CN103326392A - 一种特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法。包括如下步骤：1）单个换流阀组可靠性计算；2）换流阀组系统可靠性计算。本发明计算方法首先进行单个换流阀组可靠性的计算，包括分析构成换流阀组的各元件故障对换流阀组的影响、基于各元件故障对换流阀组的影响建立换流阀组的故障树、分析故障树，计算换流阀组可靠性；再进行换流阀组系统可靠性计算，包括枚举单侧换流阀组故障事件、计算枚举故障事件的概率及频率、判断枚举故障事件是否完成：未完返回再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。本发明计算方法通用性强，便于推广应用，计算准确性高，计算速度快，可广泛用于双12脉接线的高压直流阀组系统可靠性计算。

Description

一种特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法

技术领域

本发明是一种特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，具体涉及双12脉接线的特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，属于特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法的创新技术。

背景技术

随着国民经济的增长，中国用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负荷中心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然。为减少输电线路的损耗和节约宝贵的土地资源，需采用特高压直流输电方式。由于特高压直流输电技术主要运用于远距离大功率输电、大区联网和系统间非同步联络以及地下或海底电缆输电等特殊场合，这就对特高压直流系统的可靠性提出了很高的要求，而其可靠性的改善也将给整个电力系统的完全、可靠性和经济运行带来巨大的效益。在直流输电工程中，通过换流阀组依次将三相交流电压连接到直流侧得到期望的直流电压和实现对功率的控制，因此换流阀组作为直流输电工程中的核心设备，其可靠性研究显得至关重要。

2008年11月第32卷第21期《电网技术》中的“基于k/n(G)模型的柔性直流输电系统换流阀可靠性建模与冗余性分析”一文中，采用状态转移法建立换流阀模块的可靠性模型，然后将整个换流阀看作k/n(G)系统计算其可靠性指标。当组成换流阀模块的次级子模块并联芯片数量增多时，模块状态数增多，状态之间的相互转化将异常复杂，使该方法的可行性受到限制。2009年12月29卷《中国电机工程学报》增刊中的“直流输电换流阀主电路的可靠性分析与优化设计”一文中，根据换流阀各元器件的功能及其相互关系建立基于k/n(G)模型的换流阀可靠性框图，并在此基础上分析换流阀的各种可靠性指标。但上述文献仅针对换流阀，而对换流阀组系统可靠性研究却成为现有技术的空白。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种准确性高、计算速度快且通用性强的特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法。本发明方便实用。

本发明的技术方案是：本发明直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，包括有如下步骤：

1）单个换流阀组可靠性计算；

2）换流阀组系统可靠性计算。

上述步骤1）中单个换流阀组可靠性计算方法包括如下步骤：

1.1）分析构成换流阀组的各元件故障对换流阀组的影响；

以构成换流阀组的四个主要元件换流阀、接地开关、避雷器以及冷却和保护系统作为影响换流阀组整体故障的元件，忽略其它元件对换流阀组故障的影响；这四个主要元件故障对换流阀组的影响为：换流阀故障，则整个换流阀组故障；冷却和保护系统故障，则整个换流阀组故障；而接地开关和避雷器都有一定数量的冗余，冗余元件故障系统仍能正常运行；

1.2）基于各元件故障对换流阀组的影响建立换流阀组的故障树；

1.3）分析故障树，计算换流阀组可靠性；

λ=λ_1s+λ_2s+λ₃+λ₄

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1s}{\mathrm{\γ}}_{1s}+{\mathrm{\λ}}_{2s}{\mathrm{\γ}}_{2s}+{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\γ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4{\mathrm{\γ}}_4}{\mathrm{\λ}}$

$A=\frac{1/\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

$U=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

式中，λ表示换流阀组的故障率；λ_1s、λ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效故障率；λ₃、λ₄分别表示阀系统、冷却和保护系统的故障率；γ表示换流阀组的修复时间；γ_1s、γ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效修复时间；γ₃、γ₄分别表示阀系统、冷却和保护系统的修复时间；A和U分别表示换流阀组的可用率与不可用率；

接地开关与避雷器的等效故障率、等效修复时间：

${\mathrm{\λ}}_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

${\mathrm{\γ}}_s=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

式中，n表示接地开关或避雷器的个数；λ_i、μ_i分别表示单个接地开关或避雷器的故障率、修复时间。

上述步骤2）中换流阀组系统可靠性计算包括如下步骤

特高压直流输电系统单侧由N个换流阀组构成换流阀组系统，每个换流阀组有“运行”和“故障”两种状态，且各换流阀组相互独立，因此采用状态枚举法对整个换流阀组系统进行可靠性计算；

2.1）枚举单侧换流阀组故障事件；

2.2）计算枚举故障事件的概率及频率；

枚举故障事件的概率为：

式中，A_i和U_i分别是第i个换流阀组可用率和不可用率，N_f和N－N_f分别是状态s中失效和未失效的换流阀组数量；

枚举故障事件的频率为： $f\left(s\right)=P\left(s\right)\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k$

式中，λ_k是第k个换流阀组从状态s离开的转移率，当第k个换流阀组在工作，则λ_k是故障率；当第k个换流阀组处于停运，则λ_k是修复率；

2.3）判断枚举故障事件是否完成：未完返回2.1）步再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。

本发明计算方法首先进行单个换流阀组可靠性的计算，包括分析构成换流阀组的各元件故障对换流阀组的影响、基于各元件故障对换流阀组的影响建立换流阀组的故障树、分析故障树，计算换流阀组可靠性；再进行换流阀组系统可靠性计算，包括枚举单侧换流阀组故障事件、计算枚举故障事件的概率及频率、判断枚举故障事件是否完成：未完返回再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。本发明特高压换流阀组系统可靠性计算方法具有模型通用性强，便于推广应用，计算准确性高，计算速度快等特点，可广泛用于双12脉接线的高压直流阀组系统可靠性计算。本发明是一种方便实用的特高压直流输电系统中换流阀组系统可靠性计算方法。

附图说明

图1是特高压直流输电系统换流阀组的故障树图。

图2是特高压直流阀组系统可靠性计算流程图。

图1中，1-换流阀组故障顶事件；2-或门；3-节接地开关故障基本事件；4-避雷器故障基本事件；5-换流阀故障基本事件；6-冷却和保护系统故障基本事件。

具体实施方式

实施例：

本发明特高压直流输电系统中换流阀组系统可靠性计算方法，鉴于换流阀组内部结构比较固定，结合故障树法的特点，首先采用故障树法建立换流阀组可靠性模型，然后采用状态枚举法建立换流阀组系统可靠性模型。具体方法步骤如下：

1）换流阀组可靠性计算

1.1）分析构成换流阀组的各元件故障对换流阀组的影响；

本方法以构成换流阀组的四个主要元件换流阀、接地开关、避雷器以及冷却和保护系统作为影响换流阀组整体故障的元件，忽略其它元件对换流阀组故障的影响；这四个主要元件故障对换流阀组的影响为：换流阀作为换流阀组的核心器件，若该器件发生故障，则整个换流阀组将停止工作；冷却系统故障，换流阀组将不能工作在正常温度范围内而导致故障；而接地开关和避雷器都有一定数量的冗余，冗余元件故障系统仍能正常运行。

1.2）基于各元件故障对换流阀组的影响建立换流阀组的故障树；

故障树分析法是一种使用图形演绎逻辑推理方法，用图说明系统的失效原因，把系统的故障与组成系统的部件的故障有机地联系在一起，可以找出系统全部可能的失效状态。特高压直流输电系统换流阀组的故障树图如图1所示。换流阀组主要由换流阀、阀冷却和保护系统、接地开关和避雷器串联组成，其中接地开关和避雷器采用多个元件并联连接实现冗余备用。

1.3）分析故障树，确定每个换流阀组各组成元件可靠性参数---故障率和修复时间（本方法认为所有的换流阀组对应的各组成元件故障率和修复时间一样），鉴于接地开关和避雷器有冗余，因此可以根据接地开关、避雷器的故障率计算出其等效故障率，再基于这些可靠性参数计算换流阀组可靠性；计算公式如下：

λ=λ_1s+λ_2s+λ₃+λ₄

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1s}{\mathrm{\γ}}_{1s}+{\mathrm{\λ}}_{2s}{\mathrm{\γ}}_{2s}+{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\γ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4{\mathrm{\γ}}_4}{\mathrm{\λ}}$

$A=\frac{1/\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

$U=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

式中，λ表示换流阀组的故障率；λ_1s、λ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效故障率；λ₃、λ₄分别表示换流阀、冷却和保护系统的故障率；γ表示换流阀组的修复时间；γ_1s、γ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效修复时间；γ₃、γ₄分别表示换流阀、冷却和保护系统的修复时间；A和U分别表示换流阀组的可用率与不可用率。

接地开关与避雷器的等效故障率、等效修复时间：

${\mathrm{\λ}}_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

${\mathrm{\γ}}_s=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

式中，n表示接地开关或避雷器的个数；λ_i、μ_i分别表示单个接地开关或避雷器的故障率、修复时间。

2）换流阀组系统可靠性计算

特高压直流输电系统单侧由N个换流阀组构成换流阀组系统，每个换流阀组有“运行”和“故障”两种状态，且各换流阀组是相互独立的，因此采用状态枚举法对整个换流阀组系统进行可靠性计算。

2.1）枚举单侧换流阀组故障事件

2.2）计算枚举故障事件的概率及频率

枚举故障事件的概率为：

式中，A_i和U_i分别是第i个换流阀组可用率和不可用率，N_f和N－N_f分别是状态s中失效和未失效的换流阀组数量；

枚举故障事件的频率为：

$f\left(s\right)=P\left(s\right)\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k$

式中，λ_k是第k个换流阀组从状态s离开的转移率，当第k个换流阀组在工作，则λ_k是故障率；当第k个换流阀组处于停运，则λ_k是修复率；

2.3）判断枚举故障事件是否完成：未完返回2.1）步再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。

以下给出一个具体实施例以帮助理解和说明。

±800kV的特高压直流输电系统单侧由四个换流阀组构成一个换流阀组系统。该直流输电系统单侧换流阀组系统可靠性计算的具体步骤如下：

1）换流阀组可靠性计算

1.1）输入换流阀组四个主要组成元件可靠性参数

λ₁=0.003次/年，λ₂=0.0065次/年，λ₃=0.0322次/年，λ₄=0.1818次/年，μ₁=730.03次/年，μ₂=1095.05次/年，μ₃=1460.03次/年，μ₄=1884.77次/年；其中λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别表示接地开关、避雷器、阀系统、冷却和保护系统的故障率，μ₁、μ₂、μ₃、μ₄分别表示接地开关、避雷器、阀系统、冷却和保护系统的修复率，修复时间为修复率的倒数。

1.2）分析各元件故障对换流阀组的影响

换流阀故障，则整个换流阀组将停止工作；冷却和保护系统故障，换流阀组将不能工作在正常温度范围内而导致故障；而接地开关和避雷器都有一定数量的冗余，冗余元件故障系统仍能正常运行。

1.3）建立换流阀组的故障树

特高压直流输电系统换流阀组的故障树图如附图1所示。本实施例有6个接地开关和12个避雷器。

1.4）分析故障树，计算换流阀组可靠性

接地开关等效故障率 ${\mathrm{\λ}}_{1s}=\frac{6{{\mathrm{\λ}}_1}^6}{{{\mathrm{\μ}}_1}^5}=\frac{{6\×0.003}^6}{{730.03}^5}=2.10948\×{10}^{-29}$ 次/年

接地开关等效修复率μ_1s=6μ₁=6×730.03=4380.18次/年

避雷器等效故障率 ${\mathrm{\λ}}_{2s}=\frac{12{{\mathrm{\λ}}_2}^{12}}{{{\mathrm{\μ}}_2}^{11}}=\frac{{12\×0.0065}^{12}}{{1095.05}^{11}}=2.514\×{10}^{-59}$ 次/年

避雷器等效修复率μ_2s=12μ₂=12×1095.05=13140.6次/年

换流阀组故障率λ=λ_1s+λ_2s+λ₃+λ₄≈0.0322+0.1818=0.214次/年

换流阀组修复时间

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1s}{\mathrm{\γ}}_{1s}+{\mathrm{\λ}}_{2s}{\mathrm{\γ}}_{2s}+{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\γ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4{\mathrm{\γ}}_4}{\mathrm{\λ}}\≈\frac{0.0322/1460.03+0.1818/1884.77}{0.214}=5.53152\×{10}^{-4}$

换流阀组修复率 $\mathrm{\μ}=\frac{1}{\mathrm{\γ}}=\frac{1}{5.53152\×{10}^{-4}}=1807.82$

换流阀组可用率 $A=\frac{1/\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}=\frac{1/5.53152\×{10}^{-4}}{0.214+1/5.53152\×{10}^{-4}}=0.999976$

换流阀组不可用率U=1-A=0.000024

2）换流阀组系统可靠性计算

2.1）枚举单侧换流阀组故障事件

2.2）计算枚举故障事件的概率及频率

换流阀组全部正常P₀=A⁴=0.999976⁴=0.999904

f₀=P₀×4λ=0.999904×4×0.214=0.855918

1个换流阀故障P₁=UA³=0.000024×0.999976³=9.59931×10^-5

f₁=P₁[3λ+μ]=[3×0.214+1807.82]×9.59931×10^-5=0.173599

2个换流阀组故障P₂=U²A²=0.000024²×0.999976²=3.45583×10^-9

f₂=P₂[2λ+2μ]=[2×0.214+2×1807.82]×3.45583×10^-9=1.24965×10^-5

3个换流阀组故障P₃=U³A=0.000024³×0.999976=5.52947×10^-14

f₃=P₃[λ+3μ]=[0.214+3×1807.82]×5.52947×10^-14=2.999×10^-10

4个换流阀组故障P₄=U⁴=0.000024⁴=3.31776×10^-19

f₄=P₄×4μ=4×1807.82×3.31776×10^-19=2.39917×10^-15

2.3）判断枚举故障事件是否完成：未完返回2.1）步再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。

本发明可靠性计算流程如图2所示。

实验结果

±800kV的特高压直流阀组系统单侧由4个换流阀组成，共有2⁴个状态，根据换流阀组系统中换流阀组出现故障的个数进行状态合并，合并之后有五种状态，状态j（j=0,1….,4）表示有j个换流阀组故障。由状态枚举法得到换流阀组系统可靠性结果如下表所示。

状态	概率	频率
			0	0.999904	0.855918
1	9.59931E-05	0.173599
			2	3.45583E-09	1.24965E-05
3	5.52947E-14	2.999E-10
			4	3.31776E-19	2.39917E-15

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，其特征在于包括有如下步骤：

1）单个换流阀组可靠性计算；

2）换流阀组系统可靠性计算。

2.根据权利要求1所述的特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，其特征在于上述步骤1）中单个换流阀组可靠性计算方法包括如下步骤：

1.1）分析构成换流阀组的各元件故障对换流阀组的影响；

以构成换流阀组的四个主要元件换流阀、接地开关、避雷器以及冷却和保护系统作为影响换流阀组整体故障的元件，忽略其它元件对换流阀组故障的影响；这四个主要元件故障对换流阀组的影响为：换流阀故障，则整个换流阀组故障；冷却和保护系统故障，则整个换流阀组故障；而接地开关和避雷器都有一定数量的冗余，冗余元件故障系统仍能正常运行；

1.2）基于各元件故障对换流阀组的影响建立换流阀组的故障树；

1.3）分析故障树，计算换流阀组可靠性；

λ=λ_1s+λ_2s+λ₃+λ₄

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{1s}{\mathrm{\γ}}_{1s}+{\mathrm{\λ}}_{2s}{\mathrm{\γ}}_{2s}+{\mathrm{\λ}}_3{\mathrm{\γ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4{\mathrm{\γ}}_4}{\mathrm{\λ}}$

$A=\frac{1/\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

$U=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+1/\mathrm{\γ}}$

式中，λ表示换流阀组的故障率；λ_1s、λ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效故障率；λ₃、λ₄分别表示阀系统、冷却和保护系统的故障率；γ表示换流阀组的修复时间；γ_1s、γ_2s分别表示接地开关、避雷器的等效修复时间；γ₃、γ₄分别表示阀系统、冷却和保护系统的修复时间；A和U分别表示换流阀组的可用率与不可用率；

接地开关与避雷器的等效故障率、等效修复时间：

${\mathrm{\λ}}_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

${\mathrm{\γ}}_s=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}$

式中，n表示接地开关或避雷器的个数；λ_i、μ_i分别表示单个接地开关或避雷器的故障率、修复时间。

3.根据权利要求1所述特高压直流输电换流阀组系统可靠性计算方法，其特征在于上述步骤2）中换流阀组系统可靠性计算包括如下步骤

特高压直流输电系统单侧由N个换流阀组构成换流阀组系统，每个换流阀组有“运行”和“故障”两种状态，且各换流阀组相互独立，因此采用状态枚举法对整个换流阀组系统进行可靠性计算；

2.1）枚举单侧换流阀组故障事件；

2.2）计算枚举故障事件的概率及频率；

枚举故障事件的概率为：

式中，A_i和U_i分别是第i个换流阀组可用率和不可用率，N_f和N－N_f分别是状态s中失效和未失效的换流阀组数量；

枚举故障事件的频率为： $f\left(s\right)=P\left(s\right)\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k$

式中，λ_k是第k个换流阀组从状态s离开的转移率，当第k个换流阀组在工作，则λ_k是故障率；当第k个换流阀组处于停运，则λ_k是修复率；

2.3）判断枚举故障事件是否完成：未完返回2.1）步再进行故障事件枚举，否则计算整个换流阀组系统可靠性，输出计算结果。

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