CN109658002A - 考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，包括：获得电力电子装置设计拓扑后，分析装置与其控保系统存在的竞争失效故障模式，并设计反映该竞争失效模式的功能相关概率逻辑电路；根据装置的工作模式和物理结构拆解各类功能子系统，结合控保系统竞争失效的逻辑电路，建立涵盖控保竞争失效的故障树；考虑装置实际的故障运行策略，计算故障树中各子系统的可靠性参数；建立基于Markov状态转移过程的可靠性模型，得到相关可靠性参数。本发明建立了电力电子装置的控保系统动作失效模式，丰富了装置故障模式的分析过程；对电力电子装置故障树的分析，充分考虑了控保系统竞争失效的功能相关概率逻辑以及故障运行策略。

Description

考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统可靠性评估的技术领域，更为具体地，涉及一种考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法。

背景技术

电力电子技术的快速发展和广泛应用，其元件的可控化、集成化等特性，能够大大提高电网的工作运行效率，这使得电力电子装置是现代电力系统中关键核心组成部分。电力电子装置的应用能够有效支撑各类新能源并网、交直流混联系统高效运行，有利于实现电力资源的优化配置、改善电能质量，因此大量电力电子装置接入电网后，装置本身的故障率将直接影响对用户的供能服务。而在实际应用中，复杂的运行工况、控制保护系统的设计以及器件本身的可靠性水平等因素都对电力电子装置的可靠性造成不同程度的影响。电力电子装置可靠性模型的建立有利于完善电网可靠性评估，提高电网规划工作的合理性。因此，建立电力电子装置的可靠性模型也成为了电力系统可靠性评估领域的研究热点。

现有针对电力电子装置的可靠性研究，大多基于元件的恒故障率模型展开，采用故障树分析法、状态转移法、可靠性方框图等将电力电子装置故障与所有主要组成元件的故障联系在一起。但在实际运行过程中，造成电力电子装置失效的过程是由各种失效模式过程共同影响而成，电力电子装置的故障很多是由于控制保护系统的动作造成装置处在停运阶段，而仅有元件故障这一失效模式得到装置故障概率，并不能反映控保动作指令对于电力电子装置工作状态的影响。因此，将控制保护系统的动作指令影响纳入装置可靠性模型是十分必要的。

目前，考虑不同失效模式对于装置功能的影响，可以利用竞争失效的概念去刻画，竞争失效就是指在一个装置运行周期内，其失效是由于最先产生的失效模式造成的。而电力电子装置正常工作运行总是概率性地依赖于控保动作指令，可以利用功能相关概率(probabilistic-functional-dependence,PFD)对这一相关性进行刻画，控保动作指令导致电力电子停运也可以看作一种区别于传统器件故障的失效模式，所以，电力电子装置在实际运行中，装置内部元件故障失效和外部因素造成的控保系统动作失效这两种失效模式之间存在着竞争关系，现有电力电子装置可靠性研究鲜有涉及对这一故障失效因素的考虑。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目是提供一种考虑控制保护系统动作指令的电力电子装置可靠性模型，不仅充分有效地将装置内部器件故障影响及故障运行策略纳入可靠性分析，还考虑了控保系统动作使电力电子装置失效的模式，从而建立了一个更能反映电力电子装置实际故障状态的装置可靠性模型。

为了实现上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现的：

考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，包括如下步骤：

1)获得电力电子装置设计拓扑，分析电力电子装置的失效过程，得到由于控保系统动作造成的失效模式，分析该失效模式与其他失效模式之间的竞争关系，利用功能相关概率进行定量计算，并建立相关逻辑电路；

2)基于电力电子装置的工作模式和物理结构，根据工作原理拆解各类子系统，分析子系统故障机理，结合控保系统竞争失效的逻辑电路，建立每个子系统内部故障树模型，生成考虑控保竞争失效的电力电子装置故障集合；

3)结合各个子系统的故障运行策略，划分无备用、冷备用及热备用三种故障备用策略，进而对各个功能子系统的可靠性参数进行计算，建立子系统的两状态空间图；

4)利用子系统的串、并联可靠性等值方法，将各子系统的状态空间图组合成整个装置系统的状态空间图，建立基于Markov状态转移过程的电力电子装置可靠性模型并计算等效可靠性参数。

进一步地，步骤1中所述的建立控保系统竞争失效模式和用于定量计算的功能相关概率，包括：

A、将电力电子装置的失效过程分成两类：装置内部元件故障失效和外部因素造成的控保系统动作失效。

B、分析两种失效模式的竞争关系：当装置元件故障失效模式先出现时，其对应的功能系统进入故障停运状态，导致整个电力电子装置失效；

当外部因素造成的控保系统动作失效模式先出现时，动作指令接受会导致对应的功能系统进入跳闸保护状态，电力电子装置停运；如果在当前工作状态下，电力电子装置运行裕度充足，电力电子装置拒绝执行该指令时，系统依旧正常工作；如果运行裕度不足，会导致元件损坏，进而引发电力电子装置内部故障失效模式，电力电子装置故障停运；

C、利用功能相关概率(probabilistic-functional-dependence,PFD)对竞争模式进行描述：

p_off(t)＝p_{signal_accept}(t)+(1-p_{signal_accept}(t))*(1-p_{signal_margin}(t))

其中p_off(t)表示外部因素造成的控保系统动作失效模式出现的概率，p_{signal_accept}(t)控保系统发出跳闸动作指令的概率，p_{signal_margin}(t)表示跳闸动作指令发出时，装置运行裕度足够的概率，即该动作指令属于过保护动作。

D、建立功能概率相关逻辑门电路(probabilistic-functional-dependencegate,PFDG)，利用触发门电路刻画外部因素造成的控保系统动作失效概率，将上述竞争失效模式纳入后续故障树分析之中。

进一步地，步骤2中的所述各类子系统包括但不限于交直流线路子系统、容性设备子系统、输入级子系统、隔离级子系统、输出级子系统、控制保护子系统。

进一步地，步骤3中所述的对各个功能子系统的可靠性参数进行计算，包括：

A、对于无备用和冷备用的装置部分等效可靠性参数计算，可以用状态转移图来模拟元件的运行、检修、安装3个随机过程，三种状态的概率分别为p₁,p₂,p₃，λ为元件的故障率，次/a；μ为元件的修复率，次/a；γ为元件的安装率，次/a，利用状态转移矩阵A来构建方程求解；

则该部分等效故障率和等效修复率如下所示，

B、对于热备用的装置部分进行等效可靠性参数计算，假设总共有n个子模块，只要有k个子模块正常运行则系统正常运行；当运行中的子模块故障则退出运行，由备用的子模块迅速进入工作状态，保证系统正常运行不受影响，此时采用k/n(G)模型来进行等效，假设元件正常工作概率为p(t)，则该部分可靠度函数、其平均等效故障率和等效修复率依次如下所示：

μ_eq＝(n-k+1)μ

进一步地，所述的各个子系统的故障运行策略，包括：

交直流线路子系统采用无备用模式，容性设备子系统采用冷备用的策略，输入级子系统、隔离级子系统、输出级子系统以及控制保护子系统采用热备用的策略。

进一步地，步骤4中整个系统的可靠性评估模型为各个子系统的可靠性评估模型串联而成。

进一步地，电力电子装置的等效可靠性参数计算公式为：

式中：λ_eqi和μ_eqi分别为各个子系统的等效故障率和等效修复率，λ_PET是电力电子变压器的等效故障率，r_PET是每次故障平均修复时间。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明采用故障树分析法充分考虑了电力电子装置各种组成元件的故障影响，并利用无备用、冷备用、热备用三种模式将装置的故障运行策略充分考虑进故障树的逻辑建模中，能够较为全面地反映不同结构、不同器件以及不同备用冗余策略对电力电子装置的可靠性水平影响；

2、本发明建立了电力电子装置控保系统的竞争失效模式，并给出用于定量计算的功能相关概率，从而能够有效地反映控保动作指令对于装置停运的影响；并进一步建立了功能概率相关逻辑门电路，利用触发门电路刻画外部因素造成的控保系统动作失效概率，将上述竞争失效模式纳入故障树的逻辑建模中，有效丰富了电力电子装置故障模式的分析过程。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为本发明的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法的流程图；

图2为本发明的电力电子变压器内部元件故障失效造成的控保系统动作失效逻辑图；

图3为本发明的电力电子变压器因外部因素造成的控保系统动作失效逻辑图；

图4为本发明的电力电子变压器控保动作与子系统故障停运的功能相关概率门电路示意图；

图5为本发明的考虑控保竞争的电力电子变压器故障树模型；

图6为本发明的电力电子变压器装置状态空间图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

本发明提出的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法流程，如图1所示，基本思路是先分析电力电子装置存在的控保系统竞争失效模式及刻画方法，然后拆解电力电子装置功能子系统，再结合失效模式及故障运行策略建立装置故障树，最后完成子系统状态空间图后最终建立基于Markov状态转移过程的电力电子装置可靠性模型，下面以电力电子变压器为实施例，介绍具体的步骤：

步骤1，获得电力电子变压器设计拓扑，分析电力电子变压器的失效过程，如图2和图3所示，将电力电子变压器的失效过程分成两类：电力电子变压器内部元件故障失效和外部因素造成的控保系统动作失效；然后进一步分析两种失效模式的竞争关系：当电力电子变压器内部元件故障失效模式先出现时，其对应的功能系统进入故障停运状态，导致整个电力电子变压器失效；当外部因素造成的控保系统动作失效模式先出现时，动作指令接受会导致对应的功能系统进入跳闸保护状态，电力电子变压器停运；如果在当前工作状态下，电力电子变压器运行裕度充足，则电力电子变压器拒绝执行该指令时，系统依旧正常工作；如运行裕度不足，会导致电力电子变压器内部元件损坏，进而引发电力电子变压器内部故障失效模式，电力电子变压器故障停运。

见图3，利用功能相关概率(probabilistic-functional-dependence,PFD)对外部因素造成的控保系统动作失效竞争模式进行描述：

p_off(t)＝p_{signal_accept}(t)+(1-p_{signal_accept}(t))*(1-p_{signal_margin}(t)) (1)

其中p_off(t)表示外部因素造成的控保系统动作失效模式出现的概率，p_{signal_accept}(t)控保系统发出跳闸动作指令的概率，p_{signal_margin}(t)表示跳闸动作指令发出时，装置运行裕度足够的概率，即该动作指令属于过保护动作。

建立功能概率相关逻辑门电路(probabilistic-functional-dependence gate,PFDG)，利用触发门电路刻画外部因素造成的控保系统动作失效概率，如图4所示。

步骤2，基于电力电子变压器的工作模式和物理结构，根据其工作原理拆解各类子系统，电力电子变压器装置被拆成交直流线路子系统、容性设备子系统、输入级子系统、隔离级子系统、输出级子系统、控制保护子系统等子系统，最终结合控保系统动作失效的逻辑电路，建立每个子系统内部故障树模型，从而形成电力电子变压器故障集合，如图5所示。

步骤3，考虑子系统的运行故障策略，将其故障策略划分无备用、冷备用及热备用三种故障备用策略，计算出各子系统可靠性参数，并建立两状态：故障和运行的稳态Markov状态转移模型；其中，

A、对于无备用和冷备用的装置部分等效可靠性参数计算，可以用状态转移图来模拟元件的运行、检修、安装3个随机过程，三种状态的概率分别为p₁,p₂,p₃，λ为元件的故障率，次/a；μ为元件的修复率，次/a；γ为元件的安装率，次/a，利用状态转移矩阵A来构建方程求解，

则该部分等效故障率和等效修复率依次如下所示，

B、对于换流阀这类采用热备用的装置部分进行等效可靠性参数计算，假设总共有n个子模块，只要有k个子模块正常运行则系统正常运行。当运行中的子模块故障则退出运行，由备用的子模块迅速进入工作状态，保证系统正常运行不受影响，此时采用k/n(G)模型来进行等效，假设元件正常工作概率为p(t)，则该部分可靠度函数、其平均等效故障率和等效修复率依次如下所示：

μ_eq＝(n-k+1)μ (6)

在此处，交直流线路子系统采用无备用模式，容性设备子系统采用1个冷备用的策略，输入级子系统、隔离级子系统以及输出级子系统则采用热备用，控制保护子系统采用2个热备用系统。其中，由于电力电子变压器控制电路可以在主电路元件发生故障时采用冗余切换等策略，实现电力电子变压器维持正常运行，当某个DAB故障时，通过拓扑结构变化，利用剩余的DAB配合级联H桥整流器共同维持交流侧、直流侧的性能，因此采用k/n的逻辑思路将该故障运行策略考虑进去，如图5所示。

步骤4，各个子系统按照上述步骤建立两状态模型，每个子系统都对整个系统的运行有着重要的影响，每个子模块故障，系统都要退出运行状态，因此整个系统的可靠性评估模型可以看作是各个子系统的可靠性评估模型串联而成，将各个子系统的状态空间图组合成整个装置系统的状态空间图，建立基于Markov状态转移过程的电力电子变压器装置可靠性模型，如图6所示，并按如下公式计算等效可靠性参数：

式中：λ_eqi和μ_eqi分别为各个子系统的等效故障率和等效修复率，λ_PET是电力电子变压器的等效故障率，r_PET是每次故障平均修复时间。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (7)

1.考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获得电力电子装置设计拓扑，分析电力电子装置的失效过程，得到由于控保系统动作造成的失效模式，分析该失效模式与其他失效模式之间的竞争关系，利用功能相关概率进行定量计算，并建立相关逻辑电路；

2)基于电力电子装置的工作模式和物理结构，根据工作原理拆解各类子系统，分析子系统故障机理，结合控保系统竞争失效的逻辑电路，建立每个子系统内部故障树模型，生成考虑控保竞争失效的电力电子装置故障集合；

3)结合各个子系统的故障运行策略，划分无备用、冷备用及热备用三种故障备用策略，进而对各个功能子系统的可靠性参数进行计算，建立子系统的两状态空间图；

4)利用子系统的串、并联可靠性等值方法，将各子系统的状态空间图组合成整个装置系统的状态空间图，建立基于Markov状态转移过程的电力电子装置可靠性模型并计算等效可靠性参数。

2.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模，其特征在于，步骤1中所述的建立控保系统竞争失效模式和用于定量计算的功能相关概率，包括：

A、将电力电子装置的失效过程分成两类：装置内部元件故障失效和外部因素造成的控保系统动作失效。

B、分析两种失效模式的竞争关系：当装置元件故障失效模式先出现时，其对应的功能系统进入故障停运状态，导致整个电力电子装置失效；

当外部因素造成的控保系统动作失效模式先出现时，动作指令接受会导致对应的功能系统进入跳闸保护状态，电力电子装置停运；如果在当前工作状态下，电力电子装置运行裕度充足，电力电子装置拒绝执行该指令时，系统依旧正常工作；如果运行裕度不足，会导致元件损坏，进而引发电力电子装置内部故障失效模式，电力电子装置故障停运；

C、利用功能相关概率(probabilistic-functional-dependence,PFD)对竞争模式进行描述：

p_off(t)＝p_{signal_accept}(t)+(1-p_{signal_accept}(t))*(1-p_{signal_margin}(t))

其中p_off(t)表示外部因素造成的控保系统动作失效模式出现的概率，p_{signal_accept}(t)控保系统发出跳闸动作指令的概率，p_{signal_margin}(t)表示跳闸动作指令发出时，装置运行裕度足够的概率，即该动作指令属于过保护动作。

D、建立功能概率相关逻辑门电路(probabilistic-functional-dependence gate,PFDG)，利用触发门电路刻画外部因素造成的控保系统动作失效概率，将上述竞争失效模式纳入后续故障树分析之中。

3.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，其特征在于，步骤2中的所述各类子系统包括但不限于交直流线路子系统、容性设备子系统、输入级子系统、隔离级子系统、输出级子系统、控制保护子系统。

4.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模，其特征在于，步骤3中所述的对各个功能子系统的可靠性参数进行计算，包括：

A、对于无备用和冷备用的装置部分等效可靠性参数计算，可以用状态转移图来模拟元件的运行、检修、安装3个随机过程，三种状态的概率分别为p₁,p₂,p₃，λ为元件的故障率，次/a；μ为元件的修复率，次/a；γ为元件的安装率，次/a，利用状态转移矩阵A来构建方程求解；

则该部分等效故障率和等效修复率如下所示，

B、对于热备用的装置部分进行等效可靠性参数计算，假设总共有n个子模块，只要有k个子模块正常运行则系统正常运行；当运行中的子模块故障则退出运行，由备用的子模块迅速进入工作状态，保证系统正常运行不受影响，此时采用k/n(G)模型来进行等效，假设元件正常工作概率为p(t)，则该部分可靠度函数、其平均等效故障率和等效修复率依次如下所示：

μ_eq＝(n-k+1)μ

5.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，其特征在于，所述的各个子系统的故障运行策略，包括：

交直流线路子系统采用无备用模式，容性设备子系统采用冷备用的策略，输入级子系统、隔离级子系统、输出级子系统以及控制保护子系统采用热备用的策略。

6.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，其特征在于，步骤4中整个系统的可靠性评估模型为各个子系统的可靠性评估模型串联而成。

7.如权利要求1所述的考虑控保系统竞争失效的电力电子装置可靠性建模方法，其特征在于，电力电子装置的等效可靠性参数计算公式为：

式中：λ_eqi和μ_eqi分别为各个子系统的等效故障率和等效修复率，λ_PET是电力电子变压器的等效故障率，r_PET是每次故障平均修复时间。