CC BY
63
Мандзий Б.А., Волочий Б.Ю., Кузнецов Д.С.
Украина, Львов, Национальный университет «Львовская политехника».
НАДЕЖНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ СИСТЕМ С КОМБИНИРОВАНЫ^ СТРУКТУРНЫМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ
ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Постановка задачи
Проблеме надежности источников бесперебойного электропитания (ИБП) радиоэлектронных систем (РЭС) ответственного назначения проектантами уделяется большое внимание [1-5] . В ряде информационных источников определены требования к надежности ИБП [2, 3] и способы ее обеспечения путем
использования отказоустойчивых систем (ОС) с соответствующей конфигурацией [1, 4, 5, 7, 9]. В
отказоустойчивых системах, которые нашли применение в практике проектирования ИБП, часто используется комбинированное структурное резервирование [4, 7]. Но в известных информационных источни-
ках моделей таких ОС не обнаружено.
Часто в каталогах по ИБП отмечается их высокая надежность, хотя конкретные значения показателей надежности не приведены [б] . Это, по нашему мнению, связано с отсутствием соответствующих надежностных моделей ИБП, а экспериментально определенные показатели надежности можно получить только после длительной эксплуатации.
Поэтому, проблема разработки надежностных моделей ОС с комбинированным структурным резервированием для ИБП является актуальной и требует своего решения.
Конфигурации отказоустойчивых систем для источников бесперебойного электропитания
Типовая конфигурация отказоустойчивой системы для ИБП [7] представлена на рисунке 1, где Мрк -модуль рабочей конфигурации блока питания (БП), Мср - модуль скользящего резерва БП, А - аккумулятор, ЗУА - зарядное устройство аккумулятора. В докладе представлены надежностные модели для следующих модификаций отказоустойчивой системы для ИБП (таблица 1) (во всех случаях используется
модульная структура БП):
1) блок питания ИБП, с использованием нагруженного постоянного резерва модулей с перераспределением нагрузки при отказе модуля, и общим резервированием БП с помощью одного аккумулятора.
фигурации БП, и общим резервированием БП с помощью одного или двух аккумуляторов.
3) блок питания ИБП, с использованием ненагруженного скользящего резерва модулей рабочей конфигурации БП, общим резервированием БП с помощью двух аккумуляторов, а также применено резервирование модуля контроля с распределением функций между основным и резервным модулями (ЕЖУ И 14000
[6] ) ;
4) блок питания ИБП, с использованием ненагруженного скользящего резерва модулей рабочей конфигурации БП, общим резервированием БП с помощью двух аккумуляторов, генератором, который обеспечивает общее резервирование ненадежной сети, и автоматический переключатель, который выполняет переключение источника от сети на генератор и наоборот.
Таблица 1 Модификации конфигурации отказоустойчивой системы для ИБП
№ п/п Тип резерва конфигурации модулей рабочей Общее резервирование БП Резервирование средств контроля Резервирование сети
1 нагруженный постоянный резерв с перераспределением нагрузки 1 аккумулятор отсутствует отсутствует
2 ненагруженный зерв скользящий ре - 1 аккумулятор отсутствует отсутствует
3 ненагруженный зерв скользящий ре - 2 аккумулятора отсутствует отсутствует
4 ненагруженный зерв скользящий ре - 2 аккумулятора однократное общее резервирование отсутствует
5 ненагруженный зерв скользящий ре - 2 аккумулятора отсутствует однократное общее резервирование
Для ИБП предусмотрено обслуживание с использованием стратегии аварийного или профилактического восстановления.
Факторы ненадежности источников бесперебойного электропитания
Ненадежность электропитания РЭС обусловлена двумя факторами [8] ненадежностью сети и ненадежностью самого ИБП. После отказа модуля в блоке питания, РЭС переходит на автономную работу от аккумулятора. Восстановление работоспособности БП возможно благодаря наличию скользящего резерва и ремонтного органа. Эффективность аккумулятора определяют его параметры: средние значения дли-
тельностей разряда, заряда, саморазряда и безотказной работы. Наличие в структуре ИБП двух аккумуляторов позволяет при надежной электросети снизить требования к ремонтному органу. При отказе средств коммутации ИБП теряет работоспособность в момент, когда к нему поступает команда от средств контроля. Эффективность контроля и диагностики определяют выбранные методы и надежность средств (аппаратных и программных), которыми реализовано их функции. При не обнаружении средством контроля нарушения работоспособности БП или аккумулятора (в момент переключения на него нагрузки) ИБП теряет работоспособность. При неправильной локализации неисправного модуля с рабочей конфигурации БП изымается исправный модуль.
Краткое описание разработанных моделей отказоустойчивых систем для источников бесперебойного электропитания
Надежностные модели ИБП разработаны с использованием усовершенствованной технологии моделирования отказоустойчивых систем [7], которая позволила построение графа состояний и переходов автоматизировать . Это важно при большом количестве рассматриваемых вариантов реализации построения отказоустойчивых систем. Эта технология реализована в программном модуле ASNA-1. Согласно этой технологии разработаны структурно-автоматные модели отказоустойчивых систем для ИБП, которые включены в библиотеку надежностных моделей ОС для проектирования ИБП.
Уровень адекватности разработанных моделей ОС определяется тем, что:
в моделях учтены отказы модулей рабочей конфигурации БП, ненадежность переключений (нагрузки с БП на аккумулятор и наоборот, подключение модуля скользящего резерва в рабочую конфигурацию, подключения аккумулятора к зарядному устройству), ненадежность средств контроля и диагностики, параметры аккумуляторов, а также эффективность ремонтного органа;
в случае необходимости учета ненадежности модуля контроля, учитывается интенсивность его отказов;
в случае необходимости учета ненадежности сети, учитываются интенсивности ее отключения и включения, а также ненадежность переключения нагрузки на генераторную установку и наоборот.
Рассмотрим ОС для ИБП № 3 (см. таблица 2) . Структурно-автоматная модель для этой модификации ОСпредставлена в таблице 2, где использованы следующие сокращения: ФРИБС - формула расчета интенсивности базового события, ФРВАП - формула расчета вероятности альтернативного перехода, ПМКВС -правило модификации компонент вектора состояния, ККО - критерий катастрофического отказа.
Таблица 2. Структурно-автоматная модель ОС для ИБП
Базовые события Условия и обстоятельства ФРИБС ФРВАП ПМКВС
РПКхРПКхРД V2:=V2-1;
1.(V1=Mrk)AND(V2>0)AND((V4=2)OR(V5=2)) V1x1M 1 - Р ПК V1:=V1-1; V2:=V2-1
Рпк V1:=V1-1;
1. Отказ моду- 2.(V1=Mrk) AND (V2=0) AND (V4=2) V1x1, V4 : =1
ля блока питания 1 - Рпк V1:=V1-1
3.(V1=Mrk)AND(V2=0)AND((V4=3)OR(V4=4))AND(V5=2) V1X1* Рпк V1:=V1-1; V5 : =1
1 - Рпк V1:=V1-1
4.(V1=Mrk)AND((V4>2)AND(V5>2)) V1xM 1 V1:=V1-1
Рцх РПК CO H ll ll •чґ LT) > >
РцХ(1- РПК) V4 : =3
1. (V4=1) AND (V5=2) Хрра (1- V4:=4 ;
Рц) ХРПК V5 : =1
2. Завершение (1-
разрядки 1-го Рц) х(1- V4 : =4
аккумулятора РПК)
2. (V4=1) AND ((V5=3) OR (V5=4)) Хрра Рц V4 : =3
1-Рц V4 : =4
3. (V4=2) ^РНА Рц V4 : =3
1-Рц V4 : =4
Рцх РПК CO H ll ll LT) -чґ > >
РцХ(1- РПК) V5 : =3
1. (V5=1) AND (V4=2) ХррА (1- V5 : =4;
3. Завершение Рц) хРПК V4 : =1
разрядки 2-го аккумулятора (1- Рц) х(1- РПК) < (Л и 4^
2. (V5=1) AND (V4>2) ХррА Рц V5 : =3
1-Рц V5 : =4
3. (V5=2) ІРНА Рц V5 : =3
1-Рц < (Л и 4^
Рпк V4:= 4;
4. Отказ 1.(V4=1) AND (V5=2) 1а V5 : =1
1-го аккумуля- 1 - РПК ll >
тора 2.(V4=1) AND (V5>2) 1а 1 V4:= 4
3.(V4=2) OR (V4=3) 1а 1 V4:= 4
5. Отказ РПК V5 : =4;
2-го аккумуля- 1.(V5=1) AND (V4=2) 1а V4 : =1
тора 1 - РПК V5 : =4
Базовые события Условия и обстоятельства ФРИБС ФРВАП ПМКВС
2.(V5=1) AND (V4>2) 1а 1 < (Л II 4^
3.(V5=2) OR (V5=3) 1а 1 < (Л II 4^
6. Завершение зарядки1-го аккумулятора CO II > 1/T3A 1 V4 : =2
7. Завершение зарядки2- го аккумулятора < (Л II Ы 1/T3A 1 V5 : =2
V1:=V1+1;
(((Mrk+Msr) - (V1+V2)) >>0) AND (V3=1) AND (V1<Mrk) (Sp-1)/Sp V4:=2 ; V5:=2;
8.Восстанов-ление неисправного моду- 1/TPM 1/Sp V1:=V1+ 1; V3:=0; V4:=2 ;
ля блока пита- V5:=2;
ния 1/TPM (Sp-1)/Sp V2:=V2+ 1
(((Mrk+Msr)-(V1+V2))> 0)AND(V3 = 1)AND(V1=Mrk) 1/Sp V2:=V2+ 1; V3:= 0
ККО: (V1<Mrk) AND ((V4/1) AND ((V5#1))
Технологией моделирования предусмотрено определение компонент вектора состояний, которым будет однозначно определяться то или иное состояние ИБП. В данной структурно-автоматной модели вектор состояния представляют следующие компоненты:
V1 - отображает текущее количество работоспособных модулей в рабочей конфигурации блока питания (начальное значение компоненты V1 равно количеству модулей в рабочей конфигурации блока питания Мрк) ;
V2 - отображает текущее количество работоспособных модулей скользящего резерва блока питания (начальное значение компоненты V2 равно количеству модулей скользящего резерва Мср) ;
V3 - представляет возможность ремонта модуля: (1 - ремонт возможен, 0 - все запланированные
ремонты выполнены, то есть следующий ремонт не возможен (начальное значение компоненты V3 равно 1) ) ;
V4 - указывает, в каком состоянии находится первый аккумулятор (1 - аккумулятор работает на нагрузку, 2 - аккумулятор заряжен, но не подключен к нагрузке 3 - аккумулятор находится на подзарядке, 4 - аккумулятор неработоспособен: незаряжен или неисправен);
V5 - указывает, в каком состоянии находится второй аккумулятор (аналогично ^4).
Перечень параметров отказоустойчивой системы, которые должны быть представлены в структурноавтоматной модели таков: параметры блока питания:
M = Мрк+ Мкр - общее начальное количество модулей блока питания;
Мрк - начальное количество модулей в рабочей конфигурации блока питания;
Мср - начальное количество модулей скользящего резерва;
1м - интенсивность отказов одного модуля в блоке питания;
параметры аккумулятора (в общем резерве предусмотрено 2 аккумулятора):
Su - максимальное количество циклов заряд-разряд аккумулятора;
Тза -среднее значение интервала времени, необходимого для зарядки аккумулятора;
1рра - интенсивность разряда работающего на нагрузку аккумулятора;
1рна - интенсивность разряда не работающего на нагрузку аккумулятора (саморазряд),
1а- интенсивность отказов аккумулятора;
Рц - вероятность того, что текущий цикл заряд-разряд не является последним предусмотренным; параметр средств контроля и диагностики:
Рд - вероятность правильных контроля работоспособности модулей БП и локализации неисправного модуля источника бесперебойного электропитания; параметр устройств переключения:
Рпк- вероятность успешной коммутации (переключения); параметры ремонтного органа: * •
8р - максимальное количество предусмотренных ремонтов неисправных модулей блока питания;
Трм - среднее значение интервала времени, необходимого на ремонт одного модуля блока питания. Задачи надежностного проектирования
Надежностное проектирование отказоустойчивой системы дляИБП предусматривает решение следующих задач:
• определение параметров выбранной конфигурации ОС при заданном значении показателя надежности, например, среднейдлительности безотказной работы ИБП;
• обоснование выбора конфигурации ОС для ИБП;
• определение параметров технического обслуживания при заданном значении показателя надежности, а именно длительности безотказной работы ИБП;
Путем анализа вариантов реализации конфигурации отказоустойчивой системы ИБП с помощью разработанных моделей и решения задач надежностного проектирования можно определить требования к: аккумуляторам, генераторной установке, ремонтному органу, надежности модулей, резерву, средствам коммутации, средствам контроля и диагностики. Для решения таких задач,разработанныенадежностные модели имеют необходимый уровень адекватности.
Пример решения задачи надежностного проектирования отказоустойчивой системы
Обеспечить необходимое значение показателя надежности ИБП можно разными способами: увеличением количества резервных модулей, повышением надежности модулей рабочей конфигурации БП, установкой аккумуляторов с лучшими параметрами, повышением требований к ремонтному органу. Однако изменение каждого из этих параметров будет влиять на надежность ИБП в целом по-разному. Надо учесть, что определенный набор одних параметров будет определять, насколько надежность ИБП будет чувствительна к изменению других. Поэтому актуальной является задача определения зависимости чувствительности показателя надежностиИБП к изменениям одних параметров отказоустойчивой системы и техническо-
го обслуживания при разных наборах значений остальных параметров источника. Значения остальных параметров может задаваться, в том числе, для определенной ситуации, которая определяется целесообразностью (технической, экономической и т.д.) .
Когда в процессе эксплуатации ИБП в скользящем резерве уменьшается количество работоспособных модулей, именно средствами ремонтной службы обеспечивается пополнения резерва работоспособными модулями. Поэтому следует исследовать обобщенную зависимость показателя надежности от отношения продолжительности ремонта к длительности безотказной работы модуля в БП при необходимости сформировать требования к ремонтной службе. В случае, когда БП потерял работоспособность и, в скользящем резерве не осталось работоспособных модулей, именно аккумулятором обеспечивается питание РЭС на время восстановления работоспособности БП. Поэтому следует исследовать обобщенную зависимость показателя надежности от отношения длительности разряда аккумулятора к продолжительности ремонта.
Приведем результаты этих исследований в виде зависимостей показателя надежности ИБП (длительности безотказной работы) от отношения продолжительности ремонта к длительности безотказной работы модуля в БП (рисунок2), и от отношения длительности разряда аккумулятора к продолжительности ремонта (рисунокЗ).
На рисунках 2 и 3 проиллюстрированы по четыре зависимости показателя надежности ИБП, построенные для наборов параметров, представленных в таблице 3 к рисунку 2 и в таблице 4 к рисунку 3.
Результаты, представленные на рисунке2 и рисункеЗ, иллюстрируют возможности надежностной модели в проектировании отказоустойчивой системы для ИБП (в данном случае, при формировании требований к ремонтной службе и параметрам аккумуляторов). На рисунке 2 видно, что при указанных наборах параметров ОС (см. таблицаЗ) наибольшее изменение показателя надежности имеет место на интервале {0,01-0,1}. Поэтому зная показатели надежности модулей БП (исследование проведено для количества модулей в рабочей конфигурации БП Мрк = 5), и формируя требования к ремонтной службе, следует помнить, что для данной конфигурации отказоустойчивой системы лучшие показатели надежности ИБП достигаются при средней продолжительности ремонта неисправного модуля БП в сто и более раз меньшей от средней продолжительности его безотказной работы.
Таблица 3 - Наборы параметров конфигурации ОС для ИБП
№ Мрк Мср Нм Su ТЗА ХррА ^РНА Aa Sp РПК Рд
1 5 2 1е -4 300 5 0.1 5e-2 5e-6 70 0.999 0.9999
2 5 3 5e-4 200 5 0.1 5e-3 5e-6 35 0.999 0.9999
3 5 1 2e-4 100 7 0.2 5e-3 5e-6 25 0.999 0.9999
4 5 2 3e-4 200 10 0.5 5e-4 5e-6 20 0.99 0.999
Рисунок 2 -Зависимость продолжительности безотказной работы ИБП от отношения продолжительности ремонта к длительности безотказной работы модуля БП при разных наборах параметров ОС для ИБП
Рисунок 3 -Зависимость продолжительности безотказной работы ИБП от отношения длительности разряда аккумулятора к длительности ремонта модуля БП при разных наборах параметров ОС для ИБП
Табл. 4. Наборы параметров конфигурации ОС для ИБП
№ Мрк Мср Нм Sa Т за Трм ^РНА На Sp Рпк Рд
1 5 2 1е-4 300 5 100 5e-3 5e-6 35 0.999 0.9999
2 5 3 5e-4 200 5 50 5e-3 5e-6 35 0.999 0.9999
3 5 1 2e-4 100 7 200 5e-4 5e-6 25 0.999 0.9999
4 5 2 3e-4 200 10 150 5e-4 5e-6 20 0.99 0.999
На рисунке 3 можно отследить, что при указанных наборах параметров ОС (см. таблицу4) и значениях отношений длительности разряда аккумулятора к продолжительности ремонта меньшей или равной 0,1 надежность ИБП остается практически не меняющейся и низкой, так как за время разряда аккумулятора (исследование проведено для ИБП, в составе которого присутствует один аккумулятор) ремонтная служба не успевает восстановить работоспособность БП (исследование проведено для стратегии аварийного восстановления, при которой восстанавливается работоспособность всех неисправных модулей БП). Начиная со значений больше 0,1, надежность ИБП начинает повышаться. Исследование данной характеристики является желательным, в случае, когда являются известными возможности ремонтной службы, и стоит задача выбора аккумулятора или наоборот.
Выводы
Разработанные надежностные модели отказоустойчивых систем для источников бесперебойного электропитания позволяют решать приведенный выше перечень задач, которые актуальны при их проектировании .
Модели служат проектанту инструментом, с помощью которого можно дать ответ на вопрос о том, изменение какого из параметров источника даст наибольшее приращениенадежности, и найти значения параметров используемой конфигурации отказоустойчивой системы для источника бесперебойного электропитания при заданном значении показателя его надежности.
Разработанные надежностные модели включены в библиотеку надежностных моделей для проектирования источников бесперебойного электропитания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барсков А. Отказоустойчивые источники бесперебойного питания: модульные или моноблочные. -
2009. - Режим доступу: http://www.iksnavigator.ru/vision/2910564.html
2. Электроснабжение центра обработки данных (ЦОД) — Режим доступа:
http://www.policom.ru/solution/engineering/power.php?sphrase id=2533479
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание седьмое. Режим доступа:
http://www.elec.ru/library/direction/pue.html
4. Решения для повышения надежности систем ИБП - Абитех - Режим доступа
:http://www.abitech.ru/solutions/improve system reliability UPS.php
5. E. Spears "Parallel UPS configurations" - Eaton - 2009 - Access mode:
http://www.eaton.com/Electrical/USA/WhitePapers/idcplg?IdcService=GET FILE&RevisionSelectionMetho d=LatestReleased&Rendition=Primary&dDocName=WP09-02
6. Каталог продукции ООО Интеграл Режим доступа: http://integral.pp.ua/downloads1.html
7. Волочий Б.Ю. Технологиямоделированияалгоритмовповеденияинформационных систем (укр). -
Львов: Изд-воНациональногоун-та "Львовскаяполитехника", 2004. - 220 с.
8. Неплохов И., Басов И. Электроснабжение первой категории надежности и новая нормативная база
по пожарной безопасности - 2009. - Режим доступу: http://articles.security-
bridge.com/articles/101/12681/
9. Волочий Б.Ю., Озирковский Л.Д., Муляк О.В., Гыла В.Д. Модели для надежностногопроектирова-
нияузлапамяти сервера и источникабезперебойногоэлектропитания (укр) // Радиоэлектроникаителекому-
никации. Вестникнациональногоуниверситета «Львовськаяполитехника» №680, - С. 206-216.
