Battery reserve autonomy and diesel generator mission reliability

当电网发生故障时，灯光会熄灭，但对于医院、数据中心和关键基础设施而言，真正的危险在于需要备用系统发挥作用的时候。这些设施依赖应急柴油发电机在主电源消失时接管工作。为了让这些机器发挥作用，它们必须按顺序完成三件事：它们必须在被调用时处于待命状态，它们必须在需要时立即成功启动，并且它们必须在危机持续期间持续运行而不停止。工程师们经常谈论“可用性”，这是衡量一台机器准备就绪频率的指标，但一台今天能准备就绪的机器，明天可能会无法启动，或者可能运行仅一小时后就发生故障。关于备份系统在多日紧急情况下可以被信任多久的问题，不仅仅是关于是否有备用零件，而是关于理解导致全面失效的一系列连锁反应。

由沙特阿拉伯高性能工业领域的 Mahmoud Abdelfattah Abbas Mahmoud 进行的一项近期研究，调查了一种提高这种可靠性的特定策略：使用大型电池作为临时桥梁。这个想法很简单。当主电源失效时，电池立即接管。这为柴油发电机的启动并开始供电争取了时间。如果发电机启动了但在稍后发生故障，电池可以为剩余的危机时长提供覆盖。然而，如果电池储备短于总紧急时长，它就无法覆盖发电机根本无法启动的情况；在这种情况下，一旦电池耗尽，任务就会失败。该研究提出了一个精确的问题：为了使一项长期的任务（例如七十二小时的风暴或长达一周的停电）变得安全，究竟需要多少电池功率？这项研究并非在实验室中测试新机器，而是利用来自两组不同发电机的已发表数据来构建一个关于危机期间会发生什么的数学模型。

研究人员观察了两组存在于现有报告中的不同应急发电机。其中一组被称为“Fehr”，代表那些通常非常可靠、具有长时间连续运行记录的机器。另一组被称为“Hong Kong”，代表那些可靠性要低得多的机器，其历史记录显示容易出现启动失败或运行较短时间后停止的情况。该研究模拟了数百万个假设的应急场景，以观察添加电池储备如何改变成功率。在这些模拟中，电池被视为一个完美的、充满电的单元，能够立即供应所有必要的电力。研究人员假设，一旦发电机启动，它就会一直运行直到故障，且在紧急情况下无法进行维修。他们还假设，只有在危机开始时处于良好工作状态时，电池才是可用的。

结果揭示了短期任务与长期任务之间的剧烈分歧。对于持续二十四小时的任务，增加四小时的电池储备对于可靠型发电机组的整体成功率几乎没有产生微小的影响。这些机器本身已经足够优秀，电池几乎没有增加额外的安全性。然而，对于可靠性较低的那组，同样的四小时电池产生了显著的变化，将生存概率从大约百分之六十六提高到了大约百分之七十一。但随着任务时间的延长，小型电池的价值急剧下降。当研究人员模拟七十二小时的任务时，四小时电池对可靠型组几乎没有帮助，对可靠性较低的组也几乎没有任何作用。在可靠性较低的情景中，发电机在没有帮助的情况下生存七十二小时的概率仅为百分之三十左右。即使有了四小时的电池，这个数字也仅上升到大约百分之三十二。电池在发电机能够被指望完成任务之前就用完了。

研究发现，要真正保障长期任务的安全，电池必须大到足以覆盖整个紧急持续时间，而不仅仅是几个小时。如果电池能够持续整个七十二小时，它就会改变游戏规则。它可以覆盖发电机根本无法启动的情况，也可以覆盖发电机稍后发生故障的情况。在模拟中，一个能够支持七十二小时全程的电池将可靠性较低组的成功率推高到了接近百分之九十九。这凸显了一个结构性的限制：小型电池是一座桥，但如果桥太短，旅行者仍然必须独自渡过剩下的河流。如果河水很宽，短桥提供的保护微乎其微。研究人员计算出，为了让可靠性较低的发电机组在七十二小时内达到百分之九十五的成功率，电池需要持续近七十个小时，实际上覆盖了整个任务过程。

论文还探讨了如果你拥有两台发电机而不是一台会发生什么。拥有第二台机器是一个强大的备份，但研究表明，如果两台机器共享相同的问题，例如共同的燃料供应或失效的共享控制系统，这种优势就会消失。即使是两台机器同时失效的微小概率，也会使拥有两台发电机的益处减半。研究人员强调，他们的发现是基于一个简化的模型，其中机器在紧急情况下不会得到维修，且电池不会被重新充电。在现实世界中，工作人员可能会修理发电机，或者如果停电时间较短，电池可能会被重新充电。然而，在长期的、无法维修的危机这一严格条件下，数学结论是明确的：如果发电机本身不够可靠，那么一个小型的储备量不足以挽救长期的任务。

作者总结道，虽然电池对于覆盖发电机启动所需的几分钟时间至关重要，但它们不能取代对可靠机器的需求，尤其是在面对长时间停电时。依赖短时间的电池储备来解决一个经常启动失败或只能运行数小时的发电机问题，是一种虚假的安全感。该研究并不是说电池是无用的；相反，它定义了它们的极限。如果目标是度过一个多日的紧急情况，电池的大小必须能够持续整个时间，或者发电机本身必须经过升级以变得更加可靠。这项研究是对“假设少量的额外电力可以解决巨大问题”这一观念的警告。它表明，在应急电力的高风险领域，储备的大小必须与危机的长度相匹配，而对于长期的危机，真正的安全在于引擎本身的可靠性。