Надежность технических средств автоматизированной системы диспетчерского управления электроснабжением

 

Бандурин Иван Иванович,

пспирант Псковского государственного политехнического института (ППИ).

 

Автоматизированные системы диспетчерского управления электроснабжением (АСДУЭ) обладают запасом живучести за счет избыточности структуры и возможности как автоматического, так и ручного управления. Однако при отказах группы элементов и критических внешних воздействиях не достигается требуемый уровень безопасности. Поэтому необходимо количественно оценить влияние внешних угроз на надежность АСДУЭ.  

Технические средства АСДУЭ можно отнести к сложным системам, так как они содержат большое количество различных элементов (компьютеры, линии связи, приемные устройства, контроллеры и т.д.). Согласно [1] для сложных систем возможно применение следующих основных методов анализа надежности:

1.                  анализ дерева неисправностей (дерева отказов),

2.                  марковский анализ,

3.                  анализ с помощью сетей Петри.

Логико-вероятностный метод расчета надежности с использованием дерева отказов является дедуктивным методом и применяется в тех случаях, когда число различных видов отказов системы невелико. Этот метод широко распространился при исследованиях надежности технологических систем АЭС [2]. При анализе надежности технических средств, может быть учтена многофункциональность современных АСУ [3].

Основная сложность при использовании 2 и 3 методов связана с высокой размерностью математической модели. В общей случае число возможных R состояний, в которых может находиться система равно:

,

где k – число групп с различными возможными состояниями элементов,

M_i – число возможных состояний элементов k группы,

N_i – число элементов в k группе.

Поэтому системы высоких порядков сложности, которые состоят из десятков элементов в общем случае трудно исследовать.

Изберем в качестве базового логико-вероятностный метод расчета. Чтобы получить выражение логической функции отказа (ФО) для событий отказов АСДУЭ, необходимо построить дерево отказов.

Для построения дерева отказов, перечисляют все возможные отказы системы и определяют, какие блоки, элементы или узлы могут привести к отказу заданного вида.  В ходе анализа строится дерево отказов.

Все состояния элементов АСДУЭ (отказ диспетчерского щита, отказ операционной системы и т.д.) будем обозначать буквой A_k, где k – присвоенный номер элемента системы. Логическую взаимосвязь между состояниями элементов АСДУЭ выражаем знаками конъюнкции и дизъюнкции.

Основой АСДУ является оперативно-информационный управляющий комплекс (ОИУК), включающий набор технических средств, предназначенных для сбора и передачи на диспетчерский пункт информации о состоянии основного оборудования системы, переработки, отображения и документирования информации (рис. 1).

ОИУК работает в реальном времени, с определенной цикличностью опрашивая датчики телесигнализации (ТС) и телеизмерений (ТИ) с помощью устройств распределительных пунктов (РП) телемеханики и передачи сигналов по линиям связи в приемные устройства (ПУ) телемеханики, установленные на диспетчерских пунктах.

Дерево отказов для технических средств АСДУЭ приведено на рис. 2. Передача телеинформации между энергообъектами и оперативно-информационным комплексом соответствующего диспетчерского центра, а также между оперативно-информационными комплексами смежных уровней управления должна быть обеспечена по двум взаиморезервируемым каналам [5]. Поэтому в дереве отказов рассматриваем только 2 канала связи. Отказ технических средств АСДУЭ происходит, при неисправности не менее 1/3 всех контроллеров ячеек, либо технических средств диспетчерского пункта, и системы телемеханики.

Было рассмотрено влияние различных типов угроз. Которым соответствует 3 общих причины. Каждой причине соответствует набор событий общего характера, приведенных в табл. 1.

 

Таблица 1.

Общие причины, сфера действия и события общего характера.

№	Общая причина	Сфера действия	События общего характера
1	Внешние природные воздействия	Все	А1, А2, А3, А4, А6
2	Физическая диверсия	Все	А3, А4, А6
3	Электронная диверсия	Диспетчерский пункт	А5, А11, А12

               

Рис. 1. Схема работы технических средств в автоматизированной системе

 диспетчерского управления электроснабжением. ДЩ – диспетчерский щит, ОИУК – оперативно-информационный управляющий комплекс, ПУ - приемное устройство. Сигналы: ТИ – телеизмерения, ТС – телесигнализации, ТУ – телеуправления.

 

 

Рис. 2. Дерево отказов технических средств автоматизированной системы диспетчерского управления электроснабжением.

 

Полученная логическая ФО будет:

Она включает в себя 10 минимальных сечения отказов (МСО). Определим d_i как все исходные события, происходящие в i-м МСО в момент t. Конечное событие  Y_отказа можно выразить через d_i в виде:

,                                                                                                     (1)

где Nc=10 общее число МСО.

Вычислим коэффициент простоя q_c(t) и коэффициент готовности системы К_г.с.(t). Коэффициент готовности системы К_г.с.(t) - вероятность того, что конечное событие не произойдет в момент времени t, т.е. вероятность успешного функционирования системы. Коэффициент простоя системы q_c(t)  - вероятность того, что конечное событие произойдет в момент времени t, т.е. вероятность отказа системы.

Для получения количественных оценок необходимо знать величины интенсивностей отказов l_i и интенсивностей восстановлений m_i элементов системы. Примем что l_i=const и m_i =const. Величины l_i и m_i определяем по статистическим и справочным  данных или экспертным методом. При использовании экспертного метода можно воспользоваться данными табл. 2 взятыми из [4].

 

Таблица 2.

Частоты возникновения различных видов отказов в год.

№	Отказ	Частота возникновения отказа в год (l)
1	Частый	> 1
2	Вероятный	1-10-2
3	Возможный	10-2-10-4
4	Редкий	10-4-10-6
5	Практически невероятный	< 10-6

 

Коэффициент простоя системы определяем [2], как

                             (2)

Проще найти коэффициент простоя, используя крайние оценки (нижний и верхний предел). Точность при  этом снижается.

Выражение (2) может быть преобразовано в следующее неравенство:

                                    (3)

Вероятность того, что событие A_i находятся в состоянии отказа в момент времени t:

                                                                       (4)

В случае n исходных событий A₁, … A_n вероятность того, что  A₁, … A_n находятся в состоянии отказа в момент времени t, при действии общей причины вычисляем по формуле [2]:

                                  (5)

где h – интенсивность отказов по общей причине (табл. 1).

Формулы (3) и (4) справедливы, как для восстанавливаемых элементов, так и для невосстанавливаемых элементов. Для невосстанавливаемых элементов в формулах (3) и (4)  интенсивность восстановлений m_i =0.

Если вычислен коэффициент простоя, то коэффициент готовности системы найдем по формуле:

 

 

Предложена новая методика для определения  коэффициента готовности и простоя АСДУЭ, учитывающая возникновение событий общего характера. Определение вероятности множественных отказов группы элементов при критических внешних воздействиях позволяет условно прогнозировать данные события и вводить своевременные профилактические мероприятия. Это способствует повышению надежности и безопасности проектируемых систем АСДУЭ.

 

Литература.

 

1. ГОСТ Р 51901.5-2005/ Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности

2. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике: Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. – С. 87-169.

3. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977. – С. 451 –454.

4. РД 03-418-01 Методические рекомендации по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности, охраны недр. Госгортехнадзор России, 2001. – С. 9 –10

5. Федеральный закон. Специальный технический регламент: «О безопасности технических систем диспетчерского управления энергосистемами». – С. 12.

 

Поступила в редакцию 10.09.2008 г.