Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik

M 1.70 Zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung

Verantwortlich für Initiierung: IT-Sicherheitsbeauftragter, Leiter Haustechnik, Leiter IT

Verantwortlich für Umsetzung: Administrator, Haustechnik

Mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) kann ein kurzzeitiger Stromausfall überbrückt werden oder die Stromversorgung solange aufrechterhalten werden, dass ein geordnetes Herunterfahren angeschlossener Rechner möglich ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll,

  • wenn im Rechner umfangreiche Daten zwischengespeichert werden (z. B. Cache-Speicher im Netz-Server), bevor sie auf nichtflüchtige Speicher ausgelagert werden,
  • beim Stromausfall ein großes Datenvolumen verloren gehen würde und nachträglich nochmals erfasst werden müsste,
  • wenn die Stabilität der Stromversorgung nicht ausreichend gewährleistet ist.

Drei USV-Arten sind zu unterscheiden:

  • VFD-USV (Voltage and Frequency Dependent)
    Hierbei werden die angeschlossenen Verbraucher im Normalbetrieb direkt aus dem Stromversorgungsnetz gespeist. Erst wenn dieses ausfällt, schaltet sich die USV selbsttätig zu und übernimmt die Versorgung. Dazu benötigt eine VFD-USV bis zu 10 ms (Umschaltlücke), was für manche IT-Geräte schon zu viel sein kann. Da die VFD-USV im Normalbetrieb nicht an der Stromversorgung der angeschlossenen Verbraucher beteiligt ist, wurde sie früher auch Offline-USV genannt.
    VFD steht für Voltage and Frequency Dependent, also dafür, dass im Normalbetrieb der Ausgang der USV sowohl hinsichtlich der Spannung als auch der Frequenz direkt vom Eingang abhängig ist. Das bedeutet, dass kleinere Störungen im Versorgungsnetz direkt bis zu den von einer VFD-USV gespeisten Verbrauchern gelangen können.
  • VI-USV (Voltage Independent)
    Bei einer VI-USV wird die Versorgungsspannung bei kleineren Schwankungen nachgeregelt (VI steht für Voltage Independent), ohne dass die USV als solche die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher komplett übernimmt. Die Frequenz am Ausgang einer VI-USV ist aber wie bei einer VFD-USV direkt vom Versorgungsnetz abhängig. Auch bei der VI-USV kann es bei der Umschaltung auf Batteriebetrieb zu einer Umschaltlücke kommen.
  • VFI-USV
    Bei der VFI-USV (Voltage and Frequency Independent) gibt es im Normalfall keine direkte Verbindung mehr zwischen USV-Eingang und -Ausgang. Die gesamte elektrische Energie wird eingangsseitig gleichgerichtet und in den Zwischenkreis gespeist. Von dort werden die Batterien im optimalen Ladezustand gehalten und der Wechselrichter versorgt.
    Erst dieser erzeugt die für die angeschlossenen Verbraucher erforderliche Wechselspannung.
    Die VFI-USV ist also ständig zwischen Netz und Verbraucher geschaltet. Dadurch entsteht keine Umschaltlücke, weshalb nur die VFI-USV wirklich unterbrechungsfrei ist. Da die gesamte Stromversorgung hier immer über die USV läuft, wurde sie früher auch als Online-USV bezeichnet.

Werden diese drei USV-Typen im Vergleich betrachtet, steht außer Frage, dass die VFI-USV die mit dem besten Ausgangsverhalten ist und mindestens für die Versorgung empfindlicher IT-System zu bevorzugen ist. Unter Berücksichtigung weiterer, hier nicht behandelter Qualitätsmerkmale stellt eine USV, die nach DIN IEC 62040-3 gemäß VFI-SS-111 klassifiziert ist, das Optimum für die IT-Versorgung dar.

Entgegen einer immer wieder geäußerten Annahme stellt eine USV gleich welcher Bauart keinen Überspannungsschutz im eigentlichen Sinn dar. Eine USV ist zwar in der Lage, im Rahmen ihrer normalen Funktion zu hohe Spannungen von den angeschlossenen Verbrauchern fernzuhalten. Gegen Überspannungen, wie sie durch die technischen Einrichtungen des Überspannungsschutzes abgefangen werden, hilft aber eine USV keinesfalls. Im Gegenteil, eine USV muss wie alle anderen elektrischen Verbraucher durch geeignete Schutzmaßnahmen gegen Überspannungen geschützt werden (siehe M 1.25 Überspannungsschutz ).

Bei der Dimensionierung einer USV sind zwei Aspekte von Bedeutung: die Stützzeit und die Ausgangsleistung.

Für die Festlegung der Stützzeit ist der Zweck des USV-Einsatzes, die Art der versorgten IT und die Existenz weiterer energiesichernder Maßnahmen zu berücksichtigen.

Ist die USV-versorgte IT in der Lage, nach einem schlagartigen Abschalten der Stromversorgung und deren Wiederkehr problemlos wieder an- und weiterlaufen, reicht es aus, die USV für kurzfristige Stromausfälle auszulegen. Da die meisten Stromausfälle binnen weniger Minuten behoben sind, erscheint hierfür eine Überbrückungszeit von 10 bis 15 Minuten angemessen.

Macht die IT hingegen ein geordnetes Herunterfahren erforderlich, dürfte eine so kurze Stützzeit nicht ausreichen. Hier ist es sinnvoll, nach Beginn des Stromausfalls erst eine Weile zu warten und nicht sofort die Systeme herunter zu fahren. Diese Wartezeit ist mit circa 10 Minuten anzusetzen. Die für das Herunterfahren (Shutdown) erforderliche Zeit ist sehr unterschiedlich und muss für die angeschlossenen IT-Systeme individuell ermittelt werden. Als Faustformel für die Stützzeit ergibt sich für solche Fälle:

Stützzeit = Wartezeit plus zweifache Shutdown-Zeit

Typische Werte für die Stützzeit liegen bei 30 bis 60 Minuten. Der doppelte Ansatz der Shutdown-Zeit bewirkt ein Sicherheitspolster.

Für spezielle Anwendungsfälle (z. B. TK-Anlagen) kann die erforderliche Stützzeit auch mehrere Stunden betragen. Bei jedem Austausch oder Ergänzung von Geräten, die durch eine USV versorgt werden, muss erneut geprüft werden, ob die vorhandene Stützzeit ausreicht.

Änderungen der erforderlichen Stützzeit lassen sich relativ einfach durch eine Anpassung der Batteriekapazität vornehmen. Bei der Ausgangsleistung sieht das anders aus. Die maximale Ausgangsleistung wird durch die in den Gleich- und Wechselrichtern eingebauten elektronischen Bauteile bestimmt. Hier ist eine einfache Nachrüstung und damit Erhöhung der Ausgangsleistung meist nicht oder nur durch umfangreiche Umbauten möglich. Bei der Festlegung der Ausgangsleistung sollte man also ausreichende Reserven einplanen.

Empfindlichster Teil einer USV ist die Batterie. Nur wenn diese bei der vom Hersteller genannten optimalen Temperatur (typischerweise um 20°C) untergebracht wird, kann sie ihre maximale Leistung und Lebensdauer erreichen. Pro 10 Kelvin, um die diese Solltemperatur überschritten wird, vermindern sich Leistung und Lebensdauer um circa 50 %. Damit wird deutlich, dass besonders bei großen USV-Systemen die kälteliebende Batterie und die wärmeerzeugende Leistungselektronik keinesfalls in einen gemeinsamen Raum gehören. Um sicher zu stellen, dass die USV die erforderliche Stützzeit bereitstellt, sollte etwa einmal pro Jahr die tatsächliche Stützzeit ermittelt werden. Manche USV-Systeme verfügen dazu über eingebaute Prüfmechanismen. Ist das nicht der Fall, kann der Wert durch einen Lasttest ermittelt werden.

Da die USV die letzte Bastion gegen den Stromausfall vor der IT-Hardware ist, kommt ihr große Bedeutung für die Sicherstellung der Verfügbarkeit zu. Sie hat also denselben Schutzbedarf wie die durch die USV versorgte IT. Wenn die USV-versorgten IT-Systeme redundant ausgelegt sind, sollten auch USV-Systeme redundant vorhanden sein. Ergänzend sei hier auf M 1.52 Redundanz, Modularität und Skalierbarkeit in der technischen Infrastruktur hingewiesen.

Außerdem ist bei einer USV besonders auf den Schutz vor dem Zugriff Unbefugter, Brand und Wasser zu achten. Ein sinnvoller Schutz gegen Brand macht es nahezu unverzichtbar, einander Redundanz bietenden USV-Einheiten in getrennten Brandabschnitten unterzubringen. Nur so kann verhindert werden, dass bei Brand einer Einheit nach kurzer Zeit auch alle anderen durch Brand ausfallen.

Wie bei allen anderen elektrischen Geräten ist auch bei USV-Systemen darauf zu achten, dass sie in den vom Hersteller genannten Temperaturbereichen betrieben werden. Dies ist bei der Dimensionierung der Kühlung zu berücksichtigen.

Um die Schutzwirkung einer USV aufrechtzuerhalten, muss sie regelmäßig gewartet werden. Dafür sind die vom Hersteller vorgesehenen Wartungsintervalle der USV einzuhalten.

Prüffragen:

  • Wird sichergestellt, dass die Batterie im erforderlichen Temperaturbereich gehalten wird?

  • Werden die Wartungsintervalle der USV eingehalten?

  • Wird die tatsächliche Kapazität der Batterie und damit die Stützzeit der USV regelmäßig getestet?

  • Wird erneut geprüft, ob die Stützzeit ausreichend ist, wenn Änderungen bei den Verbraucher durchgeführt wurden?

Stand: 11. EL Stand 2009

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