Elektrotehniški vestnik 77(4): 233-238, 2010 Electrotechnical Review: Ljubljana, Slovenija Koncepti stacionarne zanesljivosti napajanja zasilne razsvetljave Igor Vidali1, Jože Voršič2 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija E-pošta: igor.vidali@gmail.com, vorsic@uni-mb.si Povzetek. V nalogi je predstavljena primerjava zanesljivosti oziroma razpoložljivosti med sistemoma zasilne razsvetljave, ki sta napajana s centralno ali lokalno baterijo. Kot že samo ime pove imamo sistem, kjer z enega mesta, z eno večjo baterijo napajamo zasilne svetilke in sistem, kjer ima vsaka zasilna svetilka svojo baterijo. Opisane so osnove in razdelitev zasilne razsvetljave ter razlike med obema sistemoma napajanja. V članku se obravnava zanesljivost glede na ustreznost sistema, kar se nanaša na statično obratovanje. Za primerjavo med obema sistemoma napajanja uporabljamo metodo prostora stanj, ki ga opišemo z markovskim modelom. Razpoložljivost primerjamo splošno, za vse sisteme lokalnega ali centralnega napajanja, sisteme pa razdelimo tudi na tri velikostne razrede. Ključne besede: zasilna razsvetljava, zanesljivost, razpoložljivost The Stationary-reliability concepts in emergency lighting Extended abstract. Power supply systems may fail at any time, either as a result of severe weather, fire, construction work or overloads. In serious cases, it must be possible for people to leave buildings safely and for rescue services to be deployed. This is the reason for using emergency lighting descried in Chapter 1 [1]. In the paper, two power supply systems in emergency lighting; are compared i.e. the locally-and centrally- supplied emergency lamps. Their reliability described in Chapter 2 in compared [2] [3]. Their availability is described with Eqs. 10 to 17 used in our comparison, given in Chapter 3. First a general comparison between the error frequency and emergency lamp failure is given in graphs 1, 2 and 3 where it can be seen that the lamp error frequency of a locally-supplied lamp is bigger than the one centrally supplied, but it can be repaired more quickly (graph 2). The emergency systems are divided in three groups depending on the size of the system presented in table 1. Here these are small (up to 70 emergency lamps installed), medium (from 70 to 500 emergency lamps) and large (greater than 500 lamps) plants. The comparison of the lamp error frequency is the same for all the three sizes because this parameter depends on the lifespan of components of the emergency lamp is made of. The lifespan of batteries and bulbs is the same in each plant. Table 1 shows the actual number of lamps and times needed to repair the components. This is why failures given in graphs 5 and 6 for the centrally supplied emergency lamps are different. It can be seen that the availability, and thus the error frequency, is less problematic with the central-supplied lamps but the repair takes less time with locally supplied lamp with, the exception of the centrally-supplied lamps in small objects. In this work, the lamp reliability is studied under static states to allow for an adequate availability. Further investigations will also include dynamic states, such as short circuits on the lamp, fire, demolition part of the object and other sudden events to capture safety aspects of lighting. Keywords: emergency lighting, reliability, availability 1 Uvod Potreba po zasilni razsvetljavi nastaja zaradi možnosti izpada napajalnega sistema, ki lahko nastane v vsakem trenutku kot posledica neprizanesljivih vremenskih pojavov, požara, gradbenih del ali preobremenitve električnega sistema. V izrednih in nevarnih razmerah je treba ljudem omogočiti varno evakuacijo iz stavbe in omogočiti posredovanje reševalnim ekipam [1], Prejet 25. marec, 2010 Odobren 17. junij, 2010 Zdaj se v objektih, kjer je treba vgraditi zasilno razsvetljavo, uporabljata dva sistema; s centralnim napajanjem in sistem z lokalnim napajanjem. Pri sistemu centralnega napajanja zasilnih svetilk imamo več sistemov nadzora nad svetilkami, enako tudi pri lokalnem napajanju. Pri centralnega napajanja imamo vedno nadzor nad sistemom s centralnega mesta, razlika je le v tem ali imamo nadzor nad posameznim tokokrogom ali nad vsako posamično zasilno svetilko. Pri lokalnem napajanju je mogoč nadzor nad posamično svetilko z enega mesta, ali imamo svetilke s samodiagnostiko, ki niso povezane s centralnim mestom, in moramo napako prepoznati na sami svetilki, ki nam jo prikazuje signalna LED. Svetilke z lokalnim napajanjem obstajajo tudi v osnovni varianti, kjer moramo s preizkušanjem in vizualnim pregledom posamične svetilke odkriti napako. V nadaljevanju bomo primerjali ekvivalentna sistema zasilne razsvetljave, zato lahko vzamemo le oba sistema napajanja, kjer imamo nadzor s centralnega mesta nad vsako posamično svetilko. Objekti, kjer se vgrajuje zasilna razsvetljava, so različni v številnih parametrih, zato ne moremo vedno neposredno primerjati kazalnikov ustreznosti posameznega sistema zasilne razsvetljave. Smiselno je objekte razdeliti na več kategorij in izvesti primerjavo. V našem primeru predvidevamo, da je najbolj smiselna razdelitev na kategorije glede na velikost objekta, kar bi se pri zasilni razsvetljavi odražalo v številu vgrajenih svetilk na objektu. Objekte bi razdelili v tri skupine: - majhni objekti (sistem, ki ima vgrajenih do 70 zasilnih svetilk), - srednji objekti (vgrajenih je od 70 do 500 zasilnih svetilk), - veliki objekti (sistemi z več kot 500 zasilnimi svetilkami) 2 Zanesljivost Zelo pomembna lastnost elektroenergetskih sistemov je zanesljivost, ki pravi, da mora biti porabniku vselej na voljo kakovostna energija, definirana s standardi. Zaradi velikega vpliva zanesljivosti na ekonomičnost sistemov je zelo veliko truda vloženega v opredelitev in testiranje zanesljivosti. Oceno zanesljivosti energetskih sistemov razdelimo v dva vidika: ustreznost sistema in varnost sistema. Ustreznost sistema pomeni zadostno zmogljivost za zadovoljevanje potreb porabnika, kar se nanaša na statično obratovanje. Varnost sistema je povezana s sposobnostjo sistema, da se odziva na nenadne motnje v sistemu. Ocena zanesljivosti energetskih sistemov vsebuje določitev določenih indeksov, ki odražajo verjetnostno naravo sistemskih parametrov in so merilo zanesljivosti. Razlikovati je treba indekse zanesljivosti, izračunane iz modelov ustreznosti energetskih sistemov, in indekse, dobljene iz poročil o okvarah v realnih sistemih, saj ti izražajo učinke nevarnosti in neustreznosti. V teoriji zanesljivosti je prisotnih veliko indeksov, s katerimi napovemo zanesljivost. Te indekse lahko splošno razvrstimo v naslednje kategorije: - verjetnosti, kot sta zanesljivost in razpoložljivost, - pogostost, kot je povprečno število okvar v enoti časa, - povprečno trajanje, kot so: - povprečni čas do prve okvare, - povprečni čas med dvema okvarama, - povprečno trajanje okvare, - pričakovanja, kot so: - povprečno zmanjšanje energije na enoto časa zaradi okvar v sistemu, - pričakovano število dni v letu, ko nastane okvara v sistemu. V preteklosti so študije zanesljivosti elektroenergetskih sistemov opravljali le za posamezne podsisteme celotnega sistema. Takšen pristop je pogojevala velika obsežnost obdelave podatkov, ter težko oziroma nesmiselna razlaga tako obsežnih rezultatov. Ustrezne študije energetskih sistemov se opravljajo v treh funkcijskih območjih: proizvodnja, prenos in razdeljevanje energije. Hierarhične nivoje prikazuje naslednja slika (Slika 1) [2]. Slika 1: Hierarhični nivoji za ovrednotenje ustreznosti EES Figure 1. Hierarchical levels used in evaluation of suitability of electric power systems 2.1 Metode za izračun zanesljivosti [3] Zanesljivost sistema je odvisna od zanesljivosti njihovih komponent, od konfiguracije sistema in od kriterijev okvare sistema. Z zanesljivostjo želimo napovedati ustrezne indekse zanesljivosti, ki nosijo podatke o okvarah komponent in oblikovanju sistema. Iz informacij o zanesljivosti sistema se je razvilo več računalniških postopkov za določitev indeksov zanesljivosti. Zgodovinsko so bile razvite štiri skupine pristopov. Prvi pristop izhaja iz rešitve modela prostora stanj, drugi iz rešitve logičnih algoritmov, tretji uporablja metodo Monte Carlo, četrti je pa temelji na analizi drevesa okvar. 2.2 Metoda prostora stanj Pri tej metodi zanesljivost sistema opišemo s stanji in prehodi med njimi. Stanje sistema je poseben pogoj, pri katerem je vsaka komponenta v nekem ustreznem delovanju-deluje, je v okvari, je v vzdrževanju ali v nekem drugem ustreznem stanju. Kadar se stanje katerekoli komponente spremeni, preide sistem v drugo stanje. Vsa stanja sistema so prostor stanj. Na naslednji sliki je prikazan diagram prostora stanj za dve identični neodvisni komponenti. Slika 2: Diagram prehoda stanj za dve neodvisni komponenti Figure 2. Diagram of the crossing condition for two independent components Prostor stanj lahko opišemo z Markovim modelom, seveda s pogojem, da prehod med dvema poljubnima stanjema ni prav nič odvisen od predhodnih stanj v procesu. Najprej si bomo pogledali sistem, kjer vsa stanja spadajo v eno od dveh skupin: DELUJE ali OKVARA. Takšno stanje prikazuje slika. S (stanje delovanja) iKt) m = fx(t) fx(t) =_ P(x>t) Çfx(xydx ( 2 ) Podobno dobimo ustrezno hitrost, s katero bo okvarjen sistem v popravilu spet prešel v delovno stanje, z: H(t) = fr(t) ft fr(yy•/ = 0,1468 h oz. 8,8 min Pri uporabi svetlobnih virov LED bi bil čas izpada v enem letu 0,08475 h oziroma 5,1 min. V naslednjih grafih je predstavljena primerjava za zgornji izračun med sistemom lokalnega in centralnega napajanja in uporabi fluorescentnih sijalk ter LED svetlobnih virov. POGOSTOST OKVARE m m ®P iS 0,8 S 0;7-: 1 Ste s Ke 2 0,4 O 0'3 a Bffi? P uit* 0 0,i4749 limn □¿2732 [gliSi ffcÖO SIJALKE ■CENTRALNO Flifo.ŠIJALKE ■LOKALNO LED SIJALKE CENTRALNO LED SIJALKE LOKALNO. Si STE M NAPAJANJA ZAHLHE RAZSVETLJAVE Graf 1: Splošna primerjava pogostosti okvare zasilne svetilke Graph 1: General comparison of emergency-lamp failure frequency POVPREČNO TRAJANJE IZPADA £L < 0,3 BSf 0,2 ■S? S o;15 5 0,1 i opi, o 0,238« Sgp74 0,16667 umu FLUQ..SIJALKE FLWO SIJALKE LED SIJALKE LEEi SIJALKE CENTRALNO LOKALNO CENTRALNO LOKALNO SISTEM NAPAJANJA ZASILNE RAZSVETLJAV Graf 2: Splošna primerjava povprečnega trajanja izpada zasilne svetilke Graph 2: Generally comparison of average emergency lamp fall out Graf 3: Splošna primerjava letnega trajanja izpada zasilne svetilke Graph 3: General comparison of the annual emergency-lamp failure duration 3.2 Primerjava sistemov napajanja zasilne razsvetljave glede na velikost objektov V nadaljevanju bodo predstavljene enake primerjave, kot smo jih videli v prejšnjem poglavju, le da bo tukaj vključena tudi velikost objekta. V prvem poglavju smo razdelili objekte glede števila vgrajenih svetilk. Število svetilk na teh objektih je predstavljeno v spodnji tabeli. V tabeli najdemo tudi število svetilk v trajnem spoju, ki označujejo smer evakuacije in svetijo 24 ur na dan. Navedeni so podatki, ki jih potrebujemo za izračun razpoložljivosti posameznega objekta. MALI OBJEKTI SREDNJI OBJEKTI VELIKI OBJEKTI Cenirahio ii <)> ijajtjr T.iilnlnn :.iji- j l 'fnCi i;n napajanje Lokalna liajp sj lr-je Centralno napajanj? Lokalno napajanje STEVILO;SV,ETILK 43 252 252 1103 1103 STB VILO SVETRK >ii®i,HEM-3POJU 12,9 ■ 7Jg lifgjg um 330,9 POPRAVILO 1 SIJALKE [URE] 0,25 B-25 0,25 0,25 0,25 0,25 SKUPNO POPRAVILO SIJALK [URE! 3,225 2S9E 18,9 18,9 82,725 82,725 POPRAVILO 1 BATERIJE [UREi tiSi 0,5 0,5 SKUPNO POPRAVILO BATERIJ [URE] 2 21,5 6 126 8 551,5 Tabela 1: Predstavitev velikosti objektov Table 1: Presentation of object sizes POGOSTOST OKVARE te °-4 O O» s m *• 0,1 0,33032 0,33032 0,s|Ü2 0,64749 1 0.64T49' 1 5010749 1 CENTRALNO LOKALNO MALI OBJEKTI CEg^fPp? LOKALNO SfiEDNJI OBJEKTI CENTRALNO LuKALNu VELIKI OBJEKTI SISTEM NAPAJANJA ZASILNI RAZSVETLJAVE Graf 4: Primerjava pogostosti okvare zasilne svetilke Graph 4: Comparison of emergency-lamp failure frequency POVPREČNO TRAJANJE IZPADA 0,22222 0,24 0,24242 1 0,16667 1 0,16667 1 0,16667 CENTRALNO LOKALNO CENTRALNO LOKALNO CENTRALNO LOKALNO MALI OBJEKTI SREDNJI OBJEKTI VELIKI OBJEKTI SISTEM NAPAJANJA ZASILNE RAZSVETLJAVE Graf 5: Primerjava povprečnega trajanja izpada zasilne svetilke Graph 5: Comparison of average emergency -lamp failure duration LETNO TRAJANJI IZPADA 0,1468 0,1554 0,1468 0,1.5697 0,1468 0,14389 1 CENTRALNO LOKALNO MALI OBJEKTI CENTRALNO LOKALNO SREDNJI OBJEKTI CENTRALNO LOKALNO VELIKI OBJEKTI Si STEM NAPAJANJA ZASILNE RAZSVETLJAVE Graf 6: Primerjava letnega trajanja izpada zasilne svetilke Graph 6: Comparison of annual emergency lamp fall failure duration 4 Sklep Pri projektiranju električnih instalacij objektov je vedno prisotno vprašanje, kateri sistem zasilne razsvetljave izbrati; z lokalnim ali centralnim sistemom napajanja. Na to vprašanje je težko odgovoriti z eno besedo, saj je treba pred izbiro ustreznega sistema napajanja poznati in proučiti veliko dejavnikov. V tej nalogi smo primerjali razpoložljivost posameznega sistema. Razpoložljivost smo podrobneje primerjali v poglavju 3. Najprej smo primerjali sistema centralnega in lokalnega napajanja ne glede na velikost objekta oziroma vgrajenih zasilnih svetilk. Na splošno lahko rečemo, da so pri sistemih lokalnega napajanja napake pogostejše, vendar te svetilke hitreje popravimo. Pri uporabi fluorescentnih sijalk je izpad v enem letu pri centralnem napajanju za malenkost daljši, medtem ko je pri uporabi LED sijalk obratno. Poglavje 3.2 prikazuje primerjavo sistemov napajanja zasilne razsvetljave glede na velikost objektov. V tem izračunu so uporabljene le fluorescentne sijalke. Grafična predstavitev je izvedena za posamezno svetilko sistema, kar je pri razpoložljivosti najbolj smiselno. Tukaj lahko povzamemo, da so pri lokalnem napajanju okvare pogostejše kot pri centralnem, vendar jih hitreje odpravimo, saj je pri vseh velikostih objekta izpad povprečno krajši. Glede letnega trajanja izpada je svetilka lokalnega napajanja manj časa v okvari, razen pri majhnih objektih, kjer je razlika minimalna. V tej raziskavi je opravljena analiza zanesljivosti oziroma razpoložljivosti za stacionarna stanja, torej z vidika ustreznosti. Za prikaz celotne razpoložljivosti bi bilo treba vključiti tudi vidik varnosti, kjer se proučuje odziv sistema na nenadne motnje v sistemu. Upoštevati bi bilo treba nastop kratkih stikov, potek požara, porušitev objekta in druge izredne scenarije, pri katerih je treba uporabiti zasilno razsvetljavo. 5 Literatura [1] Coaton J.R.:Lamps and Lighting, London, Sydney, Auckland,Arnold and Contributors, 1997 [2] Voršič J., Zorič T., Horvat M.: Izračun obratovalnih stanj v elektroenergetskih omrežjih, Maribor, Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko, 2003. [3] Anders J. G., Zorič T.: Koncepti verjetnosti v elektroenergetskih sistemih, Maribor, Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko, 2008. Igor Vidali je leta 2007 diplomiral na fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru. Trenutno opravlja magistrski študij na isti fakulteti. Njegovo glavno področje raziskave je zasilna razsvetljava. Jože Voršič je iz elektrotehnike diplomiral na Univerzi v Ljubljani leta 1972, magistriral na Sveučilištu u Zagrebu 1982 in doktoriral na Univerzi v Mariboru leta 1983. Leta 1972 se je zaposlil kot raziskovalni asistent na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Področje njegovega dela je bilo osredinjeno na kakovost električne energije. Leta 1974 se je zaposlil kot asistent za električne meritve na Univerzi v Mariboru. Zdaj je zaposlen kot redni profesor za elektroenergetiko na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru. Od leta 1976 je aktivno sodeloval v samoupravnih organih fakultete, pozneje tudi PISERU (posebna izobraževalna skupnost elektrotehniške in računalniške usmeritve R Slovenije) in MZT (Ministrstvo za znanost in tehnologijo). Trenutno je predstojnik Instituta za močnostno elektrotehniko na UM FERI. Je član IEEE (The Institute of Electrical and Electronic Engineers), CIGRE (Conférence Internationale des Grands Réseaux Electriques), WEC (World Energy Council), ED Maribor (elektrotehniško društvo) in SDVD (Slovensko društvo za visokošolsko didaktiko).