Отказоустойчивость бесперебойных систем модульной архитектуры

В настоящий момент большинство людей используют огромное количество электроприборов, чем напрямую влияют на увеличение энергопотребления из электросети, что, в свою очередь, не может не повлиять на качество электроэнергии уже имеющихся энергосистем, не рассчитанных на такой рост потребления. Отсюда вытекает необходимость введения строгих стандартов качества электрической энергии, которые позволят регламентировать взаимоотношения между ее производителями, поставщиками и потребителями, и определят уровень ответственности каждого из участников этой цепочки.

Стандарты качественных характеристик электрической энергии в электроснабжающих системах относятся к числу важнейших показателей электросети. Качество электроэнергии отражает соответствие ключевых характеристик принятым нормам по трансляции, распределению и подаче электроэнергии конечным потребителям.

Сами параметры электрической сети не являются стабильными по целому ряду объективных и субъективных причин. Отклонения величины или синусоиды подаваемого электропитания принято называть искажениями в сети или помехами. Эти искажения по-разному воздействуют на работу оборудования, так как уровень влияния электросети на разный тип оборудования всегда индивидуален. Подобные причины способны спровоцировать качественные нарушения в питающих сетях в виде кратковременных высоковольтных импульсов и снижения напряжения, могут привести к несанкционированной перезагрузке, остановке ответственного оборудования или повреждению при воздействии высокочастотных и коммутационных помех. Результатом таких негативных факторов легко может стать выход из строя даже самых надежных и «стрессоустойчивых» устройств. Поскольку современные электропотребители зачастую достаточно дороги и наиболее подвержены губительному воздействию помех по входному напряжению, в некоторых случаях возникает необходимость защитить это оборудование от подобного рода воздействий.

Наиболее требовательным к стабильности параметров электропитания является оборудование, применяемое для медицинских систем жизнеобеспечения, компьютерные системы банков, страховых компаний, офисные ЛВС, системы управления производством и подобные им.

В настоящее время можно различить несколько базовых технологий и, соответственно, реализующих их типов приборов, которые способны защитить требовательную нагрузку в критических условиях. Самыми востребованными из них являются источники бесперебойного питания (ИБП - Uninterruptible Power Supplу). О значимости этих систем я уже упоминал в статье «Модульные ИБП в современных реалиях».

Известно, что система бесперебойного питания обеспечивает постоянное и качественное электропитание различного типа устройств в случае исчезновения внешней питающей сети. UPS, большей частью, осуществляет и функцию стабилизации напряжения. Временной период, за который UPS должен бесперебойно питать нагрузку при аварийной ситуации в электросети, зависит от сформированного массива аккумуляторных батарей, входящих в состав системы бесперебойного питания.

Среди всего многообразия систем бесперебойного питания самыми надежными принято считать «on-line» системы с модульной архитектурой. Широко известными производителями ИБП с подобной архитектурой являются такие знаменитые бренды, как американский «Eaton» и швейцарский «Centiel». В нашем скромном обзоре «Eaton» представлен серией «Eaton 93PM», производимой на предприятии в Китае. «Centiel» выпускает свою модульную серию «Cumuluspower» на заводе в Швейцарии.

При первом приближении модульные системы обоих производителей кажутся абсолютно идентичными и не имеющими каких-либо значительных отличий. Но при более глубоком анализе мы увидим, что «Eaton» и «Centiel» шли разными путями при создании своих модульных источников бесперебойного питания.

Обратимся к внешним параметрам, то есть к размерам и весу ИБП. Если за максимальную мощность принять 300 кВА (у «Eaton» 250 кВА) в одном фрейме, то максимальная площадь будет 0,617 м2 у ИБП «Cumuluspower» от «Centiel» против 0,694 м2 у ИБП «Eaton 93PM» от «Eaton». Отсюда вытекает и значение плотности мощности (мощность в расчете на единицу площади). У «Eaton» это значение не превышает 360,23 кВт/ м2. Для «Centiel» данная характеристика отличается в большую сторону, и составляет 486,22 кВт/ м2.

Зачастую, конечные потребители ревностно «экономят» площадь и рассматривают ИБП с минимально занимаемой площадью, а при подробном изучении такой показатель, как плотность мощности, может повлиять на окончательное решение в пользу самого «компактного» ИБП.

Пару слов о комфортном использовании оборудования персоналом заказчика. Быстрое и актуальное информирование о работе и параметрах модулей в системе ИБП играет большую роль для пользователя. По этой причине требуется обеспечить систему панелями управления индивидуальными или общими. Система ИБП «Cumuluspower» оснащена обеими видами панелей управления, а система ИБП «Eaton 93PM» информирует пользователя лишь благодаря системному дисплею.

Система бесперебойного питания «Eaton 93PM» состоит из модулей с архитектурой выпрямитель/инвертор и не имеющих линии индивидуального статического байпаса. Безусловно, в ИБП от «Eaton» он есть, но реализован, как отдельный централизованный субмодуль. Силовые модули «Cumuluspower» имеют полноценную архитектуру. То есть, в отличие от «Eaton 93PM» они обладают дистрибутивным статическим байпасом, устанавливаемым в каждом силовом модуле. Данное исполнение с применением распределенного статического байпаса дает возможность «Centiel» обеспечить избыточность в системе ИБП и сводит к минимуму общее количество единых точек отказа.

Предохранители, защищающие линию статического байпаса «Cumuluspower», интегрированы в стойку с лицевой стороны и имеют легкий доступ при открытии двери, что позволяет значительно снизить время на их диагностику и замену. Но подобное техническое решение усложняет процесс производства и увеличивает стоимость самого фрейма. У ИБП «Eaton 93PM» другая ситуация: предохранители установлены непосредственно внутри самого субмодуля статического байпаса, что дает возможность уменьшить трудозатраты при производстве и снизить себестоимости стойки. Большим минусом может послужить тот факт, что при диагностике либо замене предохранителей вся линия централизованного статического байпаса временно будет разомкнута и недоступна, что резко снижает отказоустойчивость системы ИБП на период проведения работ.

Достаточно высокая степень надежности модулей «Cumuluspower» достигается как в цепях управления, так и в силовых цепях. Это возможно благодаря многопроцессорной логике управления (плата процессора имеет двойную степень резервирования). Модули «Eaton 93PM» являются монопроцессорными. Есть различия у этих модулей и в шинах постоянного тока. А именно, в присутствии у модуля «Cumuluspower» обособленного интеллектуального зарядного устройства аккумуляторных батарей, что дает возможность не отключать входной контактор при работающем ИБП, и проводить под нагрузкой тестирование подключенного батарейного массива абсолютно безопасно для защищаемого оборудования. Модули «Eaton 93PM» проводят тестирование аккумуляторных батарей с размыканием входного контактора, при этом очень велик риск прекращения питания защищаемой нагрузки при возникновении аварийной ситуации.

Одновременно с этим использование такого зарядного устройства у «Cumuluspower» дает возможность выбора количества АКБ в линейке. Для модулей мощностью 50 кВА/50 кВт возможен выбор в количестве от 30 до 50 штук, для модулей мощностью 60 кВА/60 кВт можно выбирать от 40 до 50 штук. Ток ЗУ может достигать 40 А. Силовой модуль «Eaton 93PM», обладающий мощностью 50 кВА/50 кВт, способен работать только с АКБ в количестве 40 штук, а ЗУ способно заряжать АКБ током, не превышающим значение в 29 А.

Блоки инверторов, как у «Centiel», так и у «Eaton», значительно не отличаются и обладают идентичными характеристиками перегрузочной способности. Стоит лишь отметить, что инвертор «Centiel» имеет возможность бесперебойно питать нагрузку, величина которой доходит до 125% (у «Eaton» лишь до 100%). В случае, когда внешнее питание прекратилось, и по истечении какого-то времени вновь восстановилось, важно плавно перевести нагрузку на питающую сеть. Обе системы бесперебойного питания обладают и используют подобную функцию. Данный функционал позволяет при проектных расчетах систем электроснабжения подбирать резервные дизель-генераторы без завышения мощности.

Стоит скрупулезно подходить к обеспечению условий безопасной работы с оборудованием в период регламентных работ и при проведении технического обслуживания или ремонта. Обслуживающий персонал необходимо защитить от любых нештатных ситуаций. Серия ИБП «Cumuluspower» в заводской комплектации оснащена защитой от обратного напряжения, так как инженерный отдел компании «Centiel» всегда придерживается основного правила безопасности «Safety first». В компании «Eaton», по своим внутренним соображениям, этот функционал определили в виде опции, которую можно интегрировать только на заводе и по дополнительному запросу заказчика. Обеспечение безопасности персонала с помощью базовых предустановленных дополнительных защит может качественно охарактеризовать производителя, как очень ответственного и не стремящегося к удешевлению за счет безопасности.

Платы, находящиеся в силовых модулях, имеют явные отличия между собой. Технически грамотная конструкторская разработка имеет огромное значение, когда речь идет о скорости выполнения регламентных работ на оборудовании, и об удобстве для обслуживающего персонала. Все без исключения конденсаторы постоянного и переменного тока на платах силовых модулей «Eaton 93PM» припаяны, что значительно увеличивает степень надежности. Но технология «Plug-and-play», применяемая в модулях «Cumuluspower», дает возможность значительно сократить временные затраты на замену силовых элементов и самих плат. Но, в данном случае, способ крепления, так или иначе, менее надежен, нежели крепление с помощью припоя. Подобная ситуация может поставить заказчика «в тупик» при выборе одного из производителей.

Cовокупная стоимость владения оборудованием (Total Cost of Ownership, TCO) для инженеров завода «Centiel» является большим по значению параметром, к которому они подходят со всей ответственностью и со знанием дела. Ведь стоимость жизненного цикла оборудования напрямую влияет на затраты, которые несет конечный потребитель. Снизить эти затраты можно, в том числе, и благодаря использованию системы контроля скорости вращения вентиляторов, которой оснащен каждый силовой модуль без исключений, и проводить их регламентную замену лишь когда в этом возникнет острая необходимость. В оборудовании компании «Eaton» требуется регламентная замена охлаждающих вентиляторов после 5-6-летней эксплуатации. А каждый силовой модуль «Eaton 93PM» оснащен пятью такими вентиляторами.

При первом включении, для проведения тестирования и настройки силового модуля прямо в стойке, без нарушения питания нагрузки, во фреймах модульной системы «Cumuluspower» во фронтальной части установлены выходные выключатели, подключающие выход каждого модуля к общей шине. Аппараты защиты линий постоянного тока для каждого модуля также установлены во фронтальной части. Это седлано для легкого доступа персонала при обслуживании. Указанные здесь технические нюансы модульной системы от «Centiel» способны весомо снизить временные затраты на обслуживание и восстановление работы всей системы в случае аварийной ситуации. Для восстановления работоспособности ИБП от «Eaton» времени потребуется незначительно, но, все-таки, больше.

К модульной системе «Cumuluspower» можно подключить не только общий батарейный массив, но и персональный батарейный комплект для каждого силового модуля. Связано это с тем, что все модули оснащены отдельными линиями постоянного тока. При проведении пуско-наладочных работ данный параметр настраивает сервисный инженер. Модульная стойка «Eaton 93PM» может получать питание только от общего батарейного массива.

Когда возникает необходимость в увеличении мощности за счет горизонтального расширения системы ИБП, то наряду с этим появляется и необходимость в обеспечении качественной и хорошо защищенной линии связи между параллельно соединенными фреймами. Обрыв связи в параллельной системе может привести к обрушению питания нагрузки в случае отсутствия внешнего питания. В связи с этим все компании-производители источников бесперебойного питания ведут разработки, создают и совершенствуют свои системы и протоколы передачи информации через защищенные соединения. Инженеры компании «Eaton» в ИБП «Eaton 93PM» применяют концепцию кольцевого соединения в один шлейф. Такое решение позволяет сохранять устойчивость системы бесперебойного питания при повреждении одного из соединений. Разработчики в «Centiel» применили в системе ИБП «Cumuluspower» принцип тройного независимого резервирования коммуникационных линий между параллельными фреймами. Кабели, соединяющие независимые коммуникационные блоки, имеют усиленную защиту от внешних повреждений. Тройное резервирование линий связи значительно повышает устойчивость всей системы. Внешнее воздействие может носить и электромагнитный характер. В связи с этим все три линии передают дополнительно усиленный сигнал и снижают воздействие внешних шумов.

При монтаже источников бесперебойного питания на объекте возникает необходимость в корректном и быстром подключении подходящих и отходящих силовых кабелей к ИБП, а также и кабелей от шины постоянного тока. В данном случае преимущества системы ИБП «Centiel» очевидны. Терминалы для кабелей четко промаркированы, имеют фронтальный доступ и находятся в нижней части. Подобное расположение удобно и дает экономию во времени при подключении. Также не требуется увеличение расстояния за стойкой ИБП, и минимизируется контакт терминалов с отходящим от силовых модулей горячим воздухом. С ИБП «Eaton 93PM» ситуация обратная: колодки для силовых кабелей размещены в задней части фреймов и при монтаже кабели переменного и постоянного тока имеют взаимное наложение. Без применения специальной кабельной продукции, в данном случае, будет не обойтись. Нагрев силовых кабелей горячим воздухом от модулей, также, неизбежен.

В этом кратком обзоре мы лишь незначительно коснулись ряда параметров и характеристик оборудования от двух производителей. «Eaton» и «Centiel» являются поставщиками качественных и надежных систем в сегменте модульных источников бесперебойного питания. Каждый завод разрабатывает и внедряет что-то новое, пытаясь усовершенствовать и без того сложное оборудование. Но, не стоит забывать, что на данный момент не существует таких идеальных систем, которые способны сохранять полную отказоустойчивость при наличии «человеческого фактора», или в случае возникновения природных катаклизмов, или при иных непреодолимых форс-мажорных обстоятельствах. Не смотря на все вышесказанное, для минимизации возможных рисков возникновения чрезвычайных ситуаций, внедряются все новые и новые эффективные методы предотвращения, основанные на новейших технических разработках и на богатом опыте внедрения и использования систем бесперебойного питания.

Больше информации по теме в моём блоге "Всё об ИБП и не только".

#ибп #ups #бесперебойники #источникипитания #модульные