На стадии проектирования СЭС для обеспечения требуемой надежности приходится во многих случаях как минимум дублировать отдельные элементы и даже отдельные системы, т.е. использовать резервирование.
Резервирование характерно тем, что оно позволяет повысить надежность системы по сравнению с надежностью составляющих ее элементов. Повышение надежности отдельно взятых элементов требует больших материальных затрат. В этих условиях резервирование, например, за счет введения дополнительных элементов является эффективным средством обеспечения требуемой надежности систем.
Если при последовательном соединении элементов общая надежность системы (т.е. вероятность безотказной работы) ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность системы может быть выше надежности самого надежного элемента.
Резервирование осуществляется путем введения избыточности. В зависимости от природы последней резервирование бывает:
Структурное (аппаратное);
Информационное;
Временное.
Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, состоящей из основных элементов, вводятся дополнительные элементы, устройства или даже вместо одной системы предусматривается использование нескольких одинаковых систем.
Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Его простейшим примером является многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи. Другим примером являются коды, применяемые в управляющих ЭВМ для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в результате сбоев и отказов аппаратуры.
Временное резервирование предусматривает использование избыточного времени. Возобновление прерванного в результате отказа функционирования системы происходит путем ее восстановления, если имеется определенный запас времени.
Существует два метода повышения надежности систем путем структурного резервирования:
1) общее резервирование, при котором резервируется система в целом;
2) раздельное (поэлементное) резервирование, при котором резервируются отдельные части (элементы) системы.
Схемы общего и раздельного структурного резервирования представлены соответственно на рис. 5.3 и 5.4, где n число последовательных элементов в цепи, m – число резервных цепей (при общем резервировании) или резервных элементов для каждого основного (при раздельном резервировании)
При m=1 имеет место дублирование, а при m=2 – троирование. Обычно стремятся по возможности применять раздельное резервирование, т к при этом выигрыш в надежности часто достигается значительно меньшими затратами, чем при общем резервировании.
В зависимости от способа включения резервных элементов различают постоянное резервирование, резервирование замещением и скользящее резервирование.
Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в работе объекта наравне с основными. В случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, поскольку он включается в работу одновременно с основным.
Резервирование замещением – это такое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного. При резервировании замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения с основного на резервный.
Скользящее резервирование – представляет собой разновидность резервирования замещением, при котором основные элементы объекта резервируются элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент.
Оба вида резервирования (постоянное и замещением) имеют свои преимущества и недостатки.
Достоинством постоянного резервирования является простота, т.к. в этом случае не требуются контролирующие и переключающие устройства, понижающие надежность системы в целом, и, самое главное, отсутствует перерыв в работе. Недостатком постоянного резервирования является нарушение режима работы резервных элементов при отказе основных.
Включение резерва замещением обладает следующим преимуществом: не нарушает режима работы резервных элементов, сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, позволяет использовать один резервный элемент на несколько рабочих (при скользящем резервировании).
В зависимости от режима работы резервных элементов различают нагруженный (горячий) и ненагруженный (холодный) резерв.
Нагруженный (горячий) резерв в энергетике называют также вращающимся или включенным. В данном режиме резервный элемент находится в том же режиме, что и основной. Ресурс резервных элементов начинает расходоваться с момента включения в работу всей системы, и вероятность безотказной работы резервных элементов в этом случае не зависит от того, в какой момент времени они включаются в работу.
Облегченный (теплый) резерв характеризуется тем, что резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Поэтому, хотя ресурс резервных элементов также начинает расходоваться с момента включения всей системы в целом, интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента их включения вместо отказавших значительно ниже, чем в рабочих условиях. Этот вид резерва обычно размещается на агрегатах, работающих на холостом ходу, и, следовательно, в данном случае ресурс резервных элементов срабатывается меньше по сравнению с рабочими условиями когда агрегаты несут нагрузку Вероятность безотказной работы резервных элементов в случае этого вида резерва будет зависеть как от момента их включения в работу, так и от того, насколько отличаются законы распределения вероятности безотказной работы их в рабочем и резервном условиях.
В случае ненагруженного (холодного) резерва резервные элементы начинают расходовать свой ресурс с момента их включения в работу вместо основных. В энергетике этим видом резерва служат обычно отключенные агрегаты.
Расчеты надежности систем с параллельно включенными элементами зависят от способа резервирования.
НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЩЕМ РЕЗЕРВИРОВАНИИ
Будем
считать, что резервируемые и резервные
элементы равнонадежны, т.е.
и
.
Для удобства вероятности безотказной
работы и появления отказов отдельных
элементов обозначаем в этом и последующем
разделах прописными буквами.
С учетом схемы замещения (рис 5.5) и формулы (5.18) вероятность отказа системы с m резервными цепями можно рассчитать следующим образом:
, (5.22)
где
(t)
– вероятность отказа основной цепи,
– вероятность отказаi-й
резервной цепи.
Соответственно вероятность безотказной работы системы
(5.23)
В соответствии с формулой (5 8) имеем
(5.24)
При
одинаковых вероятностях отказов
основной и резервной цепей
формулы (5 22) и (5 23) принимают вид:
, (5.25)
(5.26)
Среднее время безотказной работы системы при общем резервировании
(5.27)
где
– интенсивность отказов системы,
,
– интенсивность отказов любой из (m+1)
цепей,
– интенсивность отказовi-го
элемента
Для системы из двух параллельных цепей (m=1) формула (5.27) принимает вид:
(5.28)
Среднее время восстановления системы в общем случае определяется по формуле
(5.29)
где
– среднее время восстановленияi-ой
цепи.
Для частного случая m=1 формула (5.29) принимает вид:
Пример 5.2.
Рассчитать вероятность безотказной работы в течение 3 месяцев, интенсивность отказов, среднюю наработку на отказ одноцепной ВЛ длиной l=35км вместе с понижающим трансформатором 110/10кВ и коммутационной аппаратурой (рис 5.6).
Схема замещения по надежности рассматриваемой СЭС представляет собой последовательную структуру (рис 5.7)
Интенсивности отказов элементов взяты из табл 3.2:
; 
; 
Согласно формуле (5.7) определяем интенсивность отказов схемы питания
Этот расчет показывает, что доминирующее влияние на выход схемы из строя оказывает повреждаемость воздушной линии. Средняя наработка на отказ схемы питания
Вероятность безотказной работы схемы в течение t=0,25года
Пример 5.3.
Определить, насколько выше показатели надежности понизительной трансформаторной подстанции 110/10кВ при постоянной совместной работе обоих трансформаторов в течение 6 месяцев по сравнению с однотрансформаторной подстанцией. Отказами коммутационных аппаратов и преднамеренными отключениями пренебрегаем.
Исходные данные, взятые из табл. 3.2, следующие:
; 
Вероятность безотказной работы в течение 6 месяцев одного трансформатора
Средняя наработка на отказ одного трансформатора
Вероятность безотказной работы двухтрансформаторной подстанции, рассчитанная по формуле (5.20):
Средняя наработка на отказ двухтрансформаторной подстанции, рассчитанная по формуле (5.28):
лет
Интенсивность отказов двухтрансформаторной подстанции
Среднее время восстановления двухтрансформаторной подстанции (см. формулу (5.30))
Анализ результатов показывает, что надежность двухтрансформаторной подстанции намного превышает надежность однотрансформаторной подстанции.
Пример 5.4.
Рассмотрим
секцию РУ 6кВ, от которой питаются 18
отходящих линий (рис. 5.8) Интенсивность
отказов выключателей, сопровождающихся
короткими замыканиями, оценивается
величиной
= 0,003
,
интенсивность отказов с
короткими
замыканиями для сборных шин на одно
присоединение
(см. табл. 3 2). Определить интенсивность
кратковременных погашений секции РУ,
предполагая абсолютную надежность
автоматического ввода резерва (АВР) и
выключателяQ2,
резервирующего питание секции.
ТЕМА: « Классификация методов резервирования»
ПЛАН:
1.Резервирование и избыточность
2.Классификация методов резервирования
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование - это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности.
В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.
Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно разделять по следующим признакам (рис. 1): вид резервирования, способ соединения элементов, кратность резервирования, способ включения резерва, режим работы резерва, восстанавливаемость резерва.
Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях.
Резервируемый элемент - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрен резервный элемент
Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.
Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.
Функциональное резервирование - резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция быстрой остановки водо-во-дяного энергетического реактора может быть осуществлена вводом в активную зону стержней аварийной защиты СУЗ или впрыском борного раствора. Или функция передачи информации в АСУ может выполняться с использованием радиоканалов, телеграфа, телефона и других средств связи. Поэтому обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т.п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными для использования в данном случае. Наиболее подходящие показатели для оценки функциональной надежности: вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции
Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Нагрузочное резервирование, прежде всего, заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. При других способах нагрузочного резервирования возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов
По способу включения резервных элементов различают постоянное, динамическое, резервирование замещением, скользящее и мажоритарное резервирование. Постоянное резервирование - это резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Для постоянного резервировании существенно, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также отсутствует перерыв в работе (рис. 5.2 и 5.3).
Постоянное резервирование в простейшем случае представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств.
Динамическое резервирование - это резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Динамическое резервирование имеет ряд разновидностей.
Постоянное резервирование заключается в том, что отказ одного или нескольких элементов резервированной системы, в целом, не влияет на ее работу. Элементы соединены постоянно, перестроения схемы не происходит. При создании таких систем необходимо учитывать различные последствия, к которым приводит отказ элементов.
Схема этого метода резервирования представлена на рис. 1
Резервируемые элементы соединены параллельно с основным в течение всего периода работы. Элементы соединены постоянно. Отказавшие элементы не отключаются. Перестройки схемы не происходит.
ь Преимуществом данной схемы является ее простота и отсутствие перерывов в работе.
ь Недостатком - повышенный расход ресурса резервных элементов, т.к. они находятся в рабочем режиме постоянно.
Такой метод наиболее целесообразен при резервировании небольших элементов (реле, сопротивлений, небольших схем и т.д.)
Различают общее и раздельное резервирование.
Общее резервирование - это резервирование, при котором резервируемым элементом является объект в целом.
Схема общего резервирования представлена на рис. 2.
Раздельное резервирование - это резервирование, при котором резервируемыми являются отдельные элементы или их группы. Схема раздельного резервирования представлена на рис. 3.
В первом случае для отказа основной системы достаточно, чтобы в каждой цепи отказал один элемент. Во втором случае отказ системы наступает при отказе, какого либо элемента из основной цепи и всех резервных.
С целью сравнения различных методов резервирования и выбора оптимального с точки зрения получения наиболее надежной системы, либо количества элементов, либо другого критерия производится расчет и сравнение различных видов резервирования.
Сравним два вида резервирования системы, общее и раздельное. Примем, что все элементы одинаковые и имеют вероятность отказа равную q .
ь Тогда для общего резервирования.
Вероятность отказа основной системы определяется следующим образом
Вероятность отказа резервированной системы Q ор будет равна
ь В случае раздельного резервирования.
Если вероятность отказа очень мала то, разложив правые части формул в ряды по степеням n и пренебрегая членами с q в степени выше единицы, получим.
Классификация методов резервирования систем
Достигнутый в настоящее время уровень надежности элементной базы электроники, радиотехники, механических элементов, электротехники характеризуется значениями интенсивности отказов λ=10 -6 ...10 -7 1/ч. В ближайшем будущем следует ожидать повышения этого уровня до λ= 10 -8 1/ч. Это даст возможность поднять наработку на отказ системы, состоящей из N = 10 6 элементов, до значения 100 ч, что явно недостаточно. Необходимая надежность сложных систем может быть достигнута только при использовании различных видов резервирования .
Резервирование – это одно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объекта при недостаточно надежных элементах.
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование – это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности, сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.
Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно разделять по следующим признакам (рисунок 4.7): вид резервирования, способ соединения элементов, кратность резервирования, способ включения резерва, режим работы резерва, восстанавливаемость резерва.
Рисунок 4.7 – Классификация методов резервирования
Структурное резервирование, иногда называемое аппаратурным (элементным, схемным), предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Суть структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные элементы. Элементы резервированной системы носят следующие названия. Основной элемент - элемент структуры объекта, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент - элемент объекта, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.
Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях.
Резервируемый элемент - основной элемент, на случай отказа, которого в объекте предусмотрен резервный элемент.
На рисунках 4.8 – 4.10 приведены схемы соединения основных и резервных элементов, так называемым параллельным соединением элементов. Системой с параллельным соединением элементов называется такая система, которая отказывает только в случае отказа всех ее элементов .
Рисунок 4.8 – Пример параллельного соединения элементов
а – принципиальная схема, б – расчетная схема
Рисунок 4.9 – Пример параллельно-последовательного соединения элементов СУХТП
а - функциональная схема, б – расчетная схема
Рисунок 4.10 – Пример мостового соединения элементов
Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.
Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.
Функциональное резервирование - резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция передачи информации в АСУ может выполняться с использованием радиоканалов, телеграфа, телефона и других средств связи. Поэтому обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т.п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными для использования в данном случае. Наиболее подходящие показатели для оценки функциональной надежности: вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.
Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Нагрузочное резервирование, прежде всего, заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. При других способах нагрузочного резервирования возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов.
Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным элементам системы или к их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором – раздельным. Сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте называется смешанным.
По способу включения резервных элементов различают постоянное, динамическое, резервирование замещением, скользящее и мажоритарное резервирование. Постоянное резервирование - это резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Для постоянного резервировании существенно, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также отсутствует перерыв в работе (рисунки 4.11 – 4.13). Постоянное резервирование в простейшем случае представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств .
Рисунок 4.13 – Смешанное резервирование с постоянно включенным резервом
Динамическое резервирование - это резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Динамическое резервирование имеет ряд разновидностей.
Резервирование замещением - это динамическое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Включение резерва замещением (рисунки 4.14, 4.15) обладает следующими преимуществами:
– не нарушает режима работы резерва;
– сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся в нерабочем состоянии;
– позволяет использовать резервный элемент на несколько основных элементов.
Существенным недостатком резервирования замещением является необходимость наличия переключающих устройств. При раздельном резервировании число переключающих устройств равно числу основных элементов, что может сильно понизить надежность всей системы. Поэтому резервировать замещением выгодно крупные узлы или всю систему, а во всех других случаях - при высокой надежности переключающих устройств.
Скользящее резервирование - это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рисунок 4.16) .
Рисунок 4.16 – Скользящее резервирование однотипными (а) и неоднотипными (б) элементами
В системах управления нашло широкое применение мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным, или логическим, элементом. Логический элемент позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, то они передаются на выход устройства .
На рисунке 4.17 изображено резервирование по принципу «2 из 3», т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. По такому принципу построены многие схемы подсистем систем управления и защиты (СУЗ). Можно применять соотношения «3 из 5» и др. Главное достоинство этого метода – обеспечение повышения надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов.
Рисунок 4.17 – Мажоритарное резервирование
Степень избыточности характеризуется кратностью резервирования. Кратность резерва - это отношение числа резервных элементов объекта к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное несокращенной дробью. Резервирование с целой кратностью имеет место, когда один основной элемент резервируется одним или более резервными элементами.
Резервирование с дробной кратностью – это такое резервирование, когда два и более однотипных элементов резервируются одним и более резервными элементами. Наиболее распространенным вариантом резервирования с дробной кратностью является такой, когда число основных элементов превышает число резервных. Резервирование, кратность которого равна единице, называется дублированием.
В зависимости от режима работы резерва различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резервы. Нагруженный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. При этом принимается, что элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности, долговечности и сохраняемости, что и резервируемые ими основные элементы объекта. Облегченный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной. Элементы облегченного резерва обладают, как правило, более высоким уровнем безотказности, долговечности и сохраняемости, чем основные элементы. Ненагруженный резерв - это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. Для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они никогда не отказывают и не достигают предельного состояния.
Резервирование, при котором работоспособность любого одного или нескольких резервных элементов в случае возникновения отказов подлежит восстановлению при эксплуатации, называется резервированием с восстановлением, в противном случае имеет место резервирование без восстановления. Восстанавливаемость резерва обеспечивается при наличии контроля работоспособности элементов. При наличии резервирования это особенно важно, так как в этом случае число скрытых отказов может быть больше, чем при отсутствии резервирования. В идеальном варианте отказ любого элемента объекта обнаруживается без задержки, а отказавший элемент незамедлительно заменяется или ремонтируется.
Рассмотрим оценку надежности для основных структурных моделей надежности систем, представимых в виде параллельно-последовательного соединения элементов }