DV-Anlagen reagieren empfindlich auf Schwankungen oder Unterbrechungen der Stromversorgung. Schäden an Hard- und Software, Datenverfälschungen oder -verluste sind die Folge. Günter Böschen zeigt, wie unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) solche Miseren verhindern kann.
Der Netzaufbau und damit die Stromversorgung in der Bundesrepublik gilt im allgemeinen als sicher und zuverlässig. Durch das europäische Verbundnetz, in dem alle großen Kraftwerke Westeuropas zusammengeschaltet sind, kann eine recht sichere Versorgung gewährleistet werden. Aufgrund der Vernetzung auf allen Spannungsebenen sind Ausfälle nur auf regionale Bereiche begrenzt.
Kurzzeitige Stromstörungen sind allerdings öfters zu beobachten. Im allgemeinen stören sie elektrische Geräte nicht. DV-Anlagen reagieren aber auf solche Störungen besonders empfindlich.
Grundsätzlich können die Stromstörungen in vier Gruppen unterteilt werden: langfristige und kurzfristige Versorgungsunterbrechungen, verzerrte Netzspannungen sowie Spannungs- und Frequenzschwankungen.
Kurzunterbrechungen werden in erster Linie durch die Netzschutzeinrichtungen in Freileitungsnetzen verursacht. Um die Übertragungsleitungen vor größeren Schäden zu schützen, wird bei Lichtbogenüberschlägen die betroffene Leitung kurzzeitig abgeschaltet, um den Lichtbogen zu löschen. Die Zeitdauer der Abschaltung liegt zwischen 0,3 und 5 Sekunden. Durch die Trägheit des Netzes macht sich diese beim Verbraucher nur sehr kurz bemerkbar.
Verzerrte Netzspannungen entstehen durch die Überlagerungen von Oberwellen, also Spannungen mit höherer Frequenz als die normale Netzfrequenz. Sie entstehen in der Verbraucheranlage und werden in das Netz zurückgespeist und verformen dabei die Grundwelle.
Spanaungsschwankungen werden durch das Ein- und Aus schalten großer Verbraucher verursacht.
Zu Frequenzschwankungen kommt es zum Beispiel bei Eigenerzeugungsanlagen wie Dieselaggregaten und Blockheizkraftwerken.
Bei den Freileitungen des öffentlichen Netzes kann es durch Gewitter, Sturm oder Schmutzablagerungen zu Störungen kommen. Bei Erdkabeln sind häufig Isolationsfehler oder auch mechanische Zerstörungen beispielsweise durch Baumaßnahmen Störfaktoren. Die häufigste Ursache für Stromunterbrechungen im öffentlichen Netz sind aber kurze Abschaltungen als Folge von Lichtbogenüberschlägen
Auch Anlagen der Endverbraucher können sich negativ auf die Stromversorgung aus wirken. Bei Industriebetrieben sind dies vor allem Rückwirkungen von Schweißanlagen, phasenanschnittgesteuerte Gleichrichter, bei Bürogebäuden Klimaanlagen, Fahrstühle und Beleuchtungsanlagen .
Die häufigsten Stromstörungen sind Kurzunterbrechungen im Millisekundenbereich. Wie häufig sie auftreten, geht aus einer Erhebung hervor, die vom FTZ (Fernmeldetechnisches Zentralamt) durchgeführt wurde. Nach dieser Untersuchung gibt es im Jahr durchschnittlich 100 Netzausfälle unter 20 Millisekunden Dauer und rund 30 Ausfälle, die im Bereich zwischen 20 Millisekunden und einer Sekunde auftreten.
Die DV-Hersteller haben in ihren technischen Unterlagen die Anforderung an die Stromversorgung spezifiziert. Größere Anlagen lassen im allgemeinen überhaupt keine oder nur sehr kurze Unterbrechungen und nur geringe dynamische Spannungsschwankungen zu. Die Spannung darf bis 1,7 Millisekunden ausfallen, nach 15 Millisekunden muß mindestens 70 Prozent der Nennspannung und nach 100 Millisekunden muß der Grenzwert von 90 Prozent erreicht sein. Auch Überspannungen bis 1,7 Millisekunden haben keine negativen Auswirkungen, bei 2 Millisekunden Dauer sind noch 90 Prozent Überspannung erlaubt. Überspannungen, die länger als 15 Millisekunden dauern dürfen, die Nennspannung um höchstens 6 Prozent überschreiten.
Die Anwender müssen sich entscheiden, ob die durch Stromstörungen verursachten DV-Ausfälle und ihre Folgen für den Betriebsablauf durch organisatorische Mittel auffangen können oder ob mit einer technischen Lösung Abhilfe geschaffen werden muß. Für Unternehmen, in denen große Datenmengen bewegt werden wie in Versicherungen und Banken, kann ein längerer Ausfall der DV-Anlage den Ruin bedeuten. Dieses Risiko ist in anderen Branchen nicht ganz so groß.
Letztendlich muß jedes Unternehmen diese Werte in einer individuellen Risikoanalyse ermitteln, um daraus Rückschlüsse für die Entwicklung eines eigenen Sicherheitskonzeptes zu ziehen.
Eine USV-Anlage ist eine Möglichkeit zur sicheren Stromversorgung, da sie Spannungsschwankungen und kurzzeitige Ausfälle kompensiert. Bei längerfristigen Ausfällen bietet dervorhandene Energiespeicher ausreichend Energie, um begonnene Rechenoperationen zu beenden beziehungsweise die im Hauptspeicher befindlichen Daten auf Speichermedien zu bringen. Funktioniert die Stromversorgung wieder, ist ein Re-Start ohne Probleme möglich.
Eine solche USV-Anlage besteht im wesentlichen aus einem Gleich- und einem Wechselrichter. Als Energiespeicher wird eine Batterie eingesetzt. In Wechselrichtern wird heute überwiegend das Puls-Breiten-Modulationsverfahren (PWM-pulse width modulation) angewandt, das mit Transistoren oder Thyristoren arbeitet. Der Transistor hat hier wegen seiner kürzeren Schaltzeiten und der daraus folgenden höheren Taktfrequenz wesentliche Vorteile. Momentan sind Transistoren bis rund 300 A verfügbar. Bei größeren Leistungen müssen mehrere Transistoren parallel geschaltet werden. Je mehr Transistoren jedoch parallel geschaltet werden, desto unzuverlässiger wird das System. Bei Leistungen größer 100 kVA werden deshalb überwiegend Thyristoren eingesetzt.
USV Anlage wird vor die DV-Anlage geschaltet
Als Energiespeicher dienen überwiegend wartungsfreie, verschlossene Bleibatterien, die bei kleinen Anlagen im Anlagenschrank eingebaut sind. Es werden hierfür keine besonderen Batterieräume benötigt, wie dies früher bei offenen Batterien der Fall war. Bei größeren Systemen ist es sinnvoll, die Batterie aufgrund ihrer Baugröße und der Gewichte in einem separaten Raum aufzubauen. Auch sollte hier eine Trennung von USV-Raum und Batterieraum erfolgen, damit die Batterie nicht unnötig hohen Temperaturen ausgesetzt wird. USV-Anlagen gibt es heute für jeden Anwendungsfall. Angefangen von der PC-Einzelplatz-Versorgung bis zum Großrechner mit einigen hundert kVA-Leistungsbedarf.
Eine USV-Anlage wird vor die DV-Anlage geschaltet, was bei kleineren Anlagen ohne Installationsarbeit möglich ist. Die USV-Anlagen sind mit Anschlußsteckern und Steckdosen für die zu versorgenden DV-Geräte versehen und können vom Anwender einfach eingesteckt werden. Für mittlere und größere Systeme ist eine Installation erforderlich, die von den örtlichen Gegebenheiten abhängig sind. Anlagen bis zu etwa 100 kVA können im Rechnerraum installiert werden. Für größere Anlagen sind separate Technikräume erforderlich. Bei der Planung sind im wesentlichen Gewicht (Bodenbelastung), Verlustleistung (Belüftung, Klimatisierung) und Geräuschentwicklung zu beachten. Die Geräuschentwicklung von USV-Anlagen ist bei Leistungen bis ungefähr 100 kVA unbedeutend. Bei größeren Anlagen muß mit einem Geräuschpegel von 75 I dB(A) und mehr gerechnet werden.
Bei der Projektierung von USV-Anlagen sollte zunächst festgelegt werden, welche Verbraucher aus der USV versorgt werden sollen. Bei einem RZ-Neubau empfiehlt sich der Aufbau eines getrennten Versorgungsnetzes, an das nur DV-Geräte angeschlossen werden. Eine Leitungsverlegung, zusammen mit Datenleitungen in entsprechenden Kanälen, bedeutet keinen wesentlichen Mehraufwand. In vorhandenen Anlagen ist in den meisten Fällen nur die Lösung "Maschinenraum" durchführbar.
Bei heutigen DV-Anwendungen, bei denen häufig ein Betrieb ohne Operator gefahren wird, muß bei Stromausfällen automatisch ein Notprogramm gestartet werden. Hierfür ist die Meldung "Batteriebetrieb" beziehungsweise "Stromausfall" von der USV an die DV-Anlage zu geben. USV-Anlagen haben hierfür die entsprechenden Schnittstellen. Zum Standard gehören Interfaces für Novell-Netzwerke und die AS/400. Für Großrechnersysteme gibt es entsprechende Lösungen, die zum Teil von USV- und Rechnerhersteller gemeinsam erarbeitet wurden.
Der Anwender sollte sich jederzeit über den Status der USV-Anlage informieren können. Bei Systemen, die im Anwenderbereich stehen, ist über die Anzeigeeinheiten an der Anlage die Information abrufbar. Jede betriebsbedingte Zustandsänderung wird akustisch und optisch gemeldet. Bei räumlich abgesetzten Anlagen ist die Installation einer Fernmeldeeinheit erforderlich. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Meldungen an eine Zentrale Gebäudeleittechnik (ZLT) anzubinden .
Die USV-Anlage besteht aus einer Vielzahl von Bauelementen und deren Verbindungen. Der Ausfall eines Bauelementes oder einer Verbindung zieht den Ausfall der USV-Anlage nach sich. Der mittlere Ausfallabstand MTBF (Mean Time Between Failure) der Anlage liegt bei durchschnittlich 100 000 Stunden, was rund elf Jahren entspricht.
Diese Werte lassen sich beispielsweise durch das Hinzufügen eines Reserve-USV-Blockes als redundante Parallel-Anlage steigern. Hiermit wird die MTBF auf das Vier- bis Fünffache erhöht.
Die USV-Anlage dient zur Überbrückung von NetzausfälIen, die bis zu 30 Minuten dauern. Wird eine längere Versorgungszeit gefordert, ist hierfür zusätzlich ein Dieselaggregat erforderlich.
Zusätzlich deshalb, weil ein Dieselstromerzeuger eine Anlaufphase braucht und erst dann die Stromversorgung übernehmen kann. Hierbei werden neben dem Rechner auch die Klimaanlage, die Beleuchtung sowie alle für einen Rechnerbetrieb erforderlichen Anlagen mit Hilfe der Notstromversorgung betrieben.