Средства обеспечения бесперебойного и безопасного электропитания КС

Организация бесперебойного электропитания

Электропитание КС должно быть защищено от следующих неполадок, приведенных в табл. 4.

Таблица 4.

Возможные неполадки электропитания КС

Наименование неполадки	Определение	Возможная причина	Последствия
Всплески напряжения	Кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 10% на время более 20 мс.	Отключение энергоемкого оборудования, короткие замыкания в сети	Потеря информации, выход ТС из строя.
Высоковольтные выбросы	Кратковременные импульсы напряжением до 6000 В и длительностью до 10 мс.	Удар молнии, искрение переключателей, статический разряд.	Потеря информации, выход из строя элементов аппаратуры.
Проседание напряжения	Кратковременное снижение напряжения до величины менее 80-85% от номинального	Включение энергоемкого оборудования, запуск мощных электродвигателей.	Потеря информации, выход аппаратуры из строя.
Высокочастотный шум	Радиочастотные помехи. Помехи электромагнитного или другого происхождения	Электромоторы, реле, силовая техника, передатчики, магнитные бури.	Выход из строя накопителей, зависание компьютеров.
Выбег частоты	Уход частоты на величину более 3 Гц от номинального (50 Гц).	Включение энергоемкого оборудования, запуск электродвигателей, перегрузка по линии электропитания.	Выход из строя дисковых накопителей, зависание компьютеров, потеря данных
Подсадка напряжения	Падение напряжения в сети на длительное время	Нестабильность генератора.	Потеря данных, выход из строя аппаратуры.
Пропадание напряжения	Отсутствие напряжения в электросети в течение более 40 мс.	Неполадки в линии, срабатывание систем защиты.	Потеря данных, выход из строя аппаратуры.

Основными исходными данными при проектировании системы гарантированного электропитания служат:

- Данные о качестве электропитания для данного здания или территории. Такие данные можно собрать самостоятельно или поручить сбор данных организациям, располагающим специальным оборудованием: коммунальным компаниям, сетевым интеграторам, независимым консультантам по сетям или поставщикам оборудования.

- Данные о способе подвода электропитания к зданию (по наземным линиям электропередач или иначе) и данные о мощном электрооборудовании, расположенном в том же здании (лифты и т. п.). Оценка настоящих и будущих потребностей, перечень защищаемого оборудования, программного обеспечения и процессов, отсортированный с точки зрения требований, предъявляемых к электропитанию.

- Допустимый уровень риска, который может допустить ваше предприятие, при возникновении проблем, связанных с электропитанием. Для оценки уровня риска рассматриваются возможные последствия - потери от простоев, стоимость замены компонентов, потенциальный ущерб репутации и прочее.

Требования к защите электропитания различных компонентов КС

Требования к защите сетевых операционных систем

Практически во всех сетевых ОС используется кэширование данных в оперативной памяти и для очистки кэша требуется некоторое время, в течение которого любой сбой имеет фатальные последствия. Процесс прекращения функционирования (закрытия) таких ОС требует некоторого времени на очистку буферов и закрытие сетевых соединений. Старт ОС тоже требует примерно такого же времени, как и закрытие, но она не может взаимодействовать с UPS, пока не будет запущен соответствующий программный модуль. В среднем время закрытия и время старта для распространенных сетевых ОС составляет:

-Novell, Windows NT - 2 - 10 мин.

-UNIX различных производителей - 5 - 15 мин.

Степень защиты центрального узла сети существенно выше в случае применения управляемых UPS. Такие системы решают задачу корректного закрытия сетевой ОС и последующего автоматического запуска сервера при появлении электропитания или по расписанию.

Требования к защите рабочих станций и коммутирующего сетевого оборудования

Степень защиты рабочих станций зависит от типа приложения, выполняющегося на ней. Более высокую степень защиты должны иметь станции сетевого управления и клиенты приложений, запущенных на сервере (например, клиенты базы данных). Внезапное выключение или сбой подобных станций могут повлечь за собой искажение или потерю данных. Если установлена защита для рабочих станций, необходима и защита сетевых устройств, через которые эти станции (концентраторы, мосты, маршрутизаторы) объединяются в сеть. Для защиты этих устройств достаточно использования более дешевых UPS - без модулей управления.

Выбор политики защиты электропитания КС

На основании исходных данных определяется степень и политика защиты от неполадок электропитания. Политика защиты определяет правила, по которым определяется перечень защищаемого оборудования. Политика защиты, а соответственно, и система защиты, в общем случае имеет иерархическое построение, соответствующее иерархической организации защищаемой системы.

Существуют следующие основные политики защиты электропитания:

Выборочная защита - защита гарантированным электропитанием отдельных устройств объекта, критичных к перебоям в электроснабжении, например, файловых серверов, телекоммуникационного оборудования и любого другого вида дорогостоящей техники, предъявляющей повышенные требования к качеству питающего напряжения.

Частичная защита - защита отдельных сегментов объекта заказчика, наиболее критичных к неполадкам в электросети, например, локальной вычислительной сети (ЛВС), вычислительного зала, офиса, отдельного этажа здания, технологической линии, заводского цеха и т.д.

Полная защита - защита гарантированным электропитанием всего объекта заказчика в целом, например, здания, группы зданий, завода, атомной электростанции, аэропорта, малого города и др.

Техническое задание на проектирование системы электропитания состоит из трех основных пунктов:

-суммарная полная мощность потребляемая критичной нагрузкой в [VA];

-суммарная активная мощность потребляемая критичной нагрузкой в [W];

-время работы в автономном режиме при полной нагрузке [мин] или [ч].

Основные варианты организации защиты ЭП

Все существующие варианты решения задачи по оснащению объекта заказчика или его части гарантированным электропитанием можно разбить на следующие группы:

По топологии - централизованные, распределенные и гибридные схемы.

По автономному источнику электроэнергии - UPS с аккумуляторными батареями, мотор-генераторы (МГ) и смешанные системы. Рекомендуемые варианты защиты ЭП КС приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Варианты организации защиты ЭП КС

Задача	Время работы СБП в автономном режиме
5 мин... 1 час	1 час...4 часа	4 часа...2 суток
Выборочная защита отдельных устройств объекта	Распределенная схема: множество маломощных UPS < 1 KVA	Распределенная: множество маломощных UPS < 1 KVA с дополнительными батареями	Гибридная схема: UPS малой или средней мощности 3...18 KVA с минимальным комплектом батарей и МГ малой или средней мощности 5...24 KVA
Защита отдельных сегментов объекта	Гибридная схема: UPS средней мощности12...36 KVA	Гибридная схема: UPS средней мощности 12...36 KVA с дополнительными батареями	Гибридная схема: UPS средней мощности (12...36 KVA) с минимальным батарейным комплектом и МГ малой или средней мощности 5...24 KVA
Полная защита объекта в целом	1.Распределенная: множество маломощных UPS < 1 KVA. 2.Гибридная СБП: несколько UPS средней мощности. 3.Централизованная СБП: один мощный UPS 36...300 KVA	Централизованная: один UPS большой мощности 36...300 KVA с минимальным батарейным комплектом и МГ большой мощности 50...500 KVA	Централизованная: UPS средней мощности 36...300 KVA с минимальным батарейным комплектом и МГ большой мощности 50...500 KVA с дополнительными топливными баками

Достоинства и недостатки централизованных, распределенных и гибридных схем приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Сравнение схем защиты ЭП

	Достоинства	Недостатки
Централизованная	1. Значительно экономичнее распределенной. 2. Использует уже существующую электропроводку здания. 3. Располагается в одном месте (электрощитовая комната), что облегчает контроль и обслуживание	1. Общая надежность централизованной СБП ниже за счет наличия длинной электропроводки с коммутационными устройствами между СБП и нагрузкой. 2. Отсутствует гибкость системы при необходимости перепланировки.
Распределенная	1. Высокая надежность системы за счет непосредственного расположения UPS вблизи нагрузки. 2. Гибкость при проведении перепланировки или замене UPS.	1. Значительно дороже централизованной. 2. Затруднен контроль и анализ за состоянием каждого UPS в отдельности
Гибридная	Сохраняются достоинства централизованной СБП при незначительном удорожании

Расчет мощности UPS.

Мощность UPS - номинальная выходная мощность источника (мощность инвертора UPS). Указывается в [ВА]. Обычно выходная мощность UPS указывается в названии самого источника, или указывается через /, дефис.

Коэффициент мощности (P_f) - отношение средней мощности переменного тока к произведению действующих значений напряжения и тока (max=1). Характеризует не только выходные данные UPS, как источника электрической энергии для потребителя, но и сам UPS как нагрузку для трансформаторной подстанции, дизель-электростанции или другого источника электроэнергии.

Электрическая мощность - физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. В случае переменного тока является переменной мгновенной мощностью - произведением мгновенных значений напряжения (U) и тока (I).

Активная мощность (P) - среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока. Зависит от действующих значений напряжения U и силы тока I и от косинуса j, где j - угол сдвига фаз между U и I. Единица измерения - ватт (Вт). В цепях однофазного синусоидального тока

Р = U I cosj.

Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, световую и т. п.).

Реактивная мощность (Q) - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока. Характеризует скорость передачи энергии от источника тока к приёмнику и обратно. Она равна произведению действующих значений напряжения и тока, умноженному на синус угла сдвига фаз j между ними и измеряется в варах:

Q = U I sinj

Полная мощность (S) - величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока в цепи (I) и напряжения (U) на её зажимах для синусоидального тока (в комплексной форме) и связана с активной и реактивной э. м. соотношением:

S= P + Q

При индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0). Измеряется в [VA].

Р. м., потребляемая в электрических сетях, вызывает дополнительные активные потери (на покрытие которых расходуется энергия на электростанциях) и потери напряжения (ухудшающие условия регулирования напряжения). В некоторых электрических установках Р. м. может быть значительно больше активной мощности. Это приводит к появлению больших реактивных токов и вызывает перегрузку источников тока. Для устранения перегрузок и повышения мощности коэффициента электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности. Для этой цели вполне подходят источники бесперебойного питания с высоким коэффициентом входной мощности. Нагрузка UPS чаще всего носит комплексный характер и коэффициент мощности не превышает 0.8, а для компьютеров составляет около 0.7.

Использование систем сетевого управления электропитанием.

Наличие централизованного сетевого управления электропитанием существенно упрощает эксплуатацию КС и обеспечивает:

-наблюдение за функционированием UPS, ведение журналов мониторинга и событий;

-оповещение о событиях;

-сбор статистических данных и инструменты анализа статистики;

-управление параметрами и состоянием оборудования, автоматическое выполнение действий по расписанию.

Перспективное направление в развитии UPS, заключается в их интеграции в единую сетевую структуру с возможностью управления или мониторинга параметров системы электропитания из единого технического центра. В настоящее время наиболее востребован удаленный мониторинг через LAN/WEB по протоколам HTTP и SNMP. В централизованных системах бесперебойного питания применяются мощные UPS типа ON-LINE со схемой двойного преобразования. Если систему питания сделать модульной - модули UPS и модули батареи, то (подобно кластерной и RAID технологиям), обеспечив избыточность класса n+1 и даже выше за счет добавления того или иного модуля можно исключить риск сбоя системы. Модули каждого типа подключаются параллельно, распределяя между собой нагрузку. Если один модуль поврежден или удален, вся нагрузка равномерно распределяется между оставшимися. Конфигурацию можно менять, добавляя или удаляя модули. Этот метод лежит в основе современных UPS обеспечивающих высокий уровень масштабируемости, избыточности, управляемости и удобства эксплуатации.