CC BY
1072
УДК 621.39
Особенности резервирования источников бесперебойного питания компьютерного и телекоммуникационного оборудования
В.М. Артюшенко, Т.С. Аббасова
Рассмотрена стратегия защиты питающей сети с помощью ИБП; приведена классификация ИБП в зависимости от потребляемой мощности и в зависимости от способов резервирования; показано, что установленная мощность ИБП зависит от двух факторов: расчетной мощности (мощности нагрузки) и степени избыточного резервирования.
Strategy of mains supply protection with the help of UPS is considered. UPS classification depending on power consumption and types of reservation is provided. In this paper we show that the UPS installed power depend on two factors, namely design power (load power) and excess reservation degree.
В условиях нестабильности электропитания чувствительных электронных компонентов использование статических источников бесперебойного питания (ИБП) как средства получения электроэнергии требуемого качества является необходимой предпосылкой обеспечения устойчивой работы компьютерного и телекоммуникационного оборудования.
В связи с этим возникает необходимость повышения надежности работы компьютерного оборудования путем резервирования системы бесперебойного электропитания. Полученное техническое решение должно соответствовать техническим требованиям и позволять избегать излишних инвестиций при его организации.
Надежность любой сложной системы ограничена надежностью самого слабого узла. Чаще всего таковым оказывается ИБП традиционной моноблочной конструкции.
Стратегия защиты питающей сети включает в себя следующее [1].
1. Установка одного (или нескольких) ИБП, мощности которого достаточно для питания всего оборудования в текущей конфигурации с учетом перспектив развития сети. Этот ИБП отрабатывает все входные возмущения и пропадание питания. Для бытовых нужд прокладывается отдельная питающая сеть. Капитальные затраты в этом случае высоки.
2. Индивидуальная защита критичных элементов сети локальными ИБП. Капитальные затраты могут быть растянуты во времени, новые ИБП могут приобретаться по мере необходимости. Если индивидуально будут защищены все устрой-
ства, то суммарные затраты могут оказаться выше, чем при централизованном варианте.
3. В особо ответственных случаях применяют двухступенчатые схемы: от общего ИБП питается локальный ИБП, нагруженный серверами или коммуникационным оборудованием. ИБП поддерживают работу серверов и коммутаторов, по крайней мере до тех пор, пока не будут сохранены все данные и корректно остановлены все серверы.
Из перечисленного видно, что общую сеть желательно защитить по входу высокочастотным фильтром и ограничителем перенапряжений [2]. В табл.1 представлены этапы стратегии по защите питающей сети.
Установленная мощность ИБП зависит от двух факторов: расчетной мощности (мощности нагрузки) и степени избыточного резервирования. Избыточное резервирование может достигать 100% - такое решение наименее экономично и реализуется по схеме с одним рабочим и одним резервным ИБП. В настоящее время наибольшее распространение получил принцип резервирования «Ы+1», когда только часть мощности ИБП находится в резерве, который система бесперебойного электропитания (СБЭ) позволяет использовать при отказе одного из работающих ИБП при построении схемы соответствующим образом. Как правило, это схемы с «горячим» резервом (находящимся под нагрузкой).
Схемы построения СБЭ без избыточного резервирования менее предпочтительны. Время автономной работы с номинальной нагрузкой определяется емкостью аккумуляторных батарей. На практике время автономной работы больше за счет
Таблица 1. Мероприятия по защите питающей сети
Мероприятия Технические характеристики Примечание
1. Защита по входу общей сети высокочастотным фильтром и ограничителем перенапряжений (обычно фильтр входит в состав блока питания) Ток короткого замыкания 1кз Чем мощнее блок питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра и ток короткого замыкания. При емкости конденсатора С = 0,01мкФ и токе короткого замыкания /кз=0,7мА (опасен для человека)
2. Установка ИБП Установка одного (нескольких) ИБП для отработки входных возмущений и пропадания питания. Индивидуальная защита критичных элементов сети локальными ИБП Суммарная номинальная мощность ИБП (р ибп) Избыточная установленная мощность на случай отказа части ИБП Время работы с номинальной мощностью при отключении внешнего питания Для бытовых нужд прокладывается отдельная питающая сеть Новые ИБП приобретаются по мере необходимости, поэтому затраты растянуты во времени
3. Резервирование ИБП Один рабочий и один резервный ИБП Часть мощности ИБП находится в резерве, который СБЭ использует при отказе одного из работающих ИБП Мощность ИБП «Критические» нагрузки, которые нуждаются в дополнительном резервировании питания: файловые серверы, средства связи и телекоммуникаций, системы безопасности Технологический вид резервирования не влияет на принципиальную схему бесперебойного электропитания (СБЭ)
4. Система удаленного мониторинга и управления электропитанием Контроль параметров ИБП в режиме реального времени В случае длительного пропадания электропитания во входной сети вначале корректно закрываются приложения на станциях, затем - на серверах
избыточного резервирования и дискретности шкалы номинальных мощностей.
Способ резервирования определяется мощностью ИБП:
1. ИБП малой мощности подключаются непосредственно к защищаемому оборудованию и питаются от электрической сети чрез штепсельные розетки («розеточные ИБП»), изготавливаются в настольном, реже напольном исполнении, а также для монтажа в стойку и выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000ВА.
2. ИБП средней мощности имеют встроенный блок розеток для подключения защищаемого оборудования либо подключаются к групповой розе-точной сети, выделенной для питания защищаемых электроприемников. К питающей сети эти ИБП подсоединяются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат.
Они рассчитаны на установку как в специально приспособленных электромашинных поме-
щениях, так и в технологических комнатах, где размещается телекоммуникационное оборудование и допускается постоянное присутствие персонала. Выпускаются в напольном исполнении или для монтажа в стойку. Типичный диапазон их мощностей - от 3 до 40 кВА.
3. ИБП большой мощности подключаются к питающей сети с помощью кабеля от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат, а к защищаемому оборудованию - через выделенную групповую розеточную сеть. Они имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей охватывает значения от десяти до нескольких сотен киловольт-ампер.
Даже при увеличении затрат на разработку изделия, всемерной изощренности схемных решений, 100-процентном входном контроле компонентов, многократном тестировании изделия в процессе производства отдельные компоненты
имеют некий потолок надежности. Так, типичные современные системы защиты питания, где делается ставка лишь на высокую надежность отдельных узлов, имеют максимальное значение среднего времени безотказной работы Т0 в пределах от 50000 до 500000 ч. В то же время применение резервирования самих ИБП позволяет добиться существенного увеличения Т0 при тех же затратах на себестоимость изделия. На рис.1 изображен качественный характер изменения надежности изделия в зависимости от его себестоимости.
Общепризнанным подходом для радикального снижения Т0 стало следование принципу «горячей» замены неисправных или требующих обслуживания узлов.
Соотношения между доступностью, избыточностью и возможностями «горячей» замены можно пояснить с помощью диаграммы (рис. 2), где системы защиты электропитания располагаются на плоскости в зависимости от того, насколько они удовлетворяют двум составляющим доступности - избыточности и возможности «горячей» замены.
Таким образом, с ростом числа узлов при режиме «горячей» замены соответствующая системе точка на плоскости перемещается вверх, а с ростом числа избыточных узлов - слева направо.
Рис. 1. Изменение надежности изделия в зависимости от затрат: — - без резервирования; — - с резервированием
Рис. 2. Диаграмма соотношения между доступностью и возможностями «горячей» замены ИБП
На основании этой диаграммы современные системы защиты электропитания можно классифицировать по уровню доступности следующим образом.
1. Традиционный (моноблочный) ИБП
(Stand alone UPS) не обладает ни избыточностью, ни возможностями «горячей» замены. Как видно из диаграммы, устройство обеспечивает достаточную доступность электропитания благодаря надежности ИБП как такового. Подобные системы наиболее эффективны в диапазоне малых мощностей (до 5кВА).
2. Отказоустойчивый ИБП (Fault Tolerant UPS) иногда описывают как систему с «разумной избыточностью», поскольку такие системы содержат избыточные компоненты. Однако не все главные узлы можно заменять в режиме «горячей» замены. Отказоустойчивые системы ИБП могут иметь часть узлов, допускающих «горячую» замену, например батареи или блоки силовой электроники. В основном же большое число критически важных узлов, в частности, блоки процессорной электроники, невозможно заменить в «горячем» режиме.
3. Модульный ИБП (Modular UPS), как и отказоустойчивый ИБП, обеспечивает высокий уровень доступности. Эти системы имеют многочисленные компоненты с режимом «горячей» замены и обычно используются в многосерверных средах и телекоммуникационном оборудовании. Многие модульные ИБП предусматривают также избыточность батарей. Однако важнейшее преимущество таких систем по сравнению с отказоустойчивыми ИБП состоит в том, что отказ любого из основных компонентов может быть ликвидирован в «горячем» режиме, что исключает плановые простои на вызов сервисной поддержки.
4. Энергетические массивы (Power Array) -это системы матричной архитектуры, которые обеспечивают высшую степень защиты электропитания. В Power Array все блоки - силовой электроники, батарей и процессорные - являются и избыточными, и заменяемыми в «горячем» режиме. Системы такого типа характеризуются очень высокими значениями доступности и реализуют защиту высшего уровня для ИС. Power Array обычно на 10...20% дороже моноблочных ИБП сходной мощности и в среднем на 5. 10% дороже отказоустойчивых или модульных ИБП.
Энергетические массивы выполнены по методу двойного преобразования и принципу «V+1»
(принцип избыточности, «горячий» резерв), они представляют собой параллельную систему ИБП (модулей) в одном корпусе и способны продолжать работу при выходе из строя силового модуля, модуля батарей или модуля управления.
Приведем некоторые расчетные соотношения для определения параметров ИБП.
Расчетная мощность ИБП:
РИБП = / (Рп , Я,)..
(1)
где Рп - мощность нагрузки; Яр - степень избыточного резервирования.
Время автономной работы ИБП есть функция от САБ (емкости аккумуляторных батарей АКБ) и степени избыточного резервирования:
Я, = Г (СаБ , Яр). (2)
Емкость АКБ:
2 = 1,31, ЯДА,
(3)
где 1р - ток, который должен обеспечивать источник при отключении сети от резервных батарей; Я, - время резервирования, ч; кп - коэффициент преобразования (кп = 1 для источников без преобразования напряжения); кпп - коэффициент потерь при преобразовании (кпп = 1 для источников без преобразования напряжения, кпп = 1,3 для источников с кп = 2).
Время резервирования:
Я =■
1,3 Щ
р и пп
(4)
Чем выше емкость аккумулятора, тем больше время резервирования. На рабочие станции сети рекомендуется устанавливать менее дорогие ИБП с меньшей емкостью АКБ. Для серверов и клиентов приложений рекомендуется устанавливать более дорогие ИБП с большей емкостью АКБ, так как внезапное выключение или сбой подобных станций могут повлечь за собой искажение или потерю данных, и в этих случаях трудно определить, имела ли место потеря данных и какие именно данные потеряны.
Высокая отказоустойчивость системы бесперебойного электропитания достигается за счет наличия (N+1), (N+2), ... модулей. При отказе любого из модулей нагрузка перераспределяется между остальными модулями.
«Горячее» резервирование обеспечивает нулевое время простоя, для замены вышедшего из строя модуля не требуется отключать устройство в целом, остающиеся в работе модули обеспечивают полноценное функционирование.
Приведены расчетные соотношения для определения параметров ИБП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гук. М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002.
2. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные кабельные системы. Учеб. пособие. -М.: МГУС, 2005.
Поступила 20.12.2006 г.
