Modulare USV-Systeme für hohe Verfügbarkeit
Mehr Redundanz für Zuverlässigkeit
15. März 2012, 7:00 Uhr |
Dipl. Ing. Armin Haug/jos, Specialist Engineering bei Eaton Electric im Bereich Power Quality.
Für den sicheren Betrieb geschäftskritischer Anwendungen sorgen USV-Anlagen, die selbst ausfallsicher konzipiert sein müssen. Die geforderte Zuverlässigkeit garantieren redundant angelegte Systeme. Modular aufgebaute USV-Systeme verbuchen Pluspunkte durch eine besonders hohe Ausfallsicherheit, was unter anderem zu einem geringen Instandsetzungsaufwand führt.
Höchste USV-Verfügbarkeit ist für geschäftskritische Anwendungen vieler Branchen relevant, beispielsweise in Rechenzentren für die Telekommunikation, das Finanzwesen oder die Flugsicherung. Das Kriterium der Verfügbarkeit verbindet den MTBF-Wert (Mean Time between Failures) mit der MTTR-Zahl (Mean Time to Repair). Der Wert dieser zweiten Kennziffer ergibt sich aus der erforderlichen Zeitspanne von der Erkennung eines Fehlers, über die darauf folgende Reaktion bis zur ausgeführten Instandsetzung. Die Berechnung der Verfügbarkeit erfolgt auf Basis der Formel MTBF/(MTBF+MTTR).
Auch wenn die Formel wichtige Aspekte wie die Abschaltung einer USV-Anlage wegen Wartungsarbeiten nicht berücksichtigen kann, handelt es sich um ein aussagekräftigeres Maß für die Zuverlässigkeit eines solchen Systems. Dies wird auch deutlich, wenn es gilt, die Verfügbarkeit von IT-Infrastrukturen in der Praxis zu optimieren. Dort bietet sich – in Anlehnung an die Verfügbarkeitsformel – eine kombinierte Strategie an. Ziel dabei ist es, zur Erhöhung der Verfügbarkeit den Ausfall einzelner Systeme durch eine angemessene Redundanz zu kompensieren und Wiederherstellzeiten zu minimieren.
Single Points of Failure vermeiden
Redundanzen sollen Single Points of Failure (SPOF) ausschließen, die bei ihrem Ausfall zum Komplettausfall eines Systems führen können. So gewährleistet eine redundante USV-Konfiguration die Stromversorgung für kritische Verbraucher auch bei Nichtverfügbarkeit einer (N+1-Redundanz) oder mehrerer (N+N-Redundanz) USV-Leistungsmodule. Dazu sind zwei oder mehrere USV-Anlagen zu einer Einheit mit einem gemeinsamen Ausgang kombiniert und arbeiten parallel. Dies geschieht nicht nur, um Redundanz zu erzielen, sondern auch kapazitiv, also zur Leistungserhöhung.
Um Redundanz bei älteren, monolithisch aufgebauten USV-Anlagen zu erreichen, müssen zwei Einzelblöcke nebeneinander laufen. Bei Ausfall einer Anlage springt eine für die andere ein. Bis zur Reparatur muss die USV ohne Redundanz arbeiten, was mit erhöhten Ausfallrisiken verbunden ist. Diese Risiken ließen sich theoretisch durch den parallelen Betrieb von drei USV-Anlagen (N+2-Redundanz) vermeiden, was jedoch wegen unverhältnismäßig hoher Energiekosten in der Praxis eine untergeordnete Rolle spielt.
Inhärente Redundanz modularer USV-Systeme
Derartige Redundanz- und Energieprobleme herkömmlicher, paralleler Konfigurationen sind durch modular aufgebaute USV-Lösungen vermeidbar. Innerhalb eines modularen Verbundsystems führt der Fehler eines USV-Moduls (Uninterruptible Power Module, UPM) zur sofortigen Isolierung des betroffenen Moduls, während die verbleibenden Module die Gesamtlast übernehmen. So lassen sich erhöhte Redundanzen vereinfacht aufbauen, auch ohne drastisch erhöhte Energiekosten. Beispiel: Eine 500kW-Last wird durch eine 1000kW-USV-Anlage abgedeckt, die sich aus vier internen USV-Leistungsmodulen á 250kW zusammensetzt. Das gesamte System kann nach Bedarf so redundant ausgelegt werden, dass selbst bei parallelem Ausfall von mehr als eines UPMs die Nennleistung der verbleibenden Module für die Versorgung der angeschlossenen Last ausreicht (N+2-Redundanz).
Verbundlösungen dieser Art weisen eine so genannte inhärente Redundanz auf, bei der jedes einzelne UPM im Prinzip wie eine eigenständige USV aufgebaut ist. Durch den modularen Aufbau innerhalb der USV-Anlage ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich des Verkabelungsaufwandes, da die Eingangs- und Ausgangsverteilungen für die einzelnen Module bereits enthalten sind.
Eine modular aufgebaute USV-Anlage enthält normalerweise einen statischen (elektronischen) Bypass für ihre UPMs. Alternativ dazu gibt es große, zentralisierte statische Bypässe für USV-Systeme, die sich aus USV-Anlagen größerer Leistung zusammensetzen.
Wartungsarbeiten im laufenden Betrieb
Die von modularen USV-Systemen ermöglichte Redundanz vergrößert die Zuverlässigkeit und somit auch die Verfügbarkeit der angeschlossenen IT-Geräte. Darüber hinauslassen sich bei modularem Aufbau auch Wartungsarbeiten an jedem UPM während des Betriebs durchführen. Sofern Nutzer die Ersatzteile vorrätig halten, sind defekte Teile innerhalb weniger Minuten auswechselbar. Beide Vorteile kommen besonders zur Geltung, wenn man das modulare Konzept mit traditionellen USV-Anlagen vergleicht. Ein herkömmlicher Ansatz wäre es, parallel-redundanten USV-Schutz für eine 500kW-Last durch zwei nebeneinander laufende 500-kW-USV-Anlagen herzustellen. Tritt ein Hardwarefehler in einer dieser beiden USV-Anlagen auf, lässt sich dieser nur durch einen ausgebildeten Service-Techniker reparieren. Die Ausfallzeit für die betroffene USV beträgt häufig mehrere Stunden. Wenn die Service-Firma jedoch keinen schnellen Zugriff auf die erforderlichen Ersatzteile hat, kann sich die Ausfallzeit leicht auf mehr als einen Tag erhöhen. Während dieses Zeitraums sind die angeschlossenen IT-Geräte einem erhöhten Ausfallrisiko ausgesetzt, weil für die verbleibende USV-Anlage keine Redundanz mehr besteht.
Im Vergleich dazu bietet die 1000kW-USV-Anlage die Möglichkeit, bis zu zwei von vier enthaltenen 250kW-Modulen während des Betriebs zu wechseln (N+2-Redundanz). Neben höherer Verfügbarkeit durch vereinfachte Redundanz und Instandsetzung zeichnen sich solche modular aufgebauten USV-Systeme zudem durch eine insgesamt vereinfachte Wartung sowie bessere Skalierbarkeit aus. Denn USV-Module lassen sich während des Betriebs leicht entnehmen und konfigurieren.
Lastaufteilung ohne Master-Slave-Prinzip
Eine wichtige Voraussetzung für den sicheren Betrieb heutiger parallel-redundanter USV-Anlagen ist die Synchronisierung ihrer Leistungsmodule. Der mit der Synchronisierung verbundene Aufwand für die Steuerungsverdrahtung sollte möglichst gering sein. Wichtig ist auch, bei der Lastaufteilung auf ein zentrales Master-Modul zu verzichten, das einen Single Point of Failure darstellt. Diesen Weg geht beispielsweise Eaton mit seiner Hot-Sync-Technik. Die Lösung ermöglicht eine Konfiguration mit den hauseigenen USV-Anlagen in Parallelschaltung ohne die ansonsten üblichen Kommunikationsleitungen und ohne Master-Slave-Prinzip. Dies soll die Verfügbarkeit redundant-paralleler USV-Konfigurationenweiter maximieren.
Fazit
In modernen USV-Systemen gibt es keine einzelnen Fehlerquellen. Durch Verwendung einer Peer-to-Peer-Architektur arbeitet jedes USV-Modul unabhängig, ohne dass eine externe Hauptsteuerung oder Steuerungsverdrahtung für die Synchronisierung der Module erforderlich ist. Dies ist die Grundlage für eine erhöhte Verfügbarkeit, die modular aufgebaute USV-Systemen durch verbesserte Redundanz und kürzere Wiederherstellzeiten erreichen.
Modulare Systeme sollen beim Verbrauch und bei der Verfügbarkeit punkten.
Eine wichtige Voraussetzung für den sicheren Betrieb heutiger parallel-redundanter USV-Anlagen ist die Synchronisierung ihrer Leistungsmodule. Der mit der Synchronisierung verbundene Aufwand für die Steuerungsverdrahtung sollte möglichst gering sein.
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