Kriittisten kohteiden tehonsyötön varmistaminen on järkevintä toteuttaa aidosti modulaarisella UPS-järjestelmällä. Se vaatii kuitenkin aivan erityisen arkkitehtuurin. Tehomoduulien lukumäärä ei ole ratkaiseva tekijä vaan se, käytetäänkö UPS-järjestelmässä keskitettyä vai hajautettua päätöksentekoa.

Artikkelin kirjoittaja Gerardo Lecuona on toinen Centiel UPS -yrityksen perustajista. Aiemmin hän on toiminut ABB:n teknologiajohtajana sekä Newave Energy Holding SA:n tutkimuksesta vastaavana johtajana.

Yleisesti hyväksytään, että kriittiset järjestelmät esimerkiksi datakeskuksissa, teollisuudessa, pankeissa ja sairaaloissa vaativat tehonsyötön varmistuksen sähkökatkosten varalta. Näiden kriittisten järjestelmien kaatumisen seuraukset voisivat muuten olla taloudellisesti erittäin vakavia tai jopa ihmishenkiä vaarantavia.

Sähköverkkoon liitetty, kaksinkertaiseen muunnokseen (double conversion) perustuva UPS-laite (Uninterruptible Power Supply) on tavanomainen vararatkaisu sähkönsyötön varmistamiseksi näissä ympäristöissä, joissa sen päätarkoituksena on yksinkertaisesti kuorman suojaaminen. UPSin tehtävänä on huolehtia, ettei tehonsyöttöön tule keskeytyksiä ja näin varmistaa suojattavien laitteiden käytettävyys ja toimintakyky mahdollisimman korkeana. Kaksoismuunnokseen perustuvan UPS-laitteen lisäetuna ja toissijaisena tehtävänä on minimoida kuormaan syötetyn sähkötehon häiriöt.

Joustavuuden ja mukautettavuuden lisäämiseksi online-UPS-järjestelmiä myydään yhä useammin modulaarisina. Tässä yhteydessä ’modulaarinen’ tarkoittaa, että useita tehoyksiköitä sijoitetaan rinnakkain vaaditun kokonaislähtötehon saavuttamiseksi. Modulaarisuus ei tässä tapauksessa kuitenkaan tarkoita välttämättä vikasietoisuutta, koska modulaarisen ratkaisun lisääntynyt monimutkaisuus saattaa kokonaisuuden kannalta johtaa järjestelmän korkeampaan vikaantumisasteeseen.

Koska UPS-järjestelmän päätehtävänä on suojata siihen liitettyä kuormaa, on tärkeää, ettei energiansyöttöön tule häiriöitä ja että syöttötehoa on saatavissa jatkuvasti ilman katkoksia.

Siksi esiin nousee kaksi tärkeää kysymystä. Ensinnäkin, kuinka todennäköistä on, että sähköverkossa esiintyvät häiriöt yltävät kuormaan asti? Ja kuinka todennäköisesti itse UPS-järjestelmä saattaa vikaantua?

Ensimmäiseen kysymykseen vastaamiseksi voidaan olettaa, että toimintaperiatteeltaan ohisyöttävien UPS-laitteiden syöttämät kuormat ovat alttiimpia verkosta tulevalle,  heikkolaatuiselle sähkölle ja mikrokatkoksille verrattuna kuormiin, jotka toimivat kaksinkertaiseen muunnokseen perustuvan UPS-järjestelmän syöttäminä. Kuormalle voidaan taata paras mahdollinen suojaus siten, että UPS-järjestelmä toimii mahdollisimman suuren osan ajasta online-kaksoismuunnostilassa.

Päätös siitä, milloin siirrytään online-kaksoismuunnoksesta ohisyöttöön ja milloin vaihdetaan takaisin kaksoismuunnokseen tai milloin siirrytään akkusyöttöön, riippuu verkkosähkön laadusta. Mutta usein ei oteta huomioon, että se saattaa riippua myös UPS-järjestelmän arkkitehtuurista ja siitä, kuinka ohjauslaitteet on ohjelmoitu.

Yksittäiseen itsenäisesti toimivaan UPS-erillislaitteeseen verrattuna räkkeihin sijoitetut lukuisat rinnakkaismuodossa toimivat tehomoduulit voivat antaa järjestelmän suunnittelijalle ja loppukäyttäjälle jonkin verran varmuutta siitä, että käytettävissä on runsaasti laitteiden ’varmuuskopioita’ eikä ainuttakaan kohtaa, joka yksin voisi johtaa vikaantumiseen. Suurempi määrää tehomoduuleja ei kuitenkaan takaa välttämättä parasta mahdollista suorituskykyä UPS-tehonhallinnan ja kuorman suojauksen suhteen.

Tärkein tekijä, joka vaikuttaa järjestelmän yleiseen luotettavuuteen ja käytettävyyteen, ei ole käytettävissä olevien tehomoduulien lukumäärä vaan se, käytetäänkö järjestelmässä keskitettyä vai hajautettua päätöksentekoa.

Yleisimmin käytetyissä modulaarisissa UPS-järjestelmissä on useita ainutlaatuisia keskitettyjä komponentteja, jotka edustavat yhtä mahdollista vikaantumiskohtaa. Näitä ovat esimerkiksi ohitussyöttö, ohjauslogiikka ja näyttöyksikkö. Tämä tarkoittaa, että modulaarisessa UPS-järjestelmässä, jossa on vain yksi ohjausyksikkö, CPU:n vioittumisen tai toimintahäiriön ilmetessä koko järjestelmä kaatuu aivan kuten yksittäisen UPS-laitteen tapauksessakin.

Jos tilannetta analysoidaan kokonaisuutena, voidaan päätellä, että yksittäisten vikaantumispisteiden salliminen on pohjimmiltaan vastoin UPS-järjestelmän päätarkoitusta eli kuorman tukemista ja syöttötehon laadun sekä käytettävyyden turvaamista mahdollisimman korkeana.

Yhden yksittäisen suorittimen käyttäminen sekä itsenäisesti toimivassa että modulaarisessa UPS-järjestelmässä uhkaa näin koko järjestelmän luotettavuutta. Siksi UPS-ratkaisulta vaadittava suojaustaso voidaan saavuttaa ainoastaan sähköjärjestelmän asianmukaisella kokonaisarkkitehtuurilla eikä vain yhden laitteen valinnalla.

Järjestelmän redundanssi

Jopa redundantissa järjestelmässä, jossa ei ole yksittäisiä vikaantumiskohtia, yksittäisen UPS-moduulin on silti oltava luotettavuudeltaan erittäin korkeaa tasoa ja sen korjaamiseen tarvittava aika mahdollisimman lyhyt, jotta useiden samanaikaisten vikojen riski saadaan riittävän alhaiseksi vastaamaan järjestelmän käytettävyyden vaatimuksia.

Ylimääräisen kapasiteetin käyttäminen redundantissa ’N+N’-kokoonpanossa on sinänsä toimiva ratkaisu, mutta jos koko järjestelmä on ohitettava yhden moduulin korvaamiseksi, jäljellä on edelleen suuri riski koko tehonsyötön menetyksestä AC-virran katketessa. Mahdollisuus moduulien vaihtoon ’lennossa’ auttaa pitämään järjestelmän toiminnassa yhden UPS-moduulin ollessa kytkettynä irti, mutta silloin vaaditaan vahva luottamus siihen, että uusi korvaava moduuli toimii ja on myös määritetty oikein, jotta voidaan välttää järjestelmään siirtyvät häiriöpiikit, kun uusi moduuli liitetään mukaan.

Kokonaisen UPS-moduulin vaihtaminen ’lennossa’ tarkoittaa, että keskimääräinen korjausaika MTTR (Mean Time To Repair) lyhenee merkittävästi, koska silloin ei tarvitse korjata koko järjestelmää vaan ainoastaan yksittäisiä moduuleja minkä tahansa komponentin vioittuessa. Keskitetyissä järjestelmissä käyttäjän pitää ohittaa koko yksikkö, jos ongelma on keskitetyssä komponentissa eikä se liity tehomoduuliin.

On syytä huomata, että mikä tahansa yksittäinen ei-redundantti piiri, joka on liitetty järjestelmän jokaiseen moduuliin, voi edustaa yhtä vikakohtaa. Esimerkiksi jos kaikille moduuleille on varattu yhteinen datansiirtolinja, koko järjestelmän ohjaus ja valvonta voivat vaarantua, jos jossain keskitetyssä piirissä ilmenee vika.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tehokkaan modulaarisen UPS-järjestelmän tulee koostua erittäin luotettavista osista ’N+N’-kokoonpanossa, jolle taataan hyvä suojaus yhden pisteen vikoja vastaan sekä kattava valvonta ja nopeat korjaustoimet.

Toisenlainen ajattelutapa

Ihanteellisen, aidosti modulaarisen UPS-järjestelmän luomiseksi sveitsiläisyhtiö Centiel on kehittänyt erityisen DARA-arkkitehtuurin (Distributed Active-Redundant Architecture), jota sovelletaan yhtiön kehittämässä CumulusPower-tuotesarjassa. Teknologian perusajatuksena on hajauttaa kaikki moduulit eli ne ovat täysin itsenäisiä ja kukin niistä sisältää oman invertterin, staattisen ohisyöttöyksikön, ohjelmiston/ohjauslogiikan, takaisinsyöttösuojauksen, akkulaturin ja ohjauspaneelin (ks. kaavio modulaarisesta DARA-arkkitehtuurista alempana).

Mikä sitten on tämä toisenlainen ajattelutapa? Ensinnäkin hajautettu aktiivi-redundantti arkkitehtuuri saavutetaan ’demokraattisella’ enemmistöpäätöksellä kuormansiirrosta. Se tarjoaa kriittisen vian sattuessa kuorman asianmukaisen hallinnan. Kriittisen vian ilmetessä kukin moduuli tekee logiikkapiiriensä avulla päätöksen siitä, pitäisikö kuorman säilyä invertterillä vai siirrytäänkö ohisyöttöön. Kuormansiirto suoritetaan riippuen siitä, minkä päätöksen enemmistö moduuleista tekee.

Jokainen moduuli on varustettu kaikilla laitepohjaisilla (teho- ja ohjauspiirit) ja kaikilla ohjelmallisilla (logiikka ja valvonta) toiminnoilla, mikä tekee niistä täysin riippumattomia ja kykeneviä turvallisesti eristäytymään monimoduulisesta järjestelmästä aina, kun ilmenee sisäinen vika. Silloin loput moduuleista muodostavat edelleen järjestelmän, joka tarjoaa suojattua syöttötehoa kriittiselle kuormalle ilman häiriöitä.

Kaikkien laitteistojen ja ohjelmistojen integrointi jokaiseen moduuliin antaa mahdollisuuden poistaa kaikki yksittäiset vikakohdat, jotka voivat vaarantaa järjestelmän toiminnan ja tehonsyötön kuormaan. Kommunikointi moduulien logiikkapiirien kesken tapahtuu redundantin datansiirtoväylän kautta.

Kuvassa 1 nähdään tavanomainen ’modulaarinen’ järjestelmä, joka sisältää selviä yksittäisiä vikakohtia, verrattuna Centielin kehittämään DARA-lähestymistapaan, jossa toiminnallisten lohkojen luontainen kyky eristäytymiseen on nähtävissä.

Kuva 1. Online-UPS-järjestelmän arkkitehtuurin vaihtoehdot.

Jokainen CumulusPower UPS -moduuli (kuva 2) voi vaihtoehtoisesti vastaanottaa kahdesta kolmivaiheisesta AC-syöttölinjasta, tyypillistesti pääteholähteestä tai varavoimalähteenä toimivasta dieselgeneraattorista.

Tehoa voidaan syöttää myös akuista, jotka voivat olla yhteisiä useille moduuleille tai moduulikohtaisia (jolloin ne tulee jakaa vähintään kahteen rinnakkaiseen linjaan, joilla on erilliset suojaukset, sulakkeet ja erotuskytkimet vikasietoisuuden saavuttamiseksi). Akuston kokonaisjännite on joustavasti valittavissa tavanomaisissa asennusratkaisuissa, joissa käytetään VRLA-tyyppisiä (Valve Regulated Lead-Acid) tai NiCd- tai Li-ion-akkuja.

Kuva 2. CumulusPower UPS -moduulin sisäinen rakenne.

Paras mahdollinen käytettävyys

DARA-lähestymistapa tarjoaa sekä tehostetun redundanssin että korkeimman mahdollisen käytettävyyden aidosti modulaarisen rakenteen ansiosta. Hajautetun arkkitehtuurin hienous piilee siinä, että se tarjoaa muihin ratkaisuihin verrattuna selvästi lyhyempiä korjausaikoja (MTTR), koska se antaa mahdollisuuden vaihtaa moduulia ’lennossa’ ohjausyksikön vikatapauksissa eikä järjestelmää tarvitse kytkeä ohisyötölle tai akkutoimintaan CPU-vian ilmetessä. Arkkitehtuuri tarjoaa myös erittäin korkeat MTBF-lukemat (Mean Time Between Failures), sillä aina on tarjolla redundantti moduuli, joka ottaa toiminnan haltuun vian sattuessa.

Tämä lähestymistapa varmistaa teollisuuskohteille luokitellun korkeimman mahdollisen ’Nine nines’ -tasoisen käytettävyyden eli 99,9999999%. Tämä on mahdollista, koska käytännössä jokainen CumulusPower-moduuli on itsenäinen kokonainen UPS-laite sen sijaan, että se olisi vain CPU-yksikköön liitetty tehomoduuli, kuten tavanomaisissa modulaarisissa arkkitehtuureissa on tapana.