CN113361065A - 电气网络的可靠性状态的确定 - Google Patents

Abstract

用于确定电气网络(1)的可靠性状态的方法，该电气网络包括多个互连的电气设备(T1、Util、JDB1、D1)，该方法包括以下步骤：a)识别电气网络中给定位置处的不期望事件；b)从给定位置开始遍历至少一个子集；c)识别电气网络的电气设备；d)确定与所识别的电气设备相关联并且可能导致不期望事件的关注事件列表；e)确定与所识别的电气设备相关联的总不可用性值；f)重复步骤b)至e)；以及g)基于分别与被遍历的电气设备相关联的总不可用性值来计算电气网络的可靠性状态。

Description

电气网络的可靠性状态的确定

技术领域

本发明涉及用于确定电气网络的可靠性状态的方法。

背景技术

电气网络运行的可靠性和质量对于确保从发电中心向电力消费者传输和分配电力至关重要。

为此，已知许多风险评估工具和方法可用于分析电气网络的可靠性、可用性、安全性和可维护性。这些方法可以使得可以系统地为组成电气网络的不同元件之间的相互作用进行建模，以便调查电气网络中可能的故障，并从中得出所述网络的各种失灵。

例如，文献“Fault Tree-Based Reliability Assessment of a 132-kVTransmission Line Protection Scheme”(Samuel等人著，《美国工程研究杂志》，2013年，第2卷，第10期，第100-106页)描述了一个案例研究，其中通过生成故障树来分析132kV传输线路的一般故障。

这种故障树是这样构建的：从不期望事件开始，然后想象可以解释该不期望事件的可能的中间事件，然后将每个中间事件视为新的不期望事件。因此，故障树是通过逐步向下穿过树移动到基本事件，并通过想象在所考虑的级别处每个事件的可能原因而产生的。

然而，这种本身已知的方法可能被证明很耗时，因为从实施方式开始，就需要考虑电气网络的完整表示。

此外，这种方法尤其适用于一般故障，例如在上述涉及传输线路的文献中所描述的，但是当涉及到找出电气网络中另一个给定位置的故障原因时就不太适用了。

因此，本发明的目的是提出用于确定电气网络可靠性状态的方法，该方法实施起来特别简单。

发明内容

本发明改善了这种情况。

提出了一种用于确定电气网络的可靠性状态的方法，电气网络包括多个互连的电气设备，电气网络由单线表示来建模，该方法包括以下步骤：

a)识别电气网络中给定位置处的不期望事件，不期望事件对应于在给定位置处导致电力的部分或全部、临时或永久不可用性的电气网络危害状态；

b)从给定位置开始遍历(traverse)至少一个子集，该子集包括电气网络的多个电气设备中的电气设备；

c)识别在步骤b)中遍历的电气网络的子集中的电气设备；

d)确定与所识别的电气设备相关联并且可能导致不期望事件的关注事件列表，关注事件分别对应于可能单独或组合地导致不期望事件的原因；

e)考虑关注事件列表，以及分别与关注事件列表中的每个关注事件相关联的不可用率和修复时间，确定与所识别的电气设备相关联的总不可用性值；

f)重复步骤b)至e)，一旦在子集中已经被遍历了大于或等于两个的预定数量的电气保护设备，该方法就被中断；以及

g)基于分别与被遍历的电气设备相关联的总不可用性值来计算电气网络的可靠性状态。

因此，获得了简单且易于实施的方法，以便确定电气网络中任何位置的故障原因以及可预期的可靠性。

根据一个实施例，电气网络的至少一个电气设备从变压器、开关、断路器、接触器、隔离开关、母线、电池、保护继电器、监控装备、控制装备和电信装备中选择。

根据另一个实施例，电气网络包括至少一个真实电气设备和至少一个虚拟电气设备，虚拟电气设备被配置为对电气网络的元件之间的关系建模，更具体地，为对电气网络的运行起关键作用的电气网络的元件之间的关系建模。

根据另一个实施例，一旦在方法的步骤c)中识别出虚拟电气设备，方法就被中断。

因此，该方法仅考虑网络的关键部分，这使得可以快速分析电气网络的可靠性。

根据另一个实施例，电气网络中的给定位置对应于母线的位置。

根据另一个实施例，子集从给定位置开始向上游被遍历(即，朝向电气网络的至少一个电源)，和/或向下游被遍历(即，朝向电气网络的至少一个电气负载)。

根据另一个方面，提出了一种包括指令的计算机程序，当程序由处理器执行时，该指令导致根据本发明的方法被实施。

根据另一个方面，提出了一种处理设备，在该处理设备上记录了包括用于实施根据本发明的方法的指令的计算机程序。

附图说明

在阅读下面提供的描述并检查附图后，其他特征、细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是电气网络的简化单线图。

图2是根据本发明的方法的一个实施例的示意表示。

图3是通过对图1的单线图实施根据本发明的方法而获得的故障树的表示。

图4是被配置成实施根据本发明的方法的处理设备的框图表示。

具体实施方式

下面的附图和描述包含大部分本质上确定的元素。因此，它们不仅可以用来更好地阐明本公开内容，而且在适当的情况下有助于其定义。

电气网络

图1示出了电气网络1(尤其是中压和/或高压电气网络1)的单线图的示例。

在下文中，术语“中压”和“高压”被普遍接受，即“中压”是指高于1000伏特交流电(alternativecurrent，AC)和1500伏特直流电(direct current，DC)，但不高于52000伏特交流电和75000伏特直流电的电压，而术语“高压”是指严格高于52000伏特交流电和75000伏特直流电的电压。

电气网络允许传输和分配电力，特别是通过将至少一个电源G连接到一个或多个负载CP1。电源G可以是任何类型的，特别是基于化石燃料的电源或可再生的电源。

在电源G和负载CP1之间，电气网络包括多个电气设备，这些电气设备可以分布在变电站(未示出)中。

电气设备提供接通或断开电源、控制、测量和/或保护部分或全部电气网络的功能。

非详尽地和纯粹说明性地，电气设备可以从变压器、开关、断路器、接触器、隔离开关、母线、电池、保护继电器、监控装备、控制装备和电信装备中选择。

然而，根据本发明，可以设想任何本身已知的并且可以用在电气网络中的电气设备。

为了简化和帮助理解，在图1中示出的单线图1的示例包括有限数量的电气设备。特别是图1仅示出了变压器T1、两条母线Util、JDB1和断路器D1。然而，本发明可以扩展到包括更多数量的电气部件的更复杂的电气网络。根据一些示例，电气网络可以包括一百多个或者甚至一千多个电气设备。同样，电气网络可以包括更大数量的连接负载和电源。

基于图1所示的电气网络单线图1，本发明的目的是确定电气网络中给定位置处的可靠性状态。

方法

将在下文中结合图2描述根据本发明的方法。

在实施该方法之前，必须对要研究的电气网络的表示(尤其是单线表示)进行建模。

在建模期间，网络的每个位置或节点被赋予一个或多个参数，允许模拟其运行状态。因此，网络的节点可以包括一个或多个电气设备、电气负载或电源。

在建模期间考虑的电气设备可以是真实的或虚拟的设备。

“虚拟电气设备”被理解为指这样的设备：物理上不存在于电气网络中，但是当被建模时，可以简化在该方法的实施过程中对可靠性状态的评估。举例来说，虚拟电气设备可以允许电气网络的各种节点被电连接和虚拟连接。

在该方法的第一步骤100中，首先识别对应于电气网络中给定位置处的故障或失灵的不期望事件。

“给定位置”被理解为指电气网络中尤其对应于电力负载或设备的位置的任何点。给定位置尤其可以位于不同于一个或多个电源的位置。

给定位置尤其可以是变电站的母线的位置，允许各种电气负载的连接和电气网络的分支。

“故障或失灵”被理解为指在给定位置处导致电力的部分或全部、临时或永久不可用性的电气网络危害状态。

一旦识别出不期望事件，该方法包括从给定位置开始遍历单线图(步骤101)。

特别地，单线图从给定位置开始向上游和/或下游被遍历。

“向上游和/或向下游”应理解为分别指从给定位置开始分别朝向电源和/或电气负载遍历单线图。

每当在单线图的遍历路径上有电气设备时(步骤102)，该方法包括多个步骤，允许确定与所讨论的电气设备相关联的不可用性值。

为此，一个或多个关注事件与每个电气设备相关联(步骤103)。每个关注事件都对应于导致所讨论的设备的故障或失灵并可能单独或组合地导致不期望事件的原因。

例如，断路器的关注事件可能与机械失灵有关，例如绝缘故障、断路故障或过早跳闸。

关注事件也可能与布置在所讨论电气设备上游或下游的另一电气设备的失灵或不可用性有关。因此，电气设备下游的短路很可能通过电气网络传播，并导致上游不可用性。根据另一个示例，如果没有其他电源可用于提供所需的电力，则上游电源失灵可能导致下游不可用性。因此，是向上游还是向下游遍历单线图可能取决于所讨论的不期望事件。

因此，确定与所讨论的设备相关联的每个关注事件是否可能单独或组合地导致不期望事件(步骤104)。

如果关注事件可能导致不期望事件，则在计算所讨论的电气设备的不可用性值时会考虑到这一点。尤其是该方法被重复以考虑所有的关注事件(步骤105)。

关注事件j的不可用性值可以根据各种参数来计算，尤其是基于电气设备的平均故障时间来计算。具体地，关注事件j的不可用性值可以以第一近似被计算为关注事件j的不可用率t_ind和修复时间T_repair的乘积，使得：

【数学式1】

Ind_j＝t_ind,j×T_repair,j

故障率t_ind对应于关注事件发生的概率。

修复时间T_repair对应于修复电气设备的故障或失灵所需的时间。修复时间T_repair可以取决于本地参数，例如所讨论的电气设备的类型、设备位于电气网络中的位置、所提供的修复策略、用于修复的备件的获取、用于重新配置电气网络的选项等。

因此，取决于所讨论的电气设备，修复时间T_repair可能会有很大的变化，尤其是该设备是否需要被完全更换或者仅仅被检修以便再次运行。

获得针对所有关注事件j的与电气设备I相关联的总不可用性值indⁱ _total(步骤106)。

总不可用性值indⁱ _total尤其可以等于分别与电气设备i相关联的每个关注事件j的不可用性值之和，使得：

【数学式2】

一旦为电气设备i计算了总不可用性值，单线图就被遍历到下一个电气设备i+1(步骤107)，即电连接到电气设备i的下一个电气设备i+1。在新的电气设备的情况下，然后重复步骤102至107。

当同一电气设备被遍历多次时，不一定要重新计算总不可用性值，但可以认为总不可用性值等于为以前遍历过的同一电气设备计算的不可用性值。

根据本发明的方法可以基于一个或多个中断标准被中断，这使得可以仅考虑电气网络的一部分，并且因此限制了计算时间和计算要求。

根据一个实施例，一旦虚拟电气设备而不是真实电气设备被遍历，该方法就可以被中断。这是因为，尽管在所考虑的电气图中虚拟元件被建模，但是虚拟设备不能传播电气网络的故障或失灵。

根据另一个实施例，一旦预定数量(例如大于或等于两个)的电气保护设备已经被遍历而没有到达电源，该方法就可以被中断。这使得可以限制实施该方法所需的计算时间，同时消除遍历的剩余部分，这将对最终的可靠性计算产生无关紧要的影响。保护设备可以是断路器或开关类型，或者更一般地，可以是可能中断电流并因此隔离电气网络的一部分的任何设备。

在该方法被中断之前要被遍历的电气保护设备的数量可能更多，特别是对于那些要求更高可靠性精度的应用。

由此获得每个电气设备的总不可用性值。然后可以计算电气网络的整体可靠性(步骤108)。因此，电气网络的整体可靠性或可靠性状态可以是对电气网络提供所需电力的能力的测量。因此，更具体地，整体可靠性可以是基于每个电气设备的不可用性值，所讨论的子集在确定时间段内没有故障或失灵发生的概率。基于这种整体可靠性，可以实施纠正或维护动作。

因此，根据本发明的方法是通过从给定位置开始遍历单线图，一个接一个地分析彼此连续连接的电气设备来逐步执行的。

该方法可以仅遍历单线图中特定于所讨论的不期望事件的子集。因此，没有必要遍历整个单线图。因此，“子集”被理解为指包括彼此电连接的电气设备的电气网络的一部分。

图3是与图1中的单线图相关的图形表示。更准确地，图3是故障树(fault tree，FT)，即，用于评估静态系统的安全性和可靠性的工程技术。

故障树以图形方式表示可能的事件组合，这些事件组合允许产生预定义的不期望事件。因此，这种图形表示显示了因果关系。

以本身已知的方式，故障树包括形成各种分支和/或事件之间的连接的逻辑连接器(或逻辑门)。连接器的运行如下：

或OR：如果至少有一个输入/低级别事件发生/存在，则输出/较高级别事件发生；

与AND：只有当所有输入/较低级别事件都发生/存在时，输出/较高级别的事件才会发生(故障组合也称为“对”)；以及

K/N：以多数票的形式，如果N个输入/较低级别事件中至少有K个(K是用于对门(gate)的行为进行参数化的整数)发生/出现，则输出/较高级别事件发生。

根据图3所示的实施例，不期望事件E1在于母线Util处的电力不可用性。

与母线Util相关联的关注事件是母线Util的故障A和母线JDB1的电力供应缺失E2。由于两个关注事件A和E2是独立的(通过“OR”连接器连接)，因此得到以下结果：

【数学式3】

Ind_Util＝Ind_A+Ind_E2

单线图还向上游被遍历，直到母线JDB1。

与母线JDB1相关联的关注事件是断路器D1的故障G、母线JDB1的故障B、变压器T1的故障C、来自下游的短路的传播E3以及电气网络的电力不可用性F。

【数学式4】

Ind_JDB1＝Ind_E2＝Ind_G+Ind_BInd_C+Ind_E3+Ind_F

与短路的传播相关的事件E3源自两个较低级别事件，即断路器D1未断开D，以及电气负载CP1上的短路E。特别地，由于两个事件D和E相互依赖(通过“AND”连接器连接)，因此获得以下结果：

【数学式5】

Ind_E3＝Ind_D×Ind_E

然后单线图可以向上游被遍历到变压器T1，列出与变压器相关联的所有关注事件(变压器故障和母线电力供应缺失)，并依此类推，一直到电源或直到中断标准。

单线图最终可以向下游被遍历，一直到电气负载CP1，列出了与每个电气设备相关联的、可能导致不期望事件的所有关注事件。

然而，在图3的故障树中没有考虑这些其他事件。

一旦确定了每个电气设备的关注事件(仅针对母线Util和JDB1，如图3所示)，可以计算表征电气网络的可靠性状态的值：

【数学式6】

Ind_util＝Ind_E1＝Ind_A+Ind_G+Ind_B+Ind_C+Ind_D×Ind_E+Ind_F

还可以例如通过使用故障模式、影响和危害度分析(failure mode,effects andcriticality analysis，FMECA)确定与不期望事件相关联的危害度。根据所获得的危害度值，可以规定对电气网络执行纠正动作，优先解决具有最高危害度值的关注事件的原因。

处理设备

为了实施上述方法，本发明还涉及图4所示的处理设备10，例如计算机或任何其他具有计算能力的装置，特别是通过处理器。处理设备10还可以包括允许与用户交互的图形用户界面或文本用户界面。

在实施该方法之前，用户可以经由建模单元产生电气网络单线图形式的图形表示。单线图可以例如以XML文件的格式存储在处理设备10中。

单线图由存储在处理设备10或远程服务器的数据库中的各种组件组成。这些组件从电气设备、电气负载和电源中选择，并被布置在电气网络的节点处。每个电气设备都被分配了与关注事件以及相关联的不可用率和修复时间对应的故障模式。

基于所建模的网络的单线图，表征电气网络的可靠性状态的值可以经由计算单元来确定。计算单元考虑所讨论的不期望事件，并实施上述方法的步骤。

可以被中断标准中断的计算单元(包括该方法)允许获得电气网络的可靠性状态作为输出。

当然，本发明不限于上述实施例，这些实施例仅作为示例提供。它包括本领域技术人员在本发明的上下文中能够想到的各种修改、替代形式和其他变型，尤其是上述各种操作模式的任何组合，其可以单独或组合使用。

特别地，虽然该方法已经针对电气网络进行了描述，但是它也适用于允许运输和分配的其他类型的网络，例如液压或气动网络等，对于这些网络，有必要确定网络的可靠性状态。

Claims (8)

1.一种用于确定电气网络(1)的可靠性状态的方法，所述电气网络包括多个互连的电气设备(T1、Util、JDB1、D1)，所述电气网络由单线表示来建模，所述方法包括以下步骤：

a)识别所述电气网络中给定位置处的不期望事件，所述不期望事件对应于在给定位置处导致电力的部分或全部、临时或永久不可用性的电气网络危害状态；

b)从给定位置开始遍历至少一个子集，所述子集包括电气网络的多个电气设备中的电气设备；

c)识别在步骤b)中被遍历的电气网络的子集中的电气设备；

d)确定与所识别的电气设备相关联并且可能导致所述不期望事件的关注事件列表，所述关注事件分别对应于导致所识别的电气设备的故障或失灵并且可能单独或组合地导致所述不期望事件的原因；

e)考虑分别与所述关注事件列表中的每个关注事件相关联的不可用率和修复时间，确定与所识别的电气设备相关联的总不可用性值；

f)重复步骤b)至e)，一旦在所述子集中已经被遍历了大于或等于两个的预定数量的电气保护设备，所述方法就被中断；以及

g)基于分别与被遍历的电气设备相关联的所述总不可用性值来计算所述电气网络的可靠性状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电气网络的至少一个电气设备从变压器、开关、断路器、接触器、隔离开关、母线、电池、保护继电器、监控装备、控制装备和电信装备中选择。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电气网络包括至少一个真实电气设备和至少一个虚拟电气设备，所述虚拟电气设备被配置为对所述电气网络的元件之间的关系进行建模。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，一旦在所述方法的步骤c)中识别出虚拟电气设备，所述方法就被中断。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电气网络中的所述给定位置对应于母线的位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述给定位置开始，向上游遍历所述子集，即，朝向所述电气网络的至少一个电源遍历所述子集，和/或向下游遍历所述子集，即，朝向所述电气网络的至少一个电气负载遍历所述子集。

7.一种包括指令的计算机程序，当所述程序由处理器执行时，导致根据权利要求1至6之一的方法被实施。

8.一种处理设备，其上记录有包括用于实施根据权利要求1至6之一的方法的指令的计算机程序。

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