Введение

Распространение критических нагрузок в электротехнических комплексах, информационных технологиях, системах связи и медицинском оборудовании, а также проблемы, связанные с качеством сетевой электроэнергии, подтолкнули к разработке ИБП. Оценка надежности систем бесперебойного питания позволяет проектировщикам, производителям и конечному пользователю гарантировать, что ИБП сможет поддерживать критические нагрузки в течение определенного времени в непредвиденных обстоятельствах. Полученные параметры надежности можно использовать для сравнения конструкции, типов и конфигурации установленной системы ИБП. Кроме того, расчетные показатели надежности очень полезны при планировании технического обслуживания системы, чтобы избежать незапланированного технического обслуживания и оперативного ремонта.

В статье определим несколько параметров, которые важны при оценке надежности системы ИБП [1, 2]:

1. надежность (Р) – способность элемента выполнять требуемую функцию в указанных условиях в течение указанного периода времени;
2. интенсивность отказов (λ) – среднее количество отказов системы в единицу времени;
3. интенсивность восстановления (μ) – вероятность восстановления работоспособности в единицу времени;
4. среднее времени между отказами (t_ср) – ожидаемое время работы между двумя отказами в восстанавливаемой системе;
5. доступность (A) и недоступность (W) – способность элемента находиться в состоянии, позволяющем выполнять требуемую функцию при указанных условиях в данный момент времени.

В качестве способа определения надежности резервированного электротехнического комплекса с ИБП выберем структурный метод на основе блок-схем, который показывает разделение системы и описывает, каким образом она должна работать [3]. В этом методе компоненты в системе представлены блоком, который находится в одном из двух возможных состояний: работоспособном или неисправном. Параметры надежности компонента (т.е. интенсивность отказов и восстановления) назначаются каждому блоку, а оценка надежности системы проводится в соответствии с полученной блок-схемой и условиями эксплуатации системы.

Таблица 1

Table 1

Данные для расчета надежности и доступности компонентов системы

Data for calculating the reliability and availability of system components

Для расчета параметров надежности исследуем следующие конфигурации резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП: стандартная N, изолированная N_iz, параллельная N+1, избыточная параллельная 2(N+1).

Уровень надежности каждой конфигурации оценивается с использованием параметров надежности компонентов, входящих в состав системы.

Исследование конфигураций ИБП

Стандартная система N: является наиболее распространенной конфигурацией в комплексе. В нормальном режиме работы нагрузка питается через ИБП. В случае отказа ИБП или во время технического обслуживания нагрузка подключается к блоку распределения питания (РП) через линию ручного байпаса (РБ), как показано на рис. 1, а. Во время работы байпаса нагрузка подключена параллельно ИБП, что оказывает негативное значение для высокочувствительных систем. Модель надежности на рис. 1, б показывает, что нагрузка будет питаться только от резервированной линий (через ИБП) или нерезервированной (линия РБ), что предполагает обеспечение меньшей избыточности системы и, таким образом, ограничивает защиту нагрузки.

а)

б)

Рис. 1. Конфигурация (а) и модель надежности (б) стандартной системы N

Fig. 1. Configuration (a) and reliability model (b) of the standard N system

Изолированная система N_iz: во время нормальной работы основной ИБП1 будет полностью поддерживать нагрузку, а изолированный или вторичный ИБП2 будет находиться в режиме ожидания, как показано на рис. 2, а. Когда ИБП1 выходит из строя или находится на обслуживании, система переключится на автоматический байпас (АБ), что позволит мгновенно подключить нагрузку к ИБП2.

Два ИБП независимы друг от друга и не нуждаются в синхронизации между собой, что делает их более гибкими, позволяет иметь разную мощность, марку и модель. Вторичный ИБП2 должен быть в состоянии справиться с внезапным скачком нагрузки во время переключения (нагрузкой 0 % перед переключением). Модель надежности на рис. 2, б показывает, что эта конфигурация сильно зависит от работы АБ во время переключения питания, чтобы обеспечить бесперебойное питание нагрузки.

а)

б)

Рис. 2. Конфигурация (а) и модель надежности (б) изолированной системы N_iz

Fig. 2. Configuration (a) and reliability model (b) of an isolated N_iz system

Параллельная система N+1: ИБП1 и ИБП2 равномерного распределяют нагрузку, при этом любой отдельный ИБП способен поддерживать нагрузку во время отказа или обслуживания другого ИБП (рис. 3, а). Такая схема имеет более низкую вероятность отказа системы по сравнению со схемой изолированного резервирования N_iz, поскольку все ИБП находятся в режиме онлайн и поддерживают нагрузку в любое время и не будет внезапного скачка нагрузки во время переключения. Однако, поскольку все модули ИБП требуют синхронизации между собой, они должны иметь одинаковую конструкцию, мощность, марку и модель. На рис. 3, б показана модель надежности для параллельной конфигурации N+1.

а)

б)

Рис. 3. Конфигурация (а) и модель надежности (б) параллельной системы N+1

Fig. 3. Configuration (a) and reliability model (b) of a parallel N+1 system

Избыточная параллельная система 2(N+1): данная конфигурация является самой надежной и самой дорогой среди резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП. Она состоит из двух параллельных резервированных систем, которые соединены параллельно, как показано на рис. 4, а. Как показано в модели надежности (рис. 4, б), эта конфигурация обеспечивает полное резервирование, даже во время обслуживания.

а)

б)

Рис. 4. Конфигурация (а) и модель надежности (б) избыточной параллельной системы 2(N+1)

Fig. 4. Configuration (a) and reliability model (b) of a redundant parallel system 2(N+1)

Расчет и сравнение надежности резервированных конфигураций с ИБП

Для проведения исследования и оценки надежности систем требуются интенсивность отказов и восстановления для каждого компонента в системе с ИБП. Эти оценочные значения получены из справочников по надежности [4, 5] и паспортов на оборудование, которые основаны на измеренных эксплуатационных данных. В табл. 2 представлены показатели надежности для компонентов системы, использованных в этом исследовании.

Таблица 2

Table 2

Показатели надежности компонентов в резервированной системе с ИБП

Reliability indicators of components in a redundant system with UPS

Для оценки надежности с последующим репрезентативным анализом, с учетом данных и показателей надежности, представленных в табл. 1, 2, проведен расчет интенсивности отказов согласно следующих зависимостей:

λin=(λВВОД1+λАВ)·(λВВОД2+λАВ)λВВОД1+2λАВ+λВВОД2+λАВР+λАВ ;                                    (1)

λN.0=(λАВ+λИБП)·λРБλАВ+λИБП+λРБ ;                                                    (2)

λNiz.1=(λАВ+λИБП)·(2λАВ+λИБП+λАБ)3λАВ+2λИБП+λАБ ;                                           (3)

λNiz.2=(3λАВ+2λАБ)·(3λАВ+λАБ)6λАВ+3λАБ ;                                              (4)

λNiz.0=(λNiz.1·λNiz.2λNiz.1+λNiz.2)·(λАВ+λРБ)(λNiz.1·λNiz.2λNiz.1+λNiz.2)+λАВ+λРБ ;                                             (5)

λN+1.0=(λАВ+λИБП)·λРБλАВ+λИБП+2λРБ ;                                                  (6)

λ2N+1.0=(λАВ+λИБП)2 ;                                                   (7)

λout=λАВ+λРП ;                                                     (8)

λN=λin+λN.0+λout ;                                                 (9)

λNiz=λin+λNiz.0+λout ;                                             (10)

λN+1=λin+λN+1.0+λout ;                                           (11)

λ2(N+1)=λin+λ2N+1.0+λout2 ,                                            (12)

где λin , λout  – интенсивность отказов вводной и выводной группы; λN , λNiz , λN+1 , λ2(N+1)  – интенсивность отказов четырех конфигураций резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП.

Недоступность конфигураций анализируемых систем рассчитана согласно следующих зависимостей:

Win=WВВОД1e-μВВОД1T+WАВe-μАВT·WВВОД2e-μВВОД2T+WАВe-μАВT+WАВРe-μАВРT+WАВe-μАВT ;     (13)

WN.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT·WРБe-μРБT ;                                  (14)

WNiz.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT·2WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT+WАБe-μАБT⦁3WАВe-μАВT+2WАБe-μАБT·3WАВe-μАВT+WАБe-μАБT·WАВe-μАВT+WРБe-μРБT ;                                                           (15)

WN+1.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT2·WРБe-μРБT ;                                (16)

W2(N+1).0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT2 ;                                       (17)

Wout=WАВe-μАВT+WРПe-μРПT ;                                                (18)

WN=Win+WN.0+Wout ;                                                           (19)

WNiz=Win+WNiz.0+Wout ;                                                        (20)

WN+1=Win+WN+1.0+Wout ;                                                       (21)

W2(N+1)=(Win+W2(N+1).0+Wout)2 ,                                                (22)

где Win , Wout  – недоступность вводной и выводной группы; WN , WNiz , WN+1 , W2(N+1)  – недоступность четырех конфигураций резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП.