Включение резервного оборудования замещением. Холодное и горячее резервирование
Напишите отзыв о статье "Горячий резерв"
Отрывок, характеризующий Горячий резерв
Петя стал закрывать глаза и покачиваться.Капли капали. Шел тихий говор. Лошади заржали и подрались. Храпел кто то.
– Ожиг, жиг, ожиг, жиг… – свистела натачиваемая сабля. И вдруг Петя услыхал стройный хор музыки, игравшей какой то неизвестный, торжественно сладкий гимн. Петя был музыкален, так же как Наташа, и больше Николая, но он никогда не учился музыке, не думал о музыке, и потому мотивы, неожиданно приходившие ему в голову, были для него особенно новы и привлекательны. Музыка играла все слышнее и слышнее. Напев разрастался, переходил из одного инструмента в другой. Происходило то, что называется фугой, хотя Петя не имел ни малейшего понятия о том, что такое фуга. Каждый инструмент, то похожий на скрипку, то на трубы – но лучше и чище, чем скрипки и трубы, – каждый инструмент играл свое и, не доиграв еще мотива, сливался с другим, начинавшим почти то же, и с третьим, и с четвертым, и все они сливались в одно и опять разбегались, и опять сливались то в торжественно церковное, то в ярко блестящее и победное.
«Ах, да, ведь это я во сне, – качнувшись наперед, сказал себе Петя. – Это у меня в ушах. А может быть, это моя музыка. Ну, опять. Валяй моя музыка! Ну!..»
Он закрыл глаза. И с разных сторон, как будто издалека, затрепетали звуки, стали слаживаться, разбегаться, сливаться, и опять все соединилось в тот же сладкий и торжественный гимн. «Ах, это прелесть что такое! Сколько хочу и как хочу», – сказал себе Петя. Он попробовал руководить этим огромным хором инструментов.
«Ну, тише, тише, замирайте теперь. – И звуки слушались его. – Ну, теперь полнее, веселее. Еще, еще радостнее. – И из неизвестной глубины поднимались усиливающиеся, торжественные звуки. – Ну, голоса, приставайте!» – приказал Петя. И сначала издалека послышались голоса мужские, потом женские. Голоса росли, росли в равномерном торжественном усилии. Пете страшно и радостно было внимать их необычайной красоте.
С торжественным победным маршем сливалась песня, и капли капали, и вжиг, жиг, жиг… свистела сабля, и опять подрались и заржали лошади, не нарушая хора, а входя в него.
Петя не знал, как долго это продолжалось: он наслаждался, все время удивлялся своему наслаждению и жалел, что некому сообщить его. Его разбудил ласковый голос Лихачева.
– Готово, ваше благородие, надвое хранцуза распластаете.
Петя очнулся.
– Уж светает, право, светает! – вскрикнул он.
Невидные прежде лошади стали видны до хвостов, и сквозь оголенные ветки виднелся водянистый свет. Петя встряхнулся, вскочил, достал из кармана целковый и дал Лихачеву, махнув, попробовал шашку и положил ее в ножны. Казаки отвязывали лошадей и подтягивали подпруги.
– Вот и командир, – сказал Лихачев. Из караулки вышел Денисов и, окликнув Петю, приказал собираться.
Быстро в полутьме разобрали лошадей, подтянули подпруги и разобрались по командам. Денисов стоял у караулки, отдавая последние приказания. Пехота партии, шлепая сотней ног, прошла вперед по дороге и быстро скрылась между деревьев в предрассветном тумане. Эсаул что то приказывал казакам. Петя держал свою лошадь в поводу, с нетерпением ожидая приказания садиться. Обмытое холодной водой, лицо его, в особенности глаза горели огнем, озноб пробегал по спине, и во всем теле что то быстро и равномерно дрожало.
До сих по мы рассматривали только случай, когда надежность каждого дублирующего элемента не зависит от того, когда включился в работу этот элемент. Этот случай, который мы условно назвали «горячим резервированием», самый простой из всех возможных. Гораздо сложнее случай, когда резервный элемент до своего включения в работу вообще не может отказывать («холодное» резервирование) или может отказывать, но с другой, меньшей плотностью вероятности, чем после включения («облегченное» резервирование).
При рассмотрении задач, связанных с холодным или облегченным резервированием, нам недостаточно будет вводить надежности системы и элементов для одного, заранее фиксированного, значения времени т; необходимо будет проанализировать весь случайный процесс функционирования системы.
Рассмотрим несколько задач, относящихся к холодному и облегченному резервированию.
Задача 1. Общий случай расчета надежности резервированной системы («облегченный» или «холодный» резерв). Система (блок) состоит из «параллельно» включенных элементов (основного и резервного). Интенсивность потока отказов первого элемента при отказе первого элемента происходит автоматическое и безотказное переключение на резервный Интенсивность потока отказов резервного элемента до его включения в работу (элемент работает в «облегченном» режиме).
После его включения в работу, в момент отказа первого элемента, интенсивность мгновенно подскакивает (рис. 7.30) и становится равной интенсивности которую естественно предполагать зависящей не только от текущего времени но и от того срока в течение которого элемент работал в облегченном режиме:
Требуется найти надежность системы
Рассмотрим совокупность двух случайных величин:
Момент отказа основного элемента,
Момент отказа резервного элемента.
Событие А - безотказная работа системы до момента t - состоит в том, что хотя бы одна из величин примет значение, большее, чем t (хотя бы один элемент будет работать к моменту ). Вероятность противоположного события - отказа системы до момента t - будет
Найдем совместную плотность распределения случайных величин обозначая ее Случайные величины зависимы, и
где - безусловная плотность распределения величины - условная плотность распределения величины (при условии, что величина приняла значение ).
Найдем обе плотности. По формуле (3.4) § 3
где - надежность элемента в силу формулы (3.6) равная
Найдем условную плотность Условная интенсивность отказов резервного элемента при условии, что будет:
При этой интенсивности найдем условную плотность распределения времени безотказной работы резервного элемента:
Таким образом, совместная плотность распределения системы случайных величин найдена:
Зная эту совместную плотность, можно найти вероятность отказа системы до момента
откуда искомая надежность системы:
При вычислении по формулам (6.5) - (6.6) необходимо иметь в виду, что выражение функции неодинаково по одну и другую сторону от прямой - биссектрисы первого координатного угла (рис. 7.31). Области интегрирования на рис. 7.31 отмечены разной штриховкой. В области I функция выражается первой из формул (6.5), в области II - второй; следовательно,
(6.7)
При заданном конкретном виде функций интеграл (6.7) может быть вычислен, в простейших случаях аналитически, чаще - численно.
Заметим, что найденное нами решение задачи оценки надежности для случая «облегченного» резерва относится и к случаю «холодного» резерва - при этом так что в формуле (6.7) остается только один интеграл - второй, да и тот тоже упростится.
Мы видим, что в случае даже одного резервного элемента, работающего в облегченном (или холодном) резерве задача оценки надежности системы довольно сложна. Если же число резервных элементов более одного, задача еще больше усложняется.
Однако задача может быть сильно упрощена, если предположить, что потоки неисправностей, действующие на все элементы (основной и резервные), представляют собой простейшие потоки, интенсивность каждого из которых постоянна (это допущение равносильно тому, что закон надежности каждого элемента - экспоненциальный, а включение элемента в работу меняет только параметр этого закона). При таком допущении надежность системы S может быть найдена путем решения дифференциальных уравнений для вероятностей ее состояний.
Задача 2. Система с холодным резервом и простейшими потоками отказов. Резервированная система (блок) 5 состоит из основного элемента Э, и двух резервных: При отказе элемента Э] в работу включается при отказе (рис. 7.32).
До включения каждый из резервных элементов находится «холодном» резерве и отказать не может. Интенсивность потока отказов основного элемента интенсивность потока отказов каждого из резервных элементов, когда они работают, одинакова и равна Все потоки отказов простейшие. Требуется определить надежность системы
Представим процесс, протекающий в системе S, как марковский случайный процесс (см. гл. 4) с непрерывным временем и с дискретными состояниями:
Работает основной элемент
Работает резервный элемент
Не работает ни один элемент.
Граф состояний системы показан на рис. 7.33. Так как восстановления элементов не происходит, все стрелки на графе ведут в одну сторону.
Система уравнений Колмогорова для вероятностей состояний будет:
К ним надо прибавить нормировочное условие:
Из первого уравнения выражаем как функцию
(начальное условие, при котором мы проинтегрировали это уравнение, ) . Подставляя (6.10) во второе уравнение, получим:
Проинтегрируем это уравнение с начальным условием получим:
Эту функцию подставим в третье уравнение (6.8); получим:
Уравнение (6.13) нужно проинтегрировать тоже при начальном условии получим:
Для нахождения функции не нужно интегрировать последнее уравнение (6.8) - ее можно найти из условия (6.9):
Задача 3. Система с облегченным резервом и простейшими потоками отказов. Резервированная система (блок) S состоит из основного элемента и трех резервных: (рис. 7.34). Основной элемент подвергается ростейшему потоку отказов с интенсивностью каждый из резервных до своего включения подвергается потоку отказов с интенсивностью после включения резервного элемента эта интенсивность мгновенно подскакивает до значения При отказе основного элемента Э, включается в работу резервный при отказе и т. д.
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.
При вариантах «холодного» резервирования резервное оборудование находится в выключенном состоянии и включается только при подключении резерва в работу. До включения резервного оборудования его ресурс не расходуется, и «холодное» резервирование дает самую большую ВБР.
Недостаток холодного резервирования – включение резервной аппаратуры проходит за некоторое время, в течение которого система не управляется или неработоспособна. На этом интервале ввода в строй «холодной» резервной аппаратуры источники питания выходят на режим, аппаратура тестируется, прогревается. В нее загружается необходимая информация.
В случае «горячего» резервирования все резервные элементы включены и готовы сразу после команды включиться в работу. Это может обеспечить меньшее время переключения на резерв. Однако ресурс включенной резервной «горячей» аппаратуры расходуется и достижимая ВБР в этом методе меньше, чем в случае «холодного» резервирования. Время переключения на резерв – важный параметр, и допустимые его значения определяются конкретной прикладной задачей.
Для системы дублированной замещением с холодным резервом ВБР равна:
Данное приближение справедливо для ВБР . Для системы троированной замещением с холодным резервом ВБР равна:
Для системы дублированной замещением с горячим резервом ВБР равна:
Для системы троированной замещением с горячим резервом ВБР равна:
На графике приведены изменения Р(t) для трех случаев:
1) нерезервированная система
2) система дублированная с холодным резервом
3) система дублированная с горячим резервом
Изменение ВБР представлены в относительном времени . Это удобно, так как графики справедливы для любого . Здесь – интенсивность отказов системы
Для последовательной надежностной схемы.
Интенсивность отказа элементов, составляющих систему.
Иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на .
Эта отметка установлена 20 марта 2014 года
.
Горячий резерв (англ. Hot Spare ), иногда жаргонно хотспара - технология резервирования электронного оборудования, в которой резерв подключен к системе и подменяет вышедший из строя компонент в автоматическом режиме, или, хотя бы, без прерывания работы системы. Чаще всего применяется в системах автоматизации технологических процессов (контроллеры, модули ввода-вывода, системы электропитания) и в IT-сфере (жёсткие диски, оперативная память компьютеров). В контексте некоторых систем может называться просто "spare" (подразумевая, что устройства с холодной заменой просто в системе не видны и особого термина не требуют).
Горячий резерв для систем хранения данных
Чаще всего диски горячей замены используются в сочетании с RAID -массивами. В этом случае выделяют несколько видов hotspare дисков:
- локальные (англ. local , англ. array-owned ) - диск принадлежит к конкретному массиву и используется для подмены вышедшего из строя диска только в заданном массиве, если в системе несколько массивов и диск выходит из строя в соседнем массиве, то локальный для другого массива диск не используется для подмены.
- глобальные, общие (англ. global , англ. shared ) - диск не принадлежит ни к одному массиву и может быть использован для подмены вышедшего из строя диска в любом из массивов. В сочетании глобальных и локальных хотспар бывает два алгоритма использования: либо сначала локальные, а потом глобальные, либо сначала глобальные, а потом локальные. Второй вариант позволяет формировать массивы с чуть большей надёжностью у выбранных массивов, первый - у всех.
- групповые (англ. group ) - в этом случае некоторые массивы объединяются в группу, в пределах которой может использоваться резервный диск. Массивы не в группе этот диск не получают (такой вариант, например, использует linux-raid).
Индикация
Некоторые системы и raid-контроллеры могут использовать специфическое обозначение светодиодом (либо особым видом мигания светодиода) для указания на хотспару.
Контроль состояния горячего резерва
Многие системы осуществляют периодическую проверку состояния hostspare-дисков (с помощью чтения или записи) - это позволяет убедиться, что диск для подмены находится в нормальном состоянии, и защитить от ситуации, когда диск, добавляемый в массив вместо вышедшего из строя, сам оказывается сбойным.
Аварийное перестроение массива
Часто жёсткие диски выходят из строя не полностью, а частично (в пределах нескольких секторов). Некоторые системы способны выполнять предварительное копирование данных с частично пострадавшего массива на резервный диск до того момента, когда извлекается пострадавший диск. Сбойные места перестраиваются согласно алгоритмам RAID, нормальные просто копируются с полусбойного диска. Это минимизирует время, когда массив находится в degraded состоянии и снижает нагрузку (так как не нужно пересчитывать контрольные суммы для всего массива).
