Гарантированное бесперебойное электропитание. Бесперебойное и гарантированное электроснабжение. Необходимые условия для создания на объекте схемы бесперебойного электропитания

Как это ни странно, но спрос на устройства, обеспечивающие бесперебойную работу компьютерных систем, растет не только в странах с так называемой нестабильной экономикой, но и на Западе. Правда, причины этого роста несколько различны. Если в высокоразвитых странах на первый план выходит поддержание стабильности параметров электропитания, то, скажем, у нас — это наличие его самого как такового. Вопросы же обоснованного выбора и правильного построения систем гарантированного электропитания (СГЭ) в соответствующих документах до сих пор во многом остаются нерешенными.

Прежде чем переходить к рекомендациям, в основе которых лежит практика, рассмотрим последовательно базовые понятия, связанные с электрообеспечением ЛВС, такие, как качество электроэнергии, надежность, система гарантированного электроснабжения, сети электроснабжения и их виды.

Надежность электроснабжения

Понятие надежности в электротехнике можно трактовать как свойство объекта сохранять в установленных пределах в процессе эксплуатации значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. Согласно ныне действующим правилам в отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на три категории и особую группу.

К электроприемникам категории I принадлежат устройства, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего оборудования, нарушение сложного технологического процесса или функционирования особо важных объектов. Их электроснабжение должно осуществляться от двух взаимно резервирующих источников питания (ИП) с допустимым перерывом на время автоматического восстановления питания.

Из категории I выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства. Для их электроснабжения должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего ИП. Его роль могут выполнять бензиновые (БЭС), дизельные (ДЭС) электростанции или другие энергогенерирующие источники.

К электроприемникам II и III категорий относятся менее ответственные установки, и их рассмотрение не представляет для нас интереса.

Следует обратить внимание, что автоматическое включение резерва (АВР), позволяющее за время 3—30 с восстановить питание электроприемников категории I и даже особой группы, приводит только к возобновлению электроснабжения, но не к продолжению их нормального функционирования. Таким образом, обусловленные действующими руководствами категории надежности, не решают проблемы обеспечения ЛВС электроэнергией нужного качества. Поэтому предлагается ввести дополнительную группу, назвав ее "критическая группа электроприемников категории I к надежности электроснабжения". При этом будем исходить из того, что устройства, относящиеся к критической группе, должны выдерживать перерыв питания до 20 мс.

Эти электроприемники по режимам работы можно разделить на два вида: устройства с нормальным режимом работы и с особым. Первые должны обеспечиваться защитой от неполадок питания в течение рабочей смены (суток) или времени, необходимого для завершения соответствующего технологического цикла; вторые — защитой от неполадок питания 24 часа в сутки и 365 дней в году. К последним принадлежат устройства, обеспечивающие непрерывный технологический процесс в реальном режиме времени, когда прерывание недопустимо, или те электроприемники, сбой в работе которых приводит к потере трудно восстанавливаемой информации или к большим финансовым убыткам.

Для электроснабжения потребителей критической группы рекомендуется использовать СГЭ в составе агрегата бесперебойного питания (АБП) и автономного источника питания в виде ДЭС или БЭС. В здании следует предусматривать электропомещения с установкой в них вводных и распределительных щитов (электрощитовой), помещения для АБП и для ДЭС. При этом питающие и распределительные линии силовых, осветительных и компьютерных сетей должны быть разнесены с обязательным формированием автономной сети электроснабжения потребителей ЛВС.

Система гарантированного электроснабжения

Определимсистему гарантированного электроснабжениякакнабор устройств и схемных решений, предназначенных для обеспечения бесперебойным электропитанием необходимого качества электроприемников критической группы во всех режимах работы сети (нормальном, аварийном или режиме профилактического обслуживания входящих в систему узлов и блоков). Заметим, что СГЭ является важнейшей и неотъемлемой составной частью общей системы электропитания здания и обеспечивает необходимую надежность всей цепи. В состав СГЭ обычно входят средства АВР, силовые коммутационные устройства электрощитовой, выполненная по особой схеме распределительная сеть, АБП, ДЭС, автономная электрическая сеть, а также устройства молниезащиты и заземления.

Сети электроснабжения и их виды

В настоящее время существует несколько способов выполнения сетей электроснабжения для питания электроприемников критической группы.

Сеть общего назначения (обычная сеть электропитания здания) — одно- или трехфазная распределительная сеть, в которой все электроприемники питаются от одного магистрального щитка или линии с нулевым (защитным) проводником, присоединенным к основному контуру заземления здания. По нашему мнению, описанная организация сети недопустима для проектирования ЛВС, однако в связи с тем что она не противоречит действующим нормативным документам, такие сети продолжают появляться в решениях большинства проектных институтов.

Выделенная сеть ЛВС (выполняется без дополнительного монтажа распределительной сети) — схема, когда электроприемники ЛВС подключаются на одну выделенную фазу трехфазного магистрального щитка или линии, а все остальные электроприемники — к двум другим фазам. Для защиты электроприемников ЛВС АБП обычно размещают между магистральным щитком и выделенной фазой. Такой способ организации сети — это только первый шаг к разделению электропитания ЛВС для обеспечения возможности подключения АБП — и не больше. Описанная организация распределительной сети для крупной ЛВС не рекомендуется.

Разделенная сеть ЛВС (дополнительно смонтированная сеть при реконструкции) — способ построения, при котором электроприемники ЛВС получают питание по одно- или трехфазной радиально-магистральной сети, отделенной от остальной сети общего назначения. Вводные фидеры разделенной сети подключаются непосредственно к главному распределительному (вводному) устройству здания. Для защиты электроприемников ЛВС АБП обычно размещают у распределительных щитков в узлах разделенной сети. Такой способ организации сети питания электроприемников ЛВС может быть вполне оправдан, а его стоимость практически соответствует стоимости автономной сети.

Автономная сеть электроснабжения ЛВС (дополнительно смонтированная при реконструкции или новом строительстве) — схема монтажа, при которой электроприемники ЛВС получают питание по радиально-магистральной пятипроводной сети, гальванически отделенной от сети общего назначения. Обычно она выполняется на базе АБП, имеющего выходной изолирующий трансформатор со вторичной обмоткой типа звезда, нейтраль которой соединяется со специальным контуром технологического заземления с сопротивлением R =< 0,5 Ом.

Из перечисленных выше четырех видов сетей только автономная сеть электроснабжения ЛВС позволяет обеспечить питание электроприемников электрической энергией необходимого качества за счет устранения блуждающих, импульсных и прочих токов в нейтральных проводниках.

Схемотехнические решения СГЭ

В настоящее время практически реализуются две основные схемы СГЭ: распределенная и централизованно-смешанная. Для всех вновь строящихся или реконструируемых объектов наиболее подходящим решением является схема централизованно-смешанной защиты ЛВС. В случаях, если реконструкция системы электроснабжения не выполняется, или при значительных технических сложностях реализации схемы централизованно-смешанной защиты как временное решение допустимо выполнение схемы распределенной защиты ЛВС.

Рассмотрим область применения, преимущества и недостатки схемы распределенной защиты. Она может быть рекомендована для ЛВС небольшого масштаба (20—40 рабочих мест) в пределах одного или нескольких этажей здания. При этом используются АБП архитектуры on-line со стандартным набором аккумуляторных батарей (на 20—30 минут поддержания электроснабжения при нагрузке 100%) и общим автономным резервным источником электропитания с автоматическим запуском при исчезновении питания городской электросети и устройством АВР. Рекомендуемая схема — разделенная сеть.

К преимуществам распределенной схемы защиты можно отнести:

простоту установки и наращивания;
рациональное планирование средств на приобретение АБП;
возможность маневра при распределении АБП;
отсутствие требований по специальной подготовке персонала.

относительно высокую стоимость защиты одного рабочего места;
невысокий уровень качества защиты и низкие сервисные возможности;
необходимость при выборе АБП закладывать запас мощности для пусковых токов оборудования;
сложность централизованного управления;
отсутствие гибкости в использовании энергии аккумуляторных батарей всех АБП;
уязвимость оборудования вследствие доступности АБП.

Выполнение схемы централизованно-смешанной защиты ЛВС возможно, по крайней мере, в двух вариантах. В первом — защита всего электронного оборудования осуществляется с помощью центрального мощного АБП архитектуры on-line со стандартным набором аккумуляторных батарей на 15—30 минут поддержания 100%-ной нагрузки и автономным резервным источником электропитания с автоматическим запуском и устройством АВР. При этом электроприемники ЛВС критической группы с нормальным режимом работы дополнительно защищаются расположенными рядом менее мощными АБП. Рекомендуемая суммарная мощность источников 15—80 кВ*А, а в отдельных случаях — и более. Способ выполнения — автономная сеть.

Данный вариант характеризуется следующими преимуществами:

все оборудование ЛВС постоянно подключено к источнику высокостабильного напряжения;
перенапряжения, электромагнитные помехи и импульсы напряжения во внешних сетях не оказывают воздействия на оборудование ЛВС;
при необходимости осуществляется автономная работа от ДЭС, продолжительность которой ограничивается только емкостью топливного бака;
предоставляются широкие возможности по использованию энергии центральной аккумуляторной батареи (значительное увеличение времени работы от АБП наиболее ответственных приемников при отключении в аварийной ситуации менее ответственных).

Во втором варианте централизованная защита всего электронного оборудования выполняется с помощью параллельного включения нескольких (линейки) АБП архитектуры on-line и автономного резервного источника электропитания с автоматическим запуском при исчезновении питания от городской электросети и АВР. Рекомендуется при наличии электроприемников критической группы с особым режимом работы. При этом такие устройства дополнительно защищены расположенными рядом менее мощными АБП. Рекомендуемая суммарная мощность нагрузки — от 80 кВ*А и выше, способ выполнения — автономная сеть.

К преимуществам второго варианта следует отнести:

постоянное подключение оборудования ЛВС к источнику высокостабильного напряжения;
отсутствие воздействия на оборудование ЛВС перенапряжения, электромагнитных помех, импульсов напряжения во внешних сетях и внутренних сетях общего назначения;
повышение надежности работы системы в целом (при выходе из строя одного из АБП) за счет выполнения ремонтных работ, без прерывания электропитания в автономной сети;
применение системы управления параллельной работой, что дает возможность изменения суммарной мощности работающих АБП за счет включения/отключения одного или нескольких из них;
использование энергии центральной аккумуляторной батареи, позволяющей в аварийной ситуации отключить малоответственные электроприемники.

проектирование, поставка, монтаж, техническое обслуживание СГЭ необходимо выполнять комплексно, с учетом параметров всех элементов, входящих в нее, взаимосогласованных режимов работы и максимально возможной унификацией;
схема автономного питания устройств ЛВС АБП должна иметь выходной изолирующий трансформатор со вторичной обмоткой типа звезда, нейтраль которой соединяется со специальным контуром технологического заземляющего устройства с R =< 0,5 Ом. При этом необходимо, чтобы распределительные щитки автономной сети имели защиту от поражения электрическим током согласно IEC 439-1-85 или ГОСТ 22789—94;
схема централизованно-смешанной защиты СГЭ должна предусматривать шкаф байпаса (ШБ) и шкаф управления нагрузкой дизель-генератора (ШУН ДГ) для возможности выполнения ремонтных и обслуживающих работ на ДЭС и наладки его работы с АБП без перерыва подачи питания;
коммутационные аппараты АВР должны иметь механические блокировки от одновременности включения;
автономность электропитания ЛВС следует обеспечивать не только путем разделения силовых электрических сетей, но и за счет устранения связей между контурами заземления, которые могут возникать по информационным каналам;
информационные (воздушные) линии ЛВС, прокладываемые снаружи здания или между зданиями, должны быть защищены специальными устройствами ограничения перенапряжения.

Практический опыт работы показывает, что только автономная сеть позволяет в полном объеме обеспечить надежное и высококачественное электропитание ЛВС.

1.1. Необходимость в создании системы

Основная проблема, с которой приходится сталкиваться при решении вопроса о необходимости установки на объект дизель-генераторной установки (ДГУ) и источника бесперебойного электропитания (ИБП) - это обеспечение электроснабжения в случае исчезновения напряжения основной питающей сети потребителей I категории и потребителей I категории особой группы согласно ПУЭ.

К сожалению, на практике, нередкие ситуации выхода из стоя оборудования распределительной трансформаторной понижающей подстанции (РТП 10/0,4кВ или РТП 6/0,4кВ), сбой в электросетях района и т.п. Поэтому, 2-х вводов от РТП, как требует ПУЭ, на практике бывает недостаточно и на таких объектах существует необходимость в установке дизель-генераторной станции - гарантированное электропитание, и источников бесперебойного электропитания - бесперебойное электропитание.

Система гарантированного электропитания служит для обеспечения электроэнергией требуемого качества (ГОСТ 13109-87) потребителей I категории (ПУЭ гл.1.2.17), в случае исчезновения напряжения основной питающей сети.

Система бесперебойного электропитания служит для обеспечения электроэнергией требуемого качества (ГОСТ 13109-87) без разрыва синусоиды питающего напряжения потребителей I категории особой группы (ПУЭ гл.1.2.17).

2. Описание решения

2.1. Общие сведения

гарантированное электропитание подключенных потребителей;
автоматический запуск (суммарно не менее 3 попыток) дизель-генератора через 9 секунд при отклонении параметров основной внешней сети электропитания за пределы требования ГОСТ 13109-87 или полном ее исчезновении;
автоматическое переключение нагрузки с основной внешней сети электропитания на дизель-генератор и обратно;
выдача сигнала тревоги на пост диспетчера в случае аварийного события с оборудованием ДГУ

бесперебойное электропитание (без разрыва синусоиды питающего напряжения) потребителей, подключенных через ИБП; Полностью регулируемое выходное напряжение.
выходное напряжение чистой синусоидальной формы;
высокий КПД;
совместимость с дизель-генераторами с коэффициентом запаса мощности не более 1,3;
максимальную защиту против всплесков, скачков, перепадов и отключений напряжения;
возможность параллельного включения нескольких ИБП;
возможность автономной поддержки нагрузки в течение 20мин.;
возможность бесперебойного переключения нагрузки на питание от внешней электросети через встроенный и внешний байпас;
гальваническую развязку входных и выходных цепей;
дистанционный мониторинг и управление параметрами ИБП.

2.2. Структура решения

В зависимости от требований к электропитанию потребителей, используются разные варианты построения схем электропитания. Рассмотрим несколько вариантов.

2.2.1. Использование на объекте схемы гарантированного электропитания

Если на объекте в качестве резервного источника электропитания используется только дизель-генераторная установка, то такая схема называется схемой гарантированного электропитания, а потребители, получающие электропитание от ДГУ в случае исчезновения напряжения основной питающей сети - потребители гарантированного электропитания.

Такую схему целесообразно использовать в случаях частого исчезновения напряжения основной питающей сети и отсутствии на объекте потребителей I категории особой группы, которым необходимо для нормального функционирования электропитание без разрыва синусоиды питающего напряжения.

2.2.2. Использование на объекте схемы бесперебойного питания

Если на объекте в качестве резервного источника электропитания используется только источник бесперебойного электропитания, то такая схема называется схемой бесперебойного электропитания, а потребители, получающие электропитание от ИБП в случае исчезновения напряжения основной питающей сети - потребители бесперебойного электропитания.

Такую схему целесообразно использовать в случаях нечастого и кратковременного исчезновения напряжения основной питающей сети и при наличии на объекте потребителей I категории особой группы.

2.2.3. Использование на объекте схемы бесперебойного и гарантированного питания совмещённо

Если на объекте в качестве резервного источника электропитания используется и дизель-генераторная установка, и источник бесперебойного электропитания, то такая схема называется схемой повышенной надёжности с использованием бесперебойного и гарантированного электропитания.

В случае исчезновения напряжения основной питающей сети - на ДГУ поступает команда на его запуск. В момент запуска ДГУ (5-10сек.) потребители гарантированного электропитания, кратковременно остаются без напряжения. Электроснабжение потребителей гарантированного электропитания восстанавливается при выходе ДГУ на номинальную частоту и напряжение.

Во время запуска ДГУ, ИБП переходит на аккумуляторные батареи, и питание потребителей бесперебойного электропитания осуществляется от батарей ИБП столько времени, сколько необходимо для запуска дизель-генераторной установки. Таким образом, питание потребителей бесперебойного электропитания осуществляется без разрыва синусоиды питающего напряжения.

При восстановлении питающего напряжения внешней энергосети при переключении потребителей от ДГУ к внешней питающей сети, потребители гарантированного электропитания кратковременно остаются без напряжения. Таким образом, питание потребителей переходит в нормальный режим. Дизель-генераторная установка, после полного останова, переходит в дежурный режим.

Питание от ДГУ возможно в течение промежутка времени, определяемого запасом топлива в топливном баке ДГУ и удельным расходом топлива (величина этого параметра зависит от нагрузки), а также возможностью дозаправки ДГУ во время работы. Если энергоснабжение от основного ввода не восстановится до окончания ресурса топлива в штатном топливном баке, то блок автоматики ДГУ остановит дизель-генератор.

Такую схему целесообразно использовать для объектов, требующих повышенной надежности электропитания.

3. Создание системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения на объекте

3.1. Необходимые условия для создания на объекте схемы гарантированного электропитания

дизель-генераторные установки должны иметь показатель наработки на отказ не менее 40000 часов;
эксплуатация ДГУ с загрузкой по мощности менее 50% длительное время не рекомендуется, а с загрузкой менее 30% - ведет к отказу поставщика от гарантийных обязательств на оборудование;
время экстренного старта и приема нагрузки из режима ожидания в горячем резерве не более 9 сек.
обеспечить возможность проведения ремонтных работ и регламентного обслуживания дизель-генераторной установки без нарушения нормальной работы системы электроснабжения;
обеспечить дистанционный контроль работы ДГУ;
исключить возможность параллельной работы ДГУ с внешней системой электроснабжения;

3.2. Необходимые условия для создания на объекте схемы бесперебойного электропитания

одиночный отказ любого элемента СБП не должен приводить к полной потере работоспособности системы;
средний срок службы СБП не менее 10 лет;
избегание перегрузок нейтральных кабелей входных электросетей и оборудования трансформаторных подстанций;
работа длительное время в режиме отключения внешней энергосети и обеспечение питания ответственных потребителей от ИБП;
обеспечение возможности проведения ремонтных работ и регламентного обслуживания ИБП без нарушения нормальной работы системы электроснабжения;
обеспечение дистанционный контроль работы и ИБП;
выполнение корректного завершения технологических процессов при исчезновении внешнего питания и истечения ресурса автономии аккумуляторных батарей.

3.3. Необходимые условия для создания на объекте схемы бесперебойного и гарантированного электропитания совмещённо

класс ИБП - on-line, как единственный защищающий нагрузку от всех существующих неполадок в электросети;
мощность ИБП выбирается, исходя из мощности нагрузки;
ИБП обязательном порядке комплектуется аккумуляторными батареями. В общем случае, время резервирования аккумуляторов выбирается в диапазоне 5-10 минут;
для снижения нелинейных искажений токов, вносимых ИБП в питающую сеть, применяются ИБП с выпрямителями на IGBT - транзисторах с 12-пульсными выпрямителями или с активными выпрямителями;
желательно подбирать ИБП с системой плавного перехода ИБП на питание с батареи на сеть;
мощности ДГУ и ИБП подбираются в соотношении: ДГУ/ИБП= 1,3;
ДГУ должна комплектоваться автоматическим регулятором выходного напряжения и электронным регулятором скорости приводного двигателя.

Как показывает опыт "НИЦ", выбор звеньев системы бесперебойного и гарантированного электропитания с учетом приведённых выше требований обеспечивает согласованную и устойчивую совместную работу ИБП и ДГУ. Дополнительное преимущество этой схемы над предыдущими двумя - практически неограниченное время работы в автономном режиме, т.е., полная независимость электроснабжения ответственной нагрузки (потребителей I категории и потребителей I категории особой группы) от неполадок основной сети.

4. Схемы решений

4.1. Схема гарантированного электропитания

4.2. Схема бесперебойного электропитания

4.3. Схема бесперебойного и гарантированного электропитания

5. Производители оборудования для реализации схемы гарантированного и бесперебойного электропитания

5.1. Общие принципы при выборе производителя

соответствие оборудования российским стандартам;
гарантия качества и надежность работы;
приемлемые сроки поставки;
грамотная техническая поддержка от производителя.

5.2. Производители дизель-генераторных установок и источников бесперебойного электропитания

Имея немалый опыт по созданию систем гарантированного электропитания, наша компания отдаёт предпочтение таким производителям, как: F.G.Wilson, Gesan, Cummins, SDMO.

При создании на объектах систем бесперебойного электропитания чаще всего наша компания использует ИБП фирмы APC , также, довольно часто используются ИБП Powerware, реже - Libert.

Для электрических сетей общего назначения Российской Федерации характерно низкое качество электрической энергии - отключения, высокочастотный шум, отклонения частоты, провалы напряжения и др. Согласно заключению Государственного центра метрологического обеспечения в области электромагнитной совместимости (ГЦМО ЭМС), требования ГОСТ 13109-87 к показателям качества электрической энергии (ПКЭ) энергоснабжающими и энергораспределяющими организациями, как правило, не выполняются. Кроме того, требования по качеству электроэнергии, установленные в ГОСТ, зачастую недостаточно высоки в отношении современного телекоммуникационного оборудования.

Очевидно, что подключение к реально существующим электрическим сетям высокотехнологического оборудования, чувствительного к ухудшению качества электрической энергии (компьютеров, активного оборудования вычислительных сетей, телекоммуникационной аппаратуры, банковского и офисного оборудования), связано не только с повышенным риском нарушения функционирования, но и выхода данного оборудования из строя.

В этих условиях установка статических источников бесперебойного питания (ИБП), работающих в режиме "on-line" (двойного преобразования), как средства получения электроэнергии требуемого качества, является необходимой предпосылкой обеспечения устойчивой работы компьютерного и телекоммуникационного оборудования. Кроме того, для современного оборудования характерно применение импульсных блоков питания с нелинейным характером потребления. Использование мощных трехфазных ИБП с двойным преобразованием для питания такого рода оборудования является оптимальным, поскольку позволяет избежать перегрузок нейтральных кабелей входных электросетей и оборудования трансформаторных подстанций.

Мощные ИБП структуры "on-line" являются основой построения систем гарантированного энергоснабжения (СГЭ) и обеспечивают качественную работу подключенной к ним нагрузки как в штатном режиме (при наличии электропитания на входе), так и в автономном режиме (при отключении входной сети электропитания) за счет энергии, накопленной в аккумуляторных батареях. Как правило, такие системы проектируются для работы в автономном режиме в течение промежутка времени от нескольких минут до нескольких часов. При необходимости обеспечения работы подключенной нагрузки в течение более длительного времени в качестве резервного источника энергии в комплекс включаются автономные электрогенераторные установки, построенные на базе двигателей внутреннего сгорания (как правило, дизельных).

Необходимым результатом, достигаемым при реализации СГЭ, можно считать обеспечение возможности функционирования ответственного оборудования Заказчика при отказе стационарного ввода (вводов) электропитания в течение времени, достаточного для переключения на резервный источник электропитания или нормального завершения основных рабочих процессов в компьютерных сетях.

Целью разработки системы гарантированного энергоснабжения (СГЭ) является обеспечение высококачественного бесперебойного электропитания ответственных потребителей учреждения банковского типа (далее - Заказчик) как в нормальных условиях, так и в случаях нарушения штатного энергоснабжения вследствие аварий или ухудшения его качества в условиях промышленных или иных помех.

Общие требования к системам бесперебойного и гарантированного электроснабжения

В данном разделе представлены материалы, отражающие основные подходы и технические решения по обеспечению гарантированным и бесперебойным электропитанием ответственных потребителей в части проектирования систем гарантированного энергоснабжения.

Рассмотрены постановка задачи и основные требования к СГЭ, изложены основные положения современных концепций построения систем энергоснабжения ответственных объектов, обоснованы выбранные принципиальные схемы и модели оборудования, приведены технические и эксплуатационные характеристики применяемого оборудования.

Рассмотрены основные режимы работы отдельных компонентов и комплекса технических средств, а также общие и специальные требования к другому оборудованию, материалам и помещениям. Реализация СГЭ в соответствии с рассмотренными принципами отвечает требованиям Заказчика и самым современным мировым стандартам в области систем жизнеобеспечения и энергоснабжения.

В качестве примера оборудования для СГЭ рассмотрено применение ИБП и ДГУ ведущих фирм-производителей (Powerware, Wilson), которое соответствует самым жестким стандартам в данных отраслях и позволяет построить СГЭ повышенной надежности.

Требования к оборудованию и подсистемам. Постановка задачи. Технические требования к системе гарантированного энергоснабжения.

Электропотребители Заказчика, требующие подключения к защищенной электросети, как правило, разделяются на следующие основные группы:

оборудование локальной вычислительной сети (ПЭВМ, активное сетевое оборудование);
системы связи (АТС), комплексы спецсвязи;
технические средства спутниковой сети передачи данных;
система аварийного освещения;
системы кондиционирования и вентиляции технологических помещений;
системы пожарной и охранной сигнализации;
медицинское оборудование.

Параметры электрической сети на выходе систем электропитания, устанавливаемых в рамках СГЭ, должны соответствовать техническим требованиям по эксплуатации вычислительной техники и другого электронного оборудования Заказчика.

Система должна обеспечивать функцию оповещения персонала о возникающих аварийных ситуациях в системах электропитания. Автоматическое закрытие информационной системы Заказчика с гарантированным сохранением целостности данных производится при невозможности длительного обеспечения автономной работы потребителей.

При длительных перерывах в электроснабжении и необходимости продолжения работы оборудования свыше минимального срока энергоснабжение должно производиться от автономной дизель-генераторной установки (установок) с сохранением высоких качественных параметров электросети на выходе СГЭ. Включение и выключение генераторной установки должно производиться в автоматическом режиме с возможностью аварийного перехода на ручное управление.

Основные положения концепции построения системы гарантированного электроcнабжения. Обоснование проектных решений.

Построение систем гарантированного энергоснабжения для комплекса потребителей, территориально расположенных более чем на одном этаже, и, тем более, в нескольких зданиях, может производиться по различным схемам.

В настоящее время наибольшее распространение получили две основные структуры СГЭ - централизованная и распределенная (локализованная). Централизованная система содержит один ИБП, к которому подключены все ответственные потребители. В распределенной системе каждый потребитель (или группа локальных потребителей) запитывается от отдельно-го (локального) ИБП.

Распределенная структура СГЭ

Обобщенная схема системы гарантированного энергоснабжения, построенной по централизованной схеме, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема распределенной СГЭ.

Основным преимуществом такой системы является возможность ее реализации без переделки сетевой разводки, особенно при использовании "розеточных" ИБП, простота наращивания или изменения конфигурации.

При отказе одного из ИБП происходит отключение только части системы, и, при наличии одного аппарата в "холодном" резерве, последствия отказа могут быть устранены в течение нескольких минут. Другим важным преимуществом этой системы может быть также то, что при соответствующем выборе типов ИБП для их размещения не потребуется выделения специальных помещений.

Недостатком распределенной системы является неэффективное использование ресурсов аккумуляторных батарей из-за невозможности обеспечения одинаковой нагрузки для всех ИБП. Время автономной работы всей системы определяется наиболее нагруженным аппаратом с наиболее разряженными при предыдущих отключениях питания батареями, при этом время автономной работы не может быть увеличено отключением нагрузки от других ИБП. Другим существенным недостатком этой системы является ее низкая устойчивость при перегрузках, вызванных ошибочным подключением дополнительной нагрузки или коротким замыканием. Повышенная чувствительность к перегрузкам обусловлена тем, что запас мощности локальных ИБП может быть сравним с пусковой мощностью не только кондиционера или пылесоса (5-10 кВт), но и лазерного принтера или ксерокопировального аппарата (2-5 кВт) и даже цветного монитора с экраном размером 19-21 дюйм с петлей размагничивания (1-2 кВт).

Другой существенный недостаток распределенной СГЭ имеет место при использовании большого количества однофазных ИБП. Как уже отмечалось выше, значительная часть современного компьютерного и телекоммуникационного оборудования имеет блоки питания, характеризующиеся нелинейным характером потребления (cos=0.7-0.8). При подключении нескольких подобных потребителей к однофазной сети (с рабочим напряжением 220 В), являющейся составной частью трехфазной сети энергоснабжения (рабочее напряжение 380 В), в нейтральном проводнике возникают токи, пиковые значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках. С учетом того факта, что электрические сети в нашей стране выполняются с нейтральным проводником меньшего (по сравнению с фазным) сечения, неизбежны перегрузки и возникновение помех в нейтрали, которые приводят к снижению надежности сети электропитания.

Повышение надежности электропитания возможно при прокладке кабельных сетей с большим (в 1.5-1.7 раза) сечением нейтрального проводника по сравнению с фазными проводниками. К сожалению, такие работы в части городских сетей энергоснабжения, как правило, чрезвычайно затруднены.

Централизованная структура СГЭ

Преимущества этой системы (рис. 2) определяются концентрацией запаса мощности и емкости батарей. Такая система менее чувствительна к локальным перегрузкам и даже выдерживает короткие замыкания, переходное сопротивление которых превышает некоторую величину, определяемую запасом выходной мощности ИБП. Увеличение времени автономности достигается простым отключением менее ответственных потребителей.

Рис. 2. Обобщенная схема централизованной СГЭ.

Другим преимуществом централизованной СГЭ, построенной на базе мощного трехфазного ИБП, является исключение перегрузок нейтрального проводника на входе ИБП, что повышает надежность всей сети электропитания, и, что существенно, не требует проведения работ по перекладке кабельных линий, по которым осуществляется энергоснабжение здания.

Недостатком централизованной системы является более высокая по сравнению с распределенной системой вероятность локального отказа, выражающегося в обесточивании потребителей из-за неисправности разветвленной выходной сети электропитания или выхода из строя (связанного с возникновением короткого замыкания в цепи питания) одного из потребителей.

Стоимость аппаратных средств централизованной системы при равной мощности и одинаковых схемотехнических решениях ИБП, естественно, ниже по сравнению с распределенной системой, однако при выборе данной структуры СГЭ необходимо учитывать стоимость возможной переделки сети электропитания в случае реконструкции действующей системы, а также необходимость выделения специального помещения и квалифицированного персонала.

В чистом виде каждая из рассмотренных систем применяется достаточно редко. Использование централизованной системы целесообразно при концентрации оборудования, выполняющего единую задачу и состоящего из компонентов одного класса надежности и одинаковых по характеристикам энергопотребления. Такие системы применяются, как правило, в издательских комплексах, крупных центрах спутниковой связи и т. п. Типичными для распределенной системы являются такие административные учреждения (мэрия, министерство), в которых большое число персональных ЭВМ работают в режиме независимых рабочих станций, зачастую без объединения их в локальную вычислительную сеть.

Двухуровневая СГЭ

Для устранения недостатков каждой из систем на практике применяют двухуровневую систему, которая представляет собой комбинацию централизованной и распределенной системы (см. рис. 3). Задача оптимизации такой системы с точки зрения мощности и стоимости оборудования состоит в определении наиболее ответственных потребителей и минимизации числа групп потребителей путем соответствующего конфигурирования локальной вычислительной сети.

Рис. 3. Обобщенная схема двухуровневой СГЭ.

При выборе двухуровневой структуры, кроме установки одного ИБП большой мощности (или комплекса параллельно функционирующих ИБП, расположенных в одном месте - как правило, вблизи электрического ввода в здание), отдельные наиболее ответственные потребители защищаются с помощью локальных ИБП меньшей мощности. Целью такого резервирования является защита такого оборудования, как, например, файловые серверы и наиболее ответственные рабочие станции управления ЛВС, коммуникационное оборудование, системы связи от обесточивания вследствие аварий кабельной сети внутри здания, вызванных локальными повреждениями, короткими замыканиями или перегрузками (в том числе сети чистого электропитания, подключенной к основному ИБП).

При выборе любого из вариантов построения системы гарантированного энергоснабжения на базе ИБП при необходимости обеспечения длительной работы в автономном режиме (т.е. при отключении входной электросети) такой комплекс дополняется одной или несколькими дизельными генераторными установками (ДГУ) для обеспечения длительной автономной работы (в течение десятков часов и более). Такие генераторы комплектуются системой автоматического запуска и глушения с коммутацией нагрузки и могут быть дополнительно снабжены пультами удаленного управления и контроля. Диаграмма функционирования комплекса в случае аварийного отключения и последующего восстановления основного электропитания показана на рис. 4.

Рис. 4. Временная диаграмма работы комплекса ИБП-ДГУ.

При определении мощности и количества генераторных установок необходимо принимать во внимание мощность подключаемой нагрузки, а также возможность установки достаточно крупногабаритного оборудования в здании или в непосредственной близости от него (на охраняемой территории). Генераторная установка может быть выполнена в шумозащитном кожухе или всепогодном контейнере.

При подключении нескольких генераторов на общую нагрузку устанавливается специальный блок управления и синхронизации для параллельного комплекса ДГУ.

Функциональная схема типовой СГЭ для здания Заказчика показана на Рис. 5. На схеме изображены основные линии энергоснабжения, выделены технологические и бытовые потребители (общее освещение, сеть электрических розеток для подключения бытовых электроприборов), технические средства и линии энергоснабжения, входящие в состав СГЭ.

Рис. 5. Функциональная схема СГЭ здания.

Энергопотребители СГЭ целесообразно разделить на две группы:

К первой группе относят оборудование, требующее электропитания со стабильно высокими показателями качества электроэнергии, а также не допускающие (по условиям технологического цикла) перерывов в электропитании. В эту группу потребителей входит все компьютерное оборудование, системы связи, активное сетевое оборудование, аппаратура видеонаблюдения, сигнализации, медицинское оборудование. На схемах эта группа обозначена "Потребители СГЭ - "А"". Потребители этой группы подключаются к выходу ИБП.
Вторая группа содержит оборудование, подключаемое непосредственно к выходу ДГУ, не требующее стабильно высоких качественных показателей качества электроэнергии и допускающее кратковременный перерыв (30-120 сек.) в электропитании. Эта группа потребителей включает в себя системы аварийного освещения, а также оборудование кондиционирования помещения для размещения комплекса ИБП. На схемах эта группа обозначена "Потребители СГЭ - "В"". Также в эту группу включаются такие системы, как например, комплекс средств охраны, сигнализации и другое оборудование, защищенное локальными ИБП.

Выделение в рамках СГЭ двух групп потребителей, подключаемых к источникам электропитания различного типа (ИБП и ДГУ) позволяет достичь следующих результатов:

Исключение из группы "А" таких потребителей, как системы кондиционирования и аварийное освещение позволяет снизить нагрузку на ИБП, что, в свою очередь, увеличивает время автономной работы ИБП в аварийном режиме и дает возможность использовать ИБП меньшей мощности.
При такой схеме подключения ИБП осуществляет гальваническую развязку между сетями электропитания компьютерного и коммуникационного оборудования и сетью электропитания технологического оборудования (в частности, системы кондиционирования). Это позволяет значительно снизить уровень помех в сети защищенного электропитания при включении и выключении оборудования, характеризующегося нелинейным характером и большими пусковыми значениями тока потребления.

Обеспечение надежности работы СГЭ. Специальные требования к оборудованию СГЭ.

В рассматриваемом проекте СГЭ повышение надежности достигается за счет использования каскадной структуры СГЭ и параллельного комплекса ИБП на базовом уровне защиты. Сущность и преимущества каскадной схемы были рассмотрены выше.

Решения по построению параллельного комплекса ИБП, предлагаемые фирмой Powerware, являются уникальными в секторе мощных ИБП в мире и заключаются в следующем:

возможно объединение до 8 аппаратов в параллель модели, таким образом, общая выходная мощность комплекса может достигать 5 мВА (8 блоков по 625 кВА каждый);
конструктивно параллельная система состоит из 2-4 системных блоков и шкафа параллельной работы, объединяющий выходы ИБП. Система работает по уникальному алгоритму равноправного управления "HotSync" запатентованному "POWERWARE", а не в режиме "Master-Slave", как у остальных производителей ИБП.

Уникальность этой технологии заключается в отсутствии сигнальных или интерфейсных связей между ИБП при параллельном включении источников. Это значительно повышает надежность системы, удешевляет и упрощает ее инсталляцию.

Рис. 6. Модульная и централизованная схемы построения СГЭ.

Объединение нескольких блоков ИБП в параллельный комплекс, как правило, имеет целью решение следующих задач:

После установки одного блока СГЭ определенной мощности увеличивается количество технических систем, требующих защищенного питания. Как следствие, необходимо увеличить мощность СГЭ, что достигается подключением еще одного блока ИБП такой же мощности. Все ИБП в таком комплексе работают параллельно на общую нагрузку, увеличивая выходную мощность.
По техническим условиям эксплуатации оборудования необходимо гарантировать его энергоснабжение даже в случае отказа одного из блоков ИБП. В таком случае необходимо построить параллельный комплекс по схеме с горячим аппаратным резервированием (избыточностью). Такая схема позволяет также производить техническое обслуживание и ремонт любого блока ИБП не только без отключения нагрузки, но и с сохранением стабильно высоких показателей качества электроэнергии на выходе комплекса (см. функциональные схемы на Рис. 7).

Рис. 7 Диаграммы функционирования параллельных комплексов ИБП.

Сравнение статистических характеристик надежности параллельных комплексов, построенных по централизованному и модульному принципу, показывает следующее:

наличие резервного ввода (с такой же надежностью, что и основной ввод) существенно повышает надежность комплекса в целом. Однако, необходимо иметь в виду, что при подключении нагрузки к резервному вводу ее питание производится от нестабилизированной сети;
модульная система при прочих равных условиях обладает меньшим уровнем надежности. Положительным свойством такой системы является, как отмечалось выше, ее меньшая стоимость и гибкость наращивания.

Источники бесперебойного питания. ИБП двойного преобразования. Общая информация.

Функциональная схема ИБП, построенного по технологии двойного преобразования, изображена на рис. 8. Основные компоненты ИБП имеют следующее назначение:

Входной и выходной ВЧ фильтры предназначены для фильтрации высокочастотных и импульсных помех.
Входной конвертер преобразует переменный ток в постоянный и обеспечивает синусоидальный характер потребления (cosf=1).
Выходной конвертер преобразует энергию постоянного тока, источником которой является входной конвертер или аккумуляторная батарея (при работе в автономном режиме) в переменное напряжение со стабильно высокими ПКЭ.
Блок аккумуляторных батарей осуществляет накопление электрической энергии в аккумуляторах.
Ключ резервной линии by-pass обеспечивает автоматическое либо ручное переключение нагрузки между выходом конвертера и резервной линией. Переключение осуществляется с синхронизацией выходного напряжения, длительность переключения составляет доли миллисекунд.
Блок микропроцессорного управления осуществляет контроль параметров функционирования всех компонентов ИБП и управление ими, а также информационный обмен с внешними устройствами.

Рис. 8 Функциональная схема ИБП двойного преобразования.

Основная информация о состоянии ИБП выводится на жидкокристаллический дисплей на передней панели ИБП.

Разъем на задней панели может использоваться как для передачи сигнальной информации (сообщения об аварии входной сети, переходе на резервную линию, разряде батарей), так и для мониторинга и управления ИБП по протоколу RS232.

При установке специализированного программного обеспечения фирмы Powerware пользователь может контролировать следующие параметры:

режим работы ИБП (от входной сети, от батарей, подключение нагрузки по резервной линии);
текущее значение входного напряжения (в В);
текущее значение потребляемой мощности нагрузки (в ВА);
прогнозируемое время автономной работы ИБП (в минутах);
температура и напряжение аккумуляторных батарей;
значения выходного напряжения и частоты.

При необходимости могут быть запрограммированы такие действия, как автоматический тест ИБП, тест аккумуляторных батарей, калибровочный тест аккумуляторов (для определения реальной емкости по истечении определенного времени работы), а также отключение и включение ИБП в заданное время.

Расчетные данные

Выбор конкретных моделей ИБП и ДГУ для проектируемой СГЭ производится на осно-ве данных о текущем и прогнозируемом состоянии оборудования Заказчика, требующего подключения к сети гарантированного электропитания.

При расчете необходимой мощности ИБП учитывается, что при длительной эксплуатации мощных ИБП в условиях распределенной сети потребителей, подключенной к его выходу, нельзя исключать возможность локальных перегрузок и включения несанкционированной нагрузки. Для обеспечения устойчивой безаварийной работы оборудования его мощность выбирается с запасом, составляющим 15-20% от расчетной мощности нагрузки. С другой стороны, для обеспечения резервирования параллельного комплекса ИБП в здании Заказчика необходимо выполнение условия, чтобы расчетная мощность нагрузки не превышала суммарной выходной мощности ИБП без учёта резервирования.

При расчете мощности ДГУ необходимо принимать во внимание как суммарную потребляемую мощность нагрузки, так и рекомендации по минимально допустимому значению нагрузки, составляющему 30%. При длительной эксплуатации ДГУ с меньшим значением нагрузки значительно уменьшается ресурс работы двигателя и требуются специальные мероприятия по техническому обслуживанию.

Поскольку суммарная потребляемая мощность параллельного комплекса ИБП (т.е., мощность на входе ИБП) в дальнейшем может увеличиваться при наращивании количества рабочих мест, то при расчете мощности ДГУ учитывается суммарная потребляемая мощность для всех ИБП, подключенных к выходу ДГУ и работающих в режиме полной нагрузки и заряда аккумуляторных батарей, а также дополнительного оборудования (нагрузка группы "В").

Дизель-генераторные станции

ДГУ производства фирмы Wilson

Дизельные генераторные установки, производимые фирмой Wilson, используются в качестве автономного источника электроэнергии и могут работать как в аварийном (кратковременном) режиме, так и в непрерывном режиме работы и играть роль основного источника энергоснабжения.

В рассматриваемой СГЭ могут использоваться модели генераторных установок, построенных на базе дизельных двигателей производства Perkins, генераторов переменного тока Leroy Somer.

Фирма "F.G.WILSON" основана в 1966 г. и является самым крупным изготовителем дизель-генераторов в Европе, которые применяются в качестве основного, резервного или аварийного источника электроэнергии для питания различных потребителей переменным одно-фазным (220/240В, 50/60Гц) или трехфазным током (380/400В, 50/60Гц). Фирма "F.G.WILSON" производит до 20000 дизель-генераторов в год, которые экспортируются в 150 стран мира. В ДГУ используются двигатели ведущих фирм производителей таких, как Perkins, Lister-Petter, Detroit-Disel Corporation и др.

Технические характеристики

Описание функционирования СГЭ в различных режимах

В нормальных условиях, т.е., при сохранении основного энергопитания здания по го-родским линиям, оборудование СГЭ функционирует в следующем режиме:

Контактор в блоке управления и коммутации нагрузки ДГУ находится в положении "Mains", т.е. основная сеть. Энергоснабжение потребителей группы "В" осуществляется через этот контактор напрямую от основной сети. ИБП (или параллельный комплекс ИБП) запитан также от основной сети через контактор БУ КН ДГУ (см. Рис. 0-9). Работая в режиме двойного преобразования энергии, ИБП обеспечивает стабильно высокие показатели качества электроэнергии на выходе. Аккумуляторные батареи находятся в режиме поддерживающего заряда, тем самым обеспечивается их максимальный ресурс при отключении внешнего питания ИБП.

Рис. 9. Схема энергоснабжения нагрузки в нормальном режиме работы СГЭ.

При возникновении аварийной ситуации (отключение энергоснабжения по городским сетям) пропадает питание на входе основных ИБП, которые переходят в режим работы от ак-кумуляторных батарей. Перерыва в энергоснабжении потребителей группы "А" не происходит, поскольку схема двойного преобразования ("on-line") гарантирует бесперебойность работы инвертора (см. рис. 10).

Рис. 10. Схема энергоснабжения нагрузки в аварийном режиме работы СГЭ.

По команде от датчика наличия входной сети, встроенного в БУ КН ДГУ, начинается отсчет времени (длительность интервала программируется), после окончания которого блок управления дает команду на запуск ДГУ. Если первая попытка запуска была неудачной, блок автоматики повторяет команду на запуск. После выхода ДГУ на рабочий режим (частота и на-пряжение в пределах допуска), блок управления обеспечивает переключение контактором нагрузки на выход генератора (см. Рис. 11). Блок микропроцессорного управления ИБП фирмы Powerware алгоритм "мягкого старта", с помощью которого увеличение потребления по входу при возобновлении питания ИБП происходит не скачкообразно, а постепенно (длительность этого интервала увеличения нагрузки до максимального значения составляет не менее 10 секунд). Эта функция ИБП позволяет не перегружать генератор при подключении нагрузки большой мощности и сохранять ПКЭ на его выходе в пределах номинальных значений.

Рис. 11. Схема энергоснабжения нагрузки в аварийном режиме работы СГЭ.

В автономном режиме СГЭ может функционировать в течение длительного промежутка времени, определяемого количеством топлива в топливном баке ДГУ и удельным расходом топлива (величина этого параметра зависит от нагрузки). Если энергоснабжение по городским сетям не восстанавливается по окончании ресурса топлива в штатном топливном баке, то блок автоматики ДГУ останавливает генератор, не вырабатывая минимальный резерв топлива, необходимый для гарантированного запуска ДГУ в дальнейшем. В этом случае дежурный персонал Заказчика должен принять решение о прекращении работы оборудования и отключении ИБП, либо о продолжении работы до исчерпания ресурса аккумуляторных батарей и автоматического отключения ИБП. Время автономной работы ИБП является функцией от величины текущей потребляемой мощности, поэтому уменьшение энергопотребления путем отключения менее ответственной нагрузки (рабочих станций) позволяет существенно продлить время автономной работы.

Каскадная структура построения СГЭ обеспечивает дополнительный ресурс автономной работы для наиболее ответственного оборудования (серверные комплексы, активное сетевое оборудования, а также системы связи). Поэтому даже при отключении центрального ИБП (или параллельного комплекса ИБП) файловые структуры на серверах не нарушаются, поскольку специальное программное обеспечения связи с ИБП инициирует процесс закрытия серверов в автоматическом режиме при отключении центрального ИБП.

При устранении аварии энергоснабжения здания до исчерпания ресурса топлива ДГУ блок управления ДГУ по команде от датчика состояния входной сети переключает контакто-ром нагрузку на основной вход (см. Рис. 0-12). После этого (через 120 секунд после отключения нагрузки от генератора) происходит автоматическое глушение двигателя. Этот промежуток времени, в течение которого ДГУ работает без нагрузки, позволяет быстро охладить генератор и двигатель, что гарантирует более надежный запуск ДГУ при следующих авариях.

Рис. 12. Схема энергоснабжения нагрузки при устранении аварии.

Поскольку энергоснабжение ответственных потребителей (группы "А") осуществляется через ИБП, искажения и помехи, вызываемые переключениями контактора ДГУ, не оказывают влияния на сеть защищенного электропитания.

Системы дистанционного контроля

Средства мониторинга СГЭ. Интерфейсы с информационными комплексами Заказчика

Программное обеспечение и информационные интерфейсы СГЭ Функциональная завершенность СГЭ обеспечивается включением в ее состав комплекса средств мониторинга и контроля СГЭ, реализующего следующие основные функции:

Использование стандартного (входящего в состав соответствующих операционных систем) и специализированного программного обеспечения, устанавливаемого на серверы, для работы с подключенными к ним ИБП.
Организация процесса закрытия файловых систем серверов в автоматическом режиме при завершении ресурса аккумуляторных батарей с последующим отключением нагрузки и выключением ИБП для предотвращения разряда аккумуляторов.
Оповещение пользователей о возникающих неисправностях в электрической сети, о предстоящем закрытии файловых систем серверов и отключении систем бесперебойного электропитания.
Организация взаимодействия со специальным программным обеспечением, устанавливаемым на выделенной рабочей станции - рабочем месте администратора локальной сети (например, Novell NMS для Windows, HP OpenView для UNIX, SUN NetManager и др.), для выполнения операций контроля и диагностики ИБП.
Обеспечение приема дополнительной информации от датчиков, подключаемых к специальным входам ИБП, и передачи ее по локальной сети. В качестве таких устройств могут использоваться датчики задымления, повышения температуры, системы контроля доступа в помещение, где располагается ИБП и аналогичные контактные устройства. Существует также возможность подключения исполнительных устройств (например, дополнительной вентиляции), управление которыми в автоматическом или ручном режиме производится с помощью программ мониторинга ИБП.

Все перечисленные функции реализуются с помощью установки специальных программных и аппаратных средств интеграции ИБП в локальную вычислительную сеть. К их числу относятся: программное обеспечение Lansafe для Novell NetWare, UNIX и Windows, а также Web/SNMP-адаптеры Connect UPS, производимые фирмой Powerware.

Для защиты одиночных ПЭВМ, а также технических средств, не относящихся к компьютерному оборудованию применяются ИБП, подключаемые стандартным силовым кабелем к блоку питания защищаемого устройства. Если с помощью ИБП защищается одиночный компьютер либо рабочая станция, подключенная к ЛВС, но для других пользователей не требуется информация о состоянии данного ИБП, то информационная связь ИБП-ПЭВМ не реализуется. Иначе производится дополнительное соединение (как правило, с помощью кабеля для передачи данных по последовательному протоколу RS232 - см. схему на Рис. 0-13) и на рассматриваемой рабочей станции устанавливается локальное программное обеспечение (без поддержки SNMP).

При групповом подключении нескольких ЭВМ к одному ИБП, а также для иерархических сетей с логическими связями "клиент-сервер", информация о состоянии ИБП должна поступать прежде всего на серверы (файловые, баз данных, приложений), а также на рабочие станции, логически зависящие от этих серверов. В таких случаях информационная связь может быть осуществлена двумя способами: с применением аппаратных средств (WEB/SNMP-адаптера) в комплексе с программными средствами, а также чисто программным способом.

Применение WEB/SNMP-адаптера наиболее целесообразно для мощных ИБП, располагаемых на значительном удалении от серверного комплекса. Кроме того, установка мощного (несколько десятков кВА) оборудования бесперебойного питания производится, как правило, в отдельном помещении с ограничением доступа — в том числе и для персонала, занимающегося обслуживанием ЛВС. Таким образом, возникает необходимость применения вспомогательного устройства, выполняющего роль интерфейса между ИБП и ЛВС. В качестве такого устройства применяются адаптеры WEB/SNMP.

В составе такого адаптера имеется программируемый микроконтроллер, переводящий информационные посылки от ИБП, поступающие в виде определенной последовательности символов по каналу последовательного обмена (как правило, RS232), в формат сообщений в стандарте SNMP. Эти сообщения обрабатываются программным обеспечением, устанавливае-мом на серверах и рабочих станциях. Функциональная схема фрагмента СГЭ с использованием WEB/SNMP-адаптера показана на Рис. 13.

WEB/SNMP-адаптер с его внутренним программным обеспечением обозначают "агент", а программное обеспечение на рабочих станциях и серверах - "клиент".

Рис. 13. Информационная связь ИБП-ЛВС с использованием WEB/SNMP-адаптера.

При подключении ИБП интерфейсным кабелем (по стандарту последовательного протокола обмена RS232) непосредственно к файловому серверу NetWare или UNIX установка WEB/SNMP-адаптера не требуется, поскольку функции SNMP-агента выполняет специальное программное обеспечение, установленное на сервере (Рис. 0-15). Это программное обеспечение (состоящее из нескольких программных модулей, работающих совместно) одновременно обеспечивает трансляцию сообщений от ИБП в формат SNMP, а также выполнение необходимых операций по закрытию файловой системы, оповещению пользователей и др.

Наиболее часто такое подключение применяют для установке ИБП мощностью до 15-20 кВА при организации бесперебойного питания серверных комплексов и наиболее ответственных рабочих станций (например, консоли управления администратора ЛВС). Фрагмент СГЭ такого рода изображен на рис. 14.

Рис. 14. Информационная связь ИБП-ЛВС без применения WEB/SNMP-адаптера.

Программное обеспечение и информационные интерфейсы СГЭ

Функциональная завершенность СГЭ обеспечивается включением в ее состав различных аппаратных и программных средств мониторинга и контроля СГЭ, реализующих следующие основные функции:

Организация информационной связи между всеми ИБП (основными и дополнительными) и файловыми серверами NetWare, серверами Windows NT, управляющими вычислительными комплексами UNIX и аналогичным оборудованием.
Использование стандартного (входящего в состав соответствующих операционных систем) и специализированного программного обеспечения, устанавливаемого на серверы, для приема, отображения и обработки информации о состоянии ИБП, от которых осуществляется электропитание этих серверов.
Организация процесса закрытия файловых систем серверов в автоматическом режиме при завершении ресурса аккумуляторных батарей.
Оповещение пользователей о возникающих неисправностях в электрической сети, о предстоящем закрытии серверов, а также об отключении систем бесперебойного электропитания.
Организация взаимодействия со специальным программным обеспечением, устанавливаемым на выделенных рабочих станциях - рабочих местах администратора локальной сети (например, Novell ManageWise для Windows, HP OpenView для UNIX, SUN NetManager и др.), для выполнения операций контроля и диагностики ИБП.
Обеспечение (при использовании дополнительного оборудования) приема информации от датчиков, подключаемых к специальным входам ИБП, и ее отображение на системах визуа-лизации оперативной информации дежурного персонала.

WEB/SNMP-адаптеры. Общее описание.

При групповом подключении нескольких ЭВМ к одному ИБП, а также для иерархических сетей с логическими связями "клиент-сервер", информация о состоянии ИБП должна поступать, прежде всего, на серверы (файловые, баз данных, приложений), а также на рабочие станции, логически зависящие от этих серверов. Функция оповещения всех пользователей, подключенных к какому-либо серверу, электропитание которого осуществляется от ИБП, реализуется программным обеспечением, установленным на данном сервере.

В таких случаях информационная связь может быть осуществлена двумя способами: с применением аппаратных средств (WEB/SNMP-адаптера) в комплексе с программными средствами, а также чисто программным способом.

Применение WEB/SNMP-адаптера наиболее целесообразно для мощных ИБП, располагаемых на значительном удалении от рабочих помещений (в том числе, от помещения серверного комплекса). Кроме того, с помощью ИБП производится защита оборудования, не имеющего в своем составе ЭВМ, например, комплекса активного сетевого оборудования, установленного в распределительном шкафу ЛВС.

Таким образом, возникает необходимость применения вспомогательного устройства, выполняющего роль интерфейса между ИБП и ЛВС. В качестве такого устройства применяются адаптеры WEB/SNMP.

В составе адаптера имеется программируемый микроконтроллер, переводящий инфор-мационные посылки от ИБП, поступающие в виде определенной последовательности символов по каналу последовательного обмена (как правило, RS232), в формат сообщений в стандарте WEB/SNMP. Эти сообщения обрабатываются программным обеспечением, устанавливаемом на серверах и рабочих станциях. Функциональная схема фрагмента СГЭ с использованием WEB/SNMP-адаптера показана на рис. 14.

WEB/SNMP-адаптер с его внутренним программным обеспечением образует составную часть информационной системы, называемую "агент", а программное обеспечение на рабочих станциях и серверах - "клиент".

Основными задачами SNMP-агента является перевод информационных сообщений о состоянии ИБП в формат специальных посылок в формате SNMP — так называемых trap"ов (прерываний), а также перевод специальных команд по управлению ИБП, посланных SNMP-клиентами, в формат управляющих последовательностей конкретной модели ИБП. Распознавание модели ИБП производится автоматически программным обеспечением SNMP-клиента.

Подключение ИБП производится с помощью специальных интерфейсных кабелей к разъемам, имеющимся на задней панели WEB/SNMP-адаптера. Разъемы для подключения адаптера к ЛВС выполнены в стандарте BNC и RJ45 и предназначены для сетей Ethernet. Фирмой Powerware также выпускается WEB/SNMP-адаптер для локальных сетей Token Ring.

В комплект поставки адаптера входят дискеты, содержащие файлы MIB (в формате DOS/Windows и UNIX), используемые при установке программного обеспечения для управления ЛВС.

Условия функционирования оборудования

Режим функционирования основного оборудования СГЭ определяется организационными и технологическими особенностями работы информационных и иных служб Заказчика, а также техническими условиями и рекомендациями фирм-производителей соответствующего оборудования.

Источники бесперебойного питания, производимые фирмами Powerware, предназначены для непрерывной круглосуточной работы. При эксплуатации оборудования необходимо выполнение условий поддержания температурного режима в помещении, где установлены ИБП.

Источники бесперебойного питания Powerware могут эксплуатироваться в защищенных от атмосферных воздействий помещениях в температурном диапазоне от 0°С до +40°С при относительной влажности воздуха не более 90% (при 20°С). Значение температуры, усредненное по суточному периоду не должно превышать +35°С. Максимальная продолжительность периода времени, в течение которого ИБП функционируют при температуре +40°С, не должна превышать 8 часов.

Необходимо различать понятия допустимой рабочей и оптимальной температуры. Для ИБП, важнейшим компонентом которого являются аккумуляторные батареи, значение оптимальной температуры определяется рекомендациями по условиям их эксплуатации. Оптимальной температурой, при которой фирмы-изготовители свинцово-кислотных аккумуляторных элементов гарантируют максимальное число циклов заряда-разряда и электрические характеристики, является +15 .. +25°С. При повышении температуры в первую очередь сокращается срок службы аккумуляторов. Эмпирическая зависимость выражается следующим образом: на каждые 10°С повышения температуры срок службы сокращается в два раза.

Таким образом, одним из необходимых условий длительной безаварийной работы ИБП является поддержание температуры воздуха на уровне 20°С.

Дизельные генераторные установки фирмы Wilson предназначены для длительной эксплуатации в условиях защищенного от внешних атмосферных воздействий помещения. Автоматический запуск ДГУ без участия персонала (т. е., без необходимости выполнения дополнительных операций по технической подготовке ДГУ) гарантируется при условии обеспечения температуры окружающего воздуха не ниже +5°С.

Регламент обслуживания. Гарантийные обязательства.

Техническое обслуживание. Общие положения.

Техническое обслуживание предусматривает выполнение персоналом Исполнителя необходимых регламентных и профилактических работ в течение 1 года с момента ввода оборудования в эксплуатацию.

При выполнении работ, выходящих за рамки гарантийных обязательств, Заказчик возмещает Исполнителю стоимость замененных деталей и узлов и расходы, связанные с выполнением данных работ. Заказчик компенсирует Исполнителю расходы, связанные с необоснованным вызовом технического персонала Исполнителя (ложный вызов).

Использованные при гарантийном ремонте детали и узлы из состава ЗИП, закупленного ранее Заказчиком, пополняются за счет Исполнителя.

Гарантийные обязательства

Срок гарантии по основному оборудованию СГЭ составляет 12 (двенадцать) месяцев со дня ввода оборудования в эксплуатацию, но не более 15 месяцев со дня передачи оборудования Заказчику, что подтверждено соответствующими документами.

Срок гарантии по ДГУ составляет 12 (двенадцать) месяцев со дня ввода оборудования в эксплуатацию, но не более 500 часов наработки по счетчику моторесурса.

В течение гарантийного срока поставщик оборудования заменяет дефектные узлы, имеющие дефекты производителя и вышедшие из строя при соблюдении Заказчиком условий эксплуатации.

Заключение

В предложении по системе бесперебойного энергоснабжения учреждения банковского типа изложены предлагаемые технические решения и дано их обоснование. Реализация СГЭ в соответствии с рассмотренными принципами отвечает требованиям Заказчика и самым совре-менным мировым требованиям в области систем жизнеобеспечения и энергоснабжения.

Предлагаемое к использованию оборудование соответствует самым жестким стандартам в данных отраслях и позволяет построить СГЭ высокой надежности.

Cокращения:

СГЭ — система гарантированного энергоснабжения
ПКЭ — показатели качества электроэнергии
ВРУ — вводное распределительное устройство
ГРЩ — главный распределительный щит
РЩ — распределительный щит
РШ ЛВС — распределительный шкаф локальной вычислительной сети
ОС — операционная система
ПО — программное обеспечение
ИБП — источник бесперебойного питания
ДГУ — дизельная генераторная установка
БУ КН — блок управления и коммутации нагрузки

Данная статья предназначена для практиков, которым приходится сталкиваться с проблемами обеспечения качественного электропитания систем безопасности.

Терминология и сокращения, которые будут применяться в данной статье:

АКБ — герметичная кислотная батарея с гелевым электролитом.
ГЕНЕРАТОР — дизельная или бензиновая электростанция, вырабатывающая переменное однофазное напряжение 220 В или трехфазное 380 В.
ИНВЕРТОР — устройство обеспечения бесперебойного электропитания, основанное на преобразовании постоянного тока от аккумуляторных батарей в переменное однофазное напряжение 220В или трехфазное 380В. Подразумевается, что
ИНВЕРТОР имеет в своем составе АКБ , необходимую для обеспечения требуемого времени работы на заданной мощности.
UPS — под этим сокращением будут подразумеваться «компьютерные бесперебойники» малой мощности.
ИБП — Источники бесперебойного питания (или ИВЭПР — источники вторичного электропитания резервированные).
Подобные устройства предназначены для питания аппаратуры, которая не имеет своего встроенного сетевого блока питания. В состав ИБП входят АКБ .
ИРП — Источники резервного питания. Предназначены для обеспечения питания аппаратуры, которая имеет собственный основной источник питания и вход для дополнительного резервирования.

ВЫБОР СТРАТЕГИИ ОРГАНИЗАЦИИ ПИТАНИЯ

Прежде всего, следует разделить потребителей на группы по критичности электропитания и времени необходимого резервирования.

— Относительно невысокую стоимость — в среднем бензиновый генератор обойдется $400-500 за кВт, а дизельный примерно в 1,5 — 2 раза дороже;
— Высокое качество выходного напряжения;
— Возможность длительного времени работы.

Недостатки:

— необходимо специальное помещение;
— необходимость обслуживания;
— невозможность обеспечить бесперебойное питания — требуется время для запуска генератора.

Дизельные генераторы дешевле в эксплуатации, поэтому их имеет смысл применять только для организации длительного резервного питания объектов большой мощности (более 5 кВт). На меньших мощностях или при кратковременном использовании бензиновый генератор будет более экономичен.

Покупать ГЕНЕРАТОРЫ имеет смысл только импортные и только в специализированных фирмах. В Россию завозят много неплохих марок японского (напр. Yamaha), французского (SDMO) и итальянского производства.

ИНВЕРТОР — так обычно называют преобразователь с низкого напряжения постоянного тока в высокое переменное. Другими словами — энергию АКБ в переменный ток 220 В. В чистом виде инверторы применяются редко, а являются составной частью систем бесперебойного питания, которые обычно называют UPS. UPS бывает двух типов — on-line и off-line. UPS off-line являются более дешевыми и простыми — инвертор включается только при пропадании сетевого напряжения. Схема on-line — это схема с двойным преобразованием. Сначала сетевое напряжение понижается и выпрямляется, после чего постоянной ток с помощью инвертора преобразуется в переменный 220 В. При пропадании сетевого напряжения используется энергия АКБ . Подобная схема дает наиболее качественное питание, так как не зависит от качества входного напряжения. Инверторы типа on-line являются одновременно и стабилизаторами напряжения, и фильтрами. Это идеальное решение для обеспечения питания потребителей 220 В. Но и стоят они существенно дороже обычных off-line приборов.

Еще одним важным параметром для ИНВЕРТОРОВ и UPS является форма выходного сигнала:

— чистый синус — наиболее сложные и дорогие приборы;
— аппроксимированный синус — промежуточный вариант, может быть разная степень аппроксимации;
— модифицированный синус, меандр, квазисинус — наиболее часто встречающийся и недорогой вариант инвертора.

Необходимо помнить, что некоторые типы нагрузок очень чувствительны к форме питающего напряжения. Модифицированный синус нельзя использовать для питания потребителей с трансформаторными источниками питания и для чувствительной аппаратуры.

Выходная мощность — для инверторов обычно указывается в Вольт-Амперах (ВА, VA). В отличии от Ваттов (Вт, W), которые указывают эффективную потребляемую мощность переменного тока, вольт-амперы характеризуют амплитудные значения токов и напряжений в нагрузке. Существование такой единицы связано с тем, что в цепях переменного тока может возникать сдвиг фаз.
Для простой активной нагрузки VA = 1,41 x W
Крайне аккуратно надо подключать нагрузку с мощностью, которая указана в Ваттах к источнику, мощность которого указана в ВА. Если такая необходимость возникает, то для расчетов умножить значение нагрузки в Ваттах на 1,41
Приобретение хорошего ИНВЕРТОРА — большая проблема. Есть очень дорогие модели, предназначенные для телекоммуникационной и компьютерной техники.
Практически отсутствует на рынке «средний класс». Как правило, проблемы с сервисом, а ИНВЕРТОР — весьма дорогой и сложный прибор.
Есть неплохие отечественные приборы, но их производители — оборонные заводы — страдают слабым маркетингом. Купить же компьютерный UPS небольшой мощности проще простого.

НИЗКОВОЛЬТНЫЕ ИБП и ИРП

Практически все ИРП существующие на рынке похожи друг на друга и отличаются только емкостью устанавливаемых АКБ.
Поэтому основное внимание уделим ИБП. ИБП по своей схемотехнике можно разделить на трансформаторный и импульсные.
В свою очередь трансформаторные ИБП могут быть с линейным или ШИМ стабилизатором.
Импульсные ИБП для систем безопасности мало применяются ввиду невысокой надежности и высокого уровня помех.
Трансформаторные источники с линейным стабилизатором оптимальны при небольших токах.
При больших токах все чаще начинают применять ШИМ стабилизаторы, хотя линейные схемы до сих пор вне конкуренции по надежности и ремонтопригодности.

Один из важнейших параметров — НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ СЕТИ. В России стандарт на электросети допускают интервал напряжений 187…242В (220В -15% +10%).

Зарубежные требования более жесткие, поэтому импортные ИБП не рекомендуется использовать в наших сетях. Более того, некоторые отечественные ИБП выпускаются с параметрами, заявленными в диапазоне 220В ± 10%.
Использование таких ИБП в реальных сетях чревато либо хроническим недозарядом АКБ, либо срывом стабилизации, что совершенно недопустимо для систем безопасности. Т.к. во многих регионах пониженное напряжение в сети является нормальным состоянием, на рынке появились ИБП с расширенным диапазоном питающей сети порядка 150…250В.

Отсутствие четких стандартов на ИБП приводит к произволу в определениях и терминологии, что часто запутывает потребителя.
Необходимо помнить, что основным параметром ИБП, характеризующим его нагрузочную способность является НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК ВЫХОДА — это ток, который может отдаваться в нагрузку при питании от сети ВСЕГДА независимо от обстоятельств, сколь угодно длительное время и при сохранении уровня пульсаций — при любом допустимом напряжении в сети в интервале не хуже 187…242 В, при любом состоянии АКБ, в допустимом рабочем интервале температур. Только на этот ток вы можете рассчитывать при построении системы.
Часто производители ИБП в качестве основного параметра указывают ток, отдаваемый в нагрузку без подключенной АКБ (иногда его называют максимальный ток),
но надо помнить, что часть этого тока отбирается для зарядки батареи, и в нагрузку гарантировано может отдаваться только номинальный ток.

Все профессиональные ИБП имеют защиту от глубокого разряда АКБ. Часто ИБП позволяют подключать дополнительные ИРП для увеличения времени работы в режиме резерва.
Многие ИБП имеют повышенные выходные токи в режиме резерва (при отсутствии сети) или кратковременно, что позволяет существенно оптимизировать питание систем ОПС, оповещения и пожаротушения.

Выбирать ИБП или ИРП следует только отечественного производства и только от производителей, специализирующихся на выпуске ИБП.
Уже стало поговоркой, что «только ленивый не делает блоки питания». Но реально в России есть не более 4-5 фирм, которые производят надежные и уже испытанные годами источники, обеспечивают широкий ассортимент и техническую поддержку и сеть дистрибьюции.

Работа большинства современных организаций строится на использовании техники, чувствительной к качеству энергии. Выход из строя компьютеров, банковской и медицинской аппаратуры, системы автоматики и других приборов влечет за собой серьезные последствия, которые порой могут быть непоправимы. Существующая система питания несовершенна, и процесс снабжения может внезапно прерваться. Чтобы этго не произошло, рекомендуется применение:

систем бесперебойного электропитания (СБЭ), работа которых базируется на базе источников бесперебойного питания (ИБП, UPS);
систем гарантированного электропитания (СГЭ), работа которых базируется на дизельгенераторных электростанций (ДЭС, ДГУ);
систем бесперебойного и гарантированного электропитания, как сочетание двух вышеперечисленных систем.

Как правило, задача обеспечить бесперебойное питание возлагается на ИБП и дизельные генераторы, которые берут на себя питание ответственного потребителя на период отсутствия электричества в сети. Тем не менее, в данном случае играют роль и вспомогательные решения, среди которых может быть резервирование подвода силовых линий, системы тушения пожара и защиты от молнии. Важно понимать, что гарантированное электропитание должно быть обеспечено в условиях любых экстремальных ситуаций.

Ключевыми характеристика систем бесперебойного питания являются надежность, отказоустойчивость, энергоэффективность. Тем не менее, экономия электроэнергии, увеличение сроков эксплуатации аккумуляторов и увеличение КПД аппаратуры служат лишь частью решения задачи. К прочим значимым направлениям можно отнести разработку мощных аккумуляторных батарей и применение кинетических накопителей.

Экономия используемых ресурсов

Мир все больше внимания уделяет разработке и применению альтернативных источников электроэнергии, которые могли бы возобновляться сами по себе. Это особенно важно благодаря «зеленым тарифам», которые позволяют реализовывать излишек получаемой электроэнергии в сеть общественного использования, либо расходовать полученную энергию на личные нужды, понижая зависимость от внешних источников.

Дополнительной возможностью сэкономить энергоресурсы и увеличение эффективности бизнеса, служит подробный мониторинг затрат энергии и автоматизация процессов, связанных с этими расходами. Помочь в данном направлении могут особые технологии, именуемые «Интернет вещей» (IoT). Именно благодаря им оборудование стало работать на более «умной» автоматизации, да и сбор информации вышел на принципиально новый уровень.

Необходимость СГП в России

В России не только остро стоит вопрос электроснабжения, однако и наблюдаются проблемы с качеством электричества, которую поставляют потребителям по распределительным сетям общего назначения. Поэтому возникла необходимость в создании СГП - системы гарантированного питания. Она применяется в схеме релейной защиты, автоматики и технологической сигнализации электроустановок разного класса напряжения предприятий энергетики и других важных объектов.

СГП обеспечивает непрерывное питание ~ 220В:

от централизованной сети переменного тока ~220В в штатном режиме,
от резервной сети постоянного тока =220В при отключении напряжения в сети переменного тока, используя резерв аккумуляторов пользователя,
от ресурса батарей источника бесперебойного питания в отсутствие напряжений, как в сети переменного тока, так и в сети постоянного тока.

Преимущества СГП:

Стабильность параметров сети ~220В при подключении =220В с нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходного процесса на выходе устройства.
Пользователь может самостоятельно подключить СГП, поскольку ее конструкция проста и понятна.
При аварийных отключениях сохраняются регламентные требования.
Напряжение сети постоянного тока =220В в СГП производится тремя однотипными каналами, обеспечивая трехкратный запас надежности, если при аварии отказывает один канал, СГП сохраняет свою работоспособность.
Преобразователь напряжения работает в экономном режиме.
Эксплуатация практичная и долговечная.

Конструкция СГП предполагает применение унифицированных элементов: источника бесперебойного питания, блока питания постоянного напряжения (преобразователь постоянного напряжения), реле переменного тока. Если что-либо выходит из строя, деталь легко можно заменить аналогичной. При необходимости можно обратиться в сервисную службу, однако устройство целиком предназначено для самостоятельной эксплуатации.