Резервирование - это что такое? Виды резервирования.

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.

Лекция 6

Тема: Структурное резервирование и его виды

План

1. Классификация структурного резервирования, основные определения.

2. Основные схемы расчета надёжности по способу включения резервных элементов: постоянное, раздельное, замещением, скользящее.

3. Виды резервных элементов и режимы работы при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах.

4. Расчетно-логическая схема структурного резервирования сложной системы.

5. Организация резерва на уровне элементов, устройств и систем ИС.

Ключевые слова

Резервирование, избыточность, схема расчета, цифровое устройство, постоянное резервирование, раздельное резервирование, резервирование замещением, нагруженный резерв, ненагруженый резерв, режимы работы, скользящий резерв, переключающая схема, надёжность, безотказность.

Резервированием называют метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Задача введения избыточности – обеспечить нормальное функционирование системы после возникновения отказов в ее элементах.

Резервирование может быть структурным, информационным, временным, программным. Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Временное резервирование – использование избыточного времени. Программное резервирование – избыточных программ.

Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называются основными, вводятся дополнительные элементы и устройства, либо вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы берут на себя выполнение рабочих функций при отказе основных элементов .

Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным ее элементам или их группам.

На практике большое распространение получило структурное резервирование (рис. 1).

Рис. 1. Способы резервирования КС

По схеме включения резервных элементов различают постоянное, раздельное резервирование, резервирование с замещением и скользящее резервирование.

Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными (рис. 2).

Для постоянного резервирования в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, так как он вводится в действие одновременно с основными.

Основным параметром резервирования является его кратность (степень избыточности). Под кратностью резервирования m понимается отношение числа резервных объектов к числу резервируемых (основных).

Раздельным резервированием называется метод повышения надежности, при котором резервируются отдельные части объекта (рис. 2.3).

Рис. 2. Общее резервирование и постоянное включение резерва с постоянно включенным резервом.

Рис. 3. Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом

Резервирование замещением – это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного (рис. 4 а, б). При использовании резервирования замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения его с основного на резервный.

Рис. 4. а) Общее резервирование с включением резерва замещением.

б) Раздельное резервирование с включением резерва замещением.

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе.

Скользящее резервирование всегда является активным, всегда имеется переключающее устройство, определяющее наличие отказа и включающее резервный элемент (рис. 5).

Рис. 5. Схема скользящего резервирования

Виды резервных элементов в зависимости от режима работы

В зависимости от режима работы различают:

Нагруженный резерв – резервный элемент находится в том режиме работы, что и основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных и в период использования вместо основных после отказа последних, остаются неизменными.

Облегченный резерв – резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных выше, чем в период их использования вместо основных после отказа последних.

Ненагруженный резерв – резервный элемент практически не несет нагрузки. Такой резервный элемент, находясь в резерве, отказывать не должен, т.е. обладает в этот период идеальной надежностью. В период же использования этого элемента вместо основного после отказа последнего надежность становится равной надежности основного.

Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Для их различия на схеме указывают кратность резервирования m (рис. 6, а, б) .

Рис. 6. Резервирование: а) постоянное резервирование с дробной кратностью (m =4/2);

б) раздельное резервирование с дробной кратностью (m =2/4)

При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью m есть дробное несокращаемое число. Например, m =4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно 4, число основных 2, а общее число элементов равно 6. Сокращать дробь нельзя, так как если m =4/2=2, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно 2, а общее число 3.

Для резервирования объектов, состоящих из одинаковых элементов, можно использовать небольшое число резервных элементов взамен любых отказавших основных элементов (скользящее резервирование).

Мажоритарное и комбинированное резервирование

Частным случаем резервирования с дробной кратностью является мажоритарное резервирование, часто используемое в устройствах дискретного действия (рис. 7). При мажоритарном резервировании вместо одного элемента (канала) включается три идентичных элемента, выходы, которых подаются на мажоритарный орган М (элемент голосования). Если все элементы этой резервной группы исправны, то на вход М поступают три одинаковых сигнала и такой же сигнал поступает во внешнюю цепь с выхода М .

Рис. 7. Мажоритарное резервирование (выбор по большинству)

Если один из трех резервных элементов отказал, то на вход М поступают два одинаковых сигнала (истинных) и один сигнал ложный. На выходе М будет сигнал, совпадающий с большинством сигналов на его входе, т.е. мажоритарный орган, осуществляет операцию голосования или выбора по большинству. Таким образом, условием безотказной работы группы при мажоритарном резервирование является безотказная работа любых двух элементов из трех и мажоритарного органа в течение заданного времени.

Комбинированный резерв – на рис. 8 представлена резервированная группа, сочетающая преимущества нагруженного резерва (непрерывность работы) и ненагруженного резерва (обеспечение большого выигрыша в надежности). В данном случае два элемента образуют дублирующую группу (нагруженный резерв), а третий находится ненагруженном резерве. Такой резерв называют комбинированным.

В устройствах ИС ответственного назначения могут быть использованы все виды структурного резервирования (рис. 9).

Рис. 8. Комбинированный резерв

Рис. 9. Расчетно-логическая схема структурного резервирования подсистемы сложной ТС

Теоретически введением избыточности в структуру системы и выбором оптимальных режимов можно создать сколь угодно надежную КС. Но не всегда это практически выполнимо. Анализируя все виды резервирования, следует сделать практический вывод: обеспечить высокую надежность КС путем общего нагруженного резерва не представляется возможным по экономическим соображениям. Наибольший эффект дает поэлементное резервирование [ 1, 2, 3, 6].

Сравнивая между собой виды резервирования с нагруженным и ненагруженным резервом, можно заметить, что при прочих равных условиях система с ненагруженным резервом надежнее системы с нагруженным резервом.

Организация резерва на уровне компьютера и КС

Резервирование на уровне компьютера. В аппаратуре универсальных компьютеров резервирование встречается на различных уровнях. На уровне компьютера резервирование заключается в наличии большого числа однотипных машин, что необходимо для решения постановленных задач. В этом случае надежность системы оценивается как для систем со скользящим резервированием. В случае универсальных компьютеров целесообразно использовать производительность всех имеющихся процессоров. Тогда свойство системы удобнее характеризовать через эффективную производительность системы.

где П i – производительность (число задач выполняемых машиной в единицу времени) i -ой машины;

n – число машин в системе;

К i – коэффициент готовности i -ой машины.

Если отдельные системы компьютера, объединенные через адаптеры между каналами для периферийных устройств, через общее поле памяти или другим способом, образуют многомашинную (многопроцессорную) КС, то эффективная производительность такой системы

где m – количество состояний системы;

P j – вероятность того, что система находится j -м состоянии;

П j – производительность системы в j -м состоянии.

Вероятность P j определяют методом Марковских цепей. Поскольку конфигурация таких систем может быть самой различной, для оценки вероятности сохранения связности системы следует применять методы расчета надежности систем со сложной структурой, например метод минимальных путей и сечений.

Резервирование на уровне устройств . На более низких уровнях иерархии структуры в универсальных компьютерах резервирование встречается на уровне периферийных устройств (ПУ). Для решения задач требуется некоторое минимальное число ПУ.

Резервирование на уровне кодов – в компьютерах для повышения надежности ОЗУ и ПЗУ применяются коды с обнаружением и исправлением ошибок. Применение этих кодов дает возможность исправлять определенное число ошибок в каналах передачи или восстанавливать информацию в случае отказа некоторых ячеек в ОЗУ и ПЗУ или дорожек (то есть усилителей записи-считывания) в накопителях на магнитных дисках. Надежность таких устройств оценивается как надежность резервированных систем со скользящим резервом.

Резервирование в специализированных и управляющих компьютерах . В специализированных, а особенно в управляющих машинах резервирование применяется значительно шире в связи с высокими требованиями к надежности таких систем.

На уровне компьютера, а иногда на уровне программного обеспечения применяется троирование. Встречаются также системы, где используется несколько резервных машин. В целях повышения надежности часть из них может работать в режиме нагруженного резерва, часть в режиме ненагруженного. Однако резервирование на уровне компьютера не самое экономичное. Для повышения надежности при ограничении массы, стоимости и габаритных размеров КС используется резервирование отдельных устройств машин троированием или применением нескольких нагруженных или ненагруженных резервов. Для повышения надежности самых ответственных узлов применяется троирование или логика с переплетениями (представляется в виде избыточной логической схемы, где ошибки в одном слое корректируются в этом же или следующем слое логических элементов).

Все рассмотренные методы резервирования в КС относятся к пассивному резервированию, так как не предусматривают реконфигурацию системы. Способы резервирования, предусматривающие автоматическую реконфигурацию системы используются в отказоустойчивых компьютерных системах (ОКС). В ОКС используются средства обнаружения, локализации отказа и средства реконфигурации.

Отказы в ОКС обнаруживается при помощи средств контроля, а локализуются при помощи средств диагностики и устраняются автоматической реконфигурацией системы. Реконфигурация заключается в перестройке структуры вычислительных средств таким образом, чтобы ее отказавшие части были устранены от участия в работе.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое резервирование?

2. Какие виды структурного резервирования широко распространены на практике?

3. Что такое постоянное (общее) резервирование?

4. Каково значение кратности резервирования при дублировании?

5. Приведите пример комбинированного резерва элементов КТ?

6. Составьте структурную схему надежности устройства состоящего из четырех основных элементов, включенных по схеме раздельного резервирования с нагруженным резервом (m = 1).

7. Как оценивается ВБР при мажоритарном резервировании?

8. Где чаще всего применяется динамическое резервирование?

9. Составьте структурную надежности устройства КС состоящего из 4-х основных элементов, включенных по схеме общего резервирования с нагруженным резервом при m = 2.

10. При каком способе резервирования устройств ИС всегда присутствуют переключающие устройства (коммутатор)?

Литература: 1,2,3,5,6, 7.

Как было сказано выше, надежность системы зависит от ее структуры (схемотехнического решения) и надежности элементов, входящих в систему. Поэтому для повышения надежности систем необходимо либо повысить надежность элементов, либо изменить схемотехническое решение, либо использовать комбинацию этих двух подходов.

Говоря о повышении надежности элементов, следует помнить, что требования к их надежности формулируются на этапе технического задания. Путем предварительных расчетов по структурной схеме системы (подробнее примеры расчетов будут приведены ниже) можно сформулировать требования к показателям надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако на практике не всегда существует возможность использования таких элементов. Это может быть связано, например, с тем, что они являются более дорогостоящими, занимают больший объем или, наконец, такие элементы просто не производятся. Вопросы создания новой элементной базы выходят за рамки данного курса и ниже обсуждаться не будут.

Если изменение структуры системы с целью повышения надежности связано с изменением схемотехнического решения, то при исходных ненадежных элементах это, как правило, не приводит к достижению нужных показателей надежности системы. Кроме того, такого рода изменения структуры требуют достаточно больших затрат ресурсов. Однако если под изменением структуры подразумевается введение в систему избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных, то такое изменение приводит к повышению надежности до требуемого уровня. Таким образом, приходим к понятию резервирования.

Резервирование (redundancy) - способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Таким образом, объект содержит основные, резервируемые и резервные элементы.

Основной элемент (major element) - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемых функций без использования резерва.

Резервируемый элемент (element under redundancy) - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрены одни или несколько резервных элементов. Резервный элемент (redundant element) - элемент, предназначенный для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего.

По способу включения в систему резервных элементов различают постоянное резервирование и резервирование замещением. Постоянное резервирование (continuous redundancy) - резервирование, при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключений. Резервирование замещением (standby redundancy) - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Следует заметить, что резервирование замещением требует дополнительных устройств для контроля за состоянием элементов, для выключения отказавших элементов и для включения резервных элементов. Такие устройства называются переключателями.

При постоянном резервировании резервные элементы соединены параллельно с основными элементами и во время функционирования объекта находятся в том же режиме, что и основной элемент. Такой режим работы называют нагруженный резерв. То есть под нагруженным резервом (active reserve, loaded reserve) понимают резерв, содержащий один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Поскольку при постоянном резервировании в случае отказа основного элемента перестройки схемы не происходит, а отказавший элемент не отключается, то в данном случае нет необходимости в переключающих устройствах. К достоинствам постоянного резервирования следует отнести простоту конструкции и отсутствие временных задержек при выходе из строя основного элемента и замене его на резервный. К недостаткам - расход ресурса резервных элементов, поскольку они находятся в нагруженном режиме.

При резервировании замещением основной элемент при выходе из строя отключается и включается резервный элемент. При этом функции основного элемента передаются заранее установленному резервному элементу. Переключение может выполняться автоматически или вручную. В зависимости от способа функционирования резервных элементов до момента их включения в работу различают три типа резервирования: режим нагруженного (горячего) резерва, режим облегченного (теплого) резерва и режим ненагруженного (холодного) резерва.

Как было сказано ранее, при нагруженном резерве резервные элементы находятся в том же режиме функционирования, что и основной элемент. В этом случае показатели надежности резервного элемента такие же, как и у основного элемента.

Облегченный резерв (reduced reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент. Предполагается, что в этом случае надежность резервного элемента выше надежности основного элемента.

Ненагруженный резерв (standby reserve, unloaded reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента, т. е. резервные элементы до момента их использования находятся в обесточенном состоянии и их надежность до момента включения не изменяется по сравнению с первоначальной.

Кроме того, для проведения расчетов следует иметь в виду, что переключатели, используемые при резервировании замещением, не обладают абсолютной надежностью.

Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование (sliding redundancy) , при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов.

Рассмотрим еще одно понятие - кратность резервирования (redundancy ratio) - отношение числа резервных элементов к числу основных элементов. Резервирование с целой кратностью возникает, когда один основной элемент резервируется одним или несколькими резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью возникает, когда два и более однотипных элементов резервируются одним или несколькими резервными элементами. Чаще всего дробная кратность возникает в тех случаях, когда число основных элементов превышает число резервных элементов.

С использованием последовательной и параллельной моделей надежности строятся общее и раздельное резервирование объекта. Общее резервирование (whole system redundancy) - резервирование, при котором резервируется объект в целом. Раздельное резервирование (segregated redundancy) - резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

Подводя итоги сказанному выше, приведем возможные типы резервирования (рис. 5.6).

Рис. 5.6.

Ниже будут рассмотрены основные способы резервирования объекта.

Виды резервирования

В этих условиях резервирование, например, за счет введения дополнительных элементов, является эффективным средством обеспечения требуемой надежности систем.

Структурное (аппаратное);

Информационное;

Временное.

Существуют 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.

Оба вида резервирования (постоянное и замещением) имеют свои преимущества и недостатки.

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.

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.

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 этой и последующих главах 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 отказа i-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 отказов i-го элемента.

Для системы из двух параллельных цепей (m=1) формула (5.27) принимает вид

Среднее время восстановления системы в общем случае определяется по формуле

, (5.29)

где – среднее время восстановления i-й 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 = 35 км вместе с понижающим трансформатором 110/10 кВ 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:

Вероятность безотказной работы схемы в течение t = 0,25 год.

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 эффективный метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности, сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Введением избыточности обеспечивается нормальное функционирование объекта после возникновения отказа в его элементах.

Методы резервирования разделяют по виду резервирования, способу соединения элементов, кратности резервирования, способу включения резерва, режиму его работы и восстанавливаемости (рис. 7.1).

К дополнительным средствам и возможностям при резервировании относятся элементы, введенные в структуру системы в качестве резервных, функциональные и информационные средства и возможности, использование избытка времени и запасов нагрузочной способности. По типу дополнительных средств различают следующие виды резервирования.

Функциональное резервирование - это резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, для осуществления функции передачи информации в АСУ могут использоваться радиоканалы, телеграф, телефон и другие средства связи; поэтому в данном случае обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т. п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными. Наиболее приемлемыми для оценки функциональной надежности являются вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.

Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами такого 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.

Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом требуемой работы отводится время, которое заведомо больше минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т. д.

Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Оно заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки или во введении в систему дополнительных защитных или разгружающих элементов для защиты некоторых основных элементов системы от действующих на них нагрузок.

Указанные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к ее отдельным элементам или их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором - разивдельным. Сочетание различных видов резервирования называется смешанным.

По способу включения резерва различают постоянное и динамическое резервирование.

Постоянное резервирование осуществляется без перестройки структуры системы при возникновении отказа ее элемента. Для такого типа резервирования характерно то, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также перерывов в работе (рис. 7.2 и 7.3).

Динамическое резервирование осуществляется с перестройкой структуры системы при возникновении отказа ее элемента.

Постоянное резервирование представляет собой параллельное или последовательное соединение элементов без использования переключающих устройств; при динамическом резервировании требуются переключающие устройства, реагирующие на отказы элементов.

Часто динамическое резервирование представляет собой резервирование замещением, при котором функции основного элемента в случае его отказа передаются резервному. Резервирование с включением резерва замещением (рис. 7.4 и 7.5) 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 задействовать резервный элемент в цепях 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 значительно понизить надежность всей системы. Поэтому резервировать замещением целесообразно крупные узлы или всю систему, при этом надежность переключающих устройств должна быть достаточно высокой.

Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рис. 7.6).

В зависимости от режима работы резервных элементов до отказа основного элемента различают следующие виды резерва:

Нагруженный (один или несколько резервных элементов находятся в режиме основного элемента);

Облегченный (один или несколько резервных элементов находятся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент);

Непогруженный (один или несколько резервных элементов находятся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента).

В системах управления широко применяется мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным или логическим (рис. 7.7). Благодаря этому элементу можно сравнивать сигналы, поступающие от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты сравнения совпадают, то они передаются на выход устройства.

На рис. 7.7 изображено мажоритарное 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). Главное достоинство мажоритарного резервирования - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов.

Резервные элементы различаются по уровню надежности. Элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень надежности (безотказности, долговечности и сохраняемости), что и резервируемые ими основные элементы объекта, поскольку ресурс резервных элементов расходуется так же, как и основных. Элементы облегченного резерва обладают более высоким уровнем надежности, так как интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включения их вместо отказавших элементов значительно ниже, чем у основных. При ненагруженном резерве ресурс резервных элементов начинает расходоваться практически только с момента включения их вместо отказавших элементов.

По способу резервирования объекта (элемента объекта) различают резервирование общее и раздельное. При общем резервировании объект резервируется в целом, вместо одного объекта предусматривается одновременная эксплуатация двух или более объектов, однотипных или аналогичных по выполняемым функциям. Этот способ достаточно простой; он широко применяется при резервировании наиболее ответственных систем. При раздельном резервировании резервируются отдельные элементы объекта или группы элементов, которые обычно встроены в объект; раздельно могут резервироваться как отдельные элементы системы, так и достаточно крупные ее части (блоки).

Динамическое резервирование может быть раздельным и общим, позволяет использовать резервные элементы не только в нагруженном, но и в облегченном и ненагруженном резерве, что, в свою очередь, позволяет сохранить ресурс резервных элементов, повысить надежность электрической системы в целом и уменьшить расход энергии.

При резервировании замещением может быть использовано скользящее резервирование, обеспечивающее требуемую надежность системы при малых затратах и незначительном увеличении ее массы и габаритов. К недостаткам динамического резервирования замещением следует отнести необходимость использования переключающих устройств, перерывов в работе при переходе на резервные элементы, а также системы поиска отказавшего элемента или блока, что снижает надежность всей резервированной системы. Этот способ целесообразно применять для резервирования достаточно крупных функциональных узлов и блоков сложных электрических систем.

Постоянное резервирование, предполагающее постоянное соединение резервных элементов с основными, отличается простотой. При таком виде резервирования не требуются переключающие устройства. В случае отказа основного элемента система продолжает работать нормально без перерыва и переключений. К недостаткам постоянного резервирования относится повышенный расход ресурса резервных элементов и изменение параметров резервируемого узла при отказе элементов. Такой тип резервирования применяется в ответственных системах, для которых недопустим даже кратковременный перерыв в работе, а также при резервировании относительно мелких элементов - узлов, блоков и элементов электронной техники СА (резисторов, конденсаторов, диодов и т. п.).

Резервирование входящих в блок радиоэлементов, отказ которых может привести к особо опасным последствиям, осуществляется с учетом возможности как коротких замыканий, так и обрывов элементов. Резервирование при обрывах элементов выполняют их параллельным соединением, при коротких замыканиях - последовательным соединением, полагая, что происходит отказ элемента, но электрическая цепь других последовательно соединенных с ним элементов не нарушается. Например, постоянное раздельное резервирование диода с нагруженным резервом при отказе в результате короткого замыкания (КЗ), обрыва или КЗ и обрыва осуществляется включением резервных диодов соответственно последовательно, параллельно и последовательно-параллельно основному (рис. 7.8, а-в).

Общее постоянное резервирование выпрямителя VD нагруженным резервом выполняется параллельным включением резерва; диоды в этом случае используются для предотвращения протекания тока резервного выпрямителя через выходную цепь отказавшего выпрямителя (рис. 7.9).

Общее резервирование выпрямителя ненагруженным резервом осуществляется с помощью переключателя П, который получает сигнал СО об отказе и подает управляющий сигнал YC на переключатель QW на отключение отказавшего выпрямителя и включение резервного (рис. 7.10).

Постоянное резервирование может быть осуществлено путем параллельного или последовательного подключения к основному элементу (системе) одного или нескольких резервных, выполняющих одинаковые с основным элементом (системой) функции. Такое резервирование используют, например, при параллельной работе вычислительных машин, блоков СА, резисторов, а также при последовательном включении диодов, размыкающих контактов, конденсаторов и т. д. На рис. 7.11 приведено несколько вариантов резервирования конденсаторов.

Последствиями отказа элементов при постоянном резервировании в предельных случаях может быть короткое замыкание или обрыв одного или нескольких элементов, что должно учитываться при проектировании системы. Для предотвращения этих негативных явлений вводятся ограничивающие сопротивления, включаются разделительные трансформаторы, а также увеличиваются допуски отдельных параметров системы и др.

В настоящее время для оценки надежности системы используется такой критерий: система считается абсолютно надежной, если отказ одного любого элемента не приводит к отказу всей системы. Реализация этого критерия на практике осуществляется путем поэлементного или поблочного резервирования.

Свойства различных видов резервирования можно выявить, проанализировав выигрыш надежности системы по основным количественным характеристикам. Оценим эффективность различных способов резервирования, приняв за критерии качества вероятность и среднюю наработку до отказа и сделав следующие упрощающие предположения:

Все элементы системы имеют равную надежность;

Поток отказов элементов является простейшим;

Кратность резервирования всех элементов одинакова.

Если при принятых допущениях вероятность и средняя наработка до отказа нерезервированной системы выражается формулами:

то выигрыш надежности резервированной системы по сравнению с нерезервированной будет равен:

На основании анализа рис. 7.12-7.14 можно сделать следующие важные выводы о свойствах резервирования.

1. Независимо от интенсивности отказов нерезервированной системы интенсивность отказов резервированной системы всегда начинается с нуля. По мере увеличения времени эксплуатации системы интенсивность отказов резервированной системы асимптотически стремится к интенсивности отказов нерезервированной системы. При резервировании с дробной кратностью интенсивность отказов резервированной системы при определенных значенияхии /может быть больше интенсивности отказов нерезервированной системы. Это означает, что система, к которой применено резервирование с дробной кратностью, может быть менее надежной, чем нерезервированная.

2. Из рис. 7.15 видно, что существует такое критическое значение времени работы г, выше которого резервирование с дробной кратностью нецелесообразно.

3. Выигрыш надежности по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы, т. е. чем более надежная система резервируется. Это основное противоречие резервирования вообще. Оно приводит к тому, что для повышения надежности систем длительного использования необходима высокая кратность резервирования.

4. При любом резервировании, кроме скользящего, значительное увеличение массы системы приводит к менее значительному увеличению средней наработки до отказа.