Обзор подготовлен

ИБП нового поколения сложно обмануть

Существуют различные подходы к построению отказоустойчивых систем энергоснабжения, и не утихают споры об эффективности и надежности каждого из них. Ниже мы рассмотрим одну из относительно новых архитектур ИБП, появление которой обусловлено возросшими требованиями к системам энергообеспечения со стороны корпоративного заказчика. Модульные ИБП готовы к любым хитростям со стороны системы питания - отказов не будет.

Отказоустойчивая инфраструктура и бесперебойное электроснабжение наиболее востребованы центрами обработки данных (ЦОД). В число задач при построении подобных объектов входит подбор ИБП необходимой мощности и конфигурации, размещение и обеспечение питанием активного сетевого оборудования, серверов, а также рациональное размещение кроссовых полей и прочих элементов структурированной кабельной системы (СКС). Кроме того, необходимо обеспечить охлаждение или вентиляцию установленных технических средств, обеспечить управление ИБП и мониторинг условий окружающей среды в серверной, аппаратной или коммутационном центре.

Применение источников бесперебойного питания в составе интегрированных (комплектных) решений дает наибольшую эффективность при создании ОУС (отказоустойчивых систем). Под комплектным решением понимается готовый к применению комплект, осуществляющий основную функцию — резервирование питания и дополнительные — распределение питания, обеспечение электромагнитной совместимости, размещение оборудования, охлаждение, мониторинг и т.д. Основным преимуществом комплектных решений перед решениями, поставляемыми «россыпью» является его проработка с инженерной точки зрения, простота установки на месте и обеспечение элементами автоматизированного проектирования на этапе принятия технического решения по выбору вариантов. Т.е. осуществляется так называемая интеграция — сведение в единый комплекс различных технических средств и устройств для выполнения единой технологической задачи.

Начиная строить ОУС от ИБП, необходимо обеспечить его надежность или точнее обеспечить сохранение функций бесперебойного электроснабжения, т.е. в идеале обеспечить нулевое СВВУ (среднее время восстановления устройства) ИБП. Общепризнанным подходом в конструировании на сегодняшний день, позволяющим всемерно снизить СВВУ, является применение принципа «горячей» замены неисправных или требующих обслуживания узлов.

Очевиден подход, который применяется сегодня для создания наиболее ответственных и критичных узлов и устройств, работающих в составе ИС. Это разбиение узла (устройства и т.п.) на N параллельно соединенных модулей с добавлением N+1-го, N+2-го и т.д. модулей для повышения уровня резервирования (или избыточности) плюс возможность замены (увеличения или уменьшения) числа этих модулей на ходу, в «горячем» состоянии.

Таким образом достигается высокая отказоустойчивость за счет наличия N+1-го, N+2-го и т.д. модулей. При отказе любого из модулей остальные просто перераспределяют между собой его нагрузку. Для замены вышедшего из строя модулей не требуется отключение устройства в целом. Остающиеся в работе модули обеспечивают полноценное функционирование. Повышается экономическая эффективность по сравнению с удвоением (утроением и т.п.) устройства в целом. Изменения конфигурации возможны без выключения устройства, в «горячем» состоянии.

Модульная конструкция ОУС

Среди различных типов источников бесперебойного питания следует выделить модульные отказоустойчивые системы. Согласно терминологии, впервые примененной АРС, эти ИБП называются энергетическими массивами (power array). Весь класс этих устройств от различных производителей называют модульными отказоустойчивыми источниками бесперебойного питания (МОУ ИБП). Это сравнительно новый тип устройств, представляемый на рынке, начиная с середины 90-х годов. Его появление вызвано требованием осуществления равного значения эксплуатационной готовности всех компонентов технических средств в цепи инфокоммуникационных технологий.

В то время как серверное оборудование, средства хранения информации, аппаратура передачи данных и связи развивались по пути резервирования (кластеризация, зеркальные сервера, дисковые массивы, резервные каналы передачи данных, и в том числе удвоенные блоки питания), технологии ИБП с отставанием на шаг могли предложить только параллельную или последовательную схемы резервирования бесперебойного питания. Эти схемы не позволяли в полной мере избавиться от необходимости отключений питания при проведении профилактических и ремонтных работ. Небезупречны они и при возникновении неисправностей. Потребовалось новое устройство, принципиально отличное от традиционных моноблочных источников. Таким как раз стали модульные отказоустойчивые ИБП (МОУ ИБП).

Термин «модульные отказоустойчивые» отражает суть схемотехники устройства. Выполненные в основной массе по схеме двойного преобразования частоты и принципу N+1 (принцип избыточности, «горячий» резерв), эти ИБП представляют собой параллельную систему ИБП — модулей — в одном корпусе или группе корпусов-стоек. Это позволяет им продолжать работу при выходе из строя силового модуля (модуля преобразователей), модуля батарей или модуля управления. При этом достигается значение КД 0,99999, что соизмеримо с КД защищаемого оборудования и в пересчете на время простоя по любой причине не превышает 5 минут в год.

Конструктивно МОУ ИБП представляет собой стойку (фрейм), где размещаются силовые модули, батарейные модули и модули управления. В стойке имеется терминал для подключения питания и выхода на нагрузку, байпас, силовая и информационная шины и разъемы. Имеются также слоты для подключения дополнительных устройств. Силовой модуль является блоком, содержащим выпрямитель и инвертор, устанавливаемый в стойку для параллельной работы с другими силовыми модулями. Батарейный модуль представляет собой кассету с аккумуляторной батареей (АБ), защитой от короткого замыкания в цепи АБ и платой диагностики. В ряде моделей можно устанавливать батарейные модули на место силовых, что позволяет наращивать время автономной работы в габаритах одной стойки. МОУ ИБП выполняются с батарейными модулями в отдельной стойке и с совмещенными силовыми и батарейными модулями в одной стойке. Это зависит главным образом от мощности устройства.

Существуют различные концепции МОУ ИБП — с распределенной логикой управления и с централизованной избыточной логикой. С одной стороны, при распределенной логике управления количество точек отказа управления локализуется в масштабах одного силового модуля, с другой стороны, централизованна логика учитывает необходимость резервирования управления и выполнена в удвоенном составе. Информационная шина, требующаяся для синхронизации работы силовых модулей, присутствует в любом случае.

Мощность модульных ИБП

В энергетике потребляемые и генерирующие мощности являются одними из основных технико-экономических показателей. На основе мощностей силовых модулей энергетических массивов можно оценить направления развития этого перспективного типа ИБП.

Мощности силовых модулей лежат в диапазоне 0,4 — 200 кВА. С момента появления МОУ ИБП по настоящее время прослеживается тенденция роста мощности единичного модуля. Удельные мощности силовых модулей в расчете на единицу веса составляют до 0,5 — 0,6 кВА/кг. Конструктив МОУ ИБП близок к стандартным телекоммуникационным шкафам. Очевидно, что предел мощности будет определяться массогабаритными показателями силового модуля, позволяющими производить его замену 1-2 людьми. Мощность всего устройства при этом не превысит 150 кВА. Этот прогноз делается из расчета веса модуля не более 60 кг и количества модулей в устройстве до 5 штук. Наряду с этим наметилась тенденция «дробления» модуля, когда конструктивно он разбивается на функциональные блоки, которые могут заменяться в горячем режиме. Это позволяет довести мощность модулей до 200 кВА.

Такой прием реализован в новой линейке модулей ИБП Newave UPS Systems ConceptPower/Upgrade Line с мощностями модулей 60–80–100 кВА, где модуль разбивается на два функциональных блока, а также в ИБП АРС Symmetra MW с модулями 200 кВА, где выполнено разделение модулей по трем отдельным фазам. Конструктив этого устройства позволяет производить замену силового модуля  поблочно, с выделением функциональных частей преобразователя в отдельные конструктивные элементы. Процедура замена модуля при таком конструктиве не требует применения средств механизации.

Наращивание мощностей энергетических массивов возможно также по следующим технологическим направлениям — увеличение количества модулей и масштабируемость устройств. Увеличение мощности путем увеличения числа модулей реализовано в устройстве PK Electronics US 9001 с модулем, мощностью 1 кВА и общим числом модулей до 144 и соответственно суммарной мощностью до 144 кВА. Большее количество модулей в устройстве теоретически возможно, но потребует увеличения размера стойки, что усложняет условия перевозки и монтажа. Данное решение не получило дальнейшего развития в отличие от решения Newave UPS Systems ConceptPower/ Upgrade Line в котором можно наращивать количество стоек, но это уже следует относить к отдельному технологическому решению — масштабируемости устройств.

Как было отмечено выше, ряд моделей энергетических массивов позволяют осуществлять комплектацию устройства таким образом, что количество силовых и батарейных модулей может находиться в разных соотношениях. Такая комплектация применяется, например, для осуществления избыточного резервирования по принципу N+2 и более для электроприемников с особо высокими требованиями к надежности электроснабжения (системы безопасности, технические средства органов государственного управления, транспорта, опасного производства, крупные платежные системы и т.д.). Кроме того, используется в комплектации необходимой установленной мощности или в комплектации АБ с большим временем автономной работы.

Масштабируемость может осуществляться в пределах одного устройства, причем количество силовых и батарейных модулей может быть установлено с учетом дальнейшего доукомплектования при расширении состава или количества защищаемых электроприемников. Упоминавшийся модельный ряд ConceptPower/Upgrade Line МОУ ИБП Newave UPS Systems позволяет объединять значительное, теоретически неограниченное количество устройств, на параллельную работу. При этом сохраняются все функции, характерные для отказоустойчивого устройства (в первую очередь "горячая" замена). Не последнюю роль при осуществление масштабирования играет выбор мощности модуля или единичного устройства. При этом можно подобрать суммарную мощность установки с точностью до одного модуля, обеспечив резервирование N+1 с минимальной избыточностью, что дает существенную экономию средств.

Мощность МОУ ИБП и силовых модулей

Преимущества модульных ОУС

МОУ ИБП позволяют обеспечить высшую степень защиты нагрузки и являются наиболее подходящими ИБП для построения отказоустойчивых систем электроснабжения. В последние годы номенклатура оборудования пополнилась моделями разных производителей и эта тенденция — расширение производства энергетических массивов — явно идет на подъем. МОУ ИБП выпускаются в диапазоне мощностей, покрывающем потребности в создании отказоустойчивой системы бесперебойного электроснабжения практически любого здания. Технические возможности современных технологий и номенклатура выпускаемой продукции дает широкие возможности выбора по заданным технико-экономическим показателям. 

Преимущества модульных систем отражают мнение автора, основанное на опыте работы в данной области, включая эксплуатацию, проектирование, осуществление планирования капитальных вложений и контроль за их инвестированием. Существует и другая точка зрения, заключающаяся в том, что модульные ИБП имеют преимущества только лишь для определенного круга задач. Альтернативой технического решения при этом выдвигается принцип RPA — Redundant Parallel Architecture — избыточная параллельная архитектура. В его основе лежит построение СБЭ на базе параллельно работающих одномодульных ИБП на общую шину.

Возможны два варианта построения параллельного комплекса: по централизованной схеме (с выделением статического переключателя обходной цепи байпас в виде объединительного блока); либо по децентрализованной (модульной) схеме — без объединительного блока. Выбор технического решения по созданию ОУС электроснабжения следует оставить за заказчиком и проектировщиком, учтя при этом различные факторы: местные условия, владение теми или иными технологиями, сложившиеся хозяйственные отношения и многие другие.

Александр Воробьев / CNews Analytics