Rund 45% aller nicht erklärbaren Computer-Probleme, wie beispielsweise Datenverlust, Netzwerkabsturz, mysteriöse Fehlermeldungen oder auch beschädigte Dateien, gehen nach neuesten Untersuchungen auf Probleme bei der Eingangsspannung zurück. Viele Anwender sind der Meinung, dass der Strom aus der Steckdose "sauber" ist, was aber nicht der Fall ist. Die Netzeingangsspannung kann beispielsweise erheblich variieren. Hinzu kommen zahlreiche weitere Spannungsprobleme, wie etwa Spannungseinbruch, Spannungsspitzen, Kurzschluss im Netz und Überspannungen. Viele Faktoren können die Qualität der Spannung beeinflussen. So kann die Benutzung der Aufzüge in einem Gebäude oder sogar das Einschalten eines Fotokopierers zu Schwankungen in der Stromversorgung führen. Sensible elektronische Systeme, wie Computer, Hubs und Router, reagieren besonders empfindlich auf Spannungsschwankungen. Die meisten PCs können heute aber einen Spannungsausfall von einigen Millisekunden überbrücken.
Ob Rechenzentren oder Leitstände – eine USV
schützt die Systeme vor dem Daten-Gau
Der Einsatz einer USV sollte am besten bereits bei der Planung einer IT Installation oder bei der Errichtung eines Gebäudes mit einbezogen werden. Spannungsschutz-Spezialisten beraten die Unternehmen dabei, welches System für den Schutz der Last geeignet ist und welche speziellen Maßnahmen zu berücksichtigen sind. Beispielsweise sind Netzwerke, die mit einem UNIX Betriebssystem arbeiten, in einer bestimmten Reihenfolge abzuschalten. Andernfalls ist es möglich, dass die IT-Mitarbeiter mehrere Tage damit beschäftigt sind, das System nach Rückkehr der Netzspannung neu zu starten und die Dateien wiederherzustellen.
Ähnlich kann eine Unterbrechung der Stromversorgung bei Computern mit Cache-Speicher-Technologie beim Speichern und Abrufen der Daten zu einem Chaos führen. Anspruchsvolle Multitasking-Betriebssysteme, wie beispielsweise Windows NT, haben zwar den Benutzern mehr Leistung und Flexibilität gebracht, andererseits aber die Unternehmen äußerst anfällig für Spannungsprobleme gemacht. Diese Betriebssysteme können unter Umständen ein plötzliches Herunterfahren der Systeme nicht bewältigen, da der Ablauf verschiedener Prozeduren im Hintergrund erforderlich ist, um die Daten, Dateien und Anwendungen ordnungsgemäß zu schließen. Eine USV mit geeigneter Shutdown-Software kann dazu beitragen, dass die Daten bei einem Spannungsausfall nicht verlorengehen oder beschädigt werden.
Ob eine USV erforderlich ist, hängt davon ab, wie wichtig die verfügbare Betriebszeit der Computer für das Unternehmen ist. Ein Supermarkt beispielsweise verwendet elektronische Kassenterminals und Computer für die Verarbeitung der Kunden-Einnahmen. Fällt das System aus, verlässt der Kunde den Laden und es kommt zu Einnahmeverlusten. Ähnlich kann sich die Devisenabteilung einer Bank mit Transaktionen von mehreren Millionen Mark pro Stunde nicht eine einzige Minute Ausfallzeit durch Spannungsprobleme leisten. Hinzu kommt der zunehmende Einsatz von e-Commerce, mit dem die Unternehmen von ihren Computer-Netzwerken noch abhängiger werden als bisher. Wird ein Netzwerk nicht ordnungsgemäß heruntergefahren, kann es viele Stunden dauern, bis die Systeme neu konfiguriert und wieder betriebsbereit sind.
Es gibt jedoch USV-Überwachungs- und Shutdown-Software, mit der ein Benutzer den Betrieb der USV in einer vernetzten Umgebung kontrollieren kann. Ein bevorstehendes Spannungsproblem meldet das USV-System rechtzeitig und leitet ein kontrolliertes Herunterfahren des Netzwerks ein, so dass dem Benutzer genügend Zeit bleibt, die Daten zu speichern und die Anwendungen zu schließen. Derzeit werden rund 80 Prozent der USVs im IT-Sektor eingesetzt. USV-Systeme werden darüber hinaus in allen Branchen verwendet, in denen eine kontinuierliche und saubere Spannung nötig ist, wie in der Medizin, der Industrie und Telekommunikation oder bei Sicherheits- und Überwachungssystemen.
Der Kauf einer USV kann so durchaus mit dem Abschluss einer Lebensversicherung verglichen werden, wobei man sich gegen etwas schützt, von dem man hofft, dass es nicht eintritt. Wie bei der Versicherung ist es wichtig, dass verschiedene Schutzstufen vorhanden sind. Von der Powerware Corporation in Europa durchgeführte Marktuntersuchungen zeigen, dass das wichtigste Kriterium bei der Auswahl einer USV die Zuverlässigkeit des Produktes ist, dicht gefolgt von Kunden-Unterstützung, Gewährleistung, Marke und Batterielebensdauer/Laufzeit. Anders ausgedrückt, geht es den Unternehmen neben Eigenschaften und Funktionen um die Zuverlässigkeit der USV in einer Notfallsituation.
Die Stufe des USV-Schutzes ändert sich mit der Größe des Unternehmens und der Bedeutung der Systeme. Einige Unternehmen haben eine große USV im Keller des Gebäudes installiert, die häufig von einem Generator unterstützt wird, der eine langfristige Betriebszeit sicherstellt.
Andere Unternehmen wiederum schützen oft nur den Netzwerk-Server oder einzelne Arbeitsstationen, deren Daten für das Unternehmen lebenswichtig sind. Traurige Realität ist jedoch immer noch, dass viele Unternehmen überhaupt keinen USV-Schutz haben.
----------Anfang Textkasten----------
Stromausfälle sind eher selten, kommt es aber dazu, sind die Auswirkungen oft katastrophal. Am 8. Dezember 1998 waren etwa eine Million Menschen in San Francisco und San Mateo, Kalifornien, ohne Strom. Der Stromausfall führte zu einem Chaos im Silicon Valley, da Unternehmen und Verkehrsverbindungen sowie öffentliche Einrichtungen über sieben Stunden lahmgelegt wurden. Die Unternehmen ohne USV waren aber nicht nur paralysiert, sondern es gingen ihnen auch wertvolle Daten verloren. Die Ursache für den Stromausfall war ein Bedienungsfehler in einer Nebenstation in San Mateo.
Auf der Insel Taiwan kam es zu einem mehrstündigen Blackout durch extreme Wetterbedingungen. Betroffen war der Hsinchu Science Park, Sitz der taiwanesischen Electronic-Industrie, die rund 4000 Waver vernichten musste. Opfer war beispielsweise aber auch Lindau am Bodensee. Dort waren 30.000 Haushalte drei Stunden ohne Strom, da eine Ratte in der Schaltanlage der Lindauer Elektrizitätswerke für einen Kurzschluss sorgte. Weit schlimmer war ein Fall in Frankreich. Dort starben fünf Patienten bei einem Stromausfall auf der Intensivstation des Lyoner Edouard-Herriot-Krankenhauses.
----------Ende Textkasten----------
Spannungsprobleme lassen sich in neun grundlegende Kategorien unterteilen.
Eine Überspannung tritt auf, wenn die Spannung 110 Prozent über dem Normalwert liegt. Die häufigste Ursache ist die Abschaltung großer elektrischer Anlagen. Unter diesen Bedingungen kann es bei Computersystemen zu Speicherverlust, Datenfehlern, flackernden Leuchtanzeigen oder Abschaltung des Systems kommen.
Hochspannungsspitzen treten bei einer plötzlichen, kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 6.000 V auf. Diese Spannungsspitzen gehen normalerweise auf Blitzschläge in der näheren Umgebung zurück, wobei es jedoch auch andere Ursachen gibt. Bei empfindlichen elektronischen Systemen kann dies zu Datenverlusten oder beschädigten Leiterplatten führen.
Schaltspitzen treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 20.000 Volt bei 10 bis 100 Mikrosekunden Dauer auf. Sie werden häufig durch Lichtbogen-Fehler und statische Entladung verursacht. Darüber hinaus können mehrmals pro Tag Störungen durch Schaltvorgänge bei Energiesystemen auftreten, die von Stromversorgern bei der Korrektur von Leitungsproblemen ausgelöst werden. Zu den Auswirkungen gehören Speicherverlust, Datenfehler, Datenverlust und Komponenten-Belastung.
Spannungseinbrüche sind Spannungen, die kurzzeitig 80 bis 85 Prozent unter dem Normalwert liegen. Sie können auftreten, wenn schwere Anlagen eingeschaltet, große elektrische Motoren gestartet und Starkstromleitungen geschaltet werden (intern oder öffentliches Stromversorgungsnetz). Spannungseinbrüche können ähnliche Auswirkungen wie Spannungsspitzen haben und zu Speicherverlust, Datenfehlern, flackernden Leuchtanzeigen und Abschaltungen des Systems führen.
Hierbei handelt es sich um eine Abweichung von der normalerweise konstanten Netzfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz, je nach geographischer Lage. Sie kann durch fehlerhaften Betrieb von Notstromgeneratoren oder instabile Stromquellen hervorgerufen werden. Bei sensiblen elektronischen Systemen können dadurch Datenbeschädigungen, Festplatten-Crashs, Tastaturblockierung oder Programmfehler auftreten.
Ein Kurzschluss ist ein kontinuierlich reduzierter Spannungszustand. Ein Beispiel dafür ist der Spitzenbedarf im Sommer, wenn die Energieversorger die Anforderungen oft nicht mehr erfüllen können und die Stromversorgung einschränken müssen. Bei Computersystemen kann dies zu Datenbeschädigung, Datenverlust und Hardware-Ausfällen führen.
Blackout oder Netzausfall wird als Nullspannungsbedingung definiert, die mehr als zwei Zyklen dauert. Dies kann auf die Auslösung eines Unterbrechungsschalters sowie auf Spannungsverteilungs- oder Netzspannungsfehler zurückzuführen sein. Die Folge können Datenbeschädigung, Datenverlust, Dateifehler oder Hardwareschäden sein.
Elektrisches Leitungsrauschen, definiert als Hochfrequenzstörung (Radio Frequency Interference – RFI) und elektromagnetische Störung (Electromagnetic Interference – EMI), hat unerwünschte Auswirkungen auf Schaltungen in Computersystemen. Zu den Störungsquellen gehören hier Elektromotoren, Relais, Motorsteuerungs-Komponenten, Rundfunkübertragungen, Mikrowellenstrahlung und Gewitter. RFI, EMI und andere Frequenzprobleme können Datenfehler, Datenverlust, Speicherverlust, Tastatur- und Systemblockierung verursachen.
Harmonische Oberwellen sind Verzerrungen der normalen Wellenform und werden normalerweise von nichtlinearen Lasten in die Leitung übertragen. Nichtlineare Lasten sind Switch-Mode-Stromversorgungen, Regelmotoren und -antriebe, Kopierer und Telefaxe. Harmonische Oberwellen führen zu Kommunikationsfehlern, Überhitzung oder Hardwareschäden.
Eine USV kann hier schützen. Als Basisfunktion liefert sie bei einem vollständigen Stromausfall weiterhin Spannung für Ihre Systeme, so dass ausreichend Zeit bleibt, die Daten zu sichern und die Dateien zu schließen. Auf einer komplexeren Ebene wird die elektrische Versorgung von der USV aufbereitet und gefiltert, so dass ein System nur eine "saubere" Spannung erhält.
USVs sind in den verschiedensten Ausführungen erhältlich, vom kleinen Desktop-System, das einen einzelnen PC schützt, bis hin zur großen Anlage, die die Spannungsversorgung für ein komplettes Gebäude sichert.
Es gibt drei Arten von USV-Technologien: Offline, Line-Interaktive und Online. Offline-Systeme, auch "Standby" genannt, sind für den Schutz eines einzelnen PCs oder einer einzelnen Workstation konzipiert. Diese sind normalerweise die preisgünstigsten USVs. Sie bieten aber nur bei einem vollständigen Stromausfall eine Absicherung und enthalten keine bedeutenden Funktionen zur Spannungsaufbereitung. Sie werden als "Offline"-Systeme bezeichnet, da die USV-Schaltung nur bei einem Spannungsausfall aktiv wird. Unterschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, wechseln diese Einheiten über einen Schalter zur Batteriespannung. Dabei kommt es zu Verzögerungen von zwei bis drei Millisekunden, die jedoch von den meisten Computern überbrückt werden können. Ein Wechselrichter in der USV ändert die Gleichspannung der Batterien in Wechselspannung um, die von der Stromversorgung des Computers genutzt werden kann.
Hier handelt es sich um eine hybride Technologie, die einen besseren Schutz als die Offline-Syteme bietet, aber kostengünstiger ist als die volle Online-Technologie. Sie bietet neben dem Schutz bei Stromausfall auch eine Spannungsaufbereitung, die Spitzen und Unebenheiten in der Stromversorgung glättet. Sinkt beispielsweise die Spannung unter einem festgelegten Pegel, wird sie von der USV wieder zum Normalwert zurückgeführt. Bei diesem Konzept wird der Wechselrichter in der Zeit, in der die Eingangs-Wechselspannung im Normalzustand die Batterie auflädt, in Gegenrichtung betrieben. Bei einem Stromausfall wird ein Transferschalter aktiviert und der Batteriestrom fließt zum USV-Ausgang, um das System zu versorgen. Die Line-Interaktive USV wird vor allem in Bereichen eingesetzt, bei denen die Spannungsaufbereitung für den Betrieb des Systems keine zentrale Bedeutung hat.
USVs mit dieser Technologie sind am besten für Bereiche geeignet, bei denen geschäftskritische Anwendungen geschützt werden müssen. Diese, gegenüber den anderen beiden Technologien etwas teureren Systeme, stellen sicher, dass es bei der Stromversorgung nie zu einer Unterbrechung kommt. Dazu verwenden diese Anlagen die so genannte Double-Conversion-Methode, bei der die Netzspannung kontinuierlich in Gleichspannung umgewandelt wird. Die Eingangsspannung wird über die Batterie durch einen Wechselrichter geführt, um sie in Wechselspannung für die Systemlast umzuwandeln.
Die ideale Situation ist die Verfügbarkeit von Elektrizität als reine Sinuskurve. Die Wechselspannung direkt vom Netz ist unsauber und weist Unregelmäßigkeiten auf. Ein Online-System säubert und filtert die Spannung, so dass das System einen reinen Sinuswellen-Strom erhält. Bei Online-Systemen erfolgt die Umschaltung praktisch verzögerungsfrei und die Auswirkungen von Spannungsspitzen und Überspannungen bei der Stromversorgung lassen sich vollständig beseitigen.
Im Hinblick auf die neun genannten Spannungsprobleme schützen die verschiedenen USV-Lösungen Ihr System gegen folgende Probleme:
USVs, wie diese schützen mit ihrem hohen Wirkungsgrad auch
komplexe Systeme. (Bild: Powerware)
Die Online-Technologie ist die beste Spannungsschutz-Lösung bei geschäftskritischen Anwendungen. Eine weitere Verbesserung ermöglicht die USV-Überwachungssoftware. Bei der Überwachungssoftware gibt es verschiedene Funktionsstufen. Ein IT-Manager wird sofort über potenzielle Spannungsprobleme informiert, die den Betrieb seines Netzwerks beeinflussen können. Die Software kann verschiedene Aufgaben durchführen, wie beispielsweise:
Einige besonders leistungsfähige Softwarepakete ermöglichen auch eine Fernüberwachung der USV von jedem Punkt im Netzwerk aus, um die Performance der USV zu analysieren um vorbeugende Arbeiten durchzuführen. Dies geschieht über den seriellen Kommunikationsanschluss, die SNMP-Software (Simple Network Management Protocol) oder zunehmend über das Web.
Das bedeutet, dass beispielsweise ein IT Manager in Frankfurt die USVs im Netzwerk weltweit steuern und überwachen kann, egal wo sie sich befinden. Der entscheidende Punkt ist, dass die USV unabhängig von der verwendeten Technologie als integrierter Bestandteil des Netzwerks betrachtet wird. Die meisten Unternehmen jeglicher Größe nutzen ein Computernetzwerk. Das bedeutet, dass unzureichend abgesicherte Unternehmen bei einem Stromausfall in ihren Funktionsabläufen blockiert werden und Daten verloren gehen können, die sich nicht mehr wiederherstellen lassen.
Über den Wirkungsgrad unterschiedlicher Arten von USV-Topologien gibt es zahlreiche gegensätzliche Auffassungen. Bei Tests unter Laborbedingungen kann die Bewertung des Wirkungsgrades verschiedener USV-Typen irreführend sein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Parameter der eingehenden Netzspannung und der Last genau kontrolliert und optimiert werden können, um den höchsten Wirkungsgrad zu erreichen. Beim Einsatz der USV in einer realen Praxissituation können die Ergebnisse jedoch völlig anders aussehen. Zu den wichtigsten Elementen in einer normalen Betriebsumgebung gehören, soweit dies Faktoren hinsichtlich der Wirkung betrifft, die Abweichungen der Eingangsspannung, der Lastpegel der USV und die Art der Last.
Spannungsschwankungen treten praktisch bei allen über das öffentliche Stromversorgungsnetz gespeisten Systeme auf. Die meisten USVs sind in der Lage, diese Abweichungen zu korrigieren. Einige Systeme, wie beispielsweise Line-Interaktive USVs, besitzen jedoch einen geringen Wirkungsgrad, wenn sie die Spannung regeln müssen.
Teillasten existieren sehr häufig, da USVs in realen Praxissituationen nur selten zu 100% ausgelastet sind. Bei den meisten Installationen ist eine Erweiterung der Last berücksichtigt. Einzelne USV-Einheiten sind normalerweise zu 60 bis 80% ausgelastet. Werden mehr als zwei Einheiten parallel betrieben (Redundanz), bedeutet dies automatisch, dass die USVs unter normalen Bedingungen nicht voll ausgelastet sind. Ist beispielsweise eine 200 kVA-Last mit zwei 250 kVA-Einheiten verbunden, beträgt die Last für jede USV nur 40% der vollen Kapazität. Bei der Auswahl einer USV ist es deshalb wichtig zu prüfen, ob sie eine hohe Wirkung unter Niedrig- oder Teillast-Bedingungen bietet.
IT-Systeme, einschließlich Computer, verfügen im Allgemeinen über so genannte Switch Mode Power Supplies (SMPS-getaktete Netzteile). Diese kleinen und kostengünstigen Stromversorgungen haben jedoch die spezifische Eigenschaft, dass sie den Strom aus dem öffentlichen Netz stoßartig beziehen, wodurch eine nichtlineare Wellenform entsteht. Beim Schutz von Computern muss die Wirkung einer USV daher unter Bedingungen der Computer-Last (nichtlinear) bestimmt werden.
Eine Double-Conversion-Online-USV regeneriert die Spannung kontinuierlich, unabhängig von der Eingangsspannung und Lastwellenform. Da Gleichrichter und Wechselrichter kontinuierlich verwendet werden, haben Änderungen der Eingangsspannung oder Lastbedingungen nur einen sehr geringen Einfluss auf Betrieb und Wirkungsgrad der USV. Double-Conversion-Systeme bieten nicht nur den höchsten verfügbaren Spannungsschutz, sondern weisen durch die Verwendung moderner IGBT- und DSP-Schaltungen auch einen maximalen Wirkungsgrad auf (bis zu 94%). Die Verwendung dieser Technologie bedeutet, dass die USV weniger Komponenten enthält, was wiederum den Energieverbrauch reduziert.
Line-Interaktive-USVs (einschließlich Delta Conversion) kompensieren die Mängel der Netzspannung und Verzerrungen, die durch die Last hervorgerufen werden. Dies bedeutet, dass die USV bei optimalen Werten der Last- und Netzspannung keine Kompensation für irgendwelche Unzulänglichkeiten durchführen muss (letzten Endes dazu überhaupt nichts tun muss), so dass unter Laborbedingungen ein voller Wirkungsgrad erreicht werden kann. Wird dieser USV-Typ dagegen in realen Praxissituationen verwendet, sind Spannungsschwankungen nicht zu vermeiden. Diese führen dazu, dass der Ausgangswandler aktiviert wird. Typische Computerlasten werden dabei Wellenform-Abweichungen erzeugen, so dass auch der Eingangs-Wandler verwendet werden muss.
Da die Performance einer modernen Double-Conversion-USV nicht von den Netz- oder Lastbedingungen abhängt, bietet sie den höchsten Wirkungsgrad im Normalbetrieb. Hinzu kommt, dass sie den besten verfügbaren Spannungsschutz bereitstellt.
Selbst ein einziges nicht geschütztes Computer- oder Datenkommunikationssystem kann ein gesamtes Netzwerk lahmlegen oder einen Crash hervorrufen. Für Unternehmen, die geschäftskritische Anwendungen verarbeiten, ist diese Art der Unterbrechung nicht akzeptabel. Wenn Computersysteme nahe beieinander installiert sind, bietet eine zentralisierte USV verschiedene Vorteile. Eine zentralisierte USV schützt bei Server-Farmen, Server, Hubs oder Routers alle installierten IT-Systeme. Der IT-Manager kann damit außerdem das Spannungsschutzsystem leichter konfigurieren und neue Systeme zur Last hinzufügen, da nicht bei jedem Kauf eines IT-Systems eine neue USV erworben werden muss. Eine einzelne Batterie lässt sich leichter upgraden, warten und kontrollieren. Der Preis pro kVA-Schutz ist darüber hinaus äußerst wirtschaftlich.
Anstatt mehrere einzelne USVs zu kontrollieren, genügt eine große USV für den Schutz der Server-Farm. Was sind also die wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl einer zentralisierten USV (7,5 kVA – 45 kVA) zu berücksichtigen sind:
Die USV muss über eine ausreichend lange Batteriesicherungszeit verfügen, um bei einem Netzausfall die gesamte Server-Farm zu schützen. Die gewählte Sicherungszeit liegt normalerweise zwischen 10 und 30 Minuten, wobei jedoch auch Sicherungszeiten bis zu mehreren Stunden nicht ungewöhnlich sind. Darüber hinaus muß es möglich sein, die Sicherungszeit der USV zu verlängern, wenn bei einer bereits installierten USV eine längere Zeitdauer im autonomen Betrieb erforderlich ist.
Die USV sollte eine kleine Stellfläche aufweisen, damit sie gut in Server- und Computerräume passt, deren Größe begrenzt ist. Auch bei 3-phasigen Systemen sollte die Installation einfach sein.
Die USV sollte leistungsfähige Überwachungs-Kommunikationsfunktionen besitzen, einschließlich der Möglichkeit einer direkten Netzwerkanbindung. Dabei kann es sich um eine lokale Kontrolle über Spannungsüberwachungs-/Shutdown-Software oder Fernverbindungen zum USV-Anbieter handeln (wenn diese über einen 24-stündigen Fernüberwachungs-Service verfügen).
Die Batterie ist die zentrale Komponente der USV und der Schlüssel zur USV-Zuverlässigkeit. Die USV sollte den Batteriezustand in regelmäßigen Zeitabständen automatisch prüfen, um sicherzustellen, daß die Batterie bei einem Spannungsproblem die Last unterstützen kann. Ein intermittierendes Laden der USV ist ein wichtiges Merkmal, da die nutzbare Batterielebensdauer damit im Durchschnitt um 50 Prozent verlängert werden kann.
Bei einem Spannungsausfall sollte die Software das Netzwerk in einer geregelten Art und Weise schließen.
Bei besonders kritischen USV-Installationen können Ausfallzeiten durch eine detaillierte USV-Überwachung verhindert werden. Mit dieser fortschrittlichen Software können genaue USV-Überwachungs- und Leistungsanalysen durchgeführt werden. Der Benutzer erhält damit ein genaues Bild über die Leistung des USV-Systems. Potenzielle Probleme lassen sich schnell ermitteln, künftige Situationen jederzeit vorhersagen, so dass vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden können (falls dies notwendig ist).
Jorma Mannerkoski ist Director-Product Marketing der Powerware Corporation, Helsinki
© SecuMedia-Verlags-GmbH, D-55205 Ingelheim,
KES 3/2000, Seite 10