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(yè)需要設(shè)計(jì)更加可靠的建筑電力自動(dòng)化系統(tǒng)，能完成合理的電力調(diào)度與電力保障，保證企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)。 為此文章提出可靠性冗余技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用， 探討應(yīng)用冗余技術(shù)后建筑電氣設(shè)計(jì)的可靠性， 以提高建筑電氣系統(tǒng)的安全性與可靠性。

1 建筑電氣設(shè)中計(jì)可靠性冗余技術(shù)的應(yīng)用

1.1 建筑電氣設(shè)計(jì)的構(gòu)成

建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電腦控制、 變電所位置、電氣照明設(shè)計(jì)及防雷與接地設(shè)計(jì)構(gòu)成。

1.1.1 電腦控制

電腦控制主要是通過電腦軟件自主監(jiān)控建筑電氣系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備， 保證建筑電氣系統(tǒng)中各設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行異?；蛟O(shè)備故障的情況時(shí)， 可被及時(shí)察覺并盡快修理、恢復(fù)。 電腦控制的使用可節(jié)約資源、降低建筑電氣系統(tǒng)中人力資源的投入、增加經(jīng)濟(jì)效益，并且能提高整個(gè)建筑電氣系統(tǒng)的安全性。

1.1.2 變電所位置

設(shè)計(jì)建筑電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)首先要確定變電所的位置，并將高壓線深入負(fù)荷中心，以此降低現(xiàn)代建筑的電能消耗量、提高供電質(zhì)量。 為方便建筑電氣系統(tǒng)中設(shè)備和進(jìn)出線的運(yùn)送，在變電所位置確定前，要將進(jìn)出線位置盡量靠近電源。

1.1.3 電氣照明設(shè)計(jì)

電氣照明設(shè)計(jì)需考慮調(diào)光、 照度設(shè)計(jì)與光源的選擇，建筑裝修設(shè)計(jì)與電氣照明設(shè)計(jì)緊密相連，兩者互相映襯，共同發(fā)揮作用，提升整個(gè)建筑的藝術(shù)氛圍。若想獲得更好的節(jié)能效果，可采用高光效點(diǎn)光源。

1.1.4 防雷和接地設(shè)計(jì)

防雷設(shè)計(jì)關(guān)系到建筑內(nèi)電氣設(shè)備的安全，因此成為設(shè)計(jì)建筑電氣系統(tǒng)的重中之重。設(shè)計(jì)防雷與接地方案時(shí)會(huì)運(yùn)用避雷針、消雷器等設(shè)備。 因?yàn)楝F(xiàn)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(jìn)行現(xiàn)代建筑接地設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意金屬管道的連接工作。

1.2 建筑電氣系統(tǒng)中冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

冗余技術(shù)是指建筑電氣系統(tǒng)的功能出現(xiàn)問題時(shí)，可以自主監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的問題，并且通過相應(yīng)措施保證建筑電氣系統(tǒng)能維持其自身功能，確保建筑電氣系統(tǒng)的正常工作。因此冗余技術(shù)主要包括監(jiān)測(cè)故障與維修、恢復(fù)的功能。

電腦控制單元不斷監(jiān)測(cè)建筑電力系統(tǒng)的工作是否發(fā)生異常，如果一切正常，電腦控制單元即會(huì)繼續(xù)詢問建筑電力系統(tǒng)的工作進(jìn)程及工作狀態(tài)； 如果建筑電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常， 電腦控制單元會(huì)通知啟動(dòng)其他機(jī)器上該進(jìn)程的后備進(jìn)程，避免出現(xiàn)更大障礙。

1.3 冗余可靠性指標(biāo)與可靠性計(jì)算

1.3.1 冗余可靠性指標(biāo)

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

可靠度的含義是在正常工作狀態(tài)下，建筑電氣系統(tǒng)、建筑電氣設(shè)備以及內(nèi)部零件能夠完成其自身性能，未出現(xiàn)異常的概率，由Q（t）描述，Q（t）=P（X＞t），代表在規(guī)定時(shí)間t 內(nèi)的函數(shù)，當(dāng)規(guī)定時(shí)間越長，Q（t）的值越小。 可靠度性質(zhì)見式（1）。

MTBF 代表建筑電氣系統(tǒng)、建筑電氣設(shè)備以及內(nèi)部零件在邊運(yùn)行邊恢復(fù)的過程中，兩次鄰近故障期間的平均工作時(shí)間。

MTTF 代表建筑電氣系統(tǒng)、 建筑電氣設(shè)備以及內(nèi)部零件在不能修理時(shí)， 到出現(xiàn)異常時(shí)的平均工作時(shí)間，即出現(xiàn)故障問題的情況但未修理的平均壽命。

故障率指瞬時(shí)故障率， 代表建筑電氣系統(tǒng)、建筑電氣設(shè)備以及內(nèi)部零件在單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的概率，由λ（t）描述。 獲取Q（t）的方法為：設(shè)N 個(gè)同樣單元，在同樣條件下，從t=0 開始逐個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 假設(shè)t 時(shí)沒有出現(xiàn)故障問題的情況存在N0（t）個(gè)， 那么會(huì)存在NF=N-N0個(gè)單元無效， 當(dāng)N→∞時(shí)，Q（t）≈N0（t）/N。

如果此單元正常使用期限是X， 則隨機(jī)變量即為工作開始時(shí)間與第一次出現(xiàn)故障時(shí)間之間的間隔，將分布函數(shù)設(shè)為F（t），密度函數(shù)由f（t）描述，則Q

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

1.3.2 可靠性計(jì)算

冗余技術(shù)在建筑電力設(shè)計(jì)中包括數(shù)個(gè)同樣單元，僅有一個(gè)單元維持日常工作，其他單元均作為備用。 一般依據(jù)該單元是否運(yùn)行將備用單元分成冷、熱后備。

如果第i 個(gè)單元的實(shí)效時(shí)間由xi描述，則冷后備分布函數(shù)F（t）是各單元分布函數(shù)Fi（t）的卷積；各單元的MTBF（i）之和由MTBF 表示，因此服從指數(shù)分布的計(jì)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(lián)冗余之間， 熱冗余通常定時(shí)傳送數(shù)據(jù)至備用單元。 熱后備冗余中n=2，當(dāng)一個(gè)單元保持日常工作狀態(tài)時(shí)，將故障率設(shè)為λ1，另一個(gè)冗余單元保持備用， 此時(shí)建筑電力設(shè)備的修復(fù)率為μ， 工作故障率即為λ2，λ1≠λ2， 則計(jì)算公式見式（6）、（7）。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)過程中， 將建筑電力系統(tǒng)的故障率λ設(shè)為0.000 1/h， 分析建筑電力系統(tǒng)正常工作期間的安全度和可靠度。當(dāng)建筑電力系統(tǒng)的c 為0.9 時(shí)，在不同的工作時(shí)間t 的情況下， 對(duì)安全度S 和可靠度Q 的影響如表1 所示。 而參數(shù)c 對(duì)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(tǒng)維修率μ 為0.9，其他條件不變。

表1 參數(shù)μ 對(duì)安全度S 和可靠度Q 的影響

表2 參數(shù)c 對(duì)于安全度S 和可靠度Q 的影響

依據(jù)表1 可見，當(dāng)建筑電力系統(tǒng)的故障覆蓋率c 不變時(shí)，采用該方法的建筑電力系統(tǒng)的安全度可靠度有所提升。 當(dāng)λt≤0.693 時(shí)且修復(fù)率μ 以100倍速度上升時(shí)，采用該方法的建筑電力系統(tǒng)的安全度和可靠度增加速度較快。 當(dāng)修復(fù)率μ 增加到特定值時(shí)，安全度可靠度保持不變。 此外當(dāng)λt＞0.693且建筑電力系統(tǒng)處于正常工作時(shí)間之外時(shí)，建筑電力系統(tǒng)的安全度并不隨著修復(fù)率的增加而提高，整體變化是不規(guī)律的。 但實(shí)驗(yàn)依然可以證明，采用該方法所設(shè)計(jì)的建筑電氣系統(tǒng)能夠通過故障過程中的修復(fù)功能，提高其安全度和可靠度。

根據(jù)表2 可見， 當(dāng)建筑電力系統(tǒng)維修率μ 不變、故障覆蓋率c 為0 時(shí)，采用該方法設(shè)計(jì)的建筑電力系統(tǒng)的安全度和可靠度相同。 當(dāng)故障覆蓋率c不為0 時(shí)，建筑電力系統(tǒng)的安全度總高于可靠度。并且在建筑電力系統(tǒng)正常工作時(shí)間內(nèi)，安全度與可靠度會(huì)隨著故障覆蓋率的提高而增加。建筑電力系統(tǒng)的故障覆蓋率非常影響該系統(tǒng)的安全度與可靠度。實(shí)驗(yàn)表明，盡管在故障較多的情況下，采用該方法設(shè)計(jì)的建筑電力系統(tǒng)仍能保持正常運(yùn)行。

3 結(jié)語

采用該方法設(shè)計(jì)的建筑電力系統(tǒng)增加自主修復(fù)功能，通過冗余可靠性指標(biāo)與可靠性計(jì)算，分析該方法的有效性，保證建筑電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中，盡管出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤仍能正常工作。