Доступность как функция архитектуры ИБП

Опубликовано 31.05.2021

Система бесперебойного питания (ИБП) используется для обеспечения чистой, непрерывной энергией, когда основной источник прерывается или даже выходит из строя. Чтобы обеспечить высочайший уровень качества электроэнергии и постоянно защищать нагрузку, никогда не следует переключать ИБП на прямую сеть, создавая риск для нагрузки.

Уровень защиты, обеспечиваемый ИБП, лучше всего измеряется метрикой «Доступность мощности». Она представляет собой долю времени, в течение которого система работает в течение ожидаемого срока службы, и мы сузили доступность с точки зрения MTBF / MTBF + MTTR (где MTBF означает: среднее время наработки на отказ, а MTTR означает: среднее время ремонта). Другими словами, будет ли ваш ИБП работать тогда, когда это необходимо?

Сейчас на рынке представлено множество систем. Каждая система может быть построена по-своему. Представьте себе строительство корабля, если его структура (архитектура) неправильная, время, в течение которого корабль будет оставаться на плаву, будет небольшим, что сокращает время, в течение которого корабль выполняет свое предназначение.

Точно так же архитектор-проектировщик ИБП должен определить архитектуру, в которой будет построен новый ИБП, с единственной целью - увеличить время, в течение которого он будет выполнять свою функцию: поддерживать нагрузку, работающую на чистом и безопасном питании, в течение большей части времени. насколько возможно.

Понимание архитектуры ИБП важно, поскольку она напрямую влияет на доступную мощность защищаемых устройств. В этой статье я хотел бы сосредоточиться на пяти основных бестрансформаторных архитектурах ИБП верхнего уровня и их влиянии на доступность электроэнергии. Мы не будем рассматривать архитектуру внутренних преобразователей мощности и то, как эта архитектура среднего уровня влияет на доступность, это будет предметом другой статьи.

5 (Пять) основных архитектур ИБП верхнего уровня:

1) Автономная архитектура

Автономная бестрансформаторная архитектура включает в себя все стандартные компоненты ИБП, включая внутренний статический байпас, переключатель сервисного байпаса, инвертор, выпрямитель и логику управления. Каждый компонент является ключом к обеспечению непрерывной подачи чистой энергии. Хотя можно утверждать, что MTBF является большим при наличия единственных компонентов, в действительности каждый компонент в системе представляет собой потенциальную единую точку отказа, которая создает риск для системы: если один компонент выйдет из строя, вся система отключится.

Резервирование - это наиболее распространенный способ повысить доступность системы ИБП. Одиночный автономный ИБП не имеет резервирования. Чтобы создать систему с резервированием, автономный ИБП необходимо дублировать вторым блоком. Хотя покупка одного автономного ИБП обходится недешево, введение резервирования путем добавления второго, фактически удваивает стоимость системы.

Для конфигураций с одним автономным ИБП, в случае неисправности или необходимости обслуживания, необходимо выключить всю систему, а нагрузку необходимо переключить на прямую сеть, что увеличивает риски полного отключения нагрузки.

При питании от сети нагрузка уязвима. В этом сценарии среднее время восстановления (MTTR) велико, а доступность снижена. Следовательно, автономные системы ИБП наиболее подходят для приложений, которые не требуют высокого уровня доступности, и могут быть приняты риски, связанные с переключением на прямую сеть.

Автономная архитектура:

 

2) Автономный ИБП с модулями без горячей замены

Был разработан автономный ИБП, оснащенный фиксированными модулями. Каждый фиксированный модуль может содержать такие компоненты, как выпрямитель и инвертор, сохраняя при этом многие другие компоненты, такие как статический байпас, общая логика управления для всей системой ИБП.

Эта архитектура, если она настроена правильно, может ввести уровень избыточности в силовые части, что полезно для повышения доступности. Тем не менее, по-прежнему существует несколько единых точек отказа, которые сокращают время наработки на отказ.

Если требуется ремонт или техническое обслуживание, поскольку модули не могут быть заменены в горячем режиме, ИБП необходимо будет переключить на ремонтный байпас или внутренний статический байпас для решения проблемы. Переключение на байпас означает, что нагрузка подключена к питающей сети и не защищена. Ремонт также требует времени, поэтому среднее время восстановления (MTTR) велико, а это значительно снижает доступность.

3) Модульная централизованная архитектура

Модульный централизованный ИБП - это следующий шаг по сравнению с автономной системой. Централизованная архитектура обеспечивает избыточность за счет использования модулей. Эти модули могут быть заменены на «горячую» без необходимости переключения на сервисный байпас, что улучшает среднее время восстановления в случае отказа силового модуля, увеличивая доступность.

Однако в этой архитектуре все еще есть отдельные точки отказа. Независимо от избыточности существует централизованная логика управления, принимающая решения для всей системы, один централизованный байпас и один канал связи. Если какой-либо из этих компонентов выйдет из строя, нагрузка будет потеряна.

Автономный ИБП с модулями без горячей замены и модульная централизованная архитектура

 

4) Модульная децентрализованная архитектура

Здесь каждый модуль содержит все элементы ИБП, включая выпрямитель, инвертор, статический байпас и логику управления, повышающую надежность. Благодаря устранению некоторых единичных точек отказа, эта архитектура делает шаг вперед в уровне доступности питания. Это приводит к тому, что системы с доступностью до шести девяток эквивалентны простоям в 31,5 секунды в год.

Модули можно заменять в горячем режиме, но все еще существует главный модуль, принимающий решения для всей системы через свою логику управления. Линии связи между модулями не являются избыточными, и статические байпасы, хотя и децентрализованные, также не являются избыточными. Если один статический байпас выходит из строя в модуле, вся система будет переключена на статический байпас, что может привести к потенциальной единой точке отказа, которая подвергнет нагрузку непосредственному воздействию электросети.

Важно отметить, что при замене модулей также не предусмотрена возможность ошибки из-за человеческого фактора. Это означает, что когда технический специалист работает под давлением, реагируя на неисправность, он не имеет возможности изолировать и тестировать модули, добавляемые в действующую систему.

Байпасные предохранители также содержатся в каждом модуле, что означает, в случае короткого замыкания на выходе среднее время восстановления (MTTR) выше. Для сравнения: короткие замыкания на выходе представляют собой значительное количество отказов в системах ИБП.

 

5) Модульная распределенная архитектура

Архитектура полностью распределена, каждый модуль ИБП включает выпрямитель, инвертор, статический байпас и логику управления. Ни один модуль не принимает решения для всей системы, вместо этого происходит распределенное принятие решений для устранения единой точки отказа логики.

Статический байпас является распределенным и избыточным, поэтому, если какая-либо часть системы выходит из строя, он автоматически изолируется, при этом нагрузка поддерживается другими модулями, обеспечивая поддержание нагрузки. Линии связи имеют встроенное резервирование, поэтому, если одна линия выходит из строя, связь продолжает работать через ИБП.

Впервые мы видим уменьшение человеческих ошибок за счет возможности безопасной горячей замены. Это означает, что специалисту, которому необходимо заменить модуль, можно просто открыть его параллельный изолятор и физически изолировать его от нагрузки. Остальные модули будут продолжать обеспечивать нагрузку на инвертор, в то время как техник может полностью безопасно протестировать модуль перед подключением его обратно к нагрузке. Даже при обновлении прошивки не требуется переключение на ручной байпас. При использовании только функции горячей замены это невозможно, и неисправность нового модуля или ошибка технического специалиста могут привести к отключению всей нагрузки. В результате это означает, что распределенная модульная архитектура ИБП обеспечивает высочайший уровень доступности с минимальным временем простоя в год до 0,0315 секунды.

 

Распределенная и децентрализованная модульная архитектура

 

Мы называем эту распределенную архитектуру «истинно модульной», что означает отсутствие единичных точек отказа, резервирование каждого компонента и уменьшение вероятности человеческой ошибки до минимума.

Назначение ИБП - обеспечить стабильную защиту, чистое напряжение и источник питания в аварийной ситуации. Для критически важных систем электроснабжения, требующих максимального уровня готовности, ИБП никогда не следует переключать на прямую сеть, что создает риск для нагрузки. Распределенный модульный ИБП обеспечивает постоянную защиту питания и должен быть предпочтительным ИБП для критических установок. Это означает, что человеческая ошибка и MTTR сведены к минимуму, а среднее время безотказной работы увеличено, что обеспечивает максимально возможную доступность.

CumulusPowerTM от Centiel - это пример распределенного модульного ИБП. Он предлагает самую высокую защиту нагрузки на рынке с доступностью 99,9999999% (девять девяток), что на практическом уровне означает время простоя всего миллисекунды в год. CumulusPowerTM установлен в центрах обработки данных и комнатах связи в более чем 60 странах на пяти континентах.

Gerardo Lecuona

Соучредитель и директор по глобальным продажам

CENTIEL SA