可靠性冗余技術在建筑電氣設計中的應用

陳少偉

（福建天正裝修工程有限公司，福建 福州 351100）

0 引言

大型企業需要設計更加可靠的建筑電力自動化系統，能完成合理的電力調度與電力保障，保證企業的連續生產。 為此文章提出可靠性冗余技術在建筑電氣設計中的應用， 探討應用冗余技術后建筑電氣設計的可靠性， 以提高建筑電氣系統的安全性與可靠性。

1 建筑電氣設中計可靠性冗余技術的應用

1.1 建筑電氣設計的構成

建筑電氣系統設計主要包括電腦控制、 變電所位置、電氣照明設計及防雷與接地設計構成。

1.1.1 電腦控制

電腦控制主要是通過電腦軟件自主監控建筑電氣系統中的各個設備， 保證建筑電氣系統中各設備出現運行異?；蛟O備故障的情況時， 可被及時察覺并盡快修理、恢復。 電腦控制的使用可節約資源、降低建筑電氣系統中人力資源的投入、增加經濟效益，并且能提高整個建筑電氣系統的安全性。

1.1.2 變電所位置

設計建筑電氣系統結構時首先要確定變電所的位置，并將高壓線深入負荷中心，以此降低現代建筑的電能消耗量、提高供電質量。 為方便建筑電氣系統中設備和進出線的運送，在變電所位置確定前，要將進出線位置盡量靠近電源。

1.1.3 電氣照明設計

電氣照明設計需考慮調光、 照度設計與光源的選擇，建筑裝修設計與電氣照明設計緊密相連，兩者互相映襯，共同發揮作用，提升整個建筑的藝術氛圍。若想獲得更好的節能效果，可采用高光效點光源。

1.1.4 防雷和接地設計

防雷設計關系到建筑內電氣設備的安全，因此成為設計建筑電氣系統的重中之重。設計防雷與接地方案時會運用避雷針、消雷器等設備。 因為現代建筑多用鋼筋混凝土剪力墻，采用安全性較高的連接樓板，因此進行現代建筑接地設計時，需要注意金屬管道的連接工作。

1.2 建筑電氣系統中冗余結構的設計

冗余技術是指建筑電氣系統的功能出現問題時，可以自主監測與診斷系統的問題，并且通過相應措施保證建筑電氣系統能維持其自身功能，確保建筑電氣系統的正常工作。因此冗余技術主要包括監測故障與維修、恢復的功能。

電腦控制單元不斷監測建筑電力系統的工作是否發生異常，如果一切正常，電腦控制單元即會繼續詢問建筑電力系統的工作進程及工作狀態； 如果建筑電力系統出現異常， 電腦控制單元會通知啟動其他機器上該進程的后備進程，避免出現更大障礙。

1.3 冗余可靠性指標與可靠性計算

1.3.1 冗余可靠性指標

一般運用可靠度、 故障率、MTTF （Mean Time To Failure 平均無故障時間）和MTBF（Mean Time Between Failures 平均故障間隔時間） 等指標判斷建筑電氣系統的可靠性。

可靠度的含義是在正常工作狀態下，建筑電氣系統、建筑電氣設備以及內部零件能夠完成其自身性能，未出現異常的概率，由Q（t）描述，Q（t）=P（X＞t），代表在規定時間t 內的函數，當規定時間越長，Q（t）的值越小。 可靠度性質見式（1）。

MTBF 代表建筑電氣系統、建筑電氣設備以及內部零件在邊運行邊恢復的過程中，兩次鄰近故障期間的平均工作時間。

MTTF 代表建筑電氣系統、 建筑電氣設備以及內部零件在不能修理時， 到出現異常時的平均工作時間，即出現故障問題的情況但未修理的平均壽命。

故障率指瞬時故障率， 代表建筑電氣系統、建筑電氣設備以及內部零件在單位時間內出現故障的概率，由λ（t）描述。 獲取Q（t）的方法為：設N 個同樣單元，在同樣條件下，從t=0 開始逐個進行實驗， 假設t 時沒有出現故障問題的情況存在N0（t）個， 那么會存在NF=N-N0個單元無效， 當N→∞時，Q（t）≈N0（t）/N。

如果此單元正常使用期限是X， 則隨機變量即為工作開始時間與第一次出現故障時間之間的間隔，將分布函數設為F（t），密度函數由f（t）描述，則Q

式中：d 代表故障次數；λ 代表單位時間內的故障率；n 代表自然數；e 代表指數函數的底數。 當Q （0）=1時，。

1.3.2 可靠性計算

冗余技術在建筑電力設計中包括數個同樣單元，僅有一個單元維持日常工作，其他單元均作為備用。 一般依據該單元是否運行將備用單元分成冷、熱后備。

如果第i 個單元的實效時間由xi描述，則冷后備分布函數F（t）是各單元分布函數Fi（t）的卷積；各單元的MTBF（i）之和由MTBF 表示，因此服從指數分布的計算公式見式（4）、（5）。

由式（4）、（5）可知，冷后備冗余更可靠，然而熱冗余處于冷后備冗余和并聯冗余之間， 熱冗余通常定時傳送數據至備用單元。 熱后備冗余中n=2，當一個單元保持日常工作狀態時，將故障率設為λ1，另一個冗余單元保持備用， 此時建筑電力設備的修復率為μ， 工作故障率即為λ2，λ1≠λ2， 則計算公式見式（6）、（7）。

2 實驗分析

在實驗過程中， 將建筑電力系統的故障率λ設為0.000 1/h， 分析建筑電力系統正常工作期間的安全度和可靠度。當建筑電力系統的c 為0.9 時，在不同的工作時間t 的情況下， 對安全度S 和可靠度Q 的影響如表1 所示。 而參數c 對于安全度S 和可靠度Q 的影響如表2 所示，此處建筑電力系統維修率μ 為0.9，其他條件不變。

表1 參數μ 對安全度S 和可靠度Q 的影響

表2 參數c 對于安全度S 和可靠度Q 的影響

依據表1 可見，當建筑電力系統的故障覆蓋率c 不變時，采用該方法的建筑電力系統的安全度可靠度有所提升。 當λt≤0.693 時且修復率μ 以100倍速度上升時，采用該方法的建筑電力系統的安全度和可靠度增加速度較快。 當修復率μ 增加到特定值時，安全度可靠度保持不變。 此外當λt＞0.693且建筑電力系統處于正常工作時間之外時，建筑電力系統的安全度并不隨著修復率的增加而提高，整體變化是不規律的。 但實驗依然可以證明，采用該方法所設計的建筑電氣系統能夠通過故障過程中的修復功能，提高其安全度和可靠度。

根據表2 可見， 當建筑電力系統維修率μ 不變、故障覆蓋率c 為0 時，采用該方法設計的建筑電力系統的安全度和可靠度相同。 當故障覆蓋率c不為0 時，建筑電力系統的安全度總高于可靠度。并且在建筑電力系統正常工作時間內，安全度與可靠度會隨著故障覆蓋率的提高而增加。建筑電力系統的故障覆蓋率非常影響該系統的安全度與可靠度。實驗表明，盡管在故障較多的情況下，采用該方法設計的建筑電力系統仍能保持正常運行。

3 結語

采用該方法設計的建筑電力系統增加自主修復功能，通過冗余可靠性指標與可靠性計算，分析該方法的有效性，保證建筑電力系統在正常運行過程中，盡管出現故障或錯誤仍能正常工作。