Как правильно спроектировать систему резервного питания? Согласитесь, чем она совершеннее, тем меньше напоминает о себе. В идеале - вообще не напоминает. А для этого потребуется «всего ничего»: правильно выбрать схему защиты, учитывающую особенности бизнеса и динамику его роста, а также тип доступного на рынке оборудования.

Сразу сделаем оговорку: типов, способов реализаций и марок систем бесперебойного питания в России представлено множество. А потому охватить это многообразие в рамках одной статьи просто невозможно. Мы сфокусируемся на типовых конфигурациях, наиболее интересных новых технологиях и моделях инфраструктурных ИБП, предлагаемых лидерами рынка. На то они и лидеры, что их решения самые передовые,— именно их продукцию в первую очередь рассматривают потенциальные заказчики, а игроки так называемого второго эшелона следуют примеру.

Перед тем как перейти к описанию технологий и решений, скажем о рынке ИБП. При подготовке материала оказалось, что оценить вклад компаний в российский рынок систем бесперебойного питания уровня предприятия не просто. В силу ряда специфических черт, присущих отечественному рынку интеграции и сервисного обслуживания, задача «выудить» полную информацию оказывается не решаемой. Что же до аналитических методик, они в основной части сводятся к сравнению объемов продаж, разделенных по мощностным критериям на несколько классов в денежном и/или штучном выражении.

Можно ли говорить об актуальности подобных схем подсчета в отношении сферы бизнеса, в которой стоимость оборудования обычно не превышает даже половины итоговой стоимости проекта? По мнению экспертов, участвовавших в нашем опросе, при использовании таких схем результат будет далеким от реальности.

Впрочем, при определении лидеров рынка все же должна быть некая точка отсчета. По нашему мнению, в ее роли может выступить оценка мирового рынка. Здесь, по крайней мере, итоговая стоимость проектов очевидна не только для заинтересованных сторон, но и для ведомств, следящих за механизмами ведения конкурентной борьбы. Кроме того, тенденции развития отечественного бизнеса все больше приближаются к общемировым.

Так или иначе четверка лидеров отечественного рынка тяжелых ИБП (как и мирового) выглядит следующим образом: APC, Eaton (торговая марка Powerware), General Electric и MGE. Именно оборудование этих компаний мы и рассмотрим.

На пути централизации Сегодня много говорится о важности выбора качественных составляющих информационной системы (ИС) предприятия. При этом нередко забываются элементарные вещи, касающиеся основ эксплуатации электрических компонентов. Например, часто упускается из виду, что любая компьютерная система, будь то обычный ПК или центр обработки данных, в условиях нестабильного энергоснабжения либо некачественной системы вентиляции способны выйти из строя.

Поэтому о решении соответствующих проблем нужно задумываться на начальном этапе проектирования ИС. Однако любой системный инженер или администратор скажет, что решение проблем теплоотвода и стабильного энергоснабжения компонентов, электротехнические характеристики которых известны лишь в общих чертах (как это часто бывает на этапе проектирования), — сложнейшая инженерная задача, требующая трудоемких расчетов. Впрочем, если точные технические характеристики, например, группы тонких серверов не являются загадкой, задача упрощается не намного — ведь невозможно выбрать правильный источник бесперебойного питания только по калькуляции электрических мощностей. Стоит понимать, что любой компьютерной системе, в том числе телекоммуникационным серверам, присуще наличие так называемых горячих точек, которые при неумелом проектировании теплоотвода способны провоцировать сбои. И как показывает практика, они-то и возникают в самые ответственные моменты работы информационной системы, когда нагрузка на вычислительные элементы максимально высока.

Но даже если проектированием рабочего пространства ИС занимается профессионал, учесть все нюансы удается не всегда. Дело в том, что на момент сдачи проекта ИС имеет, казалось бы, законченную конфигурацию, но спустя время, из-за бурного развития информационных технологий, может претерпеть изменения. Поэтому некогда оптимально подобранная система вентиляции с ростом мощности вычислительных систем и, как следствие, систем электропитания рискует оказаться неспособной выполнять свои задачи. С другой стороны, установка систем кондиционирования, что называется на вырост, вряд ли покажется экономически оправданным решением, так как ведет к росту капитальных и эксплуатационных расходов, и к тому же не оправдана с технологической точки зрения (усложнение чистки и эксплуатационных параметров).

Другая сложность, возникающая на этапе проектирования ИС, связана с ростом количества внешних соединительных кабелей. При необходимости реконфигурирования системы они не только могут запутать любого системного администратора, но и затрудняют охлаждение системы в целом. Это касается и неэффективности конструкций, созданных из устройств разных производителей, в результате пространство серверных стеллажей используется нерационально.

Для решения этих проблем можно использовать продуманный готовый конструктив, способный объединить ряд функций: централизованный теплоотвод, обеспечить резервное питание и удобную инсталляцию вычислительных компонентов. Неудивительно, что в данном случае нужен стандарт, позволяющий определить требования к инженерной инфраструктуре, главной составляющей которой стали подсистемы обеспечения бесперебойного питания. Такой стандарт появился весной 2005 года в виде утвержденного документа ANSI/TIA/EIA-942, обобщающего накопленный за несколько десятилетий опыт.

Основной акцент в нем сделан на интегрированные системы, где все компоненты, к примеру шкаф или стойка, ИБП, система климатизации, а также управление кабельным хозяйством, согласованы между собой. Следуя его рекомендациям, ведущие игроки рынка ИБП представили свое видение построения «сердца» инфраструктуры предприятия — центра обработки данных (ЦОД).

C точки зрения бизнеса

На практике с помощью централизованных систем энергоснабжения ведущие игроки рынка пытаются расширить сферу собственного влияния, реализуя комплексные решения для крупных и средних информационных систем, главным образом серверных комнат.

Первой развивать данное направление начала компания APC, которая первой среди вендоров представила решение, объединяющее ИБП и системы мониторинга, охлаждения и многое другое. Впоследствии аналогичное решение появилось и в активе Liebert-Hiross. Еще один крупный игрок на рынке «тяжелых» решений — Powerware — стал предлагать систему, включающую набор дополнительного оборудования, но не содержащую средств монтажа компьютерной техники. Модульные ИБП производят также MGE UPS Systems и Newave UPS Systems.

Современные интегрированные системы резервного электроснабжения сочетают средства электропитания, кондиционирования, управления и сервисного обслуживания в единой конструкции, оптимизированной для применения в стойках. Электрораспределение в них происходит внутри стойки, а не за ее пределами, что очень удобно при сервисном обслуживании. Интересно, что холодный воздух в таких системах тоже поступает в стойку централизованно, где равномерно распределяется и, достигнув определенной заданной температуры, выводится наружу. В итоге повышается эффективность работы всей системы в отличие от применения разрозненных компонентов. Кроме того, интегрированные решения предусматривают интеллектуальные ИБП и устройства распределения электропитания, которые отличаются удобным управлением, модульной конструкцией и готовы к работе в разных условиях. Этому в немалой степени способствует конструкция стоек, созданных таким образом, что вне зависимости от поставщика вычислительного и сетевого оборудования циркуляция воздуха в системе происходит равномерно.

Важное преимущество комплексных ИБП — наличие развитых средств управления электропитанием, позволяющих контролировать состояние элементов информационной системы и качество ее работы, а при необходимости — удаленно принимать меры для обеспечения требуемого уровня обслуживания. Зачастую последняя функция может быть реализована с помощью веб-браузера на любом настольном компьютере, входящем в ИС или действующем удаленно.

Впрочем, несмотря на кажущуюся адекватность интегрированных решений, их появление прежде всего стоит рассматривать как попытку производителей расширить сферу влияния на смежные сегменты, а также желание стать для новоприобретенного клиента не только поставщиком оборудования, но и в какой-то мере системным интегратором. Устанавливая комплексное решение, объединяющее все то, что ранее приходилось покупать отдельно, клиент серьезно «прикипает» к решениям выбранного производителя, ведь дальнейшая модернизация созданной ИС предприятия не сможет быть произведена без его участия. Чем не идеальный вариант для производителя?

APC

В портфеле АРС имеются три основные продуктовые линейки, нацеленные на различные сегменты рынка: Consumer, Mid-market и Enterprise (решения для бесперебойного электроснабжения вычислительных центров и телекоммуникационных узлов). В данном обзоре мы рассмотрим два последних сектора. Главная «ударная» сила компании — архитектура InfraStruXure, которая позволяет реализовать описанный выше способ построения ИС за счет нескольких ключевых элементов: модульного и масштабируемого ИБП c избыточным резервированием N+1, стоек и шкафов для монтажа оборудования специального дизайна, системы прецизионного кондиционирования и распределительных модулей питания.

В настоящее время АРС предлагает три типа систем c архитектурой InfraStruXure — A, B и C. Если есть сервер плюс какое-либо телекоммуникационное оборудование и достаточно мощности 5 кВ·А, можно установить систему типа А. Тип В используется в тех случаях, когда требуется обеспечить мощность порядка 40–80 кВ×А (параллельное соединение позволяет достичь мощности 200 кВ·А). А если же нужна мощность более 200 кВ·А, пригодится InfraStruXure типа С.

Существует возможность постепенного перехода (при возникновении такой необходимости) от решений одного типа к другому. Впрочем, это не лучший путь для масштабирования, ведь системы имеют различия. С точки зрения затрат оптимальным будет выбор типа, а затем и требуемой конфигурации. К примеру, можно установить начальную конфигурацию (тип В), а потом по мере необходимости наращивать ее. Такой подход позволяет быстро планировать и монтировать систему. Подготовленный персонал делает это примерно за 5 часов. Значит, новую систему защиты электропитания можно создать за ночь, причем не нужно приостанавливать работу.

GE Digital Energy

Компания GE Digital Energy (ныне подразделение General Electric, а ранее — концерн IMV) выглядит своеобразным «продвинутым консерватором». В ее линейке есть модели как для установки в стойки (начиная с мощности 5 кВ·А), так в напольном варианте. Особенность систем вендора — возможность построения из отдельных ИБП эффективных параллельных систем, характеризующихся отсутствием точек отказа (по мнению специалистов компании, их имеют модульные решения; это, например, общая шина батарей, общий Bypass и прочие узкие места, снижающие надежность системы).

Архитектура получила название Redundant Parallel Architecture (RPA). Именно благодаря RPA можно наращивать мощность, одновременно повышая надежность всей системы за счет установки дополнительных ИБП (в сумме — до 4 МВ·А). Такая система легко строится, реконфигурируется и, соответственно, при выходе из строя одного ее элемента (вплоть до блока управления ведущего ИБП) остается работоспособной. В этом случае его функции просто «подхватываются» другим источником. Кроме того, подобный параллельный подход и полная взаимозаменяемость всех элементов системы позволяет оперативно переконфигурировать созданное решение и быстро дооснощать его.

Линейка ИБП LanPro ориентирована на крупных потребителей электроэнергии (вычислительные центры, узлы связи, системы вещания, системы безопасности) и имеет ряд особенностей. Серию LP 11 (3–10 кВ·А) отличают высокие входные/выходные параметры и стойкость к перегрузкам. Кроме технологии RPA устройства оснащены выходным трансформатором гальванической развязки (что встречается в этом классе ИБП нечасто). Схема подключения — 1Ф:1Ф.

Серия LP 31Т (5–10 кВ·А) по своим основным параметрам близка к LP 11. Входной трехфазный трансформатор для подключения сети позволяет избежать перекосов, равномерно распределяя однофазную нагрузку. Этому способствует и механизм переключения на байпас, которое осуществляется одновременно на 3 фазы сразу (а не одну, как в трехинверторных моделях). Соответственно, по суммарной оценке трехфазного входного напряжения (не по порогу отдельной фазы) определяется предел перехода.

Например, если на одной фазе 150 В, а на остальных, предположим, 180 и 200 В, то этот ИБП будет продолжать работу от сети, в то время как «чистый» трехфазный ИБП с такой же установленной шириной «окна» уже перейдет на батареи. Активный IGBT-инвертор обеспечивает снижение КНИ тока до 3,5%.

В тех же областях применяются и более мощные ИБП семейства SitePro, включающего онлайн-устройства мощностью от 10 до 500 кВ·А. На объектах, где требуется большая мощность и избыточное резервирование, благодаря архитектуре RPA можно параллельно установить до восьми таких аппаратов, что обеспечивает защиту нагрузки общей мощностью до 4 МВ·А.

В источниках данного семейства реализован новый тип управления алгоритмом работы инвертора — пространственно-векторная модуляция (Space Vector Modulation, SVM). Он позволяет с большей эффективностью (в сравнении с обычным способом широтно-импульсной модуляции) управлять формированием выходных напряжений. Уменьшаются искажения входного тока, обеспечиваются хорошие динамические характеристики по выходу инвертора. Применение SVM благоприятствует также снижению нагрузки на него и увеличивает надежность ИБП в целом. Среди других схемотехнических особенностей SitePro — обеспечение «мягкого старта» ИБП за счет специального алгоритма управления тиристорами выпрямителя.

Eaton Powerware

Переходя к продуктам этой компании, напомним, что ее модельный ряд разбит на три серии: 3, 5 или 9, что находит отражение в первой цифре названия ИБП. Цифры обозначают число дефектов электропитания, от которых защищает ИБП определенной серии. Так, ИБП 3-й серии относятся к классу резервных устройств и устраняют три основных дефекта электропитания, ИБП 5-й и 9-й серий — пять и девять дефектов электропитания соответственно; также они выполнены по линейно-интерактивной и онлайн-топологии.

В обзоре мы рассмотрим полностью 9-ю серию и модель Powerware 5125RM (5-я серия), выпускаемую в стоечном исполнении с мощностью до 6 кВ·А и предназначенную для защиты отдельных серверов и сетевых устройств. Наиболее интересны «тяжелые» модели. Например, Powerware 9355 20, 30 и 40 кВ·А. Все три модели имеют характерный для серии Powerware 9355 универсальный дизайн и содержат ряд инноваций, в частности бестрансформаторную технологию, обеспечивающую высокий КПД при небольших массогабаритных параметрах ИБП. Поддерживают модульную масштабируемую технологию параллельной работы Hot Sync, которая позволяет соединять в конфигурации с избыточностью N+1 до четырех устройств. В новых моделях заказчики могут использовать до четырех внутренних аккумуляторных блоков, обеспечивая время резервирования в пределах от 5 до 31 мин, в зависимости от конкретной модели.

Номинальное рабочее напряжение на входе ИБП составляет 400 В, его регулировка возможна в диапазоне ± 20%. Частота тока на входе по выбору — либо 50, либо 60 (± 10%) Гц. Выходное напряжение ИБП равно 380, 400 или 415 В, в зависимости от определенных заказчиком параметров. Частота на выходе в режиме внутренней синхронизации — 50 или 60 Гц по выбору. Коэффициент нелинейных искажений потребляемого тока не превышает 5%. КПД устройств Powerware 9355 с мощностью 20–40 кВ·А в режиме двойного преобразования находится на уровне 92% при номинальной нелинейной нагрузке. Коэффициент мощности ИБП на входе — не менее 0,99. Коэффициент мощности на выходе для емкостной нагрузки составляет 0,8, для нагрузки индуктивного характера — 0,7. При работе в нормальном режиме устройства допускают перегрузку до 150% длительностью не более 5 с или до 125% — не более 1 мин. При работе в режиме байпаса возможна перегрузка в 1000% длительностью не более 5 мс.

Другая серия, Powerware 9390, предназначена для защиты критичных нагрузок и ответственных IT-систем. Диапазон мощностей: 40–160 кВ·А (с шагом в 20 кВ·А). ИБП данной серии также рассчитаны на работу в параллельных конфигурациях. Характеристики серии: КПД 94% при номинальной нагрузке, выходной/входной коэффициент мощности — 0,9/0,99, КНИ — 3–5%. В журнале события, ведущемся непосредственно ИБП, предусмотрено сохранение более 500 записей о различных изменениях состояния устройства. Кроме того, 9390-я серия — один из лидеров отрасли по компактности. Она может быть установлена и непосредственно у стены, и в углу (холодный воздух нагнетается с фронтальной стороны, а теплый покидает корпус через верхнюю панель); кабели можно подвести как сверху, так и снизу.

MGE UPS Systems

Исследования компании MGE UPS Systems показали, что около половины отказов ИБП связаны с отказами батарей. Поэтому надежности данного элемента ИБП, а также системам их мониторинга уделяется особое внимание в продуктах производителя. По мнению компании, ей удалось предложить технологию, позволяющую не только заранее предсказать вероятность отказа, но и непосредственно указать, какие батарейные блоки и в какие сроки нужно заменить. Так, в ИБП Galaxy 5000 и Galaxy 6000 система батарейного мониторинга DigiBat предоставляет возможность отслеживать уровни токов, температуру, срок эксплуатации и на основании типа АКБ корректирует зарядные напряжения. Кроме того, непрерывно вычисляет реальное доступное время автономной работы и оставшийся срок службы батарей.

Еще одно ноу-хау производителя — спектр систем, ограничивающих влияние сетевых токов высоких гармоник на нагрузку. Как известно, гармонические искажения являются одной из причин перегревов и преждевременного выхода из строя большого количества электрооборудования. При использовании традиционных LC-фильтров нагрузка приобретает емкостной характер при ее уменьшении до 30% и ниже. Фильтр гармоник нулевой последовательности CleanWave и активный кондиционер гармоник SineWave помогает избавить нагрузку от проблем, связанных с токами высоких гармоник, путем их компенсации аналогичными токами в противофазе.

Трехфазные ИБП Galaxy 5000 и Galaxy 6000 предназначены для защиты критически важных объектов в режиме 24×7×365. Устройства серии Galaxy 5000 имеют мощность от 20 до 120 кВ·А, серии Galaxy 6000 — от 250 до 800 кВ·А. ИБП Galaxy 5000 мощностью до 80 кВ·А снабжены встроенными в корпус аккумуляторами, однако допускают расширение емкости с помощью внешнего шкафа. Устройства мощностью 100 и 120 кВ·А, а также серия Galaxy 6000 оснащаются только внешними батареями. Время автономной работы у Galaxy 5000 варьируется от 5 мин до 8 ч в зависимости от емкости аккумуляторов и мощности нагрузки. Время автономной работы Galaxy 6000 в серийных конфигурациях находится в диапазоне 8–60 мин, однако в рамках дополнительного заказа диапазон можно расширить.

Архитектура Galaxy позволяет строить параллельные расширяемые конфигурации: в серии Galaxy 5000 в единую систему можно соединять до шести ИБП, в Galaxy 6000 — до четырех. Входное напряжение Galaxy 5000 составляет 400 В с допустимым диапазоном от +20 до –35%. Частота на входе — 50 или 60 (± 8%) Гц по выбору. В режиме байпаса допустимы колебания напряжения в диапазоне от +20 до –15%. Выходное напряжение ИБП равно 400 В с допустимым диапазоном ± 3%, возможны значения 380 и 415 В. Частота на выходе — 50 или 60 Гц по выбору. Искажения входного тока не превышают 3%, искажения тока на выходе — менее 2%. КПД устройств серии Galaxy 5000 в режиме двойного преобразования составляет не менее 94%, в экономичном режиме — 97%.

Пик-фактор Galaxy 5000 равен 3 к 1. Коэффициент мощности на входе — не менее 0,99. Допустимая перегрузка: до 150% длительностью не более 1 мин, до 125% длительностью не более 10 мин. Входное напряжение Galaxy 6000 составляет 400 В с допустимым диапазоном ± 20%; частота на входе — 50 или 60 (± 10%) Гц по выбору. Диапазон допустимых колебаний напряжения в режиме байпаса: ± 20%. Выходное напряжение ИБП равно 380, 400 или 415 В с допустимым диапазоном отклонений ± 3%. Частота на выходе — 50 или 60 Гц по выбору. Искажения входного тока — менее 4%, на выходе — менее 3%. КПД устройств 6000- й серии в режиме двойного преобразования составляет не менее 95%. Пик-фактор Galaxy 6000 равен 3 к 1. Коэффициент мощности на входе в режиме PFC — не менее 0,95. ИБП допускает перегрузки до 165% длительностью не более 1 мин и до 125% длительностью не более 10 мин.