مدل‌های اطمینان‌پذیری (Reliability) برای سیستم‌های برق [1]
مقدمه
میزان پایایی (Availability) ـ[2] سیستم‌ها در مرکزداده بسیار وابسته به کیفیت ورودی اصلی برق متناوب (AC) است. میزان اثرگذاری آن به عوامل زیر بستگی دارد:
- کیفیت برق
- ازکارافتادن و خاموش‌شدن سیستم به‌دلایل غیر از برق
- توانایی مدیریت بازیابی پس از مشکلات ناشی از برق
تاثیر این عوامل تا اندازهٔ زیادی در هر مکان و هر کسب‌وکاری متفاوت است و ازاین‌رو نمی‌توان دربارهٔ تاثیر کیفیت برق بر میزان پایایی فرایند کسب‌وکارها دیدگاهی فراگیر داشت. با این حال می‌توان مسائل ویژهٔ هر مکان و کسب‌وکار مشخص را بررسی کرد و آثار کمّی مشکلات برق را بر کارکرد آن کسب‌وکار شناسایی نمود.
این مقاله عواملی را بیان میکند که برای شبیه‌سازی کیفیت برق ضروری هستند و به حوادثی می‌پردازد که به تجهیزات فاوا در مرکزداده آسیب می‌رسانند. در اینجا از سه عاملی که پیش‌تر بیان کرده‌ایم تنها عامل اول را بررسی می‌کنیم. عامل دوم و سوم و مشکلات کلی پایایی در کسب‌وکارها موضوع مقالهٔ دیگری است.
سیستم توزیع برق
برای درک بهتر سیستم توزیع برق، آن را در چهار سطح در نظر می‌گیرند:
| سطح توزیع برق | تجهیزات |
|---|---|
| شبکهٔ تولید (Bulk Power) |
نیروگاه برق |
| شبکهٔ فشارقوی منطقه‌ای (Area Power) |
خطوط فشارقوی |
| شبکهٔ فشارضعیف (Distribution Network) |
خطوط برق محلی |
| شبکهٔ مصرف‌کننده (Utilization Equipment) |
کابل‌کشی ساختمان |
رخ‌دادن اشکال در هریک از آن‌ها به کارکرد تجهیزات کاربران آسیب می‌رساند. اکنون مشکلاتی را که در هریک از این سطوح رایج است بیان می‌کنیم.
دلایل مشکلات برق
برق متناوب کاستی‌هایی دارد. از جمله مشکلات و نواقص برق AC می‌توان هارمونیک، فرورفتگی ولتاژ (Sags)؛ یعنی کاهش دامنهٔ ولتاژ موثر در کوتاه‌مدت، برآمدگی ولتاژ (Swells)؛ یعنی افزایش لحظه‌ای ولتاژ، همچنین RF را برشمرد [دربارهٔ جریان بی‌اثر]. خوشبختانه تجهیزات فاوای مرکزداده در برابر بیشتر آن‌ها مقاوم و ایمن هستند. آنچه معمولا دربارهٔ کیفیت برق و آمار فراوانی بروز مشکلات می‌گویند ممکن است گمراه‌کننده باشد. زیرا بیشتر مواردی را که به تجهیزات فاوا آسیبی وارد نمی‌آید نیز در بر می‌گیرد.
برای اینکه گفت‌وگو کردن دربارهٔ تاثیر مشکلات برق بر تجهیزات فاوای مرکزداده معنادار باشد، نخست باید مشکل را در وضعیتی تعریف کرد که برق AC شرایط لازم و کافی را برای کارکرد تجهیزات ندارد. انجمن سازندگان تجهیزات کامپیوتری و تجاری [3] تعریف پذیرفته‌شده‌ای از کیفیت لازم و کافی برق ارائه نموده و در آن ابعاد و مدت بروز مشکلاتی را که بر تجهیزات فاوا تاثیر می‌گذارند روشن کرده است.
شبکهٔ تولید
شبکهٔ تولید از نیروگاه‌ها و شبکهٔ انتقال برق فشارقوی تشکیل شده است.
اگر در آن مشکلی رخ بدهد، بر عدهٔ زیادی از مصرف‌کنندگان اثر می‌گذارد. منشأ مشکلات شبکهٔ تولید عبارت‌اند از:
- کمبود سوخت
- خطای انسانی
- ازکارافتادن نیروگاه‌ها
- برنامه‌ریزی نادرست
- زمین‌لرزه
آمار دربارهٔ مشکلات پایایی (Availability) شبکهٔ تولید دارای بیان ناهمگون است. برای نمونه ممکن است قطع برق شبکهٔ تولید در جزیره‌ای کوچک مهم‌ترین دلیل خاموشی و ازکارافتادن تجهیزات باشد. ولی برعکس غرب اروپا و ایالات متحده و ژاپن تحمل خطای مطلوبی دارد و قطع برق تقریبا هر ده سال یک بار رخ می‌دهد.
شبکهٔ فشارقوی منطقه‌ای
شبکهٔ فشارقوی هر منطقه شامل ایستگاه‌های انتقال برق و زیرمجموعه‌هایی است که برق را برای آن منطقه فراهم میکند.
رخ‌دادن مشکل در شبکهٔ فشارقوی هر منطقه بر گروه بزرگی از مردم همچون شهر یا شهرستان تاثیر می‌گذارد. مشکلات برق در این سطح ناشی از موارد زیر است:
- خرابی یا فرسودگی تجهیزات
- اضافه‌بار (Overload)
- عوامل آب‌وهوایی
- زمین‌لرزه
آمار دربارهٔ پایایی شبکهٔ فشارقوی منطقه‌ای نیز ناهمگونی بسیاری نشان می‌دهد. برای نمونه در بعضی از کشورها اغلب برای تامین برق از ایستگاه‌های متصل‌به‌هم بهره می‌گیرند تا هنگام خرابی از یکدیگر پشتیبانی کنند؛ در حالی که در دیگر کشورها فقط از یک مسیر برق استفاده می‌کنند. سیستم‌هایی که قابلیت پشتیبانی در مواقع خرابی را دارند، از پایایی بیشتری بهره‌مندند و MTTR (میانگین زمان تا تعمیر) [4] نیز در آن‌ها کوتاه‌تر است.
شبکهٔ فشارضعیف
شبکهٔ توزیع برق فشارضعیف بخشی از شبکهٔ فشارقوی منطقه است که برق را به ساختمان‌ها می‌رساند. کابل‌کشی آن معمولا در خیابان‌ها اجرا می‌شود و در بازهٔ ۵ کیلوولت تا ۳۰ کیلوولت عمل میکند. در این شبکه، ترانسفورماتورها ولتاژ برق را پیش از تحویل به مصرف‌کننده کاهش می‌دهند تا برای مصارف قابل استفاده شود.
دلیل اصلی مشکلات در بسیاری از مناطق همین بخش بسیار پیچیدهٔ توزیع است که در معرض آسیب‌های گوناگون و مشکل‌ساز قرار دارد:
- یخ‌بندان
- برخورد با درختان
- وزش باد
- صاعقه
- تصادف خودروها
- اضافه‌بار
- خرابکاری حیوانات
- حوادث ساختمان‌سازی
- زمین‌لرزه
- توفان
آمار فراوانی مشکلات برق در شبکه‌های فشارضعیف به‌شدت متاثر از آب‌وهوای منطقه است. در مناطقی که کابل‌ها از زیر زمین اجرا شده‌اند، شبکه آشکارا مشکلات کمتری دارد. در طراحی سیستم‌های توزیع محلی در بعضی از مناطق برای پشتیبانی در هنگام خرابی، افزونگی (Redundancy) را زیاد در نظر می‌گیرند. این کار باعث کاهش MTTR و در نتیجه افزایش پایایی می‌شود.
شبکهٔ مصرف‌کننده
شبکهٔ داخلی مصرف‌کننده شامل کابل‌کشی ساختمان، کلیدهای قدرت، همچنین ترانسفورماتورهای داخل ساختمان است.
مشکلات شبکهٔ داخلی برق که در سیستم مصرف‌کننده رخ می‌دهد، هیچ ارتباطی به موقعیت جغرافیایی ندارد و به‌دلیل عواملی است که اغلب در اختیار کاربران هستند. این عوامل عبارت‌اند از:
- اضافه‌بار
- حوادث ساخت‌وساز
- کارهای الکتریکی برنامه‌ریزی‌شده
- خطای کارشناسان برق
- راه‌اندازی تجهیزات بزرگ و سنگین و تنظیمات اولیهٔ آن‌ها
- اتصالات ضعیف کابل‌ها
آمار فراوانی مشکلات برق در سیستم‌های داخلی نشان می‌دهد بیشتر آن‌ها به‌دلیل بازسازی ساختمان، کابل‌کشی، ماهیت کسب‌وکار مصرف‌کننده (کارگران صنعتی یا متخصص)، همچنین فرسودگی ساختمان و کابل‌ها رخ می‌دهد. بدین ترتیب با فرض اینکه مانند مناطق غرب اروپا کیفیت برق نیروگاه بسیار مطلوب باشد، خاموشی و قطع برق بیشتر ناشی از مشکل در سیستم‌ها و تاسیسات داخلی مصرف‌کننده است.
توسعهٔ مدل کمّی برای میزان پایایی برق
با اظهار نظرهای عمومی و عددی نمی‌توان پایایی برق را برای یک مکان مشخص پیش‌بینی کرد؛ زیرا وضعیت هر منطقه نسبت به منطقهٔ دیگر بسیار متفاوت است. برای این کار می‌توان اطلاعات پایه‌ای و ویژهٔ مکان مورد نظر را گردآوری نمود و در کنار دادهٔ آماری که بیانگر کیفیت برق همان منطقه است قرار داد. بدین ترتیب است که می‌توان به پیش‌بینی‌هایی منطقی دست یافت. انواع دادهٔ ضروری برای این کار عبارت‌اند از:
- موقعیت جغرافیایی
- نوع ساختمان و عمر آن
- ماهیت کسب‌وکار کاربر
- اینکه برق از خطوط انتقال زمینی یا هوایی دریافت می‌شود
- طرح‌های ساخت‌وساز در داخل ساختمان
- طرح‌های ساخت‌وساز در پیرامون ساختمان
با این اطلاعات می‌توان نمایه‌ای از اطلاعات (پروفایل) برای هر مکان تعریف کرد. آنگاه با استفاده از دادهٔ آماری موجود دربارهٔ درصد پایایی برق، فراوانی بروز حوادث، همچنین توزیع آماری MTTR پیش‌بینی انجام داد.
نتیجه‌گیری
در این مقاله دربارهٔ پایه و اساس منطقی پیش‌بینی پایایی برق (Availability) در سیستم‌های فاوا توضیح دادیم. به‌دلیل تفاوت بسیاری که پایایی برق در مناطق گوناگون دارد، برای پیش‌بینی آن به مشخصات مکان جغرافیایی و اطلاعات دیگری دربارهٔ توزیع برق هر منطقه نیاز هست.
با ترکیب کردن این مدلِ پیش‌بینی با مدل فرایند بازیابی از مشکلات برقِ هر کسب‌وکار، می‌توان پی‌آمدهای احتمالی‌ای را پیش‌بینی کرد که ممکن است در هنگام حادثه رخ دهند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
APC White Paper 23: “Reliability Models for Electric Power Systems” (Revision 1)
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] مفهوم Availability سیستم در مهندسی چنین بیان می‌شود که سیستم در تمام مدتِ چرخهٔ عمر خود باید در حالت به‌کار (Uptime) باشد. اگر این ویژگی را با درصد بیان کنیم، داشتن Availability به‌میزان ۱۰۰ درصد یعنی سیستم در تمام چرخهٔ عمر خود در حالت به‌کار است. هر مقدار مدت ازکارافتادگی (Downtime) از این اندازه می‌کاهد. بهترین حالت برای Availability داشتن قابلیت اطمینان پنج ۹ یعنی ۹۹٫۹۹۹ درصد است.
این اصطلاح در فارسی اغلب «دسترسی‌پذیری» ترجمه می‌شود که مفهوم کلمه را به‌خوبی نمی‌رساند و با ترجمهٔ اصطلاح Accessibility همانند است. باشگاه مراکزداده در هنگام ترجمه و آماده‌سازی این مجموعه از مقالات APC، پس از بررسی، کلمهٔ فارسی «پایایی» را برای اصطلاح Availability برگزیده است که مفهوم اصلی اصطلاح را بهتر بیان میکند. از سوی دیگر تفاوت آن با اصطلاح «پایداری» (Stability) و با «دسترس‌پذیری» (Accessibility) به‌خوبی روشن است.
[3] Computer & Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA)
[4] MTTR بیانگر میانگین زمانی است که برای تعمیر هر خرابی در سیستم لازم است.
درج دیدگاه