В бой электропитания может привести не только к приостановке работы, но и к потере ценной информации или выходу из строя аппаратной части компьютера. Интеллектуальные системы защиты электропитания

Отношение к защите электропитания от сбоев в системах где используются электронное и/или электрическое оборудование, может быть разным. В одних случая это расчет на то, что авось пронесет в других в расчет принимается даже малейший риск сбоя работы оборудования в критические моменты времени В конечном счете, все определяется убытками, которые понесет организация. В бой электропитания может привести не только к приостановке работы, но и к потере ценной информации или выходу из строя аппаратной части компьютера. Эти убытки каждая организация оценивает по-разному. Для одних — это только прямые затраты на восстановление потерянной информации и поврежденного оборудования. Для других — в оценку потерь входит также ущерб от простоя или снижения эффективности функционирования производственных или деловых процессов. Для третьих — в потери включается и упущенная выгода, например, незаключенные сделки или переход клиента к конкуренту.

Для четвертых — критичным является уменьшение «гудвила» (стоимости имиджа компании, отраженной в бухгалтерском учете), что приводит к снижению стоимости акций компании. Известны случаи, когда даже редкие сбои электропитания оборудования приводят к тому, что только затраты на восстановление информации (вариант 1) превышают стоимость источника бесперебойного питания (ИБП). Есть и ситуации, когда просто недопустимо внезапное отключение оборудования (больницы, аэропорты, расчётные центры банков...). Непосредственное отношение к проблеме с перебоями электроэнергии имеет закон очередей, действующий в рыночных условиях: при насыщенности предложений по какому-либо товару/услуге клиент становится в ту очередь, которая короче. Иначе говоря, если клиент не получает своевременного и качественного обслуживания, а выбор у него есть, то ожидать лояльности от него не приходится. КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Причина сбоев может быть разной: понижение напряжения на продолжительное время, кратковременные перебои подачи электроэнергии, полные отключения, импульсные всплески напряжения и другие. Количественные характеристики сбоев в конкретных условиях могут быть разными и меняться со временем. Практика свидетельствует, что не существует панацеи от всех неприятностей, связанных со сбоями электропитания, и все чаще возникает понимание необходимости комплексного подхода по обеспечению надлежащего качества электропитания.

С этой целью разрабатываются системы обеспечения бесперебойного питания или системы по защите электропитания (ЗЭ), которые становятся неотъемлемой составляющей любой компьютерной системы и должны быть составной частью стратегии планирования системы в целом, а не чем-то таким, о чем задумываются постфактум. Более того, необходимо учитывать, что проблемы питания целесообразно рассматривать в рамках единого проекта наряду со многими другими подсистемами здания, поскольку они требуют вложения значительных средств и увязки с силовой электропроводкой, коммуникационным электрооборудованием и аппаратурой кондиционирования воздуха. Изначально системы гарантированного бесперебойного электропитания рассчитаны на несколько лет непрерывной эксплуатациии, и их срок можно сравнить со сроком службы кабельных подсистем здания и основного компьютерного оборудования. За 15-20 лет работы организации оснащение рабочих мест меняется три-четыре раза, несколько раз делается ремонт, но система гарантированного бесперебойного электропитания должна работать безотказно.

Комплексное системное применение средств, обеспечивающих бесперебойное электропитание нужного качества, позволяет существенно снизить общий уровень затрат, или то, что часто еще называют «общая стоимость владения». Это достигается за счет уменьшения поломок и простоев оборудования, исключения потери информации, а значит снижение уровня риска нарушения критичных бизнес-процессов. СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Накопленный опыт разработки систем ЗЭ на основе ИБП позволяет условно разделить их на группы в зависимости от принятой концепции построения. Существует три основные концепции построения системы защиты электропитания: - централизованная защита всей техники одним мощным ИБП или от 2 до 6 ИБП, работающих параллельно на одну нагрузку; - распределённая защита, когда каждый отдельный потребитель (или кластер) имеет свой ИБП; - комбинированная защита, когда вся вычислительная техника имеет один мощный ИБП, а особо ответственное оборудование (серверы, активное сетевое оборудование) дополнительно «персональные» ИБП. В зависимости от конкретных условий (топологии энергосети, количества потребителей, мощности энерговводов и т. д.) выбирается тот или иной метод. Централизованная система защиты электропитания применяется в случае полной защиты по электропитанию целого помещения или здания. При этом на всё помещение/здание устанавливается один ИБП большой мощности до 4 MB-А (или от 2 до 6 ИБП, работающих параллельно на «одну нагрузку»). Основные преимущества: - использование on-line технологии защиты оборудования от аварий во входной электрической сети; - применение единого ИБП (или нескольких параллельных) является идеальной распределённой нагрузкой для входной электрической сети с высоким cos ф. - повышается надёжность системы в целом (за счёт снижения количества устройств и более высокой отказоустойчивости самого оборудования); - снижается необходимая резервная мощность системы (за счёт малой вероятности одновременного превышения номинального энергопотребления несколькими потребителями - коэффициент пересчёта - 0,7); - наличие у мощных ИБП цепи BYPASS, позволяющей в критические моменты работы (профилактика, ремонт, перегрузка) автоматически или вручную переводить электропитание потребителей прямо от входного энерговвода (основной линии), либо от дополнительного; - комплексная защита оборудования целого здания или его части; - возможность подключения потребителей электроэнергии большой мощности; - увеличение времени автономной работы системы до 24 часов за счёт использования в качестве источника дизель-генератора, работающего совместно с мощным ИБП. Основные недостатки: - необходимость проектирования особой электрической разводки по зданию до конечных потребителей; - необходимость большого специального помещения для ИБП с кондиционированием воздуха для отвода выделяющейся в виде теплоты мощности (-5% от мощности ИБП) и поддержания температуры 15-25 С° для нормальной работы аккумуляторных батарей; - сложность монтажа и ремонта (связанные с большим весом и габаритами ИБП); - требование большой мощности в основном и дополнительном энерговводах.

Распределённая система защиты электропитания осуществляется с помощью ИБП малой и средней мощности (до 6 кВ А) для каждой рабочей станции (один на один) или на 3-10 рабочих станций (кластерная). Благодаря этому создаётся гибкая система, позволяющая легко менять расположение и количество рабочих мест в помещениях и при этом степень индивидуальной защиты оборудования на рабочем месте значительно возрастает, так как электропитание не зависит от соседних устройств. Основные преимущества: - нет необходимости в специальной электрической проводке; - изменение расположения и количества рабочих мест не влечёт, как правило, изменения прокладки электрических кабелей; - равномерное распределение капиталовложений на ИБП по мере роста количества рабочих мест. Основные недостатки: - большая рассредоточенность и количество типов ИБП усложняет их обслуживание. - невысокая перегрузочная способность одного ИБП на рабочем месте. - невысокое качество защиты оборудования от помех и аварий во входной электрической сети. Впрочем, как будет отмечено, существуют такие способы организации системы ЗЭ, которые уменьшают значимость отмеченных недостатков. Комбинированная система защиты электропитания сейчас самая популярная и самая надёжная, включает в себя один или несколько мощных ИБП/дизель-генераторов (питающих всё здание, рабочие станции, системы охраны, пожарной безопасности и др.) и несколько ИБП малой и средней мощности, защищающих особо ответственное и дорогостоящее оборудование (серверы, активное сетевое оборудование, комнаты охраны, видеонаблюдение и т. д.). ПОДСИСТЕМЫ В СИСТЕМЕ ЗЭ Как отмечалось, причина сбоев электропитания может определяться целым рядом факторов. Для устранения и минимизации последствий действия применяются технические решения, соответствующие физике процесса каждого из них, поэтому и реализуются решения различными способами. Это значит, что имеется различное специализированное оборудование, которое имеет свой типоразмер-ный ряд, соответствующий основным количественным параметрам сбоя и параметрам минимизации его последствий.

Существует также комбинированное оборудование, которое, кроме специализации на защите по какому-либо основному сбою, способно в некоторой степени осуществлять защиту и по другому виду сбоя. Разнообразие видов и типов оборудования, предлагаемого для ЗЭ, и комплексное решение проблемы требуют применения системного подхода, а согласование действий оборудования различных типоразмеров реализуется в виде сложного комплекса. Для согласованной работы разнообразного оборудования применяется своя система управления, а для поддержания оборудования в работоспособном состоянии используются вспомогательные системы. Современные средства защиты электропитания представляют собой не механический конгломерат одних ИБП, как это часто понимают, а систему, имеющую, по крайней мере, три внутренние инфраструктурные составляющие. Это функциональная подсистема, состоящая из системообразующих элементов, подсистема управления этими элементами и вспомогательная подсистема, в которую входит оборудование, предназначенное для поддержки работоспособности элементов функциональной подсистемы. Функциональная подсистема Так как основная функция системы ЗЭ — это защита электропитания, то техническое средство, которое обеспечивает выполнение основной функции по одному из сбоев/помех электропитания, является основным оборудованием, т. е. системообразующим элементом функциональной подсистемы.

В качестве основных технических средств можно назвать: - источники бесперебойного питания; - интегрированные системы защиты; - устройства распределения питания и статические переключатели; - магнитные синтезаторы напряжения; - устройства согласования питания, развязывающие трансформаторы и сетевые фильтры. Наиболее часто используемым оборудованием в системах ЗЭ являются источники бесперебойного питания, которые могут быть представлены несколькими конструктивными решениями (в зависимости от принятой технологии защиты оборудования - «offline», «on-line» или «line-interactive». «Off-line» оборудование. В большинстве компьютеров в настоящее время используются источники питания коммутируемого типа, позволяющие выдержать короткие провалы основного питания за счет накопления относительно небольшого количества энергии во встроенных конденсаторах.

Это означает, что допускается использование ИБП типа «off-line», поскольку небольшое время задержки (порядка нескольких миллисекунд) при переходе питания от основной сети на батарею ИБП не является жизненно важным фактором. Используемые главным образом в маломощном конце спектра мощностей ИБП модели типа «off-line» являются простейшими и экономичными. Они обеспечивают частично отфильтрованное сетевое питание нагрузки (что означает отсутствие действительного кондиционирования питания), при этом заряженная батарея остается в резерве. Если значение входного напряжения падает ниже определенного уровня, то встроенный в -ИБП переключатель соединяет батарею с инвертором, преобразующим постоянный ток батареи в переменный, который подается на компьютер. Существует время переключения между основной сетью и батареей, которое может оказывать воздействие на чувствительную нагрузку, однако, большинство ПК способны выдержать задержку в 2-3 миллисекунды, которая необходима, чтобы выработать переменное напряжение. ИБП типа «off-line» являются наилучшим решением для поддержки «некритичных» компьютеров и сетевого оборудования небольшой мощности. «On-line» оборудование.

ИБП, действующие по схеме «on-line», дают уверенность, что перерывов в снабжении электропитанием не будет, даже в случае его отсутствия в сети. Для этого используется технология двойного преобразования питания, которая позволяет непрерывно преобразовывать переменный ток основной сети в постоянный ток (который используется для заряда батареи) прежде, чем через инвертор преобразовать его обратно в переменный ток для питания компьютера. Это гарантирует отсутствие времени переключения при проблемах в основной сети, а также обеспечивает компенсацию «просадок» (снижение напряжения на линии — проблема, с которой не могут справиться системы типа «off-line»). В большинстве случаев питание основной сети пропадает не сразу. По мере падения напряжения «просадка» компенсируется батареей ИБП типа «on-line». Инвертор не обнаруживает различий даже в случае смешения напряжения батареи и постоянного тока, полученного от основной сети. Если полностью прекратилась подача питания от основной сети, вся нагрузка переключается на работу от батареи. Что касается компьютера, то для него не происходит никаких изменений в подаче напряжения и синусоидальный сигнал на выходе постоянно синхронизирован с основной сетью. Еще одна задача, которая может стоять перед ИБП — это взаимодействие с генератором при запуске.

В период запуска и выхода на режим питание переменного тока от генераторной установки может изменяться в широких пределах по частоте и напряжению. Поскольку ИБП технологии «on-line» всегда преобразует переменный ток в постоянный прежде, чем выдать на выход преобразованный «чистый» синусоидальный сигнал, существует возможность «корректировки» качества питания перед подачей его на защищаемый компьютер. Для работы с генераторной установкой ИБП типа «off-line» пришлось бы слишком часто переключаться от батареи на питание от основной сети. Преобразование переменного тока в постоянный позволяет защищать компьютер от практически любой электрической помехи. Это могут быть и «всплески», вызванные грозами, выбросы от генераторов или искажения формы сигнала из-за воздействия включенного в основную сеть питания оборудования. Схемы с реализацией технологии «off-line» обычно используют фильтры для устранения всплесков напряжения, которые фильтруются и сглаживаются, но которые невозможно исключить полностью.

Таким образом, для бесперебойной защиты «критичной» системы от любого рода проблем с электропитанием необходимо использовать ИБП с технологией «on-line», соответствующий конфигурации и размерам компьютерной системы. «Line interactive». Линейно-интерактивные ИБП можно назвать неким гибридом технологий «off-line» и «on-line», которые обеспечивают защиту по питанию плюс так называемое «кондиционирование» питания, подавляющее всплески напряжения и решающее проблему искажения формы сигнала. При нормальной работе основной сети заряд батареи осуществляется от внутреннего зарядного устройства. При пропадании входного напряжения статический переключатель замыкает цепь питания от батареи через инвертор на выход ИБП. Внутренний стабилизатор постоянно отслеживает изменения входного напряжения, осуществляет дополнительную фильтрацию и позволяет избежать переключений при «просадках» и «всплесках» напряжения. Это делает линейно-интерактивные ИБП лучшим решением по сравнению с моделями типа «off-line», а также более экономичными по сравнению с моделями «on-line», когда «кондиционирование» питания не является существенным. Таким образом, при выборе ИБП следует учитывать множество факторов, что требует тщательного анализа условий работы компьютерной системы и возможностей ИБП, сконструированных под разную технологию защиты оборудования.

Интеллектуальная подсистема управления Для эффективного управления работой функционального оборудования и его интеграции в компьютерную систему не только по контуру электропитания, но и по контуру управления создают специальные подсистемы, в которые входят специальное ПО, сетевое и специализированное оборудование. Существуют различные варианты размещения ПО управления (в ИБП, отдельном специализированном устройстве управления, на компьютере). В зависимости от поставленных целей и возможностей физической реализации систем ЗЭ существуют также различные варианты соединения устройств подсистемы управления. При коммуникации ИБП «один на один» с компьютером, используя связи по RS-232, специальное ПО управления в случае сбоя выключит компьютер. При шлейфовом объединении нескольких специализированных устройств управления гарантируется безопасное отключение систем без использования дополнительных ИБП. ПО управления (на компьютере) обеспечивает сбор статистики и управление функциональным оборудованием защиты электропитания, гармонизированное с работой самой компьютерной системы. Кроме того, ИБП могут иметь сетевое исполнение.

Имея встроенный сетевой адаптер (в том числе и SNMP/HTTP интерфейсную карту для связи по сети Ethernet) они становятся полноправными участниками сети. Все функции ПО в подсистеме управления можно разбить на три группы. Мониторинг, в т. ч. сетевой, и уведомление: - полная идентификация сбоев по питанию в реальном масштабе времени и графическое отображение подключенных нагрузок с помощью системного меню и экранов прохождения питания; - интерактивные измерения для определения потенциальной проблемы с питанием; - уведомление персонала через сообщения, передаваемые на пейджер, по электронной почте, с помощью сетевых сообщений или модемной связи; - архивация событий для определения соотношения стоимости питания/потери от сбоев в сети. Управление автоматическим остановом: - безопасное упорядоченное автоматическое отключение операционной системы в критической ситуации; - выполнение командных файлов; - перезагрузка при восстановлении питания; - установка определяемого пользователем графика включения/выключения для обеспечения полной безопасности сети. Управление ИБП: - выполнение функций переключения, когда заряд батареи ИБП достигнет определенного пользователем уровня; - диагностика ИБП и тестирование батареи, запрограммированные пользователем. Таким образом, функциональные возможности подсистемы управления чрезвычайно широки.

Система обеспечивает непрерывный контроль электропитания, состояния оборудования и ИБП, отслеживает пользовательский график подключения/отключения электропитания. Могут передаваться аварийные сообщения пользователям корпоративной сети, предупреждающие о приближающемся отключении, например, сервера. Предусмотрены часы, ведущие отсчет времени, а также возможность выдачи последнего предупреждения перед отключением сервера. Если же ИБП достигает состояния с низким напряжением батареи (или установлено соответствующее расписание), то ПО управления начнет корректную процедуру последовательного упорядоченного автоматического закрытия прикладных программ, ОС и выключения компьютера, обеспечивая целостность данных и автоматическое возвращение к работе в обратном порядке при восстановлении питания или же по расписанию. Когда такие процедуры начинают активироваться в рамках части или всей компьютерной системы, это позволяет в значительной мере нивелировать недостатки, присущие распределённым системам защиты электропитания. Облегчается обслуживание рассредоточенных ИБП, а невысокие перегрузочные способности ИБП могут быть компенсированы своевременными превентивными мерами, учитывающими защитные возможности отдельного оборудования. Применение протокола SNMP/HTTP позволяет персоналу контролировать в Inmarkeranet/Internet-сети состояние питания и быть постоянно в курсе проблем. ПРЕЦИЗИОННОЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА В системах ЗЭ, имеющих большую установленную мощность батарей ИБП, одна из проблем состоит в отводе выделяемого тепла, а надежность функционирования батарей и срок их службы в большой степени зависит от средней рабочей температуры.

Кроме того, для надежной работы телекоммуникационных систем большое значение имеет отвод тепла, которое выделяется электронным оборудованием. Для эффективного отвода тепла необходимо использовать специально сконструированные системы кондиционирования воздуха, которые значительно отличаются от обычных офисных систем, обеспечивающих условия, оптимальные для людей, но не для оборудования. Дело в том, что офисные системы кондиционирования не могут надлежащим образом поддерживать на достаточном уровне влажность в подконтрольном пространстве, что является критическим фактором работоспособности некоторых видов электрооборудования, чувствительных к электростатическому разряду (например, массивы накопителей на магнитных дисках). Более того, офисные системы кондиционирования воздуха изначально не рассчитаны на длительную непрерывную работу в течение нескольких месяцев, особенно летних. Необходимо использовать специальные системы кондиционирования, рассчитанные на длительную непрерывную работу, а потому — энергосберегающие. Для этого используются высокоэффективные компрессоры, для уменьшения загруженности которых применяются специальные методы подачи наружного воздуха.

Кроме того, для некоторых особо ответственных элементов оборудования должно обеспечиваться прецизионное кондиционирование воздуха. При больших объемах подконтрольного пространства и повышенных требованиях к «качеству» воздуха такие системы кондиционирования могут выделяться в самостоятельные узлы, со своими подсистемами управления, которые могут автоматически контролировать правильность функционирования, регистрировать температуру и влажность, автоматически регулировать использование рабочего и резервного оборудования для кондиционирования. НАЗНАЧЕНИЕ И МАСШТАБЫ СИСТЕМ ЗЭ Системы ЗЭ могут применяться в различных областях и разнообразных системах управления промышленного назначения.

Они находят свое применение для тестового, лабораторного, медицинского, навигационного и пр. видов оборудования, а также широко используются в ИТ-индустрии. Системы ЗЭ в состоянии обеспечивать защиту электропитания отдельного компьютера, офиса, здания (заводской цех, коммуникационный узел, банк), группы зданий (заводские цеха, завод, корпоративная система) и даже малых городов (завод, аэропорт) и могут сильно отличаться по своим масштабам. Большое разнообразие условий применения и масштабов систем ЗЭ делает задачу создания таких систем далеко не тривиальной, а защита электропитания в компьютерной системе на самом деле не сводится к покупке более дешевого ИБП, как до недавнего времени считалось. Только комплексное, системное решение задачи позволит учесть индивидуальные особенности динамики характеристик защищаемого электропитания, конкретные возможности физического размещения элементов системы, а также позволит выбрать наилучший вариант из многообразия типов оборудования для ЗЭ и интегрировать всё это. Одним из способов решения сложных технических задач такого рода традиционно считается проектный подход и при разработке систем ЗЭ, как показывает опыт, целесообразно его использовать. Рассмотрим пример. Пусть требуется подключить нагрузку мощностью 160 кВ А к ИБП временем автономной работы от аккумуляторных батарей 30 минут.

Рассмотрим несколько вариантов: (A) Если Заказчика устраивает вариант ИБП в одиночном исполнении и это позволяют размеры помещения для ИБП, то можно установить одиночный модуль серии мощностью 200 кВ -А с батареями на 30 минут автономной работы. (Б) Однако, если характер нагрузки позволяет принять 20%-ный запас ИБП по мощности, то можно предложить вариант с аккумуляторными батареями меньшей ёмкости на 22 минуты автономной работы. Тогда реальное время автономной работы от батарей останется примерно тем же — 30 минут. (B) Если необходимо резервирование, то можно предложить параллельную систему с тремя ИБП мощностью 80 кВ -А каждый. Все предложенные варианты имеет два недостатка: высокую стоимость и габариты. Стоимость такой многомодульной системы и размеры помещения для её установки можно уменьшить следующими способами. (Г) Использованием аккумуляторных батарей в каждом модуле на 20-25 минут автономной работы; (Д) Размещением аккумуляторных батарей меньшей мощности в соседнем помещении с локальной системой кондиционирования воздуха и рабочей температурой 20±3 градусов Цельсия. (Е) Использованием дизель-генераторной установки мощностью 250-300 кВ -А и аккумуляторных батарей минимальной ёмкости и времени автономной работы, например, 5-минутных. Этого достаточно для запуска дизель-генераторной установки с временем автономной работы не менее 8 часов. Этот перечень вариантов, разумеется, не является исчерпывающим. На окончательный вариант проекта могут повлиять и другие факторы, которые приходится учитывать после детального обследования здания/помещения, где планируется установка системы бесперебойного электропитания.

Работа над проектом начинается с получения от заказчика технического задания на установку системы гарантированного бесперебойного питания. Как правило, окончательный вариант несколько отличается от того, что хотел заказчик и связано это с тем, что основные параметры системы (выходная мощность и время автономной работы) приходится увязывать с архитектурой и инфраструктурой здания или помещения. Системы большой мощности и времени автономной работы требуют специального помещения с системой вентиляции/кондиционирования воздуха и размерами, обеспечивающими проведение монтажных, пусконаладочных работ и работ по обслуживанию ИБП. Как видно из приведенных примеров, только при тщательной проработке ТЗ и аккуратной разработке проекта, в котором будут учтены многочисленные, часто противоречивые факторы, можно построить систему ЗЭ, оптимальную по критерию эффективность-стоимость. Нужно отметить, что комплексное решение по ЗЭ не следует понимать в узком смысле слова — только собственно разработка технической документации, учитывающая различные аспекты электросети, защитного оборудования, назначение и масштаб защищаемой компьютерной системы и т. п. В комплексном проекте для сложной системы ЗЭ целесообразно учесть, кроме проектных работ, также монтаж и пусконаладку и, что очень важно, послегарантийное обслуживание в специализированных организациях. НОВАЯ ЖИЗНЬ ИСТОЧНИКОВ ЖИЗНИ Рассмотрев разновидности сбоев электропитания и основные виды ущерба от них, проанализировав структуру, элементы, основные концепции построения систем защиты электропитания, различные технологии защиты оборудования и разнообразные виды оборудования, осуществляющие защиту, а также установив вероятные области применения, возможный масштаб и способ проектирования систем защиты электропитания, можно прийти к следующему выводу. Современное оборудование для систем ЗЭ и способы проектирования таких систем позволяют создавать различные варианты надежных решений по защите электропитания как для отдельного компьютера, так и для крупных компьютерных систем масштаба завода, аэропорта, малого города. Сами системы ЗЭ интегрируются в компьютерные системы на правах одного из системообразующих компонентов компьютерных систем (причем компьютерная система в разных ее частях может быть разнородной по ОС).

При этом в случае необходимости персона5лу доступен локальный, клиент-серверный, дистанционный (e-mail, Web) и мобильный (SMS, pager) двухсторонний интерфейс с подсистемой управления. Появляется возможность автоматически и «интеллектуально» обрабатывать все проблемы, связанные со сбоем электропитания и неполадкам в локальной сети, что позволяет гарантированно управлять процессом сохранения информацией не только на отдельной локальной машине, но и в компьютерной системе в целом, независимо от ее масштабов и территориальной распределенности.