CN113111532A - 一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法 - Google Patents

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刘晓博
刘中硕
王永杰
陈晓帆
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陶畅
欧阳明浩
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Abstract

本发明公开了一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，首先从不同的冗余方式中确定适合的冗余方式；根据各核心元器件失效率数据，求出各核心元器件在不同冗余数量下的失效率；根据继电保护装置的串联可靠性模型，求取核心元器件组合后继电保护装置的失效率，选取不满足失效率要求情况下最高成本的一种冗余方式；求取不同核心元器件组合的成本，按成本由低到高的顺序增加核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。上述方法可以高效的确定各核心元器件的冗余数量，具有重要的理论意义与工程价值。

Description

一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法。
背景技术
随着电力系统的高速发展，电网规模日益壮大，电力系统网络结构更显复杂，提高电力系统的安全水平尤为重要。继电保护是确保电力系统安全可靠运行的重要装置，是关系到电网安全稳定运行的重要设备，是电力系统不可缺少的重要组成部分。如今组成各类继电保护装置的核心元器件几乎全部依赖进口，存在巨大安全隐患，使得国产元件能否满足继电保护的可靠性要求显得越来越重要。而国产元件在性能上与进口有一定差距，需要通过核心元器件冗余设计提高继电保护装置可靠性。
现有技术方案对于继电保护装置的各类核心元器件，一般默认为进口产品，缺乏对全国产化继电保护核心元器件的研究。采用国产芯片替代后，核心元器件的性能可能有所下降，将导致继电保护装置可靠性随之下降，需要通过核心元器件冗余的方式提高继电保护装置的可靠性。既要考虑可靠性，也要考虑经济性，而失效率是衡量可靠性的一个重要指标，因此确定满足失效率要求且最小成本时各核心元器件冗余数量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，该方法可以高效的确定核心元器件的冗余数量，具有重要的理论意义与工程价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，所述方法包括：
步骤1、首先从不同的冗余方式中确定适合的冗余方式；
步骤2、根据各核心元器件失效率数据，求出各核心元器件在不同冗余数量下的失效率；
步骤3、根据继电保护装置的串联可靠性模型，求取核心元器件组合后继电保护装置的失效率，选取不满足失效率要求情况下最高成本的一种冗余方式；
步骤4、求取不同核心元器件组合的成本，按成本由低到高的顺序增加核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可以高效的确定核心元器件的冗余数量，具有重要的理论意义与工程价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法流程示意图；
图2为本发明实施例所确定的温贮备冗余系统结构图；
图3为本发明实施例所举出的核心元器件冗余的继电保护装置可靠性模型。
具体实施方式
下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、首先从不同的冗余方式中确定适合的冗余方式；
在所述步骤1中，具体过程为：
冷贮备冗余方式指由n个元器件组成，一个元器件开始工作，其余n-1个元器件作冷贮备；当工作元件失效时，贮备元件逐个替换，直到所有元件均失效，模块才会失效；冷贮备的元器件不失效也不劣化，贮备期的长短对以后使用时的工作寿命没有影响；
假设同一类型的元器件具有相同的失效率λ，则冷贮备冗余方式下的失效率表达式为：
Figure BDA0003027993650000021
其中，λC为冷贮备冗余的失效率；λk为单个元器件的失效率；n为冷贮备冗余的元器件数量；
温贮备冗余方式指由n个同型元器件组成，工作寿命和贮备寿命分别遵从参数λ和μ的指数分布；一个元件工作，其余元件温贮备，所有元件均可能失效；当工作元件失效时，由尚未失效的贮备元件替换，直到所有元件都失效，模块故障失效；
假设元器件的工作失效率λ和贮备失效率μ相同，则温贮备冗余方式下的失效率表达式为：
Figure BDA0003027993650000031
其中，λH为温贮备冗余的失效率；λk为单个元器件的失效率；n为温贮备冗余的元器件数量；
由于继电保护的核心元器件在实际中不论处于工作状态还是贮备状态均可能发生故障失效，故确定的适合的冗余方式为温贮备冗余。
因此，由温贮备冗余的失效率表达式列出在以下四种冗余数量下的失效率表达式，如表1所示。
表1温贮备冗余方式的失效率表达式
Figure BDA0003027993650000032
步骤2、根据各核心元器件失效率数据，求出各核心元器件在不同冗余数量下的失效率；
在所述步骤2中，具体过程为：
首先根据不同核心元器件可靠性得到各核心元器件的失效率，进一步，基于所得到的冗余方式的失效率表达式，将不同核心元器件失效率代入，得到各核心元器件在不同冗余数量下的失效率。
以具体实例来说，根据不同核心元器件可靠性，得到各核心元器件失效率如表2所示：
表2继电保护装置核心元器件失效率
Figure BDA0003027993650000033
然后，将继电保护装置各核心元器件失效率代入表1，得到各核心元器件在四种不同冗余数量下的失效率如表3所示：
表3继电保护装置各核心元器件不同冗余数量失效率
Figure BDA0003027993650000041
步骤3、根据继电保护装置的串联可靠性模型，求取核心元器件组合后继电保护装置的失效率，选取不满足失效率要求情况下最高成本的一种冗余方式；
在所述步骤3中，具体过程为：
根据继电保护装置串联可靠性模型原理，将各核心元器件分别采用相同冗余数量的方式组合，求取继电保护装置在不同冗余数量下的失效率，则：
Figure BDA0003027993650000042
其中，b＝2,3,4…,n为各核心元器件个数，λk为各核心元器件的失效率；
进一步，设定一个继电保护装置失效率最高要求，即继电保护装置允许的最大失效率λ0；
最后，在不满足继电保护装置失效率要求的组合中，即λ＞λ0，选取成本最高的一个组合方式，即各核心元器件个数均为b0，则：
Figure BDA0003027993650000043
其中，b＝2,3,4…,n为各核心元器件个数，ck为各核心元器件成本。
以图3实例来说，继电保护装置各核心元器件均采用2个冗余的方式，则继电保护装置失效率为各核心元器件2个冗余的失效率之和。同理，可得到继电保护装置在各核心元器件3个、4个、5个冗余下失效率如表4所示。
表4继电保护装置不同冗余数量失效率
Figure BDA0003027993650000044
进一步，设继电保护装置允许的最大失效率λ0＝116.350x10-6/h。
基于表4中继电保护装置的失效率，各元器件采用2个冗余时继电保护装置不满足失效率要求，即各核心元器件个数均为2个。
步骤4、求取不同核心元器件组合的成本，按成本由低到高的顺序增加核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。
在所述步骤4中，具体过程为：
首先任意取不同个数核心元器件进行组合，则：
任意取1个核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000051
种组合，成本组合为Ca(1≤a≤6)；
任意取2个不同核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000052
种组合，成本组合为Ca+Cb(1≤a＜b≤6)；
任意取3个不同核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000053
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc(1≤a＜b＜c≤6)；
任意取4个不同核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000054
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc+Cd(1≤a＜b＜c＜d≤6)；
任意取5个不同核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000055
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc+Cd+Ce(1≤a＜b＜c＜d＜e≤6)；
任意取6个不同核心元器件共有
Figure BDA0003027993650000056
种组合，成本组合为C1+C2+C3+C4+C5+C6；
进一步，将所有组合的成本由低到高顺序排列，先选取最小成本组合，增加对应核心元器件数量至b0+1，求取继电保护装置失效率为λ′：
若λ′≤λ0，则满足继电保护装置失效率要求；
若λ′＞λ0，则不满足继电保护装置失效率要求，继续选取成本次低组合，增加对应核心元器件数量至b0+1，求取继电保护装置失效率；
以此类推，按组合成本由低到高的顺序，增加对应核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，即λ′≤λ0，选取满足要求的组合，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。
以具体实例来说，继电保护装置各核心元器件单个成本如表5所示，则任意组合不同核心元器件的成本如表6-10所示。
表5继电保护装置核心元器件单个成本
Figure BDA0003027993650000057
表6继电保护装置任意两个核心元器件组合成本
Figure BDA0003027993650000061
表7继电保护装置任意三个核心元器件组合成本
Figure BDA0003027993650000062
表8继电保护装置任意四个核心元器件组合成本
Figure BDA0003027993650000063
表9继电保护装置任意五个核心元器件组合成本
Figure BDA0003027993650000064
表10继电保护装置六个核心元器件组合成本
Figure BDA0003027993650000065
首先，成本最低组合为C6，则增加1个电源核心元器件，继电保护装置失效率为119.209x10-6/h＞λ0，不满足继电保护装置失效率要求；
进一步，成本次低组合为C4，则增加1个ADC核心元器件，继电保护装置失效率为117.862x10-6/h＞λ0，不满足继电保护装置失效率要求；
进一步，选择成本C4+C6组合，则增加1个电源元器件、1个ADC元器件，继电保护装置失效率为116.480x10-6/h＞λ0，不满足继电保护装置失效率要求；
进一步，选择成本C2组合，则增加1个DSP元器件，继电保护装置失效率为116.138x10-6/h＜λ0，满足继电保护装置失效率要求。
由此可确定满足继电保护装置失效率要求且成本最低时，CPU、FPGA、ADC、存储及电源核心元器件冗余数量为2个，DSP核心元器件冗余数量为3个。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、首先从不同的冗余方式中确定适合的冗余方式；
步骤2、根据各核心元器件失效率数据，求出各核心元器件在不同冗余数量下的失效率；
步骤3、根据继电保护装置的串联可靠性模型，求取核心元器件组合后继电保护装置的失效率，选取不满足失效率要求情况下最高成本的一种冗余方式；
步骤4、求取不同核心元器件组合的成本，按成本由低到高的顺序增加核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。
2.根据权利要求1所述全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述确定适合冗余方式的具体过程为：
冷贮备冗余方式指由n个元器件组成，一个元器件开始工作，其余n-1个元器件作冷贮备；当工作元件失效时，贮备元件逐个替换，直到所有元件均失效，模块才会失效；冷贮备的元器件不失效也不劣化，贮备期的长短对以后使用时的工作寿命没有影响；
假设同一类型的元器件具有相同的失效率
Figure 840282DEST_PATH_IMAGE001
，则冷贮备冗余方式下的失效率表达式为：
Figure 808238DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 966687DEST_PATH_IMAGE003
为冷贮备冗余的失效率；
Figure 678291DEST_PATH_IMAGE004
为单个元器件的失效率；n为冷贮备冗余的元器件数量；
温贮备冗余方式指由n个同型元器件组成，工作寿命和贮备寿命分别遵从参数
Figure 543478DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 682336DEST_PATH_IMAGE005
的指数分布；一个元件工作，其余元件温贮备，所有元件均可能失效；当工作元件失效时，由尚未失效的贮备元件替换，直到所有元件都失效，模块故障失效；
假设元器件的工作失效率
Figure 577348DEST_PATH_IMAGE001
和贮备失效率
Figure 827064DEST_PATH_IMAGE005
相同，则温贮备冗余方式下的失效率表达式为：
Figure 812338DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 184413DEST_PATH_IMAGE007
为温贮备冗余的失效率；
Figure 255137DEST_PATH_IMAGE004
为单个元器件的失效率；n为温贮备冗余的元器件数量；
由于继电保护的核心元器件在实际中不论处于工作状态还是贮备状态均可能发生故障失效，故确定的适合的冗余方式为温贮备冗余。
3.根据权利要求1所述全国产化继电保护装置核心元器件冗余数量确定方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述求出各核心元器件在不同冗余数量下的失效率的过程具体为：
首先根据不同核心元器件可靠性得到各核心元器件的失效率，进一步，基于所得到的冗余方式的失效率表达式，将不同核心元器件失效率代入，得到各核心元器件在不同冗余数量下的失效率。
4.根据权利要求1所述全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述求取核心元器件组合后继电保护装置的失效率，选取不满足失效率要求情况下最高成本的一种冗余方式的过程具体为：
根据继电保护装置串联可靠性模型原理，将各核心元器件分别采用相同冗余数量的方式组合，求取继电保护装置在不同冗余数量下的失效率，则：
Figure 308544DEST_PATH_IMAGE008
其中，b=2,3,4…,n为各核心元器件个数，
Figure 961373DEST_PATH_IMAGE004
为各核心元器件的失效率；
进一步，设定一个继电保护装置失效率最高要求，即继电保护装置允许的最大失效率
Figure 442033DEST_PATH_IMAGE009
；
最后，在不满足继电保护装置失效率要求的组合中，即
Figure 734474DEST_PATH_IMAGE010
，选取成本最高的一个组合方式，即各核心元器件个数均为b0，则：
Figure 653889DEST_PATH_IMAGE011
其中，b=2,3,4…,n为各核心元器件个数，ck为各核心元器件成本。
5.根据权利要求1所述全国产化继电保护核心元器件冗余数量确定方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述求取不同核心元器件组合的成本，按成本由低到高的顺序增加核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量的过程具体为：
首先任意取不同个数核心元器件进行组合，则：
任意取1个核心元器件共有
Figure 348175DEST_PATH_IMAGE012
种组合，成本组合为Ca（1≤a≤6）；
任意取2个不同核心元器件共有
Figure 999736DEST_PATH_IMAGE013
种组合，成本组合为Ca+Cb（1≤a＜b≤6）；
任意取3个不同核心元器件共有
Figure 45053DEST_PATH_IMAGE014
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc（1≤a＜b＜c≤6）；
任意取4个不同核心元器件共有
Figure 751847DEST_PATH_IMAGE015
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc+Cd（1≤a＜b＜c＜d≤6）；
任意取5个不同核心元器件共有
Figure 300640DEST_PATH_IMAGE016
种组合，成本组合为Ca+Cb+Cc+Cd+Ce（1≤a＜b＜c＜d＜e≤6）；
任意取6个不同核心元器件共有
Figure 388681DEST_PATH_IMAGE017
种组合，成本组合为C1+C2+C3+C4+C5+C6；
进一步，将所有组合的成本由低到高顺序排列，先选取最小成本组合，增加对应核心元器件数量至b0+1，求取继电保护装置失效率为
Figure 718031DEST_PATH_IMAGE018
：
若
Figure 916932DEST_PATH_IMAGE019
，则满足继电保护装置失效率要求；
若
Figure 320231DEST_PATH_IMAGE020
，则不满足继电保护装置失效率要求，继续选取成本次低组合，增加对应核心元器件数量至b0+1，求取继电保护装置失效率；
以此类推，按组合成本由低到高的顺序，增加对应核心元器件数量，直至满足继电保护装置失效率要求，即
Figure 392223DEST_PATH_IMAGE019
，选取满足要求的组合，并以此来确定满足继电保护装置失效率要求且成本最小时各核心元器件的冗余数量。
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