ВведениеРаспространение критических нагрузок в электротехнических комплексах, информационных технологиях, системах связи и медицинском оборудовании, а также проблемы, связанные с качеством сетевой электроэнергии, подтолкнули к разработке ИБП. Оценка надежности систем бесперебойного питания позволяет проектировщикам, производителям и конечному пользователю гарантировать, что ИБП сможет поддерживать критические нагрузки в течение определенного времени в непредвиденных обстоятельствах. Полученные параметры надежности можно использовать для сравнения конструкции, типов и конфигурации установленной системы ИБП. Кроме того, расчетные показатели надежности очень полезны при планировании технического обслуживания системы, чтобы избежать незапланированного технического обслуживания и оперативного ремонта.В статье определим несколько параметров, которые важны при оценке надежности системы ИБП [1, 2]: надежность (Р) – способность элемента выполнять требуемую функцию в указанных условиях в течение указанного периода времени;интенсивность отказов (λ) – среднее количество отказов системы в единицу времени;интенсивность восстановления (μ) – вероятность восстановления работоспособности в единицу времени;среднее времени между отказами (tср) – ожидаемое время работы между двумя отказами в восстанавливаемой системе;доступность (A) и недоступность (W) – способность элемента находиться в состоянии, позволяющем выполнять требуемую функцию при указанных условиях в данный момент времени.В качестве способа определения надежности резервированного электротехнического комплекса с ИБП выберем структурный метод на основе блок-схем, который показывает разделение системы и описывает, каким образом она должна работать [3]. В этом методе компоненты в системе представлены блоком, который находится в одном из двух возможных состояний: работоспособном или неисправном. Параметры надежности компонента (т.е. интенсивность отказов и восстановления) назначаются каждому блоку, а оценка надежности системы проводится в соответствии с полученной блок-схемой и условиями эксплуатации системы. Таблица 1Table 1Данные для расчета надежности и доступности компонентов системыData for calculating the reliability and availability of system components№ п.НаименованиекомпонентаГрафическое обозначение компонентаФормула для расчета  1Одиночный P=e-λt A=μλ+μ  2Последовательный λS=λ1+λ2 PS=e-λSt WS=W1e-μ1T+W2e-μ2T  3Параллельный λP=λ1·λ2λ1+λ2 PP=e-λPt WS=W1e-μ1T·W2e-μ2T   Для расчета параметров надежности исследуем следующие конфигурации резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП: стандартная N, изолированная Niz, параллельная N+1, избыточная параллельная 2(N+1).Уровень надежности каждой конфигурации оценивается с использованием параметров надежности компонентов, входящих в состав системы. Исследование конфигураций ИБП Стандартная система N: является наиболее распространенной конфигурацией в комплексе. В нормальном режиме работы нагрузка питается через ИБП. В случае отказа ИБП или во время технического обслуживания нагрузка подключается к блоку распределения питания (РП) через линию ручного байпаса (РБ), как показано на рис. 1, а. Во время работы байпаса нагрузка подключена параллельно ИБП, что оказывает негативное значение для высокочувствительных систем. Модель надежности на рис. 1, б показывает, что нагрузка будет питаться только от резервированной линий (через ИБП) или нерезервированной (линия РБ), что предполагает обеспечение меньшей избыточности системы и, таким образом, ограничивает защиту нагрузки.   а) б) Рис. 1. Конфигурация (а) и модель надежности (б) стандартной системы NFig. 1. Configuration (a) and reliability model (b) of the standard N system Изолированная система Niz: во время нормальной работы основной ИБП1 будет полностью поддерживать нагрузку, а изолированный или вторичный ИБП2 будет находиться в режиме ожидания, как показано на рис. 2, а. Когда ИБП1 выходит из строя или находится на обслуживании, система переключится на автоматический байпас (АБ), что позволит мгновенно подключить нагрузку к ИБП2.Два ИБП независимы друг от друга и не нуждаются в синхронизации между собой, что делает их более гибкими, позволяет иметь разную мощность, марку и модель. Вторичный ИБП2 должен быть в состоянии справиться с внезапным скачком нагрузки во время переключения (нагрузкой 0 % перед переключением). Модель надежности на рис. 2, б показывает, что эта конфигурация сильно зависит от работы АБ во время переключения питания, чтобы обеспечить бесперебойное питание нагрузки.   а) б) Рис. 2. Конфигурация (а) и модель надежности (б) изолированной системы NizFig. 2. Configuration (a) and reliability model (b) of an isolated Niz systemПараллельная система N+1: ИБП1 и ИБП2 равномерного распределяют нагрузку, при этом любой отдельный ИБП способен поддерживать нагрузку во время отказа или обслуживания другого ИБП (рис. 3, а). Такая схема имеет более низкую вероятность отказа системы по сравнению со схемой изолированного резервирования Niz, поскольку все ИБП находятся в режиме онлайн и поддерживают нагрузку в любое время и не будет внезапного скачка нагрузки во время переключения. Однако, поскольку все модули ИБП требуют синхронизации между собой, они должны иметь одинаковую конструкцию, мощность, марку и модель. На рис. 3, б показана модель надежности для параллельной конфигурации N+1.   а) б) Рис. 3. Конфигурация (а) и модель надежности (б) параллельной системы N+1Fig. 3. Configuration (a) and reliability model (b) of a parallel N+1 system Избыточная параллельная система 2(N+1): данная конфигурация является самой надежной и самой дорогой среди резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП. Она состоит из двух параллельных резервированных систем, которые соединены параллельно, как показано на рис. 4, а. Как показано в модели надежности (рис. 4, б), эта конфигурация обеспечивает полное резервирование, даже во время обслуживания.   а) б) Рис. 4. Конфигурация (а) и модель надежности (б) избыточной параллельной системы 2(N+1)Fig. 4. Configuration (a) and reliability model (b) of a redundant parallel system 2(N+1) Расчет и сравнение надежности резервированных конфигураций с ИБПДля проведения исследования и оценки надежности систем требуются интенсивность отказов и восстановления для каждого компонента в системе с ИБП. Эти оценочные значения получены из справочников по надежности [4, 5] и паспортов на оборудование, которые основаны на измеренных эксплуатационных данных. В табл. 2 представлены показатели надежности для компонентов системы, использованных в этом исследовании.Таблица 2Table 2Показатели надежности компонентов в резервированной системе с ИБПReliability indicators of components in a redundant system with UPS№ п.Наименование компонентаОбозначение компонентаИнтенсивность отказов, λ  (1час )Интенсивность восстановления, μ (1час )  1Ввод от сетиВвод 13,887х10-30,232 2Ввод от генератораВвод 21,027х10-40,256 3Автоматический ввод резерваАВР9,795х10-60,174 4Автоматический выключательАВ4,348х10-60,455 5Источник бесперебойного питанияИБП3,640х10-50,125 6Автоматический байпасАБ4,160х10-60,167 7Ручной байпасРБ4,160х10-60,167 8Блок распределения питанияРП7,078х10-70,064  Для оценки надежности с последующим репрезентативным анализом, с учетом данных и показателей надежности, представленных в табл. 1, 2, проведен расчет интенсивности отказов согласно следующих зависимостей:λin=(λВВОД1+λАВ)·(λВВОД2+λАВ)λВВОД1+2λАВ+λВВОД2+λАВР+λАВ ;                                    (1)λN.0=(λАВ+λИБП)·λРБλАВ+λИБП+λРБ ;                                                    (2)λNiz.1=(λАВ+λИБП)·(2λАВ+λИБП+λАБ)3λАВ+2λИБП+λАБ ;                                           (3)λNiz.2=(3λАВ+2λАБ)·(3λАВ+λАБ)6λАВ+3λАБ ;                                              (4)λNiz.0=(λNiz.1·λNiz.2λNiz.1+λNiz.2)·(λАВ+λРБ)(λNiz.1·λNiz.2λNiz.1+λNiz.2)+λАВ+λРБ ;                                             (5)λN+1.0=(λАВ+λИБП)·λРБλАВ+λИБП+2λРБ ;                                                  (6)λ2N+1.0=(λАВ+λИБП)2 ;                                                   (7)λout=λАВ+λРП ;                                                     (8)λN=λin+λN.0+λout ;                                                 (9)λNiz=λin+λNiz.0+λout ;                                             (10)λN+1=λin+λN+1.0+λout ;                                           (11)λ2(N+1)=λin+λ2N+1.0+λout2 ,                                            (12)где λin , λout  – интенсивность отказов вводной и выводной группы; λN , λNiz , λN+1 , λ2(N+1)  – интенсивность отказов четырех конфигураций резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП.Недоступность конфигураций анализируемых систем рассчитана согласно следующих зависимостей:Win=WВВОД1e-μВВОД1T+WАВe-μАВT·WВВОД2e-μВВОД2T+WАВe-μАВT+WАВРe-μАВРT+WАВe-μАВT ;     (13)WN.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT·WРБe-μРБT ;                                  (14)WNiz.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT·2WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT+WАБe-μАБT⦁3WАВe-μАВT+2WАБe-μАБT·3WАВe-μАВT+WАБe-μАБT·WАВe-μАВT+WРБe-μРБT ;                                                           (15)WN+1.0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT2·WРБe-μРБT ;                                (16)W2(N+1).0=WАВe-μАВT+WИБПe-μИБПT2 ;                                       (17)Wout=WАВe-μАВT+WРПe-μРПT ;                                                (18)WN=Win+WN.0+Wout ;                                                           (19)WNiz=Win+WNiz.0+Wout ;                                                        (20)WN+1=Win+WN+1.0+Wout ;                                                       (21)W2(N+1)=(Win+W2(N+1).0+Wout)2 ,                                                (22)где Win , Wout  – недоступность вводной и выводной группы; WN , WNiz , WN+1 , W2(N+1)  – недоступность четырех конфигураций резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП.Табл. 3 показывает результаты оценки надежности, полученные структурным методом на основе блок-схем, указывающие интенсивность отказов системы и среднее время между отказами для каждой изучаемой конфигурации системы с ИБП. Результаты также отражены на диаграмме рис. 5.Таблица 3Table 3Показатели надежности компонентов в резервированной системе с ИБПReliability indicators of components in a redundant system with UPS№ п.Наименованиерезервированной системыИнтенсивность отказов λ , 1час Среднее время между отказами tср , летДоступность A(t), %Недоступность, W(t), мин/год1Стандартная N1,155х10-40,99899,917354434,3872Изолированная Niz1,054х10-41,08399,921687411,6133Параллельная N+11,032х10-41,10699,927355381,8224Избыточная параллельная 2(N+1)3,630х10-53,14599,9999420,306   а) б) Рис. 5. Показатели надежности резервированных систем с ИБП: среднее время между отказами tср  (а) и недоступность W(t) (б)Fig. 5. Reliability indicators of redundant systems with UPS: mean time between failures tср  (a) and unavailability W(t) (b) Сравнение результатов исследования безотказной работы (см. рис. 5, а) показывает следующее:избыточная параллельная система 2(N+1) обеспечивает наивысшее значение tср  по сравнению со всеми другими конфигурациями;стандартная система N ожидаемо обеспечивает наименьшее значение среднего времени между отказами tср ;изолированная Niz и параллельная N+1 системы показали неожиданно низкий уровень надежности.Также очень важным показателем исследования надежности в данном исследовании является недоступность системы (в мин/год), как показано на рис. 5, б. Из графика можно сделать следующие выводы:избыточная параллельная система 2(N+1) обеспечивает наименьшее значение недоступности (т.е. наивысшую доступность) по сравнению со всеми другими конфигурациями;Стандартная N, изолированная Niz и параллельная N+1 системы показывают высокое значение недоступности (т.е. низкую доступность). Заключение Проведен сравнительный обзор конфигураций резервированных систем электротехнических комплексов с ИБП и проведен расчет показателей надежности структурным методом на основе блок-схем. Выбранный метод позволил оценить полезные параметры надежности систем с использованием ИБП, такие как интенсивность отказов, среднее время между отказами и доступность, что позволило провести сравнения по надежности всех выбранных конфигураций. Анализ интенсивности отказов компонентов ИБП в исследовании показал влияние на общее значение среднего времени между отказами всей системы.В результате исследования установлено, что избыточная параллельная система 2(N+1) обеспечивает наивысшее среднее время безотказной работы и доступность за счет полного резервирования и устранения отдельных точек отказа. При этом дорогостоящие изолированная Niz и параллельная N+1 системы резервирования не сильно отличаются от стандартной конфигурации N, которая обладает минимальными требованиями для обеспечения защиты нагрузки и обеспечивает самые низкие значения надежности.