Резервирование – повышение надежности объекта введением избыточности, т.е. дополнительных средств и возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом возложенных на него функций.

В различных областях техники используются разные виды резервирования – структурное, временное, функциональное, информационное.

В энергетике, в основном, применяют структурное резервирование, т.е. используют избыточные (резервные) конструктивные элементы, включенные параллельно основным (рабочим) и дублирующие их. При этом основным называют такой элемент структуры объекта, который минимально необходим для выполнения объектом заданных функций, а резервный обеспечивает работоспособность объекта в случае отказа основного элемента.

Структурное резервирование может осуществляться разными способами. При общем резервировании резервируется объект в целом, а при раздельном- его отдельные элементы. Кратностью резервирования называют отношение числа резервных элементов к числу основных: K p = N рез /N осн.

По числу резервных элементов различают однократное, двукратное и многократное резервирование. При раздельном резервировании Кр чаще всего бывает дробной величиной, а при общем – целым числом.
В энергетике, как правило, используется раздельное резервирование в виде дублирования отдельных наименее надежных и наиболее ответственных элементов, например, линий питательной воды паровых котлов, дымососов, некоторых установок питательных, конденсатных насосов и предохранительных клапанов. На один основной элемент обычно приходится один резервный.

При постоянном резервировании резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основным, а при резервировании замещением функции основного элемента передаются резервному элементу только после отказа основного.

Различие между постоянным включением резерва и нагруженным резервом замещения можно представить на следующих примерах: к первому относится резервный конденсатный насос, непрерывно работающий параллельно с основным, ко второму – паровой котел, находящийся в разогретом состоянии, но не вырабатывающий пар в паропровод.

Термины горячий, теплый и холодный резервы весьма удачны применительно к энергетике, и поэтому часто используются наравне с рекомендуемыми ГОСТ терминами соответственно нагруженный, облегченный, ненагруженный резервы.

В зависимости от места подключения резервного агрегата различают фиксированное резервирование, когда резервный агрегат должен быть введен взамен одного вполне конкретного работающего агрегата, и скользящее резервирование, когда резерв вводится вместо любого из работающих агрегатов данной группы.

Рассмотрим свойства некоторых способов резервирования, характерных для энергетического оборудования.

Преимуществом ненагруженного резерва является возможность сохранить ресурс резервного агрегата при нормальной работе остальных. Однако в энергетической практике ненагруженный резерв имеет серьезный недостаток – во многих случаях его нельзя ввести в работу тотчас после возникновения отказа основного оборудования, и поэтому могут временно ухудшиться условия поддержания заданной нагрузки. Так, если исправный турбоагрегат остановлен в резерв, то его ресурс не расходуется, но даже в самой экстренной ситуации потребуется некоторое вполне определенное время для пуска. Турбоагрегат может также работать с относительно малой нагрузкой (так называемый вращающийся резерв), и при необходимости набор нагрузки производится в темпе, ограниченном только динамическими свойствами энергоблока, но ресурс агрегата расходуется постоянно.

В энергетике часто одним или несколькими агрегатами резервируют целую группу работающего оборудования. Именно таким образом включены турбоагрегаты в общую энергосистему. На ТЭС с поперечными связями резервный котел может заменить любой вышедший из строя котел. Следовательно, это пример скользящего резерва.

Структурное раздельное резервирование элемента организуется двумя способами:

а) постоянное включение резерва


б) резервирование замещением

Схема а). При постоянном включении резервный элемент включен параллельно основному и работает вместе с ним. При отказе основного элемента установка сохраняет работоспособность за счет резервного элемента, принимающего на себя всю нагрузку. В этом случае нет необходимости включать резервный элемент и отключать отказавший основной, но резервный элемент изнашивается и расходует свой ресурс надежности вместе с основным.

Надежность системы двух одинаковых элементов (основного и резервного), включенных параллельно:

λ осн = λ рез = λ = 1/T эл

Данная система откажет при одновременном отказе обоих элементов. Согласно формуле полной вероятности при независимости событий вероятность отказа системы двух элементов при постоянном включении:

Q c = ∏Q i = (1 — P i) 2 = (1 — e -λt) 2 = 1 — 2e -λt + e -2λt

Вероятность безотказной работы указанной системы

P c = 1 — Q c = 2 e -λt — e -2λt

Среднее время безотказной работы

T c = ∫ P c dt = ∫ (2 e -λt — e -2λt)dt = (-2/λ e -λt + 1/2λ e -2λt) = 3/2T эл

Таким образом, при постоянном включении среднее время безотказной работы системы увеличилось в 1.5 раза.

Схема б). При резервировании замещением резервный элемент отключен, находится в состоянии готовности заменить отказавший основной элемент (холодной, теплой или горячей готовности).

При этом сохраняется резерв надежности дублирующих элементов и повышается общая надежность системы, но требуется осуществить включение резерва, вероятность чего также должна быть учтена. Включение резерва состоит в поиске отказа, отключении отказавшего элемента, подготовке и вводе резервного элемента в работу.

Количественный анализ показал, что среднее время безотказной работы систем двух элементов при резервировании замещением увеличивается вдвое

Поэтому предпочтительно резервирование замещением элементов. Но преимущества резервирования замещением перед постоянным включением резервного элемента снижаются, поскольку надежность включения также менее 1, и утрачиваются по мере приближения ее к 1.5/2=0.75. Кроме того, следует учесть, что резервный элемент в какой-то мере изнашивается и в нерабочем состоянии.

Резервирование - метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надежности системы при наименьшей стоимости.

Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надежности, которое можно достичь при заданных расходах.

Основной элемент - элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Виды резервирования

Структурное (элементное) резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.

Резервирование функциональное - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование - такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.
Нагрузочное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.
С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.

4.4.2. Способы структурного резервирования

По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1. Способы структурного резервирования

Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис. 4.4.2).
Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента не существенно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его - постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток - резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 4.4.3). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа - резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток - необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования - m. При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m=4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных - двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя, так как если m=4/2=2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трех состояниях:
- нагруженном резерве;
- облегченном резерве;
- ненагруженном резерве.
Нагруженный резерв - резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.
Облегченный резерв - резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.
Ненагруженный резерв - резервный элемент, практически не несущий нагрузок.
Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 4.4.4). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного - используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

Рис. 4.4.4. Резервирование общее

Резервирование мажоритарное ("голосование" n из m элементов) (рис. 4.4.5). Этот способ основан на применении дополнительного элемента - его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 4.4.5 изображено резервирование по принципу голосования "два из трех", т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. Можно применять соотношения три из пяти и др. Главное достоинство этого способа - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на выходной результат.

Рис. 4.4.5. Резервирование мажоритарное

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.

Классификация существующих методов резервирования представлена на рис.

Резервирование

Выше мы описали существо видов избыточности. Отметим, что в настоящее время в технических системах наибольшее распространение получила структурная избыточность.

Сущность структурного резервирования заключается в том, что к основному элементу (т.е минимально необходимому для выполнения заданных функций) присоединяют один или несколько дополнительных (резервных) элементов, предназначенных для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента).

По объему резервирования различают следующие виды;

• - общее, предусматривающее резервирование объекта целиком
• - раздельное, при котором резервируется отдельное элементы или их группы
• - смешанное, совмещающее различные виды резервирования.

Резерв так же, как и технические системы, может быть восстанавливаемым и невосстанавливаемым. Первый из указанных применятся на обслуживаемых системах, причем стратегия его восстановления строится таким образом, чтобы безопасность системы не уменьшалась ниже заданного уровня. На обслуживаемых системах (невозвращаемые космические аппараты, автоматические метеостанции и др.) резерв, как правило, используется полностью и восстановлению не подлежит.

Резервирующие элементы могут находиться в различных режимах:

Нагруженном, облегченном и ненагруженном.

При ненагруженном режиме резервирующие элементы находятся в том же состоянии, что и основной элемент, т.е все элементы работают одновременно в одинаковых условиях.

Облегченный режим резерва означает, что нагрузка резервирующих элементов меньше, чем у основного элемента.

Ненагруженный резерв сводится к ситуации, в которой резервирующие элементы не имеют нагрузки до тех пор, пока не откажет основной элемент.

По характеру подключения различают:

• - постоянное резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными:
• - замещением, когда функция основного элемента передается резервному только после отказа основного
• - скользящее, при котором любой отказавший элемент может быть заменен резервным.

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.