Provozní spolehlivost energocenter

Garantovaná dostupnost napětí pro zátěž je dnes ve všech nabízených řešeních energocenter velmi vysoká a problematicky ověřitelná v praxi. Dosud totiž nikdo nepředložil hodnověrnou spolehlivostní analýzu energocentra s identifikací kritických míst spolehlivostního schematu, stanovení spolehlivosti těchto uzlů a výpočet celkové spolehlivosti.

Mezi odbornou elektrotechnickou veřejností také panuje řada nejasností a mýtů o spolehlivosti, jakožto jedné z disciplín teorie pravděpodobnosti a matematické statistiky. Často jsou zaměňovány pojmy, jako Spolehlivost, Bezporuchovost, Intenzita poruch, Opravitelnost, Střední doba mezi poruchami, Dostupnost, Pravděpodobnost poruchy a další. Tyto pojmy jsou často zkreslovány nejen pokud jde o obsah, ale většinou se zapomíná, že některé jsou konstanty, některé jsou funkcemi času a některé jsou sice funkcemi času, ale za určitých podmínek mohou nabývat konstatntních hodnot. Nejčastěji používané parametry jsou uvedeny v tabulce.

Při analytickém řešení provozní spolehlivosti je zapotřebí nejprve vytvořit spolehlivostní schéma, stanovit provozní spolehlivost jednotlivých prvků energocentra a poté vypočítat spolehlivostní parametry energocentra jako celku. Nejvhodnější je semianalytická metoda, která spočívá v sestavení zjednodušeného spolehlivostního schématu, ve kterém jsou umístěny prvky nejvíce ovlivňující spolehlivost, a u nichž lze na základě dat od výrobců nebo dlouhodobým sledováním zjistit spolehlivostní parametry. Takovými prvky jsou např. kontaktní součástky (stykače), startér, baterie, palivové čerpadlo, zdroj UPS atd. Dalším vstupem jsou spolehlivostní parametry sítě. Spolehlivost "zbytku" energocentra, která výsledek ovlivní minimálně, je pak odhadnuta.

Spolehlivostní analýza energocentra se provádí pomocí matematických modelů chování sítě, energocentra a zátěže v různých provozních podmínkách. Spolehlivost kritických prvků (dieselagregát, zdroj UPS) je vždy hodnocena ve dvou rovinách: je-li uvedený prvek pod zatížením nebo v režimu „klidu“. Právě v tomto bodě analýzy se projevuje nevýhoda VFI UPS zdrojů s dvojí konverzí: jsou pod výkonem v podstatě stále (mimo režim bypassu).

Při spolehlivostí analýze se používá metoda Markovovských procesů (pro systémy se dvěma stavy) a stavové přechodové matice.
Díky praktickým výsledkům těchto postupů je možné dnes garantovat provozní spolehlivost energocenter jako nabídkový parametr. Tato analýza však má kromě konkrétních výpočtů pro dané aplikace i nové závěry, které mají obecnou platnost.

Především se ukazuje problematická vypovídací schopnost parametru MTBF, který, pokud je udáván jako konstanta, vůbec neznamená, že v čase rovném MTBF je polovina sledovaných zařízení v poruše (jak si většina lidí myslí). Z pravděpodobnostní analýzy totiž vychází, že v čase t = MTBF je vadných prvků 63%! Tento parametr navíc nebere v úvahu proces opravy systému ani
vliv lidského faktoru. Životní cykly výrobků se stále zkracují a nejsou k dispozici data o provozu za delší dobu. Údaje MTBF od výrobců nelze ani prakticky ověřit. Střední doba do poruchy tedy nehraje žádnou roli pro určování kvality.

Právě z tohoto důvodu se již dříve ukázalo jako daleko výhodnější používat jako hodnotící kritérium dostupnost napětí pro zátěž, což je ustálená pravděpodobnost, že napájené zařízení je pod napětím. Na rozdíl od MTBF tento parametr nepovažuje ztrátu napětí na zátěži za neopravitelnou chybu, ale v tomto případě následuje oprava a návrat do funkčního stavu.

Parametr dostupnosti A je dán vztahem:

A = MTBF / ( MTBF + MTTR )

Kde:

• A je dostupnost
• MTBF je střední doba mezi poruchami (hod)
• MTTR je střední doba do opravy (hod)

Z uvedeného vztahu plyne, že dostupnost na hranici jistoty, tj. co nejvíce se blížící jedničce, lze dosáhnout za předpokladu co nejvyšší hodnoty MTBF a současně co nejnižší hodnoty MTTR.

Parametr dostupnosti A se stal předmětem spekulací v prezentačních materiálech různých firem, dosahoval až neskutečných hodnot a někdy připomínal slavnou scénu z Našich furiantů („ … a naše řešení má o jednu devítku víc, než konkurenční řešení!“). O skutečné spolehlivosti neříká však téměř nic. Použijme reálná čísla: u standardních trojfázových zdrojů UPS nelze technicky garantovat hodnoty MTBF vyšší, než 80 000 až 100 000 hodin. Naproti tomu hodnota MTTR je reálně dosažitelná minimálně 8-10 hodin, a to při excelentní logistice náhradních dílů a zkušeném servisním personálu. Pak dosáhneme hodnotu dostupnosti na úrovni 0,9999 („čtyři devítky“). Propagační materiály, které u single-systémů nabízejí lepší hodnoty, vypadají v kontextu konkrétního výpočtu velmi nevěrohodně.

Dostáváme se k dalšímu závěru, a sice stanovení nových veličin pro exaktní posuzování provozní spolehlivosti. Nová metodika pro vyhodnocování spolehlivosti je opřená o spolehlivostní funkci R(t), která jednoznačně uvádí garanci dodávky elektrické energie pro zákazníka v konkrétním časovém okamžiku t. Konkrétně se používají parametry R(14) a R(365).

Třetím obecným závěrem je, že spolehlivost dodávky elektrické energie pro zátěž není dána jen vlastnostmi energocentra. Součástí spolehlivostí analýzy, jsou také vstupní data o spolehlivosti distribuční sítě v dané lokalitě. Získat tyto přesné údaje o spolehlivosti dodávky elektrické energie je velmi obtížné a dodavatel energocentra musí vždy spolupracovat se zákazníkem. Ten má právo podle zákona 458/2000 (Energetický zákon) a vyhlášky 540/2005 (požadavky na kvalitu dodávek elektrické energie) tyto údaje požadovat od svého dodavatele elektrické energie.

Spolehlivost napájecí sítě je v tomto případě posuzována z hlediska dlouhodobých makrovýpadků, ale i z hlediska mikrovýpadků. Stejným způsobem je hodnocena i opravitelnost napájecí sítě, tj. rychlost reakce distributora na poruchu.

Výsledkem analýzy je výpočet parametrů MTBF, R(14), R(365) a dostupnosti napětí na výstupu energocentra A.

Moderní dieselagregáty, zdroje UPS a další komponenty energocenter vykazují vysokou provozní spolehlivost, ale toto zlepšování má své technické meze. Razantního zvýšení spolehlivosti (až o několik řádů) lze pak dosáhnout paralelním redundantním spojením zdrojů (redundance N+1). V tom případě připouštíme poruchu na jednom zařízení a rozhodující je rychlost, za jakou je uživatel či dodavatel schopen zařízení opravit.

Ing. Karel Kuchta

Více informací z oblasti naleznete zde ...