USV's - Lebensversicherung für VoIP-Anlagen

Autor: Hein, Mathias Datum: 20.07.10

Moderne Unternehmen ersetzt durch das Voice over Internet Protocol (VoIP) die klassische Telefonie. Die im Netzwerk installierten Switches und Router werden dadurch auch für die Übertragung der Sprach-Applikationen genutzt. VoIP-Lösungen stellen jedoch erhöhte Anforderungen an die Stromversorgung und Kühlung der Verteilerräume. In den meisten Etagenverteilern stehen weder unterbrechungsfreie Stromversorgungen noch Möglichkeiten zur Lüftung oder Kühlung zum Schutz vor Überhitzung zur Verfügung. Daher gehört zur professionellen Planung einer VoIP-Lösung auch ein überarbeitetes bzw. neues Notstromkonzept.

 
VoIP und IP-Telefonie erfordern im Vergleich zur klassischen Telefonie eine hohe Verfügbarkeit. Es gilt: ITK-Systeme sollten möglichst kleine Stillstandszeiten aufweisen, denn Ausfallzeiten führen zu Datenverlust und zu Unterbrechung bei der Telefonie.
 
Eine hohe Systemzuverlässigkeit R(t) eines ITK-Systems lässt sich nur durch eine hohe Ausfallsicherheit aller Einzelkomponenten erreichen. Soll die System-Zuverlässigkeit weiter gesteigert werden, so geschieht dies durch den Einbau von redundanten Funktions-Komponenten. Die redundanten Komponenten übernehmen dabei die volle Funktion des ausgefallenen Geräts. In diesem Fall spricht man von gekoppelten Systemen. Durch Einbau von Redundanz-Funktionen wird jedoch die Fehlerursache nicht beseitigt und der Fehler wird nur temporär verdeckt. Das System wird dadurch in die Lage versetzt, Fehler zu tolerieren - es wird ausfallsicherer oder fehlertolerant.
 
Ein ITK-System gilt in der Praxis als verfügbar, wenn sowohl dessen Hardware- auch Software-Komponenten funktionsfähig sind und die Anwender das System nutzen können. Der Ausfall eines Clients (beispielsweise ein VoIP-Telefon) innerhalb eines Systems beeinträchtigt die Gesamtverfügbarkeit nicht. Der Nutzer eines solchen Clients kann zu einem Ersatz-Arbeitsplatz gehen und dort weiterarbeiten. Somit gehören zu den Kernelemente der Verfügbarkeit in ITK-Systemen folgende Komponenten: Die Serverarchitektur, zentrale Speichersubsysteme sowie die Netzressourcen.
 
Die Verfügbarkeit A eines IT-Systems ergibt sich somit als Quotient der Ist-Betriebsdauer I und der Soll-Betriebsdauer S (in Prozent):
 
A = ( I / S ) * 100 %
 
Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Fehlerhäufigkeit einen wesentlichen Effekt auf die Verfügbarkeit auf das Gesamtkonzept hat. Aus diesem Grund werden Lösungen erforderlich, die über einen längeren Zeitraum eine hohe Verfügbarkeit garantieren. Die Verfügbarkeit wird immer in Prozent der Stillstandszeiten dargestellt. Dabei wird das Jahr mit 24 h x 364 Tage = 8736 Stunden zugrunde gelegt.

Verfügbarkeitsangaben in Prozent bzw. Ausfallzeiten pro Jahr
 
In der Vergangenheit wurden die Netzwerke nur als Kommunikationsstruktur für die Rechner gesehen. Diese verengte Sichtweise reduzierte die Anforderungen an die Netze. Durch VoIP und die Übertragung von Videoanwendungen haben die Netze eine neue Bedeutung erhalten. Die Netze sind der entscheidende Faktor im Ablauf der Geschäftsprozesse. Damit sind die Unternehmen von der Verfügbarkeit der Netze abhängig.
 
Bei Langzeituntersuchungen wurde festgestellt, dass ca. 6 Prozent der gesamten Zeit das Netz für den Betrieb nicht verfügbar ist. Vergleicht man diese Zahlen mit anderen kritischen Ressourcen innerhalb einer Firma, so stellt man fest, dass die Ausfallrate von Telefonanlagen und dem Stromnetz in einer Größenordnung von > 0,1% liegt.
 
Aus diesem Grund muss das gesamte Netzwerk zwangsläufig zu einem berechenbaren Faktor entwickeln.
 
Klassische TK-Anlagen verfügen über eine sternförmige Verkabelung, bei der jedes einzelne Telefon über die Telefonbuchse mit Spannung versorgt wird. Je nach Gerätetyp und Modell liegt der Stromverbrauch gängiger Endgeräte bei etwa 1,5 bis 1,8 W. Über die Verkabelung der TK-Anlage ist die Stromversorgung aller angeschlossenen Apparate bis zum Übergang in das Netz des Telefon-Dienstanbieters garantiert. Die Kosten der Stromversorgung für eine herkömmliche TK-Anlage liegen bei etwa 0,5 bis 1 Prozent des gesamten Investitionsvolumens.
 
Herkömmliche Telefonie-Systeme sind gegenüber VoIP-Lösungen mit einer höheren Verfügbarkeit ausgestattet. Dies hat folgende Gründe:

• Der Strom für das Telefonendgerät wird von zentraler Stelle über die Telefonverkabelung liefert.
   
• die klassischen Telefonsysteme verfügen in der Regel über eine eingebaute unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV).
   
• Die USV ist für eine lange Überbrückungszeit ausgelegt
   

VoIP-Anlagen sind grundsätzlich anders strukturiert als herkömmliche Telefonanlagen. Jede einzelne dieser VoIP-Komponenten ist individuell gesehen anfällig gegen Störungen oder Ausfälle der Stromversorgung. Bei der klassischen Telefonanlage dagegen war in so einem Fall in der Regel nur die Zentrale von Spannungsstörungen betroffen.
 
Um die erwartete Verfügbarkeit zu erreichen, übernimmt die IP-Telefonie die bei der klassischen Telefonie bewährten Prinzipien:

1. dem Endgerät wird die Energie zusammen mit dem Signal bereitzustellen.
    
2. Der herkömmliche Etagenverteiler wird an die Verfügbarkeits-Anforderungen angepasst.
    
3. Der Backbone stellt Redundanzfunktionen bereit.
    

Stromversorgung der Endgeräte

Die VoIP-Endgeräte werden gewöhnlich auf Schreibtischen aufgestellt oder an der Wand montiert. Bei neu eingerichteten oder aktualisierten Netzwerken erfolgt die Stromversorgung meistens über die Datenverbindung. In einigen Fällen kann jedoch auch eine Steckdose als Stromquelle dienen.
 
Power over Ethernet (PoE) bezeichnet ein Verfahren, mit dem netzwerkfähige Geräte über das 8-adrige Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden. Der Hauptvorteil von Power over Ethernet besteht darin, dass man ein Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernet-Geräte installieren kann. Somit werden Installationskosten reduziert und zusätzlich, durch den Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöht.
 
Der Power over Ethernet (PoE) Standard sieht eine Schutzkleinspannung von 48 Volt vor, wobei der tatsächlich von der Spannungsquelle zur Verfügung zu stellende Bereich bis 57 Volt geht. Dabei beschränkt der Standard die Stromaufnahme im Dauerbetrieb auf 350 mA. Zudem ist die maximale Speiseleistung auf 15,4 Watt, die maximale Leistungsaufnahme des Endgeräts nach Abzug der Leitungsverluste über eine Kabellänge von 100 Metern auf 13 Watt beschränkt.
 
Die VoIP-Endgeräte müssen jedoch ebenso verfügbar sein wie die von ihnen ersetzten herkömmlichen Telefone. Das größte Problem, das es hierbei zu lösen gilt, besteht darin, ihren kontinuierlichen Betrieb selbst bei einem längeren Stromausfall sicherzustellen. Aus diesem Grund muss bei einer PoE-Versorgung der Endgeräte der Etagen-Switch oder eine Komponente im Etagenverteiler dafür sorgen, dass die Stromversorgung erhalten bleibt.
 

Etagenverteiler

In den Etagenverteilern laufen alle Etagenkabel zusammen. Hier sind auch die Layer 2/3 Switches zur Anbindung der Etage an den Gebäude-Backbone installiert. Die Etagenverteiler sind gewöhnlich in einem abgelegenen Raum auf der Etage untergebracht. In der Regel verfügt dieser Raum über keine separate Lüftung.
 
Neuere Switches versorgen die VoIP-Endgeräte über das Datenkabel mit Strom. Dieses Verfahren wird Endspan-PoE bezeichnet. Der Strom zu den Endgeräten fließt entweder über die 4 ungenutzten Drähte oder aber über die 4 Drähte, die zur Datenübertragung genutzt werden.
 
Ältere Switches und Router stellen über die Ethernet Interfaces keine Stromversorgung zur Verfügung. Dieses Problem lässt sich durch den Austausch der entsprechenden Switches oder durch die Installation eines so genannten Midspan-Systems realisiert. Midspan-Systeme werden zwischen dem in Richtung Endgerät abgehenden Kabel zwischen dem Switch-Port und dem Patch-Panel installiert. Dadurch wird die Speisespannung (gemäß PoE) in das abgehende Kabel eingefügt. Die eigentlichen Nutzdaten werden unverändert durchgeschleift.
 
Durch entsprechende Managementsoftware können bei diesen Verteilerfeldern die einzelnen Ports stromfrei oder stromführend definiert werden.
 
In der Vergangenheit wurden in den Etagenverteilern nur wenige EDV-Geräte (Hubs, Switches) installiert. Die Anbindung der Endgeräteleitungen (Telefone) an die Gebäudeleitung erfolgte über Auflegeblöcke bzw. Patchfelder.
 
VoIP-Lösungen unterscheiden sich von Datenanbindungen nur noch durch die über das Ethernet bereitgestellte Stromversorgung. Geht man davon aus, dass jeder Arbeitsplatz über folgende Mindestausstattung verfügt: 1 Daten- und 1 VoIP-Anschluss, dann verdoppelt sich die Anzahl der Ethernet-Ports auf der Etage.
 
Da 50 Prozent der im Etagenverteiler bereitgestellten Ethernet-Ports zusätzlich die Stromversorgung über das Ethernet-Interface zur Verfügung stellt, muss diese Leistung vom Switch bereitgestellt werden. Somit verbrauchen VoIP-Infrastrukturen deutlich mehr Strom als alte Lösungen und geben entsprechend mehr Wärme an die Umgebung ab.
 
Daher muss die Stromversorgung und die Kühlung der Etagenverteilung besonders beachtet werden.
 
Ein typischer Etagenverteiler besteht aus 1 - 4 Etagen-Switches und erfordert für den Betrieb eine Stromversorgung die permanent zwischen 800 bis 2000 W bereitstellt.
 
Diese Leistungsaufnahme wird jedoch in Verlustleistung umgesetzt, die sich durch Abwärme bemerkbar macht. Somit müssen folgende Element genauer analysiert werden:

• Stromversorgung und
• Abwärme
   

Stromversorgung

Die Stromversorgung steht in Mitteleuropa fast ununterbrochen zur Verfügung. Daher wähnen sich viele Unternehmen in Sicherheit. Beim Stromversorgungsnetz besteht ein statistisches Risiko von einem Prozent von einem Stromausfall betroffen zu werden. Eine Verfügbarkeit von 99 Prozent bedeutet jedoch umgerechnet eine Down Time von 84 Stunden pro Jahr.
 
Höhe Verfügbarkeitswerte sind jedoch die Übermittlung von Sprachsignalen bzw. für lebenserhaltende Anwendungen wie Notrufdienste erforderlich.
 
Hinzu kommt, dass der Strom auf dem Weg zum Endgerät (VoIP Telefon, Switches, Router, PC oder Server) durch verschiedene Störfaktoren beeinflusst wird. Diese Störfaktoren sind: Spannungsspitzen, Spannungseinbrüchen, Ober- und Unterspannung sowie Induktionen von Oberwellen. Dabei können schon geringe Stromschwankungen oder –ausfälle von wenigen Millisekunden schwerwiegende Schäden in der Hardware und den Verlust der Daten nach sich ziehen.
 

Verbraucher

Die elektrischen Verbraucher reagieren unterschiedlich auf mögliche Netzstörungen. So gibt es Verbraucher, die

• Spannungseinbrüche bis zu 20 ms,
• Spannungsschwankungen bis +/- 10 %,
• Frequenzschwankungen bis + 4 % / -6 % und
• Spannungsverzerrungen bis 8 %
   

problemlos überstehen. Auch gegenüber Transienten sind viele Verbraucher immun. Zudem müssen nicht alle Verbraucher immer mit elektrischer Energie versorgt werden, d.h. Betriebsausfälle in zeitlich beschränktem Rahmen sind durchaus akzeptabel.
 
Bei der Erfassung der Verbraucher sollen Erfahrungswerte, den Werten aus den Datenblättern vorgezogen werden, da die Erfahrungswerte wesentlich zur Optimierung des Einsatzes der USV-Anlage beitragen.
 
Im Folgenden einige Beispiele zu den Anforderungen der Verbraucher:

• Ein Grossteil der Personalcomputer, Arbeitsstationen, EDV-Netzwerke und der Geräte mit getakteten Netzgeräten überstehen einen Spannungsunterbruch von 20 ms ohne Funktionsstörung und sind auch gegenüber den anderen Netzstörungen weitgehend immun.
   
• Im Gegensatz dazu führt bei Hochdruckleuchten oder teilweise bei Steuerungen mit Relais in Selbsthaltung ein Spannungsunterbruch von 20 ms dazu, dass sich das Gerät abschaltet und allenfalls erst nach einigen Minuten wieder gestartet werden kann.
   
• Bei Anlagen mit eigener Energiespeicherkapazität, wie z.B. bei Klima- und Kälte-Anlagen in einem Gebäude ist häufig ein Betriebsausfall von mehreren Minuten erlaubt. Im Gegensatz dazu gilt dies nicht für die Klimatisierung des USV- und eines allfälligen Batterieraumes, da für den Betrieb der USV-Anlage und der Batterien die für eine einwandfreie Funktion der Anlagen erforderlichen Umgebungsbedingungen gewährleistet sein müssen und dies vor allem bei einem Netzausfall.
   

Bei der Qualität der Verbraucher interessieren der Leistungsfaktor und die Stromoberschwingungen der Gesamtheit aller Verbraucher eines Anschlusspunktes. Diese Netzrückwirkungen müssen ab einer definierten Größe der Verbrauchsleistung die Vorgaben des Netzbetreibers erfüllen.
 
Von den Verbrauchern, die ab einer USV-Anlage versorgt werden sollen, sind unter Berücksichtigung des jeweiligen Gleichzeitigkeitsfaktors und des Leistungsfaktors die Wirk- und Blindleistung zu bestimmen. Die Dimensionierung einer USV-Anlage basiert auf dieser Ermittlung der Wirk- und Blindleistung aller Verbraucher.
 

Kategorisierung der Verbraucher

Die Verbraucher werden abhängig von ihren Anforderungen an das versorgende Netz in eine der drei folgenden Kategorien zugeordnet.

• Kategorie 1: Versorgung ab Netz
  Die Verbraucher können direkt am Netz ohne USV-Anlage betrieben werden.
   
• Kategorie 2: Versorgung über Bypass
  Die Verbraucher werden über eine USV-Anlage versorgt. Im Normalbetrieb erfolgt die Versorgung über den Bypass. Bei einer Netzstörung wird die Versorgung mit einem Spannungsunterbruch von max. 20 ms auf den USV-Pfad umgeschaltet. Die Verbraucher überstehen diesen Spannungsunterbruch ohne Betriebsstörung und die Funktionen der Verbraucher bleiben gewährleistet.
   
• Kategorie 3: Versorgung über USV-Pfad
  Die Verbraucher werden über den USV-Pfad der Anlage versorgt, d.h. eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung ist für die Gewährleistung der Funktionen der Verbraucher zwingend erforderlich.
   

Um diese zu gewährleisten, muss das Stromnetz abgesichert werden. Diese Anforderungen werden durch USV-Systeme bzw. Notstromgeneratoren erfüllt.
 
Eine USV besteht aus Akkumulatoren, Stromrichtern und einer elektronischen Regelung. Moderne USVs sind ab einer Leistung von wenigen VA bis zu mehreren 100 kVA erhältlich. Die Leistung ist im Wesentlichen von der Belastbarkeit der Stromrichter abhängig. Ein weiteres Merkmal ist die maximale Überbrückungszeit, die von der Kapazität der Akkumulatoren abhängt. Sie kann je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen. USV-Systeme deren Überbrückungszeit durch zusätzliche Akkumulatoren verlängert werden kann, sind ab einer Leistung von etwa 1500 VA erhältlich. Bei großem Bedarf an Leistung und Überbrückungszeit kommen auch Stromerzeugungsaggregate zum Nachladen der Akkumulatoren zum Einsatz.
 

Strom und Spannungsstörungen im Stromnetz

Strom und Spannungsstörungen werden durch folgende Ursachen hervorgerufen:

• Spannungseinbrüche
  Als Spannungseinbrüche bezeichnet man 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 Strom-Versorgungsnetz). Spannungseinbrüche können ähnliche Auswirkungen wie Spannungsspitzen haben und zu Speicherverlust, Datenfehlern, flackernden Leuchtanzeigen und Abschaltungen des Systems führen.
   
• Frequenzabweichungen
  Hierbei handelt es sich um eine Abweichung von der normalerweise konstanten Netzfrequenz von 50 Hz. Sie kann durch fehlerhaften Betrieb von Notstromgeneratoren oder instabile Stromquellen hervorgerufen werden. Bei sensiblen elektronischen Systemen können dadurch Daten-Beschädigungen, Festplatten-Crash, Tastaturblockierung oder Programmfehler auftreten.
   
• Überspannung
  Eine Überspannung tritt auf, wenn die Spannung 110 Prozent über dem Normalwert liegt. Die häufigste Ursache für die Entstehung von Überspannung ist die Abschaltung großer elektrischer Anlagen. Unter diesen Bedingungen kann es bei Computersystemen zu Speicherverlust, Datenfehlern, flackernden Leuchtanzeigen oder Abschaltung des Systems kommen.
   
• Hochspannungsspitzen
  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
  Schaltspitzen treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 20.000 Volt für die Dauer von 10 bis 100 Mikrosekunden 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 Komponentenbelastung.
   
• Kurzschlüsse im öffentlichen Netz
  Ein Kurzschluss im öffentlichen Stromnetz 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/ Netzausfall
  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.
   
• Leitungsrauschen
  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
  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 unterbrechungsfreie Strom-Versorgung (USV) schützt vor den alltäglichen Störungen im öffentlichen Stromnetz. Daher gehört zur Grundausstattung eines Etagenverteilers die Absicherung aller wichtigen Komponenten durch ein USV-System. Das USV-System dimensioniert sich anhand folgender Faktoren:

• Leistungsabgabe
  Ein USV-System wird anhand der erforderlichen Summenleistung aller Lasten auf der Sekundärseite dimensioniert. Die Fragen die sich aus diesem Themenkomplex ergeben sind:
  Wie viele Geräte können an eine USV angeschlossen werden?
  Was bedeutet die VA-Zahl?
   
  Die VA-Zahl steht für Voltampere und gibt die Scheinleistung an. Die Scheinleistung ist die tatsächliche Leistung die durch die Verbraucher aufgenommen wird. Im Vergleich zur VA-Zahl kennt man aus dem Hausgebrauch die übliche Leistungsaufnahme in Watt. Die VA-Zahl errechnet sich durch Multiplikation der Watt-Zahl mit dem statischen Faktor 1,4.
   
  Beispiel: 3 PCs mit jeweils 300 Watt und drei VoIP Telefone mit je 6 Watt sind per USV abzusichern. Die Scheinleistung errechnet sich nach folgender Formel:
   
  Scheinleistung [VA] = Summe der Leistungsaufnahmen [in W] * 1,4
  [VA] = 918W * 1,4 = 1285,2 VA
   
  In diesem Fall genügt zur Absicherung der Systeme (ohne jede Ausbaureserve) eine USV mit einer Scheinleistung von ca. 1300 VA.
   
  Bei der Dimensionierung einer USV für eine VoIP-Umgebung, müssen alle aktiven Komponenten, die ein VoIP-Netz beeinflussen, mit in die Kalkulation einbezogen werden. Da es hierfür keine Tabellen oder feste Formeln gibt, sollten die Leistungswerte für die USV durch eine Leistungsmessung ermittelt werden. Als Faustformel für die VoIP-Praxis gilt: der Leistungsbedarf pro Anwender liegt zwischen 20 und 40 Watt.
   
• Überbrückungszeit
  Die Überbrückungszeit liefert einen wichtigen Eckpunkt zur Berechnung der USV. Moderne USV-Produkte verfügen über integrierte Batteriepuffer zur Überbrückung der Stromausfälle. Die USV dimensioniert sich daher zusätzlich anhand der geplanten Überbrückungszeiten. Um nicht alle angeschlossenen über den gesamten Zeitraum in Betrieb zu halten, kann man auch unwichtigere Systeme abschalten oder nach einer bestimmten Zeit gezielt herunterfahren. Die USVs liefern hier die notwendigen Schnittstellen um die jeweiligen Systeme per Befehl gesichert abzuschalten.
   
  Im VoIP-Umfeld haben Erfahrungen gezeigt, dass bei 70 bis 80 Prozent aller Arbeitsplätze etwa 30 Minuten ausreichen, um Vorgänge ordentlich zu beenden oder letzte Maßnahmen zu treffen, bevor die Kommunikation nicht mehr umfassend zur Verfügung steht. Die restlichen 20 bis 30 Prozent entfallen auf Kommunikationsgeräte, die mindestens 1 Stunde oder länger zur Verfügung stehen müssen.
   

USV-Technologien

Heute stehen dem Netzbetreiber folgende USV-Technologien zur Verfügung:

• Offline-Systeme
  Diese USV-Systeme werden auch als "Standby-USVs" bezeichnet. Diese Technologie ist für den Schutz einzelner Geräte (PCs, Server) konzipiert. Diese USVs bieten nur bei einem vollständigen Stromausfall eine Absicherung und enthalten keine bedeutenden Funktionen zur Spannungsaufbereitung. Diese Systeme werden als "Offline"-Systeme bezeichnet, da die USV-Schaltung nur bei einem Spannungs-Ausfall aktiv wird. Unterschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, wechseln diese Anlagen über einen Schalter zur Batteriespannung. Dabei kommt es zu Verzögerungen von zwei bis sechs Millisekunden, die jedoch von den meisten EDV-Netzteilen überbrückt werden können. Die Verzögerung wird Umschaltzeit genannt. Anschließend wandelt ein Wechselrichter in der USV die Gleichspannung der Batterien in Wechselspannung um, die von der Stromversorgung des Computers genutzt werden kann.
   
  Offline-Systeme entsprechen der USV-Klassifikation 3 nach IEC 62040-3 und schützen gegen folgende Spannungsprobleme: Stromausfälle, Spannungseinbrüche und Überspannungen.
   
• Line-interaktive Systeme
  Hier handelt es sich um eine hybride Technologie, die einen besseren Schutz als die Offline-Technologie bietet, aber kostengünstiger ist als die volle Online-Technologie. Sie bietet neben dem Schutz bei Stromausfall auch eine Spannungssaufbereitung, 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.
  Line-interaktive Systeme entsprechen der USV-Klassifikation 2 nach IEC 62040-3 und schützen gegen folgende Spannungsprobleme: Stromausfälle, Spannungs-Einbrüche, Überspannungen, Kurzschlüsse im öffentlichen Stromnetz und Leitungsrauschen.
   
• Online Systeme
  USVs mit dieser Technologie sind am besten für Bereiche geeignet, bei denen geschäftskritische Anwendungen geschützt werden müssen. Diese Systeme stellen sicher, dass es bei der Stromversorgung nie zu einer Unterbrechung kommt. Dazu arbeiten diese Anlagen nach dem so genannten Double-Conversion-Prinzip, 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 der Verbraucher 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.
   
  Online Systeme entsprechen der USV-Klassifikation 1 nach IEC 62040-3 und schützen gegen folgende Spannungsprobleme: Stromausfälle, Spannungs-Einbrüche, Überspannungen, Kurzschlüsse im öffentlichen Stromnetz, Leitungsrauschen, hohe Spannungsspitzen, Frequenzabweichungen, Schaltspitzen und harmonische Oberwellen
   

USV-Klassen

Bereits seit langem existieren europaweit USV-spezifische Normen, die Sicherheit, Anschluss und elektromagnetische Verträglichkeit regeln. Die Europäische Norm EN 50091-1 beschreibt die Sicherheitsanforderungen, zum Beispiel bezüglich elektrischer Anschlüsse, physikalischer Einwirkungen, thermischer Beanspruchung und besonders der Personensicherheit.
 
In der EN 50091-2 werden die Anforderungen und Klassifizierungen bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit definiert. Dabei werden sowohl die Abstrahlungen durch die USV als auch die Störfestigkeit der USV in Bezug auf elektromagnetische Strahlung betrachtet.
 
Die EN 62040-3 dient der Beschreibung und Klassifizierung der USV-Performance. Um lange Beschreibungen zu umgehen, wurde ein Code-System entwickelt, das die Leistungsfähigkeit einer USV beschreibt.
 
Das Einsatzziel einer USV ist die sichere Versorgung der angeschlossenen Last mit einer Ausgangsspannung hoher Qualität. Deshalb orientiert sich die Klassifizierungsnorm stark am USV-Ausgang. Die drei Teile der USV-Klassifizierung kennzeichnen:

1. Grad der Abhängigkeit der USV-Ausgangsversorgung vom Netzeingang im Normalbetrieb.
2. Beschreibung der Wellenform der USV-Ausgangsspannung.
3. Dynamisches Verhalten der USV- Ausgangsspannung.
    

Abhängigkeit des Ausganges vom Netz

Mit dem Grad werden die zurzeit gebräuchlichen USV-Typen unterschieden. Doch um offen für zukünftige Entwicklungen zu bleiben, beziehen sich die Kürzel auf Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz allgemein:

Stufe 2: Beschreibung der Wellenform

Idealform für die Wechselspannung am USV-Ausgang ist die Sinuskurve, charakterisiert durch die nominale Spannung 230 V (Spitzenspannung multipliziert mit der Wurzel aus 2) und die Frequenz der Sinuswelle 50 Hz. Durch mathematische Zerlegung einer beliebigen Kurvenform in die sinusförmige Grundwelle und harmonische Oberschwingungen mit ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz von 50 Hz kann ein Maß für die Wellenform der Ausgangsspannung definiert werden.
 
Für die Norm EN 62040-3 sind als Verzerrungen der Sinuskurve acht Prozent als wichtiger Grenzwert ausgewiesen.
 
Die Buchstaben S, X und Y charakterisieren die unterschiedlichen Klassen, wobei der erste Code das Verhalten der Ausgangsspannung im Normal- oder Bypassbetrieb wiedergibt, während der zweite Code explizit den Batteriebetrieb kennzeichnet:

Dynamisches Verhalten

Obwohl eine USV durch die eingebauten Akkus eine Überbrückung von Spannungsabfällen und -ausfällen bietet, kann gerade durch Schaltvorgänge in der USV eine Störung der Ausgangsspannung hervorgerufen werden, die manche Verbraucher nicht tolerieren. Deshalb werden drei verschiedene dynamische Vorgänge unterschieden und in der Klassifizierung mit drei Zahlen gekennzeichnet:

 
Für jede dieser Prüfbedingungen werden die Spannungsverläufe mit charakteristischen Prüfkurven verglichen und eine Klassifizierung festgelegt und durch die drei Zahlen in der USV-Klassifizierung beschrieben.

 
Durch die Klassifizierung von USV- Geräten in der Norm EN 62040-3 werden dem Nutzer praktikable Orientierungspunkte an die Hand gegeben. Allerdings ist es für eine optimale Beratung und Auswahl wichtig, dass die Qualität und Anforderungen der angeschlossenen Verbraucher abgeklärt sind.
 

Hinweis für die Praxis

In der Regel handelt es sich bei den in USVs eingesetzten Batterien um wartungsfreie Akkus. Diese bedürfen keiner weiteren Pflege. Im eigenen Interesse ist jedoch die Umgebungstemperatur auf 20 °C konstant zu halten. Nur hier wird eine maximale Lebensdauer gewährleistet. Weicht die Umgebungstemperatur beispielsweise um 5 °C ab, verringert sich die Lebenserwartung der Batterie auf die Hälfte.
 
USV-Anlagen sind, von kurzen Pausen für die Wartung abgesehen, 24 Stunden am Tag für viele Jahre in Betrieb. Verlustleistungen, so gering sie zunächst erscheinen mögen, summieren sich deshalb über die Zeit bei Kosten und Umweltbelastung zu enormen Beträgen. USV-Anlagen wandeln permanent Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, um die Batterie zu versorgen, die dann die Energiezufuhr bei Ausfall des Primärnetzes aufrechterhält. Dafür muss allerdings der Gleichstrom für den Betrieb der angeschlossenen AC-Lasten wieder zu Wechselstrom konvertiert werden.
 
Dieser zweifache Umwandlungsprozess führt zwangsläufig zu Verlusten, die sich nicht nur in zusätzlichen Stromkosten für den Betrieb der USV niederschlagen, sondern auch in Kosten für die Klimatisierung der Abwärme.
 
Hocheffiziente Anlagen sind also gefragt – der Wirkungsgrad als das Verhältnis von abgegebener und aufgenommener Leistung bei der Energieumwandlung ist dafür die entscheidende Größe.
 

Versicherungen: Wann und was sie leisten

Viele Steckdosenleisten und USV-Geräte kommen mit eingeschlossener Versicherung gegen Schäden durch Blitzschlag. Diese Versicherung gilt für Geräte, die ordnungsgemäß an die Leiste angeschlossen waren und durch einen Blitzschlag beschädigt oder zerstört wurden. Der "ordnungsgemäße Gebrauch" schließt den Anschluss weiterer Leisten oder von USV-Geräten an die betreffende Leiste ausdrücklich aus!
 
Auch darf die Leiste selber nur direkt in die Wandsteckdose gesteckt werden und nicht an ein Verlängerungskabel. Es ist zu beachten, dass die Steckdosenleiste nach dem Erwerb beim Hersteller registriert wird und die Quittung für den eventuellen Schadensfall unbedingt aufbewahrt werden muss. Bei der Nutzung von Steckerleisten muss man vergleichsweise wenig beachten, denn sie sind pflegeleicht und in Sekundenschnelle einsatzbereit. Trotzdem sollte man schon beim Kauf auf einige Dinge achten. Die Steckdosenleiste sollte ausreichend dimensioniert sein und genügend Steckplätze aufweisen. Auf den meisten Steckdosenleisten wird der maximale Überlaststrom in Ampere beziehungsweise Joule angegeben. Je höher die genannte Zahl, desto höher der Stromschlag, den die Steckdosenleiste und somit die angeschlossenen Geräte verkraften können. Mit der Höhe des Überlaststroms steigen zumeist auch der Preis und die Höhe der eingeschlossenen Versicherung. Es macht durchaus Sinn, besonders wertvolle Geräte durch eine besonders leistungsfähige Steckerleiste zu schützen, da im Schadensfall eine höhere maximale Versicherungssumme ausgezahlt wird.
 

Abwärme

Zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Betriebs, muss auch die Klimatisierung (Kühlung und Luftzirkulation) im Etagenverteiler analysiert werden. Die hauptsächlichen Wärmequellen in einem Etagenverteiler sind: die Switches, Router, Midspan-Stromeinspeisungen, Klimaanlagen, Beleuchtungen und USVs.
 
Klassische Switches/ Router ohne PoE setzen ihre gesamte Leistung innerhalb der Etagenverteilung in Wärme um. Dagegen wird bei einem PoE-Switch nur ein Teil der Verlustleistung vor Ort in Wärme umgesetzt. Der Rest der Energie wird über das Netzwerkkabel in die angeschlossenen Büros verteilten und in die IP-Telefone eingespeist. Entsprechend wird diese Leistungsaufnahme erst am Arbeitsplatz (und somit außerhalb des Etagenverteilers) in Wärme umgesetzt.
 
Berechnung der Abwärme in einem VoIP-Etagenverteiler:

 
Nachdem die Wärmeenergie des Etagenverteilers berechnet wurde kommen folgende Faustformeln zum Einsatz:

Gebäudeverteiler

In den Gebäudeverteilern laufen bei größeren Netzen alle Gebäudesteigleitungen zusammen und werden auf das Campus-Netz (Backbone) geschaltet. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine ähnliche Vorgehensweise wie in den Etagenverteilern in Sachen Notstromversorgung und Klimatisierung vorzunehmen.
 

Datencenter und Serverfarmen

Datencenter oder Serverfarmen beherbergen sämtliche Anwendungsserver für die IP-Telefonie. Je nach Netzwerkarchitektur und Größe der Organisation werden hier auch die Core Switches installiert. Je nach Größe (klein, mittel oder groß) kann ein Datencenter Dutzende Racks umfassen, in denen die Switches, Router und Server montiert sind.
 
Datencenter befinden sich im Allgemeinen in der Zentrale des Unternehmens und nehmen mindestens 10 kW ein- oder dreiphasigen Wechselstrom auf. Die Werte können jedoch bis auf Hunderte von Kilowatt ansteigen. Die Mehrzahl der Datencenter ist bereits mit batteriegepufferten USVs, Notstromgeneratoren und geeigneten Klimaanlagen ausgerüstet.
 
Die für die Telefonie notwendigen VoIP-Server und -Switches bilden im Grunde genommen inkrementelle Lasten für das Datencenter, die höhere Überbrückungszeiten, Redundanz und Verfügbarkeit erfordern als andere IT- und Netzwerkgeräte.
 
Auch wenn viele Datencenter über ihre eigenen USV und Generatoren verfügen, kann es notwendig sein, eine separate, redundante USV mit langer Überbrückungszeit für die VoIP-Komponenten zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grund müssen die Komponenten ermittelt werden, die längere Überbrückungszeiten und höhere Verfügbarkeiten benötigen.
 
Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Klimaanlage des Datencenters ausreichende Kühlkapazitäten für die zusätzlichen VoIP-Komponenten aufweist. Racks mit hoher Leistungsdichte (> 3 kW/ Rack) sollten zusätzliche Luftumwälzeinheiten versehen werden, um die Entstehung von "Hot Spots" zu vermeiden.
 

Zusammenfassung

Bei der Absicherung von VoIP-Installationen gegen Stromausfall bestehen gravierende Unterschiede zu klassischen Telefonanlagen. Anfällig gegen Störungen oder Ausfälle sind bei VoIP-Anlagen alle im VoIP-Netz integrierten Kommunikations-Komponenten.
 
Bei der Planung des Einsatzes von USV-Systemen müssen für jede Anwendung die jeweiligen spezifischen Anforderungen an die Stromversorgung berücksichtigt werden.
 
Maßgeschneiderte USV-Systeme sind für jeden Einsatzzweck und jede Umgebung erhältlich. Es muss jedoch geklärt werden, was genau abgesichert werden soll: ein einzelner EDV-Arbeitsplatz, ein Netz oder ein ganzes Gebäude. Ein Firmennetz mit Hunderten von Knoten und angeschlossenen Arbeitsplätzen benötigt ein anderes Schutzkonzept als ein kleines Büro.