КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Модели отказов невосстанавливаемых систем
МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ Последовательное соединение элементов. Простейшей системой в теории надежности является комплект элементов, при котором отказ одного вызывает отказ всей системы, но не изменяет надежность других элементов. Эту структуру называют системой с последовательным соединением элементов. ВБР в течение t при условии, что отказы независимы, определяется как: , где n – число элементов последовательно соединенной системы; Ai – событие безотказной работы; Pi (t) – вероятность безотказной работы i -ro элемента. ВБР можно выразить через интенсивность отказов элементов λ: . Так как поток отказов предполагается стационарным, . При экспоненциальном законе распределения, когда имеем: . Следовательно, надежность системы последовательно соединенных элементов подчиняется экспоненциальному закону. Вычисление других количественных характеристик безотказности последовательной системы производится по следующим формулам: · интенсивность отказов: ; (4.1) · средняя наработка до отказа: ; (4.2) · плотность времени безотказной работы: . Структурой из последовательно соединенных элементов можно моделировать надежность электрических цепей с последовательным соединением аппаратов, проводов, кабелей, ВЛ, а также схем, содержащих обмотки и контакты реле, резисторы, тиристоры, катушки индуктивности, электронные приборы. Пример. Рассмотрим схему питания однотрансформаторной подстанции 110 кВ (рис. 4.1). Одноименные элементы в схеме имеют одинаковые показатели надежности. Отказ системы происходит при отказе любого из элементов. Частоты отказов элементов приведены в табл. 4.1. Определить ожидаемую интенсивность отказов схемы и среднюю наработку на отказ. Рис. 4.1. Таблица 4.1.
Решение. В соответствии с моделью последовательного соединения элементов и формул (4.1) и (4.2) интенсивность погашений потребителя составит: . Средняя наработка на отказ: , или 8073 ч. Структурой из последовательно соединенных элементов можно моделировать надежность схем с параллельным соединением элементов (конденсаторных батарей, если они не имеют индивидуальных предохранителей; схем с разъединителями и выключателями, отходящими от сборных шин). Пример. Рассмотрим схему секции РУ-6 кВ, от которой питается 10 отходящих линий. Интенсивность отказов выключателей, сопровождающихся короткими замыканиями λ Q = 0,003 год-1; интенсивность отказов сборных шин с короткими замыканиями на одно присоединение λш = 0,001 год-1. Определить интенсивность погашений секции РУ. Решение. Частота погашений секции из-за коротких замыканий составляет . Следовательно, интенсивность погашений секции РУ-6 кВ определяется числом присоединений и надежностью выключателей. Параллельное соединение элементов. Параллельное соединение ЛЭП и других цепей, а также параллельная работа нескольких агрегатов (генераторов, насосов, компрессоров и т.д.) моделируется структурой с параллельным соединением элементов. В общем случае отказ параллельной структуры предполагает, что все n элементов находятся в состоянии простоя. Тогда в соответствии с теоремой умножения вероятностей вероятность отказа системы , а ВБР – . В большинстве практических случаев основные и резервные элементы одинаковы и вероятности их безотказной работы p (t)равны. Тогда . Среднее время безотказной работы определится как , где – кратность резервирования –отношение числа резервных элементов m к числу основных (рабочих) r. Из этого выражения видно, что с ростом кратности резервирования среднее время безотказной работы системы растет достаточно медленно. Резервирование в схемах электроснабжения промышленных предприятий может быть с дробной кратностью. Обобщенная структура такой системы с постоянно включенным резервом представлена на рис. 4.2. Рис. 4.2. Резервированная система с постоянно включенным резервом Элементы с номерами r (1,…,5) – основные, с номерами m (6,…,9)– резервные. Общее число элементов n = m + r. Параллельное соединение в смысле надежности имеет система из n единиц оборудования, если для нормальной работы необходимы r работоспособных и m = n – r элементов – резервные (рис. 4.2). Отказ наступает при условии отказа m + 1 элементов. Пока число резервных элементов превышает или равно числу отказавших, система не отказывает. Условие отказа системы с параллельным соединением элементов: . Отказ (n – r + 1) элементов вызывает отказ системы, если они произошли одновременно. Вероятность отказа системы определяется как вероятность совпадения отказов (n – r + 1) элементов за расчетный период t. Пусть Ai – событие, состоящее в отказе любых i (0 ≤ i ≤ m)элементов за время t. Тогда . Событие Ai произойдет, если откажут любые i элементов, а остальные n - i останутся работоспособными. Вероятность этого события выражается формулой Бернулли: . Тогда ВБР системы с дробным резервированием при условии, что все элементы имеют равную надежность, равна (4.3) Заметим, что условие взаимонезависимости отказов элементов выполняется в том случае, если при изменении числа находящихся в работе элементов не наблюдается их значительной перегрузки. Пример. Проанализируем надежность системы трех параллельных одноцепных ЛЭП 110 кВ с одинаковыми параметрами λ = 0,7 1/100 км ∙ год, длиной l = 50 км. Отказ системы наступает при отказе любых двух или трех ЛЭП. Имеет место система с дробной кратностью резервирования : одна резервная ЛЭП и две основных. Определить: а) ВБР системы; б) сравнить ее с ВБР нерезервированной системы; в) определить среднее время безотказной работы. Решение, а) В нашем случае m = 1, n = 3. Тогда по (4.3): Для постоянных интенсивностей отказов . Тогда , где . б) ВБР нерезервированной системы – . Для сравнения ПН резервированной и нерезервированной систем решим неравенство: , или . Отсюда следует, что P (t)> 0,5. в) В соответствии с экспоненциальным законом (гл. 2.4), вычислим среднее время безотказной работы системы с дробной кратностью резервирования ? что ниже, чем для нерезервированной системы . Таким образом, резервирование с дробной кратностью позволяет повысить надежность системы при условии, что ВБР нерезервированной системы P (t)> 0,5. В то же время, система с дробной кратностью резервирования имеет среднее время безотказной работы, составляющее 83% от времени безотказной работы нерезервированной системы. Виды резервирования. Резервированием называют способ повышения надежности объекта электроэнергетики введением избыточности (дополнительных средств и ресурсов сверх минимально необходимых) для выполнения им заданных функций. Существуют разные виды резервирования, среди которых отметим следующие. Структурное резервирование –резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта электроэнергетики. Временное резервирование – способ повышения надежности, при котором системе в процессе функционирования предоставляется возможность израсходовать некоторое время для восстановления технических характеристик. Информационное резервирование – резервирование, предусматривающее использование избыточной информации. В ЭЭС и СЭС наибольшее распространение получили методы структурного резервирования. Они различаются по масштабу, соотношению количества основных и резервных элементов, способу включения резерва, режиму работы резервных элементов и способам подключения резервной аппаратуры. Резервирование называют общим, если резервируется вся последовательная система (в целом); раздельным (поэлементным), если резервируются ее отдельные элементы; групповым, если резервируется группа элементов; скользящим, когда все основные элементы одинаковы, а резервные не закрепляются за определенными основными и могут заменить любой из них. Системы с общим структурным резервом относится к последовательно-параллельным, а с раздельным – к параллельно-последовательным соединениям. Поскольку резервирование можно осуществлять на разных иерархических уровнях СЭС и ЭЭС (отдельных элементов системы, блоков, входящих в систему, всей системы в целом), вводится понятие масштаба резервирования. Чем большая часть системы резервируется как единое целое, тем крупнее масштаб. При этом любое укрупнение резервирования уменьшает надежность системы. Совокупность основных и резервных элементов, замещающих друг друга при отказе одного из элементов, называют резервированной группой. При общем резервировании в системе имеется только одна резервированная группа, при раздельном - столько, сколько элементов в последовательной системе. По способу включения различают резервирование с постоянно включенным резервом и с включением замещением. При постоянно включенном резерве основные и резервные подсистемы функционируют одновременно. При включении замещением резервные подсистемы включаются только после отказа основных, находясь до этого в состоянии ненагруженного резерва (хранение); включенного, но не нагруженного (облегченный резерв); нагруженного, когда один или несколько резервных элементов находятся в режиме основного. При ненагруженном резерве интенсивность отказов резервной подсистемы λр во много раз меньше, чем основной λо.Поэтому часто принимают, что λр = 0. При нагруженном резерве резервная подсистема имеет такую же интенсивность отказов, как и основная: λр = λо. При облегченном – 0 < λр< λо. Вместо λр иногда задается коэффициент облегчения: , . Схемы резервирования с целой кратностью представлены на рис. 4.3,а и 4.3, б в зависимости от того, используется резервирование с постоянным включением резерва или с включением резерва замещением. Скользящему резервированию соответствует схема рис. 4.3, в. Рис. 4.3. Схемы структурного резервирования Замещение отказавшего основного элемента резервным можно проводить вручную, полуавтоматически и автоматически. В первом случае не требуется никакой аппаратуры переключения, но время переключений относительно велико. При автоматическом переключении используют системы АВР, уменьшающие время переключения до нескольких десятых долей секунды, но обладающих конечной надежностью. Скользящий резерв дает относительно большой выигрыш в надежности, но при этом следует иметь в виду, что при автоматической замене отказавшего устройства требуется большое количество соединений и переключателей, поскольку каждый резервный элемент должен быть соединен с каждым рабочим элементом. Это обстоятельство несколько обесценивает идею автоматического включения скользящего резерва. Примеры. 1. Неавтоматический ввод скользящего резерва возможен при наличии в СЭС промышленного предприятия одного передвижного резервного трансформатора 6-10/0,4 кВ, доставляемого на место аварии и подключаемого к сети взамен отказавшего. 2. На современных крупных подстанциях 500 кВ с трехфазными группами однофазных автотрансформаторов предусмотрен четвертый однофазный автотрансформатор, автоматически подключаемый при отказе одного из трансформаторов группы. Выигрышем надежности называется отношение количественной характеристики надежности резервированной системы к той же количественной характеристике нерезервированной системы или системы с другим видом резервирования. Выигрыш надежности в течение времени t по вероятности отказов, вероятности безотказной работы и по среднему времени безотказной работы определяется по формулам ; ; . Оценка надежности простейших резервированных систем. ВБР системы с резервированием определяется и надежностью автоматических переключателей, которые при постоянном резервировании отключают отказавший элемент, а при резервировании замещением еще и включают резервный. Если при отказе отключающей аппаратуры выводится из строя вся система, то ВБР системы с постоянным резервированием , где Pk – вероятность безотказной работы системы с кратностью резервирования k, P ос–вероятность отсутствия отказа срабатывания при отключении отказавшего элемента. При резервировании замещением вероятность отказа системы S определяется по формуле полной вероятности: (4.4) где A 1– успешное отключение поврежденного элемента; A 2–успешное включение резервного; – условная вероятность отказа системы при отсутствии отказов аппаратуры управления; – то же при отказе в отключении поврежденного элемента; – то же при отказе во включении резервного; – то же при совпадении отказов; P (A 1) – вероятность отсутствия отказа отключения; P (A 2) – безотказность включения; Q (A 1) – вероятность отказа отключения; Q (A 2) – вероятность отказа включения. Пример. Потребители питаются от двух независимых источников. Один источник включен постоянно, второй включается действием АВР (рис. 4.4, a). Рис. 4.4. Схема питания ВБР каждого источника в течение расчетного периода времени равна P (И1) = 0,9. Вероятность застать резервный источник в работоспособном состоянии в любой момент времени P (И1) = 0,99. Вероятность отказа в отключении поврежденного источника Q (A 1) = 0,05, а во включении резервного – Q (A 2) = 0,01. Требуется определить ВБР СЭС в течение расчетного времени с учетом использования резервного источника и считая, что вероятностью отказа резервного источника за время восстановления рабочего можно пренебречь. Решение. В соответствии с условиями запишем: безотказность в отключении поврежденного элемента: P (A 1) = 1 – Q (A 1) = 0,95; безотказность включения резервyого: P (A 2) = 1 – Q (A 2) = 0,99; условные вероятности отказов системы электроснабжения: ; ; . Вероятность отказа системы при отсутствии отказов аппаратуры определяется как: .По формуле (4.4): . Искомая ВБР: P с1 = 1 – Q с1 = 0,93956. В соответствии с (3.11): . Так как λ(τ) = const, то λ1 = 0,062 и Пример. Потребители могут быть подключены к двум различным секциям сборных шин (рис. 4.4, б). Вероятность отказа источников и их аварийного простоя, а также вероятности отказов аппаратуры − как и в предыдущем примере. Секционный выключатель осуществляет АВР секции, оставшейся без питания, за счет соседней секции и ее источника. Определить вероятность бесперебойного электроснабжения любого из потребителей этой системы. Решение. В соответствии с условиями работы схемы: вероятность отказа в отключении поврежденного источника: Q (A 1) = 2 · 0,05 = 0,1, так как отказать может И1, и И2. Безотказность отключения: P (A 1) = 1 − Q (A 1) = 0,95. Вероятность отказа включения резервного источника: Q (A 2) = 0,01. Безотказность включения резерва: P (A 2) = 1 − Q (A 2) = 0,99. Каждый потребитель может быть присоединен к любой секции с вероятностью 0,5. Условные вероятности нарушения электроснабжения полвины присоединенной мощности равны Q (S | Ā 1 A 2) = Q (S | A 1 Ā 2) – Q (S | Ā 1 Ā 2) = 0,5. При отсутствии отказов аппаратуры отказ системы происходит при наложении отказа одного из источников на аварийный простой другого: Q (S | A 1 A 2) = 2 ∙ (1 0,9) · (1 0,99) = 0,002. По (4.4): Q с = 0,002 ∙ 0,9 ∙ 0,99 + + 0,5 ∙ 0,1 ∙ 0,99 + 0,5 · 0,9 ∙ 0,01 + 0,5 ∙ 0,1 ∙ 0,01 = 0,05628. Искомая ВБР: P с = 1 − Q с = 0,94372. Величины λ и T ср вычисляются аналогично предыдущему примру: λ2 = 0,058 и Выигрыш надежности определяется показателями:
Отметим, что применение схемы с постоянным резервированием и АВР на секционном выключателе повышает бесперебойность электроснабжения. Кроме того, секционирование уменьшает вероятность полного Погашения всех потребителей. При его отсутствии отказ любого выключателя приводит погашению секции и вместе с ней всех потребителей, а при наличии секционирования - к погашению только половины из их числа. Учет зависимых элементов. Зависимость элементов электроэнергетики носит различный характер. В частности, изменение внешних условий (температуры, влажности, давления) приводит к тому, что надежность исследуемых элементов изменяется. Ухудшение внутренних свойств одних элементов, в том числе их отказ, приводит к ухудшению условий работы других элементов и влияет на их вероятностные характеристики. Из теории вероятностей [19] известно, что вероятность появления двух зависимых событий равна , где − коэффициент корреляции. Тогда для последовательной системы положительно коррелированных величин ВБР соответствует неравенству P (xi xj) ≥ P (xi) ∙ P (xj). Таким образом, истинная ВБР выше, чем ВБР, вычисленная в предположении о независимости элементов такой же системы. Среднее время безотказной работы последовательной системы для случая зависимых элементов также оказывается больше, чем для системы с независимыми элементами. Для параллельной системы с зависимыми элементами выше будет истинная вероятность отказа, а ВБР – ниже. Среднее время безотказной работы параллельной системы с зависимыми элементами ниже, чем среднее время безотказной работы такой же системы при условии, что ее элементы независимы. Система со сложной структурой. Системы с последовательно-параллельной структурой после соответствующих преобразований можно представить как совокупность схем только с последовательным или только с параллельным соединением элементов. Однако в ряде случаев структуру системы невозможно представить как чисто последовательную или чисто параллельную. Для таких систем отказ любого из элементов может привести к ухудшению надежности или отказу всей системы. Метод прямого перебора. Система, состоящая из п элементов, каждый из которых может находиться только в двух состояниях: работоспособности и отказа имеет N = 2n различных состояний. Это: H 0 − все п элементов работоспособны; Hi − отказал i -йэлемент, остальные работоспособны; Hij − отказали i -й и j -й элементы, остальные работоспособны; H1,2,..., n − отказали все элементы. Если определен критерий отказа системы, то все множество состояний можно разделить на два подмножества: подмножество состояний работоспособности { А }и подмножество состояний отказа { В }. Тогда, если для каждого состояния На вычислить вероятность его появления Ра,то вероятность состояния работоспособности системы в целом запишется как Если система состоит из взаимно независимых элементов, то вероятности соответствующих состояний вычисляются по формулам: где pi, qi − вероятности состояния работоспособности и неработоспособности i – го элемента системы; На практике решить задачу прямым перебором можно лишь в редких случаях, для относительно простых схем. Простейшей структурой такого вида является так называемая мостиковая схема, все элементы которой идентичны, а ВБР элемент равны pi, i = 1,2,3,4,5 (рис. 4.5). Ее работоспособные состояния представлены табл. 4.2. В этом случае ВБР определится как (4.5) Рис. 4.5. Мостиковая схема Таблица 4.2.
При достаточно высокой надежности элементов системы возможно использование упрощенной формулы (4.6) Метод разложения относительно особого элемента. Для той же мостиковой схемы (рис. 4.5) выберем в качестве особого элемент х 3. При х 3 = − 1 считается, что элемент х 3 абсолютно надежен. Тогда мостиковая схема превращается в структуру раздельного резервирования с параллельно-последовательным соединением элементов (рис. 4.6). Ее ВБР определяется как При х 3 = 0 элемент х 3 постоянно находится в состоянии отказа, а мостиковая схема имеет структуру общего резервирования с последовательно-параллельным соединением элементов (рис. 4.7). Ее ВБР определяется как По формуле полной вероятности При идентичных элементах: (4.7) Рис. 4.6. Представление мостиковой схемы параллельно-последовательным соединением для случая достоверно исправного диагонального элемента Рис. 4.7. Представление мостиковой схемы последовательно-параллельным соединением для случая достоверно отказавшего диагонального элемента Метод минимальных путей и минимальных сечений. Введем основные понятия метода. Минимальный путь – минимальный набор работоспособных элементов, исключение любого из которых (отказ) переводит систему из состояния работоспособности в состояние отказа. Минимальное сечение - минимальный набор отказавших элементов, восстановление любого из которых переводит систему из состояния отказа в работоспособное состояние. Верхняя оценка ВБР определяется как ВБР параллельного соединения минимальных путей. Верхняя оценка вероятности отказа системы определяется как вероятность отказа последовательного соединения минимальных сечений. Отсюда получаются двусторонние оценки вероятности безотказной работы (4.8) Найдем для мостиковой схемы рис. 4.5 минимальные пути Ai и соответствующие им вероятности Р (А), а затем минимальные сечения Вi и соответствующие им вероятности (табл. 4.3). Таблица минимальных путей, сечений и вероятностей для мостиковой схемы рис. 4.5. Таблица 4.3.
В соответствии с неравенствами (4.8) нижняя и верхняя оценки ВБР: При элементах с равной надежностью: (4.8) Приближенный метод преобразования треугольника в звезду и обратно. В качестве ПН используются вероятности отказов элементов. Зависимости между вероятностями отказов при преобразованиях определяются исходя из предположения, что характеристики надежности цепей, соединяющих одноименные точки в различных схемах, равны между собой (точки 1, 2, 3 рис. 4.8). Рис. 4.8. Преобразования треугольника в звезду и обратно Считая, что вероятности отказов малы и пренебрегая вероятностями совпадения отказов двух итрех элементов, приближенные выражения для пересчета вероятностей отказов элементов приобретают следующий вид: (4.10) Пример. В схеме рис. 4.5 все элементы идентичны и ВБР р (t)= е- λ t с параметром λ = 0,01 год-1. Найти ВБР этой схемы в течение 10 лет ее эксплуатации всеми рассмотренными выше методами. Решение. При t = 10 имеем: р = р (10) = е-0,01·10 = 0,9 и q = 1 − р = 0,1. 1) Методом перебора ВБР вычисляется с использованием (4.5): 2) То же по упрощенной формуле (4.6): P ≈ 1 − 2 q 2 = 1 − 2 · 0,12 = 0,98. 3) Методом разложения относительно особого элемента по (4.7) получим: 4) Методом минимальных путей и минимальных сечений по (4.9) находим верхнюю и нижнюю оценки ВБР: Заметим, что значения ВБР, полученные методом перебора и методом разложения относительно особого элемента лежат внутри интервала, полученного методом минимальных путей и минимальных сечений. 5) Преобразуем треугольник рис. 4.5 с элементами 1,2,3 в звезду с элементами 6,7,8. В результате преобразований схема приобретает вид, представленный на рис. 4.9. Рис. 4.9. результат преобразований мостиковой схемы рис. 4.5 Согласно (4.10) вероятности отказа и ВБР элементов этой звезды: q 6 = q 7 = q 8 = q 2 ≈ (1 − p)2 = (1 − 0,9)2 = 0,01; p 6 = p 7 = p 8 = 0,99. По формулам последовательно-параллельного соединения элементов, ВБР системы: P c = p 6[1 − (1 − p 7 p 4)(1 − p 8 p 4)] = 0,99[1 − (1 − 0,9·0,99)2] = 0,9782. Сравнение показывает, что ПН достаточно близки. Контрольные вопросы 1) Как определяется структура с последовательным соединением элементов? 2) Как определяется ВБР структуры с последовательным соединением элементов? 3) Как вычисляются основные показатели надежности структуры с последовательным соединением элементов? 4) Как определяется структура с параллельным соединением элементов? 5) Как определяется ВБР структуры с параллельным соединением элементов? 6) Что такое кратность резервирования, дробная кратность резервирования? 7) Как формулируется условие отказа резервированной системы? 8) Каковы основные виды резервирования? 9) Что такое структурное резервирование? 10) Что такое временное резервирование? 11) Что такое информационное резервирование? 12) Каково отличие между общим и раздельным резервированием? 13) Что такое скользящий резерв? 14) Чем отличаются постоянно включенный резерв от резервирования замещением? 15) Как определяется коэффициент облегчения нагруженного резерва? 16) Как оценивается выигрыш надежности от применения резервирования? 17) Почему необходим учет зависимых элементов? 18) Каковы методы оценки надежности систем со сложной структурой?
Дата добавления: 2015-04-30; Просмотров: 867; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |