Александр Воробьев
Данная статья посвящена так называемым корпоративным системам бесперебойного электроснабжения (СБЭ). Но это понятие нуждается в пояснении. В большинстве случаев корпоративными СБЭ называют крупные централизованные системы, выполненные на основе мощных источников бесперебойного питания (ИБП). Такие системы обычно создаются в масштабах здания (или его значительной части) и предназначены для электроснабжения рабочих станций нескольких десятков и более сотрудников. Кроме того, в понятие корпоративных СБЭ уместно включить СБЭ штаб-квартиры и филиалов крупного предприятия (организации), территориально удаленных друг от друга, но объединяемых общим построением СБЭ, системой мониторинга и управления, ведомственными нормами и правилами.
Принципы построения
Применение централизованных схем СБЭ предполагает, что пользователи заняты в единообразном производственном процессе на основе информационных технологий, и возможные издержки и риски из-за нарушений электроснабжения отразятся на всех сотрудниках. Типичными объектами централизованных СБЭ являются издательские центры, банки, проектные организации. Для отдельных рабочих станций, занятых приложениями, которые имеют особо критичный характер, предусматривается резервирование второго уровня с применением ИБП малой мощности.
Корпоративные системы бесперебойного электроснабжения включают в себя СБЭ вычислительных центров, центров обработки данных (ЦОД), телекоммуникационных центров и прочих зон так называемого интенсивного оснащения, где осуществляются централизованная обработка, сбор, хранение и передача информации. СБЭ таких объектов выделяются из централизованных СБЭ здания, однако их следует рассматривать как один из видов корпоративных СБЭ.
Отказоустойчивая схема СБЭ с двусторонним питанием потребителей чаще применяется именно на таких объектах, хотя централизованные схемы СБЭ на основе модульных ИБП для решения подобных задач являются, с учетом сокращения затрат на приобретение СБЭ, удачной альтернативой. Возможность замены модуля в «горячем режиме» (hot-swap) позволяет производить ремонт и обслуживание ИБП без отключения нагрузки. Важным показателем, характеризующим это свойство модульных ИБП, является эксплуатационная готовность, которая для модульных отказоустойчивых ИБП класса «энергетический массив» составляет не менее 0,99999.
Традиционные схемы СБЭ, в частности, распределенная система с резервированием на втором уровне, также остается актуальной. Обычно эта схема выполняется как локальный (индивидуальный) ИБП для каждого сервера или стойки с оборудованием, подключаемым на питание от централизованной СБЭ здания. Режим «горячей замены» в данном случае также обеспечивается за счет реализации схемотехнических и конструктивных решений локальных ИБП, включения через STS, применения инфокоммуникационного оборудования с двумя и более блоками питания. Тем не менее применение модульных ИБП предпочтительно и для распределенной системы. Здесь речь идет о резервировании оборудования в масштабах монтажного шкафа, куда устанавливается модульный ИБП.
В настоящее время для таких объектов, как ЦОД, предлагаются комплексные решения, образующие инженерную инфраструктуру. Они включают в себя монтажные телекоммуникационные шкафы 19- и 21-дюймового форм-фактора со всеми необходимыми аксессуарами, панели распределения и переключения питания, кабельные конструкции для информационных и силовых кабелей, системы охлаждения и вентиляции и сами ИБП, которые уже выступают в качестве компонентов решения защиты ЦОД. Предлагаемые в данных решениях схемы СБЭ могут быть различными: распределенные, централизованные, отказоустойчивые (как с двусторонним питанием, так и на основе «энергетических массивов» и с двусторонним питанием от «энергетических массивов»).
Решения по созданию СБЭ ЦОД содержат аспекты отказоустойчивости. Решения по централизованным СБЭ в масштабах здания требуют интеграции на уровне системы электроснабжения, так как для сетей БЭ существуют некоторые особенности.
В части надежности функционирования самой централизованной СБЭ, ее ремонтопригодности и упрощения процедуры сервисного обслуживания следует разделить решения, в основе которых лежит применение одиночного ИБП, и решения с применением нескольких взаиморезерви-рующих ИБП. В первом случае СБЭ выполняется без резервирования, и при поломке или выводе ИБП на обслуживание потребители остаются без защиты электроснабжения.
Во втором случае можно выделить последовательное резервирование, параллельное резервирование и резервирование с применением модульных ИБП класса «энергетический массив». Естественно, что стоимость подобных технологий выше, чем решений на одиночном ИБП, однако с позиций защиты информации и самого бизнес-процесса альтернативу можно искать только в самих схемах резервирования СБЭ.
Принцип создания резервированной СБЭ сомнениям не подвергается. Существуют весьма дорогие решения, позволяющие квалифицировать их как отказоустойчивые СБЭ. В их основе лежит принцип обеспечения двустороннего питания потребителей от двух независимых групп ИБП, резервирования питающей сети по двум независимым вводам (минимум) с применением устройств автоматического включения резерва (АВР) и аварийных дизель-генераторов, а также использования статических тиристорных переключателей - STS. Подобные решения относятся к эксклюзивным, предназначенным для крупных компаний, правительственных учреждений и т. д. К отказоустойчивым СБЭ можно также отнести системы, выполненные с применением модульных ИБП класса «энергетический массив». Их схемотехника задумана именно как отказоустойчивое устройство. Эту черту можно перенести и на систему, если ее питающая часть выполнена по принципам I группы надежности электроснабжения по классификации Правил устройства электроустановок.
Типичная современная корпоративная СБЭ - это централизованная система на основе группы параллельно включенных ИБП или модульных ИБП. Если такая схема выполнена по принципу избыточности N+1, то при выходе одного ИБП (модуля ИБП) мощности оставшихся в работе ИБП (модулей) достаточно для обеспечения потребителей без возникновения перегрузки.
ИБП являются наиболее значимой составляющей корпоративной СБЭ. Вместе с тем функционирование СБЭ немыслимо без кабельной сети, распределительных щитов, заземляющего устройства, систем мониторинга и управления, вспомогательного оборудования и систем, в первую очередь системы кондиционирования электромашинных помещений. Объем статьи не позволяет коснуться этих компонентов СБЭ*.
Тем не менее следует обратить внимание по крайней мере на две особенности сетей СБЭ. Первое - сети БЭ нагружены на импульсные блоки питания. Это наиболее массовые потребители - компьютеры, принтеры, активное сетевое оборудование и т. д. Режим работы электрических сетей бесперебойного электроснабжения характеризуется преобладающим характером нелинейной нагрузки. В нейтральном проводнике (нулевой рабочий проводник) даже симметрично загруженной трехфазной сети протекают токи, приблизительно в 1,7 раза превышающие ток в линейном проводнике. Ток имеет частоту 150 Гц, т. е. состоит преимущественно из третьей гармоники, следовательно, нейтральный проводник должен быть рассчитан на его протекание. При применении ИБП, построенного по принципу двойного преобразования в режиме работы on-line, токи в нейтральном проводнике будут протекать только в сети бесперебойного электроснабжения на участке после ИБП. Но при работе ИБП в режиме «байпас» такие токи протекают, кроме того, в линиях, питающих ИБП от сети общего назначения. Таким образом, здесь тоже требуется увеличение сечения нейтрального проводника. Это приводит к необходимости еще на этапе проектирования выполнять проверку пропускной способности существующих проводок зданий, по которым могут протекать данные токи.
Например, обязательной проверке подлежит сечение нулевого рабочего проводника от трансформаторной подстанции (ТП) до вводно-распределительного устройства (ВРУ), от которого питается СБЭ. Как правило, замена существующих линий не требуется, так как мощность СБЭ меньше мощности, на которую рассчитаны ТП и ВРУ, а нейтральный проводник, при симметричной нагрузке обычными потребителями (освещение, электродвигатели и т. д.), практически не загружен.
Отключение токов короткого замыкания в цепи ИБП также имеет свои особенности. Дело в том, что они соизмеримы с рабочими, а управляемый инвертор ИБП в первый момент ограничивает ток КЗ, что затрудняет селективное** срабатывание защиты. При несогласованном выборе автоматов защиты короткое замыкание будет отключаться не селективно.
* См. также: Воробьев А. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. - М.: Эко-Трендз, 2003.
** Под селективностью срабатывания устройств защиты электрической сети понимается отключение короткого замыкания на поврежденном участке сети без отключения неповрежденных участков.
Еще одной особенностью режимов работы сетей СБЭ является наличие технологических токов утечки. Импульсный блок питания имеет симметричный L-C фильтр для подавления помех, средняя точка которого соединена с корпусом устройства.
По требованиям безопасности корпус устройства заземлен. Возникает цепь через емкость фильтра на землю, что и приводит к технологической (не от повреждения изоляции) утечке. Требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ) определена необходимость применения устройств защитного отключения (УЗО) в групповых розеточных сетях. Соблюдение этого требования без учета токов утечки в цепях с импульсными блоками питания может приводить к ложным срабатываниям УЗО и отключениям нагрузки.
В некоторых публикациях приводится значение тока утечки 2-3 тА на одно устройство. Удельная величина тока утечки по специально произведенным замерам составляет около 2 mА на 1 А тока нагрузки. Это значение удельной величины тока утечки характерно для рабочих станций, принтеров и других офисных средств информатизации. Согласно ГОСТ Р 50807-94, отключающее значение тока УЗО находится в диапазоне 0,5-1 номинального тока, а суммарное значение тока с учетом присоединяемых электроприемников не должно превышать 1/3 номинального тока УЗО.