Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

высоконадежных устройств, либо за счет избыточности, либо и тем и другим

способом. В любом случае это будет стоить денег.

Второй фактор (избыточность) может быть одинаково важен, или, в не-

которых случаях, даже более важен. Если какой-то узел отказывает и его нет

на складе, то время MTTR может вырасти до нескольких недель, создается

крайне нежелательная ситуация. Из этого следует, что было бы лучше хра-

нить на складе все необходимые запчасти, блоки и готовые узлы, а также

сменные карты. Это может стать главной статьей расходов, которые, как

известно, неэффективны. Например, операционные карты могут лежать на

складе годами, и их использование будет нулевым. Они, может так случить-

ся, не будут использованы в течение всего срока службы системы.

Руководящие указания в этом случае можно найти в разделе 7

стандарта Telcordia SR-TSY-000385, Reliability Manual (Руководство по

надежности) [12.15]. Их основной принцип основан на показателе

непрерывности сервиса (SCO), используя который мы потребовали бы

доступности для основной линии ВОСП большой дальности, по крайней

мере, 99,99%, для Telcordia SCO эта величина составляет 99,9%. Она

приводится обычно для большого количества используемого оборудования

(например, 160000 регенераторов); наши числа значительно меньше.

Математически, Руководство по надежности использует произведение

NRT, где N — число блоков, находящихся в обслуживании; R — скорость

замены в блоках в час; Т - среднее время выполнения операции в часах.

Наша концепция (применительно к запасным частям) состоит в том,

чтобы требовать минимизации числа различных запасных частей. Например,

для ВОСП большой дальности все узлы передатчиков должны быть

одинаковы и взаимозаменяемы, использующими те же самые лазерные

диоды. Все узлы приемников должны быть теми же самыми и т.д. Мы можем

использовать для запасных частей нормы, приведенные в разделе 7 стандарта

Telcordia (Руководство по надежности), например, для передатчиков,

используя значение SCO.

Для оптоволоконных систем, покрывающих большие географические

пространства, центры обслуживания должны располагаться там, где прожи-

вает обслуживающий персонал. Идея здесь в том, что это позволяет умень-

шить время на разъезды персонала к месту аварии. Каждый такой центр

должен иметь небольшой склад запчастей. Мы должны иметь представление

о частоте выхода из строя для каждого узла или карты. Опираясь на эти

данные, мы рассчитываем число узлов/карт, которое должно хранится в за-

пасе на складе центра обслуживания. Ожидается, что эти центры обслужи-

вания соединены между собой телефонными линиями и локальными сетями

(типа Ethernet). Центры обслуживания должны находится поблизости от

основных узлов ВОСП, таких как ADM, соединенных с центром коммутации

соответствующего ранга. Для удаленных устройств, время персонала в пути к

месту аварии должно быть включено в MTTR. Акцентируя еще раз на

значении показателя MTTR, заметим, что требуется:

• два часа для замены устройств в месте, где находится ремонтники,

время в пути здесь мало по сравнению с MTTR;

• четыре часа для замены устройств, находящихся в относительной

близости к этому месту;

• шесть часов — для замены удаленных устройств.

Когда ремонтник покидает центр обслуживания, он должен знать,

какой отказавший узел или карту ему необходимо взять с собой. Место, где

произошла авария, и какой узел/карта вышли из строя, должны быть

определены по информации, которая обеспечивается системой управления

NOOC. Она играет жизненно важную роль в уменьшении показателей MTTR.

ГЛАВА 13 ВАРИАНТЫ СЕТЕВОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ

ДОСТУПНОСТИ СИСТЕМЫ

13.1.Бесперебойное питание

Система связи, которая теряет источник первичного питания

прекращает свою работу. Многие системы связи жизненно необходимы для

систем здравоохранения и социального обеспечения, руководства штата и

федерального правительства, для человечества в целом. Сети связи общего

пользования (PSTN) находятся на самом верху приведенного списка, наряду

с системами безопасности и сетями вооруженных сил. Фактически первыми,

кто использовал бесперебойное питание были PSTN. Были ли вы в центрах

коммутации PSTN, называемых местными офисами, в США? В них вы

можете увидеть огромные банки батарей, обычно свинцово-кислотные,

которые выглядят, как большие ящики. Они мало изменились за последние

десятки лет. Их дизайн практически не модернизировался, хотя сам продукт

конечно стал более эффективным. Их концепция была распространена на

другие приложения, где определенное устройство или группа устройств

требуют «жизнесберегающего» питания. В некоторых приложениях, таких

как сети связи, работоспособность систем (по питанию) должна быть 100%.

В этом разделе мы опишем системы бесперебойного питания, которые

могут найти применение в активных узлах и терминалах ВОСП. Многие из

этих систем используют постоянный ток и напряжение, которые обычно

используются в этой области техники: —48 В (DC) или +24 В (DC). Если

требуется переменное напряжение, можно использовать инвертор, преобра-

зующий постоянный ток (DC) в переменный ток (АС).

Цель при этом, сформировать резервную систему питания с

приемлемыми параметрами. Время работы резервного источника - это

единственный параметр, который определяет цену. Мы определим резервное

время, как такое время, при котором батарея сможет обеспечить полную

нагрузку без изменения напряжения. Часто определение резервного времени

является прерогативой системного проектировщика.

Как правило, статическая система бесперебойного питания состоит из

зарядного устройства, батареи или набора батарей и нагрузки. Последова-

тельно (между батареей и нагрузкой) может быть включен элемент,

вырабатывающий противоэдс. Простая функциональная схема такой системы

показана на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Упрощенная блок-схема статической системы бесперебойного

питания.

Основываясь на своем опыте, могу дать некоторые общие

рекомендации. Когда основная система электропитания установлена, она

должна иметь две шины. Одна несет критическую нагрузку, а другая —

регулярную нагрузку. Критическая нагрузка должна включать линейное

оборудование, аварийное освещение, и другие критичные для

функционирования системы элементы. Телекоммуникационное

оборудование обычно питается от источника постоянного тока напряжением

—48 В. Только критическая нагрузка поддерживается системой

бесперебойного питания. Это обеспечивает значительную экономию средств

как на заводской цене, так и периодических издержках. Это позволяет

проектировщику больше свободы в выборе резервного времени.

Ожидается также, что система бесперебойного питания будет

поддержана мотор-генератором или даже сдвоенным блоком мотор-

генераторов. Проект должен быть выполнен так, чтобы мотор-генератор мог

быть запущен и выведен на требуемые параметры выходного напряжения не

более, чем за 5 минут. Рекомендуется, в этом случае, иметь значение

резервного времени 1 час или больше [13.1, 13.2].

13.2. Кинетические системы с маховиком

Кинетические системы с маховиком снова входят в моду. Их

принципиальный недостаток в том, что если в маховике есть дефект, то

система может разлететься на части со всеми вытекающим из этого

последствиями. Одним из ярких моментов этой картины будет то, что

прекратятся все разговоры о недостатках батарейных систем. Однако

батарейные системы имеют ограниченный срок жизни, тогда как срок

службы кинетических систем составляет 50 лет. Батареи также могут быть

опасны тем, что может происходить их взрыв за счет аккумулированных

газов.

Кинетическую систему можно описать как генератор, расположенный

на одном валу с мотором, приводимым в движение газовым или дизельным

двигателем. При этом между генератором и мотором располагается большое

маховое колесо. Между маховиком и мотором располагается электрически

управляемая муфта сцепления. При нормальной эксплуатации, когда

работает коммерческий источник основного питания, его ток течет через

обмотку муфты, оставляя ее не сцепленной. Как только первичный источник

напряжения потерян, ток прекращает течь по обмотке муфты и она

разъединяясь с одной стороны, соединяет основной вал с валом мотора.

Инерция маховика заставляет приводной вал продолжать вращение, приводя

мотор вновь в рабочее положение, а также заставляя вращаться генератор,

подающий напряжение на линию. Концепция, положенная в основу этих

систем — кинетическая энергия, запасенная быстровращающимся

маховиком. Из физики известно, что кинетическая энергии вращающегося

устройства, такого, как маховик, является функцией веса маховика и

скорости его вращения.

Резервное время, эквивалентное системе с маховиком, называется

прогоном (ride-through). Одна промышленная кинетическая система

бесперебойного питания [13.3] имеет (согласно спецификации) прогон

равный 15 с. Это устройство используется для хранения кинетической

энергии и старта мотор-генератора и называется «Индукционный мотор-

генератор сцепленный с маховиком.» Конечно, во время прогона ожидается,

что мотор-генератор стабилизируется и начинает отдавать постоянное

напряжение в нагрузку. На рис. 13.2 приведена блок-схема динамической

системы сохранения энергии (DESS).

Рис. 13.2. Блок-схема, иллюстрирующая работу динамической системы хра-

нения энергии (перепечатано с разрешения компании International Computer

Power [13.3])

На этом рисунке схема управления мотором (1), сообщая ему макси-

мально возможную скорость для увеличения кинетической энергии маховика

(2) и позволяя полностью использовать возможности генератора. Выходное

напряжение генератора с маховиком затем выпрямляется (3) в регулируемое

напряжение постоянного тока, позволяя маховику уменьшать скорость до

50% от его номинальной скорости вращения и все еще обеспечивать

мощность, эквивалентную батарее для инвертора системы бесперебойного

питания.

13.3. Обычные статические системы бесперебойного питания

На рис. 13.3 приведена упрощенная блок-схема статической системы

бесперебойного питания. Она состоит из выпрямителя и батарейного блока,

который питает нагрузку. Выпрямитель питается от основного источника

переменного тока. Обычно существует переключатель, который соединен с

резервным АС-генератором, приводимым в действие дизельным или

бензиновым двигателем. Когда основной источник АС-напряжения потерян,

автоматически заводится мотор-генератор. Как только генератор запустился

он (вместо батарей) начинает питать систему, до тех пор пока

промышленный источник не вернется к своему нормальному варианту

функционирования. В системе нет переходных процессов коммутации, так

как нагрузка всегда питается от батареи, вне зависимости от того, потребляет

ли она постоянное или переменное напряжение. Если нагрузка требует 110

или 220 В переменного тока, она питается от инвертора DC-АС. Вход

постоянного тока для инвертора обеспечивается от батареи. Переключатель,

соединяющий выход мотор-генератора со входом переменного тока

зарядного устройства батареи, может быть активирован автоматически или

вручную.

Рис. 13.3. Функциональная блок-схема законченной статической системы

бесперебойного питания. Заметим, что если телекоммуникационная

система использует питание постоянного тока -48 В, то нет необ-

ходимости применять инвертор, показанный на схеме.

13.3.1. Классификация обычных статических систем

бесперебойного питания

Зарядные устройства, как правило, основаны на использовании

тиристоров (SCR). Технология высокочастотного прерывания,

использующая тиристоры, была внедрена несколько лет тому назад на

конверторах AC-DC и DC-AC. Теперь та же самая технология используется

для зарядных устройств батарей. Результатом этого стало значительно

снижение требуемой емкости фильтров в системе выпрямителя и меньшие

пульсации. Последние следует специфицировать на уровне 0,10% и ниже.

Для того, чтобы обеспечить низкий уровень фона переменного тока, 50 мВ и

ниже, нужно задать ограничения на максимальное значение уровня

пульсаций.

Шум от блока батарей не должен превышать —70 дБмп (псофометрические

дБм). Как измерение пульсаций, так и шума, должны проводиться в условиях

полной нагрузки, при подключенном источнике промышленного

переменного тока.

Современные свинцово-кислотные батареи остаются очень

привлекательными для систем телекоммуникаций, так как имеют срок

службы 15 лет. Однако продолжают использоваться и старые элементы типа

свинец-сурьма. Элементы на основе кальций-свинец стоят на 10-15% больше,

чем обыкновенные свинцово-кислотные батареи, еще более дорогими

являются никель-кадмиевые элементы (NiCad).

Зарядные цепи должны выдерживать изменения номинального

входного переменного напряжения, по крайней мере, на ±10%. Зарядное

устройство также должно обеспечить требуемое выходное постоянное

напряжение при достаточно широких допусках на изменение нагрузки.

Для некоторых приложений нагрузка по постоянному току может

меняться в огромных пределах. Например, местный коммутатор (местный

офис), используемый в бизнес-приложениях, емкостью 10000 линий, может

потреблять в часы наибольшей нагрузки до 800 А при напряжении 48 В. В

два часа утра этот же коммутатор может потреблять 15% от этого уровня, т.е.

120 А. Волоконно-оптические регенераторы потребляют только 5 А в

течение всего дня.

Полагаем, что зарядные устройства используют тиристоры, или другие

типы SCR, благодаря их легкому весу, простоте и хорошим рабочим харак-

теристикам. Распределение нагрузки также должно быть включено в специ-

фикацию зарядного устройства. Оно позволяет использовать два или больше

зарядных устройства, не обязательно одинаковой емкости, для того чтобы

обеспечить выход на общую шину и питать нагрузку, соединенную с этой

шиной, в соответствии с ее номинальной емкостью. Это делается путем

соединения сигналов управления постоянным током и юстировки потенци-

ометров распределения нагрузки.

Чтобы подобрать батарею и зарядное устройство, можно использовать

следующее выражение (13.1), где емкость батареи (C

) в ампер-часах (А-ч)

определяется так:

ah L R

CIT



 (13.1)

где I

— ток нагрузки в A, a T

- резервное время в часах.

Резервное время — это время, в течение которого система может

работать при питании только от батарей, когда основное питание

переменного тока отключено по каким-то причинам. При проектировании

резервное время обычно выбирается из следующего ряда: 8, 12, 24, 48 и 72

часа. Если оно увеличивается, то растет и стоимость установки UPS.

Резервное время зависит от того, сколько времени, предположительно, будет

длиться перерыв в основном питании, или от того, сколько времени

потребуется, чтобы доставить, запустить и подключить к линии резервный

мотор-генератор. Это время должно включать время приезда техников на

место. Однако при некоторых обстоятельствах, резервный генератор может

быть подключен автоматически, и нет нужды вызывать техников, по крайней

мере по этой причине.

В ряде случаев, когда подрядчик «срезает углы», он полагает, что в

проекте было заложено резервное время 8 часов, считая, что оно достаточно

для того, чтобы линии снабжения основного питания были восстановлены.

Нам кажется, что такая практика опасна. Хотя вероятность того, что 8 часов

будет достаточно, велика, но его может оказаться недостаточно. Мы считает,

что резервный генератор необходимо иметь, он будет поддерживать снаб-

жение питанием до тех пор, пока хватит топлива. Некоторые устройства не

только имеют запасной топливный бак, но и второй генератор, в случае, если

первый генератор откажет. Практика говорит нам, что если некий генератор

откажет в будущем, то он с большой вероятностью откажет при первом

старте. Вот почему хорошо периодически запускать резервные генераторы

несколько раз в году на холостую нагрузку [13.4].

Соотношение для определения нагрузки на зарядное устройство (I

)

имеет вид: