Расчёт автономии ИБП: как считают время работы на батареях

Строка «время автономии - 10 минут» встречается в техническом задании чаще любой другой характеристики системы бесперебойного питания. При этом за ней стоит расчёт, который в проекте виден редко: обычно указан итог, а исходные данные, поправки и конечное напряжение разряда остаются у поставщика батарейного массива. Проверить такую цифру заказчик не может, а обнаруживает расхождение через несколько лет - когда автономия впервые понадобилась по-настоящему.

Расчёт здесь несложный, но у него есть несколько мест, где ошибка даёт кратное расхождение с фактом. Ниже разбор механики: что именно считают, в каких единицах, какие поправки обязательны, как автономия связана со временем выхода ДГУ на нагрузку и чем расчёт проверяется на действующем объекте.

Автономия - характеристика массива, а не источника

Коротко: паспорт ИБП задаёт мощность и КПД, а время работы определяется батарейным массивом и величиной нагрузки в момент разряда.

Один и тот же ИБП с одним и тем же массивом даёт разное время при разной загрузке, и зависимость эта нелинейная. Половинная нагрузка увеличивает время больше чем вдвое, потому что при меньшем токе разряда батарея отдаёт большую долю номинальной ёмкости - эффект, описываемый зависимостью Пёкерта. Отсюда практическое следствие: заявленная автономия имеет смысл только вместе с указанием нагрузки, для которой она посчитана.

В проектах это правило нарушается регулярно. Запись «автономия 15 минут» без указания режима допускает толкование от полной нагрузки до фактической текущей, а разница между ними на свежесданном объекте достигает разов. Корректная формулировка задаёт три величины сразу: мощность нагрузки, время и состояние массива, для которого расчёт выполнен.

По зданию банка в Екатеринбурге проектная запись выглядела однозначно: расчётное время автономии 10 минут под полной нагрузкой, парк из десяти ИБП суммарно 3,4 МВА, массив из 132 аккумуляторных батарей. При замене парка эта величина сохранялась как проектное требование и проверялась на испытаниях.

Из чего складывается требуемое время

Коротко: требуемая автономия выводится из сценария восстановления питания, а не берётся типовым числом.

Слагаемое	Что происходит	От чего зависит
Фиксация пропадания ввода	Схема отрабатывает исчезновение напряжения, нагрузка уходит на инвертор	Уставки контроля ввода
Работа АВР	Переключение на резервный ввод, если он есть	Уставки и тип АВР
Команда на запуск ДГУ	Формируется после подтверждённой потери обоих вводов	Выдержка на подтверждение аварии
Пуск двигателя и выход на номинал	Прокрутка, выход на обороты, стабилизация частоты и напряжения	Температура, состояние аккумуляторов пуска, наличие предпускового подогрева
Приём нагрузки	Подача на шину, при ступенчатом приёме - несколько шагов	Алгоритм автоматики, характер нагрузки
Резерв на неуспешный пуск	Повторные попытки запуска после неудачной первой	Число попыток в алгоритме автоматики

Последняя строка выпадает из расчётов чаще всего. Алгоритм автозапуска предусматривает несколько попыток прокрутки с паузами, и автономия обязана перекрывать полный цикл попыток, а не первую из них. Зимой к этому добавляется время выхода двигателя на устойчивый режим - объекты в Челябинской области и Башкортостане комплектовались системой автоматического подогрева именно по этой причине.

Если ДГУ на объекте нет, сценарий другой: автономия считается под корректное завершение работы оборудования либо под прибытие аварийной бригады, и это другой порядок величин. Смешивать два сценария в одном расчёте бессмысленно - у них разная логика обоснования.

Почему массив считают в мощности на элемент

Коротко: инвертор потребляет постоянную мощность, поэтому по мере падения напряжения ток разряда растёт, и подбор по ампер-часам даёт завышенный результат.

Аккумулятор паспортизуется ёмкостью в ампер-часах при длительном режиме разряда - обычно десятичасовом. Нагрузка ИБП ведёт себя иначе: инвертор держит на выходе постоянную мощность, и при снижении напряжения массива ток растёт, чтобы эту мощность обеспечить. Разряд получается коротким и тяжёлым, отдача массива при этом заметно меньше номинальной ёмкости.

Поэтому производители публикуют для стационарных батарей вторую таблицу - разряда постоянной мощностью, в ваттах на элемент для заданного времени и заданного конечного напряжения разряда. Именно по ней и ведётся подбор. Порядок расчёта:

Определяется мощность нагрузки в киловаттах. Величина в киловольт-амперах для этой задачи не годится: батарея отдаёт активную мощность, а перевод выполняется через коэффициент мощности нагрузки.
Мощность делится на КПД инвертора в режиме работы от батарей - массив обеспечивает вход инвертора, а не его выход.
Полученная величина делится на число элементов в цепочке, что даёт требуемую мощность на элемент.
По таблице производителя для нужного времени и выбранного конечного напряжения подбирается тип батареи.
Результат умножается на поправочные коэффициенты - температурный и на старение массива.

Конечное напряжение разряда задаётся отдельно и заметно влияет на итог: таблицы для разных конечных напряжений на элемент дают разную отдачу, и производители публикуют их набором. Глубина разряда при этом ограничена настройкой самого ИБП - смысл имеет только та таблица, конечное напряжение которой соответствует уставке отключения инвертора по минимальному напряжению массива.

Поправки, которые срезают расчётное время

Коротко: расчёт без коэффициентов на температуру и старение даёт время для нового массива в идеальных условиях - состояние, в котором объект находится в первый год из десяти.

Поправка	Что учитывает	Откуда берётся
Температурная	Отдача свинцово-кислотной батареи падает при температуре ниже паспортной опорной	Таблица поправок в документации производителя, опорная температура указана там же
На старение	К концу срока службы отдача массива снижается относительно номинальной	Практика IEEE Std 485: концом срока считается снижение отдачи до 80 % номинальной, расчёт ведётся с соответствующим коэффициентом
На проектный рост нагрузки	Нагрузка объекта за срок службы массива растёт	Задаётся заказчиком в задании как расчётный горизонт
КПД инвертора и коэффициент мощности	Переход от мощности нагрузки к мощности, снимаемой с массива	Паспорт ИБП и фактический характер нагрузки
Отказ модуля в параллельной схеме	При выводе одного ИБП нагрузка перераспределяется, ток разряда оставшихся растёт	Схема резервирования объекта

Температурная поправка на практике самая недооценённая. Батарейное помещение с отклонением температуры от паспортной опорной даёт расхождение и по отдаче, и по сроку службы; требования к устройству и вентиляции аккумуляторных установок изложены в главе 4.4 ПУЭ. Если помещение не термостатируется, поправка обязана быть в расчёте.

Последняя строка таблицы касается схем с резервированием по мощности. Автономия, посчитанная для полностью исправного парка, при выводе одного модуля сокращается: нагрузка та же, массивов меньше. Проектная запись должна указывать, для какого состояния схемы приведено время. Как это связано с выбором архитектуры, разобрано в материале про модульный ИБП или моноблок.

Где расчёт расходится с фактом

Коротко: пять ошибок дают почти все случаи, когда фактическое время оказывается меньше проектного.

Подбор по ампер-часам вместо мощности на элемент. Ошибка систематическая и всегда в сторону завышения времени, поскольку номинальная ёмкость относится к длительному режиму разряда.
Расчёт по киловольт-амперам без коэффициента мощности. Дает несоответствие между тем, что отдаёт массив, и тем, что потребляет нагрузка.
Отсутствие коэффициента старения. Массив в конце срока службы отрабатывает заметно меньше расчётного времени, при этом формально остаётся исправным.
Автономия под паспортное время запуска ДГУ. Паспортное значение относится к прогретой установке и успешному первому пуску; реальный сценарий включает подтверждение аварии, возможные повторные попытки и ступенчатый приём нагрузки.
Единая цифра на разнородные нагрузки. Оборудование с разными требованиями к длительности резерва сведено в один расчёт: критичная часть получает время по остаточному принципу, некритичная - избыточное.

Шестой случай стоит отдельно: расчёт выполнен корректно, но массив уже деградировал. Тогда вопрос переходит из проектной плоскости в эксплуатационную - критерии оценки состояния разобраны в статье про замену АКБ в ИБП.

Как расчёт проверяется на объекте

Коротко: единственное доказательство автономии - разрядное испытание под фактической или эквивалентной нагрузкой с фиксацией времени и напряжения массива.

Косвенные признаки состояния массива - внутреннее сопротивление элементов, напряжение подзаряда, температура - показывают деградацию, но не дают времени работы. Время подтверждается разрядом. Методы испытаний стационарных свинцово-кислотных батарей с регулирующим клапаном описаны в ГОСТ Р МЭК 60896-21-2014 и ГОСТ Р МЭК 60896-22-2014. Порядок объявления характеристик ИБП и методы их проверки задаёт ГОСТ Р МЭК 62040-3-2013; классификация по этому стандарту разобрана в статье про классы ИБП VFI, VI и VFD.

Что фиксируется в протоколе разрядного испытания:

мощность и характер нагрузки, при которой проводился разряд;
время от начала разряда до достижения конечного напряжения;
напряжение массива и отдельных групп по ходу разряда;
температура в помещении массива на момент испытания;
сопоставление полученного времени с расчётным и вывод о состоянии.

При приёмке новой системы это испытание входит в программу пусконаладки наравне с проверкой автозапуска ДГУ и времени переключения АВР - состав программы разобран отдельно в материале про пусконаладку СБГЭ. В эксплуатации периодичность проверок задаётся регламентом производителя и годовым планом-графиком, утверждаемым потребителем согласно ПТЭЭП (приказ Минэнерго России от 12.08.2022 № 811).

Отдельная организационная деталь: на действующем объекте разрядное испытание выполняется без потери питания нагрузки. В екатеринбургском здании это обеспечивалось поочерёдной работой с оборудованием и переводом нагрузок через штатный электронный или механический байпас, объект не терял бесперебойное питание ни в одной точке.

Обратная связь с ДГУ и с составом нагрузки

Коротко: автономия и время запуска резервного источника подбираются в паре, поэтому увеличение массива - лишь один из двух способов закрыть разрыв.

Когда расчёт показывает нехватку времени, доступны три направления. Первое - увеличить массив, что упирается в место, вес и вентиляцию помещения. Второе - сократить время выхода ДГУ на нагрузку: предпусковой подогрев, состояние стартерных аккумуляторов, настройка алгоритма подтверждения аварии. Третье - уменьшить нагрузку на инверторе, переведя часть потребителей на гарантированное питание без ИБП.

Третий путь чаще всего оказывается самым дешёвым и почти всегда пропускается. Оборудование, которое штатно переживает десятки секунд перерыва, на бесперебойной шине занимает мощность и время массива, ничего не получая взамен. Логика разделения контуров разобрана в статье про ИБП и ДГУ и их разные задачи, а подбор мощности резервного источника - в материале про расчёт мощности ДГУ под фактическую нагрузку.

Что заложить в ТЗ

Коротко: требование по автономии формулируется числом вместе с условиями, при которых это число обязано подтвердиться.

Время автономии с указанием мощности нагрузки, для которой оно задано.
Состояние массива, для которого выполняется расчёт: новый или с учётом коэффициента старения на конец срока службы.
Опорная температура помещения массива и требование применить температурную поправку.
Конечное напряжение разряда на элемент, согласованное с уставкой отключения инвертора.
Требование предоставить расчёт с исходными данными и ссылкой на таблицу разряда постоянной мощностью применяемой батареи.
Указание, для какого состояния схемы приведено время - для полностью исправного парка или с выведенным модулем.
Разрядное испытание в составе приёмки, с формой протокола и перечнем фиксируемых параметров.
Периодичность подтверждающих испытаний в период эксплуатации и порядок оформления результатов.

Собрать эти требования до объявления закупки помогает услуга Помощь с ТЗ: расчёт, представленный с исходными данными, проверяется заказчиком самостоятельно.

Частые вопросы

Почему поставщики дают разное время автономии на одинаковый массив? Расчёты выполнены при разных допущениях: конечное напряжение разряда, наличие коэффициента старения, температурная поправка, учёт КПД инвертора. Сопоставимость появляется только после того, как заказчик задал эти условия в техническом задании одинаковыми для всех.

Как быстро проверить порядок цифры без полного расчёта? Взять таблицу разряда постоянной мощностью применяемой батареи, найти строку требуемого времени, умножить мощность на элемент на число элементов и сравнить с мощностью нагрузки, увеличенной на потери инвертора. Совпадение с запасом менее четверти означает, что старение и температура в расчёт не заложены.

Нужно ли считать автономию под полную проектную мощность, если объект загружен наполовину? Да, поскольку проектная мощность определяет горизонт роста нагрузки на срок службы массива. При этом полезно привести и второе значение - для фактической загрузки, чтобы эксплуатация понимала реальный запас времени сегодня.

Что происходит с автономией при отказе одного ИБП в параллельной схеме? Она сокращается: нагрузка перераспределяется на оставшиеся источники, ток разряда их массивов растёт. Проект должен содержать расчёт для этого режима, иначе резервирование по мощности выглядит обеспеченным только на бумаге.

Можно ли увеличить автономию, добавив батарейные шкафы к действующему ИБП? Иногда да, но с тремя ограничениями: допустимый ток заряда зарядного устройства ИБП, предельное число подключаемых цепочек по документации производителя и помещение - масса, вентиляция и требования главы 4.4 ПУЭ к аккумуляторным установкам.

Почему массив рекомендуют менять целиком и одной партией? Разброс по возрасту и внутреннему сопротивлению приводит к тому, что время разряда всей цепочки определяет худший элемент. По этой причине в здании банка в Екатеринбурге 132 батареи заменялись одной партией ради единого срока службы и работы на общих шинах.

Источники

Замена парка ИБП в здании банка в Екатеринбурге - расчётное время автономии 10 минут под полной нагрузкой, парк из десяти ИБП суммарно 3,4 МВА, 132 батареи Marathon L6V110 одной партией, проверка автономии на испытаниях без потери питания объекта.
Резервное электроснабжение трёх отделений банка в Челябинской области - система автоматического подогрева для запуска при отрицательных температурах, проверка времени переключения АВР под фактической нагрузкой.
ГОСТ Р МЭК 62040-3-2013 - характеристики ИБП и методы их проверки.
ГОСТ Р МЭК 60896-21-2014 и ГОСТ Р МЭК 60896-22-2014 - методы испытаний и требования к стационарным свинцово-кислотным батареям с регулирующим клапаном.
ПУЭ, глава 4.4 «Аккумуляторные установки» - требования к помещению и устройству установки.
ПТЭЭП, приказ Минэнерго России от 12.08.2022 № 811 - годовой план-график, по которому назначаются проверки.
IEEE Std 485 - практика подбора стационарных свинцово-кислотных батарей, коэффициент старения и критерий конца срока службы.
Проектирование ИБП и СБГЭ для отделения банка - место расчёта автономии в составе проектных работ.

Автономия - единственный параметр системы бесперебойного питания, который нельзя проверить осмотром: он существует как расчёт до тех пор, пока не выполнено разрядное испытание. Поэтому требование в задании имеет смысл формулировать вместе с условиями проверки, а расчёт запрашивать с исходными данными. Запросить КП - подбор ИБП и батарейного массива под заданное время автономии с расчётом и программой испытаний; Помощь с ТЗ - формулировки требований к автономии и порядку её подтверждения до объявления закупки.

Расчёт автономии ИБП: как считают время работы на батареях и где обычно ошибаются