CN103324795A - 一种考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，包括：1）根据故障树法的基本理论，对站用电系统绘制故障树图；2）对站用电系统利用故障树法做可靠性建模；3）将整个系统划为6个子系统，子系统为：换流桥子系统、换流变压器子系统、控制保护子系统、交流滤波器子系统、极设备子系统、站用电系统；4）根据Markov理论，用频率与持续时间法建立各个子系统的状态空间图和等效模型；5）将各子系统的等效模型按照一定关系逐次组合，最终得到整个高压直流输电系统的状态空间图；6）利用上述方法，用实际的算例数据进行计算并与传统方法的计算结果进行比较，验证上述方法的有效性。本发明使直流系统的可靠性评估结果更加精确。

Description

一种考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法

技术领域

本发明是一种考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，属于考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法的创新技术。

背景技术

一直以来，直流系统可靠性评估方法分为两大类，即解析法和模拟法。解析法是根据电力系统元件的随机参数，建立系统的可靠性数学模型，通过数值计算方法获得系统的各项指标；模拟法是将系统中每个元件的概率参数在计算机上用相应的随机数表示，在计算机上模拟系统实际情况，按照对此模拟过程进行若干时间的观察，估算所要求的指标。无论是采用解析法或者模拟法，站用电系统一直是不被考虑的。但在实际的直流系统中，如果站用电系统发生故障，往往会直接导致供电电源故障从而使直流系统停运。因此，本发明利用故障树法对站用电系统进行可靠性建模，将站用电系统作为直流系统的子系统之一，用频率与持续时间法进行可靠性评估，得到相关的可靠性指标。

站用电系统分为站用电交流系统、站用电直流系统和UPS电源三个系统。站用电交流系统提供照明、操作电源；站用电直流系统提供控制、保护电源；UPS系统为VBE系统、工作站系统、远动及通信屏等提供电源。根据统计，现代高压直流输电换流站的站用电负荷为其额定直流输送功率的0.15%-1%。

一般换流站的交流站用电源系统，均接有换流阀等的冷却系统以及换流站的控制和调节系统等重要负荷。由于换流阀冷却系统的负荷较大，而且是换流站能否以额定功率或过负荷运行的主要支撑系统，再加上换流站控制和调节系统的工作状况直接影响到高压直流输电系统及其所连接的交流系统的安全稳定运行，所以应保证交流站用电系统的可靠性。高压直流换流站的站用直流蓄电池一般是按极设置，较典型的是每一极设置一套直流蓄电池系统。为了向站内重要用电设备如计算机型控制系统设备、计算机工作站、打印机等供电，换流站应设置交流不停电电源系统（UPS），为了提高供电可靠性，应设置两套UPS。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种使直流系统的可靠性评估结果更加精确的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法。

本发明的技术方案是：本发明的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，包括有以下步骤：

1）根据故障树法的基本理论，对站用电系统绘制故障树图；

2）对站用电系统利用故障树法进行可靠性建模；

3）将整个系统划分为6个子系统，6个子系统分别为：换流桥子系统 、换流变压器子系统、控制保护子系统 、交流滤波器子系统、极设备子系统、 站用电系统；

4）根据Markov理论，用频率与持续时间法建立各个子系统的状态空间图和等效模型；

5）将各子系统的等效模型按照一定关系逐次组合，具体方法为：先将换流桥子系统与控制子系统等效模型组合；然后将所得到的等效模型再与换流变压器及极设备等效模型逐一的叠加组合，得到两端换流器等效模型；再将所得的两端换流器等效模型与两侧交流滤波器等效模型组合，得到两侧换流站等效模型；最后，将站用电系统等效模型与两侧换流站等效模型组合，最终得到整个高压直流输电系统的状态空间图；

6）利用上述方法，用实际的算例数据进行计算并与传统方法的计算结果进行比较，验证上述方法的有效性。

上述步骤3）中，根据高压直流输电系统的典型备用模式和运行条件及站用电系统对可靠性评估的重大影响，将站用电作为一个子系统考虑在直流系统内。

上述步骤4）中，假设一侧站用电系统的等效故障率和修复率分别为λ_c和μ_c，根据频率与持续时间法的基本理论得到两侧站用电系统等效模型，等效模型中的站用电系统的三种状态分别为2c、1c、0c，站用电系统在完全运行、部分运行、停运三种状态的容量分别为2.0、1.0、0.0，通过故障率λ_c和修复率μ_c相互转移。

上述站用电系统完全运行是指100%容量，部分运行是指50%容量，停运是指0%容量。

上述步骤5）中，将站用电子系统（C）与两侧换流站的组合模型（CS）利用频率与持续时间法的理论进行组合。

上述步骤5）中，高压直流输电系统有9种状态（1-9），高压直流输电系统在完全运行、部分运行、停运三种状态的容量分别为2.0、1.0、0.0，通过故障率λ和修复率μ相互转移，最终得到了整个高压直流输电系统的状态空间图，进而进行可靠性评估计算。

上述步骤5）中，高压直流输电系统完全运行是指100%容量，部分运行是指50%容量，停运是指0%容量。

本发明是在传统的直流系统可靠性评估的基础上，提出了用故障树法对站用电系统进行可靠性建模，并结合频率与持续时间法对包含站用电子系统的整个直流系统进行可靠性评估的基本思想，对传统的可靠性评估进行改进。故障树法和频率及持续时间法是评估高压直流输电系统可靠性的行之有效的方法。本发明在进行实际直流系统的可靠性评估时，结合两种方法的优点，同时考虑了站用电系统对高压直流系统可靠性的影响，通过一个实际的算例得出了更加精确的可靠性指标，也验证了本发明所使用方法的有效性。本发明是一种方便实用的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法。

附图说明

图1是某站用电系统的故障树图。

图2是高压直流输电系统等效模型的组合关系图。

图3是两极站用电系统等效模型。

图4是整个高压直流输电系统的状态空间图。

具体实施方式

本发明考虑了站用电系统对直流可靠性的影响，对传统的直流可靠性评估进行了改进，提高了评估结果的精确性和有效性。

本发明的技术方案是：本发明的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，包括有以下步骤：

1）根据故障树法的基本理论，对站用电系统绘制故障树图；

2）对站用电系统利用故障树法进行可靠性建模；

3）将整个系统划分为6个子系统，6个子系统分别为：换流桥子系统、换流变压器子系统、控制保护子系统、交流滤波器子系统、极设备子系统、站用电系统；

4）根据Markov理论，用频率与持续时间法建立各个子系统的状态空间图和等效模型；

5）将各子系统的等效模型按照一定关系逐次组合，即：运用频率与持续时间法先将换流桥子系统与控制子系统等效模型组合；然后将所得到的等效模型再与换流变压器及极设备等效模型逐一的叠加组合，得到两端换流器等效模型；再将所得的两端换流器等效模型与两侧交流滤波器等效模型组合，得到两侧换流站等效模型。最后，将站用电系统等效模型与两侧换流站等效模型组合。最终得到整个高压直流输电系统的状态空间图。（如图2所示）

6）利用上述方法，用实际的算例数据进行计算并与传统方法的计算结果进行比较，验证上述方法的有效性。

上述步骤3）中，根据高压直流输电系统的典型备用模式和运行条件及站用电系统对可靠性评估的重大影响，将站用电作为一个子系统考虑在直流系统内。

上述步骤4）中，假设一侧站用电系统的等效故障率和修复率分别为λ_c和μ_c，根据频率与持续时间法的基本理论得到两侧站用电系统等效模型。等效模型图中的2c、1c、0c分别代表站用电系统的三种状态，2.0、1.0、0.0分别代表站用电系统100%（完全运行）、50%（部分运行）、0%（停运）三种容量状态，通过故障率λ_c和修复率μ_c相互转移，如图3所示。

上述步骤5）中， 将站用电子系统（用C表示）与两侧换流站的组合模型（用CS表示）利用频率与持续时间法的理论进行组合，子框图的1-9代表高压直流输电系统的9种状态，2.0、1.0、0.0分别代表高压直流输电系统100%（完全运行）、50%（部分运行）、0%（停运）三种容量状态，通过故障率λ和修复率μ相互转移，最终得到了整个高压直流输电系统的状态空间图，如图4所示。进而进行可靠性评估计算。

下面结合附图、附表，对计及站用电影响的直流系统可靠性评估方法详细说明如下：

第一步，根据故障树法的基本理论，对站用电系统绘制故障树图。

故障树分析法是研究引起系统发生故障的各种直接的或间接的原因，在这些原因间建立逻辑关系，并用逻辑框图（即故障树）表示的一种方法。故障树以图形化的方式表示了在一个系统内故障或其它事件之间的交互关系。

故障树分析方法的基本步骤：

①建造故障树；②建立故障树的数学模型；③故障树定性分析；④故障树定量分析；

因此，根据故障树法的基本理论，对某站用电系统可以绘制相应的故障树图如图2所示。

第二步，对站用电系统利用故障树法进行可靠性建模。

对故障树的定性分析通常采用最小割集法，即利用引起发生事件的基本事件链来发现系统的薄弱环节，进而采取改进措施，提高系统的可靠性。

设故障树中有n个基本事件X₁，X₂…X_n，而K为由其中某些基本事件组成的集合，K={X_i1，X_i2…，X_ik…，X_ie}，1≤i_k≤n，k=1,2，…e。当K中基本事件都发生时，顶事件必发生，此时则称K为故障树的一个割集。若K中去掉任意一个基本事件后就不再是割集时，则称此时的K为最小割集。

若已求得故障树的所有最小割集K1K2…Kk，并且已知基本事件X1，X2…Xn发生的概率，则顶事件发生的概率为

                    （1）                                   

如果给出故障树图中各基本事件的故障率，即可求得整个站用电系统的故障率。

第三步，根据高压直流输电系统的典型备用模式和运行条件,将整个系统划分为包含站用电系统的6个子系统。

具体的6个子系统分别为：

① 换流桥子系统 ② 换流变压器子系统 ③ 控制保护子系统 

④ 交流滤波器子系统 ⑤ 极设备子系统 ⑥ 站用电系统

第四步，根据Markov理论，用频率与持续时间法建立各个子系统的状态空间图和等效模型。

高压直流输电系统及其有限个组成元件是可维修的。每个元件的单独状态有限,且出现这些单独状态的事件是互斥的,因此,可以将整个系统看作有限状态空间Ω。由于通常组成系统的元件的寿命分布和修复时间分布均考虑为指数分布,所以在数学上可将系统认为是时间上连续、空间上离散的平稳Markov过程。

将P{X(t)=j ,X(0)=i}=Pij(t)称为转移概率函数，则

      （2）

式（2）中，aij代表状态转移概率。

我们称下列矩阵为状态转移概率矩阵：

又令

, 即表示时刻 t 系统处于状态 i 的概率，则可以推得

适合下列微分方程组：

                   （3）

式（3）中：,A=P-I，I为 n+1阶单位矩阵。

再令

,则

又因为

,故可知

。所以P0、P1…PN可由解下列线性方程组而求得：

      

                 （4）

关于状态i的频率fi定义为在稳态运行情况下，单位时间从状态i 转移到其它状态的平均次数。而状态i到状态j的转移频率fij定义为单位时间从状态i 转移到状态j 的平均次数。由此定义可得：

  

 （5）

设

为由状态

所组成的累积状态。记

, 可看作状态空间中的一个子集。累积状态

的频率

是指单位时间从累积状态

中的任意状态转移到该累积状态以外的状态的平均次数。由此可得:

                   （6）

由累积状态频率

直接可求得累积状态的平均持续时间

:

                    （7）

式（7）中

即为累积状态

的有效度。

设

和为状态空间中的两个累积状态，且和无公共状态，定义累积状态

转移到

的转移频率

为稳态情况下单位时间内从

中的任意状态转移到

中状态的平均次数。由此有

                 

                  （8）

定义累积状态到累积状态

的转移率

为

和

状态的有效度之商，即

                     （9）

第五步，将各子系统的等效模型逐次组合，得到整个高压直流输电系统的状态空间图。

高压直流输电系统的各个子系统和有关等效模型的组合关系如附图3所示，设一侧站用电系统的等效故障率和修复率分别为λc和μc，则两侧站用电系统等效模型如附图4所示，同理可得到其他子系统的状态空间图和等效模型。得到了各子系统的等效模型，为建立整个高压直流输电系统的状态空间图创造了条件。然后，将各子系统的等效模型逐次组合，先将换流桥子系统与控制子系统等效模型组合得到相应的等效模型；然后将所得到的等效模型再与换流变压器及极设备等效模型逐一的叠加组合，得到两端换流器等效模型；再将所得的两端换流器等效模型与两侧交流滤波器等效模型组合，得到两侧换流站等效模型。最后，将站用电系统等效模型与两侧换流站等效模型组合，得到附图4所示的整个高压直流输电系统的状态空间图。

第六步，利用本发明的方法，用实际的算例数据进行计算并与传统方法的计算结果进行比较，验证本发明方法的有效性。

现以某双极双桥高压直流输电系统作为计算实例。由于在实际的站用电系统中，高端阀厅空调电源、高端阀组冷却系统电源等电源系统均有备用，而且本身故障率非常低，因此在进行站用电系统可靠性评估时可以予以忽略。评估站用电系统可靠性时各元件的原始参数如表1所示。

表1 站用电系统中的各种元件的可靠性原始参数

元件	MTTF（h）	MTTR（h）
			变压器501B	2.64e+7	72
变压器T1	8.76e+6	34
			进线开关DL	1.752e+7	12
避雷器	1.752e+7	8

通过故障树图可以利用故障树法求得站用电系统的故障率λ和修复率μ，其它子系统的可靠性原始参数如表2所示。

表2 子系统的可靠性原始参数

子系统	故障率（次/年）	修复率（次/年）
			换流变压器	0.0480	176.1733
换流桥	0.0021	1460
			极设备	0.0027	700.9755
交流滤波器	1.5929e-004	1.8641e+003
			控制和保护	8.9502e-005	5.8384e+003

可靠性基本参数包括

1、故障率λ      

2、修复率μ

3、平均维修时间 MTTR=1/μ                   

4、平均无故障工作时间 MTTF=1/λ

可靠性指标体系为

1、能量不可用率 EU=λ/(λ+μ)

2、能量可用率 EA = 1-EU

通过将所有可靠性原始参数输入编制的软件，得到相应的的可靠性指标。如表3所示

表3 高压直流输电系统的可靠性指标的对比

本发明在进行实际直流系统的可靠性评估时，充分考虑了站用电系统对高压直流系统可靠性的影响，由最后的实例可以看出，本发明的方法较商业软件zusim的结果更加精确。

本发明在对实际直流系统进行可靠性评估时，充分考虑了传统直流系统可靠性评估中不被考虑、实际中却对评估结果产生重要影响的站用电系统，结合了两种基本的评估方法——解析法和模拟法的优点，即利用故障树法先对站用电系统进行可靠性建模，并结合频率与持续时间法对包含站用电子系统的整个直流系统进行可靠性评估，并通过实际算例证明了本发明所提出方法的正确性和有效性考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法。

Claims (7)

1.一种考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于包括有以下步骤：

1）根据故障树法的基本理论，对站用电系统绘制故障树图；

2）对站用电系统利用故障树法进行可靠性建模；

3）将整个系统划分为6个子系统，6个子系统分别为：换流桥子系统 、换流变压器子系统、控制保护子系统 、交流滤波器子系统、极设备子系统、 站用电系统；

4）根据Markov理论，用频率与持续时间法建立各个子系统的状态空间图和等效模型；

5）将各子系统的等效模型按照一定关系逐次组合，具体方法为：先将换流桥子系统与控制子系统等效模型组合；然后将所得到的等效模型再与换流变压器及极设备等效模型逐一的叠加组合，得到两端换流器等效模型；再将所得的两端换流器等效模型与两侧交流滤波器等效模型组合，得到两侧换流站等效模型；最后，将站用电系统等效模型与两侧换流站等效模型组合，最终得到整个高压直流输电系统的状态空间图；

6）利用上述方法，用实际的算例数据进行计算并与传统方法的计算结果进行比较，验证上述方法的有效性。

2.根据权利要求1所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述步骤3）中，根据高压直流输电系统的典型备用模式和运行条件及站用电系统对可靠性评估的重大影响，将站用电作为一个子系统考虑在直流系统内。

3.根据权利要求1所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述步骤4）中，假设一侧站用电系统的等效故障率和修复率分别为λ_c和μ_c，根据频率与持续时间法的基本理论得到两侧站用电系统等效模型，等效模型中的站用电系统的三种状态分别为2c、1c、0c，站用电系统在完全运行、部分运行、停运三种状态的容量分别为2.0、1.0、0.0，通过故障率λ_c和修复率μ_c相互转移。

4.根据权利要求3所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述站用电系统完全运行是指100%容量，部分运行是指50%容量，停运是指0%容量。

5.根据权利要求1所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述步骤5）中，将站用电子系统（C）与两侧换流站的组合模型（CS）利用频率与持续时间法的理论进行组合。

6.根据权利要求5所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述步骤5）中，高压直流输电系统有9种状态（1-9），高压直流输电系统在完全运行、部分运行、停运三种状态的容量分别为2.0、1.0、0.0，通过故障率λ和修复率μ相互转移，最终得到了整个高压直流输电系统的状态空间图，进而进行可靠性评估计算。

7.根据权利要求6所述的考虑站用电影响的直流系统可靠性评估方法，其特征在于上述步骤5）中，高压直流输电系统完全运行是指100%容量，部分运行是指50%容量，停运是指0%容量。

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