一種考慮多狀態(tài)運(yùn)行的安全穩(wěn)定控制裝置可靠性分析法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制中的安 全穩(wěn)定控制裝置的可靠性分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中國正大力建設(shè)連接大型能源基地與主要負(fù)荷中心的特高壓骨干網(wǎng)架和直流輸 電工程，形成"三縱三橫一環(huán)網(wǎng)"的電力網(wǎng)格局。安全穩(wěn)定控制裝置位于中國電力穩(wěn)定控制 的第二道防線，將被要求具備高度的可靠性。傳統(tǒng)可靠性評估多以"二狀態(tài)假設(shè)"為基礎(chǔ)， 認(rèn)為系統(tǒng)處于完全正常工作狀態(tài)或者完全失效狀態(tài)，而在實(shí)際工程中，系統(tǒng)是由具有多狀 態(tài)的部件組成，不可能由完全正常狀態(tài)直接過渡到完全失效狀態(tài)，而是有一個性能逐漸退 化的過程，即在完全正常工作狀態(tài)和完全失效狀態(tài)之間存在多個中間狀態(tài)。在本發(fā)明中，認(rèn) 為安全穩(wěn)定控制裝置存在完全正常運(yùn)行、隱性誤動、隱性拒動和完全失效共4種狀態(tài)。
[0003] 安全穩(wěn)定控制裝置的隱性誤動狀態(tài)和隱性拒動狀態(tài)是由于裝置自身存在固有缺 陷未被發(fā)現(xiàn)或人為因素導(dǎo)致隱患而致，統(tǒng)稱為隱性故障狀態(tài)，致其處于隱性故障狀態(tài)的故 障則統(tǒng)稱為隱性故障。當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時裝置的隱性故障不會對電力系統(tǒng)造成任何影 響，只在系統(tǒng)處于不正常壓力狀態(tài)（如接地短路故障、潮流逆轉(zhuǎn)、電壓大幅度跌落等）或者 是惡劣的運(yùn)行環(huán)境下才可能被觸發(fā)。隱性故障削弱了安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性，一旦被 觸發(fā)則會令裝置失效，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，造成大量的負(fù)荷、電源損失，甚至大面積停電， 給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。
[0004] 因此有必要對安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性進(jìn)行評估，尤其是通過評估安全穩(wěn)定控 制裝置的可靠性獲悉裝置處于隱性故障狀態(tài)的概率大小，以便于提早采取預(yù)防措施，減小 裝置失效的可能性，保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是：為了克服傳統(tǒng)可靠性評估方法的不足，提出一種考慮多狀態(tài)運(yùn)行 的安全穩(wěn)定控制裝置可靠性分析法，該方法以基于故障樹和馬爾可夫狀態(tài)空間對安全穩(wěn)定 控制裝置可靠性進(jìn)行評估，根據(jù)該方法可分析出安全穩(wěn)定控制裝置處于完全正常運(yùn)行、隱 性誤動、隱性拒動和完全失效4種不同運(yùn)行狀態(tài)時的穩(wěn)態(tài)概率，以此判斷裝置的可靠程度。
[0006] 具體地說，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟：
[0007] 1)分析安全穩(wěn)定控制裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
[0008] 2)基于故障樹法建立安全穩(wěn)定控制裝置的故障樹模型，獲取安全穩(wěn)定控制裝置的 失效率入；
[0009] 3)考慮安全穩(wěn)定控制裝置的4種運(yùn)行狀態(tài)：完全正常運(yùn)行狀態(tài)、隱性誤動狀態(tài)、隱 性拒動狀態(tài)和完全失效狀態(tài)，基于馬爾可夫狀態(tài)空間建立安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性評估 豐旲型；
[0010] 4)根據(jù)安全穩(wěn)定控制裝置的歷史運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，計算安全穩(wěn) 定控制裝置處于完全正常、隱性誤動、隱性拒動和完全失效4種不同運(yùn)行狀態(tài)時的概率值。 [0011] 上述技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，所述步驟2)的具體過程為：
[0012] 201)基于步驟1)中的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，建立安全穩(wěn)定控制裝置的故障 樹模型；
[0013] 202)求取安全穩(wěn)定控制裝置失效率入：
[0014] 根據(jù)美國軍用手冊《MIL-HDBK-217F》的電子設(shè)備可靠性預(yù)計模型，計算安全穩(wěn) 定控制裝置各穩(wěn)控模件中各電子元器件的失效率Ai，再由式（1)求各穩(wěn)控模件的失效率 入SCM:
[0016] 其中，ASQ(為單一穩(wěn)控模件的失效率，Ai為第i種元器件的失效率，m為穩(wěn)控模 件內(nèi)元器件種類數(shù)，隊為第i種元器件的總個數(shù)；
[0017] 根據(jù)穩(wěn)控模件對于裝置的重要性賦予各穩(wěn)控模件權(quán)重，根據(jù)主控單元、I/O單元和 通信單元各組成穩(wěn)控模件間的邏輯關(guān)系求取裝置的失效率入：
[0019] 其中：A為裝置的失效率；AMin、AM和Aeu分別為主控單元、I/O單元和通信單 元的失效率；為第jl個主控單元穩(wěn)控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應(yīng)的權(quán)重，I"為 第j2個I/O單元穩(wěn)控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應(yīng)的權(quán)重，為第j3個通信單元穩(wěn) 控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應(yīng)的權(quán)重；為第jl個主控單元穩(wěn)控模件的失效率， 41m^J'2 ^!/° j'3 ； Jl、J2和J3分別為主控單元、I/O單元和通信單元的穩(wěn)控模件總數(shù)。
[0020] 上述技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，所述步驟3)中基于馬爾可夫狀態(tài)空間建立安 全穩(wěn)定控制裝置的可靠性評估模型的具體過程為：
[0021] 301)確定分析基于馬爾可夫狀態(tài)空間建立安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性評估模型 的前提條件如下：
[0022] 1、安全穩(wěn)定控制裝置的失效率為步驟2)中求取的裝置失效率入；
[0023] 2、設(shè)在線自檢和監(jiān)視的故障檢出系數(shù)為(^、未檢出的誤動次數(shù)占未檢出誤動與拒 動次數(shù)和的百分比為C2,則未檢出的隱性故障誤動率(：3和未檢出的隱性故障拒動率分(： 4別 為：
[0024] CfCjl-QA
[0025] C4= (1_C2) (1-Q)入
[0026] 裝置的隱性誤動故障及隱性拒動故障在定期檢修時能被發(fā)現(xiàn)修復(fù)，設(shè)定期檢修率 為~
[0027] 3、安全穩(wěn)定控制裝置可檢查出的故障率為C5=qA，檢出故障修復(fù)率為y1;
[0028] 4、觸發(fā)安全穩(wěn)定控制裝置隱性拒動故障的故障發(fā)生率為Xs，觸發(fā)安全穩(wěn)定控制 裝置隱性誤動故障的故障發(fā)生率為入w
[0029] 5、隱性誤動狀態(tài)與隱性拒動狀態(tài)之間能夠相互轉(zhuǎn)移，隱性誤動隱患到隱性拒動隱 患的轉(zhuǎn)移率為c6，隱性拒動隱患到隱性誤動隱患的轉(zhuǎn)移率為c7;
[0030] 6、不考慮通信通道問題，不考慮裝置的閉鎖故障問題，裝置故障經(jīng)修復(fù)后能恢復(fù) 到完好狀態(tài)，上述故障率及修復(fù)率均為常數(shù)；
[0031] 7、假設(shè)被保護(hù)元件故障后能立即被修復(fù)；
[0032] 302)在步驟301)確定的前提條件的基礎(chǔ)上，建立安全穩(wěn)定控制裝置的馬爾可夫 狀態(tài)空間圖，得到安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性評估模型。
[0033] 上述技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，所述步驟4)中，計算安全穩(wěn)定控制裝置處于完 全正常、隱性拒動、隱性誤動和完全失效4種不同運(yùn)行狀態(tài)時的概率值的具體過程為：
[0034] 401)根據(jù)步驟302)中安全穩(wěn)定控制裝置的馬爾可夫狀態(tài)空間圖建立如式（3)所 示的狀態(tài)空間方程：
[0035] PT = 0
[0037]其中，P= [Pl，p2, p3, p4]為各狀態(tài)的平穩(wěn)狀態(tài)概率，Pl對應(yīng)完全正常運(yùn)行狀態(tài)時的 概率，p2對應(yīng)隱性誤動狀態(tài)時的概率，p3對應(yīng)隱性拒動狀態(tài)時的概率，p4對應(yīng)裝置完全失效 時的概率；T為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率密度矩陣，其表達(dá)式為：
[0039] 402)根據(jù)安全穩(wěn)定控制裝置的歷史運(yùn)行情況，統(tǒng)計獲取步驟302)中狀態(tài)空間圖 和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率密度矩陣T中的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合求得的裝置失效率X，根據(jù)式（3)、式（4) 計算安全穩(wěn)定控制裝置處于完全正常、隱性誤動、隱性拒動和完全失效4種不同運(yùn)行狀態(tài) 時的概率值。
[0040] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明在充分地分析了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 分基礎(chǔ)上，將故障樹法和馬爾可夫狀態(tài)空間法相結(jié)合，提出一種考慮多狀態(tài)運(yùn)行特性的安 全穩(wěn)定控制裝置可靠性評估模型。根據(jù)該模型可分析出安全穩(wěn)定控制裝置處于完全正常運(yùn) 行、隱性誤動、隱性拒動和完全失效4種不同運(yùn)行狀態(tài)時的穩(wěn)態(tài)概率，以此判斷裝置的可靠 程度，及時采取預(yù)防措施，可預(yù)防安全穩(wěn)定控制裝置的失效對電網(wǎng)構(gòu)成的威脅，從而避免給 電網(wǎng)和國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。評估過程中同時考慮了外界故障對裝置可靠性的影響，使 得評估結(jié)果更具客觀性，更為精準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0041] 圖1是安全穩(wěn)定控制裝置可靠性分析法流程圖。
[0042] 圖2是安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的故障樹模型。
[0043] 圖3是安全穩(wěn)定控制裝置的馬爾可夫狀態(tài)空間圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面參照附圖并結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明的安全穩(wěn)定控制裝置可靠性分析法，包括以下幾個步驟。
[0046] 圖1中步驟1，分析安全穩(wěn)定控制裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，一套安全 穩(wěn)定控制裝置是由一系列的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定控制模件（StabilityControlModel，SCM)組成，根 據(jù)功能不同分為主控單元、I/O單元和通信單元。
[0047] 主控單元為系統(tǒng)的樞紐單元，負(fù)責(zé)分析、決策和輸出控制，同時提供系統(tǒng)的人機(jī)接 口、通信管理等。I/O單元是裝置與外部的直接接口，負(fù)責(zé)采樣分析和出口輸出，通過光纖與 主控單元連接，主要完成數(shù)據(jù)的采集、計算、單元故障判斷以及與主機(jī)箱的信息交互。通信 單元將主控單元通過光纖接口傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便接入SDH或PCM設(shè)備，通過數(shù) 字通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄?cè)。主控單元主要包括電源模件、主控單元CPU模件、上位機(jī)模件、光 通信擴(kuò)展模件、出口模件、強(qiáng)電開入模件、弱電開入模件以及模入模出模件；I/O單元主要 包括電源模件、交流頭模件、濾波模件、I/〇單元CPU模件、出口模件、開入模件；通信單元包 括通信主控板模件、通信接口板模件。
[0048] 實(shí)際工程中，不同工程的安全穩(wěn)定控制裝置各單元的組成穩(wěn)控模件不盡相同，如 亭子口子站的安全穩(wěn)定控制裝置的主控單元是由電源模件、上位機(jī)模件、出口模件、弱電開 入模件和主控單元CPU模件組成，無模入模出模件、光通信擴(kuò)展模件等其他模件。所以在計 算安全穩(wěn)定控制裝置的失效率之前一定要分析清楚裝置的硬件系統(tǒng)構(gòu)成，這樣才能得到較 精確度失效率。
[0049] 圖1中步驟2,基于故障樹法建立安全穩(wěn)定控制裝置的故障樹模型，獲取安全穩(wěn)定 控制裝置的失效率A，其具體過程為：
[0050] 步驟201 :基于步驟1中的安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，建立安全穩(wěn)定控 制裝置的故障樹模型。典型的安全穩(wěn)定控制裝置的故障樹模型如圖2所示。
[0051] 步驟202 :求取安全穩(wěn)定控制裝置失效率入：
[0052] 失效率是評估裝置可靠性的重要指標(biāo)之一，定義為裝置在該時刻尚未失效，之后 單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。穩(wěn)控模件由大量的電子元器件構(gòu)成，多數(shù)元器件失效率計算 要考慮基本失效率、環(huán)境系數(shù)、溫度應(yīng)力系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)、成熟系數(shù)等因素。具體某個元器件 的失效率計算可能還需考慮元器件自身的一些屬性，如晶體管還需考慮電壓應(yīng)力系數(shù)和結(jié) 構(gòu)系數(shù)因素，電容器還需考慮電容量系數(shù)和串聯(lián)電阻系數(shù)因素，集成電路需考慮電路復(fù)雜 度失效率和封裝復(fù)雜度失效率因素。在元器