CN110580372B - 基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法，具体过程为：确定影响表决器可靠度变化的因素为硬件初始失效率及表决次数，设计功率控制单元可靠度R_s，根据功率控制单元可靠度R_s，设计表决系统。本发明考虑了表决器不完全可靠情形下系统可靠度的计算方法，并在计算中考虑了因表决次数而引起的冲击对表决器可靠性产生的影响，给出了当表决器不完全可靠时单个SSPC可靠度、所需表决系统参数k、n与表决器初始失效率下限之间的关系，利用该关系所设计的表决器能够满足功率控制单元可靠度的要求。

Description

基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法

技术领域

本发明属于表决系统可靠性设计技术领域，具体涉及一种基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法。

背景技术

功率控制单元具备短路保护、过流保护、I²t反时限保护等功能，能实现电压、电流、温度以及反映设备工作状态的参数测量，并能实现短路、开路、过温等故障的检测。其核心是固态功率控制器(Solid-State Power Controller，简称SSPC)，也称为配电通道，如图1所示。

为满足多个不同功率负载的需求，在实际应用中，功率控制单元通常由多块功率控制板卡构成，且每块板卡上配置若干个配电通道，如图1所示。

k/n[G]表决系统，即要求当组成系统的n个组件中有k个及k个以上完好时，系统才能正常工作，如图2所示。

分组的k/n[G]表决系统即根据各部分对k取值的不同要求将整个系统分成若干个表决系统，每个表决系统均按照k/n[G]表决系统的方法进行设计。

在当前的研究中，绝大部分文献都假设k/n[G]表决系统表决器可靠度为1。

在功率控制单元的设计问题上，目前常用的是一备一热备冗余设计。一备一热备冗余设计一般分为“先串后并”和“先并后串”两种情形，如图3和图4所示。

关于二者的可靠度计算方法有许多成熟结果，且已得出“先并后串”情形的可靠度比“先串后并”情形的可靠度高的结论。

当前基于一备一热备冗余设计的表决系统所需SSPC数量多，设计成本高，同时，板卡空间体积也会对这种设计造成较大限制，不适用于小型化设计。

发明内容

有鉴于此，针对基于一备一热备冗余设计的表决系统所需SSPC数量多，设计成本高的问题，本发明提供一种基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法，利用该方法所设计的功率控制单元能够满足要求的可靠度。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法，具体过程为：

确定影响表决器可靠度变化的因素为硬件初始失效率及表决次数，设计功率控制单元可靠度R_s如式(3)所示：

其中，l表示功率控制单元所含表决系统总数，k_i表示第i个表决系统的参数k取值，n_i表示第i个表决系统的参数n取值，且

λ_v(x)表示表决器硬件的失效率，x表示表决次数，m表示热备冗余的串联个数；

根据功率控制单元可靠度R_s，设计表决系统。

进一步地，本发明所述表决器的失效率λ_v(x)与表决次数x之间的关系为λ_v(x)＝λ₀+0.001xP(x＝a)，λ₀表示表决器的初始失效率，

λ表示单个SSPC的失效率，a＝0,1,2,…。

当给定所期待的功率控制单元可靠度时，可以在单个SSPC失效率λ给定时作表决器初始失效率λ₀随表决系统参数k及n取值变化的图像，得到关系映射表，并分析三者关系。

进一步地，本发明当单个SSPC的失效率及所需的功率控制单元可靠度R_s确定时，根据公式(3)设计表决系统参数k、n以及表决器初始失效率下限。

进一步地，本发明当单元SSPC数量下限参数k及所需的功率控制单元可靠度R_s确定时，根据公式(3)设计表决系统参数n、SSPC失效率λ及表决器初始失效率下限。

有益效果

本发明基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法，考虑了表决器不完全可靠情形下系统可靠度的计算方法，并在计算中考虑了因表决次数而引起的冲击对表决器可靠性产生的影响，给出了当表决器不完全可靠时单个SSPC失效率、所需表决系统参数k、n与表决器初始失效率下限之间的关系，利用该关系所设计的表决器能够满足功率控制单元可靠度的要求。

附图说明

图1为功率控制板卡配置示意图；

图2为k/n[G]表决系统示意图；

图3为“先串后并”示意图；

图4为“先并后串”示意图；

图5为SSPC失效率确定时参数k、n及表决器初始失效率下限关系示意图；

图6为SSPC失效率确定时参数k、n及表决器初始失效率下限关系三维图；

图7为参数k确定时SSPC失效率、参数n及表决器初始失效率下限关系示意图；

图8为参数k确定时SSPC失效率、参数n及表决器初始失效率下限关系三维图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明的设计思想为：本发明考虑的是表决器不完全可靠的情形，将表决器的可靠度变化分为由硬件初始失效率引起的变化及由表决次数增加引起的可靠度变化进行分析。

本发明提出的一种基于分组的k/n[G]表决系统可靠性设计方法，具体过程为：

确定单个SSPC可靠度：

本发明所讨论的可靠度均假设所用SSPC服从相同指数分布，则单个SSPC的可靠度R₀可表示为：

R₀＝R₀(t)＝e^-λt (1)

式(1)中，λ表示单个SSPC的失效率，t表示工作时间，单位是小时。

传统的功率控制单元的可靠度确定基于一备一热备冗余设计：

基于一备一热备冗余的功率控制单元可靠度R_s.h可表示为：

R_s.h＝R_s.h(t)＝(2e^-λt-e^-2λt)^m (2)

式(2)中，m表示热备冗余的串联个数。

对于基于分组的k/n[G]表决系统设计，确定当表决器不完全可靠时的表决器可靠度，即表决器的可靠度不为1，假设表决器可靠度服从指数分布：

在表决器可靠度为R_v＜1时，功率控制单元的可靠度R_s可表示为：

式(3)中，l表示功率控制单元所含表决系统总数，k_i表示第i个表决系统的参数k取值，n_i表示第i个表决系统的参数n取值，且

λ_v(x)表示表决器的失效率，x表示表决次数，m表示热备冗余的串联个数。

设表决器的失效率λ_v(x)与表决次数x间的关系为λ_v(x)＝λ₀+0.001xP(x＝a)，其中，λ₀表示表决器的初始失效率。再假设SSPC的故障发生次数服从参数为λ的泊松分布，即

其中λ与单个SSPC失效率定义相同，a＝0,1,2,…。则可由公式(3)计算功率控制单元可靠度R_s、表决器初始失效率λ₀、表决系统参数k和n之间的关系。

本发明实施例基于所要求达到的可靠度，通过表决器不完全可靠时表决系统可靠度的计算方法，给出表决器初始失效率的计算方法，可以设计出满足需求的表决器。

本发明实施例还可以通过求数值解的方法，逐步精细化步长的取值来求表决器的初始失效率上界。

本发明可以实现的功能及相应条件：

功能1：由公式(1)—(3)可知，当给定所期待的功率控制单元可靠度(本发明取为一备一热备冗余设计，即R_s(t)＝R_s.h(t))时，可以在单个SSPC失效率λ给定时作表决器初始失效率λ₀随表决系统参数k及n取值变化的图像，得到关系映射表，并分析三者关系。

功能2：同功能1思路，可以在当表决系统参数k取定时作表决器初始失效率λ₀与表决系统参数n取值及单个SSPC失效率λ的图像，得到关系映射表，并分析三者关系。

功能3：对表决器初始失效率λ₀划分取值，求解函数F(t)＝R(t)-R_s(t)，其中R(t)表示期望达到的可靠度(取R(t)＝R_s.h(t))，则F(t)≤0代表所取初始失效率能满足系统的可靠度要求，再细分步长即可得到更精确的初始失效率取值。

针对上述步骤，本发明给出如下示例，表决器初始失效率为负值时视为无解：

功率控制单元的基础设计思路为一备一热备冗余，因此要得到12路输出，共需24路配电通道(SSPC)。原设计如下：0.5A通道共12路，6主6备；1A通道共6路，3主3备；3A通道共6路，3主3备。现考虑重构模型，用k/n[G]表决系统进行功率控制单元的重构设计。

功能1实现：

以工作15年，λ＝3*10^-7为例，可得到如下分析结果：

图5中横坐标表示n的取值，纵坐标表示表决器初始失效率下限，曲线是k取不同值时表决器初始失效率下限随n变化的曲线，其三维图示意如图6。

由图5及图6可以完成的任务是：

在单个SSPC失效率λ已知情形下，给定表决系统参数k和n可以求出对应的表决器初始失效率要求；同时，给定了表决器可靠度下限后可以求出能够设计的表决系统参数k及n的取值，能够得到满足给定功率控制单元可靠度及单个SSPC可靠度前提下的设计方案。

功能2实现：

以工作15年，λ∈[2.1*10^-7,2.9*10^-7]，步长取1*10^-8，k＝6为例，可得到如下分析结果：

图7中横坐标表示n的取值，纵坐标表示表决器初始失效率下限，曲线是λ取不同值时的表决器初始失效率下限曲线，n＝7时初始失效率为负值不可能实现，故无解，其三维图示意如图8。

由图7及图8可以完成的任务是：

在参数k已知情形下，给定参数n和单个SSPC失效率λ可以求出对应的表决器初始失效率要求；同时，给定了表决器初始失效率后可以求出能够设计的表决系统参数n及SSPC失效率λ的取值，能够得到满足给定功率控制单元可靠度及单元SSPC数量下限参数k前提下的设计方案。

功能3实现：

取定k＝6，SSPC失效率λ＝3*10^-7，将初始失效率λ₀按照步长1*10^-9从1*10^-9到1*10^-8进行取值，可得如表1所示结果，其中返回值为F(t)的值：

表1

表1k＝6，λ＝3*10^-7，λ₀从1*10^-9到1*10^-8进行取值，步长为1*10^-9结果示意

由表1结果可知当k＝6，SSPC失效率λ＝3*10^-7时，n＝7不可能满足所要求的系统可靠度，若想要满足系统的可靠度要求，n＝8需要初始失效率至少在6*10^-9和7*10^-9之间，n＝9需要初始失效率至少在7*10^-9和8*10^-9之间，n＝10需要初始失效率至少在7*10^-9和8*10^-9之间，n＝11需要初始失效率至少在6*10^-9和7*10^-9之间，n＝12需要初始失效率至少在5*10^-9和6*10^-9之间，具体更精细的初始失效率要求可以通过在此结果上进一步取更小步长来确定。

由上述分析还可以得到，对于确定的k而言并不是n越大越好，因为系统可靠度不仅取决于单个SSPC的可靠度，还取决于表决器的可靠度。正是因为这样的结果，当考虑了表决器可靠度就不会出现系统可靠度达到1的情形。

基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠度R_s计算方法：

表决器的失效率λ_v(x)与表决次数x间的关系为λ_v(x)＝λ₀+0.001xP(x＝a)，其中λ₀表示表决器的初始失效率，0.001为假定系数，可由实验确定其具体值，故障发生次数服从参数为λ的泊松分布，即

λ与单个SSPC失效率定义相同，a＝0,1,2,…。

单个SSPC失效率λ给定时表决器初始失效率下限随k以及n取值变化的关系映射表，以及当k取定时表决器初始失效率与n取值及单个SSPC失效率λ的关系映射表，示例如表2、表3。

表2.单个SSPC失效率为λ＝3*10^-7时表决器初始失效率下限随k、n取值变化关系映射表示例

表3.当k＝6时表决器初始失效率与n取值及单个SSPC失效率λ的关系映射表示例

本发明示例结果中的功能3表明对k/n[G]表决系统而言，在考虑了表决器可靠度的前提下给定参数k取值时，并不是n越大系统可靠度就越高，这为实际应用提供了有力参考。

本发明示例结果表明可以依据设定的不同表决器初始失效率下限来选择能够设计的功率控制单元结构，在保证了功率控制单元可靠性的基础上节省了SSPC数量，节约了成本，有很强的实际应用价值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于分组的k/n[G]表决系统功率控制单元可靠性设计方法，其特征在于，具体过程为：

确定影响表决器可靠度变化的因素为硬件初始失效率及表决次数，设计功率控制单元可靠度R_s如式(3)所示：

其中，l表示功率控制单元所含表决系统总数，k_i表示第i个表决系统的参数k取值，n_i表示第i个表决系统的参数n取值，λ_v(x)表示表决器硬件的失效率，x表示表决次数，R₀(t)为单个SSPC的可靠度，R_v[λ_v(N),t]为表决器的可靠度，SSPC即固态功率控制器的缩写；

所述表决器的失效率λ_v(x)与表决次数x之间的关系为λ_v(x)＝λ₀+0.001xP(x＝a)，λ₀表示表决器的初始失效率，

λ表示单个SSPC的失效率，a为表决次数的取值；

根据功率控制单元可靠度R_s，设计表决系统，具体方法为：当单个SSPC的失效率及所需的功率控制单元可靠度R_s确定时，根据公式(3)设计表决系统参数k、n以及表决器初始失效率下限；当单元SSPC数量下限参数k及所需的功率控制单元可靠度R_s确定时，根据公式(3)设计表决系统参数n、SSPC失效率λ及表决器初始失效率下限。

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