Inzwischen gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Systemen auf dem Markt, die sich in ihrer Architektur unterschieden. Der Entwickler einer USV Anlage muss stets das Ziel vor Augen haben, den Endverbraucher so lange wie möglich sicher und unterbrechungsfrei zu versorgen. Unterschiedliche Architekturen haben dabei unterschiedliche Stärken und Schwächen. Häufig unterscheiden sich die verschiedenen Strukturen in der Verfügbarkeit. Diese gilt es zu maximieren, damit die USV auch dann wirklich funktioniert, wenn sie benötigt wird. Zwei wichtige Messgrößen für die Verfügbarkeit sind die MTBF (Mean Time Between Failure) und MTTR (Mean Time to Repair). Eine hohe Verfügbarkeit des USV-Systems ergibt sich aus einer geringen MTTR und einer hohe MTBF.
Man kann dies mit der Architektur eines Schiffes vergleichen. Ein Schiff soll so lange wie möglich auf dem Wasser schwimmen. Wenn der Architekt nicht präzise arbeitet, reduziert sich die Zeit, in der das Schiff über dem Wasser gleitet. Wenn das Schiff aufgrund einer Fehlkonstruktion bereits nach kurzer Zeit untergeht, erfüllt dieses seinen eigentlichen Zweck nicht.
In gleicher Weise muss die USV-Architektur mit dem Ziel entworfen werden, die Zeit zu erhöhen, in welcher sie ihre Funktion erfüllt: Die Last so lange wie möglich sicher und unterbrechungsfrei mit zu Strom zu versorgen.
Das Verständnis der verschiedenen USV-Architekturen ist wichtig, da es direkten Einfluss auf die Verfügbarkeit der Systeme hat. Die fünf wichtigsten Architekturen werden im Folgenden vorgestellt:
1) Standalone-Architektur
Die Standalone-Architektur ohne Transformator umfasst alle Standardkomponenten einer USV:
- Interner statischer Bypass
- Wartungs-Bypass-Schalter
- Wechselrichter
- Gleichrichter
- Steuerlogik
Jede Komponente ist der Schlüssel zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Versorgung mit sauberem Strom. Jedoch kann man argumentieren, dass in Wirklichkeit jede Komponente im System ein potenzieller Single Point of Failure darstellt, der ein Risiko für das System birgt: Wenn nur eine einzige Komponente ausfällt, wird bereits das gesamte System abgeschaltet.
Redundanz ist die gängigste Methode zur Verbesserung der Verfügbarkeit eines USV-Systems. Die MTBF lässt sich dadurch deutlich erhöhen. Eine einzelne Standalone-USV hat keine Redundanz. Um ein redundantes System zu schaffen, muss die Standalone-USV mit einer zweiten Einheit repliziert werden. Das Hinzufügen eines zweiten Geräts wirkt sich auf die Kosten aus, da sich der Preis des Systems effektiv verdoppelt.
Bei Konfigurationen mit einer einzelnen Standalone-USV muss im Falle eines Fehlers oder einer notwendigen Wartung das gesamte System heruntergefahren werden. Die Last müsste auf das direkte Stromnetz umgeschaltet werden, was das Risiko eines kompletten Ausfalls der Last erhöht. Im Stromnetz ist die Last anfälliger. Die MTTR ist in diesem Fall hoch.
Autonome USV-Systeme eignen sich daher am besten für Anwendungen, die keine hohe Verfügbarkeit eines Geräts erfordern und bei denen die Risiken, die mit dem Umschalten auf das Stromnetz verbunden sind, akzeptiert werden können.
2) Standalone mit nicht hot-swap-fähigen Modulen
In diesem Fall wurde eine Standalone-USV entwickelt und mit festen Modulen ausgestattet. Jedes feste Modul kann Komponenten wie Gleichrichter und Wechselrichter enthalten, während viele andere Komponenten wie der statische Bypass und die Steuerlogik für das gesamte USV-System gemeinsam eingesetzt werden.
Diese Architektur weist, wenn sie richtig konfiguriert ist, ein gewisses Maß an Redundanz auf, was sich positiv auf die Verfügbarkeit auswirkt. Allerdings gibt es immer noch mehrere einzelne potenzielle Fehlerpunkte, was die MTBF reduziert.
Die Module können nicht im laufenden Betrieb getauscht werden. Wenn also eine Reparatur oder Wartung erforderlich ist, muss die USV auf einen Wartungsbypass oder einen internen statischen Bypass geschaltet werden. Das Umschalten auf den Bypass bedeutet, dass die Last auf das Stromnetz gelegt wird und nicht geschützt ist.
Die Reparatur ist außerdem zeitaufwendig (hohe MTTR), was die Verfügbarkeit deutlich verringert.
3) Modulare zentralisierte Architektur
Die modulare zentralisierte USV ist die nächste Stufe nach einem Standalone-System. Die zentralisierte Architektur führt Redundanz durch den Einsatz von Modulen ein.
Diese Module können im laufenden Betrieb ausgetauscht werden (hot-swap-Fähigkeit) – ohne die Notwendigkeit, auf einen Wartungsbypass umzuschalten. Im Fall des Ausfalls eines Leistungsmoduls erhöht sich dadurch die Verfügbarkeit durch eine verbesserte MTTR.
Allerdings gibt es bei dieser Architektur immer noch einzelne mögliche Fehlerpunkte. Unabhängig von der Redundanz gibt es eine zentralisierte Steuerlogik, die Entscheidungen für das gesamte System trifft, einen zentralisierten Bypass und einen gemeinsamen Kommunikationskanal. Wenn eine dieser Komponenten ausfällt, ist die Last nicht mehr abgesichert.
4) Modularer dezentraler Aufbau
Hier enthält jedes Modul alle Elemente einer USV einschließlich Gleichrichter, Wechselrichter, statischem Bypass und Steuerlogik, was die Verfügbarkeit noch weiter verbessert. Durch die Eliminierung einiger Single-Points-of-Failure macht diese Architektur in Bezug auf die Verfügbarkeit einen Schritt nach vorne. Dies führt zu Systemen mit einer hohen Verfügbarkeit und einer geringen Ausfallzeit von durchschnittlich 31,5 Sekunden pro Jahr.
Die Module können im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, aber es gibt immer noch ein Mastermodul, das über seine Steuerlogik Entscheidungen für das gesamte System trifft. Die Kommunikationsleitungen zwischen den Modulen sind nicht redundant, die statische Bypässe sind zwar dezentralisiert, jedoch ebenfalls nicht redundant. Wenn ein statischer Bypass innerhalb eines Moduls ausfällt, wird das gesamte System auf den statischen Bypass umgeschaltet, was zu einem potenziellen Single-Point-of-Failure führen kann, bei dem die Last dem ungeschützten Stromnetz ausgesetzt ist.
Entscheidend ist auch, dass es keine Vorkehrungen für potenzielle menschliche Fehler beim Austauschen von Modulen gibt. Das bedeutet, dass ein Techniker, der unter Druck arbeitet, um auf einen Fehler zu reagieren, nicht die Möglichkeit hat, Module zu isolieren und zu testen, die zu einem unter Spannung stehenden System hinzugefügt werden.
Die Bypass-Sicherungen sind ebenfalls in jedem Modul enthalten, was bedeutet, dass sich im Falle eines Ausgangskurzschlusses die Reparaturzeit (MTTR) erhöht. Diese Ausgangskurzschlüsse stellen eine erhebliche Anzahl von Ausfällen in USV-Systemen dar.
5) Modulare verteilte Architektur
Hier ist die Architektur vollständig verteilt, jedes USV-Modul umfasst Gleichrichter, Wechselrichter, statischen Bypass und Steuerlogik. Kein einzelnes Modul trifft Entscheidungen für das gesamte System, stattdessen findet eine verteilte Entscheidungsfindung statt, um den Single-Point-of-Failure der Logik zu eliminieren.
Der statische Bypass ist verteilt und redundant, daher wird dieser bei einem Ausfall eines Teils des Systems automatisch isoliert, während die Versorgung der Last durch die anderen Module aufrechterhalten wird. Die Last wird weiterhin geschützt. Die Kommunikationsleitungen haben eine eingebaute Redundanz, sodass bei Ausfall einer Leitung die Kommunikation über die USV weiterläuft.
In diesem Fall werden auch erstmals menschliche Fehler durch die Safe-Hot-Swap-Fähigkeit minimiert. Das bedeutet, dass ein Techniker, der ein Modul austauschen muss, einfach dessen parallelen Isolator öffnen und es physisch von der Last trennen kann. Die übrigen Module versorgen weiterhin die Last am Wechselrichter, während der Techniker das Modul vollständig und sicher testen kann, bevor er es wieder an die Last anschließt. Selbst bei Firmware-Upgrades muss nicht auf den manuellen Bypass umgeschaltet werden. Mit einer reinen Hot-Swap-Funktionalität ist dies nicht möglich, und ein Fehler in einem neuen Modul oder ein Fehler des Technikers könnte dazu führen, dass die gesamte Last ausfällt. Im Ergebnis bedeutet dies, dass die verteilte modulare USV-Architektur den höchstmöglichen Grad an Verfügbarkeit bietet und Ausfallzeiten von nur 0,0315 Sekunden pro Jahr erreicht.
Diese verteilte Architektur wird als „echtes modulares System“ bezeichnet, was bedeutet, dass es keine einzelnen Fehlerpunkte gibt, dass jede Komponente redundant ist und dass der Spielraum für menschliche Fehler auf ein Minimum reduziert ist.
Der Zweck der USV besteht darin, einen stabilen Schutz, eine saubere Spannung und eine Stromquelle für Notfälle bereitzustellen. Bei kritischen Stromversorgungsanlagen, die ein Höchstmaß an Verfügbarkeit erfordern, sollte die USV niemals auf das Stromnetz umgeschaltet werden müssen, da dies ein Risiko für die Last darstellt. Eine verteilte modulare USV stellt sicher, dass die Stromversorgung jederzeit geschützt bleibt und sollte die USV der Wahl für kritische Installationen sein. Sie bietet die höchstmögliche Verfügbarkeit – durch minimierte MTTR und maximale MTBF.
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