CN111428352A - 连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法 - Google Patents

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王振南
葛维春
任岷
董吉超
申家锴
赵云
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阴晓光
林春华
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Abstract

本发明公开了一种连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，海底电缆的可靠性模型为海底电缆的两状态模型，即正常状态和故障状态；正常状态是海底电缆的正常运行，可以从陆上电网通过海底电缆向海岛输电，同时也可以从海岛通过海底电缆向陆上电网反馈电量；故障状态为海底电缆的断路，所述故障状态的影响因素分为两类，故障率与维修时间；故障率分为内部因素和外部因素，内部因素为海底电缆的老化，外部因素与三方面因素有关，所述三方面因素即海床特征，海缆长度和海缆深度；海底电缆的维修时间与故障的时间地点以及海上风浪等级有关。本发明所建立的海底电缆的可靠性模型有利于减少建设海岛微电网的建设成本，提高海岛微电网的供电可靠性。

Description

连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法
技术领域
本发明涉及海底电缆的可靠性建模方法，尤其涉及应用于连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法。
背景技术
目前，我国近岸海岛的供电主要依靠海底电缆连接陆上电网。海上捕鱼、挖沙等作业极易对海缆造成破坏，而海缆的故障定位和检修难度大、作业时间长，很难快速恢复供电。另一方面，海岛周边拥有丰富的可再生能源，包括风能、太阳能、波浪能、潮流能、潮汐能等，因此对海岛间歇式可再生能源进行合理适度的开发与利用，建立可靠的海岛微电网系统是解决海岛能源短缺问题和促进海岛经济发展的重要措施。
因此，建设海岛微电网系统可以解决海岛供电问题，通过海岛的可再生能源和海底电缆对海岛进行供电，当可在生能源发电不足时，陆上电网通过海底电缆为海岛进行供电。但是也存在着极端情况，即海岛的可再生能源发电不足，海底电缆又遭到了破坏，海岛的供电就得不到保障。为解决海岛供电可靠性问题，改善极端情况下海岛供电，建立海底电缆的可靠性模型有利于减少建设海岛微电网的建设成本，提高海岛微电网的供电可靠性。综上所述，建立海底电缆的可靠性模型成为提高海岛微电网经济效益的重要措施。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种海底电缆可靠性建模的方法，并且可以应用于连接海岛微电网的海底电缆。
为了达到上述目的，本发明提供了一种连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，海底电缆的可靠性模型为海底电缆的两状态模型，即正常状态和故障状态；正常状态是海底电缆的正常运行，可以从陆上电网通过海底电缆向海岛输电，同时也可以从海岛通过海底电缆向陆上电网反馈电量；故障状态为海底电缆的断路，所述故障状态的影响因素分为两类，故障率与维修时间；故障率分为内部因素和外部因素，内部因素为海底电缆的老化，外部因素与三方面因素有关，所述三方面因素即海床特征，海缆长度和海缆深度；海底电缆的维修时间与故障的时间地点以及海上风浪等级有关；海底电缆的两状态模型表达式为：
Figure BDA0002407083290000021
优选方式下，所述海底电缆的故障率λ(t)由两方面因素导致，即内部因素λ1(t)与外部因素λ2(t)线性叠加，因此海底电缆的故障率λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)。
优选方式下，内部因素为海底电缆的老化故障，即海底电缆老化，海底电缆老化服从浴盆曲线，海底电缆的老化分为三个阶段，调试期、稳定期和衰耗期；在调试期内，海底电缆的故障率逐渐降低，在稳定期内，海底电缆的故障率保持不变，在衰耗期内，海底电缆的故障率逐渐增加；所述海底电缆的老化的三个阶段可用三参数的威布尔分布来描述，所述三参数威布尔分布的失效概率函数为：
Figure BDA0002407083290000022
式中β为形状参数，β＞0；α为尺度参数，α＞0；γ为位置参数，γ＞0，在海底电缆的老化分析中，不同的β伴随着不同的故障机理，当β＜1时，呈早期调试期的寿命分布；当β＝1时，呈中期稳定期的寿命分布；当β＞1时，呈衰耗期的寿命分布。
优选方式下，外部因素与三种因素有关，即海床特征，海缆长度和海缆深度：海床特性分为4个级别E1、E2、E3、E4，分别为泥、沙、砾石、岩石；海缆深度分为7个级别D1-D7，分别为10米以内，10-20米，20-30米，30-40米，40-50米，50-60米，60米以上；海缆长度分为10个级别L1-L10，分别为250米以内，250-500米，500-750米，750-1000米，1000-1250米，1250-1500米，1500-1750米，1750-2000米，2000-2250米，2250米以上；以海缆长度的250米为一个元素，在任何(Ei，Lj，Dk)级别下，每个元素的故障率为：
Figure BDA0002407083290000023
其中，i＝1-5，j＝1-10，k＝1-7；Nf为故障元素的数目，Nt为总元素的数目；因此外部因素导致的失效概率函数为：
Figure BDA0002407083290000024
其中L为海底电缆的总长度。
优选方式下，海底电缆的维修时间μ与海底电缆的故障的时间地点以及海上风浪等级有关；具体地，海底电缆的维修需要满足两个条件，一个条件是天气因素，所述天气因素需要同时满足三个条件，即风速V0≤23节，波高h≤2.5m，流速V1≤1.5节；海底电缆的维修需要满足的另一个条件为在满足所述天气因素条件下海底电缆的连续维修时间μ至少为20h，即从故障发生的时间点开始到至少连续20小时满足所述天气因素条件为止。
本发明的有益效果：针对于有一定故障率的海底电缆，建立海底电缆的可靠性模型有利于减少建设海岛微电网的建设成本，提高海岛微电网的供电可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的一种海底电缆两状态运行模式示意图；
图2为本发明提供的一种海底电缆连接陆上电网与海岛微电网的组成部分示意图；
图3为本发明提供的一种海底电缆老化故障的示意图。
具体实施方式
本发明介绍一种海底电缆的可靠性建模方法，海底电缆的可靠性模型为海底电缆的两状态模型，即正常状态和故障状态，如图1所示。在正常状态下，海底电缆能够正常地由陆上电网向海岛供电或者海岛微电网产生的多余电量通过海底电缆反馈回陆上电网，获取一定的经济效益，故障状态即视为海底电缆断路。通过故障率λ和维修时间μ来描述所述可靠性模型，故障率λ反映了海底电缆的故障次数，维修时间μ反映了设备的维修持续时间。因此海底电缆的两状态模型的数学表达式为简单的1，0模型：
Figure BDA0002407083290000031
所述海岛微电网系统包括：海底电缆：海底电缆具有一定的故障率，能够连接陆上电网与海岛微电网实现电能的传递，通过海底电缆，海岛微电网可以并网运行，同时，海岛微电网产生的多余电能也可以通过海底电缆反馈回陆上电网产生一定的经济效益；海岛微电网：海岛微电网为小型的发配电系统，有风能，光能，潮汐能等可再生能源，还具有储能系统，能量转换系统，监控系统和负荷等；陆上电网：具有稳定的电压和频率，如图2所示。
所述海底电缆的故障率λ(t)由两方面因素导致，即内部因素λ1(t)与外部因素λ2(t)线性叠加，因此海底电缆的故障率λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)。
如图3所示，内部因素为海底电缆的老化故障，即海底电缆老化，海底电缆老化服从浴盆曲线，海底电缆的老化分为三个阶段，调试期、稳定期和衰耗期；在调试期内，海底电缆的故障率逐渐降低，在稳定期内，海底电缆的故障率保持不变，在衰耗期内，海底电缆的故障率逐渐增加；所述海底电缆的老化的三个阶段可用三参数的威布尔分布来描述，所述三参数威布尔分布的失效概率函数为：
Figure BDA0002407083290000041
式中β为形状参数，β＞0；α为尺度参数，α＞0；γ为位置参数，γ＞0，在海底电缆的老化分析中，不同的β伴随着不同的故障机理，当β＜1时，呈早期调试期的寿命分布；当β＝1时，呈中期稳定期的寿命分布；当β＞1时，呈衰耗期的寿命分布。
外部因素引起的海底电缆故障，即因为地震、泥石流、拖船和船锚等外力引起的故障，外部因素与三种因素有关，即海床特征，海缆长度和海缆深度：海床特性分为4个级别E1、E2、E3、E4，分别为泥、沙、砾石、岩石；海缆深度分为7个级别D1-D7，分别为10米以内，10-20米，20-30米，30-40米，40-50米，50-60米，60米以上；海缆长度分为10个级别L1-L10，分别为250米以内，250-500米，500-750米，750-1000米，1000-1250米，1250-1500米，1500-1750米，1750-2000米，2000-2250米，2250米以上；以海缆长度的250米为一个元素，在任何(Ei，Lj，Dk)级别下，每个元素的故障率为：
Figure BDA0002407083290000042
其中，i＝1-5，j＝1-10，k＝1-7；Nf为故障元素的数目，Nt为总元素的数目；因此外部因素导致的失效概率函数为：
Figure BDA0002407083290000043
其中L为海底电缆的总长度。
海底电缆的维修时间μ与海底电缆的故障的时间地点以及海上风浪等级有关，当遭遇恶劣天气时，维修时间长，当天气情况较好时，维修时间短；具体地，海底电缆的维修需要满足两个条件，一个条件是天气因素，所述天气因素需要同时满足三个条件，即风速V0≤23节，波高h≤2.5m，流速V1≤1.5节；海底电缆的维修需要满足的另一个条件为在满足所述天气因素条件下海底电缆的连续维修时间μ至少为20h，即从故障发生的时间点开始到至少连续20小时满足所述天气因素条件为止。
由上述方法得到海底电缆的故障率和维修时间即可求得海底电缆的可靠性模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，其特征在于，海底电缆的可靠性模型为海底电缆的两状态模型，即正常状态和故障状态；正常状态是海底电缆的正常运行，可以从陆上电网通过海底电缆向海岛输电，同时也可以从海岛通过海底电缆向陆上电网反馈电量；故障状态为海底电缆的断路，所述故障状态的影响因素分为两类，故障率与维修时间；故障率分为内部因素和外部因素，内部因素为海底电缆的老化，外部因素与三方面因素有关，所述三方面因素即海床特征，海缆长度和海缆深度；海底电缆的维修时间与故障的时间地点以及海上风浪等级有关；海底电缆的两状态模型表达式为：
Figure FDA0002407083280000011
。
2.根据权利要求1所述连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，其特征在于，所述海底电缆的故障率2(t)由两方面因素导致，即内部因素λ1(t)与外部因素λ2(t)线性叠加，因此海底电缆的故障率λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)。
3.根据权利要求1所述连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，其特征在于，内部因素为海底电缆的老化故障，即海底电缆老化，海底电缆老化服从浴盆曲线，海底电缆的老化分为三个阶段，调试期、稳定期和衰耗期；在调试期内，海底电缆的故障率逐渐降低，在稳定期内，海底电缆的故障率保持不变，在衰耗期内，海底电缆的故障率逐渐增加；所述海底电缆的老化的三个阶段可用三参数的威布尔分布来描述，所述三参数威布尔分布的失效概率函数为：
Figure FDA0002407083280000012
式中β为形状参数，β＞0；α为尺度参数，α＞0；γ为位置参数，γ＞0，在海底电缆的老化分析中，不同的β伴随着不同的故障机理，当β＜1时，呈早期调试期的寿命分布；当β＝1时，呈中期稳定期的寿命分布；当β＞1时，呈衰耗期的寿命分布。
4.根据权利要求1所述连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，其特征在于，外部因素与三种因素有关，即海床特征，海缆长度和海缆深度：海床特性分为4个级别E1、E2、E3、E4，分别为泥、沙、砾石、岩石；海缆深度分为7个级别D1-D7，分别为10米以内，10-20米，20-30米，30-40米，40-50 米，50-60米，60米以上；海缆长度分为10个级别L1-L10，分别为250米以内，250-500米，500-750米，750-1000米，1000-1250米，1250-1500米，1500-1750米，1750-2000米，2000-2250米，2250米以上；以海缆长度的250米为一个元素，在任何(Ei，Lj，Dk)级别下，每个元素的故障率为：
Figure FDA0002407083280000021
其中，i＝1-5，j＝1-10，k＝1-7；Nf为故障元素的数目，Nt为总元素的数目；因此外部因素导致的失效概率函数为：
Figure FDA0002407083280000022
其中L为海底电缆的总长度。
5.根据权利要求1所述连接海岛微电网的海底电缆的可靠性建模方法，其特征在于，海底电缆的维修时间μ与海底电缆的故障的时间地点以及海上风浪等级有关；具体地，海底电缆的维修需要满足两个条件，一个条件是天气因素，所述天气因素需要同时满足三个条件，即风速V0≤23节，波高h≤2.5m，流速V1≤1.5节；海底电缆的维修需要满足的另一个条件为在满足所述天气因素条件下海底电缆的连续维修时间μ至少为20h，即从故障发生的时间点开始到至少连续20小时满足所述天气因素条件为止。
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