Nicht nur im totalen Netzausfall - ein Schreckgespenst fuer jeden Netz-Manager -, sondern auch in staendig auftretenden Netzstoerungen wie Ueber- und Unterspannungen, Kurzunterbrechungen, Frequenzfehlern und Hochspannungsimpulsgruppen liegt ein hohes Risiko fuer den Netzbetrieb. Dieter Buecking* schildert in diesem Beitrag strombedingte Ausfallursachen fuer das Netzwerk und skizziert darueber hinaus Kriterien, die bei der Auswahl von Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) beruecksichtigt werden sollten.

Nicht alle Stoerungen werden fuer den Netzadministrator sichtbar. In Wirklichkeit dauert eine Netzstoerung, die am Flackern der Beleuchtung erkennbar wird, fuer einen Mikroprozessor schon viel zu lange, wird aber in der Regel auf die leichte Schulter genommen. Besonders Systeme mit sogenannten getakteten Netzteilen sind extrem absturzgefaehrdet. Die Ursache dafuer ist die auf wenige Millisekunden zusammengedraengte Stromaufnahme dieser Netzteile. Wenn die Netzspannung im Moment der Stromaufnahme auch nur fuer eine Millisekunde ausbleibt, ist ein Systemabsturz unvermeidlich.

Wie haeufig kommen solche Netzstoerungen in der Praxis vor? Im Beobachtungszeitraum von knapp zweieinhalb Monaten registrierte ein an eine 220-V-Steckdose angeschlossenes Aufzeichnungsgeraet 18 Netzstoerungen. Zum Einsatz kam ein handelsueblicher Netzstoerungsschreiber, der auch sehr kurzzeitiger Stoerungen bis hinunter in den Bereich von Nanosekunden erfasst.

Die Stoerungen waren alle so schwerwiegend, dass sie zum Ausfall eines nicht durch USV geschuetzten Systems haetten fuehren koennen. Im einzelnen handelte es sich um

- eine Kurzunterbrechung (Ausfall) mit einer Dauer von 1,5 Millisekunden bis 0,3 Sekunden,

- drei Netzausfaelle, davon

einer mit 47 Minuten Dauer

einer mit 46 Minuten Dauer und

einer mit weniger als einer Minute Dauer,

- sieben Hochspannungspulse (Burst), davon

einer von 600 Volt mit 19 Impulsen

einer von 600 Volt mit drei Impulsen

einer von 500 Volt mit 13 Impulsen

einer von 500 Volt mit fuenf Impulsen

einer von 500 Volt mit drei Impulsen

einer von 400 Volt mit 19 Impulsen

einer von 300 Volt mit drei Impulsen,

- drei Ueberspannungs-Einzelimpulse (Spikes) und zwar

einer von 400 Volt

zwei von 300 Volt,

- eine Ueberspannung (Surge) von mehr als 255 Volt mit weniger als einer Minute Dauer,

- drei Unterspannungen von 175 Volt mit weniger als einer Minute Dauer sowie

- ein Frequenzfehler (Ueberschreitung der Maximalfrequenz) von 51,5 Hertz.

Der laengste zusammenhaengende Zeitraum, in dem keinerlei Netzstoerungen auftraten, lag bei 16 Tagen.

Wie sehen nun die Auswirkungen solcher Stoerungen auf mikroprozessorgestuetzte Systeme wie DV, CAD/CAM, LAN, WAN, PCs und rechnergesteuerte Prozessleitsysteme aus? Folgende Arten von Netzstoerungen wurden aufgezeichnet:

- Kurzunterbrechungen,

- Netzausfaelle,

- Hochspannungspulse,

- Hochspannungs-Einzelimpulse sowie

- Frequenz- und Spannungsschwankungen.

Kurzunterbrechungen dauern oft nur eine oder wenige Millisekunden. Meist werden sie durch Blitzeinschlaege in das Versorgungsnetz und dadurch ausgeloeste Schaltvorgaenge beim Stromversorgungsunternehmen hervorgerufen. Bei Systemen mit getakteten Netzteilen koennen Kurzunterbrechungen zum Ausbleiben der an den Prozessor gelieferten Spannung und damit zum Absturz des Systems fuehren.

Eine weitere schaedliche Wirkung von Kurzunterbrechungen ist der kurzzeitige Wegfall der Steuerung von Magnetplattenlaufwerken. Dadurch kann der in DV-Fachkreisen gefuerchtete "Head Crash" (ungesteuertes Aufsetzen des Lesekopfes auf der Magnetplatte) eintreten. Meist wird dabei nicht nur die Magnetplatte mit Tausenden von Daten beschaedigt, sondern auch das Laufwerk. Der Schaden durch die mechanische Zerstoerung allein kann die Groessenordnung des Investitionsbetrages fuer eine USV erreichen. Dabei sind Folgeschaeden wegen Datenverlustes und zeitaufwendiger Rekonstruktionsarbeiten noch nicht beruecksichtigt.

Netzausfaelle ohne USV-Schutz fuehren regelmaessig zum Stillstand des Systems mit geoeffneten Dateien, Datenverlust und den entsprechenden Rekonstruktionsarbeiten. Nur eine Zahl zur Erlaeuterung des Zeitaufwandes:

In der Unix-Welt eroeffnet das System pro aktiven User ohne weiteres bis zu 200 Hilfs-Files, die bei einem ungeordneten Systemstillstand offen bleiben.

Hochspannungen lassen die Komponenten altern

Hochspannungsimpulse von fast der dreifachen Nennspannung (600 gegenueber 220 Volt) lassen wichtige elektronische Komponenten in Rechnern und artverwandten Systemen vorzeitig altern. Dadurch veraendern sich allmaehlich die elektrischen Eigenschaften dieser Teile, es kommt zu Verarbeitungs- und Systemfehlern. Bei laengerer Dauer fuehren Hochspannungsimpulse ausserdem zur Ueberlastung von Transistoren und Mikroprozessoren und schliesslich zu ihrer Zerstoerung. Das Resultat ist der eines Tages auftretende Systemausfall ohne erkennbare aeussere Ursache und ein kostspieliger Hardware-Austausch.

Einzelimpulse koennen vom Computer als gewolltes Signal missverstanden werden und Verarbeitungsfehler ausloesen. Frequenz- und Spannungsschwankungen erzeugen moeglicherweise Fehler bei der Datenuebertragungsrate innerhalb des Systems und fuehren damit zum Datenverlust im Zwischenspeicher.

Die Auswirkungen von Netzstoerungen gehen ueber rein technische Probleme in elektronischen Systemen weit hinaus. Fuer die Leitung jeder groesseren Organisation sind die Unterbrechungen des Arbeitsablaufes schmerzlich, wie sie durch eine stillstehende DV verursacht werden. So koennen rein technische Vorgaenge wie Netzstoerungen dazu fuehren, dass

- wesentliche Teile des Unternehmens nicht mehr arbeiten koennen,

- die Netzkonfiguration neu gestartet werden muss,

- die Arbeitskraft der Mitarbeiter brachliegt, weil sie keinen Datenzugriff mehr haben und

- Daten verlorengehen, weil sie zum Zeitpunkt der Netzstoerung noch nicht gesichert waren.

Eine Untersuchung von AT&T ueber die statistische Verteilung der Stoerungsarten, die zum Ausfall von Rechnern fuehrten, kommt zu folgendem Ergebnis:

- 87 Prozent entfielen auf Spannungseinbrueche unter den vom Rechner akzeptierten Wert,

- 4,7 Prozent wurden durch einen kompletten Ausfall der Stromversorgung erzeugt und

- in 8,3 Prozent der Faelle waren Spannungsspitzen und Ueberspannung die Fehlerursache.

Aus der gleichen Untersuchung liegen ueber die Auswirkungen auf die betriebenen Mikroprozessor- beziehungsweise Rechnersysteme die folgenden Angaben vor:

- Datenverluste im Zwischenspeicher (35 Prozent),

- Hard- und Softwarefehler (20 Prozent),

- Beschaedigungen und Zerstoerungen an der Festplatte (19 Prozent),

- andere Hardware-Zerstoerungen (18 Prozent) sowie

- Datenverluste im Hauptspeicher (acht Prozent).

In den vergangenen 25 Jahren hat die Elektroindustrie eine Geraetetechnik entwickelt, mit der die meist kostentraechtigen Folgen von Stromausfaellen vermieden werden sollen. Dies betraf Anlagen der chemischen Industrie, Kuehl- und Klimaanlagen, Operationssaele in Krankenhaeusern, medizinische Geraete und Einrichtungen wie Herz-Lungen-Maschinen und kuenstliche Nieren sowie auch schon Computer. Andere Netzstoerungen als totale Stromausfaelle spielten keine besondere Rolle.

Die fuer die Ueberbrueckung von Stromausfaellen entwickelten Vorlaeufer der heutigen USV-Anlagen stellten durch angeschlossene Batterien eine bestimmte Energiemenge zur Verfuegung. Mit diesem Vorrat konnte fuer eine planbare Zeit der Normalbetrieb auch bei Stromausfall aufrechterhalten werden.

Mit der Weiterentwicklung der zu versorgenden Geraete gewann die Frage an Bedeutung: Kann der Stromverbraucher eine kurze Stromunterbrechung vertragen oder nicht? Aus der sich verzweigenden Aufgabenstellung heraus splitteten sich auch die geraetetechnischen Loesungen in absolut unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Online-USV genannt, und Notstromversorgungen verschiedenster Bauweise, denen allen gemeinsam ist, dass bei Stromausfall ein Umschaltvorgang stattfindet.

Fliessende Uebergaenge vom Notstromaggregat

Dieser Umschaltvorgang fuehrt systematisch zu einer Kurzunterbrechung von einigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden Dauer. Waehrend dieser Zeit wird der angeschlossene Stromverbraucher nicht mit Energie versorgt. Die Uebergaenge vom einfachen Notstromaggregat, das durch ein netzabhaengiges Schaltelement aktiviert wird, bis zu Saettigungs-Transformatoren und Umkehrstromrichtern, die unter normalen Netzspannungsverhaeltnissen im Stand-by-Betrieb arbeiten und die Versorgung der Verbraucher erst dann uebernehmen, wenn die Netzspannung sich nicht mehr in einem vorgegebenen Toleranzbereich haelt, sind dabei fliessend. Notstromversorgungen mit einer Umschaltzeit in Millisekunden-Groessenordnung werden etwas irrefuehrend als "Offline-USV" bezeichnet, obwohl sie strenggenommen nicht unterbrechungsfrei Energie liefern.

Die klassische USV in Online-Bauweise verfuegt ueber einen Wechselrichter, an dessen Eingang sowohl die gleichgerichtete Netzspannung als auch die von den Batterien kommende Gleichspannung anliegen. Der Wechselrichter speist die netzstoerungssensiblen Stromverbraucher und bezieht seine Energie von der jeweils hoeheren der beiden Gleichspannungen.

Sinkt also die vom Netz ueber den Gleichrichter gelieferte Gleichspannung unter die Batteriespannung ab, dann wird Energie von den Batterien geliefert. Steigt die Netzspannung so hoch, dass die vom Gleichrichter abgegebene Spannung hoeher ist als die Batteriespannung, dann werden die Batterien nachgeladen. Bei hochwertigen USV-Anlagen ist durch geeignete Regelsysteme sichergestellt, dass zum Schutz von Gleichrichter, Batterien und Wechselrichter gewisse Spannungs- und Stromhoechstwerte nicht ueberschritten werden. Die Online-USV liefert unterbrechungsfrei Energie.

Bei der Frage nach den Anforderungen an das USV-System ist zunaechst zu klaeren: Online- oder Offline-USV. Wie oben beschrieben, produzieren Offline-Systeme Kurzunterbrechungen und damit eine Stoerungsart, die durch den Einsatz einer USV ja gerade von Mikroprozessorsystemen ferngehalten werden soll.

Ist aber die von einer Offline-Notstromversorgung verursachte Kurzunterbrechung mit Sicherheit immer kuerzer als die Zeitspanne, die eine stromlos gewordene Magnetplattensteuerung oder zentrale Recheneinheit gerade noch ohne Systemabsturz uebersteht? Es ist kaum moeglich, diese Frage zuverlaessig zu be- antworten. Daher sind Offline-USVs fuer diese Einsatzmoeglichkeit ungeeignet. Wer auf Nummer Sicher gehen will, sollte die deutlich hoeheren Investitionskosten fuer eine Online-USV nicht scheuen. Dem heutigen Stand der Technik entsprechend, sollte die USV auf jeden Fall einen Kommunikationsanschluss haben. Dieser ermoeglicht die Verbindung zwischen USV und zentraler Recheneinheit des angeschlossenen Systems. Im allgemeinen wird hierzu eine serielle Schnittstelle wie zum Beispiel RS232 (V24) verwendet. Ueber dieses Kommunikations-Interface teilt die USV dem Rechnersystem Aenderungen des Betriebszustandes mit.

Hierzu gehoeren Signale wie "Netzausfall", "Energievorrat der Batterien geht zu Ende", "Beipass-Betrieb" und "USV ok, Netz ok". Diese Signale werden als Messages auf Operator- und User- Bildschirmen sichtbar gemacht.

Rechnersysteme, die rund um die Uhr und 365 Tage im Jahr meist unbeaufsichtigt arbeiten, machen diese Mindestausstattung einer USV zur Voraussetzung. Dies gilt besonders dann, wenn ein vollautomatisches geordnetes Abfahren des Systems bei Netzausfall realisiert werden soll. Fuer die meisten gaengigen Betriebssysteme existieren Softwareloesungen, die bei Netzausfall das Weiterverarbeiten bereits laufender Jobs noch fuer einen vorher geplanten Zeitraum gestatten, bevor im Falle eines laengeren Zusammenbruchs der Netzspannung der eigentliche Abstellvorgang beginnt. Dabei werden die Inhalte des Hauptspeichers gerettet und alle offenen Dateien geschlossen. Auch fuer die automatische Wiederinbetriebnahme des Rechnersystems nach Wiederherstellung der Netzspannung ist auf dieses Weise gesorgt.

Eine weitergehende Ausstattung der USV erlaubt neben den oben erwaehnten Signaluebermittlungen eine detailliertere Uebertragung von Zustandswerten des Netzes und der USV bis hinunter zur einzelnen USV-Baugruppe. Solche Messergebnisse sind zum Beispiel Betriebstemperaturen, die an bestimmten Stellen der USV auftreten. Derartige Kommunikationseinrichtungen ermoeglichen Fernbedienung, aber auch Wartung und Diagnose an den USV-Anlagen. Diese Signale lassen sich ueber Modems uebertragen, so dass ihre Reichweite praktisch unbegrenzt ist. Automatische oder manuelle Ferneingriffe sind mit dieser Ausstattung ebenfalls moeglich.

Der wichtigste Faktor fuer die Betriebssicherheit einer USV ist jedoch ihr Selbstueberwachungs-, Diagnose- und Betriebssystem. Die Leistungsfaehigkeit und Zuverlaessigkeit moderner USV-Anlagen ist in hohem Masse davon abhaengig, welchen Aufwand der USV-Hersteller fuer ein solches System erbracht hat. Je perfekter und sicherer das Betriebssystem, desto hoeher ist der vorher in die USV investierte Aufwand fuer Hard- und Software.

Nur wenige der marktgaengigen USV-Systeme sind in dieser Hinsicht wirklich perfekt ausgestattet. Naturgemaess sind diese Systeme in der Preisspitzengruppe zu finden. Die Unterschiede in der Betriebssicherheit zwischen USV-Anlagen mit einem lueckenlosen, ausgefeilten Sicherheitssystem und der grossen Masse der angebotenen USV-Anlagen rechtfertigen jedoch fast jeden Preisunterschied.

Dies gilt um so mehr, als Faktoren wie Verlustleistung sowie die Lebensdauer der Batterien auf die Dauer wesentlicher zu Buche schlagen als ein Vergleich der reinen, anfaenglichen Investitionskosten. Immerhin darf man bei der Mehrzahl der heute angebotenen USV-Anlagen mit einer Lebenserwartung von 15-25 Jahren rechnen (siehe Kasten).

Beurteilungsfaktoren fuer USV-Anlagen

- Lebenserwartung der Batterie,

- Dauerlastfaehigkeit, ausgedrueckt durch den Crest-Faktor, bei dem die Toleranzwerte fuer Abgabespannung und -frequenz sowie Klirrfaktor der USV gerade noch eingehalten werden,

- Wirkungsgrad und laufende Betriebskosten,

- Sinustreue der abgegebenen Spannung der USV, ausgedrueckt durch den Klirrfaktor,

- Bedieneroberflaeche,

- Ueberlastbarkeit fuer kurzzeitige Ueberlastfaelle ohne automatische Umschaltung in den USV-Beipass,

- Anschaffungspreis sowie

- Gewicht und Abmessungen.