Современные методы обеспечения надежности электропитания для
телекоммуникационных систем
В настоящее время вопросам обеспечения потребителей качественными услугами передачи данных, телефонии, Интернета и инфраструктурой для электронной коммерции уделяется все большее внимание. Жесткая конкуренция на рынке позволяет потребителям выбирать не в рамках альтернативы иметь телефон вообще или не иметь, а обращаться к операторам, которые могут обеспечить не только качественную телефонную связь, но еще и комплекс дополнительных услуг по передаче данных, по доступу к информационным ресурсам в Интернете и т.д. Для решения проблемы качества в телекоммуникациях электропитание не является, конечно, достаточным условием, но хотелось бы подчеркнуть, что это – настоятельно необходимая составляющая любой надежной и конкурентной услуги в инфокоммуникационных системах.

Обычно при создании объектов телекоммуникаций затраты только на оборудование устройствами бесперебойного электропитания составляют сумму от 10% и выше от стоимости телекоммуникационного оборудования. Если же объект нуждается в гарантированном электропитании, то затраты на оборудование возрастут еще на 10% и достигнут 20%. Если еще учесть, что уровень безотказности электропитания существенно влияет на доступность системы связи или передачи данных в целом, то становится понятным значение и место электропитания в инфокоммуникациях. Важность надежного электропитания в первую очередь объясняется тем, что оно определяет надежность работы оборудования электросвязи и, тем самым, обеспечение информационными и коммуникационными услугами. Оборудование электропитания работает в наиболее тяжелых условиях по сравнению с остальными устройствами (по нагрузке, по температуре), и вследствие этого для обеспечения необходимой надежности работы систем электропитания вынуждает применять наиболее качественные и, соответственно, дорогостоящие элементы. Это необходимое мероприятие, так как надежность работы оборудования электросвязи принципиально не может быть выше надежности системы электропитания.

Одним из основных параметров системы электропитания является ее способность обеспечивать непрерывную и бесперебойную работу всего комплекса оборудования, задействованного в основном технологическом процессе. Эту способность характеризуют комплексным показателем надежности. Анализ надежностных характеристик ЭПУ показывает, что обычно многие расчетные показатели надежности отдельных элементов установок (выпрямителей, инверторов, контроллеров) близки по своим значениям, для всех ЭПУ, присутствующих на российском рынке. Это затрудняет выбор наилучшего по надежности для данного проекта варианта ЭПУ. Как правило, выбор осуществляется субъективно в силу того, что используемые критерии выбора установлены специалистом, производящим выбор. Мы хотели бы предложить некоторые объективные критерии для оценки надежности ЭПУ при сопоставительном анализе различных вариантов. Следует отметить, что показатель надежности ЭПУ носит комплексный характер. Кроме традиционных показателей надежности, таких как вероятность безотказной работы, среднее время на работки на отказ, коэффициент готовности, определяемых для отдельных элементов системы, имеются еще показатели системы в целом, которая является, как правило, резервируемой. В данной статье мы не будем рассматривать методики количественной оценки надежности той или иной ЭПУ. Эти вопросы будут нами рассмотрены в одной из последующих статей в нашем издании. В данной статье мы опишем факторы, влияющие на показатели надежности ЭПУ в реальной эксплуатации и те методы, которые применяют ведущие разработчики ЭПУ для обеспечения повышенной надежности оборудования.

КПД
В первую очередь рассмотрим вопрос надежности отдельных элементов комплекса. Известно, что интенсивность отказов отдельных модулей в системе зависит от режимов, в которых работают эти модули, в частности от температурного режима. Чем ближе температура к нормальной, тем ниже интенсивность отказов. В свою очередь, степень перегрева отдельных модулей или силовых ЭРИ модулей прямо зависит от КПД данного преобразователя. Поэтому для снижения перегрева отдельных элементов в выпрямительных модулях важно обеспечить максимальный КПД именно в тех реальных условиях, в которых эксплуатируются модули.Обычно КПД выпрямителей максимален при 100%нагрузки. С другой стороны, при введении «горячего» резервирования N++1, выпрямительные модули в системе абсолютно большую часть времени работают при меньшей нагрузке. Характерная величина составляет от 60% до 80%. В режимах близких к 95-100% загрузки выпрямительные модули работают лишь в аварийных ситуациях и в течение интервала времени необходимого на восстановление системы (замены отказавшего модуля). Поэтому, в оптимизированных ЭПУ добиваются максимума КПД именно для нагрузки порядка 70%.

Допустимый диапазон температур
Допустимый диапазон внешней температуры, в которой могут функционировать отдельные модули, также оказывает косвенное влияние на надежность ЭПУ. Оборудование, допускающее работу в более жестких условиях эксплуатации, обеспечивает более высокий уровень надежности, учитывая специфику российских условий эксплуатации – частое отсутствие кондиционеров в помещениях мелких узлов связи, отказы кондиционеров на тех узлах, где они установлены. Весьма полезно, например, иметь ЭПУ с допустимым рабочим диапазоном температур 25°С +70°С.

Допустимый диапазон входного напряжения
В целом для ЭПУ в российских условиях одним из важнейших факторов, обеспечивающих ее надежность, является степень адаптации к жестким условиям и отклонениям от стандартных требований. Пониженное напряжение, перекос фаз, высокий уровень коммутационных помех предъявляют особые требования к входным схемам ЭПУ постоянного тока. Стандартный диапазон +15%, обеспечиваемый многими ЭПУ, не является достаточным. Современные выпрямители имеют широкий допустимый диапазон изменения входного напряжения и не нуждаются в дополнительных регуляторах или стабилизаторах входного напряжения. Это повышает устойчивость ЭПУ к внешним воздействиям, ЭПУ реже переходит на батарейное питание, что также благоприятно сказывается на надёжности системы в целом. Современные ЭПУ с улучшенными характеристиками могут обеспечить работу однофазных выпрямителей в диапазоне от 100В до 300В.

Удаленный мониторинг
Системы электропитания являются обслуживаемыми системами, для которых показатели надежности во многом зависят от возможности прогнозирования отказов и, тем самым, сокращения длительности времени восстановления (ремонта) при отказе. С учетом применяемого для систем электропитания горячего резервирования путем параллельного включения основных элементов системы (выпрямителей, групп аккумуляторных батарей, инверторов, конверторов напряжения) обеспечение высокого коэффициента готовности зависит в первую очередь от возможности непрерывного наблюдения и прогнозирования состояния системы по средством удаленного мониторинга. Это позволяет провести профилактические мероприятия и предотвратить отказ или сократить время восстановления изделия и, тем самым, повысить интервалы времени штатного функционирования системы. Такую возможность обеспечивает наличие системы удаленного мониторинга ЭПУ на объекте. Следует отметить, что с появлением усовершенствованных специализированных систем комплексного мониторинга объекта связи, разрабатываемых фирмами – поставщиками ЭПУ появляются возможности создания эффективной по затратам системы мониторинга различных объектов связи в целом. Таким образом, установка на объекте электропитающей установки постоянного тока существенно расширяет возможность контроля объекта за счёт использования ресурсов микропроцессорного модуля контроля ЭПУ для мониторинга всего комплекса оборудования. Учитывая важность данного вопроса для обеспечения надежности ЭПУ, авторы планируют рассмотреть вопросы удаленного мониторинга в отдельной статье в ближайшем номере нашего издания.

А.Я. Гольдинер
И.В. Аколлер
В.В. Головко
А.О. Горбунов