Методы резервирования.

Содержание:

Введение

Резервирование является универсальным принципом обеспечения надёжности, широко применяемым в природе, технике и технологии, впоследствии распространившимся и на другие стороны человеческой жизни.

Резервирование— метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы.

Резервирование широко применяется на опасных производственных объектах, во многих случаях его необходимость диктуется требованиями промышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкции предусматривают резервирование, например предохранительные клапаны непрямого действия — импульсные предохранительные устройства. Также резервирование широко используется в военной технике.

Резервирование — один из главных принципов обеспечения безопасности АЭС, наряду с физическим разделением и разнотипностью оборудования отвечающий за практическую реализацию важнейшего принципа единичного отказа. Системы, важные для безопасности АЭС (то есть очень многие), имеют трёхкратное резервирование, а в последних российских проектах, реализованных при строительстве Тяньваньской АЭС в Китае — четырёхкратное резервирование.

Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование в технологических системах классифицируют по ряду признаков, основные из которых — уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя основное устройство (элемент) и все резервные устройства (элементы). Группа элементов считается резервированной, если отказ одного или нескольких её элементов не нарушает нормальной работы схемы (системы), а оставшиеся исправные элементы выполняют ту же заданную функцию. Такое резервирование называется функциональным резервированием.

• Кратность резервирования — отношение числа резервных элементов к числу основных элементов устройства. Кратность резервирования принято обозначать m. Например, если m=3, то это означает что: основное устройство — одно, число резервных устройств — три, а общее число устройств равно (три плюс один) четырём. Если m=4/2, то это означает резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройства равно четырём, число основных — двум, а общее количество устройств — шести. Сократить дробь нельзя, так как если m=4/2=2, то это резервирование с целой кратностью, при котором число резервных устройств — два, основное — одно, а общее количество устройств — три!
  Однократное резервирование называется дублированием.
• По состоянию резервных элементов до момента включения их в работу различают:
  • нагруженный (горячий) резерв — резервные элементы нагружены так же, как и основные;
  • облегчённый (ждущий) резерв — резервные элементы нагружены меньше, чем основные;
  • ненагруженный (холодный) резерв — резервные элементы практически не несут нагрузки[3].

Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (T_{ср р ненагр} > T_{ср р обл} > T_{ср р нагр}), так как надёжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах.

• В зависимости от масштаба и принятой единицы резервирования различают:
  • общий резерв, при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и
  • раздельный (поэлементный) резерв, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы).
    Частным случаем поэлементного резервирования является скользящее резервирование, которое можно использовать, если резервировать группу одинаковых элементов.
  • Возможно также сочетание общего и раздельного резервирования — так называемое смешанное резервирование.

Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами:

• • исходным уровнем надёжности комплектующих изделий;
  • заданным временем эксплуатации;
  • наличием эффективной системы контроля и периодичностью проведения профилактики;
  • возможностями использования менее избыточных методов повышения надёжности.

Виды резервирования

Применяются четыре основных вида резервирования:

• • Аппаратное резервирование, например, дублирование
  • Информационное резервирование, например— методы обнаружения и коррекции ошибок
  • Временное резервирование, например, методы альтернативной логики.
  • Программное резервирование, применение независимых функционально равноценных программ

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование.

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

- структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);

- режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);

- временное,

- функциональное,

- информационное

- и ряд других.

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

1. По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 1).

Рисунок 1 – Классификация способов резервирования

Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 2):

Рисунок 2 – Раздельное резервирование

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:

2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Рисунок 3 – Резервирование с целой кратностью

2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

Рисунок 4 – Резервирование с дробной кратностью

Число кратности резервирования:

Рисунок 5

где m - общее число элементов в группе;

r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.

Например, проанализируем схемы (рисунок 5).

Рисунок 6 - Схемы с резервированием

Методы резервирования элементов

Резервирование элементов используется в тех случаях, когда необходимо создавать высоконадежные системы из малонадежных элементов. Различают методы нагруженного и ненагруженного резервирования. Ненагруженное резервирование или резервирование замещением осуществляется путем включения резервного элемента при отказе в системе основного. До отказа это включение невозможно. Схема резервирования приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Ненагруженное резервирование (замещением)

Методы резервирования систем

Резервирование систем предполагает резервирование всех входящих в систему элементов. Различают: общее резервирование, раздельное и смешанное (комбинированное) резервирование.

Общее резервирование имеет место, когда при отказе любого из элементов основной системы последняя заменяется резервной. Структурная схема общего резервирования представлена на рисунке 8.

Число элементов в системе – n, число резервных цепей m-1, общее число систем – m.

Вероятность безотказной работы системы при общем резервировании

Рисунок 8. Модель общего резервирования

Дальнее резервирование

Дальнее резервирование обеспечивает локализацию аварий, прекращение протекания токов КЗ и развитие повреждения оборудования, однако необходимо считаться со следующими его недостатками.

1. При отказе выключателя присоединения, отходящего от подстанции с двумя системами (секциями) шин, и включенном шиносоединительном или секционном выключателе, работа защит в режиме дальнего резервирования приводит к погашению обеих систем шин или секций и к обесточиванию всех питающихся от данной подстанции потребителей. При этом также происходит погашение отпаечных подстанций, подключенных к линиям, отходящим от подстанции с отказавшим выключателем. Так, при схеме сети, показанной на рис. 1, одновременно с обесточением шин ПС1 происходит погашение отпаечных подстанций и ПС8-ПС12.

2. В режиме дальнего резервирования устройства защиты действуют на значительном числе подстанций. Так, в изображенной на рис. 1 сети отключение происходит на шести подстанциях. Это усложняет диспетчерскую ликвидацию аварий, затрудняет сбор информации об объемах отключений, что в ряде случаев не позволяет оперативно принять нужное решение по ликвидации аварийной ситуации.

3. Дальнее резервирование осуществляется, как правило, последними ступенями защит, т.е. защитами с большими выдержками времени. Во многих случаях их чувствительность обеспечивается только в результате каскадного действия. Например, вначале имеют чувствительность к' данному виду и месту повреждения защиты только на ПС2 и ПС5, после отключения обоих выключателей увеличивается до необходимого значения ток в защите ПС4, после отключения выключателя повышается чувствительность защиты на ПС6 и т.д. В результате полное время отключения КЗ может быть больше 10-20 с. При таких временах отключения возрастает вероятность устойчивых повреждений и неуспешных АПВ с обесточением большого числа потребителей. Даже при неустойчивых повреждениях АПВ большинства присоединений будет неуспешным, поскольку при выборе времени срабатывания АПВ обычно не учитывается столь длительное существование режима КЗ.

4. В ряде случаев при повреждении в конце линии и отказе ее защит или выключателя чувствительность защит в режимах дальнего резервирования вообще не обеспечивается. В первую очередь это касается чувствительности дистанционных защит к междуфазным КЗ на линиях, примыкающих к мощным подстанциям; не резервируются также КЗ за трансформаторами подстанций.

5. При действии защит в режимах дальнего резервирования, когда отключается большое количество выключателей отказ одного из выключателей или одной из защит на противоположном конце (в дальнейшем будем называть такие отказы сопутствующими), создает еще более тяжелые условия для работы смежных устройств релейной защиты. Применительно к рис. 1 при сопутствующем отказе выключателя на ПС7 обеспечить чувствительность защит на ПС13, ПС14 иПС15, как правило, невозможно. Для повышения чувствительности защит при их работе в режимах дальнего резервирования дополнительно на шиносоединительных (ШСВ) и секционных (СВ) выключателях устанавливаются специальные комплекты защит. Если таким комплектом защиты обеспечить отключение ШСВ, то одна из систем шин, а вместе с ней ряд линий и подстанций отделяются от поврежденного участка системы. В присоединениях, подключенных к другой системе шин с неотключившимся поврежденным элементом, возрастают токи КЗ, повышается чувствительность защит, обеспечивающих дальнее резервирование.

Известны два варианта исполнения защит ШСВ.

Ближнее резервирование

Под ближним резервированием понимается использование на данном присоединении двух защит, взаимно резервирующих друг друга, каждая из которых обладает в зоне основного действия достаточной чувствительностью, и которые, как правило, выполнены на разных принципах. Так, высокочастотная дифференциально-фазовая защита ДФЗ-201 и резервные защиты линии панели ЭПЗ-1636 — это две разнотипные защиты, взаимно резервирующие друг друга при КЗ на линии. А вот две защиты ДФЗ-201, установленные на одной линии, нельзя считать полноценно резервирующими друг друга, поскольку они могут быть одновременно выведенными, например, при сильном гололеде. Не может, видимо, считаться полноценной резервной защитой при повреждении в генераторе максимальная токовая или дистанционная защита генератора с временем действия 5-6с.

В целях повышения качества ближнего резервирования целесообразно основную и резервную защиты включать на разные группы предохранителей (автоматических выключателей), на разные группы ТТ. Желательно было бы также включать основную и резервные защиты на разные группы трансформаторов напряжения, однако технические возможности такого разделения в настоящее время ограничены.

При повреждении в трансформаторах работают две защиты — газовая и дифференциальная, чем и обеспечивается ближнее резервирование защит (естественно, что ближнее резервирование обеспечивается только при таких видах повреждения, когда обе защиты обладают достаточной чувствительностью).

В тех случаях, когда на объекте выполняется ближнее резервирование защит, одновременный отказ обеих защит маловероятен и требование к дальнему резервированию защит соответствующих присоединений возникает крайне редко.

В последнее время ряд типовых защит выполняются таким образом, что они могут быть разделены на две независимые части, каждая из которых подключена на отдельные ТТ и отдельный автоматический выключатель оперативных цепей. Так, в модернизированной панели ЭПЗ-1636 одна группа защит состоит из первых двух зон дистанционной защиты и четвертой ступени защиты от замыканий на землю, вторая группа - из междуфазной отсечки, трех ступеней защиты от замыканий на землю и третьей зоны дистанционной защиты. Такое раздельное включение групп защит выполняется на тех линиях, где рассматриваемая защита является единственной. При близком к шинам подстанции КЗ на линии и отказе комплекта с первыми ступенями обеспечивается дальнее резервирование защитами прилежащей сети; возможно также и отключение от защит второй группы панели, если их время действия меньше времени действия защит, работающих в режимах дальнего резервирования. Если же произошло КЗ в конце линии и при отказе комплекта с первыми ступенями защит чувствительность у защит дальнего резервирования недостаточная, то будут работать защиты второй половины панели, обеспечивая при этом ближнее резервирование.

Такое комбинированное проявление ближнего и дальнего резервирования повышает надежность работы сети, где на линиях устанавливается по одному комплекту защиты. На тупиковых линиях 110 кВ согласно старым проектам часто устанавливались простые токовые защиты: одна-две ступени от замыканий на землю, междуфазная отсечка и максимальная токовая защита. В некоторых системах для повышения качеств ближнего резервирования на таких линиях дополнительно устанавливается второй комплект защит, состоящий из земляной и междуфазной отсечки и включаемый на отдельные ТТ и отдельный автоматический выключатель оперативных цепей.

При повреждении на присоединении и отказе в отключении выключателя ближнее резервирование не может обеспечить локализацию повреждения. Поэтому средства ближнего резервирования дополняются специальными устройствами резервирования отказов выключателей (УРОВ), обеспечивающими в рассматриваемом режиме отключение ближайших к отказавшему выключателей.

Рис. 9. Резервирование общее

Резервирование мажоритарное ("голосование" n из m элементов) . 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. 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.

Заключение

Запас можно назвать синонимом к слову "резервирование". Это явление широко используется всеми видами живых и механизированных систем и лежит в основе множества важнейших биологических явлений и процессов. Существует немало способов совершения рассматриваемого действия, каждый из которых имеет свою специфику и значение. Резервирование имеет необычайно огромный размер диаграммы спектра частей всего живого, на который он может распространиться.

Список использованных источников

1. URL: https://hd.oblakoteka.ru/kb/a17/backup.aspx
2. URL: http://www.cyberforum.ru/Rezrv/thread2374604.html
3. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/rezerv
4. .URL:https://www.microsoft.com/ru-ru/evalcenter/evaluate-rez
5. https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/1026/%d1%80%d0%b5%d0%b7%d0%b5%d1%80%d0%b2%d0%b8%d1%80%d0%be%d0%b2%d0%b0%d0%bd%d0%b8%d0%b5