CN109064026A - 一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，首先构建拓扑网络，读取当前的开关状态，并进行节点连通性分析；然后结合暂降发生点，进行受扰设备判断；接着建立受扰过程的故障树；最后利用单个设备PIT得到过程综合PIT。本发明能够使得评估结果更接近实际情况，更具备工程应用价值。

Description

一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评 估方法

技术领域

本发明涉及电压暂降分析领域，特别是一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法。

背景技术

随着高端制造业快速发展，包含了大量电压敏感性负荷的工业生产过程对电压暂降十分敏感。电压暂降已成为最严重的电能质量问题，给用户带来了极大的经济损失。对工业用户而言，其更关注的是过程运行状态是否符合工艺要求(包括温度、速度、力矩、压力等)。而过程中断实质是过程物理参数超出限制值所致，不同的工业过程，即使设备具有相同的电压耐受能力，由于工艺要求不同，物理参数限制值也不同，其过程发生中断的时间也不相同，单凭暂降作用下的设备运行状态并不能完全表征暂降对过程的影响情况。

国际供电会议(CIRED)、国际大电网会议(CIGRE)和国际电热联盟(UIE)暂降抗扰力联合工作小组C4.110于2010年提出过程参数免疫时间(Process Immunity Time，PIT)的概念。PIT考虑了过程参数及其变化规律，适用于描述由多种设备组合而成的生产过程，是对工业过程电压暂降抵御能力的综合度量。

目前业界缺乏评估应用PIT的实用方法，采用目前方法的评估结果与实际偏差较大，因此迫切需要一种考虑供电系统实际运行方式的工业过程PIT评估方法，为高端制造企业电压暂降损失评估和暂降治理方案设计提供技术支撑。

现有的PIT评估大多基于故障树模型，根据设备失效、子过程中断与过程中断等事件的逻辑关系和已知的单个设备的PIT来计算全过程的综合PIT。故障树是由生产工艺流程抽象出的事件逻辑关系图，只将某一过程涉及的子过程和设备按逻辑关系全部罗列，而不考虑工艺流程的次序和供电系统接线方式。传统故障树模型的评估结果等同于只考虑了全过程失电的情况，即所有设备同时遭遇电压暂降的最恶劣情况。实际上，高端制造企业供电系统多数配有双路电源，有些还配置有备用电源，而且均尽量采用可靠性更高的运行方式来减小电压暂降的影响范围，使部分关键设备免受电压暂降的威胁。现有方法由于忽略了供电系统实际运行方式不同而导致的电压暂降实际影响范围不同，最终导致PIT评估结果往往过于严格，不符合实际，容易造成错误的经济损失评估和治理方案设计的偏差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，使得评估结果更接近实际情况，更具备工程应用价值。

本发明采用以下方案实现：一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：构建拓扑网络，读取当前的开关状态，并进行节点连通性分析；

步骤S2：结合暂降发生点，进行受扰设备判断；

步骤S3：建立受扰过程的故障树；

步骤S4：利用单个设备PIT得到过程综合PIT。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：把整个企业的供电系统主接线或者只取某一制程的主接线抽象成一个拓扑图；将电源、母线视为节点，变压器、开关元件视为支路；对节点支路进行编号后，用节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]来描述其拓扑结构，其中，a_ij表示节点i与节点j的连通性，当节点i与支路j相联时a_ij＝1，否则a_ij＝0，i,j＝1,2,...,9；当系统中所有开关均闭合，此时的关联矩称为原始关联矩阵，记为A0；

步骤S12：系统当前的运行方式由开关的状态矢量S＝[s_j]表示，开关闭合时，s_j＝1，开关断开时，s_j＝0；将A0的每一行与S中对应元素进行按位与运算得到当前运行方式的节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]；

步骤S13：对于由m个节点、n条支路构成的拓扑网络，由节点-节点连通矩阵C＝[c_ij]表示节点之间的连通性，c_ij＝1表示节点i与节点j通过任一支路连通；c_ij＝0表示节点i与节点j不连通；通过节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]与支路-节点关联矩阵B＝A^T进行布尔矩阵乘法运算得到节点-节点连通矩阵C：

C＝A·B＝A·A^T；

其中，通过一次布尔乘法运算得到的C仅表示节点之间的直接连通性质，称为1级节点-节点连通矩阵C⁽¹⁾；由节点连通性的传递性质以及C的对称性，通过C⁽¹⁾进行布尔自乘运算，得到2级节点-节点连通矩阵：C⁽²⁾＝C⁽¹⁾·C⁽¹⁾，其中，以此不断进行迭代自乘，挖掘节点之间的间接连通关系，直到结果不再发生变化，即C⁽ⁿ⁾＝C^(n-1)·C^(n-1)时，最终连通矩阵C表示了该运行方式下全部的节点连通关系。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：认为与发生暂降的电源节点相连通且不与其他正常工作电源节点相连通的节点会受到暂降源影响，接在该节点上的设备均为受扰设备；受到电压暂降影响的节点用受扰节点矢量D＝[d_i]表示，元素d_i＝1表示节点i遭受暂降，d_i＝0表示节点i不受影响；若有p个电源节点发生电压暂降，q个电源节点正常工作，具体运算过程如下：

式中，s为发生电压暂降的电源节点编号，t为正常工作的电源节点编号。

步骤S22：对于当前运行方式下所有可能的电压暂降发生点以及多暂降源情形，重复步骤S21。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：建立原始生产过程故障树模型；

步骤S32：对步骤S1的原始生产过程故障树进行修正，得到的受扰过程和故障树，用于过程综合PIT的计算。

进一步地，所述步骤S32具体为：根据步骤S2的受扰设备判断结果在原始生产过程故障树上保留受影响且会导致过程中断的部分，删除不受影响的部分。步骤S32的具体操作为：对于通过或门连接的设备或子过程，只在故障树上保留受扰部分；对于通过与门连接的设备或子过程，若受扰设备或过程的备用不受影响，则删除该与门下所有设备和子过程。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：从底层开始，由逻辑门下各个设备的PIT值逐层计算上一级过程的PIT，直至顶事件；

其中，对于由j个设备或子过程通过一个或门连接而成的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最小值：

PIT_os＝min(PIT₁,PIT₂,......PIT_j)；

其中，对于其下k个设备或子过程通过一个与门连接的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最大值：

PIT_as＝max(PIT₁,PIT₂,......PIT_k)；

其中，对于一个包含m个与门和n个或门的生产过程，其综合PIT_p等于或门下各子过程免疫时间和各与门下最大子过程免疫时间中的最小值，由下式得到：

PIT_p＝min(PIT_os1,......PIT_osn,max(PIT_as1,......PIT_asm))；

步骤S42：对供电系统的不同典型运行方式，重复步骤S12至步骤S42，可得对应于不同运行方式和暂降发生点情形的过程综合PIT。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的评估结果更接近实际情况，更具备工程应用价值。PIT的评估结果可作为电压暂降经济损失评估的基础，通过对供电系统典型运行方式下的生产过程PIT进行评估，有利于提高电压暂降经济损失评估的准确性，并且能够有效指导电压暂降的应对措施和暂降治理方案的设计。本发明的方法可适应企业供电系统多运行方式下工业过程的PIT评估。评估对象可以是某一工艺制程，也可以是全厂，可评估企业级和工艺级、设备级的过程中断，适用范围广。本发明在已知单个设备PIT的情况下，即可对过程的电压暂降耐受能力进行评估，避免了对各种工业生产过程进行大量且结果不可复制的测量工作。

附图说明

图1为本发明实施例的某工艺制程接线图。

图2为本发明实施例的原始拓扑图。

图3为本发明实施例的当前状态拓扑图。

图4为本发明实施例的某工业过程的故障树。

图5为本发明实施例的受扰过程故障树。

图6为本发明实施例的方法流程示意图。

图7为本发明实施例的工况1的工艺制程接线图。

图8为本发明实施例的工况1的状态拓扑图。

图9为本发明实施例的工况1的受扰过程故障树1。

图10为本发明实施例的工况1的受扰过程故障树2。

图11为本发明实施例的工况1的受扰过程故障树3。

图12为本发明实施例的工况2的状态拓扑图。

图13为本发明实施例的工况2受扰过程故障树。

图14为本发明实施例的工况3的状态拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图6所示，本实施例提供了一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：构建拓扑网络，读取当前的开关状态，并进行节点连通性分析；

步骤S2：结合暂降发生点，进行受扰设备判断；

步骤S3：建立受扰过程的故障树；

步骤S4：利用单个设备PIT得到过程综合PIT。

在本实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：把整个企业的供电系统主接线或者只取某一制程的主接线抽象成一个拓扑图；将电源、母线视为节点，变压器、开关元件视为支路；对节点支路进行编号后，用节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]来描述其拓扑结构，其中，a_ij表示节点i与节点j的连通性，当节点i与支路j相联时a_ij＝1，否则a_ij＝0，i,j＝1,2,...,9；当系统中所有开关均闭合，此时的关联矩称为原始关联矩阵，记为A0；

如图1所示，在本实施例中，某工艺流程的供电系统电气一次主接线图如图1所示，该工艺流程共涉及8个设备，正常运行状态下，由双电源供电。若1#电源进线发生电压暂降，只有设备1、2、5、6会遭受影响，而设备3、4、7、8不受影响。故评估此过程的综合PIT只需考察可能受影响的设备的PIT。只有当双电源同时发生电压暂降时才会出现传统故障树分析所描述的情形；图1所示的主接线图可转化为图2所示的拓扑网络；

步骤S12：系统当前的运行方式由开关的状态矢量S＝[s_j]表示，开关闭合时，s_j＝1，开关断开时，s_j＝0；图1所示的运行状态可由下式表示：

S＝(1 1 0 1 1 1 1 0 0)；

将A0的每一行与S中对应元素进行按位与运算得到如图3所示的当前运行方式的节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]：

步骤S13：对于由m个节点、n条支路构成的拓扑网络，由节点-节点连通矩阵C＝[c_ij]表示节点之间的连通性，c_ij＝1表示节点i与节点j通过任一支路连通；c_ij＝0表示节点i与节点j不连通；通过节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]与支路-节点关联矩阵B＝A^T进行布尔矩阵乘法运算得到节点-节点连通矩阵C：

C＝A·B＝A·A^T；

其中，通过一次布尔乘法运算得到的C仅表示节点之间的直接连通性质，称为1级节点—节点连通矩阵C⁽¹⁾：

由节点连通性的传递性质以及C的对称性，通过C⁽¹⁾进行布尔自乘运算，得到2级节点—节点连通矩阵：C⁽²⁾＝C⁽¹⁾·C⁽¹⁾，其中，

以此不断进行迭代自乘，挖掘节点之间的间接连通关系，直到结果不再发生变化，即C⁽ⁿ⁾＝C^(n-1)·C^(n-1)时，最终连通矩阵C表示了该运行方式下全部的节点连通关系：

在本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤21：认为与发生暂降的电源节点相连通且不与其他正常工作电源节点相连通的节点会受到暂降源影响，接在该节点上的设备均为受扰设备；受到电压暂降影响的节点用受扰节点矢量D＝[d_i]表示，元素d_i＝1表示节点i遭受暂降，d_i＝0表示节点i不受影响；若1#电源进线处(节点1)发生电压暂降，则有：

D＝[1 0 0 0 0 0 0 0]；

若有p个电源节点发生电压暂降，q个电源节点正常工作，具体运算过程如下：

式中，s为发生电压暂降的电源节点编号，t为正常工作的电源节点编号。

判断表明5号、7号节点受1号节点电压暂降影响，接在这两段母线上的设备将遭受电压暂降，即受扰设备有：设备1、设备2、设备5、设备6。

步骤S22：对于当前运行方式下所有可能的电压暂降发生点以及多暂降源情形，重复步骤S21。

在本实施例中，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：分析产品的工艺流程和设备的功能划分，建立原始生产过程故障树模型；故障树的顶事件、中间事件、底事件分别为过程中断、子过程中断、设备失效，各级事件之间通过逻辑与(AND)和逻辑或(OR)连接。由于事件均为“失败”，故与或门表示的串并联关系与一般意义相反，即“或门”下的任何一个事件发生都会导致上一级事件发生；而只有当“与门”下所有事件都发生才导致上一级事件发生；

某工业过程的故障树如图4所示。该过程包含2个子过程，通过或门连接，任一子过程中断都将导致过程中断。子过程1由设备1-4组成，通过或门连接，任一设备失效均导致子过程1中断；子过程2包括2个2级子过程，接于与门下，表示互为备用，只有两个2级子过程都中断，上一级子过程才中断。

步骤S32：对步骤S1的原始生产过程故障树进行修正；得到的受扰过程和故障树，如图5所示，用于过程综合PIT的计算。

在本实施例中，所述步骤S32具体为根据步骤S2的受扰设备判断结果在原始生产过程故障树上保留受影响且会导致过程中断的部分，删除不受影响的部分。步骤S32的具体操作为：对于通过或门连接的设备或子过程，只在故障树上保留受扰部分；对于通过与门连接的设备或子过程，若受扰设备或过程的备用不受影响，则删除该与门下所有设备和子过程。

在本实施例中，步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：从底层开始，由逻辑门下各个设备的PIT值逐层计算上一级过程的PIT，直至顶事件；

其中，对于由j个设备或子过程通过一个或门连接而成的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最小值：

PIT_os＝min(PIT₁,PIT₂,......PIT_j)；

其中，对于其下k个设备或子过程通过一个与门连接的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最大值：

PIT_as＝max(PIT₁,PIT₂,......PIT_k)；

其中，对于一个包含m个与门和n个或门的生产过程，其综合PIT_p等于或门下各子过程免疫时间和各与门下最大子过程免疫时间中的最小值，由下式得到：

PIT_p＝min(PIT_os1,......PIT_osn,max(PIT_as1,......PIT_asm))；

对于上例，可得PIT_p＝min(PIT₁,PIT₂)。

步骤S42：对供电系统的不同典型运行方式，重复步骤S12至步骤S42，可得对应于不同运行方式和暂降发生点情形的过程综合PIT。

为了验证不同工况下工业过程PIT的差异。下对比三种工况下不同故障情形对应的PIT评估结果。

工况1：正常运行(双电源供电，母联断开)。

受扰设备判断如下：其中，工况1的工艺制程接线图如图7所示，状态拓扑图如图8所示。此时：

S＝(1 1 0 1 1 1 1 0 0)；

若单电源发生电压暂降：

故障1：1号节点发生电压暂降，由连通矩阵知，该点与5、7号节点连通，设备1、2、5、6受影响。

故障2：2号节点发生电压暂降，由连通矩阵知，该节点与6、8号节点连通，受扰设备为：设备3、4、7、8。

由于子过程2下的2级子过程互为备用，该运行方式下，任一单电源进线发生电压暂降都不会导致两个2级子过程同时中断。

图9中，PIT₁₁＝min(PIT₁,PIT₂)；图10中，PIT₁₂＝min(PIT₃,PIT₄)。

双电源同时发生电压暂降，则所有设备均受影响。图11中，PIT₂＝min(PIT₁,PIT₂,PIT₃,PIT₄，max(min(PIT₅,PIT₆),max(PIT₇,PIT₈)))。

工况2：检修状态(单电源检修，全部负荷由另一电源供电)。受扰设备判断如下：其中，工况2的状态拓扑图如图12所示。此时：

S＝(1 0 1 1 1 0 0 1 1)；

若唯一的电源发生电压暂降，由连通矩阵知，5、6、7、8号母线均受影响。所有设备暴露在电压暂降威胁下，其中，受扰过程故障树如图13所示。图中，PIT₂＝min(PIT₁,PIT₂,PIT₃,PIT_4，max(min(PIT₅,PIT₆),max(PIT₇,PIT₈)))。

工况3：所有开关均闭合的运行状态。图14为工况3的状态拓扑图。此时：

S＝(1 1 1 1 1 1 1 1 1)；

由于此运行状态下所有母线均有双电源供电，单电源发生电压暂降不会使任何设备受到影响。此种工况下，电压暂降耐受能力最强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：构建拓扑网络，读取当前的开关状态，并进行节点连通性分析；

步骤S2：结合暂降发生点，进行受扰设备判断；

步骤S3：建立受扰过程的故障树；

步骤S4：利用单个设备PIT得到过程综合PIT。

2.根据权利要求1所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：把整个企业的供电系统主接线或者只取某一制程的主接线抽象成一个拓扑图；将电源、母线视为节点，变压器、开关元件视为支路；对节点支路进行编号后，用节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]来描述其拓扑结构，其中，a_ij表示节点i与节点j的连通性，当节点i与支路j相联时a_ij＝1，否则a_ij＝0，i,j＝1,2,...,9；当系统中所有开关均闭合，此时的关联矩称为原始关联矩阵，记为A0；

步骤S12：系统当前的运行方式由开关的状态矢量S＝[s_j]表示，开关闭合时，s_j＝1，开关断开时，s_j＝0；将A0的每一行与S中对应元素进行按位与运算得到当前运行方式的节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]；

步骤S13：对于由m个节点、n条支路构成的拓扑网络，由节点-节点连通矩阵C＝[c_ij]表示节点之间的连通性，c_ij＝1表示节点i与节点j通过任一支路连通；c_ij＝0表示节点i与节点j不连通；通过节点-支路关联矩阵A＝[a_ij]与支路-节点关联矩阵B＝A^T进行布尔矩阵乘法运算得到节点-节点连通矩阵C：

C＝A·B＝A·A^T；

其中，通过一次布尔乘法运算得到的C仅表示节点之间的直接连通性质，称为1级节点-节点连通矩阵C⁽¹⁾；由节点连通性的传递性质以及C的对称性，通过C⁽¹⁾进行布尔自乘运算，得到2级节点-节点连通矩阵：C⁽²⁾＝C⁽¹⁾·C⁽¹⁾，其中，以此不断进行迭代自乘，挖掘节点之间的间接连通关系，直到结果不再发生变化，即C⁽ⁿ⁾＝C^(n-1)·C^(n-1)时，最终连通矩阵C表示了该运行方式下全部的节点连通关系。

3.根据权利要求2所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：认为与发生暂降的电源节点相连通且不与其他正常工作电源节点相连通的节点会受到暂降源影响，接在该节点上的设备均为受扰设备；受到电压暂降影响的节点用受扰节点矢量D＝[d_i]表示，元素d_i＝1表示节点i遭受暂降，d_i＝0表示节点i不受影响；若有p个电源节点发生电压暂降，q个电源节点正常工作，具体运算过程如下：

式中，s为发生电压暂降的电源节点编号，t为正常工作的电源节点编号。

步骤S22：对于当前运行方式下所有可能的电压暂降发生点以及多暂降源情形，重复步骤S21。

4.根据权利要求3所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：建立原始生产过程故障树模型；

步骤S32：对步骤S1的原始生产过程故障树进行修正，得到的受扰过程和故障树，用于过程综合PIT的计算。

5.根据权利要求4所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：所述步骤S32具体为：根据步骤S2的受扰设备判断结果在原始生产过程故障树上保留受影响且会导致过程中断的部分，删除不受影响的部分。

6.根据权利要求5所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：步骤S32的具体操作为：对于通过或门连接的设备或子过程，只在故障树上保留受扰部分；对于通过与门连接的设备或子过程，若受扰设备或过程的备用不受影响，则删除该与门下所有设备和子过程。

7.根据权利要求4所述的一种考虑供电系统运行方式的工业过程过程参数免疫时间评估方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：从底层开始，由逻辑门下各个设备的PIT值逐层计算上一级过程的PIT，直至顶事件；

其中，对于由j个设备或子过程通过一个或门连接而成的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最小值：

PIT_os＝min(PIT₁,PIT₂,......PIT_j)；

其中，对于其下k个设备或子过程通过一个与门连接的过程或子过程，其PIT等于各个设备和子过程的PIT的最大值：

PIT_as＝max(PIT₁,PIT₂,......PIT_k)；

其中，对于一个包含m个与门和n个或门的生产过程，其综合PIT_p等于或门下各子过程免疫时间和各与门下最大子过程免疫时间中的最小值，由下式得到：

PIT_p＝min(PIT_os1,......PIT_osn,max(PIT_as1,......PIT_asm))；

步骤S42：对供电系统的不同典型运行方式，重复步骤S12至步骤S42，可得对应于不同运行方式和暂降发生点情形的过程综合PIT。