У систем электропитания постоянного тока (DC) есть одно важное достоинство, определившее их популярность в системах связи: потребители включаются в сеть на выходе выпрямителя параллельно с аккумуляторной батареей. И если что-то случается с выпрямителем (будь то поломка или отключение внешнего энергоснабжения), потребители практически мгновенно начинают получать энергию от батареи.

Очень часто поставщики электрооборудования, желая подчеркнуть надежность такой схемы, говорят, что нагрузка всегда подключена непосредственно к батарее. Однако в реальных условиях между батареей и потребителями находятся минимум три элемента: система защиты от глубокого разряда батарей, защитный автомат, кабель или шина для соединения автомата с потребителем. Эти элементы весьма надежны и характеризуются очень высокими показателями наработки на отказ. Однако, к примеру, система защиты от глубокого разряда не дублируется, да и управляется она не дублированным контроллером. Любой отказ подобной системы означает длительный перерыв в энергоснабжении, поэтому, несмотря на высокий теоретический показатель надежности, общий коэффициент готовности всей системы оказывается не столь значительным.

Надежность других элементов системы бесперебойного снабжения связного оборудования от источников постоянного тока определяется, в большей мере, не их собственной надежностью, а отработанными и зафиксированными за сотню лет процедурами обслуживания и достаточно высокой квалификацией персонала.

Переменная надежности

Современные источники бесперебойного питания (ИБП) переменного тока (AC) достаточно близки к системам постоянного тока по уровню наработки на отказ. Многие технологии, используемые для электроснабжения переменным током, проверены десятками лет безаварийной эксплуатации, в том числе на атомных электростанциях, в составе систем управления сложными и опасными технологическими процессами.

Наиболее эффективные системы ИБП обеспечивают резервирование всех компонентов системы — контроллеров, силовых преобразователей, аккумуляторных батарей (а не только выпрямителей и, частично, аккумуляторных батарей, как в системах DC). Кроме того, автоматический электронный байпас (обходной режим) в системах AC позволяет избежать тяжелых последствий при возникновении аварий в системе электроснабжения.

В системах постоянного тока, по сути, применим один метод обеспечения отказоустойчивости: резервирование по схеме N+1 выпрямителей и использование нескольких параллельно включенных линеек аккумуляторных батарей. Но такие батареи обеспечивают резервирование не во всех ситуациях. Например, при некоторых проблемах с аккумуляторами не исключено, что при внешне нормальной работе системы неисправная батарея будет «убивать» исправную за счет паразитных токов, возникающих между терминалами батарей. В случае короткого замыкания в аккумуляторной линейке есть вероятность того, что защитный автомат «резервной» линейки батарей не успеет сработать первым.

Правда, ИБП переменного тока позволяют строить системы как с резервированием практически всех компонентов по схеме N+1, так и с резервированием 2N. В последнем случае используются две полностью независимые линии снабжения потребителей энергией, в каждой из которых имеются свои автоматы, ИБП, дизель-генераторные установки (ДГУ), независимые кабели.

Такая схема резервирования в последнее время все чаще задействуется в варианте, который принято обозначать 2N+1: помимо полного дублирования путей снабжения энергией потребителей в отдельных компонентах, которые это допускают (в частности, ИБП), применяется резервирование N+1. В сочетании с высоким уровнем культуры обслуживания сложных систем на предприятиях связи такая схема обеспечивает на порядок более высокий уровень эксплуатационной готовности, чем традиционные системы постоянного тока.

Однако во многих ситуациях системы DC более выгодны по соотношению стоимости, надежности и времени автономной работы. Особенно это верно в тех случаях, когда требуется бесперебойное энергоснабжение удаленных объектов связи при наличии резервирования системы на других уровнях. Например, зоны обслуживания базовых станций сотовых операторов обычно перекрываются. И хотя отказ одной из них способен ухудшить качество связи и снизить пиковую нагрузочную способность сети, он не приведет к катастрофическим последствиям.

Именем цифровой революции

Среди основных тенденций систем связи — активное внедрение цифровых сервисов, оказание которых невозможно без компьютерных технологий. В этом кроется одна из причин вытеснения систем DC на крупных узлах связи. Все больше и больше функций маршрутизации, управления информацией, каналами передачи данных, тарификации и т.д. переносится на серверы. Многие современные узлы связи больше похожи на центры обработки данных с чуть большим, чем обычно, количеством коммуникационного оборудования.

Подобная ситуация может вызывать к жизни ряд новых проблем. Так, если все оборудование узла связи нужно подключить к системе постоянного тока, для организации электропитания используются инверторы. По сути дела, создается разделенная на части система ИБП двойного преобразования. Однако при современных уровнях энергопотребления серверов часто получается, что на энергоснабжение инверторов тратится существенно больше половины мощности выпрямителей. Порой нет смысла строить систему постоянного тока для того, чтобы использовать большую часть ее мощности на питание потребителей переменного тока.

Построенная из выпрямителя и инвертора система имеет очень низкий КПД. Часто для повышения КПД и снижения нагрузки на выпрямитель совмещают инвертор с блоком байпаса, который обеспечивает питание нагрузки напрямую от внешней электрической сети. Но это приводит к увеличению времени переключения на работу от батарей в случае пропадания напряжения во внешней сети, требует дополнительных мер защиты от высоковольтных всплесков и грозовых разрядов. В случае применения «разделенного» ИБП двойного преобразования сжимается объем доступных функций управления и мониторинга комплекса как целого, что создает дополнительную нагрузку на эксплуатационную службу узла связи.

Качественный модульный инвертор, который обеспечивает достаточный уровень надежности, зачастую стоит дороже, чем модульный ИБП аналогичной мощности вместе с батареями, рассчитанными на необходимое время автономной работы. При этом объемы производства и число инсталляций инверторных систем одной модели столь невелики, что сложно говорить о какой-либо статистике отказов в процессе эксплуатации.

Инвертор эксплуатируется не сам по себе — он работает в системе, где есть еще и выпрямители, батареи, системы защиты от глубокого разряда, потребители постоянного тока. В этой связи возникает резонный вопрос: как поведет себя инвертор в той или иной ситуации? Не всегда на этот вопрос можно ответить однозначно, так как слишком велико количество возможных схем установки и слишком мало статистических данных накоплено за время эксплуатации подобных систем.

Серверы выбирают AC

Еще одна тенденция: все меньше производителей серверов, систем хранения данных и сетевых коммутаторов предлагают оборудование, которое можно подключить к сети DC. Один из крупнейших производителей уже более двух лет не выпускал новые модели с возможностью установки блоков питания для подключения к системам постоянного тока. А те его модели, в которых такая опция предусматривалась, теперь невозможно приобрести из-за отсутствия на рынке соответствующих процессоров. Другой поставщик официально имеет в списке своих моделей серверы с питанием от постоянного тока, но они задействуют «позапрошлое» поколение процессоров.

Производители телекоммуникационного оборудования пока продолжают выпускать версии с питанием как от переменного, так и от постоянного тока. Но ситуация меняется на глазах. За последние два-три года в несколько раз сократилось количество моделей коммуникационных систем, которые рассчитаны на работу только в сетях постоянного тока.

Десять лет назад ответ на вопрос «что использовать для обеспечения бесперебойного питания коммуникационной системы?» был однозначным: систему постоянного тока. Дилемма «48 или 60 В» считалась второстепенной. Сейчас однозначного ответа на первый вопрос дать нельзя, и для принятия решения нужно тщательно проанализировать требуемые уровни готовности систем, соотношение количества потребителей AC и DC, учесть множество других факторов, таких как климатические условия. Ведь в современных системах связи отключение из-за перегрева может произойти задолго до истощения заряда батарей.

Сергей Щербаков (sergey.tsherbakov@apcc.com) — руководитель группы системных инженеров компании APC-MGE

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями