Последовательное резервирование (Serial Redundancy)

Часть I

Схема "Резервирование Hot-standby / Serial Redundancy"

Большинство промышленных ИБП имеют два входа - главный (вход выпрямителя, rectifier input, main input) и резервный (вход байпаса, Bypass input).

Все ИБП имеющие два входа могут использоваться в системе с последовательным резервированием. Примеры ИБП поддерживающих схему включения "Serial Redundancy": Power-Vision Black THD 3/1, Power-Vision 3F, Safe-Power Evo, Power-Vision Black MP 3/3, Power-Vision HF, Power-Vision W и др.

Схему с последовательным резервированием также называют "Serial Redundancy", "Hot-standby redundancy" или "Резервирование Hot-standby"

Cистема "Последовательное резервирование Hot-standby" показана ниже на рис. 1.

Цель последовательного резервирования - повышение надежности системы электроснабжения критичного оборудования путем последовательного соединения ИБП. Так же растёт время автономии по сравнению с одиночным ИБП.

Стандартная система с последовательным резервированием состоит из одного основного (ведущего/ master) модуля ИБП и одного резервного (ведомого/slave) модуля ИБП (для нестандартных систем количество как основных так и резервных модулей больше). Основной модуль работает на нагрузку. Резервный модуль используется в качестве резервного источника питания для входа Байпас основного модуля системы.

При пропадании питания на входе, оба ИБП переходят в автономный режим работы, нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта основного ИБП. Если к моменту его разряда питание не восстановится, произойдет автоматический переход основного ИБП в Байпас, т. е. в итоге нагрузка будет питаться от резервного блока ИБП (нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта резервного ИБП).

Можно считать, что эта система является частным случаем системы с избыточным резервированием N+1(N+X) так как имеет следующую логику работы: если велинчина нагрузки не превышает нагрузочную способность N блоков ИБП, то поломка* одного любого (и более до X) ИБП не приведёт к отключению нагрузки, и оставшийся исправный ИБП (или N блоков ИБП) продолжит питать нагрузку.

Возможность системы продолжить питание нагрузки при поломке одного из модулей (с учётом своевременного ремонта вышедшего из строя ИБП) резко повышает надёжность системы так как вероятность одновременной поломки обоих ИБП ничтожно мала.

Отличие по логике от стандартной параллельной системы (N+1)N+X (parallel redundant) заключается в поочерёдном, а не синхронном исчерпании энергии батарей (при использовании единого батарейного кабинета этого отличия нет), а также в отсутствии распределения нагрузки между блоками ИБП. Применение данной схемы особенно эффективно для On-Line ИБП имеющих нулевое время переключения Байпас<->Инвертор, таких как Power-Vision Black 3/1(1/1). Если же используются ИБП с ненулеым временем прехода Байпас<->Инвертор, то, тот факт, что время переключения не равно нулю -является серьёзным отличием (ухудшением) по сравнению с системой с параллельным резервированием (в параллельных системах, для большинства типов OnLine ИБП, время переключения между блоками равно нулю).

 

 

Принцип работы схемы "Резервирование Hot-standby"

Нормальный режим работы (входная сеть в норме):

 

 

Рис. 2 показывает нормальный поток энергии когда входная сеть в норме. Поток энергии поступает на основной ИБП и с него на нагрузку. Резервный ИБП работает в холостом режиме. Если на основном ИБП произойдёт авария, он перейдёт в байпас и нагрузка будет запитана от резервного ИБП как показано на рис.3:

 

 

Если сеть не в норме или отсутствует, то оба ИБП перейдут в батарейный режим . Поток энергии поступает из батарей основного ИБП на нагрузку. Резервный ИБП работает в холостом режиме. Если на основном ИБП разрядются батареи или произойдёт авария, он перейдёт в байпас и нагрузка будет запитана от резервного ИБП который будет питать нагрузку до разряда батарей. Если сеть восстановится, то система переходит в нормальный режим работы.

 

 

---

* это справедливо для случая если авария ведущего (основного/Master) ИБП - любая авария любого блока (инвертор, ЗУ и др.) при которой остаётся исправной линия Байпас. Для классического случая системы с избыточным резервированием N+1(N+X) этого ограничения нет.

 

По этой причине MTBF системы Hot Standby меньше чем MTBF системы Parallel Redundant.

Часть II

Отличия системы бесперебойного питания с последовательным резервированием "Hot-Standby" от системы с параллельным резервированием "N+X".

Ниже приведён пример сравнения 2х систем:

• Система #1: 10кВА(9кВт) +10кВА(9кВт) паралл. резерв. N+1 (с отдельными бат. блоками)

• Система #2: 10кВА(9кВт) +10кВА(9кВт) послед. резервирование (с отдельными бат блоками)

Ниже рассмотрен пример когда пользователь выбрал систему #2 (10кВА(9кВт) +10кВА(9кВт) с последовательным резервированием (с отдельными бат блоками))

вместо системы #1 (10кВА(9кВт) +10кВА(9кВт) с паралл. резерв. N+1 (с отдельными бат. блоками)):

 

 

1 если нагрузка равна 9...18кВт, то система#1 будет нормально работать как единый ИБП мощностью 20кВА/18кВт

в то время как #2 работать не может т.к. её макс. нагрузочная способность равна 0...10кВА(0...9кВт). Это справедливо когда ИБП системы #1 поддерживают как избыточное так и силовое (power redundant parallel operation) резервинование.

 

2 если нагрузка равна 0-9 кВт то разница в логике приведена ниже:

-в системе #1 равномерно делится нагрузка между ибп то-есть износ равный, а в системе#2 износ поочередный -сначала ибп-master затем ибп-slave

-в системе #1 равномерно делится нагрузка между сборками акб (в бат. режиме) то-есть износ равный а в системе#2 износ поочередный -сначала работает акб ибп-master затем уже акб ибп-slave

-в системе#1 mtbf(наработка на отказ) выше (при условии своевременного ремонта любого ибп при возм. аварии)

потому что, при поломке любого ибп, оставшийся исправный ибп продолжает питать(защищать) нагрузку, в то время как

в системе#2 при тяжёлой аварии в master-ибп (поломка блока Байпаса), нагрузка обесточится даже при условии что slave-ибп и его акб исправны.

 

- Недостатки Hot Standby по сравнению с N+X parallel:

• ресурс ибп и акб исчерпывается неравномерно

• если авария главного ибп тяжелая, так что повреждена его линия Электронного Байпаса то нагрузка обесточится (в таком же случае в N+X системе нагрузка не обесточится, но продолжит питаться от оставшегося второго исправного ибп)

• power redundant невозможно (power redundant - это мощностное резервирование, то-есть когда система из 2х ибп способна питать нагрузку мощность которой равна сумме мощностей обоих ибп системы)

• в большинстве случаев единый батарейный кабинет невозможен (не рекомендован) хотя возможны исключения (В параллельных системах более часты случаи когда производитель допускает/рекомендует использовать единый батарейный кабинет для всей параллельной системы. Преимущество единого бат. кабинета заключается в том, что, при поломке одного из ИБП часть АКБ (то-есть их энергия) не теряются для системы несмотря на потерю ИБП, в то время как в параллельной системе где каждый ИБП имеет свой бат. кабинет - с потерей(при аварии) ИБП теряются и его АКБ.)

• время переключения между блоками может быть не равно нулю если в ТХ ИБП указано что время перехода на Байпас не равно нулю -итог: провал на нагрузке длительностью обычно 2-6мс, что обычно некртично для нагрузок имеющих импульсные блоки питания (компьютеры, сетевые устройства, телевизоры, светодиодные лампы и т.п. ).

• MTBF (наработка на отказ) хуже

 

+ Преимущества Hot Standby по сравнению с N+X parallel:

• нет коммуникационных (электропровода или оптика) кабелей между ИБП системы- меньше связей -меньше риск их повреждений -выше надёжность (общий mtbf хуже, но для условий где повышена опасность повреждения коммуникаций -mtbf выше). Таким образом есть 2 независимых блока ИБП соединённых только силовыми кабелями и не обменивающихся никакими сигналами -надёжность повышенная в тяжёлых условиях. Точных подтверждений и стандартов не имеется, но имеются факты приобретения таких систем военными связистами, что предположительно связано именно с повышенной надёжностью и как следствие, возможно, наличием спецтребований именно на такую схему резервирования.

• ремонтопригодность системы высокая так как блоки ИБП могут быть заменены даже на ИБП другой марки.

• В параллельной N+X системе это невозможно: при необходимости замены одного из ИБП требуется такой же ИБП с аналогичными прошивкой и платой параллельной работы что может быть затруднено по двум) причинам:
  - ИБП даже одного года выпуска могут иметь разные прошивки и не работать в параллель
  -на момент когда потребуется сменить один из ибп, например через 8 лет, невозможно будет приобрести парный ибп с такой же прошивкой, по той причине, что он мог быть снят с производства и техподдержка по прошивкам прекращена, то же касается и комплектации запчастями]

• проще

• дешевле, кроме случаев когда опция "N+X параллель" включена по умолчанию в стандартную поставку ИБП, что бывает далеко не всегда

• можно строить системы с числом ИБП более 3 и комбинированные системы содержащие и послед. и паралл. резервированные подсистемы

• при общей простоте схемы, есть возможность строить схемы с питанием от 2х независимых фидеров в том числе несинхронизированных.

 

Особенности

• в отличии от Parallel Redundant нельзя чинить/обслуживать главный ИБП с полным его выводом из линии. Но можно чинить/обслуживать главный ИБП с переводом его на ручной байпас.

 

 

---

Дополнение 1

 

Выше приведена стандартная терминология Последовательная система/Параллельная система.

Термин N+X используется для обозначения системы состоящей из N+X ИБП (например 3+2=5 блоков ИБП), где:

--------

N – это число ИБП суммарной мощности которых достаточно чтоб тянуть нагрузку (например N=3).

X – это число избыточных (резервных) ИБП суммарная мощность которых может быть потеряна для системы (X штук ИБП могут сломаться) без ущерба для защищённого питания нагрузки (например X=2).

(Пример -имеем систему 3+2=5 ИБП (N=3, X=2): если 2 любых ибп сломаются то три оставшиеся продолжат питать нагрузку)

В различных источниках, в том числе в интернете может встретиться другая терминология и много похожих и близких терминов. Это связано с отсутствием единых нормативов на эту терминологию и с тем фактом что эти термины используются не только для резервирования ДГУ и ИБП но и в другой технике - например дублирование систем управления в летательных аппаратах, причём каждый производитель может вводить свою терминологию.

 

Пример разных терминнов для систем с резервирование - вот пример терминологии

[согласно источника

https://en.wikipedia.org/wiki/N%2B1_redundancy

"Redundancy: N+1, N+2 vs. 2N vs. 2N+1". datacenters.com. 2014-03-21. Retrieved 2014-06-29.

https://www.datacenters.com/news/redundancy-n-1-n-2-vs-2n-vs-2n-1-part-ii

]:

Одиночная система (система с одним выходом содержащая несколько БП)
Термин	Перевод /Замечания
Основные термины: Подразумевается что есть единственная нагрузка.
N is simply the amount required for operation.	Число N - это число блоков питания (БП) требуемых для питания нагрузки
N+1 represents the amount required for operation plus a backup.	N+1 - система состоящая из N штук БП плюс одни запасной БП
N+X means amount required for operation plus X of whatever you need to ensure resiliency.	N+X - система состоящая из N штук БП плюс X штук запасных БП
2N+X	термин применим только к мультисистемам (cм. ниже)
[[[[ Примеры Дополнительных терминов: __ Замечание 1- в применении к одной системе с одним выходом эти термины некорректные так как затрудняют понимание количиства рабочих и резервных блоков Пример возможной путаницы для данной терминологии: - например для N=2 термины 2N+2 может читаться как 4+2 (4 ИБП рабочих, 2 ИБП избыточных(резервных)), а может читаться как 2+2+2=2+4 (2 ИБП рабочих, 4 ИБП избыточных(резервных)) - например для N=2: термин 2N может значить систему 2+2 (2 ИБП рабочих, 2 ИБП избыточных(резервных)) -это нормально, но при этом непонятно как отличить его от термина 2N означающего двухвыходную мультисистему содержащую 2 подсистемы (каждая подсистема содержит N штук ИБП) Чаще эти термины применяются только к мультисистема -см  таблицу ниже. (Для обычных систем достаточно терминов N/N+1/N+X описанных выше) В целом следует отметить, что, если кроме основных терминов N/N+1/N+X пытаются ввести новые термины -2N+2 и т.п., то основная проблема заключается в невозможности понять что термин описывает -одиночную систему или мультисистему, например 2N+2 может значить одиночную систему а может значить мультисистему (N+1)+(N+1). Во избежание ошибок рекомендуется для мультисистем указывать подсистемы в круглых скобках, тогда путаницы нет -см Дополнение 2. ]]]]
2N means that you have two times the amount required for operation.	2N (или 2*N)- система состоящая из N штук БП (достаточных для работы нагрузки)плюс ещё N штук запасных БП тоесть система N+X где X=N
2N+1 means that you have two times the amount required for operation plus a backup.	2N+1 - система состоящая из N штук БП (достаточных для работы нагрузки)плюс ещё N+1 штук запасных БП
2N+X means that you have two times the amount required for operation plus X backup units.	2N+X - система состоящая из N штук БП (достаточных для работы нагрузки)плюс ещё N+X штук запасных БП

 

 

Система содержащая несколько подсистем (Мультисистема) Каждая подсистема имеет один выход и содержит несколько БП (мультисистема содержит нескольких (под)систем "System plus System redundant" (isolated parallel / multiple parallel bus / double-ended / ))
Термин	Замечания
Основные термины Подразумевается что есть единственная нагрузка.
2*(N+X)             или в общем случае Y(N+X) Возможны другие обозначения того же самого: Например имеем N=1, X=1, имеем систему 2(N+1), так же она может обозначаться как: ...2N+2-ложный термин тк можно подумать что это мультисистема из 2 подсистем (для которой правильная запись: (N)+(N+2)   ...(N+1)+(N+1) -правильный номальный термин	2*(N+X) - имеется 2 параллельных системы (каждая N+X) Такая система может питать как двухвходовые нагрузки так и одновходовые нагрузки через STS См. рис. ниже:

 

 

 

 

Дополнительные термины: __ Замечание 1- в применении к мульти-системе эти термины чаще всего могут иметь следующие значения: Более правильно указывать подсистемы в скобках -см Дополнение 1.
2N правильное обозначение (есть 2 подсистемы)	2N - система имеет два выхода и содержит 2 подсистемы, каждая подсистема содержит N блоков БП. Более правильная запись: (N)+(N).
2N+1	2N+1 - система имеет два выхода и содержит 2 подсистемы: одну подсистему N+1 и одну подсистему N Более правильная запись: (N)+(N+1).
2N+X	2N+X - система имеет два выхода и содержит 2 подсистемы: одну подсистему N+X и одну подсистему N Более правильная запись: (N)+(N+X).
Редкие термины -используются для многовыходных "System plus System redundant" а также для обычных многовыходных систем (система содержит несколько одиночных ИБП, а нагрузки имеют несколько входов или STS) Ниже -пример термина для обычной системы (немультиситема): Термины с дробями применяются когда система БП не имеет одного выхода и соответственно не имеет одной нагрузки, а имеет несколько выходов и распределённые многовходовые нагрузки (например собственные блоки питания серверов имеют два входа тоесть они имеют микро-АВР на входе)
3N/2 - you could have three different UPS systems. Each system could be backing up a separate system. Sound confusing? It is. For example, UPS A could be backing up Server Group B and Server Group C. UPS B could be backing up Server Group A and Server Group B. UPS C could be backing up Server Group A and Server Group C. This means that there are three UPSs always backing up at least two Server Groups. This type redundancy design can be immensely chaotic. It requires a lot of attention to detail and special configuration when balancing and managing load.	3N/2  -эта запись означает что: N -это число ИБП достаточное для защиты такого числа нагрузок которое указано после дроби -в данном случае для защиты (для питания) 2х нагрузок 3 -общее число подсистем 2 -число нагрузок которые способен тянуть один ИБП (в аварийном режиме если др. ИБП сломается). _ Пример: Система 3*1/2 N=1 -это число ИБП достаточное для питания двух нагрузок. (одна подсистема это один ИБП) 3 -общее число подсистем 2 -число нагрузок которые способен питать один ИБП ИБП1 подаёт питание на сервер 2 и сервер 3 ИБП2 подаёт питание на сервер 1 и сервер 2 ИБП3 подаёт питание на сервер 1 и сервер 3 Когда нет аварий: - Сервер2 (приоритетный ввод) питается от ИБП1 - Сервер1 (приоритетный ввод) питается от ИБП2 - Сервер3 (приоритетный ввод) питается от ИБП3 Если ИБП1 сломается то источнику ИБП2 придётся питать две нагрузки -сервера 1 и 2.
4N/3, 4N/2	----//----

Дополнение 2

Рекомендуемые Правильные термины:

N - это число блоков питания (БП) достаточных для питания нагрузки

X - число резервных (избыточных ) ИБП которые могут быть убраны/сломаны без ущерба для нагрузки

N+X или N+[X] -сумма где вначале идёт число рабочих а затем резервных ИБП в одной системе

[ ] - (для одиночных систем) в квадратных скобках указываются резервные блоки ИБП (которые могут быть убраны/сломаны без ущерба для нагрузки). Если скобок квадратных нет, то в любой сумме -число N в первом слагаемом означает рабочие ИБП (достат. для питания нагрузки), второе слагаемое -означает резервные ИБП. Суммы содержащей более двух слагаемых быть не может так как в системе только 2 типа ИБП рабочие и резервные и они учтены.

[ ] - (для мультисистем) в квадратных скобках указываются резервные подсистемы (которые могут быть убраны/сломаны без ущерба для нагрузки). Если скобок квадратных нет, то в любой сумме первая подсистема -это рабочая подсистема, остальные -резервные.

Когда нагрузкой являются двухвходовые сервера, то более двух рабочих подсистем сделать невозможно, так как в стандартной мультисистеме "без дробления нагрузки", только 2 подсистемы своими двумя выходами способны питать двухвходовую нагрузку поэтому остальные подсистемы -резервные

() - скобки круглые -в круглых скобках указывается одна подсистема при обозначениях в мультисистемах

* -(для одиночных систем) после знака умножения пишется число N тоесть число рабочих ИБП способных тянуть нагрузку. Произведение полученное в результате умножения -это общее число ИБП в системе (рабочие +резервные).

* -(для мультисистем) знак умножения означает увеличение числа подсистем в столько раз на сколько умножаем. После знака умножения указывается подсистема могущая питать одну нагрузку, перед знаком умножения -число подсистем. В общем, при таких обозначениях, системой может быть и один ИБП.

/ - (дробь- знак деления) в мультисистемах после дроби стоит число нагрузок которое способна питать одна подсистема, при этом подразумеваются многовходовые нагрузки (нагрузка с АВР на входе или добавление STS) и симметричное распределение нагрузок. Нагрузок несколько. Таким образом нагрузка дробится между подсистемами.

Замечание: -в параллельных одиночных системах выходы ибп запараллелены. Но в мультисистеме выходы подсистем параллелить нельзя (так как есть проблема синхронизации инверторов подсистем).

Замечание: если для сокращения термина пишется умножение, то подразумевается 2 слагаемых например 2(N)+1 это тоже что (N)+(N+1). Для мультисистем состоящих из трёх и более подсистем надо писать подробно всю сумму например есть система (N)+(N+1)+(N+2) -это правильная запись, а сокращать вот так нельзя-3(N)+3 так как тогда неясно сколько подсистем и сколько в каждой из них резервных блоков.

Замечание: в системах с дроблением нагрузки возможно нет строго деления (ко количеству) на рабочие подсистемы и резервные подсистемы так как возможен случай (при аварии) когда часть нагрузок при аварии будет питаться, а часть -нет. Но при необходимости можно ввести строгое определение для числа рабочих подсистем - это количество рабочих подсистем достаточное для питания всех имеющихся нагрузок.

Пример обозначений:

 

2N -одиночная система N+X где X=N (пример для N=2 получаем систему N+2 или 2+2: 2 ИБП рабочих, 2 ИБП избыточных(резервных))	Parallel redundant 2*2 или Parallel redundant 2+2 система
2(N) - двухвыходная мультисистема содержащая 2 подсистемы (каждая подсистема содержит N штук ИБП в режиме power parallel)	2*(2) или (2)+(2) мультисистема
2N+1 то же что N+X где X=N+1 N-число блоков достат. для питания нагрузки. например для N=1 получаем систему 1+2 или N+2 где N=1 (это более правильная запись!) (считать что 2N это число рабочих(нерезервных) ИБП неправильно т.к. во всех источниках указано что N- число рабочих ИБП способных питать нагрузку, а коэффициент на который умножается N-это запас// .... times the amount required for operation. )	Параллельная система 1+2 (или 2N+1 для случая N=1)
2(N)+1 это тоже что (N)+(N+1) подсистема c количеством (N) ИБП способна питать нагрузку, остальное-резерв	мультисистема 2(N)+1 для N=1      или  (1)+(1+1)
2+1 или 2+[1] или N+1 где N=2 (или N+[X] где N=2, X=1) одна одновыходная система содержащая 2 рабочих и один резервный ИБП	Параллельная система 2+1
(1+1)+[(1+1)] - двухвыходная мультисистема содержащая 2 подсистемы типа (N+1) где одна подсистема рабочая, а вторая подсистема является избыточной (резервной) другая запись того же самого: (N+1)+[(N+1)] где N=1 2*(1+1) 2*(N+1)  где N=1 2(N+1)  где N=1	система 2(1+1)
(1+1)+[(1+1)]+[(1+1)]  - двухвыходная мультисистема содержащая 3 подсистемы типа (N+1) где одна подсистема рабочая, а вторая и третья подсистемы являются избыточными (резервными) другая запись того же самого: (N+1)+[(N+1)]+[(N+1)] где N=1 (1+1)+2*[(1+1)] 3*(1+1) 3*(N+1)  где N=1 3(N+1)  где N=1	система 3(1+1)
(1+1)+(1+1)+[(1+1)]	эта система невозможна без дробления нагрузки (возможный пример - 3(1+1)/2 см. ниже)
3N/2 -пример для N=1: Каждая из трёх подсистем содержит всего один ИБП. ИБП питают отдельные группы нагрузок	система 3*1/2 (красный цвет -случай аварии на системе 1)
4N/3, -пример для N=1 Каждая из трёх подсистем содержит всего один ИБП.
4N/2 -пример для N=1 Каждая из трёх подсистем содержит всего один ИБП.
3(N+1)/2	-та же схема что 3N/2 но только каждая подсистема содержит не N ИБП, а N ИБП + один резервный ИБП. Схема распределения выходов нагрузок не меняется.

 

 

 

---

 

1 https://en.wikipedia.org/wiki/N%2B1_redundancy

"Redundancy: N+1, N+2 vs. 2N vs. 2N+1". datacenters.com. 2014-03-21. Retrieved 2014-06-29.

https://www.datacenters.com/news/redundancy-n-1-n-2-vs-2n-vs-2n-1-part-ii

2 Comparing UPS System Design Configurations / KevinMcCarthy, EDG2Inc. Viktor Avelar, Schneider Electric

3 https://whatis.techtarget.com/definition/N1-UPS

4 https://www.ecopowersupplies.com/blog/parallel-ups-systems-configurations

5 https://community.hpe.com/t5/BladeSystem-General/N-N-and-N-1-Redundancy/td-p/4566399