КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Для электрических сетей общего назначения характерно низкое качество электрической энергии - отключения, высокочастотный шум, отклонения частоты, провалы напряжения и др. Согласно заключению Государственного центра метрологического обеспечения в области электромагнитной совместимости (ГЦМО ЭМС), требования ГОСТ 13109-87 к показателям качества электрической энергии (ПКЭ) энергоснабжающими и энергораспределяющими организациями, как правило, не выполняются. Кроме того, требования по качеству электроэнергии, установленные в ГОСТ, зачастую недостаточно высоки в отношении современного телекоммуникационного оборудования.

 

Очевидно, что подключение к реально существующим электрическим сетям высокотехнологического оборудования, чувствительного к ухудшению качества электрической энергии (компьютеров, активного оборудования вычислительных сетей, телекоммуникационной аппаратуры, банковского и офисного оборудования), связано не только с повышенным риском нарушения функционирования, но и выхода данного оборудования из строя.

 

В этих условиях установка статическихисточников бесперебойного питания (ИБП), работающих в режиме “on-line” (двойного преобразования), как средства получения электроэнергии требуемого качества, является необходимой предпосылкой обеспечения устойчивой работы компьютерного и телекоммуникационного оборудования. Кроме того, для современного оборудования характерно применение импульсных блоков питания с нелинейным характером потребления. Использование мощных трехфазных ИБП с двойным преобразованием для питания такого рода оборудования является оптимальным, поскольку позволяет избежать перегрузок нейтральных кабелей входных электросетей и оборудования трансформаторных подстанций.

 

Мощные ИБП структуры "on-line" являются основой построения систем гарантированного энергоснабжения (СГЭ) и обеспечивают качественную работу подключенной к ним нагрузки как в штатном режиме (при наличии электропитания на входе), так и в автономном режиме (при отключении входной сети электропитания) зя счет энергии, накопленной в аккумуляторных батареях. Как правило, такие системы проектируются для работы в автономном режиме в течение промежутка времени от нескольких минут до нескольких часов. При необходимости обеспечения работы подключенной нагрузки в течение более длительного времени в качестве резервного источника энергии в комплекс включаются автономные электрогенераторные установки, построенные на базе двигателей внутреннего сгорания (как правило, дизельных).

 

Необходимым результатом, достигаемым при реализации СГЭ, можно считать обеспечение возможности функционирования ответственного оборудования Заказчика при отказе стационарного ввода (вводов) электропитания в течение времени, достаточного для переключения на резервный источник электропитания или нормального завершения основных рабочих процессов в компьютерных сетях.

 

Целью разработки системы гарантированного энергоснабжения (СГЭ) является обеспечение высококачественного бесперебойного электропитания ответственных потребителей учреждения банковского типа (далее - Заказчик) как в нормальных условиях, так и в случаях нарушения штатного энергоснабжения вследствие аварий или ухудшения его качества в условиях промышленных или иных помех.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

 

СГЭ                       - система гарантированного энергоснабжения

ПКЭ                       - показатели качества электроэнергии

ВРУ                       - вводное распределительное устройство

ГРЩ                      - главный распределительный щит

РЩ                         - распределительный щит

РШ ЛВС               - распределительный шкаф локальной вычислительной сети

ОС                          - операционная система

ПО                          - программное обеспечение

ИБП                       - источник бесперебойного питания

ДГУ                       - дизельная генераторная установка

БУ КН                   - блок управления и коммутации нагрузки

 

2.            ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО И ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

2.1          Требования к оборудованию и подсистемам.

 

В данном разделе представлены материалы, отражающие основные подходы и технические решения по обеспечению гарантированным и бесперебойным электропитанием ответственных потребителей в части проектирования систем гарантированного энергоснабжения.

 

Рассмотрены постановка задачи и основные требования к СГЭ, изложены основные положения современных концепций построения систем энергоснабжения ответственных объектов, обоснованы выбранные принципиальные схемы и модели оборудования, приведены технические и эксплуатационные характеристики применяемого оборудования. Рассмотрены основные режимы работы отдельных компонентов и комплекса технических средств, а также общие и специальные требования к другому оборудованию, материалам и помещениям. Реализация СГЭ в соответствии с рассмотренными принципами отвечает требованиям Заказчика и самым современным мировым стандартам в области систем жизнеобеспечения и энергоснабжения.

 

В качестве примера оборудования для СГЭ рассмотрено применение ИБП и ДГУ ведущих фирм-производителей (Artronic, Servomatic, Dalgakiran, EMSA), которое соответствует самым жестким стандартам в данных отраслях и позволяет построить СГЭ повышенной надежности.

2.1.1       Постановка задачи. Технические требования к системе гарантированного энергоснабжения.

 

Электропотребители Заказчика, требующие подключения к защищенной электросети, как правило, разделяются на следующие основные группы:

  • оборудование локальной вычислительной сети (ПЭВМ, активное сетевое оборудование);
  • системы связи (АТС), комплексы спец.связи;
  • технические средства спутниковой сети передачи данных;
  • система аварийного освещения;
  • системы кондиционирования и вентиляции технологических помещений;
  • системы пожарной и охранной сигнализации;
  • медицинское оборудование.

 

Параметры электрической сети на выходе систем электропитания, устанавливаемых в рамках СГЭ, должны соответствовать техническим требованиям по эксплуатации вычислительной техники и другого электронного оборудования Заказчика.

 

Система должна обеспечивать функцию оповещения персонала о возникающих аварийных ситуациях в системах электропитания. Автоматическое закрытие информационной системы Заказчика с гарантированным сохранением целостности данных производится при невозможности длительного обеспечения автономной работы потребителей.

 

При длительных перерывах в электроснабжении и необходимости продолжения работы оборудования свыше минимального срока энергоснабжение должно производиться от автономной дизель-генераторной установки (установок) с сохранением высоких качественных параметров электросети на выходе СГЭ. Включение и выключение генераторной установки должно производиться в автоматическом режиме с возможностью аварийного перехода на ручное управление.

 

2.1.2       Основные положения концепции построения системы гарантированного электроcнабжения. Обоснование проектных решений.

 

Построение систем гарантированного энергоснабжения для комплекса потребителей, территориально расположенных более чем на одном этаже, и, тем более, в нескольких зданиях, может производиться по различным схемам.

 

В настоящее время наибольшее распространение получили две основные структуры СГЭ - централизованная и распределенная (локализованная). Централизованная система содержит один ИБП, к которому подключены все ответственные потребители. В распределенной системе каждый потребитель (или группа локальных потребителей) запитывается от отдельного (локального) ИБП.

 

Распределенная структура СГЭ.

 

Обобщенная схема системы гарантированного энергоснабжения, построенной по централизованной схеме, изображена на Рис. 0-1.

 

Основным преимуществом такой системы является возможность ее реализации без переделки сетевой разводки, особенно при использовании "розеточных" ИБП, простота наращивания или изменения конфигурации.

 

 

При отказе одного из ИБП происходит отключение только части системы, и, при наличии одного аппарата в "холодном" резерве, последствия отказа могут быть устранены в течение нескольких минут. Другим важным преимуществом этой системы может быть также то, что при соответствующем выборе типов ИБП для их размещения не потребуется выделения специальных помещений.

 

Недостатком распределенной системы является неэффективное использование ресурсов аккумуляторных батарей из-за невозможности обеспечения одинаковой нагрузки для всех ИБП. Время автономной работы всей системы определяется наиболее нагруженным аппаратом с наиболее разряженными при предыдущих отключениях питания батареями, при этом время автономной работы не может быть увеличено отключением нагрузки от других ИБП. Другим существенным недостатком этой системы является ее низкая устойчивость при перегрузках, вызванных ошибочным подключением дополнительной нагрузки или коротким замыканием. Повышенная чувствительность к перегрузкам обусловлена тем, что запас мощности локальных ИБП может быть сравним с пусковой мощностью не только кондиционера или пылесоса (5..10 кВт), но и лазерного принтера или ксерокопировального аппарата (2..5 кВт) и даже цветного монитора с экраном размером 19-21 дюйм с петлей размагничивания (1..2 кВт).

Рис. 0-1 Обобщенная схема распределенной СГЭ.

Другой существенный недостаток распределенной СГЭ имеет место при использовании большого количества однофазных ИБП. Как уже отмечалось выше, значительная часть современного компьютерного и телекоммуникационного оборудования имеет блоки питания, характеризующиеся нелинейным характером потребления (cosf=0.7 .. 0.8). При подключении нескольких подобных потребителей к однофазной сети (с рабочим напряжением 220 В), являющейся составной частью трехфазной сети энергоснабжения (рабочее напряжение 380 В), в нейтральном проводнике возникают токи, пиковые значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках. С учетом того факта, что электрические сети в нашей стране выполняются с нейтральным проводником меньшего (по сравнению с фазным) сечения, неизбежны перегрузки и возникновение помех в нейтрали, которые приводят к снижению надежности сети электропитания.

 

Повышение надежности электропитания возможно при прокладке кабельных сетей с большим (в 1.5 .. 1.7 раза) сечением нейтрального проводника по сравнению с фазными проводниками. К сожалению, такие работы в части городских сетей энергоснабжения, как правило, чрезвычайно затруднены.

 Централизованная структура СГЭ.

 

Преимущества этой системы (Рис. 0-2) определяются концентрацией запаса мощности и емкости батарей. Такая система менее чувствительна к локальным перегрузкам и даже выдерживает короткие замыкания, переходное сопротивление которых превышает некоторую величину, определяемую запасом выходной мощности ИБП. Увеличение времени автономности достигается простым отключением менее ответственных потребителей.

Рис. 0-2 Обобщенная схема централизованной СГЭ.

Другим преимуществом централизованной СГЭ, построенной на базе мощного трехфазного ИБП, является исключение перегрузок нейтрального проводника на входе ИБП, что повышает надежность всей сети электропитания, и, что существенно, не требует проведения работ по перекладке кабельных линий, по которым осуществляется энергоснабжение здания.

 

Недостатком централизованной системы является более высокая по сравнению с распределенной системой вероятность локального отказа, выражающегося в обесточивании потребителей из-за неисправности разветвленной выходной сети электропитания или выхода из строя (связанного с возникновением короткого замыкания в цепи питания) одного из потребителей.

 

Стоимость аппаратных средств централизованной системы при равной мощности и одинаковых схемотехнических решениях ИБП, естественно, ниже по сравнению с распределенной системой, однако при выборе данной структуры СГЭ необходимо учитывать стоимость возможной переделки сети электропитания в случае реконструкции действующей системы, а также необходимость выделения специального помещения и квалифицированного персонала.

 

В чистом виде каждая из рассмотренных систем применяется достаточно редко. Использование централизованной системы целесообразно при концентрации оборудования, выполняющего единую задачу и состоящего из компонентов одного класса надежности и одинаковых по характеристикам энергопотребления. Такие системы применяются, как правило, в издательских комплексах, крупных центрах спутниковой связи и т. п. Типичными для распределенной системы являются такие административные учреждения (мэрия, министерство), в которых большое число персональных ЭВМ работают в режиме независимых рабочих станций, зачастую без объединения их в локальную вычислительную сеть.

 

Для устранения недостатков каждой из систем на практике применяют двухуровневую систему, которая представляет собой комбинацию централизованной и распределенной системы (см.  Рис. 0-3). Задача оптимизации такой системы с точки зрения мощности и стоимости оборудования состоит в определении наиболее ответственных потребителей и минимизации числа групп потребителей путем соответствующего конфигурирования локальной вычислительной сети.

Рис. 0-3 Обобщенная схема двухуровневой СГЭ.

При выборе двухуровневой структуры, кроме установки одного ИБП большой мощности (или комплекса параллельно функционирующих ИБП, расположенных в одном месте - как правило, вблизи электрического ввода в здание), отдельные наиболее ответственные потребители защищаются с помощью локальных ИБП меньшей мощности. Целью такого резервирования является защита такого оборудования, как, например, файловые серверы и наиболее ответственные рабочие станции управления ЛВС, коммуникационное оборудование, системы связи от обесточивания вследствие аварий кабельной сети внутри здания, вызванных локальными повреждениями, короткими замыканиями или перегрузками (в том числе сети чистого электропитания, подключенной к основному ИБП).

 

При выборе любого из вариантов построения системы гарантированного энергоснабжения на базе ИБП при необходимости обеспечения длительной работы в автономном режиме (т.е. при отключении входной электросети) такой комплекс дополняется одной или несколькими дизельными генераторными установками (ДГУ) для обеспечения длительной автономной работы (в течение десятков часов и более). Такие генераторы комплектуются системой автоматического запуска и глушения с коммутацией нагрузки и могут быть дополнительно снабжены пультами удаленного управления и контроля. Диаграмма функционирования комплекса в случае аварийного отключения и последующего восстановления основного электропитания показана на Рис. 0-4. 

Рис. 0-4 Временная диаграмма работы комплекса ИБП - ДГУ.

 

При определении мощности и количества генераторных установок необходимо принимать во внимание мощность подключаемой нагрузки, а также возможность установки достаточно крупногабаритного оборудования в здании или в непосредственной близости от него (на охраняемой территории). Генераторная установка может быть выполнена в шумозащитном кожухе или всепогодном контейнере.

 

При подключении нескольких генераторов на общую нагрузку устанавливается специальный блок управления и синхронизации для параллельного комплекса ДГУ.

<<1>>2<<3