебойного питания оборудованы совершенными фильтрами, обеспечивающими защиту от помех различного происхождения. Типовое время переключения в режим питания от аккумуляторов или обратно составляет 2 мс.

Конструктивно трансформатор не имеет несколько дополнительных отводов во вторичной обмотке (это может быть автотрансформатор с единственной обмоткой), переключением отводов трансформатора при изменениях входного напряжения управляет контроллер (микропроцессор), поддерживая напряжение на выходе в требуемом диапазоне.

Итак, Line-Interactive источник бесперебойного питания работает по принципу управляемого ЛАТРа и действительно реже переключается на батарейное питание при скачках входного напряжения. В этой схеме зарядное устройство конструктивно совмещено с преобразователем.

Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений.

В некоторых линейно-интерактивных моделях есть шунтовая цепь между входом первичной электросети и нагрузкой, такие ИБП называются шунтовыми линейно-интерактивными ИБП (UPS-LIB, Reversible + Bypass). В шунтовом режиме питаемая нагрузка не защищается. При работе с источниками на основе ferro-технологий нужно иметь в виду:

* высокое выходное сопротивление источников может угрожать безопасной работе приборов, препятствуя срабатыванию сетевых предохранителей;

* возможна нестабильная работа (паразитные колебания) при использовании источников для питания приборов с корректорами коэффициента мощности.

Источники бесперебойного питания On-Line типа.

Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя напряжение сети поступает на преобразователь постоянного напряжения высокого уровня в низкое ПН1, а далее - на преобразователь постоянного напряжения в переменное выходное напряжение (ПН2). Преобразователь ПН2 - инвертор, питание на который поступает как от аккумуляторов, так и от сети через выпрямитель-преобразователь напряжения ПН1, подключенных параллельно:

* при нормальном входном переменном напряжении инвертор ПН2 питается от выпрямителя;

* при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи.

В большинстве систем источников бесперебойного питания мощностью до 5 кВА вместо непрерывно подключенного аккумулятора, подключен резервный преобразователь постоянного тока (DC-DC converter), включающийся при сбоях сети и дублирующий шину постоянного тока от низковольтного аккумулятора.

Вывод: даже в случае незначительных отклонениях параметров входного напряжения от нормы On-Line устройства обеспечивают на выходе номинальное напряжение в области ±1-3%. Присутствие обходной цепи (bypass) позволяет подключать нагрузку прямо к силовой сети. Качество питания и надежность поставки электроэнергии, предоставляемое устройствами с архитектурой такого типа, существенно выше, чем у предыдущих. Недостатки источников бесперебойного питания On-line типа: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными типами, КПД (85-90%) из-за двойного преобразования (по отношению к Standby и Line-Interactive) и высокая цена. Однако, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП - разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства. Потери в ИБП мощностью в 4000ВА не превышают 380Вт и могут быть несоизмеримыми с той задачей, которую решает подобный источник питания.

Новые модификации источников бесперебойного питания.

Сейчас имеется несколько новых модификаций источников бесперебойного питания:

* by-pass;

* triple-conversion;

* ferrups.

Первая модификация (by-pass) представляет собой дополнительный канал передачи электроэнергии в нагрузку, его наличие позволяет обеспечить высокую надежность устройства.