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供电系统的可用性科学研究

摘要

在估算系统可用性时，可以使用各类工具建立适当的可用性模型。首先，设计人员应采用一种能够与其设计的系统完好匹配的方法，然后再根据故障和维修率数据建立一个模型。对于复杂系统，可以使用多种方法以获得最好的效果。建立可用性模型不但有助于确定哪一种设计最可靠，而且还有助于确定优化哪局部本钱，才能有效地提高系统的可用性。

关键词：供电系统、可用性

对可用靠性科学研究史的回忆

可靠性科学的历史是一段既漫长而又饶有兴趣的历程，因此在直接探究数学和可靠性理论之前，让我们先来看一看它的起源。截止到目前，可靠性作为一门学科，其研究工作已经历了数十载，走过了不同的阶段。最早的一些可靠性研究工作始于二十世纪三十年代工业时代的相依性研究，具体来说，最早的相依性研究从早期铁路开发的滚柱轴承分析开始。随着电的创造和广泛应用，相依性和可靠性分析转向电力系统，而变压器的并行布线和高压线路的互连方法使得电源分配更加可靠。

随着空中运输的开展，一个新的可靠性和相依性研究时代诞生了。最显而易见的结果就是这类系统需要最高级别的可靠性。在二十世纪三十年代晚期的欧洲，确立了最初的局部航空器风险目标，将事故率设为每小时0.00001个事故。

二十世纪四十年代，在可靠性分析方面实现了一些最重要的突破：德国火箭科学家VonBraun在V1导弹工程中创立了最早的预测可靠性模型。该工程开始时可靠性非常低。导弹的开发是基于“链的强度取决于最弱的一环”的概念，其策略是找到薄弱环节，然后加强这些环节。但是测试结果却显示故障出现在系统内的各个局部，甚至比拟强的环节有时候也会发生故障。这项策略的成功几率可想而知。

于是，科学家们又转向了另一个设想：事实上，可靠性不仅是最薄弱的环节、而是所有组件平均可靠性的函数。但是接下来的测试说明，这也不是最正确方案。接二连三的失败使科学家们将求助的目光投向了从事串联系统可靠性工作的数学家ErichPieruschka。后来，应用Pieruschka对串联系统的解答得出了有关产品可靠性的Lusser定律，具体表述如下：

Rs=R1xR2x….xRn

也就是说，一个串联系统的可靠性即是该系统所连接的子系统的可靠性。因此，系统的可靠性要远远低于其任何单个组件的可靠性。

质量、可靠性、相依性和可用性

对于系统分析中涉及的各种量度指标〔即质量，可靠性，相依性，可用性〕，经常会出现一些混淆。根据国际标准化组织〔ISO〕的定义，质量是“产品或效劳的特性和特征的汇总，它影响着该产品满足外在或潜在的需求的能力”。可靠性是质量的一个方面，它表示产品在预期有效的使用寿命内满足外在或潜在的需求的能力。相依性是一个范围很广的主题，它包括可靠性、可用性、可维护性等概念。可靠性、可用性和可维护性通常用统计概率来表示。

可靠性或R(t)：时刻t的可靠性就是假定组件在时间0时处于已修复状态的情况下，组件从时刻0到时刻t的间隔内不发生故障的概率。

可用性或A(t)：时刻t的可用性就是组件在时刻t正常运行的概率。

可维护性或M(t)：时刻t的可维护性就是假定组件在时刻0时发生故障的情况下，到时刻t时修复或完成维护的概率。

人们常常对可靠性与可用性之间的差异产生误解。乍一看，二者的定义似乎非常相似，但是两者根本性的差异在系统是可维修和不可维修时表达出来。

可靠性通常低于可用性，因为可靠性要求系统在[0,t]的整个时间段内须正常运行；而对于可用性，要求就没有那么高：系统可以发生故障，然后在时间段[0,t]内修复。修复以后，只有系统能够运行，它仍然计入系统的可用性。因此，可用性大于或等于可靠性〔PRA，Kumamoto281〕。

对于可修复系统A(t)≥R(t)

如果系统不可维修，那么在[0,t]时间段内无法完成维修。这样一来，可用性就等于不可维修系统的可靠性，如图1所示。

对于不可维修的系统A(t)=R(t)

图1：可维修和不可维修的系统

对于一个不可维修的系统，随着时间变成无限大，可用性渐近地趋向0。当系统可维修时，可用性将趋向于某个有限值，这个有限值是系统故障频率和修复速度的函数。在这两种情况下，我们都假定系统在时刻0运行正常。

系统可用性分析与数学模型

由于故障出现的随机性质，对可靠性的研究通常是用统计概率数学方法来进行的，对可靠性函数的描述方法有正态分布法、指数分布法、维泊尔分布法和对数正态分布法等，下面的分析有助于对可靠性和可用性根本概念的深入理解，有助于确定如何最优地使用数据中心设计的资源，获得最大的可用性。

状态空间方法

一般来说，最适合分析系统可用性的方法是所谓的状态空间方法。这种方法选取一个系统，将它拆分为