При вариантах «холодного» резервирования резервное оборудование находится в выключенном состоянии и включается только при подключении резерва в работу. До включения резервного оборудования его ресурс не расходуется, и «холодное» резервирование дает самую большую ВБР.

Недостаток холодного резервирования – включение резервной аппаратуры проходит за некоторое время, в течение которого система не управляется или неработоспособна. На этом интервале ввода в строй «холодной» резервной аппаратуры источники питания выходят на режим, аппаратура тестируется, прогревается. В нее загружается необходимая информация.

В случае «горячего» резервирования все резервные элементы ЦВМ включены и готовы сразу после команды включиться в работу. Это может обеспечить меньшее время переключения на резерв. Однако ресурс включенной резервной «горячей» аппаратуры расходуется и достижимая ВБР в этом методе меньше, чем в случае «холодного» резервирования. Время переключения на резерв – важный параметр, и допустимые его значения определяются конкретной прикладной задачей.

Для системы дублированной замещением с холодным резервом ВБР равна:

Данное приближение справедливо для ВБР . Использование дублирования с холодным замещением в нашем примере ЦВМ из 100 БИС с

на каждую ВБР за один год непрерывной работы будет равна

Рдуб.х = 1 – 0,01 = 0,99. Вместо 0.9 для нерезервированной системы.

Таким образом, простое дублирование ЦВМ приводит значение её ВБР в желаемые рамки.

Для системы троированной замещением с холодным резервом ВБР равна:

Ртр.х.= 0,995

Для системы дублированной замещением с горячим резервом ВБР равна:

И для нашего примера ЦВМ будет иметь значение ВБР

Рдб.г.= 0,99

Для системы троированной замещением с горячим резервом ВБР равна:

На графике приведены изменения Р(t) для трех случаев:

1) нерезервированная система

2) система дублированная с холодным резервом

3) система дублированная с горячим резервом

Горячее резервирование троированием с восстанавливающими органами (с мажоритарными элементами).

Этот метод реализует горячее резервирование с восстановлением информации на мажоритарных элементах с голосованием по большинству.

Мажоритарный элемент – логическое устройство, работающее по большинству. Если у него на входе 011,110,101,111 ,то на выходе у него1. Если у него на входе 001,010,100,000, то на выходе у него 0.

Мажоритарный элемент (МЭ) одновременно решает задачи обнаружения отказа - выход одного из элементов отличается от двух других и подключения резервного. В случае последовательно соединения таких мажорированных троек элементов обеспечивается восстановление информации во всех элементах после отказавшего.

Система работоспособна, когда или все каналы работоспособны, или два из трех любых (таких сочетаний три) каналов работоспособны.

Здесь Р1 – ВБР каждого канала троированной системы.

Данная схема хороша не своей высокой ВБР (ВБР у систем с холодным и горячим резервированием замещением выше), а тем, что функции контроля и подключения резерва выполняются одновременно и автоматически на уровне МЭ. Специализированный мажоритарный контроль идет побитно над результатом каждой машинной операции. Здесь сами МЭ не резервированы и это недостаток примененной схемы.

В ЦВМ, резервированных по схеме троирования с мажоритарными органами, мажорированию подвергаются все разряды (поразрядно) передаваемого по шине данных числа, выбираемого из памяти или записываемого в память числа и т.п. По данным нашего примера ВБР ЦВМ с одним мажоритарным органом после выходного регистра имеет значение. Ртр.мж = 0,972

При вариантах «холодного» резервирования резервное оборудование находится в выключенном состоянии и включается только при подключении резерва в работу. До включения резервного оборудования его ресурс не расходуется, и «холодное» резервирование дает самую большую ВБР.

Недостаток холодного резервирования – включение резервной аппаратуры проходит за некоторое время, в течение которого система не управляется или неработоспособна. На этом интервале ввода в строй «холодной» резервной аппаратуры источники питания выходят на режим, аппаратура тестируется, прогревается. В нее загружается необходимая информация.

В случае «горячего» резервирования все резервные элементы включены и готовы сразу после команды включиться в работу. Это может обеспечить меньшее время переключения на резерв. Однако ресурс включенной резервной «горячей» аппаратуры расходуется и достижимая ВБР в этом методе меньше, чем в случае «холодного» резервирования. Время переключения на резерв – важный параметр, и допустимые его значения определяются конкретной прикладной задачей.

Для системы дублированной замещением с холодным резервом ВБР равна:

Данное приближение справедливо для ВБР . Для системы троированной замещением с холодным резервом ВБР равна:

Для системы дублированной замещением с горячим резервом ВБР равна:

Для системы троированной замещением с горячим резервом ВБР равна:

На графике приведены изменения Р(t) для трех случаев:

1) нерезервированная система

2) система дублированная с холодным резервом

3) система дублированная с горячим резервом

Изменение ВБР представлены в относительном времени . Это удобно, так как графики справедливы для любого . Здесь – интенсивность отказов системы

Для последовательной надежностной схемы.

Интенсивность отказа элементов, составляющих систему.

Заказчики, которые приобретают Software Assurance для серверных продуктов Microsoft , бесплатно получают дополнительную лицензию на использование сервера холодного резервирования (cold backup server) для целей аварийного восстановления в случае отказа. — это сервер, который выключен до момента возникновения аварии. Нельзя использовать этот сервер для работы приложений или сетевых сервисов.

Преимущества для клиента

• Снижение рисков и времени простоя в непредвиденных ситуациях.
• Экономия на количестве лицензий при резервировании.

Активация и использование преимущества

• Активация не требуется.
• Установка с тех же носителей, что и серверное ПО.

Условия

Данное преимущество предоставляется заказчикам с действующим Software Assurance , приобретенным для серверных продуктов Microsoft и для лицензий клиентского доступа к серверу. Использование серверного программного обеспечения по регулируется следующими условиями:

• Сервер холодного резервирования должен всегда находиться в выключенном состоянии и может включаться только:

1. для целей ограниченного тестирования и управления обновлениями;
2. при аварии.

• Копии программного обеспечения для аварийного восстановления не могут устанавливаться на сервер в одном кластере с сервером приложений.
• В случае аварии ПО может использоваться одновременно и на резервном и на основном сервере только в течение времени, необходимого на восстановление основного сервера. После восстановления основного сервера, сервер холодного резервирования должен быть выключен.
• Бесплатные серверные лицензии аварийного восстановления являются временными и истекают по окончании срока действия Software Assurance для соответствующего сервера или клиентских лицензий . В случае прекращения срока действия Software Assurance необходимо удалить любые копии программного обеспечения, установленные по лицензии аварийного восстановления.

Версия, редакция и тип серверного продукта, который используется для целей аварийного восстановления, должны соответствовать основной лицензии на серверный продукт (например, если право Software Assurance закуплено для лицензии Microsoft SQL Server 2000 Standard per processor , бесплатная лицензия на сервер холодного резервирования также будет лицензией Microsoft SQL Server 2000 Standard per processor ).

• Лицензии Software Assurance должны быть закуплены как для серверного продукта, так и для всех клиентских лицензий CAL (если применимо). Действие лицензии на сервер холодного резервирования истекает с окончанием срока действия Software Assurance .
• Данное преимущество не требует активации на сайте MVLS . Для каждой серверной лицензии с действующим Software Assurance заказчик получает право установить копию этого программного обеспечения на сервер холодного резервирования .
• Количество лицензий для аварийного восстановления, которые предоставляются клиенту, соответствует количеству закупленных лицензий Software Assurance .
• Заказчики могут установить программное обеспечение с носителей, предоставляемых по программам корпоративного лицензирования .
• Использование любого программного обеспечения по лицензии на сервер холодного резервирования регулируется соответствующими правами на использование продукта и условиями предоставления данного преимущества.
• Лицензии License & Software Assurance , приобретенные для серверного ПО и соответствующих клиентских лицензий , а также информация, которая содержится в Volume License Product List (EN) , будет являться подтверждением прав заказчика на использование серверного программного обеспечения по лицензии холодного резервирования .

Повышение надежности за счет резервирования оборудования

Резервирование - один из самых распространенных и кардинальных способов повышения надежности и живучести вычислительных систем. Однако, за резервирование приходится расплачиваться значительным увеличением габаритов, массы и потребляемой мощности.

Так же при этом усложняется проверка аппаратуры и ее обслуживание. Так как количество отказов увеличивается из-за увеличения количества аппаратуры. Резервирование уменьшает полезную нагрузку на аппаратуру и увеличивает ее себестоимость.

Основным параметром резервирования является кратность резервирования. Это отношение числа резервных устройств к числу рабочих (основных) устройств. Кратность резервирования ограничена жесткими пределами в отношении массы, габаритов и потребляемой мощности БЦВС.

Различают общее и раздельное резервирование. Резервирование БЦВМ в целом – это общее резервирование. В этом случае параллельно работают основная и резервные БЦВМ.

При раздельном резервировании БЦВМ разбивается на отдельные подсистемы, каждая из которых или некоторые из них резервируются отдельно. При использовании раздельного резервирования можно выделить несколько уровней резервирования:

1. Резервирование на уровни деталей

2. Резервирование на уровне элементов

3. Резервирование на уровне устройств.

На данный момент наиболее распространенным раздельным резервированием является резервирование на уровне устройств (ОЗУ, процессор, жесткие диски и т.д.), так как современные БЦВМ имеют модульное построение, а резервирование на уровне модулей значительно повышает ремонтопригодность.

В зависимости от способа включения резервного элемента или БЦВМ различают горячее и холодное резервирование.

При горячем резервировании резервные элементы работают в одинаковых условиях с основными элементами и выполняют все их функции. При этом увеличивается потребляемая мощность и усложняется обслуживание, так как необходимо выявлять отказавшие элементы и своевременно их заменять.

При холодном резервировании резервные элементы не работают, либо работают в облегченных условиях. В этом случае резервный элемент включается в работу только в случае выхода из строя основного элемента. Холодное резервирование потребляет меньше мощности, легче в обслуживании, и резервное элементы не расходуют свой ресурс. Однако, при холодном резервировании необходимо использовать специальные переключатели, позволяющие резервному элементу вступить в работу. Включение резервных элементов может происходить, как вручную, так и автоматически.

Холодное резервирование используется только на уровне крупных элементов или целых БЦВМ с применением различных методов обнаружения неисправностей.

Горячее резервирование может применяться и на более глубоких уровнях с использованием избыточности на основе мажоритарной логикой.

В реальной аппаратуре холодное и горячее резервирование обычно применятся в различных сочетаниях.

Рассмотрим различные способы резервирования:

1. Резервирование на основе мажоритарной логики.

Этот тип резервирования используется при горячем резерве элементов или целых БЦВМ. Выходные сигналы с основного и всех резервных элементов преобразуются в один сигнал на мажоритарном элементе. При этом сравниваются все сигналы, и правильным считается тот, который совпал большее число раз (2 из 3, 3 из 5 и так далее).

Достоинства мажоритарной логики резервирования:

2. Не требуется обнаружение неисправного элемента и переключение на резервный.

3. Подавляются все сбои.

Недостатки:

1. Существенно увеличивается объем, масса и потребляемая мощность оборудования.

2. Снижается быстродействие, так как мажоритарные элементы включаются последовательно с основными элементами вычислительной системы.

3. Отсутствует индикация отказавших устройств, что уменьшает ремонтопригодность.

4. Система отказывает, когда еще есть исправные элементы, так как мажоритарный элемент не может принять верные решения, если отказавших элементов больше, чем исправных.

При таком виде резервирования после каждого резервируемого элемента стоит детектор ошибок, фиксирующий несовпадение результатов работы основного и резервного элемента. В случае обнаружение несовпадения запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно блок отказал, и исключающая его из работы до устранения ошибки.

Схематично подобная схема включения выглядит следующим образом:

Здесь Ао и Ар составляют первый блок вычислительной системы, причем Ао – основной элемент, а Ар – резервный. Оба этих элемента, за исключением случая, когда один из них неисправен, имеют одинаковые выходы.

Во и Вр – составляют второй блок. Выходы этих элементов так же идентичны.

Сигналы с основных и резервных элементов объединяются с помощью логического элемента «или» для того, чтобы при исключении из работы неисправного элемента сигнал все равно поступал в оба канала.

Аналогично можно применять резервирование на три, четыре и так далее элементов. При этом увеличивается вероятность безотказной работы, однако, значительно повышается потребляемая мощность, габариты, вес, усложняется структура вычислительной системы и программирование для нее.

Преимущества резервирования дублированием с детектором отказов:

1. Значительно увеличивается вероятность безотказной работы вычислительной системы.

2. Меньше резервных элементов, чем при использовании мажоритарной логики резервирования.

3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал

4. Детектор ошибок не влияет на информационные потоки и не снижает быстродействие вычислительной системы, так как подключается параллельно, относительно проверяемых устройств.

Недостатки:

1. В случае обнаружения ошибки необходимо прервать работу основного программного обеспечения для обнаружения неисправного элемента и исключения его из работы.

2. Усложняется программное обеспечение, так как требуется специальная программа обнаружения неисправных элементов.

3. Система не может обнаружить ошибку при отказе одновременно основного и резервного элемента.

3. Резервирование на основе постепенной деградации вычислительной системы.

В этом случае, если все элементы вычислительной системы исправны, они функционируют в полном объеме, и каждый элемент выполняет свою функцию. Однако, стоит выйти из строя хотя бы одному элементу, сразу же запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно элемент вышел из строя, и исключающая его из работы. При этом функции, которые исполнял вышедший из строя элемент, перераспределяются между рабочими элементами с сохранением всех функциональных возможностей, за счет уменьшения объема обрабатываемой информации или с уменьшением функциональности при сохранении объема обрабатываемой информации.

Так как бортовые вычислительные системы рассчитаны на максимальную загрузку, которая происходит достаточно редко, подобный способ резервирования значительно повышает надежность, без серьезных затрат.

Достоинства:

1. Повышается живучесть вычислительной системы.

2. Не увеличиваются габариты, масса и потребляемая мощность.

3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал.

4. Не требуются специализированные элементы, анализирующие сигналы элементов, а, следовательно, всю вычислительную систему можно разрабатывать на стандартизированном оборудовании.

Недостатки:

1. Усложняется программное обеспечение, так как необходимо реализовывать алгоритмы, отслеживающие исправность элементов вычислительной системы и перераспределяющие задачи после выхода из строя одного или нескольких элементов

2. При выходе из строя элементов вычислительной системы снижается объем обрабатываемой информации или функциональность.

3. Резервирование возможно только на уровне процессорных модулей и ЭВМ.

4. Обслуживание становится дороже, так как заменять надо целые блики и ЭВМ.

Это основные способы резервирования с помощью оборудования. Обычно, в реальной аппаратуре они применяются в различных комбинациях, в зависимости от требуемого результата, степени необходимой надежности и живучести отдельных элементов вычислительной системы и всего комплекса в целом.

1. Нормальный режим

Особенность энергосистемы состоит в том что процессы выработки и потребления электрической энергии происходят одновременно, тоесть невозможно накапливать выработанную электрическую энергию в заметных количествах. Поэтому для источника питания и электрических потребителей в каждый момент должен соблюдаться баланс:

· активных мощнастей ;

· реактивніх мощнастей ,

где Р г, Q г – соответственно активная и реактивная мощность генераторов ИП;

Мощность потребляемых нагрузок;

Потери мощности в сетях;

Мощности собственных нужд.

В нормальном установившемся режиме все генераторы имеют синхронную частоту. Отключение частоты (𝜟f) – один из основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ), в нормальном режиме допускается отклонение на ±0,2 Гц. При нарушении баланса активной мощности изменяется частота вращения генератора, а следовательно и частота переменного тока.

При ƩР Г < ƩРп - частота снижается (например при резком увеличении нагрузки в связи с включением большого числа электрических нагревателей при падении температуры воздуха).

При ƩР г > ƩР П - частота растет, при уменьшении нагрузки, ту рбины начинают разгонятся и вращаются быстрее.

Следствием больших отклонений частоты могут являться:

· выход из строя электрических станций;

· понижение производительности двигателя;

· нарушение технологического процесса;

· брак продукции.

А при недопустимых снижениях частоты происходит развал системы.

При аварийных отключениях генератора или линий с трансформаторами, допускается 𝜟f = +0,5 Гц, 𝜟f = -1 Гц, общей продолжительности на год, не более 90 часов.

Рост частоты можно ликвидировать уменьшением мощности генератора или отключением части из них, при понижении частоты:

· мобилизация резервов;

· использованием автоматического частотного регулирования (АЧР).

На электростанциях должен быть «горячий» резерв мощности (когда генератор нагружают до мощности меньшей номинальной), в таком случае они быстро набирают нагрузку при внезапном нарушении баланса мощности и « холодный » резерв (ввод нового генератора). Кроме резерва мощности на электростанциях системы необходимый резерв по энергии на ТЭС должен быть обеспечен соответствующий запас топлива, а на ГЭС - запас воды.

Если резерв электростанции исчерпан, а частота в системе не достигла номинального значения, то в действия вступают устройства АЧР, которые предназначены для быстрого восстановления, путем отключения части менее ответственных потребителей (в первую очередь отключения потребителей 3 категории надёжности).

При полной нагрузке генераторов по активному току в системе может возникнуть дефицит реактивной мощности, если же реактивная нагрузка потребителей значительно превысит возможную, реактивную мощность генераторов (при отключении части из них), то произойдет такое понижение напряжения, при котором ток потребителей значительно увеличится, что приведет к дальнейшему снижению напряжения и т.д. Такое снижение напряжения в системе называется лавиной напряжений.

В современных системах для предохранения от аварийного лавинного напряжения все генераторы снабжают автоматическим регулятором напряжения и быстродействию форсировки возбуждения, следовательно в системе всегда должен быть определенный резерв реактивной мощности, для этого делают компенсацию реактивной мощности.

2. Использование генератора в режиме синхронного компенсатора

Синхронный компенсатор – это генератор без нагрузки на валу.

Турбогенераторы и гидрогенераторы могут работать в режиме синхронного компенсатора.

3. Аномальные режимы:

· перегрузка (работа с током статора и ротора больше номинального);

· асинхронный режим;

· несимметричный режим.

Кратковременная перегрузка по току статора и ротора обычно бывает вызвана:

· внешними короткими замыканиями;

· выпадом генератора из синхронизма;

· форсированным возбуждением.

При этом повышается температура обмоток генератора, а при коротком замыкании возможно и механическое повреждение, поэтому допускается только кратковременная перегрузка, которая зависит от системы охлаждения.

Асинхронный режим работы генератора возникает при:

· потери возбуждения генератора в следствии повреждения в системи возбуждения;

· выпадения генератора из синхронизма из-за КЗ в сети;

· резкого сброс или наброса нагрузки.

Несимметричные режимы работы генератора могут быть вызваны обрывами и отключениями одной фазы сети, однофазной нагрузки в виде электрической тяги и плавильных печей и др.