Повышение качества электропитания в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии

УДК 621.39

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

д.т.н., профессор Артюшенко В.М.; к.т.н., доцент Аббасова Т.С.; аспирант Шляхтин С. А.

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»

Объектом исследования является система бесперебойного электропитания (СБЭ) для автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Согласно сложившейся технической практике, основным средством обеспечения надежности и качества электропитания являются источники бесперебойного питания (ИБП). Так как сети АСКУЭ имеют распределенный характер, то актуальны вопросы удаленного мониторинга и удаленного управления электропитанием сетевого оборудования.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, несимметрия напряжений, бесперебойное электропитание, автоматическое регулирование напряжения, взаиморезервирующие источники.

Электропитание характеризуется надежностью и качеством. К понятию качества в первую очередь относится качество электроэнергии, на которое влияют разные нарушения и искажения формы питающего напряжения. Эти нарушения могут поступать из энергосистемы: например, грозовые импульсы, коммутационные перенапряжения вследствие коммутации участков электрической сети, провалы и отклонения напряжения во время автоматического включения резерва и переключение потребителей на другие источники питания. [1]

Искажения в электрическую систему нередко вносят и сами электроприемники с резкопеременным и нелинейным характером нагрузки: всевозможные преобразователи,

промышленные потребители, электрический транспорт и т.д. Подобные свойства электроприемников относятся к электромагнитной совместимости — способности технических средств функционировать с требуемым качеством в заданной электромагнитной обстановке, не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. [2—6]

Качество электроэнергии влияет на работоспособность и эффективность функционирования питаемого оборудования. Применительно к компьютерным системам его следует рассматривать как воздействие кондуктивных помех (электромагнитных помех, распространяющихся по элементам электрической сети) на оборудование. Если уровень помех не превышает устанавливаемых стандартом норм, то оборудование функционирует исправно, и нарушений (сбоев, снижения эффективности) компьютерных систем не происходит.

Качество электроэнергии (качество напряжения) нормируется национальным стандартом ГОСТ 13109—97 «Нормы качества электроэнергии в системах электропитания общего назначения». В стандарте определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электропитания общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в

точках присоединения электрических сетей, находящихся в собственности различных потребителей электроэнергии. Показатели качества электроэнергии в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей, регламентируются отраслевыми стандартами и иными нормативными документами, но они не должны быть ниже норм стандарта для точек общего присоединения. Если указанные отраслевые стандарты и иные нормативные документы отсутствуют, нормы указанного стандарта обязательны для электрических сетей потребителей электроэнергии.

Устанавливаемые вышеназванным стандартом показатели качества электроэнергии определяют предельный уровень электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в системах электропитания общего назначения. При соблюдении этих норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электропитания общего назначения и электрических сетей потребителей электроэнергии (приемников электроэнергии), не возникает нарушений и помех в работе оборудования вследствие неудовлетворительного качества электропитания.

Различные показатели качества электроэнергии влияют на работоспособность АСКУЭ по-разному. Стандартом установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения показателей: 1) отклонения напряжения; 2) колебания напряжения; 3) провала напряжения; 4) несинусоидальности напряжения; 5) несимметрии напряжения; 6) отклонения частоты; 7) импульса напряжения; 8) временного перенапряжения.

Отклонение напряжения показано на рис. 1 и характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Для него определены нормально допустимые и предельно допустимые значения отклонения на выводах приемников электроэнергии, соответственно, в ±5% и ±10% от номинального напряжения электрической сети. Этот показатель достаточно существенен, так как от его значений зависит работоспособность блоков питания.

Рис. 1. Отклонение напряжения

Для компьютерных систем значимым показателем колебания напряжения является диапазон изменения напряжения. На рис. 2 показан пример колебания напряжения. Данные зависимости приводятся в ГОСТ 13109—97. Сумма установившегося отклонения напряжения и диапазона изменений напряжения в точках присоединения к электрическим сетям в 380/220 В не должна превышать ±10% от номинального напряжения.

Отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены нормально допустимое и предельно допустимые значения: ±0,2 Гц и ±0,4 Гц. Частота — общесистемный параметр, т.е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. При возникновении существенных отклонений частоты в действие вводится противоаварийная автоматика энергосистемы. Провал напряжения, показанный на рис. 3, характеризуется длительностью провала напряжения, величина которого в электрических сетях с напряжением до 20 кВ не должна превышать 30 с.

Рис. 2. Колебания напряжения

Рис. 3. Провал напряжения Временное перенапряжение, показанное на рис. 4, характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (отношением максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования перенапряжения к амплитуде номинального напряжения). Значение коэффициента зависит от времени перенапряжения, но не превышает 1,47.

При обрыве нулевого рабочего проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ с наглухо заземленной нейтралью (т.е. нейтраль трансформатора или генератора непосредственно присоединена к заземляющему устройству) возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений межфазного напряжения, а длительность — нескольких часов. Этот вид нарушений опасен не только из-за риска повреждения оборудования и нарушения режима его работы, но и представляет собой реальную пожарную опасность вследствие высокой вероятности возгорания электрооборудования и электроприемников.

Рис. 4. Временное перенапряжение Несинусоидальность напряжения (рис. 5) включает следующие показатели:

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения должны быть не более 8% в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением 380/220 В.

Рис. 5. Несинусоидальное напряжение Импульс напряжения, показанный на рис. 6, характеризуется показателем импульсного напряжения. Значения импульсных напряжений для грозовых импульсов, возникающих в

электрических воздушных и кабельных сетях 380/220 В энергопитаний организации, не превышают 10 кВ и 6 кВ соответственно. Для коммутационных импульсов в сетях 380 В значение импульса — не более 4,5 кВ.

Рис. 6. Импульс напряжения

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Эти показатели не влияют в явном виде на качество электропитания компьютерных систем.

Таким образом, можно констатировать, что электропотребляющее оборудование компьютерных систем чувствительно к нарушениям качества энергопитания в разной степени в зависимости от вида искажений. Возможные последствия выражаются в сбоях в работе аппаратно-программных средств и, в меньшей степени, в повреждениях оборудования. Наиболее критичными нарушениями являются провалы напряжения, поскольку они приводят к отключениям и перезагрузке оборудования. Перенапряжения и импульсы напряжения могут вызывать повреждение оборудования. Отклонения, колебания, несинусоидальность напряжения практически не влияют на работоспособность компьютерных систем.

Обеспечение качества электропитания АСКУЭ и его надежность достигаются различными схемными решениями и применением специального оборудования.

Система бесперебойного электропитания (СБЭ) является последним «рубежом обороны» в борьбе за качество и надежность электропитания средств компьютерных систем. Она представляет собой электроустановку для автономного электропитания нагрузки в случаях нарушения или отключения подачи питания от основных источников. Период ее автономного функционирования, как правило, рассчитывается из необходимости завершения работы компьютерных систем без потери

информации и повреждений оборудования. Минимального (базового) времени должно хватать для запуска резервного источника электропитания, например, дизель-генераторной установки (ДГУ). [7—11].

Основу СБЭ составляют источники бесперебойного питания (ИБП). ИБП представляет собой статическое устройство и предназначен, во-первых, для резервирования (защиты) электропитания оборудования за счет энергии, накопленной в аккумуляторной батарее (АБ), во-вторых, для подачи электроэнергии должного качества на защищаемые электроприемники. [12]

Источники бесперебойного питания получили широкое распространение как наиболее универсальное средство обеспечения качества и надежности электропитания компьютерных систем (сетей).

Классификация ИБП производится по двум базовым показателям [1]:

- по мощности;

- по типу.

Первая носит отчасти условный характер и связана с исполнением (конструкцией) устройства.

ИБП малой мощности подключаются непосредственно к защищаемому оборудованию и питаются от электрической сети через штепсельные розетки. Данные устройства изготавливаются в настольном, реже напольном исполнении, а также для монтажа в стойку и выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000 ВА.

ИБП средней мощности имеют встроенный блок розеток для подключения защищаемого оборудования либо подключаются к групповой розеточной сети, выделенной для питания защищаемых электроприемников. К питающей сети эти ИБП подсоединяются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат. Они рассчитаны на установку как в специально приспособленных электромашинных помещениях, так и в технологических комнатах, где размещается оборудование и допускается постоянное присутствие персонала. Поэтому такие устройства выпускаются в напольном исполнении или для монтажа в стойку. Типичный диапазон их мощностей — от 3 до 40 кВА.

ИБП большой мощности подключаются к питающей сети с помощью кабеля от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат, а к защищаемому оборудованию

— через выделенную групповую розеточную сеть. Они имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей охватывает значения от 10 кВА до нескольких сотен.

По принципу устройства ИБП можно отнести к двум основным типам [1].

1. ИБП пассивного типа с режимом работы «вне линии» (off-line) (рис. 7).

Рис. 7. Традиционная схема ИБП пассивного типа

Принцип действия заключается в питании нагрузки от энергосети и быстром переключении на внутреннюю резервную схему при отключении питания или выходе напряжения за пределы допустимого диапазона. Для переключения ИБП с режима работы от сети на режим работы от батареи используются быстродействующие реле. Время переключения обычно составляет около 4— 12 мс, что вполне достаточно для большинства технических средств с импульсными блоками питания.

2. ИБП активного типа с режимом работы «на линии» (on-line) (рис. 8). Питание нагрузки осуществляется источником, поэтому время переключения равно нулю. Наряду с резервированием электропитания устройства способны обеспечить необходимое качество электроэнергии при его нарушениях в питающей сети и фильтрацию привносимых помех. Вся мощность, потребляемая ИБП от сети, сначала преобразуется из переменного тока в постоянный ток с помощью выпрямителя. После этого в действие вступает преобразователь постоянного тока в переменный — инвертор, обеспечивающий на выходе ИБП необходимое переменное напряжение.

Выпрямитель Инвертор

Рис. 8. Традиционная схема ИБП активного типа

ИБП активного типа с режимом работы «на линии» выпускаются нескольких видов (по методам преобразования энергии):

- одиночное преобразование;

- феррорезонансные ИБП;

- дельта-преобразование;

- двойное преобразование.

ИБП с принципом одиночного преобразования и феррорезонансные ИБП практически не выпускаются.

ИБП с дельта-преобразованием (delta conversion) основаны на применении т.н. дельтатрансформатора. Он постоянно отслеживает изменения нагрузки и искажения, а также изменения входного напряжения. ИБП формирует выходную синусоиду, корректируя отклонения формы входного напряжения, и питает нагрузку от батарей при работе ИБП в автономном режиме. Благодаря этому возврат от автономного режима работы от батарей к работе от сети (режим «на линии») осуществляется при плавном увеличении загрузки входной сети, а источник может выдерживать перегрузку до 100% в течение 1 мин.

Наибольшее распространение получил ИБП с двойным преобразованием (double conversion) (рис. 9). В ИБП с двойным преобразованием вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель, преобразуется в энергию постоянного тока, а затем (с помощью инвертора) — в энергию переменного тока. Одновременно осуществляется подзарядка батарей. При переходе в автономный режим энергия поступает от батарей, они все время «дежурят» на входе инвертора.

Байпас

Рис. 9. Схема ИБП с двойным преобразованием

Обязательным элементом схемы ИБП средней и большой мощности, независимо от типа, является устройство обходного пути — байпас (bypass). Оно представляет собой комбинированную электронно-механическую схему, состоящую из статического (электронного) байпаса и ручного (механического) байпаса, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды». Устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания. Байпас позволяет реализовать следующие функции:

- включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без прерывания снабжения питанием электроприемников;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе ИБП;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном качестве электроэнергии в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (экономичный режим работы).

Технология двойного преобразования отработана и успешно применяется свыше 20 лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:

- ИБП вызывают гармонические искажения тока в электрической сети;

- ИБП имеют значительные потери вследствие двойного преобразования (обычно до 10% энергии).

Если первый недостаток можно устранить за счет применения дополнительных устройств (входных фильтров, 12 импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бустеров), то второй

принципиально неустраним (у лучших образцов ИБП большой мощности КПД не превышает 93%). Современные ИБП двойного преобразования оборудуются так называемыми кондиционерами гармоник и устройствами коррекции коэффициента мощности. Эти устройства входят либо в базовый комплект ИБП, либо применяются опционально и позволяют снять проблему с внесением гармонических искажений (составляют не более 3%) и повысить коэффициент мощности до 0,98.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комбинированная схема, суть которой заключается в следующем. Если входное напряжение находится в заданном диапазоне, обычно ±6—10%, то ИБП работает в экономичном режиме (переходит на статический байпас), а когда входное напряжение превышает установленные рамки, ИБП в течение 2—4 мс переключаются «на линию». При использовании ИБП в электросетях, показатели качества электроэнергии в которых не хуже, чем заданные в ГОСТ 13109—97, она дает существенное снижение потерь электроэнергии благодаря высокому коэффициенту полезного действия в экономичном режиме. Все потери сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса, а КПД приближается к 98%.

Однако и у описанной схемы имеются некоторые недочеты:

- в случае применения таких ИБП в качестве централизованных при двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения экономичного режима должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не спровоцировать ИБП второго уровня на переключение в автономный режим;

- при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармонических искажений тока со стороны нагрузок с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального проводника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ. Поэтому при работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности экономичный режим работы следует отключать средствами конфигурирования ИБП.

В отдельную группу выделяют ИБП с линейно-интерактивным режимом работы (line-interactive). Особенности их функционирования в значительной степени схожи с принципом работы резервных источников, за исключением наличия устройства ступенчатой стабилизации напряжения (так называемого «бустера») и меньшего времени переключения на работу от батарей (2—4 мс). Эти типы ИБП различаются пока лишь формой выходного напряжения в автономном режиме (при работе от батарей). У резервных источников оно имеет прямоугольную форму, или же синусоида аппраксимируется ступеньками и трапецией. Линейно-интерактивные источники имеют синусоидальное выходное напряжение, на рис. 10 показано выходное напряжение разных типов ИБП.

U

b)

c)

t

t

t

Рис. 10. Форма выходное напряжение разных типов ИБП при работе аккумулятора: а) ступенчатая; б) аппроксимированная синусоида; в) синусоидальная

Таким образом, для питания технических средств с импульсными блоками питания форма выходного напряжения ИБП значения не имеет.

Современные системы защиты электропитания можно классифицировать по уровню доступности следующим образом.

1. Традиционный (моноблочный) ИБП (Standalone UPS) не обладает ни избыточностью, ни возможностями «горячей» замены. Устройство обеспечивает достаточную доступность электропитания благодаря надежности ИБП как такового. Подобные системы наиболее эффективны в диапазоне малых мощностей (до 5 кВА).

2. Отказоустойчивый ИБП (Fault Tolerant UPS) иногда описывают как систему с «разумной избыточностью», поскольку такие системы содержат избыточные компоненты. Однако не все главные узлы можно заменять в режиме «горячей» замены. Отказоустойчивые системы ИБП могут иметь часть узлов, допускающих «горячую» замену, например батареи или блоки силовой электроники. В основном же большое число критически важных узлов, в частности блоки процессорной электроники, невозможно заменить в «горячем» режиме.

3. Модульный ИБП (Modular UPS). Как и отказоустойчивый ИБП, он обеспечивает высокий уровень доступности. Эти системы имеют многочисленные компоненты с режимом "горячей" замены и обычно используются в многосерверных средах и телекоммуникационном оборудовании. Многие модульные ИБП предусматривают также избыточность батарей. Однако важнейшее преимущество таких систем по сравнению с отказоустойчивыми ИБП состоит в том, что отказ любого из основных компонентов может быть ликвидирован в «горячем» режиме, что исключает плановые простои на вызов сервисной поддержки.

4. Высшую степень защиты электропитания обеспечивают системы матричной архитектуры, т.н. энергетические массивы (Power Array) (рис. 11). В Power Array все блоки (силовой электроники, батарей и процессорные) являются и избыточными, и заменяемыми в «горячем» режиме. Системы такого типа характеризуются очень высокими значениями КГ и реализуют защиту высшего уровня для ИС. Power Array обычно на 10—20% дороже моноблочных ИБП сходной мощности и в среднем на 5—10% дороже отказоустойчивых или модульных ИБП.

Рис. 11. Архитектура ИБП «энергетический массив»

«Энергетические массивы» выполнены по методу двойного преобразования и принципу N+1 (принцип избыточности, «горячий» резерв) и представляют собой параллельную систему ИБП (модулей) в одном корпусе и способны продолжать работу при выходе из строя силового модуля, модуля батарей или модуля управления.

Таким образом, в ИБП архитектуры «энергетический массив» достигается:

- высокая отказоустойчивость за счет наличия N+1, N+2 и т. д. модулей. При отказе любого из модулей остальные просто перераспределяют между собой его нагрузку;

- нулевое MTTR (Mean Time To Repair) — для замены вышедшего из строя модуля не требуется отключать устройство в целом. Остающиеся в работе модули обеспечивают полноценное функционирование;

- гораздо более высокая экономическая эффективность по сравнению с удвоением (утроением и т. п.) устройства в целом;

- масштабируемость устройства, причем изменения конфигурации возможны без выключения устройства, в «горячем» режиме.

При изучении вопросов надежности необходимо учитывать распределенный характер СБЭ для АСКУЭ. Распределенная система бесперебойного питания состоит из нескольких ИБП (они могут быть разных типов и иметь разные мощности), каждый из которых защищает отдельную единицу оборудования. Является наиболее простой и распространенной системой бесперебойного питания. Она имеет много преимуществ:

- каждый элемент компьютерной системы предприятия защищается отдельным ИБП, который подбирается по мощности и уровню защиты специально для этого элемента. Это позволяет эффективно использовать средства, защищая с помощью более дорогих ИБП более важные элементы компьютерной системы или элементы, находящиеся в более жестких условиях;

- для простых компьютерных систем (например группы отдельных компьютеров или простой локальной сети) система бесперебойного питания очень проста в применении. Каждый пользователь компьютера отвечает за работу своего ИБП, знает его состояние и может вовремя вызвать специалиста, если состояние ИБП вызывает опасения;

- система очень просто наращивается. Можно начать с покупки ИБП для защиты только файлового сервера и затем постепенно докупать ИБП для защиты рабочих станций;

- работоспособность системы бесперебойного питания можно обеспечивать за счет замены вышедших из строя ИБП на приборы, защищавшие менее важные элементы компьютерной системы;

- ИБП небольшой мощности не требуют квалифицированного персонала для их установки;

- не требуются специальные силовые сети для компьютеров. Каждый из ИБП может быть подключен к обычной электрической сети

- отдельные компоненты системы бесперебойного питания могут в большинстве случаев подбираться независимо друг о друга. Это значит, что при изменении конфигурации компьютерной системы, добавлении к ней каких-то новых компонентов, каждый «старый» ИБП может оставаться соединенным с тем же компьютером или разветвителем, который он защищал, а для новых компонентов системы просто докупаются новые ИБП.

Задача подбора оборудования для распределенной системы бесперебойного питания упрощается тем, что любой ИБП можно подбирать, ориентируясь на один элемент компьютерной системы и условия его эксплуатации. [13—19]

Заключение

В результате исследования для СБЭ АСКУЭ была рекомендована следующая схема резервирования ИБП: «энергетический массив», выполненный по методу двойного преобразования и принципу N+1 (принцип избыточности, «горячий» резерв). Эта схема представляет собой параллельную систему ИБП (модулей). Для контроля работы ИБП разработана структура комплекса технических средств для мониторинга СБЭ на основе использования стандартной аппаратуры и новейших информационных технологий.

Литература

1. Воробьев А. А. Качество и надежность электроснабжения // Журнал сетевых решений ЬА^ 2003, № 9. С. 42—48.

2. Лопухин А. А. Источники бесперебойного питания без секретов. М.: А и Т Системы, 2002.

3. Лаврус В.С. Источники Энергии. Киев: Наука и техника, 1997.

4. www.ups-info.ru.

5. www.ippon.ru.

6. www.powerware.ru.

7. Стандарт Т1А/Е1А-607-А. Требования по заземлению и электрическим соединениям телекоммуникационных систем коммерческих зданий.