可靠性冗余技术在建筑电气设计中的应用

陈少伟

（福建天正装修工程有限公司，福建 福州 351100）

0 引言

大型企业需要设计更加可靠的建筑电力自动化系统，能完成合理的电力调度与电力保障，保证企业的连续生产。 为此文章提出可靠性冗余技术在建筑电气设计中的应用， 探讨应用冗余技术后建筑电气设计的可靠性， 以提高建筑电气系统的安全性与可靠性。

1 建筑电气设中计可靠性冗余技术的应用

1.1 建筑电气设计的构成

建筑电气系统设计主要包括电脑控制、 变电所位置、电气照明设计及防雷与接地设计构成。

1.1.1 电脑控制

电脑控制主要是通过电脑软件自主监控建筑电气系统中的各个设备， 保证建筑电气系统中各设备出现运行异常或设备故障的情况时， 可被及时察觉并尽快修理、恢复。 电脑控制的使用可节约资源、降低建筑电气系统中人力资源的投入、增加经济效益，并且能提高整个建筑电气系统的安全性。

1.1.2 变电所位置

设计建筑电气系统结构时首先要确定变电所的位置，并将高压线深入负荷中心，以此降低现代建筑的电能消耗量、提高供电质量。 为方便建筑电气系统中设备和进出线的运送，在变电所位置确定前，要将进出线位置尽量靠近电源。

1.1.3 电气照明设计

电气照明设计需考虑调光、 照度设计与光源的选择，建筑装修设计与电气照明设计紧密相连，两者互相映衬，共同发挥作用，提升整个建筑的艺术氛围。若想获得更好的节能效果，可采用高光效点光源。

1.1.4 防雷和接地设计

防雷设计关系到建筑内电气设备的安全，因此成为设计建筑电气系统的重中之重。设计防雷与接地方案时会运用避雷针、消雷器等设备。 因为现代建筑多用钢筋混凝土剪力墙，采用安全性较高的连接楼板，因此进行现代建筑接地设计时，需要注意金属管道的连接工作。

1.2 建筑电气系统中冗余结构的设计

冗余技术是指建筑电气系统的功能出现问题时，可以自主监测与诊断系统的问题，并且通过相应措施保证建筑电气系统能维持其自身功能，确保建筑电气系统的正常工作。因此冗余技术主要包括监测故障与维修、恢复的功能。

电脑控制单元不断监测建筑电力系统的工作是否发生异常，如果一切正常，电脑控制单元即会继续询问建筑电力系统的工作进程及工作状态； 如果建筑电力系统出现异常， 电脑控制单元会通知启动其他机器上该进程的后备进程，避免出现更大障碍。

1.3 冗余可靠性指标与可靠性计算

1.3.1 冗余可靠性指标

一般运用可靠度、 故障率、MTTF （Mean Time To Failure 平均无故障时间）和MTBF（Mean Time Between Failures 平均故障间隔时间） 等指标判断建筑电气系统的可靠性。

可靠度的含义是在正常工作状态下，建筑电气系统、建筑电气设备以及内部零件能够完成其自身性能，未出现异常的概率，由Q（t）描述，Q（t）=P（X＞t），代表在规定时间t 内的函数，当规定时间越长，Q（t）的值越小。 可靠度性质见式（1）。

MTBF 代表建筑电气系统、建筑电气设备以及内部零件在边运行边恢复的过程中，两次邻近故障期间的平均工作时间。

MTTF 代表建筑电气系统、 建筑电气设备以及内部零件在不能修理时， 到出现异常时的平均工作时间，即出现故障问题的情况但未修理的平均寿命。

故障率指瞬时故障率， 代表建筑电气系统、建筑电气设备以及内部零件在单位时间内出现故障的概率，由λ（t）描述。 获取Q（t）的方法为：设N 个同样单元，在同样条件下，从t=0 开始逐个进行实验， 假设t 时没有出现故障问题的情况存在N0（t）个， 那么会存在NF=N-N0个单元无效， 当N→∞时，Q（t）≈N0（t）/N。

如果此单元正常使用期限是X， 则随机变量即为工作开始时间与第一次出现故障时间之间的间隔，将分布函数设为F（t），密度函数由f（t）描述，则Q

式中：d 代表故障次数；λ 代表单位时间内的故障率；n 代表自然数；e 代表指数函数的底数。 当Q （0）=1时，。

1.3.2 可靠性计算

冗余技术在建筑电力设计中包括数个同样单元，仅有一个单元维持日常工作，其他单元均作为备用。 一般依据该单元是否运行将备用单元分成冷、热后备。

如果第i 个单元的实效时间由xi描述，则冷后备分布函数F（t）是各单元分布函数Fi（t）的卷积；各单元的MTBF（i）之和由MTBF 表示，因此服从指数分布的计算公式见式（4）、（5）。

由式（4）、（5）可知，冷后备冗余更可靠，然而热冗余处于冷后备冗余和并联冗余之间， 热冗余通常定时传送数据至备用单元。 热后备冗余中n=2，当一个单元保持日常工作状态时，将故障率设为λ1，另一个冗余单元保持备用， 此时建筑电力设备的修复率为μ， 工作故障率即为λ2，λ1≠λ2， 则计算公式见式（6）、（7）。

2 实验分析

在实验过程中， 将建筑电力系统的故障率λ设为0.000 1/h， 分析建筑电力系统正常工作期间的安全度和可靠度。当建筑电力系统的c 为0.9 时，在不同的工作时间t 的情况下， 对安全度S 和可靠度Q 的影响如表1 所示。 而参数c 对于安全度S 和可靠度Q 的影响如表2 所示，此处建筑电力系统维修率μ 为0.9，其他条件不变。

表1 参数μ 对安全度S 和可靠度Q 的影响

表2 参数c 对于安全度S 和可靠度Q 的影响

依据表1 可见，当建筑电力系统的故障覆盖率c 不变时，采用该方法的建筑电力系统的安全度可靠度有所提升。 当λt≤0.693 时且修复率μ 以100倍速度上升时，采用该方法的建筑电力系统的安全度和可靠度增加速度较快。 当修复率μ 增加到特定值时，安全度可靠度保持不变。 此外当λt＞0.693且建筑电力系统处于正常工作时间之外时，建筑电力系统的安全度并不随着修复率的增加而提高，整体变化是不规律的。 但实验依然可以证明，采用该方法所设计的建筑电气系统能够通过故障过程中的修复功能，提高其安全度和可靠度。

根据表2 可见， 当建筑电力系统维修率μ 不变、故障覆盖率c 为0 时，采用该方法设计的建筑电力系统的安全度和可靠度相同。 当故障覆盖率c不为0 时，建筑电力系统的安全度总高于可靠度。并且在建筑电力系统正常工作时间内，安全度与可靠度会随着故障覆盖率的提高而增加。建筑电力系统的故障覆盖率非常影响该系统的安全度与可靠度。实验表明，尽管在故障较多的情况下，采用该方法设计的建筑电力系统仍能保持正常运行。

3 结语

采用该方法设计的建筑电力系统增加自主修复功能，通过冗余可靠性指标与可靠性计算，分析该方法的有效性，保证建筑电力系统在正常运行过程中，尽管出现故障或错误仍能正常工作。