USV-Systemkonfigurationen im Vergleich White Paper Nr. 75

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USV-Systemkonfigurationen
im Vergleich
Kevin McCarthy
White Paper Nr. 75
Zusammenfassung
Es gibt fünf prinzipielle USV-Konzepte für die Versorgung kritischer Lasten in einem Datencenter mit Netzwechselspannung. Der Auswahl der geeigneten Konfigurationen für einen
bestimmten Anwendungszweck hängt von der erforderlichen Verfügbarkeit, der Risikotoleranz, den Lasttypen in einem Datencenter, den Budgets und der vorhandenen Infrastruktur
ab. Nachstehend werden die fünf unterschiedlichen Konfigurationen sowie ihre Vor- und
Nachteile beschrieben. Für jede Konfiguration wird deren Auswirkung auf die Verfügbarkeit
erläutert. Ferner wird Hilfestellung bei der Auswahl der geeigneten Konfiguration gegeben.
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Einleitung
Obwohl die öffentliche Wechselstromversorgung in den meisten industrialisierten Ländern ziemlich zuverlässig ist, zeigen Untersuchungen, dass selbst die besten Wechselstromnetze nicht ausreichen, um kritische,
im Dauerbetrieb laufende Datenverarbeitungssysteme mit der erforderlichen Netzwechselspannung zu versorgen. Die meisten Unternehmen, die mit Stillstandszeiten und Datenverarbeitungsfehlern aufgrund von
Netzspannungsausfällen rechnen müssen, setzen USVen (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) ein, die
zwischen das öffentliche Wechselstromnetz und einsatzkritische Lasten geschaltet werden. Die für eine bestimmte Anwendung gewählte USV-Konfiguration wirkt sich unmittelbar auf die Verfügbarkeit der mit Wechselspannung versorgten IT-Geräte aus. Die Verfügbarkeit eines Systems wird durch eine Vielzahl von Variablen beeinflusst. Hierzu gehören menschliches Versagen, mangelhafte Zuverlässigkeit von Bauelementen,
Wartungspläne und Wiederherstellungszeiten. Die Auswirkungen jeder dieser Variablen auf die Verfügbarkeit eines Systems hängt zu einem Großteil von der gewählten Konfiguration ab.
Im Laufe der Jahre haben viele Entwicklungsingenieure versucht, die perfekte USV für die Stromversorgung
kritischer Lasten zu entwickeln. Diese USVen tragen häufig Bezeichnungen, aus denen nicht ersichtlich ist,
welche Verfügbarkeit durch ihren Einsatz garantiert werden kann. Diese USVen wurden von ihren Entwicklern beziehungsweise Herstellern mit Bezeichnungen wie Parallel Redundant, Isolated Redundant, Distributed Redundant, Hot Tie, Hot Synch, Multiple Parallel Bus, System plus System und Catcher System belegt.
Das Problem mit diesen Bezeichnungen ist, dass aus ihnen nicht eindeutig hervorgeht, welche Funktionen
sie erfüllen. Obwohl es heute auf dem Markt eine Vielzahl unterschiedlicher USV-Konfigurationen gibt,
lassen sich die meisten USVen einer von fünf Hauptkategorien zuordnen. Diese fünf Kategorien sind:
(1) Capacity, (2) Isolated Redundant, (3) Parallel Redundant, (4) Distributed Redundant und (5) System plus
System.
Im vorliegenden Dokument werden diese USV-Konfigurationen sowie deren Vor- und Nachteile beschrieben.
Die jeweils gewählte Systemkonfiguration hängt davon ab, wie kritisch die von der USV versorgte Last ist.
Bei der Auswahl der geeigneten Systemkonfiguration sollten die Auswirkungen von Stillstandszeiten und der
Toleranz des Unternehmens gegenüber Risiken berücksichtigt werden. In diesem Dokument wird auch Hilfestellung bei der Auswahl der geeigneten Konfiguration für eine bestimmte Anwendungen gegeben
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Bereich der Verfügbarkeit und der Kosten
Verfügbarkeit
Das Hauptmotiv für die Entwicklung von USV-Systemen mit immer höherer Funktionalität ist der steigende
Bedarf an Verfügbarkeit von Datencentern. „Verfügbarkeit“ ist der geschätzte Prozentsatz der Zeit, über die
Netzwechselspannung für die Versorgung kritischer Lasten zur Verfügung steht. Die im Anhang dieses Dokuments enthaltene Analyse quantifiziert die Unterschiede hinsichtlich der Verfügbarkeit zwischen den einzelnen, in diesem Dokument beschriebenen Konfigurationen. Wie bei jedem Modell sind auch hier Annahmen notwendig, und die Analyse zu vereinfachen. Aus diesem Grund sind die hier genannten Verfügbarkeitswerte höher als bei realen installierten Systemen. Um einen Vergleich zwischen den fünf tatsächlich
verwendeten USV-Konfigurationen zu ermöglichen, enthält Tabelle 1 eine Wertung der Verfügbarkeit auf der
Basis der im Anhang aufgeführten Resultate. Nach dem Lesen der Beschreibungen der einzelnen Konfigurationen dürfte ersichtlich sein, wie sich die Rangfolge der Konfigurationen ergeben hat.
Ebenen
Alle USV Systeme (und Stromverteiler) müssen regelmäßig gewartet werden. Die Verfügbarkeit eines Systemkonfiguration hängt von ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Geräteausfällen sowie der Möglichkeit zur
Durchführung normaler Wartungsarbeiten und zum Testen bei Aufrechterhaltung der Lastversorgung ab.
Das Uptime Institute hat hierzu eine Studie mit dem Titel „Industry Standard Tier Classifications Define Site
Infrastructure Performance“ veröffentlicht1. Bei den in dieser Studie beschriebenen Ebenen handelt es sich
um die fünf USV-Architekturen, die auch im vorliegenden Dokument behandelt werden und in Tabelle 1 beschrieben sind.
Kosten
Mit zunehmender Verfügbarkeit einer USV-Konfiguration erhöhen sich auch die hiermit verbundenen Kosten. Tabelle 1 enthält eine Aufstellung der ungefähr zu erwartenden Kosten für jede USV-Konfiguration.
Diese Kosten enthalten die Kosten für den Aufbau eines neuen Datencenters und nicht nur die Kosten für
die USV-Architektur, sondern auch für die komplette NCPI (Network-Critical Physical Infrastructure =
netzwerkkritische physische Infrastruktur) des Datencenters. Die NCPI besteht aus Notstromaggregaten,
Schaltanlagen, Kühlsystemen, Brandschutzeinrichtungen, Montageböden, Racks, Beleuchtung, Stellfläche und der Inbetriebnahme des gesamten Systems. Die vorstehend angegebenen Kosten umfassen
ausschließlich Investitionskosten und keine Betriebskosten wie z. B. die Kosten für Wartungsverträge.
Diese Kosten wurden unter Berücksichtigung folgender Faktoren berechnet: einer mittleren Stellfläche
von 2,79 m2 pro Rack und einer Leistungsdichte im Bereich von 2,3 bis 3,8 kW. Die Kosten pro Rack
nehmen mit zunehmender Größe des Gebäudes ab, da eine größere Stellfläche vorhanden ist, auf die
die Kosten verteilt werden können, und mehr Kapital für die Beschaffung zur Verfügung steht.
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Tabelle 1 - Bereich der Verfügbarkeit und der Kosten für USV-Konfigurationen
Konfigurationen
Bereich der
Verfügbarkeit
1
Ebenenkategorie
USV des Typs „Capacity“ (N)
1 = Niedrigste
Ebene I
Isolated Redundant
Parallel Redundant (N+1)
2
3
Ebene II
Distributed Redundant
4
Ebene III
System plus System (2N, 2N+1)
5 = Höchste
Ebene IV
Kostenbereich für
Datencenter
(USD)
USD 13.500 bis
USD 18.000 / Rack
USD 18.000 bis
USD 24.000 / Rack
USD 24.000 bis
USD 30.000 / Rack
USD 36.000 bis
USD 42.000 / Rack
Was bedeutet „N“?
USV-Konfigurationen werden oft unter Verwendung des Buchstabens „N“ in einem algebraischen Ausdruck
bezeichnet. Eine nach dem Prinzip „Parallel Redundant“ arbeitende USV kann auch mit „N+1“ bezeichnet
werden, während für eine USV des Typs „System plus System“ die Bezeichnung „2N“ zutreffend ist. „N“
kennzeichnet die Anforderungen einer kritischen Last. Hiermit wird also die Leistungskapazität bezeichnet,
die erforderlich ist, um die elektrischen Lasten mit Wechselspannung zu versorgen. Anhand von IT-Geräten
wie z. B. RAID-Systemen (Redundant Array of Independent Disks = redundante Anordnung unabhängiger
Festplatten) kann die Bedeutung von „N“ verdeutlicht werden. Wenn beispielsweise 4 Festplattenlaufwerke
benötigt werden und ein RAID-System 4 Festplattenlaufwerke enthält, handelt es sich bei diesem System
um ein „N“-System. Wenn ein RAID-System 5 Festplattenlaufwerke enthält und nur 4 benötigt werden, handelt es sich bei diesem System um ein „N+1“-System.
In der Vergangenheit musste der Leistungsbedarf kritischer Lasten so abgeschätzt werden, dass ein USVSystem mindestens 10 oder 15 Jahre für die Versorgung elektrischer Lasten ausreichte. Das Abschätzen
des zukünftigen Leistungsbedarfs elektrischer Lasten war aus gutem Grund problematisch. In den 90er Jahren wurde das Konzept von „Watt / Stellflächeneinheit“ entwickelt, um eine Basis für Diskussionen und einen
Vergleich von einem Datencenter mit einem anderen herzustellen. Hier kam es jedoch zur Missverständnissen, da man sich nicht auf eine bestimmte Flächeneinheit einigen konnte. In der jüngeren Vergangenheit, in
der sich ein Trend zur Miniaturisierung abzeichnete, wurde das Konzept von „Watt / Stellflächeneinheit“ angewandt, um die Systemkapazität zu erhöhen. Hierbei wurde eine größere Zuverlässigkeit erreicht, da die
Anzahl der Racks auf einer bestimmten Fläche sehr leicht ermittelt werden kann. Unabhängig davon, wie die
Last „N“ definiert wird, muss sie von Anfang an festgelegt werden, um eine vernünftige Systementwicklung
durchführen zu können.
Die heute verfügbaren, skalierbaren und modularen USV-Systeme ermöglichen eine Erweiterung der USVKapazitäten entsprechend dem zunehmenden Leistungsbedarf von IT-Systemen. Weitere Informationen über dieses Thema finden Sie im White Paper Nr. 37 von APC mit dem Titel „Überdimensionierte Datencenter
und Serverraum-Installationen: Kostenvermeidung“.
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USV des Typs „Capacity“ oder „N“-System
Einfach ausgedrückt, besteht ein N-System aus einem einzelnen USV-Modul oder mehreren parallel geschalteten USV-Modulen, deren Kapazität an den zukünftig erwarteten Leistungsbedarf kritischer Lasten angepasst ist. Dieser USV-Typ ist der heutzutage am weitesten verbreitete. Die kleinen USVen, die man unter
vielen Schreibtischen findet, sind N-Systeme. Eine USV mit einer maximalen Ausgangsleistung von 400 kW
in einem Computerraum mit einer Fläche von 465 m2 ist ebenfalls ein N-System, und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine einzelne oder um zwei parallel geschaltete USVen mit Ausgangsleistungen von jeweils 200 kW handelt. Ein N-System erfüllt die Mindestanforderung, eine kritische Last mit Wechselspannung zu versorgen.
Obwohl es sich bei den beiden vorgenannten USV-Typen um N-Systeme handelt, sind die USV-Module unterschiedlich konzipiert. Im Gegensatz zu den erwähnten Büro-USVen enthalten USVen mit größeren Ausgangsleistungen (ca. 20 kW, einphasig) statische Netzspannungsumschalter, die ein sicheres Umschalten
der Last ermöglichen, wenn das USV-Modul nicht mehr einwandfrei arbeitet. Das Kriterium für das Umschalten einer USV mit Hilfe eines statischen Netzspannungsumschalters wird sorgfältig vom Hersteller der USV
gewählt, um die sichere Versorgung der Last mit Wechselspannung sicherzustellen und das USV-Modul vor
Beschädigungen zu schützen. Das folgende Beispiel verdeutlicht eine dieser Schutzmaßnahmen: Bei dreiphasigen USVen werden die Module üblicherweise so ausgelegt, dass sie etwas größere Leistungen als ihre
maximalen Ausgangsleistungen liefern können. Beispielsweise kann für eine USV-Modul angegeben werden, dass dieses 10 min lang eine Ausgangsleistung von 125 % seiner maximalen Ausgangsleistung liefern
kann. Bei einer Belastung eines USV-Moduls mit 125 % seiner maximalen Ausgangsleistung wird ein Zeitgeber gestartet, der das USV-Modul innerhalb der nächsten 10 min abschaltet. Wenn sich die Belastung
nach Ablauf dieser Zeit noch nicht normalisiert hat, überbrückt der interne Netzspannungsumschalter das
USV-Modul und verbindet die Last mit dem öffentlichen Wechselstromnetz. Diese Überbrückung kann in vielen unterschiedlichen Fällen aktiviert werden. Die Umschaltkriterien sind in den technischen Daten jedes
USV-Moduls angegeben.
Ein mögliches Verfahren für die Optimierung eines N-Systems ist, das System für Wartungsbetrieb oder eine
externe Überbrückung auszulegen. Durch externe Überbrückung kann das gesamte USV-System (die Module und der statische Netzspannungsumschalter) sicher für Wartungszwecke abgeschaltet werden, wenn
eine Wartung erforderlich ist. Diese Überbrückung für Wartungszwecke erfolgt vom gleichen Schaltfeld aus,
von dem die USV ihre Netzwechselspannung erhält, sodass diese direkt auf das Ausgangsschaltfeld der
USV durchgeschaltet wird. Dieser Stromkreis ist normalerweise unterbrochen und wird nur geschlossen,
wenn das USV-Modul vom statischen Netzspannungsumschalter überbrückt wird. Bei der Entwicklung von
USV muss eine Möglichkeit vorgesehen werden, um das Schließen des Überbrückungsschalters für Wartungszwecke zu verhindern, wenn die USV nicht vom statischen Netzspannungsumschalter überbrückt wurde. Bei richtiger Systemauslegung übernimmt der Überbrückungsschalter eine wichtige Aufgabe, da er den
sicheren Betrieb eines USV-Moduls gewährleistet, ohne die Last abtrennen zu müssen.
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Die meisten „N“-Systeme, vor allem mit Ausgangsleistungen von weniger als 100 kW, werden installiert,
ohne die Stromverteilung im Gebäude zu modifizieren. Im Allgemeinen werden elektrische Anlagen in Gebäuden so ausgelegt, dass sich eine N-Konfiguration ergibt. In diesem Fall muss eine N-USV lediglich an
das öffentliche Wechselstromnetz angeschlossen werden. Eine häufig verwendete Konfiguration mit einem
einzigen USV-Modul ist in Abbildung 1 zu sehen.
Abb. 1 – USV mit einem einzigen Modul
Wechselstromnetz
Generator
ATS
USV
300 kW
Wartungsumgehung
PDU
LAST
300 kW
Vorteile
•
Einfach und kostengünstig
•
Optimaler Wirkungsgrad, da die USV im Bereich ihrer maximalen Ausgangsleistung arbeitet
•
Höhere Verfügbarkeit als bei direktem Wechselstromnetzbetrieb
•
Bei höherem Leistungsbedarf erweiterbar (mehrere USV-Einheiten können parallel geschaltet
werden). Je nach Hersteller können bis zu acht USV-Module der gleichen Belastbarkeit parallel geschaltet werden.
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Nachteile
•
Beim Ausfall eines USV-Moduls wird die Verfügbarkeit reduziert, da die Last direkt mit dem
öffentlichen Wechselstromnetz verbunden werden muss, sodass Netzspannungsschwankungen unmittelbar auf die Last durchschlagen
•
Während der Durchführung von Wartungsarbeiten an der USV, an Akkus oder an von der
USV versorgten Geräten muss die Last direkt am öffentlichen Wechselstromnetz betrieben
werden; dieser Fall tritt normalerweise einmal pro Jahr auf und dauert ca. 2 bis 4 Stunden
•
Durch fehlende Redundanz wird der Schutz der Lasten vor USV-Ausfällen reduziert
•
Viele Möglichkeiten für einen Ausfall, was bedeutet, dass das System nur so zuverlässig wie
das schwächste Glied in der Kette sein kann
Isolated Redundant
USV des Typs „Isolated Redundant“ werden gelegentlich als „N+1“-Systeme bezeichnet. Sie unterscheiden
sich jedoch erheblich vom Typ „Parallel Redundant“, der ebenfalls als „N+1“-System gilt. USVen des Typs
„Isolated Redundant“ erfordern keine Parallelschaltung und auch nicht, dass alle USV-Module die gleiche
maximale Ausgangsleistung liefern können oder vom gleichen Hersteller stammen. Bei dieser Konfiguration
gibt es ein primäres USV-Modul, dessen Ausgang normalerweise direkt mit der Last verbunden ist. Das sekundäre oder Isolationsmodul ist dagegen mit dem statischen Netzspannungsumschalter des primären USVModuls verbunden. Bei USV-Systemen dieser Konfiguration muss das primäre USV-Modul über einen separaten Eingang für den statischen Netzspannungsumschalter verfügen. Auf diese Weise wird eine vorher
nicht möglich gewesene Redundanzebene erreicht, ohne die bereits vorhandenen USVen ersetzen zu müssen. Abbildung 2 zeigt eine USV des Typs „Isolated Redundant“.
Bei Normalbetrieb versorgt das primäre USV-Modul die kritische Last zu 100 %, während das Isolationsmodul vollkommen unbelastet bleibt. Nach jedem Umschalten der Last auf den Ausgang des primären USVModuls wird die Last nur noch vom Isolationsmodul versorgt. Das Isolationsmodul muss sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass es die Last schnell genug übernehmen kann. Andernfalls wird das
Isolationsmodul überbrückt, sodass der von dieser Konfiguration gebotene Schutz nicht mehr
gewährleistet ist.
Die Wartung eines USV-Moduls wird durch einfaches Umschalten der Last auf ein anderes Modul möglich.
Die Umschaltung für Wartungszwecke ist immer noch eine wichtige Eigenschaft von USV-Systemen, da der
Ausgang immer noch eine einzelne Ausfallmöglichkeit darstellt. Das gesamte System muss pro Jahr circa
zwei bis vier Stunden lang außer Betrieb gesetzt werden, um vorbeugende Wartungsarbeiten auf Systemebene durchführen zu können. Der Gewinn an Zuverlässigkeit aufgrund der Verwendung dieser USVKonfiguration wird häufig durch die Komplexität der Schaltanlage und der zugehörigen Bedienelemente zunichte gemacht.
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Abb. 2 – USV des Typs „Isolated Redundant“
Wechselstromnetz
Generator
ATS
Catcher- Static
USV
Switch
300 kW
Bypass
Static Switch Bypass =
Überbrückung durch
statischen Netzspannungsumschalter
PrimärUSV
300 kW
Static
Switch
Bypass
Wartungsumgehung
PDU
LOAD
300kW
LAST
300 kW
Vorteile
•
Flexible Produktauswahl; die Produkte können gemischt (mit Produkten anderer Hersteller
oder Typen) verwendet werden.
•
Bietet USV-Fehlertoleranz
•
Keine Synchronisation erforderlich
•
Für ein aus zwei Modulen bestehendes System relativ kostengünstig
Nachteile
•
Bei einem Ausfall des statischen Netzspannungsumschalters im primären USV-Modul wird
die Last nicht mit Wechselspannung versorgt.
•
Der statische Netzspannungsumschalter in den beiden USV-Modulen muss einwandfrei funktionieren, damit die Last mit Strömen oberhalb der Belastungsgrenze des Wechselrichters
versorgt werden kann.
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•
Das sekundäre USV-Modul muss in der Lage sein, einen plötzlichen Belastungssprung auszuhalten, wenn das primäre USV-Modul überbrückt wird. (Diese USV wurde im Allgemeinen
über einen längeren Zeitraum ohne Belastung betrieben. Dies ist nicht für alle USV-Module
möglich, sodass die Auswahl des Überbrückungsmoduls kritisch ist.)
•
Komplexe und teure Schaltanlage und zugehörige Bedienelemente
•
Höhere Betriebskosten aufgrund der Nichtbelastung der sekundären USV, die im Leerlauf arbeitet und unnötig Energie verbraucht.
•
Ein aus zwei Modulen (einem primären und einem sekundären) bestehendes USV System
erfordert mindestens einen zusätzlichen Trennschalter, um zwischen dem öffentlichen Wechselstromnetz und dem Ausgang der anderen USV (diese wird überbrückt) umzuschalten.
Diese Konfiguration ist komplexer als ein System, bei dem die Last parallel mit dem Ausgang
einer USV verbunden wird.
•
Zwei oder mehrere primäre USV-Module benötigen eine spezielle Schaltung, um eine Auswahl des Reservemoduls oder des öffentlichen Wechselstromnetzes zu ermöglichen (statische Netzspannungsumschalter).
•
Eine einzige Stromleitung zur Last und somit ein einziger Ausfallpunkt
System des Typs „Parallel Redundant“ („N+1“)
Parallelredundante USV-Systeme tolerieren den Ausfall eines einzelnen USV-Moduls ohne die Notwendigkeit einer Umschaltung der Lasten auf das öffentliche Wechselstromnetz. Die Aufgabe jeder USV besteht
darin, eine kritische Last mit konstanter Wechselspannung konstanter Frequenzen zu versorgen, was auch
bei einem Ausfall des öffentlichen Wechselstromnetzes der Fall sein muss. Da Daten stets verfügbar sein
und verarbeitet werden müssen und bei einer statischen Umschaltung auf das öffentliche Wechselstromnetz
Risiken bestehen, wird eine Überbrückung für Wartungszwecke als ein Vorgang betrachtet, der möglichst
niemals auftreten soll. „N+1“-Systeme müssen über eine Möglichkeit zur statischen Überbrückung verfügen.
Die meisten dieser USV-Systeme können für Wartungszwecke überbrückt werden, da die Last auch in diesem Fall immer noch vom USV-System versorgt werden kann.
Ein parallelredundantes System besteht aus mehreren ausgangsseitig parallel geschalteten USV-Modulen
der gleichen Ausgangsleistung. Ein derartiges System ist „N+1“-redundant, wenn die zusätzliche Ausgangsleistung mindestens der Ausgangsleistung eines USV-Moduls entspricht. Wenn die zusätzliche Ausgangsleistung mit derjenigen von zwei USV-Modulen identisch ist, spricht man von „N+2“-Redundanz usw. Parallelredundante Systeme erfordern USV-Module der gleichen Ausgangsleistung vom gleichen Hersteller. Die
Hersteller von USV-Modulen liefern auch Einrichtungen zum Parallelschalten der Ausgänge. Die Einrichtung
zum Parallelschalten der Ausgänge enthält typischerweise eine Logik für die Kommunikation mit den einzelnen USV-Modulen, die wiederum miteinander kommunizieren, sodass die Ausgangswechselspannung phasensynchron ist. Der parallel geschaltete Ausgang kann mit einer Überwachungsmöglichkeit versehen werden, um die Belastung und die an die Last gelieferte Wechselspannung sowie die von dieser aufgenommenen Ströme zu messen. Ferner muss angezeigt werden, wie viele USA-Module parallel geschaltet sind und
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wie viele notwendig sind, um die Redundanz des Systems aufrechtzuerhalten. Hinsichtlich der Anzahl der
parallel zu schaltenden USV-Module bestehen selbstverständlich Grenzen, die von den Herstellern der USVModule festgelegt werden. Im Normalbetrieb liefert jedes der ausgangsseitig parallel geschalteten USVModule den gleichen Strom an die Last. Wenn der Ausgang eines der USV-Module für Wartungszwecke
vom gemeinsamen Stromkreis abgetrennt wird oder aufgrund eines internen Fehlers automatisch abgetrennt
werden muss, müssen die restlichen USV-Module sofort in der Lage sein, die vom ausgefallenen USVModul gelieferte Ausgangsleistung mit zu übernehmen. Dies ermöglicht es, jedes der USV-Module vom gemeinsamen Stromkreis abzutrennen, ohne dass die damit verbundene kritische Last direkt mit dem öffentlichen Wechselstromnetz verbunden werden muss.
Der Computerraum in unserem Beispiel für ein N-System mit einer Fläche von 465 m2 würde die Installation
von 2 USV-Modulen mit einer Ausgangsleistung von jeweils 400 kW oder von 3 USV-Modulen mit jeweils
200 kW und Parallelschaltung der Ausgänge aller USV-Module erfordern, um Redundanz sicherzustellen.
Der gemeinsame Stromkreis zur Versorgung der Last muss so ausgelegt werden, dass die von der Last benötigten Ströme problemlos transportiert werden können. Ein aus zwei USV-Modulen mit einer Ausgangsleistung von jeweils 400 kW bestehendes System muss also über einen gemeinsamen Stromkreis zur Versorgung der Last verfügen, über den an diese einer Leistung von 400 kW geliefert werden kann.
In einem „N+1“-System besteht die Möglichkeit der Erhöhung der Ausgangsleistung zur Anpassung an
einen steigenden Leistungsbedarf der Last. Ferner muss das System eine Alarmmeldung ausgeben,
wenn die Gesamtbelastung der USV-Module einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Hierdurch
kann – in Anbetracht der langen Lieferzeiten für manche USV-Module – sichergestellt werden, dass ein
neues Redundanzmodul rechtzeitig bestellt werden kann. Je größer die von einem USV-Modul lieferbare
Ausgangsleistung ist, um so länger ist gewöhnlich seine Lieferzeit. Große USV-Module können Tausende
von Kilogramm wiegen, sodass spezielle Vorrichtungen erforderlich sind, um sie an ihren Stellplatz zu
transportieren. Für ein derartiges USV-Modul muss im hierfür vorgesehenen Raum Stellfläche reserviert
werden. Die Installation eines neuen USV-Moduls großer Ausgangsleistung muss sorgfältig geplant werden, da hierbei gewisse Risiken bestehen.
Bei der Auslegung redundanter USV-Systeme muss auch der Systemwirkungsgrad berücksichtigt werden.
Nur geringfügig belastete USV-Module weisen normalerweise einen geringeren Wirkungsgrad als Module
auf, die unter weitgehender Ausschöpfung ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben werden. Tabelle 2
zeigt ein typisches System aus USV-Modulen unterschiedlicher Belastbarkeit, die gemeinsam eine Last von
240 kW mit Wechselspannung versorgen. Wie aus dieser Tabelle ersichtlich, hängt der Systemwirkungsgrad
unter Umständen in hohem Maß von der Belastbarkeit der einzelnen USV-Module ab. Der Wirkungsgrad eines nur geringfügig belasteten USV-Moduls hängt vom jeweiligen Hersteller ab und sollte bei der Auslegung
eines USV-Systems berücksichtigt werden.
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Tabelle 2 – „N+1“-Konfigurationen
Parallel
geschaltete
USV-Module
2 x 240 kW
3 x 120 kW
4 x 80 kW
5 x 60 kW
Einsatzkritische Last
Maximale AusProzentuale
gangsleistung des Auslastung jedes
gesamten USVUSV-Moduls
Systems
240 kW
240 kW
240 kW
240 kW
480 kW
360 kW
320 kW
300 kW
50 %
66 %
75 %
80 %
Abbildung 3 zeigt ein typisches, aus zwei Modulen bestehendes, parallelredundantes USV-System. Aus
dieser Abbildung ist ersichtlich, dass immer noch ein einzelner Ausfallpunkt im gemeinsamen Stromkreis am
Ausgang der USV-Module besteht, obwohl diese Systeme vor Ausfällen durch einen Defekt eines einzelnen
USV-Moduls schützen. Auch hier sollte ein Überbrückungsschalter für Wartungszwecke vorgesehen werden,
um das Abschalten des ausgangsseitigen Stromkreises für Wartungszwecke zu ermöglichen.
Abbildung 3 – Parallelredundante USV-Konfiguration (N+1)
Wechselstromnetz
Generator
ATS
UPS A
300 kW
Primary
UPS
300kW
UPS B
300 kW
Wartungsumgehung
PDU
LAST
300 kW
Vorteile
•
Höhere Verfügbarkeit als bei Systemen mit Auslegung auf maximale Ausgangsleistung,
da die zusätzliche Ausgangsleistung beim Ausfall eines der USV-Module zur Verfügung steht
•
Erweiterbar, um Anforderungen an höhere Ausgangsleistung zu erfüllen. Im gleichen System
können mehrere Einheiten konfiguriert werden
•
Die Hardwarekonfiguration ist konzeptbedingt einfach und kostengünstig.
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Nachteile
•
Die beiden USV-Module müssen vom gleichen Typ und vom gleichen Hersteller sein,
die gleiche Ausgangsleistung liefern können, und hinsichtlich ihres Entwicklungskonzepts
und ihrer Konfiguration identisch sein.
•
Zwischen dem USV-System und dem öffentlichen Wechselstromnetz sowie dem USVSystem und der Last besteht immer noch ein einzelner Ausfallpunkt.
•
Während der Wartung des USV-Systems, der Akkus oder von Geräten zwischen dem Ausgang des USV-Systems und der Last wird diese aus dem öffentlichen Wechselstromnetz gespeist. Wartungsarbeiten finden mindestens einmal pro Jahr statt und dauern normalerweise
2 bis 4 Stunden lang.
•
Geringere Wirkungsgrade, da kein USV-Modul zu 100 % ausgelastet wird
•
Eine einzige Stromleitung zur Last und somit ein einziger Ausfallpunkt
•
Die meisten Hersteller benötigen externe, statische Netzspannungsumschalter, um eine
gleichmäßige Aufteilung der Last auf die beiden USV-Module sicherzustellen. Andernfalls besteht hier eine Asymmetrie von 15 %. Hieraus ergeben sich höhere Kosten und eine höhere
Komplexität des USV-Systems.
•
Die meisten Hersteller benötigen ein gemeinsames, externes Überbrückungsschaltfeld. Hieraus ergeben sich höhere Kosten und eine höhere Komplexität des USV-Systems.
Distributed Redundant
USV des Typs „Distributed Redundant“ werden heute in großen Stückzahlen eingesetzt. Dieser USV-Typ
wurde in den späten 90er Jahren von einer Ingenieurgesellschaft entwickelt, um die Vorteile der vollständigen Redundanz bei geringeren Kosten als bisher zu ermöglichen. Prinzipiell besteht ein derartiges USVSystem aus drei oder mehr USV-Modulen mit separaten Eingängen und Ausgängen. Die unabhängigen
Ausgangsstromkreise werden über mehrere Stromverteilungseinheiten und statische Netzspannungsumschalter mit der kritischen Last verbunden. Zwischen dem öffentlichen Wechselstromnetz und dem Eingang
des USV-Systems unterscheidet sich eine USV des Typs „Distributed Redundant“ nur geringfügig von einer
USV des Typs „System plus System“ (dieser USV-Typ ist im nächsten Abschnitt beschrieben). Diese beiden
USV-Typen ermöglichen die Wartung während des laufenden Betriebs und weisen eine geringere Anzahl
einzelner Ausfallpunkte auf. Der größte Unterschied zwischen diesen beiden USV-Typen ist die unterschiedliche Anzahl der USV-Module, die benötigt werden, um die kritische Last über redundante Stromkreise zu
versorgen, sowie die Organisation der Stromverteilung zwischen dem USV-System und der kritischen Last.
Mit zunehmendem Leistungsbedarf (größer als „N“) verbessern sich bei Verwendung einer geringeren Anzahl von USV-Modulen die Möglichkeiten, Kosten zu sparen.
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Abbildung 4 und 5 zeigen eine 300-kW-Last mit zwei unterschiedlichen Konzepten für USV des Typs
„Distributed Redundant“. Abbildung 4 zeigt ein System mit drei USV-Modulen in der Konfiguration „Distributed Redundant“, das auch als „Catcher-System“ bezeichnet werden könnte. Bei dieser Konfiguration ist das
USV-Modul 3 mit dem sekundären Eingang jedes statischen Netzspannungsumschalters verbunden, sodass
die Last nach einem Ausfall eines primären USV-Moduls „aufgefangen“ werden kann. In diesem CatcherSystem arbeitet das USV-Modul 3 normalerweise im Leerlauf.
Abbildung 4 – Catcher-System in der Konfiguration „Distributed Redundant“
Wechselstromnetz-Stromkreis A
Wechselstromnetz-Stromkreis B
Generator
ATS 1
ATS 2
ATS 3
USV 1
150 kW
USV 2
150 kW
STS 1
STS 2
PDU 1
PDU 2
LAST 1
100 kW
LAST 2
100 kW
USV 3
150 kW
LAST 3
100 kW
Abbildung 5 zeigt ein im Normalbetrieb arbeitendes USV-System des Typs „Distributed Redundant“ mit drei
statischen Netzspannungsumschaltern und gleichmäßiger Lastaufteilung auf die drei USV-Module. Bei einem Ausfall eines dieser drei USV-Module müsste der statische Netzspannungsumschalter die Last auf den
Ausgang eines der beiden anderen USV-Module umschalten.
Hier zeigt sich der Unterschied zwischen der Verteilung des Stroms auf Lasten mit zwei Anschlusspunkten
und auf Lasten mit nur einem einzigen Anschlusspunkt. Die Lasten mit zwei Anschlusspunkten können über
zwei statische Netzspannungsumschalter mit Wechselspannung versorgt werden, während Lasten mit einem
einzigen Anschlusspunkt nur über einen einzigen statischen Netzspannungsumschalter versorgt werden
können. Bei Lasten mit einem einzigen Anschlusspunkt ist der statische Netzspannungsumschalter der einzige Ausfallpunkt. Da in heutigen Datencentern immer weniger Lasten mit einem einzigen Anschlusspunkt
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eingesetzt werden, wird es immer praktischer und weniger kostenaufwändig, mehrere, kleine Netzspannungsumschalter in der Nähe von Lasten mit einem einzigen Anschlusspunkt zu installieren. Wenn ausschließlich Lasten mit zwei separaten Anschlusspunkten verwendet werden, ist der Einsatz statischer Netzspannungsumschalter nicht erforderlich.
Abbildung 5 – USV des Typs „Distributed Redundant“
Wechselstromnetz-Stromkreis A
Wechselstromnetz-Stromkreis B
Generator
ATS 1
ATS 2
ATS 3
USV 1
150 kW
USV 2
150 kW
USV 3
150 kW
STS 1
STS 2
STS 3
PDU 1
PDU 2
PDU 3
LAST 1
60 kW
LAST 2
60 kW
LAST 3
60 kW
LAST 4
60 kW
LAST 5
60 kW
USVen des Typs „Distributed Redundant“ werden normalerweise für den Einsatz in großen, komplexen Installationen verwendet, wo die Durchführung von Wartungsarbeiten während des laufenden Betriebs notwendig ist und viele oder die meisten Lasten nur über einen einzigen Anschlusspunkt verfügen. Diese Konfigurationen profitieren auch davon, dass Einsparungen von mehr als „2N“ möglich sind. Der verstärkte Einsatz von USVen des Typs „Distributed Redundant“ ist auch auf folgende Faktoren zurückzuführen:
Gleichzeitige Wartung – Die Möglichkeit, jede einzelne Komponente oder auch mehrere Komponenten eines
derartigen USV-Systems für Wartungs- oder Testzwecke abschalten zu können, erfordert, dass die Last auf
direkte Verbindung mit dem öffentlichen Wechselstromnetz geschaltet werden kann.
Einzelner Ausfallpunkt – Ein Element des Stromverteilungssystems, das zu einem Ausfall führt, wenn eine
Überbrückung nicht vorgesehen ist. Ein N-System besteht im Wesentlichen aus mehreren Ausfallpunkten.
Redundanz bedeutet, diese Ausfallpunkte zu eliminieren.
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Statischer Netzspannungsumschalter – Ein statischer Netzspannungsumschalter verfügt über zwei Eingänge und einen Ausgang. Typischerweise sind die beiden Eingänge eines statischen Netzspannungsumschalters mit den Ausgängen zweier USV-Systeme verbunden, während der Ausgang des statischen Netzspannungsumschalters die Last mit aufbereiteter Wechselspannung versorgt. Nach einem Ausfall einer eingangsseitigen USV schaltet der statische Netzspannungsumschalter die Last auf den Ausgang der
zweiten USV um, was innerhalb von 4 ms geschieht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Last stets mit
aufbereiteter Wechselspannung versorgt wird. Diese Technologie wurde in den frühen 90er Jahren entwickelt. Sie wird häufig in Systemen des Typs „Distributed Redundant“ angewandt.
Die primäre Schwäche dieses Konzepts ist die Verwendung statischer Netzspannungsumschalter. Diese
Geräte sind sehr komplex und weisen einige unerwartete Fehlerarten auf, wovon sich die ungünstigste auf
einen Kurzschluss der beiden Eingänge bezieht. In einem solchen Fall kann der statische Netzspannungsumschalter zu einem einzelnen Ausfallpunkt werden, da er bewirken kann, dass die beiden USVen gleichzeitig keine Wechselspannung mehr an die Last liefern. Durch den Ausfall eines statischen Netzspannungsumschalters kann sich der Ausfall in Richtung zum öffentlichen Wechselstromnetz fortpflanzen und das gesamte System lahm legen. Aus diesem Grund bietet das im folgenden Abschnitt beschriebene Konzept „System
plus System“ prinzipiell eine höhere Verfügbarkeit, was insbesondere dann der Fall ist, wenn die Lasten über
zwei verschiedene Anschlusspunkte verfügen.
Statische Netzspannungsumschalter können auf viele unterschiedliche Arten konfiguriert werden. Hier
müssen auch mehrere Kategorien der Zuverlässigkeit statischer Netzspannungsumschalter berücksichtigt
werden. Bei dieser Konfiguration ist der statische Netzspannungsumschalter der Stromverteilungseinheit
auf der 480-V-Seite vorgeschaltet. Dies ist eine allgemein verwendete Konfiguration. Viele Ingenieure
sind zu Recht der Überzeugung, dass die Zuverlässigkeit erhöht werden kann, wenn der statische Netzspannungsumschalter auf der 208-V-Seite der beiden Stromverteilungseinheiten platziert wird. Bei dieser
Konfiguration ergeben sich erheblich höhere Kosten als bei Verwendung eines statischen 480-VNetzspannungsumschalters. Weitere Informationen hierzu finden Sie im White Paper Nr. 48 von APC mit
dem Titel „Vergleichen der Verfügbarkeit verschiedener redundanter Stromversorgungskonfigurationen
für Racks“.
Lasten mit einem einzigen Anschlusspunkt – Wenn in einem Datencenter ausschließlich Geräte mit einfachem Wechselstromanschluss verwendet werden, muss jedes dieser Geräte über einen eigenen statischen Netzspannungsumschalter oder einen in einem Rack untergebrachten Netzspannungsumschalter
versorgt werden. Eine Voraussetzung für hohe Verfügbarkeit in redundanten Systemen gemäß dem
White Paper Nr. 48 von APC ist, dass der Netzspannungsumschalter näher an der Last installiert wird. Die
Versorgung Hunderter von Geräten mit einfachem Wechselstromanschluss über einen einzigen statischen
Netzspannungsumschalter stellt ein erhöhtes Sicherheitsrisiko dar. Dieses Risiko kann durch Installieren
mehrerer kleiner Netzspannungsumschalter verringert werden, wobei jeder davon eine geringere Anzahl von
Lasten mit Wechselspannung versorgt. Zusätzlich weisen verteilt installierte Netzspannungsumschalter in
Racks keine Fehlerarten auf, durch die Ausfälle in Richtung des öffentlichen Wechselstromnetzes zu mehreren USV-System hin propagiert werden, wie dies beim Einsatz großer statischer Netzspannungsumschalter
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der Fall ist. Aus diesem Grund werden Netzspannungsumschalter in Racks in zunehmendem Maße eingesetzt, was vor allem dann der Fall ist, wenn nur ein Teil der Lasten über einen einzigen Anschlusspunkt verfügt. Im White Paper Nr. 62 von APC mit dem Titel „Spannungsversorgung von Geräten mit einfachem
Wechselstromnetzanschluss in Umgebungen mit doppelt ausgeführten Stromkreisen“ werden die Unterschiede zwischen statischen Netzspannungsumschaltern und Netzspannungsumschaltern für Rackmontage
detailliert beschrieben.
Lasten mit zwei Anschlusspunkten – Lasten mit Anschlusspunkten werden mehr und mehr zur Norm, weshalb statische Netzspannungsumschalter immer seltener eingesetzt werden müssen. Die Lasten können einfach mit dem Ausgang zweier separater Stromverteilungseinheiten verbunden werden, die wiederum von
separaten USV-Systemen gespeist werden.
Synchronisieren mehrerer Netzspannungsquellen – Wenn in einem Datencenter statische Netzspannungsumschalter eingesetzt werden, müssen die beiden vorgeschalteten USVen synchronisiert werden. Ohne
Synchronisation kann es passieren, dass die von den USV-Modulen gelieferten Wechselspannungen nicht
phasensynchron sind, was vor allem dann gilt, wenn die USV-Module mit Akkustrom laufen.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, eine Synchronisationseinheit zwischen den beiden USVSystemen zu installieren, um deren Ausgangswechselspannungen miteinander zu synchronisieren. Dies ist
besonders wichtig, wenn die USV-Module nicht mehr von der Netzwechselspannung, sondern von ihren Akkus versorgt werden. Die Synchronisationseinheit stellt sicher, dass alle USV-Systeme jederzeit miteinander
synchronisiert sind, sodass die gelieferten Wechselspannungen bei einem Umschaltvorgang durch einen
statischen Netzspannungsumschalter stets absolut phasengleich sind. Hierdurch kann eine Beschädigung
nachgeschalteter Geräte vermieden werden. Selbstverständlich ermöglicht der Einsatz einer Synchronisationseinheit zwischen unabhängigen USV-Systemen einen gemeinsamen Ausfall oder einen Ausfall, durch
den alle USV-Systeme nicht mehr funktionsfähig sind.
Vorteile
•
Ermöglicht die gleichzeitige Wartung aller Komponenten, sofern sämtliche Lasten über zwei
Anschlusspunkte verfügen.
•
Im Vergleich mit „2(N+1)“-Konfigurationen sind aufgrund einer geringeren Anzahl von USVModulen Kosteneinsparungen möglich.
•
Zwei separate Stromkreise von jeder mit zwei Anschlusspunkten versehenen Last
ermöglichen die Herstellung einer Redundanz unmittelbar hinter dem öffentlichen
Wechselstromnetz.
•
USV-Module, Schaltanlagen und andere Stromverteilungseinheiten können gewartet werden,
ohne die Lasten direkt mit dem öffentlichen Wechselstromnetz verbinden zu müssen, wodurch die Last mit nicht aufbereiteter Wechselspannung versorgt werden müsste. Viele USVSysteme des Typs „Distributed Redundant“ bieten keine Möglichkeit zur Überbrückung für
Wartungszwecke.
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Nachteile
•
Eine relativ kostenaufwändige Lösung aufgrund des Einsatzes teurer Schaltanlagen im Vergleich mit den vorher besprochenen Konfigurationen.
•
Das Entwicklungskonzept basiert auf dem fehlerfreien Betrieb statischer Netzspannungsumschalter, die einzelne Ausfallpunkte darstellen und komplexe Fehlerarten aufweisen.
•
Komplexe Konfiguration; in großen Systemen mit vielen USV-Modulen, statischen Netzspannungsumschaltern und Stromverteilungseinheiten kann es problematisch werden, die einzelnen Einheiten gleichmäßig zu belasten und zu wissen, welches System zu welchem Zeitpunkt
welche Last mit Wechselspannung versorgt.
•
Unerwartete Betriebsarten: Das System bietet eine Vielzahl von Betriebsarten und ebenfalls
viele mögliche Umschaltvorgänge. Alle diese Betriebsarten können nur mit Schwierigkeiten
unter Berücksichtigung möglicher Fehlerbedingungen geprüft werden. Der korrekte Betrieb
unter Anwendung der Steuerungsstrategien und der Einheiten zum Zurücksetzen von Fehlerzuständen kann ebenfalls nicht auf einfache Weise verifiziert werden.
•
Aufgrund zu geringer Belastung der USV muss mit einem geringeren Wirkungsgrad dieser
Einheiten gerechnet werden.
USV des Typs „System plus System Redundant“
Diese Konfiguration wird auch mit den Begriffen System plus System, Multiple Parallel Bus, Double-Ended,
2(N+1), 2N+2, [(N+1) + (N+1)] und 2N bezeichnet. Bei Verwendung von USVen dieses Typs können Systeme konfiguriert werden, bei denen die Lasten niemals direkt mit dem öffentlichen Wechselstromnetz verbunden werden müssen. Diese Systeme können so ausgelegt werden, dass jeder einzelne Ausfallpunkt eliminiert werden kann. Je mehr einzelne Ausfallpunkte eliminiert werden, umso teurer wird die Implementierung
dieser Konfiguration. Die meisten USV-Systeme des Typs „System plus System“ mit hoher Ausgangsleistung werden in separaten, speziell hierfür vorgesehenen Gebäuden installiert. In diesen Fällen ist es nicht
ungewöhnlich, dass die Größe eines derartigen Gebäudes (mit USV, Akkus, Kühlaggregaten, Notstromaggregaten, Anschlüssen an das öffentliche Wechselstromnetz und Räumen für die Stromverteilung) die Größe eines Datencenters erreicht.
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Eine derartige Konfiguration stellt die zuverlässigste, aber auch die teuerste Lösung dar. Je nach der Vision der Planungsverantwortlichen und den Anforderungen des Betreibers kann eine derartige Konfiguration
sehr einfach oder sehr komplex sein. Obwohl diese Konfiguration mit einem bestimmten Begriff bezeichnet wird, können sich die einzelnen Implementierungen stark voneinander unterscheiden, was wiederum von der Vision der Planungsverantwortlichen abhängt. Die „2(N+1)“-Variante dieser Konfiguration
(siehe Abbildung 6) stellt ein Duplikat parallelredundanter USV-Systeme dar. Optimal wäre eine Versorgung dieser USV-Systeme über separate Schaltanlagen, unter Umständen sogar aus Wechselstromnetzen
separater Energieversorgungsunternehmen und möglicherweise durch separate Notstromaggregate. Die extrem hohen Kosten einer Implementierung dieser Art von USV-Systemen konnten bereits durch die höhere
Sicherheit der Verfügbarkeit eines Datencenters und die Vermeidung von Kosten bei einem Ausfall desselben gerechtfertigt werden. Viele der weltgrößten Organisationen haben eine derartige Konfiguration gewählt,
um ihre kritischen Lasten zu schützen.
Abbildung 6 – „2(N+1)“-Konfiguration eines USV-Systems
Wechselstromnetz
Wechselstromnetz
Generator
Generator
ATS
USV 1A
300 kW
ATS
USV 1B
300 kW
PDU 1
LAST 1
100 kW
USV 2A
300 kW
RACK-ATS
LAST 2
100 kW
USV 2B
300 kW
PDU 2
LAST 3
100 kW
Die Kosten für eine derartige Konfiguration werden dadurch beeinflusst, inwieweit die Planungsverantwortlichen
bei der Duplizierung von Systemkomponenten gehen, um die Anforderungen des Betreibers zu erfüllen. Das
prinzipielle Konzept hinter dieser Konfiguration berücksichtigt, dass jede einzelne elektrische Komponente ausfallen kann oder manuell abgeschaltet werden muss, wobei sicherzustellen ist, dass die kritische Last nicht direkt mit dem öffentlichen Wechselstromnetz verbunden werden muss. In „2(N+1)“-Konfigurationen werden im
Allgemeinen Überbrückungsschalter verwendet, wodurch es möglich wird, Teile des Systems abzuschalten und
durch eine alternative Netzspannungsquelle zu ersetzen, sodass die Redundanz des Gesamtsystems erhalten
bleibt. Ein Beispiel hierfür zeigt Abbildung 6: Die Verbindung zwischen den Eingangsschaltfeldern der USV2004 American Power Conversion. Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Publikation darf ohne schriftliche Erlaubnis des CopyrightEigentümers verwendet, reproduziert, fotokopiert, übertragen oder in irgendeinem System zum Abrufen von Daten gespeichert werden.
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Einheiten ermöglicht das Trennen eines Eingangs vom öffentlichen Wechselstromnetz ohne Abschalten eines
der USV-Systeme. In einer „2(N+1)“-Konfiguration resultiert die Auswahl eines einzigen USV-Moduls darin,
dass dieses abgeschaltet wird und die ihm parallel geschalteten USV-Module die zusätzliche Last übernehmen.
In diesem Beispiel (siehe Abbildung 6) beträgt die kritische Last 300 kW, sodass das gesamte System aus
vier USV-Modulen mit einer maximalen Ausgangsleistung von jeweils 300 kW bestehen muss, wobei die
Ausgänge von zwei USV-Modulen mit zwei gemeinsamen Stromkreisen parallel geschaltet werden müssen.
Jeder dieser gemeinsamen Stromkreise ist mit nachgeschalteten Stromverteilungseinheiten verbunden, sodass Lasten mit zwei Anschlusspunkten direkt mit Wechselspannung versorgt werden können. Die Last mit
einem einzigen Anschlusspunkt gemäß Abbildung 6 verdeutlicht, wie ein Netzspannungsumschalter für Redundanz nahe an der Last sorgen kann. Stromversorgungsarchitekturen der Ebene IV erfordern jedoch, das
alle Lasten über zwei separate Anschlusspunkte verfügen.
Unternehmen, die USV-Konfigurationen des Typs „System plus System“ einsetzen, legen im Allgemeinen
mehr Wert auf hohe Verfügbarkeit als auf niedrige Kosten. Diese Unternehmen setzen normalerweise auch
eine Vielzahl von Geräten mit doppeltem Wechselstromanschluss ein. Zusätzlich zu den bereits im Zusammenhang mit USV-Konfigurationen des Typs „Distributed Redundant“ diskutierten Faktoren sind folgende
Faktoren zu berücksichtigen:
Absicherung gegen Katastrophen – Hierunter ist zu verstehen, dass ein System und ein Gebäude so ausgelegt werden müssen, dass sie auch Naturkatastrophen überstehen können und dass die in elektrischen Systemen möglichen, sich fortpflanzenden Defekte den Betrieb des Systems nicht beeinträchtigen können. Die
Fähigkeit, einen Ausfall zu isolieren und seine Auswirkungen zu begrenzen; beispielsweise würde man die
beiden USV-Systeme nicht in demselben Raum und die Akkus ebenfalls separat installieren. Bei diesen Systemen wird die Koordination der Trennschalter problematisch. Eine einwandfreie Koordination von Trennschaltern kann sicherstellen, dass sich Kurzschlüsse nur räumlich begrenzt auswirken.
Die Absicherung eines Gebäudes kann auch bedeuten, dieses je nach den lokalen Gegebenheiten gegenüber Naturkatastrophen wie Wirbelstürmen und Hochwasser zu schützen. Beispielsweise sollten Gebäude
nicht in der Nähe ausgewiesener Hochwassergebiete und nicht unter Flugschneisen errichtet werden.
Eine weitere Absicherung ist möglich, indem die Wanddicke verstärkt wird und keine Fenster vorgesehen
werden.
Statischer Netzspannungsumschalter – Seit der Einführung von IT-Geräten mit zwei separaten Wechselstromanschlüssen kann auf den Einsatz statischer Netzspannungsumschalter mit ihren unerwünschten Ausfallarten verzichtet werden, wodurch die Verfügbarkeit erheblich verbessert werden kann.
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Lasten mit einem einzigen Anschlusspunkt – Um die Vorteile der Redundanz von USV-Konfigurationen des
Typs „System plus System“ in vollem Umfang nutzen zu können, sollten Lasten, die nur über einen einzigen
Anschlusspunkt verfügen, mit Netzspannungsumschaltern im gleichen Rack verbunden werden. Die sich
hieraus ergebenden Vorteile sind im White Paper Nr. 48 von APC mit dem Titel „Vergleichen der Verfügbarkeit verschiedener redundanter Stromversorgungskonfigurationen für Racks“ beschrieben.
Vorteile
•
Zwei separate Stromkreise eliminieren einen einzelnen Ausfallpunkt, wodurch sich eine hervorragende Fehlertoleranz ergibt.
•
Diese Konfiguration bietet eine vollständige Redundanz zwischen der Verbindung mit dem öffentlichen Wechselstromnetz und den kritischen Lasten.
•
Bei „2(N+1)“-Konfigurationen ist immer noch eine USV-Redundanz gewährleistet, auch wenn
im laufenden Betrieb Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
•
USV-Module, Schaltanlagen und andere Stromverteilungseinheiten können gewartet werden,
ohne die Lasten direkt mit dem öffentlichen Wechselstromnetz verbinden zu müssen, wodurch die Last mit nicht aufbereiteter Wechselspannung versorgt werden müsste.
•
Bei Verwendung dieser Systeme kann eine gleichmäßigere Lastaufteilung erfolgen; ferner ist
stets bekannt, welche Systeme welche Lasten mit Wechselspannung versorgen.
Nachteile
•
Maximale Kosten aufgrund der Verwendung einer Vielzahl redundanter Komponenten.
•
Aufgrund zu geringer Belastung der USV muss mit geringem Wirkungsgrad dieser Einheiten
gerechnet werden.
•
Gewöhnliche Gebäude eignen sich nicht sehr gut für die Installation besonders hoch verfügbarer USV-Systeme des Typs „System plus System“, bei denen eine räumliche Trennung redundanter Komponenten erforderlich ist.
Auswahl der geeigneten Konfiguration
Wie kann ein Unternehmen die für seine Anwendung geeignete Konfiguration bestimmen? Hier sind erneut
die folgenden Faktoren zu berücksichtigen:
•
Kosten und Auswirkungen von Systemausfällen – Wie viel Kapital fließt pro Minute durch das
Unternehmen, und wie lang wird es dauern, bis ein System nach einem Ausfall wiederhergestellt ist? Der Antwort auf diese Frage hilft dabei, die ungefähre Budgetgröße zu ermitteln.
Wenn durch ein Unternehmen pro Minute USD 10.000.000 fließen, ergeben sich vollkommen
andere Gesichtspunkte als bei einem Unternehmen, bei dem der Kapitalfluss nur
USD 1.000.000 pro Stunde beträgt.
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•
Risikotoleranz – Unternehmen, die noch nie einen gravierenden Systemausfall verschmerzen
mussten, sind normalerweise erheblich risikotoleranter als andere Unternehmen. Hier besteht
die Chance, dass Unternehmen von anderen Unternehmen ihrer Branche lernen können.
Dieser Prozess wird als „Benchmarking“ (Ermitteln von Leistungsmessdaten) bezeichnet und
kann auf unterschiedliche Arten abgewickelt werden. Je weniger risikotolerant ein Unternehmen ist, umso größer muss der Aufwand sein, eine höhere Zuverlässigkeit des Geschäftsbetriebs und eine wirksame Wiederherstellung nach einem Notfall sicherzustellen.
•
Anforderungen an die Verfügbarkeit – Wie viele Ausfallstunden kann ein Unternehmen während eines typischen Jahres verkraften? Wenn die Antwort „Gar keine“ lautet, muss eine Entscheidung zu Gunsten eines Systems höchster Verfügbarkeit getroffen werden, wofür auch
ein entsprechendes Budget vorhanden sein muss. Wenn ein Unternehmen dagegen in der
Lage ist, seine Systeme jeden Abend nach 22 Uhr und an den meisten Wochenenden abzuschalten, genügt in den meisten Fällen eine USV-Konfiguration des Typs „Parallel
Redundant“. Jede USV muss irgendwann einmal gewartet werden. USV-Systeme fallen immer wieder einmal aus, und dies meistens, ohne dass sich der Ausfallzeitpunkt ankündigt.
Je weniger Zeit pro Jahr für die Durchführung von Wartungsarbeiten zur Verfügung steht,
umso höher muss der Grad der Redundanz des Systems sein.
•
Lasttypen (Lasten mit einfachem oder doppeltem Wechselstromanschluss) – Lasten mit zwei
Anschlusspunkten bieten generell Redundanz, allerdings wurde das Konzept „System plus
System“ entwickelt, bevor IT-Geräte mit doppeltem Wechselstromanschluss zur Verfügung
standen. Die Entwicklung von IT-Geräten mit zwei Wechselstromanschlüssen wurde in hohem Maß durch die Anforderungen der Kunden beeinflusst. Die Entwicklung von Systemkonfigurationen hängt von der Art der Lasten in einem Datencenter ab, wobei jedoch die vorgenannten Faktoren eine größere Rolle spielen.
•
Budget – Die Kosten für die Implementierung einer „2(N+1)“-Konfiguration sind in jeder Beziehung erheblich höher als beim Einsatz von USV des Typs „Capacity“, des Typs „Parallel
Redundant“ oder gar des Typs „Distributed Redundant“. Um die Kostendifferenzen bei einem
großen Datencenter zu zeigen, soll angemerkt werden, dass eine „2(N+1)“-Konfiguration unter Umständen 30 USV-Module mit einer Ausgangsleistung von jeweils 800 kW erfordert, wobei die Ausgänge von jeweils 5 USV-Modulen parallel geschaltet werden und 6 parallele
Stromkreise vorhanden sind. Eine Konfiguration des Typs „Distributed Redundant“ für dasselbe Datencenter würde nur 18 USV-Module mit einer Ausgangsleistung von jeweils 800 kW
erfordern, wodurch sich erhebliche Kosteneinsparungen realisieren lassen.
Das Flussdiagramm in Abbildung 7 gibt eine Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten USV-Systems für
eine bestimmte Anwendung. Bei Konfigurationen ohne oder mit nur geringfügiger Redundanz von Komponenten muss mit längeren Stillstandszeiten für Wartungszwecke gerechnet werden. Wenn diese Stillstandszeiten
nicht akzeptiert werden können, muss eine Konfiguration vorgesehen werden, bei der Wartungsarbeiten während des laufenden Betriebs durchgeführt werden können. Durch Beantwortung der Fragen im Flussdiagramm
kann das geeignete System identifiziert werden.
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Abbildung 7 – Entscheidungsbaum für die Auswahl der geeigneten Systemkonfiguration
Ist für Ihr U nternehm en eine
A bschaltzeit für W artungszw ecke
von 12 S tunden pro H albjahr oder
von 24 S tunden pro Jahr
akzeptabel?
N E IN
JA
K apazität oder „N “-S ystem
Ist für Ihr U nternehm en eine
A bschaltzeit für W artungszw ecke
von 12 S tunden pro Jahr
akzeptabel?
JA
N E IN
P arallelredundantes oder
„N +1“-S ystem
N E IN
S ystem plus S ystem : 2N
B enötigt Ihr U nternehm en w ährend
der D urchführung von
W artungsarbeiten volle R edundanz?
JA
S ystem plus S ystem : 2(N + 1)
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Ergebnisse
Der erfolgreiche Betrieb von Datencentern hängt in hohem Maß von der Infrastruktur der Wechselspannungsversorgung ab. Hierfür sind unterschiedliche USV-Konfigurationen möglich, die alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweisen. Bei Verständnis der Anforderungen eines Unternehmens an die Verfügbarkeit, der Risikotoleranz und der Höhe des vorhandenen Budgets dürfte die Auswahl der geeigneten
Systemkonfiguration möglich sein. Wie im Analyseteil des vorliegenden Dokuments verdeutlicht, bieten
„2(N+1)“-Architekturen, bei denen Lasten mit doppelten Anschlusspunkten direkt von den Ausgängen der
USV-Module gespeist werden, die höchste Verfügbarkeit und Redundanz, indem einzelne Ausfallpunkte eliminiert werden.
Über den Autor:
Kevin McCarthy ist Senior Technology Consultant bei APC und arbeitet innerhalb eines Außendienstteams
von Ingenieuren. McCarthy hat sein Studium der Elektrotechnik mit dem Nebenfach Informatik an der Ohio
State University im Jahre 1984 abgeschlossen. Bis heute hat er 17 Jahre lang die elektrischen Infrastrukturen von Datencentern entwickelt. Im Rahmen eines seiner letzten Projekte arbeitete er für EYP Mission Critical, wo er Managing Partner des Büros in Washington, D.C., war. McCarthy veröffentlichte eine Vielzahl von
Artikeln in bedeutenden Fachzeitschriften und hielt Vorträge bei 7X24-Konferenzen und zu anderen
Anlässen.
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Anhang – Verfügbarkeitsanalyse
Eine Verfügbarkeitsanalyse wird durchgeführt, um die Verfügbarkeitsdifferenzen zwischen den fünf in diesem Dokument vorgestellten Konfigurationen zu ermitteln. Die Einzelheiten der Analyse sind nachstehend
beschrieben.
Der Lösungsansatz der Verfügbarkeitsanalyse
Das Availability Science Center von APC verwendet einen integrierten Lösungsansatz für die Verfügbarkeitsanalyse, um die Ebene der Verfügbarkeit zu berechnen. Diese Herangehensweise umfasst die Erstellung eines RBD (Reliability Block Diagram = Zuverlässigkeitsblockschaltbild) und eine Zustandsraummodellierung zur Verdeutlichung der Verfügbarkeit elektrischer Leistung am Ausgang dieser fünf Systemkonfigurationen. RBDs werden verwendet, um Teilsysteme der Architektur darzustellen, während Zustandsraumdiagramme – die auch als Markov-Diagramme bezeichnet werden – die verschiedenen Zustände anzeigen, die
eine elektrische Installation einnehmen kann. Wenn die Netzwechselspannung ausfällt, schaltet die USV
beispielsweise auf Akkubetrieb um. Alle Daten für die Analyse stammen von anerkannten Organisationen
wie der IEEE oder der RAC. Die statistischen Verfügbarkeitsebenen gründen sich auf unabhängig überprüfte
Voraussetzungen.
Prof. Dr. Joanne Bechta Dugan von der University of Virginia:
„[Ich] schätze diese Analyse als glaubwürdig und methodologisch korrekt ein. Die Verwendung von RBDs
und Markov-Modellen ist ein hervorragender Ansatz, der die Flexibilität und Genauigkeit der Markov-Modelle
mit der Einfachheit der RBDs kombiniert.“
In der Analyse verwendete Daten
Die meisten Daten für die Modellierung der Komponenten stammen von dritter Seite. In der Analyse wurden
die folgenden Schlüsselkomponenten verwendet.
1.
Anschlüsse
2.
Trennschalter
3.
USV-Systeme
4.
Stromverteilungseinheiten (PDUs)
5.
Statische Netzspannungsumschalter (STS)
6.
Generatoren
7.
ATS
Die Stromverteilungseinheit wird in drei grundlegende Unterkomponenten aufgeteilt: Trennschalter, Abwärtstransformator und Anschlüsse. Bei der Auswertung des Schaltfeldes wird davon ausgegangen, dass diese
einen Haupttrennschalter, einen Zweigtrennschalter und Anschlüsse enthält, die sämtlich in Reihe geschaltet
sind.
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Annahmen für die Analyse
Der Leser sollte versuchen, die Verfügbarkeitswerte der fünf Konfigurationen richtig zu interpretieren.
Um eine Verfügbarkeitsanalyse komplexer Systeme durchführen zu können, müssen bestimmte Annahmen
gemacht werden, die eine Vereinfachung der Analyse ermöglichen. Die hier dargestellten Verfügbarkeitswerte sind aus diesem Grund höher als die bei tatsächlichen Anlagen zu erwartenden Werte. In Tabelle A1 sind
die in dieser Analyse verwendeten grundlegenden Annahmen zusammengestellt.
Tabelle A1 – Annahmen für die Analyse
Annahme
Beschreibung
Ausfallhäufigkeiten von
Komponenten
Alle in die Analyse einbezogenen Komponenten weisen eine konstante Ausfallhäufigkeit auf.
Dies ist die beste Annahme, vorausgesetzt, dass die Geräte nur während ihrer vorgesehenen
Lebensdauer eingesetzt werden. Wenn Produkte über ihre voraussichtliche Lebensdauer
hinaus eingesetzt werden, sollte eine Nichtlinearität der Ausfallhäufigkeit angenommen
werden.
Es wird vorausgesetzt, dass für n Komponenten in Reihe n Wartungstechniker zur Verfügung
stehen.
Es wird vorausgesetzt, dass alle Komponenten des Systems in Betrieb bleiben, während
ausgefallene Komponenten instand gesetzt werden.
Diese Modelle gehen von der Konstruktion der beschriebenen Architekturen nach den in der
Branche üblichen Verfahren aus. Dies führt aufgrund der physischen und elektrischen Isolierung dazu, dass Ausfälle mit gemeinsamer Ursache und eine Fortpflanzung von Ausfällen
sehr unwahrscheinlich sind. Diese Annahme gilt nicht in vollem Umfang für Architekturen des
Typs „Distributed Redundant“, da der statische Netzspannungsumschalter einen Ausfall von
zwei der drei USV-Module bewirken kann, sodass das gesamte System ausfällt. Dieser Ausfall aufgrund einer häufig vorkommenden Ursache wurde für die beiden verteilten, redundanten Architekturen modelliert.
Die Verkabelung zwischen den Komponenten der einzelnen Architekturen wurde nicht in die
Berechnungen einbezogen, da ihre Ausfallhäufigkeit so gering ist, dass sie nur mit großer
Unsicherheit und statistischer Relevanz vorausgesagt werden kann. Frühere Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass eine derart geringe Ausfallhäufigkeit die Gesamtverfügbarkeit nur minimal beeinflusst. Allerdings wurden größere Systemausfälle berücksichtigt.
Stillstandszeiten aufgrund menschlichen Versagens wurden in dieser Analyse unberücksichtigt gelassen. Obwohl menschliches Versagen eine bedeutende Ursache für Stillstandszeiten
in Datencentern ist, besteht der Hauptzweck dieser Modelle darin, die Architekturen der
Strominfrastruktur zu vergleichen und physische Schwächen innerhalb dieser Architekturen
aufzuspüren. Außerdem stehen keine Daten darüber zur Verfügung, wie menschliches Versagen die Verfügbarkeit beeinflusst.
Diese Analyse liefert Angaben zur Verfügbarkeit der Wechselspannung für den Betrieb von
IT-Geräten. Die Verfügbarkeit von Geschäftsprozessen wird im Allgemeinen geringer sein, da
die Wiederherstellung der Lastversorgung nicht zu einer sofortigen Wiederaufnahme der Geschäftsaktivitäten führt. IT-Systeme benötigen normalerweise eine gewisse Wiederanlaufzeit,
die eine in dieser Analyse nicht erfasste Nichtverfügbarkeit zur Folge hat.
Jede Störung einer Komponente in einem Wechselspannungsversorgungssystem, die zu
einem der folgenden Zustände führt:
– Teilweiser oder vollständiger Ausfall einer Produktionsanlage oder Betrieb derselben un
terhalb ihrer vorgeschriebenen Leistungsfähigkeit
– Inakzeptable Leistungsfähigkeit von Geräten, die von Benutzern verwendet werden
– Auslösung der Schutzrelais oder Notbetrieb des Wechselspannungsversorgungssystems
einer Produktionsanlage
– Stromlosschaltung einer elektrischen Leitung oder eines elektrischen Geräts
Instandsetzungsteams
Systemkomponenten
bleiben in Betrieb
Unabhängigkeit der
Ausfälle
Häufigkeit des Ausfalls
der Verkabelung
Menschliches Versagen
Die Verfügbarkeit der
Wechselspannung ist
das wichtigste Kriterium
Definition eines Ausfalls
gemäß IEEE Std 4931997 (Gold Book)
Die IEEE-Richtlinien für
die Entwicklung zuverlässiger Wechselspannungsversorgungssysteme für Industrieanlagen und kommerziell
genutzte Systeme
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Daten über Ausfall- und Wiederherstellungshäufigkeit
Tabelle A2 enthält die Werte und Quellen der Ausfallhäufigkeit
stellungshäufigkeit
 1 

 sowie die Daten der Wiederher MTTF 
 1 

 für jede Teilkomponente, wobei MTTF die durchschnittliche Zeit bis zu einem
 MTTR 
Fehler (Mean Time To Failure) und MTTR die durchschnittliche Zeit bis zur Wiederherstellung (Mean Time
To Recover) ist.
Tabelle A2 – Komponenten und Werte
Komponente
Ausfallhäufigkeit
Wiederherstellungshäufigkeit
Datenquelle
Anmerkungen
Öffentliches
Wechselstromnetz
3,887E-003
30,487
Die EPRI-Daten für die Versorgung vom öffentlichen
Wechselstromnetz wurden
gesammelt und der gewichtete Durchschnitt aller verteilten Störungen berechnet.
Diese Daten hängen in hohem Maße von der geographischen Lage ab.
DieselNotstromaggregat
1,0274E-04
0,25641
IEEE Gold Book Std
493-1997, Seite 406
Automatischer
Netzspannungsumschalter
9,7949E-06
0,17422
Untersuchung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit –
ASHARE-Dokument
Nr. 4489.
Anschluss,
0 bis 600 V
1,498E-08
0,26316
IEEE Gold Book Std 4931997, Seite 41
0,26316
6 x IEEE-Wert
Berechnet aus den Werten
des IEEE Gold Book
Std 493-1997, Seite 41
0,26316
8 x IEEE-Wert
Berechnet auf der Basis der
Werte des IEEE Gold Book
Std 493-1997, Seite 41
6 Anschlüsse
8 Anschlüsse
8,6988E-08
1,1598E-07
Die Ausfallhäufigkeit wird
nach Betriebsstunden berechnet. 0,01350 Ausfälle pro
Startversuch gemäß Tab. 3-4,
Seite 44.
Wird für die Umschaltung der
Wechselspannungsquelle
vom öffentlichen Wechselstromnetz zum Notstromaggregat und umgekehrt
verwendet.
Zur Verbindung zweier elektrischer Leiter.
Vor dem Transformator gibt
es pro Leiter einen Anschluss. Da es zwischen den
Komponenten zwei Sätze von
Anschlüssen gibt, werden
insgesamt sechs Anschlüsse
verwendet.
Nach dem Transformator ist
für jeden Leiter einschließlich
des Nullleiters ein Anschluss
vorhanden. Da zwischen den
Komponenten 2 Sätze von
Anschlüssen vorhanden sind,
werden insgesamt acht Anschlüsse verwendet.
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Komponente
Trennschalter
Ausfallhäufigkeit
3,9954E-07
Wiederherstellungshäufigkeit
Datenquelle
0,45455
IEEE Gold Book Std 4931997, Seite 40
PDUAbwärtstransformator
>100 kVA
7,0776E-07
0,00641
MTBF aus IEEE Gold Book
Std 493-1997, Seite 40;
MTTR ist ein Durchschnittswert von Marcus
Transformer Data and
Square D.
Statischer
Netzspannungsumschalter
4,1600E-06
0,16667
Gordon Associates, Raleigh,
NC, USA
0,125
Ausfallhäufigkeit aus Power
Quality Magazine, Februar
2001; die Wiederherstellungshäufigkeit basiert auf
der Annahme, dass das
Wartungspersonal nach
4 Stunden eintrifft und für
die Instandsetzung 4 Stunden benötigt.
USV ohne Überbrückung
150 kW
3,64E-05
Anmerkungen
Zur Isolierung von Komponenten vom Wechselstromnetz für Wartung oder
Fehlersuche.
Fest (einschließlich spritzgegossenem Gehäuse),
0 bis 600 A
Zum Abwärtstransformieren
der Eingangswechselspannung von 480 V auf 208 V zur
Versorgung von Lasten, die
eine Wechselspannung von
120 V benötigen.
Die Ausfallhäufigkeit enthält
die Bedienelemente; die Wiederherstellungshäufigkeit wurde von ASHRAE für einen
statischen Netzspannungsumschalter dieser Größe
nicht angegeben, weshalb
der Wert eines statischen
Netzspannungsumschalters
mit einer Belastbarkeit von
600 bis 1000 A verwendet
wurde.
USV ohne Überbrückung. Die
MTBF beträgt ohne Überbrückung 27.440 h gemäß MGE
„Poser Systems Applications
Guide“.
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Zustandsraummodelle
Um die möglichen Zustände der sechs Architekturen darzustellen, wurden Zustandsraummodelle entwickelt.
Zusätzlich zu den Zuverlässigkeitsdaten wurden weitere Variablen für die Verwendung in den Zustandsraummodellen definiert (Tabelle A3).
Tabelle A3 – Variablen der Zustandsraummodelle
Variable
Wert
Datenquelle
Anmerkungen
P_Ausfallüberbrückung
0,001
Branchendurchschnitt
Pbat_ausgefallen
0,001
Gordon Associates,
Raleigh, NC
Tbat
7 min
PgenAusfall_start
0,0135
IEEE Gold Book Std
493-1997, Seite 44
Tgen_start
0,05278
Branchendurchschnitt
Wahrscheinlichkeit dafür, dass bei einem Ausfall
der USV keine eingangsseitige Umschaltung auf
das Notstromaggregat möglich ist.
Wahrscheinlichkeit, dass die USV-Last beim
Umschalten auf den Akku abgeworfen wird.
Einschließlich Bedienelemente.
Die Akkulaufzeit blieb bei allen Konfigurationen gleich.
Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Notstromaggregat nicht anläuft. Die Ausfallhäufigkeit wird
nach Betriebsstunden berechnet. 0,01350 Ausfälle pro Startversuch gemäß Tab. 3-4 auf Seite 44.
Diese Wahrscheinlichkeit gilt auch für automatische Netzspannungsumschalter.
Zeitliche Verzögerung des Notstromaggregatstarts nach einem Ausfall der Lastversorgung.
Entspricht 190 s.
Beschreibung des Verfügbarkeitsmodells
In diesem Abschnitt ist beschrieben, wie die Analyse für die Konfiguration mit einem einzigen USV-Modul
durchgeführt wurde. Die Abbildungen A1 bis A3 zeigen das Verfügbarkeitsmodell für USV-Systeme mit einem einzigen USV-Modul gemäß Abbildung 1. Die Modelle für die restlichen USV-Konfigurationen wurden
auf der Basis der gleichen Überlegungen erstellt.
Abbildung A1 veranschaulicht die Beziehungen zwischen den Teilen der USV-Konfiguration mit einem einzigen USV-Modul in Richtung zum öffentlichen Wechselstromnetz und in Richtung zur Last. Der Schaltungsblock in Richtung zum öffentlichen Wechselstromnetz umfasst alle Geräte zwischen dem öffentlichen
Wechselstromnetz und der USV. Der Schaltungsblock in Richtung zur Last umfasst alle Geräte nach der
USV einschließlich aller Komponenten nach dem Trennschalter am Ausgang des Transformators.
Abbildung A1 – RBD der obersten Ebene mit Stromkreisen zum öffentlichen Wechselstromnetz
und zur Last
In Richtung zum
Wechselstromnetz
In Richtung
zur Last
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29
Im Eingangsblock ist das Markov-Diagramm enthalten, mit dem die Verfügbarkeit der Komponenten in Richtung zum öffentlichen Wechselstromnetz berechnet werden kann, von denen die Komponenten in Richtung
zur Last mit Wechselspannung gespeist werden. Die Schaltungsblöcke im oberen Teil von Abbildung A2
stellen die einzelnen Komponenten für die Überbrückung, das USV-System, das Notstromaggregat, den automatischen Netzspannungsumschalter (ATS) und das öffentliche Wechselstromnetz dar. Die Ausfall- und
Wiederherstellungshäufigkeiten dieser Schaltungsblöcke werden dem Markov-Diagramm als Eingangsgrößen zugeführt, woraus die Verfügbarkeit des gesamten Schaltungsblocks in Richtung zum öffentlichen
Wechselstromnetz resultiert.
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30
Abb. A2 – Markov-Diagramm der Schaltungsblöcke in Richtung zum öffentlichen
Wechselstromnetz
Überbrückungsstromkreis
ëÜberbrückung
ìÜberbrückung
USV-System
ëUSV
ìUSV
Generatorkreis
ëGenerator
ìGenerator
ìLeistung
ATS-Stromkreis
ëNetzrichtung
ìNetzrichtung
ìGenerator
1
((1-PatsAusfall_Schalter) * (1-PgenAusfall_start)
* (1/Tgenstart)) * (1-R)
Ein_Batt
ëLeistung * (1-Pbat_ausgefallen)
Normal
1
Generator_
ausgefallen
0
ëGenerator
Ein_Gen
ìLeistung *
(1 – PatsAusfall_Schalter)
Wechselstromnetz
ëLeistung
ìLeistung
1
((1-PatsAusfall_Schalter)*(1-PgenAusfall_start)
*(1/Tgenstart))*(1-R)
ìLeistung * R
Ausgefallen_KeineLeistung
(PgenAusfall_start*(1/Tbat) + PatsAusfall_Schalter*(1/Tbat)0
( PgenAusfall _start*PatsAusfall_Schalter)*(1/Tbat)) * (1-R)
ëLeistung*Pbat_ausgefallen
ìLeistung
ëNetzrichtung*(1-Pbat_ausgefallen)
ëNetzrichtung * Pbat_ausgefallen
ìNetzrichtung
EinBatt_Netzrichtung_
Ausfall
ëUSV * (1-P_Ausfallüberbrückung)
1
ìUSV EinÜberbrückung
1
Ausfall_Netzrichtung
0
1/Tbat
ëNetzrichtung + ëLeistung + ëÜberbrückung
AusfallVonÜberbrückung
0
1/((1/ìLeistung)*ëLeistung/(ëLeistung+ëÜberbrückung+ëNetzrichtung) + (1/ìÜberbrückung)*ëÜberbrückung/(ëLeistung+ëÜberbrückung+
ëNetzrichtung) + (1/ìNetzrichtung)*ëNetzrichtung/(ëLeistung+ëÜberbrückung+ëNetzrichtung))
ëUSV * P_Ausfallüberbrückung
USV
USV_und_Überbrückung
_ausgefallen
0
Abbildung A3 zeigt die Komponenten, aus denen der Schaltungsblock in Richtung zur Last gemäß
Abbildung A1 besteht. Bei USV-Systemen des Typs „Distributed Redundant“ (Abbildung 4 und 5) würde
der statische Netzspannungsumschalter am Anfang dieser Komponentenkette hinzugefügt werden.
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Abbildung A3 – Diagramm der Schaltungsblöcke in Richtung zur Last
ë = 8,6988 e-008
ì = 0,263158
ANSCHL.
6 UNTER
600 V
ë = 3,9954 e-007
ì = 0,45455
TS UNTER
600 A
ë = 3,9954 e-007
ì = 0,45455
ë = 8,6988 e-008
ì = 0,263158
ANSCHL.
6 UNTER
600 V
TS UNTER
600 A
ë = 1,1598 e-007
ì = 0,263158
ë = 7,0776 e-007
ì = 0,00641
ANSCHL.
8 UNTER
600 V
TRAFO
ÜBER
100 kVA
Ergebnisse
Tabelle A4 enthält eine Aufstellung der Analyseergebnisse für alle fünf USV-Konfigurationen.
Tabelle A4 – Analyseergebnisse
USV-Konfiguration
USV-Konfiguration mit einem einzigen USV-Modul
USV-Konfiguration des Typs „Isolated Redundant“
USV-Konfiguration des Typs „Parallel Redundant“ (N+1)
Catcher-USV des Typs „Distributed Redundant“
USV des Typs „Distributed Redundant“
USV-Konfiguration des Typs „2(N+1)“
Abbildungsnummer
1
2
3
4
5
6
Verfügbarkeit
99,92 %
99,93 %
99,93 %
99,9989 %
99,9994 %
99,99997 %
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32

USV-Systemkonfigurationen im Vergleich White Paper Nr. 75

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7. Annex

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