CC BY
28
УДК 621.31+004.3
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ
СЕТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
З.М. ГИЗАТУЛЛИН, Р.М. ГИЗАТУЛЛИН, И.И. ШАРАФУТДИНОВ,
И.Н. ЗИАТДИНОВ
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ
Динамические изменения напряжения электропитания (провалы и прерывания напряжения) являются одними из основных проблем, волнующих потребителей с точки зрения помехоустойчивости средств вычислительной техники (СВТ) при эксплуатации. В статье приведены результаты экспериментальных исследований помехоустойчивости СВТ при динамических изменениях напряжения электропитания.
Ключевые слова: помехоустойчивость, средства вычислительной техники, динамические изменения напряжения.
Введение
Средства вычислительной техники (СВТ) стали неотъемлемым элементом любого процесса управления объектами, обработки, передачи, хранения информации. Они также незаменимы в системах связи различного типа. Именно повсеместное внедрение СВТ высветило проблему провалов и прерываний напряжения и заодно почти все проблемы качества электроэнергии [1]. При нарушении параметров электропитания одна некорректная сессия записи данных может разрушить всю файловую систему. Даже если сбои и не приводят к катастрофическим последствиям сразу, то спустя некоторое время чувствительная электронная начинка СВТ начинает некорректно функционировать или происходит потеря, искажение информации из-за постоянных циклов включения/выключения.
Так же СВТ входят в состав средств охранной сигнализации для физической защиты объектов и информации. Развитие технических средств охраны происходит исключительно быстрыми темпами. Это в основном обусловлено бурным развитием микрооптоэлектроники и СВТ. За последнее десятилетие на базе комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан целый ряд извещателей, приборов приемно-контрольных и систем передачи извещений с расширенными тактико-техническими характеристиками, улучшенными методами обнаружения и способами обработки информации. Несмотря на это, проблема ложных срабатываний сигнализации остается в настоящее время одной из основных причин, снижающих эффективность охраны. Уменьшение числа ложных срабатываний и, следовательно, повышение эффективности функционирования подразделений охраны
© З.М. Гизатуллин, Р.М. Гизатуллин, И.И. Шарафутдинов, И.Н. Зиатдинов Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
представляет собой сложную комплексную проблему, включающую в себя вопросы повышения помехоустойчивости, информационной безопасности и надежности технических средств охранной сигнализации, как на этапе разработки и серийного производства, так и на этапе эксплуатации.
Динамическое изменение напряжения электропитания СВТ — помеха, представляющая собой ступенчатое кратковременное отклонение напряжения электропитания за регламентированный нижний или верхний предел, длительностью от полупериода частоты переменного тока до нескольких секунд с последующим возвращением к исходному значению [2, 3]. Динамические изменения напряжения случайны по своей природе и могут иметь различную амплитуду и длительность.
В России получили известность данные исследований, проведенных в США фирмами Bell Labs и IBM. Согласно данным Bell Labs и IBM (США), каждый персональный компьютер подвергается воздействию 120 нештатных ситуаций с электропитанием в месяц [4]. Проводившиеся в Российской Федерации в 2004 году аналитической компанией CNewsAnalytics исследования показали, что среди 500 российских компаний, участвующих в опросе, около 70% испытывают проблемы, вызванные низким качеством электроэнергии. При этом главные причины проблем, которые указали респонденты, показаны на рис. 1. Названные причины являются наиболее типичными [5, 6, 7].
ненормативные отклонения или колебания напряжения; 17%
провал или исчезновение
перенапряжения;
напряжения —v х- 10%
{включая полное отключение}; 71%
электромагнитные НЛП
радиочастотные помехи; 2%
Рис. 1. Гистограмма распределения отклонений показателей качества электроэнергии
Последствия у потребителя СВТ будут зависеть от уровня напряжения в момент колебания, продолжительности отклонения и чувствительности оборудования. Поэтому любая СВТ, в той или иной степени, должно обладать помехоустойчивостью к динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Помехоустойчивость СВТ - это его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров [2]. Помехоустойчивость оценивают интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства ещё не превышает допустимых пределов. Чем сильнее помеха, при которой устройство остаётся работоспособным, тем выше его помехоустойчивость. Рекомендуется следующая классификация критериев качества функционирования СВТ при исследованиях на помехоустойчивость: А - нормальное функционирование в соответствии с требованиями, установленными изготовителем, заказчиком испытаний или пользователем; В - временное прекращение выполнения функции или ухудшение качества функционирования, которые исчезают после прекращения помехи и не требуют вмешательства оператора для восстановления работоспособности; С -временное прекращение выполнения функции или ухудшение качества
функционирования, восстановление которых требует вмешательства оператора; D -прекращение выполнения функции или ухудшение качества функционирования СВТ, которые не могут быть восстановлены из-за повреждения компонентов или программного обеспечения, или потери данных [2].
В связи с актуальностью указанной проблемы, целью данной работы является определение качества функционирования СВТ и выявление максимального уровня его помехоустойчивости при динамических изменениях напряжения сети электропитания. 1. Анализ проблемы динамических изменений напряжения электропитания Колебания и отключения напряжения - неизбежны в системе электроснабжения. Отклонения напряжения от номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей, изменения мощности компенсирующих устройств, регулирования напряжения генераторами электростанций и на подстанциях энергосистем, изменения схемы и параметров электрических сетей. Колебания напряжения вызываются резким изменением нагрузки на рассматриваемом участке электрической сети, например, технологическими установками с быстропеременным режимом работы, сопровождающимися толчками активной и реактивной мощности. Прерывания обычно являются результатом неисправностей защитной системы на распределительной подстанции, полюсе трансформатора либо размыкающих реле в оборудовании.
Методом проб и ошибок были созданы так называемые кривые CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturer Association), ныне известные как кривые ITIC (Information Technology Industry Council), а ее варианты включены в стандарты IEEE 446 ANSI (рис. 2) [8]. В них интервал длительности события в части отклонения значения напряжения от номинала двумя сходящимися кривыми образует сегмент, в пределах которого при соответствующих отклонениях от номинального напряжения в течение определенного интервала времени СВТ должно функционировать непрерывно и без потери данных. Применительно к провалам напряжения интерес представляет нижняя кривая. Эта линия и является границей между допустимыми и недопустимыми провалами напряжения по величине и длительности с точки зрения помехоустойчивости СВТ.
% номинального
напряжения ▲
200
100
t
-►
1 мкс 10 мкс 100 мс 1 с 10 с 100 с Рис. 2. Кривые ITIC (Information Technology Industry Council)
При этом исследования, которые проводились некоторыми авторами [8], дают основание заключить, что провалы напряжения, как правило, имеют большие интервалы длительности и выходят за пределы упомянутых кривых. На рис. 3 показана вероятная длительность и величина провала типичной распределительной сети. На том же рисунке для сравнения нанесены кривые ITIC. Из схемы явно видно, что современному СВТ следовало бы быть в 100 раз качественнее, чем предполагается кривыми ITIC. А до тех пор было бы правильно полагать, что такого действительно устойчивого к провалам напряжения СВТ пока не производится.
% номинального напряжения
J
100
50
0
Характеристика
провала
напряжения
-Кривая 1Т1С
-Требуемые допу
г
1 мкс 10 мкс 100 мс 1 с 10 с 100 с Рис. 3. Типичная характеристика провала и кривая 1Т1С
2. Методика и оборудование для исследований помехоустойчивости СВТ при динамических изменениях напряжения сети электропитания
Экспериментальные исследования помехоустойчивости СВТ при динамическом изменении напряжения сети электропитания, в рамках данной работы, проводятся в соответствии с ГОСТ 51317.4.11 - 2007 и ГОСТ Р 50009-2000. Настоящие стандарты устанавливают методы и рекомендуемые уровни испытательных напряжений при испытаниях электронных и радиоэлектронных изделий (в том числе в составе охранной сигнализации), подключаемых к низковольтным (напряжением не выше 1000В) электрическим сетям переменного тока, на устойчивость воздействия провалов, кратковременных прерываний и изменений напряжения электропитания (табл. 1, табл. 2) [2]. В качестве основы для определения уровней испытательных напряжений используется номинальное напряжение электропитания ин.
Таблица 1
Уровни испытательных напряжений и длительности провалов напряжения
Классы Уровни испытательных напряжений и длительности провалов напряжения
1 Устанавливают в каждом конкретном случае в соответствии с техническими документами на СВТ
2 0% ин 0,5 периода 0% ин 1 период 70% ин в течении 25 периодов
3 0% ин 0,5 периода 0% ин 1 период 40% ин 10 периодов 70% ин 25 периодов 80% ин 250 периодов
Х х х х х X
Для класса «Х» уровни должны быть установлены техническими комитетами, разрабатывающими стандарты для технических средств конкретного вида.
Таблица 2
Уровни испытательных напряжений и длительности кратковременных прерываний напряжения
Классы Уровни испытательных напряжений и длительности кратковременных прерываний напряжения
1 Устанавливают в каждом конкретном случае в соответствии с техническими документами на СВТ
2 0% ин в течение 250 периодов
3 0% ин в течение 250 периодов
Х х
При этом для СВТ, подключаемых к общественным распределительным электрическим сетям низкого напряжения, уровни испытательных напряжений и длительности провалов и прерываний напряжения не должны быть менее установленных в настоящей таблице для класса 2. Результаты исследований классифицируются, исходя из прекращения выполнения функций или ухудшения качества функционирования СВТ, в сравнении с установленным уровнем функционирования, определенным изготовителем или заказчиком исследований или © Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
согласованным между изготовителем и пользователем СВТ. Стандарт ГОСТ 50009-2000 распространяется на СВТ, входящие в состав технических средств охранной сигнализации [3]. В данном документе установлены: стержень жесткости испытаний, длительность, период и количество прерываний напряжения питания СВТ (табл. 3, 4).
Таблица 3
Степень жесткости испытаний, длительность, период и количество прерываний напряжения
Степень жесткости Длительность, Период, сек Количество
полупериодов
1 2 10 10
2 4 10 20
3 6 10 50
4 8 10 100
Таблица 4
Длительность, период и количество длительных прерываний
_напряжения (для 1 - 4 степени жесткости)_
Прерывания Длительность, полупериодов Длительность паузы между прерываниями, полупериодов
Первое, второе 10 10
Третье 50 10
Основным оборудованием для проведения экспериментальных исследований помехоустойчивости СВТ при динамическом изменении напряжения сети электропитания является испытательный генератор ИГД 8.1м. Он предназначен для создания нормированных динамических изменений напряжения сети электропитания (прерываний, провалов и длительных прерываний) при проведении испытаний СВТ, питающихся от однофазной сети 220В и 50Гц. Кроме этого данный генератор позволяет работать в исследовательском режиме (режим «Установка»), при котором возникает возможность в широких пределах изменять параметры исследований. Например, можно установить длительность провалов и прерываний в пределах от 10 до 99000 мс с шагом 10 мс, период прерываний в пределах от 20 до 99980 мс с шагом 20 мс, фазовый сдвиг начала и конца прерывания относительно напряжения сети в пределах от 0 до 315° с шагом 45° и количество прерываний от 1 до 100.
Для проведения экспериментальных исследований помехоустойчивости СВТ при динамическом изменении напряжения сети электропитания создан экспериментальный стенд (рис. 4), в состав которого входят: генератор ИГД 8.1м; СВТ (персональный компьютер на базе процессора Intel; АТХ блок питания 200 Вт); источник бесперебойного питания (ИПБ, Ippon Back Office 400); стабилизатор напряжения (Power TCA-1200); сетевой фильтр (APC P5BV-RS); осциллограф (Tektronix TDS2022B).
Рис. 4. Стенд для экспериментальных исследований помехоустойчивости СВТ при динамическом изменении напряжения сети электропитания
3. Результаты исследований помехоустойчивости СВТ при динамических изменениях напряжения сети электропитания
В табл. 5 приведены результаты исследований помехоустойчивости СВТ по ГОСТ Р 51317.4.11-2007 на провалы напряжения. Количество повторов - 3. На рис. 5 изображена осциллограмма напряжения на выходе вторичного источника питания СВТ при провале напряжения сети электропитания.
Таблица 5
Результаты исследования СВТ на провалы напряжения _(фаза от 0 до 315° с шагом 45 °)_
Напряжение от номинала Критерий Критерий (с сетевым фильтром) Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИБП)
80% (5000 мс) А А А* А**
70% (500 мс) А А А* А**
40% (200 мс) В (рис. 5) В В* А**
*- срабатывает стабилизатор напряжения ** - срабатывает ИБП
Тек
) Acq Complete М Pos: 56.00ns
MEASURE
CI I Min 3.36V CI I Pi ait 5.36V CI I Freq
CH1 None
CH1 None
CHI 2.00V M 50.0ms CH1 448V
Рис. 5. Осциллограмма напряжения питания СВТ (номинальное напряжение 5,2В) при динамическом изменении напряжения
В табл. 6 приведены результаты исследований СВТ по ГОСТ Р 51317.4.11-2007 на прерывания. Количество повторов - 3. На рис. 6 показана осциллограмма напряжения на выходе вторичного источника питания СВТ при прерывании напряжения сети электропитания.
Таблица 6
Результаты измерений ПК по ГОСТ Р 51317.4.11-2007 на прерывания
Длительность прерывания Критерий Критерий (с сетевым фильтром) Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИПБ)
0% (10 мс) А* А А А**
0% (20 мс) А А А* А**
0% (5000 мс) В (рис. 6) В В* А**
В табл. 7 и 8 приведены результаты исследования СВТ по ГОСТ Р 50009-2000 на прерывания и длительные прерывания соответственно. На рис. 7 показана осциллограмма напряжения на выходе вторичного источника питания СВТ при длительном прерывании напряжения сети электропитания.
Рис. 6. Осциллограмма напряжения питания СВТ при прерывании напряжения
Таблица 7
Результаты исследования СВТ по ГОСТ Р 50009-2000 на прерывания_
Степень жесткости Критерий Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИПБ)
1 А А А**
2 А А* А**
3 А А* А**
4 А А* А**
Таблица 8
Результаты исследования СВТ по ГОСТ Р 50009-2000 на длительные
пре рывания (для 1-4 степени жесткости)
Прерывания Критерий Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИПБ)
Первое, второе В В* А**
Третье В В* А**
В табл. 9 приведены результаты исследования СВТ в режиме установок на прерывания. Данное исследование направлено на поиск наименьшего значения прерывания, которое приведет к снижению уровня качества функционирования СВТ. На рис. 8 показана осциллограмма напряжения на выходе вторичного источника питания СВТ при прерывании напряжения сети электропитания.
Acq Complete М Pos: 56.00rs
MEASURE
С№ 2.00У М100гп5 СН1 \ З.Э2У
Рис. 7. Осциллограмма напряжения питания СВТ при длительном прерывании
Таблица 9
Результаты исследования СВТ в режиме установок на прерывания
_(фаза от 0 до 315° с шагом 45 °)__
Длительность Критерий Критерий (с сетевым фильтром) Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИБП)
10 мс А А А А
50 мс А А А* А**
100 мс А А А* А**
110 мс В В В* А**
120 мс-10 с В (рис. 8) В В* А**
Тек JL
) Acq Complete М Pos: 56.00ns
NT
MEASURE CHI Min 4.00V CH1 Mas 5.36V
cm
Freq
CHI None
CHI None
CHI 2,00V M 50.0ms CH1 \ 488V
Рис. 8. Осциллограмма напряжения питания СВТ при прерывании напряжения
В табл. 10 приведены результаты исследования СВТ в режиме установок на провалы. Данное исследование направлено на поиск наименьшего значения длительности провала (при 80%, 70%, 40% от номинального напряжения), которое приведет к снижению уровня качества функционирования СВТ.
Таблица 10
Результат исследования СВТ в режиме установок на провалы
Напряже-ние от номинала Длительность Критерий Критерий (с сетевым фильтром) Критерий (со стабилизатором напряжения) Критерий (с ИПБ)
80% 10 мс А А А А
20 мс-10 с А А А* А**
70% 10 мс А А А А
20 мс-10 с А А А* А**
40% 10 мс А А А А
20-110 мс А А А* А**
120- 250 мс В* В В* (рис. 9) А**
Выводы
1. Рассмотренное СВТ (без дополнительного защитного оборудования), подключаемое к общественным распределительным электрическим сетям низкого напряжения, удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 1317.4.11-2007 (для класса 2). При снижении номинального напряжения до 80 и 70 % (при любых длительностях) снижения качества функционирования СВТ не наблюдается.
2. Рассмотренное СВТ (без дополнительного защитного оборудования) удовлетворяет требованиям ГОСТ 50009-2000 в части прерываний электропитания и не удовлетворяет требованиям в части длительных прерываний электропитания. Таким образом, для применения рассмотренного СВТ в составе охранной сигнализации необходимо применение, например, ИБП.
3. Исследовательский режим позволил установить, что наибольшее значение длительности прерываний и провалов (40% от номинального напряжения), которое не приводит к снижению качества функционирования СВТ, составляет около 110 мс. При длительностях более 120 мс наблюдается снижение напряжения на выходе вторичного источника питания СВТ до 4В и менее. При этом фаза прерываний или провалом не влияют на результат.
4. Внешние устройства защиты СВТ от помех по сети питания (сетевой фильтр, стабилизатор напряжения) не влияют на качество функционирования СВТ при рассмотренных динамических изменениях напряжения электропитания. При этом стабилизатор напряжения срабатывает при всех исследования на провалы. Время срабатывания стабилизатора напряжения при рассмотренных динамических изменениях напряжения находится в диапазоне 10-20 мс.
5. На сегодняшний день наиболее действенный способ борьбы с динамических изменениями напряжения электропитания является использование современных технических средств, таких как ИБП. Учитывая достаточно высокую стоимость ИБП при небольшой мощности, такими устройствами нужно снабжать наиболее критичных потребителей, которые получают и обрабатывают информацию в ходе важных технологических и информационных процессов. Применение ИБП позволяет повысить качество функционирования СВТ при рассмотренных динамических изменениях напряжения электропитания, а также дает возможность безаварийного останова СВТ при прекращении электроснабжения. Время срабатывания ИБП лежит в диапазоне 10 -20 мс.
6. При рассмотренных динамических изменениях напряжения электропитания потеря и искажение информации в постоянных запоминающих устройствах СВТ не наблюдаются.
Работа выполнена по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Summary
Dynamic changes in supply voltage (voltage dips, interruptions), are among the main concerns of consumers in terms of noise immunity and data security for computer equipments. The results of experimental studies of noise immunity and data security of computer equipments for dynamic changes in supply voltage is spent in the article.
Keywords: immunity, information security, computer equipment, dynamic changes in voltage.
Литература
1. Гизатуллин З.М., Гизатуллин Р.М. Анализ качество электроэнергии в однофазной сети электропитания 220 Вольт 50 Герц // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. №7-8. С. 63-71.
2. ГОСТ Р 51317.4.11-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания. М.: Стандартинформ, 2008. 24 с.
3. ГОСТ Р 50009-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства охранной сигнализации. М.: Стандартинформ, 2000. 24 с.
4. Интернет ресурс - http://www.problemaemc.narod.ru/pit_sbp.html_- сайт о решении проблем © Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
ЭМС.
5. Попов А.Н. Повышение качества электроэнергии в сетях промышленных предприятий за счет уменьшения несимметрии фазных напряжений// ЭФТЖ. 2011. Т. 6. С. 26-35.
6. Кириенко В. П. Улучшение качества электроэнергии с помощью трансформаторно тиристорного модуля с микропроцессорной системой управления при резкоперменном характере энергопотребления в цеховой сети / В. П. Кириенко, А. Б. Лоскутов, С. А. Ваганов // Промышленная энергетика. 2007. №5. С. 42-46.
7. Гизатуллин Р.М. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости вычислительной техники внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. №5-6. С. 46-54.
8. Интернет ресурс www.abok.ru - официальный сайт НП «АВОК» (Д. Чэпмэн Провалы напряжения: введение // Энергосбережение, 2005, №4.)
9. Паспорт испытательного генератора динамических изменений напряжения питающей сети ИГД 8.1м, 2011. 12 с.
Поступила в редакцию 08 октября 2012 г
Гизатуллин Зиннур Марселевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (843) 2310081; 8 (903) 0617176. E-mail: gzm_zinnur@mail.ru.
Гизатуллин Рифнур Марселевич - аспирант кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (843) 2310081. E-mail: grm444@mail.ru.
Шарафутдинов Ильгам Исмагилович - аспирант кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (843) 2310081. E-mail: gzm_zinnur@mail.ru.
Зиатдинов Ильназ Нуретдинович - аспирант кафедры «Информационные технологии проектирования электронно-вычислительных средств» Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева - КАИ. Тел.: 8 (843) 2310081. E-mail: zia_ilnaz@yandex.ru.
