پیکربندی‌های یو‌پی‌اس: N، N+1، 2N و افزونگی توزیع‌شده

بیشتر سازمان‌ها برای محافظت از تجهیزات حیاتی در برابر قطعی و خطاهای ناشی از برق شهر، بین شبکه برق و بار یک سیستم یو‌پی‌اس قرار می‌دهند. اما به گفته APC، پیکربندی این سیستم مستقیماً روی دسترس‌پذیری تجهیزات اثر می‌گذارد. عوامل زیادی مثل خطای انسانی، قابلیت اطمینان قطعات، برنامه نگهداری و زمان بازیابی بر دسترس‌پذیری اثر دارند و میزان اثر هرکدام تا حد زیادی به پیکربندی انتخاب‌شده بستگی دارد.

اسم‌های زیادی برای پیکربندی‌ها رایج است (Hot Tie، Catcher، Isolated Parallel و…) که برای افراد مختلف معنای متفاوتی دارند. APC پنج پیکربندی را که بیشتر به کار می‌روند این‌طور معرفی می‌کند: ظرفیت (N)، افزونگی ایزوله، افزونگی موازی (N+1)، افزونگی توزیع‌شده و سیستم به‌علاوه سیستم (2N).

N یعنی چه؟

در نام‌گذاری پیکربندی‌ها، N همان «نیاز» بار حیاتی است؛ یعنی ظرفیت توانی که برای تغذیه تجهیزات محافظت‌شده لازم است. APC برای توضیح، مثال آرایه دیسک RAID را می‌زند: اگر برای ظرفیت ذخیره‌سازی ۴ دیسک لازم باشد و سیستم ۴ دیسک داشته باشد، طراحی N است؛ اگر ۵ دیسک داشته باشد و فقط ۴ تا لازم باشد، N+1 است.

تخمین درست N از ابتدای طراحی ضروری است. امروز طراحی‌های ماژولار و مقیاس‌پذیر یو‌پی‌اس این امکان را می‌دهند که ظرفیت همراه با رشد نیاز IT افزایش یابد.

چند اصطلاح کلیدی

• نگهداری هم‌زمان (Concurrent Maintenance): امکان خاموش کردن کامل هر قطعه یا زیرمجموعه برای نگهداری یا آزمایش، بدون اینکه بار به برق شهر منتقل شود.
• نقطه شکست واحد (Single Point of Failure): جزئی از سیستم توزیع برق که اگر راه دور زدنش پیش‌بینی نشده باشد، سرانجام باعث توقف کار می‌شود. یک سیستم N در واقع زنجیره‌ای از نقاط شکست واحد است.
• مقاوم‌سازی (Hardening): طراحی سیستم و ساختمان به شکلی که خرابی را مهار کند و از خرابی‌های زنجیره‌ای جلوگیری کند؛ مثلاً دو سیستم یو‌پی‌اس در یک اتاق نباشند و باتری‌ها کنار ماژول‌های یو‌پی‌اس نباشند. هماهنگی کلیدهای حفاظتی در این طراحی‌ها اهمیت حیاتی دارد.

۱. ظرفیت یا N

سیستم N از یک ماژول یو‌پی‌اس، یا مجموعه‌ای از ماژول‌های موازی، تشکیل شده که ظرفیتشان با بار پیش‌بینی‌شده برابر است. این رایج‌ترین پیکربندی صنعت است؛ یو‌پی‌اس کوچک زیر میز هم یک پیکربندی N است. N را می‌توان حداقل لازم برای محافظت از بار دانست.

یو‌پی‌اس‌های بالاتر از محدوده تک‌فاز (حدود ۲۰ کیلووات) کلید بای‌پس استاتیک داخلی دارند تا اگر ماژول دچار مشکل داخلی شد، بار به‌طور ایمن به برق شهر منتقل شود. برای مثال، APC توضیح می‌دهد که در یو‌پی‌اس‌های سه‌فاز معمول است ماژول برای مدت مشخصی (مثلاً ۱۰ دقیقه) ۱۲۵٪ بار نامی را تحمل کند و اگر بار تا پایان این زمان به حالت عادی برنگردد، بار را به بای‌پس استاتیک منتقل کند.

یک راه تقویت پیکربندی N، افزودن بای‌پس تعمیراتی (خارجی) است که اجازه می‌دهد کل سیستم یو‌پی‌اس برای نگهداری به‌طور ایمن خاموش شود. این مدار به‌طور عادی باز است و فقط وقتی یو‌پی‌اس در بای‌پس استاتیک است باید بسته شود؛ طراحی باید از بسته شدن آن در حالت‌های دیگر جلوگیری کند.

معایب N:

• دسترس‌پذیری محدود: با خرابی ماژول، بار به بای‌پس می‌رود و در معرض برق محافظت‌نشده قرار می‌گیرد.
• هنگام نگهداری یو‌پی‌اس، باتری‌ها یا تجهیزات پایین‌دستی، بار در معرض برق محافظت‌نشده است؛ به گفته APC این کار معمولاً دست‌کم سالی یک بار و به مدت ۲ تا ۴ ساعت انجام می‌شود.
• نبود افزونگی، حفاظت بار را در برابر خرابی یو‌پی‌اس محدود می‌کند.
• نقاط شکست واحد زیاد؛ سیستم فقط به اندازه ضعیف‌ترین نقطه‌اش قابل اطمینان است.

۲. افزونگی ایزوله (Isolated Redundant)

در این طرح، یک یو‌پی‌اس «اصلی» به‌طور عادی بار را تغذیه می‌کند و یک یو‌پی‌اس «ثانویه» ورودی بای‌پس استاتیک یو‌پی‌اس اصلی را تغذیه می‌کند. بنابراین یو‌پی‌اس اصلی باید ورودی جداگانه برای مدار بای‌پس داشته باشد. این طرح به باس موازی نیاز ندارد و لازم نیست ماژول‌ها هم‌ظرفیت یا حتی از یک سازنده باشند؛ راهی است برای افزودن افزونگی به سیستمی که قبلاً افزونه نبوده، بدون تعویض کامل یو‌پی‌اس موجود.

مزایا: انتخاب آزاد محصول (هر برند و مدلی)، تحمل خرابی یو‌پی‌اس، بی‌نیازی از سنکرون‌سازی و صرفه نسبی برای سیستم دوماژوله.

معایب: وابستگی به عملکرد درست بای‌پس استاتیک ماژول اصلی؛ ماژول ثانویه که مدت‌ها با بار صفر کار کرده، باید بتواند ناگهان کل بار را بگیرد و همه یو‌پی‌اس‌ها از عهده این کار برنمی‌آیند؛ تابلوها و کنترل‌ها پیچیده و پرهزینه می‌شوند و خطر خطای انسانی بالا می‌رود؛ هزینه بهره‌برداری بیشتر به خاطر ماژولی که بی‌بار روشن است؛ و هنوز یک باس بار واحد به‌عنوان نقطه شکست وجود دارد.

APC به تحلیل قابلیت اطمینانی اشاره می‌کند که در آن، با مدل ساده (بدون در نظر گرفتن خطای انسانی، فرسودگی و عوامل محیطی)، احتمال خرابی سالانه سیستم ایزوله و سیستم N هر دو ۱٫۸٪ بود؛ اما سیستم ایزوله ۳۰ حالت خرابی داشت در برابر ۷ حالت برای سیستم N. یعنی افزودن پیچیدگی، تعداد راه‌های خرابی را زیاد می‌کند.

۳. افزونگی موازی (N+1)

در این طرح، چند ماژول یو‌پی‌اس هم‌ظرفیت و هم‌مدل روی یک باس خروجی مشترک موازی می‌شوند. اگر ظرفیت اضافه دست‌کم به اندازه یک ماژول باشد، سیستم N+1 است؛ اگر به اندازه دو ماژول باشد، N+2 و به همین ترتیب. ماژول‌ها با هم ارتباط دارند تا خروجی کاملاً سنکرون بسازند و در حالت عادی، بار را به‌طور مساوی تقسیم می‌کنند. اگر یک ماژول برای سرویس از مدار خارج شود یا به خاطر خرابی داخلی خودش را جدا کند، بقیه فوراً بار آن را می‌گیرند و می‌توان آن ماژول را بدون انتقال بار به برق شهر تعمیر کرد.

در مثال APC، اتاقی با ظرفیت طراحی ۴۰۰ کیلووات برای افزونه شدن به دو ماژول ۴۰۰ کیلوواتی یا سه ماژول ۲۰۰ کیلوواتی روی یک باس مشترک نیاز دارد.

اثر اندازه ماژول بر راندمان

یو‌پی‌اسی که با بار کم کار می‌کند معمولاً راندمان کمتری از یو‌پی‌اس نزدیک به ظرفیت دارد. جدول زیر از مقاله APC بار هر ماژول را در سیستم‌های N+1 مختلف برای تغذیه بار ۲۴۰ کیلوواتی نشان می‌دهد:

راندمان یو‌پی‌اس در بار کم از سازنده‌ای به سازنده دیگر فرق می‌کند و باید در طراحی بررسی شود.

مزایای N+1: دسترس‌پذیری بیشتر از N به لطف ظرفیت اضافه؛ احتمال خرابی کمتر از افزونگی ایزوله چون کلیدهای کمتری دارد و ماژول‌ها همیشه زیر بارند؛ قابلیت توسعه با رشد بار؛ ساختار ساده و مقرون‌به‌صرفه.

معایب N+1: همه ماژول‌ها باید از یک طرح، سازنده، ظرفیت، فناوری و پیکربندی باشند؛ نقاط شکست واحد بالادست و پایین‌دست یو‌پی‌اس باقی می‌ماند؛ اگر سرویس به برد موازی، کنترل‌های موازی یا تجهیزات پایین‌دست نیاز داشته باشد، بار در معرض برق محافظت‌نشده قرار می‌گیرد؛ راندمان کمتر چون هیچ ماژولی با ۱۰۰٪ ظرفیت کار نمی‌کند؛ و هنوز یک باس بار واحد وجود دارد. به همین دلیل بای‌پس تعمیراتی در این طرح هم اهمیت دارد.

۴. افزونگی توزیع‌شده (Distributed Redundant)

این طرح که به آن «سه‌گانه» (Tri-redundant) هم می‌گویند، در اواخر دهه ۱۹۹۰ برای رسیدن به قابلیت‌های افزونگی کامل با هزینه کمتر ابداع شد و در دیتاسنترهای بزرگ، به‌ویژه مؤسسات مالی، رایج است. سه یا چند ماژول یو‌پی‌اس با ورودی و خروجی مستقل به کار می‌روند و باس‌های خروجی مستقل از طریق چند PDU به بار وصل می‌شوند. در بعضی طرح‌ها از کلید انتقال استاتیک (STS) هم استفاده می‌شود؛ STS دو ورودی و یک خروجی دارد و با خرابی منبع اصلی، به گفته APC بار را در حدود ۴ تا ۸ میلی‌ثانیه به منبع دوم منتقل می‌کند.

در این طرح، تجهیزات دوکابل (Dual-corded) می‌توانند از دو PDU جدا تغذیه شوند. برای تجهیزات تک‌کابل، APC توصیه می‌کند کلید انتقال تا حد امکان نزدیک به بار باشد؛ قرار دادن صدها دستگاه تک‌کابل پشت یک STS بزرگ ریسک بالایی دارد و کلیدهای انتقال کوچک رک (مثل ATS رک) این ریسک را کم می‌کنند.

مزایا: امکان نگهداری هم‌زمان همه اجزا (اگر همه بارها دوکابل باشند)؛ صرفه‌جویی در تعداد ماژول نسبت به 2(N+1)؛ دو مسیر جدا از دید هر بار دوکابل؛ نگهداری بدون انتقال بار به بای‌پس.

معایب: هزینه نسبتاً بالا به خاطر تابلوهای زیاد؛ وابستگی به عملکرد درست STS که خودش نقطه شکست با حالت‌های خرابی پیچیده است؛ دشواری مدیریت و متعادل نگه داشتن بار در تأسیسات بزرگ؛ حالت‌های کاری زیاد که آزمایش همه آن‌ها دشوار است؛ و راندمان کمتر به خاطر کار زیر بار کامل.

۵. سیستم به‌علاوه سیستم (2N و 2(N+1))

این پیکربندی به گفته APC قابل‌اطمینان‌ترین و پرهزینه‌ترین طرح صنعت است. با آن می‌توان سیستمی ساخت که شاید هرگز لازم نباشد بار به برق شهر منتقل شود. ایده اصلی این است که هر تجهیز برقی بتواند خراب یا دستی خاموش شود بی‌آنکه بار به برق محافظت‌نشده منتقل شود. در نسخه 2(N+1)، دو سیستم N+1 کامل وجود دارد که بهتر است از تابلوهای جدا، و حتی انشعاب‌های برق و ژنراتورهای جدا، تغذیه شوند.

در مثال APC برای بار حیاتی ۳۰۰ کیلووات، طرح 2(N+1) به چهار ماژول ۳۰۰ کیلوواتی نیاز دارد: دو ماژول روی هرکدام از دو باس موازی جدا. سطح Tier IV ایجاب می‌کند همه بارها دوکابل باشند، حتی تغذیه تجهیزات تهویه.

مزایا: دو مسیر برق جدا و بدون نقطه شکست واحد؛ افزونگی کامل از ورودی برق ساختمان تا بار؛ در 2(N+1)، افزونگی یو‌پی‌اس حتی هنگام نگهداری هم‌زمان باقی می‌ماند؛ نگهداری بدون رفتن به بای‌پس؛ متعادل نگه داشتن بار و شناخت مسیرها آسان‌تر است.

معایب: بیشترین هزینه به خاطر قطعات افزونه؛ راندمان کمتر به خاطر کار زیر بار کامل؛ و ساختمان‌های معمولی برای تأسیسات بزرگ 2N که به جداسازی فیزیکی اجزا نیاز دارند مناسب نیستند.

مقایسه دسترس‌پذیری

APC با مدل‌سازی آماری (نمودار بلوکی قابلیت اطمینان و مدل مارکوف و داده‌های منابعی مثل IEEE)، دسترس‌پذیری برق را در خروجی هر پیکربندی محاسبه کرده است. خود APC تأکید می‌کند که به خاطر فرض‌های ساده‌کننده (از جمله نادیده گرفتن خطای انسانی)، این اعداد از واقعیت بالاترند و بیشتر ابزار مقایسه‌اند تا پیش‌بینی عملکرد یک سیستم مشخص:

کدام پیکربندی برای شما مناسب است؟

APC این عوامل را برای انتخاب پیکربندی برمی‌شمارد:

• هزینه و اثر توقف کار: هر دقیقه توقف چقدر برای سازمان هزینه دارد و بازیابی سیستم‌ها چقدر طول می‌کشد؟
• بودجه: هزینه 2(N+1) به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از N، N+1 و حتی توزیع‌شده است.
• نوع بارها: بارهای دوکابل فرصت واقعی برای بهره‌گیری از افزونگی ایجاد می‌کنند.
• معماری IT: با مجازی‌سازی و پهنای باند بالا، دو دیتاسنتر دوردست با افزونگی 1N ممکن است از یک دیتاسنتر بسیار افزونه دسترس‌پذیرتر باشند.
• تحمل ریسک: سازمانی که خرابی بزرگی تجربه نکرده معمولاً ریسک‌پذیرتر است.
• زمان مجاز توقف در سال: اگر کسب‌وکار می‌تواند شب‌ها و بیشتر آخر هفته‌ها خاموش شود، پیکربندی لازم نیست خیلی فراتر از N+1 برود؛ اگر هیچ توقفی قابل قبول نیست، طرح با دسترس‌پذیری بالا باید در بودجه باشد.
• قابلیت اطمینان، تعمیرپذیری و کیفیت پشتیبانی: زمان تعمیر به طراحی سیستم و مهارت تکنسین بستگی دارد. یکی از بهترین راه‌های ارزیابی، تجربه سازمان‌های دیگر با همان شرکت خدمات است.

جمع‌بندی APC این است که معماری 2(N+1) که مستقیم به بارهای دوکابل وصل شود، با افزونگی کامل و حذف نقاط شکست واحد، بیشترین دسترس‌پذیری را فراهم می‌کند؛ اما انتخاب درست برای هر سازمان، حاصل شناخت نیاز دسترس‌پذیری، تحمل ریسک و بودجه آن است.

برای مرور کلی همه مفاهیم یو‌پی‌اس به راهنمای جامع یو‌پی‌اس برگردید.