（电力系统及其自动化专业论文）地铁供电系统可靠性和安全性分析方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 i - _ i _ _ _ l _ - - _ l - _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ l _ - l _ l l - _ _ _ _ _ l _ _ _ 一ll l a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c e m e n to fs o c i a l e c o n o m y u r b a nr a i l t r a n s i ts y s t e m sp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nu r b a n d e v e l o p m e n ta n d p e o p l ed a i l yl i f e ，p o w e rs u p p l ys y s t e mo f f e r st h ec u r r e n ts o u r c et o i t ，i f c u r r e n ts u p p l yb r e a k s ，n o to n l yt r a n s p o r to fu r b a nr a i lt r a n s i t i n t e r r u p t s ，b u t a l s o d a m a g e sp e o p l e s l i f ea n d p r o p e r t y s oa n a l y s i sa n d i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h em e t r op o w e rs u p p l ys y s t e mh a sc o m et om o r e a t t e n t i o n 1 f i r s t ，t h et h e s i se m p h a s i so nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m a g a i n s tt h es e l fc h a r a c t e r i s t i co ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m a n dd e f i n i t i o no fr e l i a b i l i t y , t h e c o n c e p to fm e t r ot r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mr e l i a b i l i t y i s d i s c u s s e d ，a n da l s oi t se v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma r e g e n e r a l i z e d ，f o rt h ef a i l u r ed a t ao ft h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mo f g u a n g z h o um e t r ol i n e 1i nt h e y e a r2 0 0 3a n d2 0 0 4a sa ne x a m p l e t h e r e l i a b i l i t yi n d e xo ft h i sl i n ea r ec a l c u l a t e d v i e w e df r o ms t r u c t u r er e l i a b i l i t v i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m e t r ot r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ，t r a c t i o np o w e rs u b s t a t i o n ，c a t e n a r ys y s t e ma n dp o w e rs u p p l yp a r t i t i o n ， t h e r e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h et h r e ep a r t sa r eg a i n e di nt h i st h e s i s ，c r e a t e f a i l u r em o d e sa n de f f e c t sa n a l y s i s ( f m e a ) t a b l e ，t h r o u g ht h et a b l e f o u n d p o t e n t i a lf a u l tm o d e l ，g e n e r a l i z e dc h e c km e t h o do ft h ef a u l ta n dr e m e d i a l m e a s u r e s ，t h e nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dt h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h e r e l i a b i l i t yi sc o n d u c t e dw i t hf a u l tt r e ea n a l y s i s ( f t a ) m e t h o d ，m i n i m a lc u t s e ta n ds t r u c t u r e r e l i a b i l i t yo ft h ef a u l tt r e ea r eg a i n e dt h r o u g hq u a l i t a t i v e a n a l y s i s ，t h ef a i l u r e r a t eo ft h et o pe v e n ta r ec a l c u l a t e dt h r o u g hq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s s e c o n d l y ，as a f e t ya n a l y s i sm e t h o df o rm e t r op o w e rs u p p l ys y s t e mi s r e s e a r c h e d p r e l i m i n a r yg i v e ni t ss a f e t yg r a d ec o n c e p t ，a n dd i v i d e di ti n t of i v e c l a s s e s ，e x t r a o r d i n a r ys a f e t y ，v e r ys a f e t y ，s a f e t y ，b a s i cs a f e t ya n du n s a f e t y ， o b t a i n e ds a f e t ye v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，a c c o r d i n gt of o u re x p e r t se v a l u a t i n g _ l - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ l - _ _ _ l - _ _ _ _ _ - - - _ - - _ l - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - - 一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 一_ _ _ - i _ - i - _ _ _ - _ - l _ _ _ _ _ _ _ i - _ - l _ _ _ - _ l _ - l - s i t u a t i o n ，o b t a i n e dn u m b e ro ft h ef a c t o r si ne v a l u a t i o ns e t s a d o p t e df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ( f c e ) t oa n a l y s i s t h e s a f e t y o fm e t r op o w e r s u p p l ys y s t e ma n du s e dt h ee x a m p l et o i l l u s t r a t e ，g e n e r a l i z e dm e t h o d sa n d m e a n st oi m p r o v et h es a f e t yo fp o w e rs u p p l ys y s t e m t h r o u g hr e s e a r c ho nr e l i a b i l i t ya n ds a f e t ym e t h o d ，s u i t a b l ee v a l u a t i o n m e t h o d sa r eg i v e nf o rm e t r op o w e rs u p p l ys y s t e m ，e x a m p l e sa r ed e m o n s t r a t e d t h es u p e r i o r i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h et w om e t h o d so fw h i c hf m e a a n df t a ， a l s od e m o n s t r a t e dt h ea v a i l a b i l i t yo ff c e k e yw o r d s ：m e t r op o w e rs u p p l ys y s t e m ，t r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m ， r e l i a b i l i t y , s a f e t y ，f a u l tt r e ea n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：嘴偬客 f t 凝：弘o8 s ，弓| 指导老师躲话滟孕 日期：知孑岁刃 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 将故障模式后果分析法和故障树分析法相结合对地铁牵引供电系统进行 可靠性分析。先对牵引变电所和接触网分别建立较完整的故障模式后果分析 表，在故障模式后果分析表的基础上，建立故障树模型，然后采用最小割集 法与故障树分析法进行定性和定量分析，以一个供电分区为例，得到了一个 供电分区的失效概率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及其意义 第1 章绪论 随着社会进步、城市规模不断扩大、人口密度迅速增加，人们对地铁 的需求不断增加，对地铁可靠性、安全性要求也越来越高。供电系统是地 铁的重要组成部分，没有供电系统的可靠安全供电，就不可能有地铁的正 常运行。 地铁供电系统负责提供车辆及供电设备的动力能源，包括两大部分， 一部分为高压供电系统( 外部电源) ，即城市电网，常有集中式、分散式 和混合式三种供电方式；一部分为地铁内部供电系统，由牵引供电系统和 动力照明供电系统组成，负责将牵引变电所的三相高压交流电变成适合电 动车辆应用的低压直流电，馈电线再将直流电送到接触网上以供地铁车辆 使用，同时，还要提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机 械设备电源和通信、信号、自动化等设备电源。另外，负责供电设备的运 行状态监视、控制和数据采集的电力监控系统( s c a d a ) 也属于地铁供 电系统范畴。 供电系统是地铁所有用电用户的电能源泉，是机车和机电系统运行的 动力保证，其可靠性直接关系到地铁系统的可靠性和安全性。一旦供电系 统发生故障，将使整条线路失去运营能力，造成重大经济损失。随着地铁 线路的不断增多，地铁供电系统复杂程度越来越高，出现事故的可能性和 故障波及的范围、造成的损失也不断增大。 供电系统能否安全可靠运行将直接关系到地铁的安全、稳定运营，供 电系统的可靠性直接影响用户供电的连续性。而可靠性和安全性是系统长 期工作的特性，贯穿于对象系统的构想阶段到其寿命终结整个寿命周期过 程。所以，要将供电系统构建成具有极高的可靠性和安全性的系统，是一 项艰巨的系统工程，因此，本课题提出对该系统进行可靠性( r e l i a b i l i t y ) 与安全性( s a f e t y ) 分析方法的研究，从可靠性和安全性对地铁供电系统 进行分析评估。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 综上所述，为了保证地铁安全可靠地运行，研究其供电系统可靠性及 安全性是极其有意义的，目的就是保证在一定的经济条件下，使得地铁供 电系统在安全可靠运行的同时，使其可靠性和安全性达到最高。通过本课 题的研究，找出地铁供电系统的薄弱环节，摸索出系统一定的故障规律， 从而指导地铁运营、检修和维护工作，最大限度地降低故障和事故损失。 1 2 系统可靠性和安全性分析的重要性 由于地铁运营的高密度和大客流量特点，供电系统必须尽量降低供电 设备以及系统的失效风险，一旦地铁供电系统发生故障或事故，造成运营 中断，将给国民经济和社会发展造成巨大损失。 近年来，地铁因为供电因素发生的部分安全事故【1 】有：1 9 9 5 年1 0 月 2 8 日，阿塞拜疆巴库地铁因车辆电气设备故障，诱发火灾，列车第3 ，4 节车厢着火，浓烟毒雾造成5 5 8 人死亡，2 6 9 人受伤；2 0 0 3 年7 月1 5 日 上海地铁一号线莲花路到莘庄得列车突然停电，被迫停运6 2 分钟，经查 明原因是由于地铁牵引变电站直流开关跳闸，列车蓄电池亏电量，才致使 列车无法正常启动的；2 0 0 3 年8 月2 8 日，英国首都伦敦和英格兰东南部 部分地区突然发生重大停电事故，伦敦近2 3 地铁停运，大约2 5 万人被 困在伦敦地铁中；2 0 0 4 年7 月2 2 日，广州地铁1 号线遭遇大停电事故， 造成线路部分区间停运长达1 小时5 5 分，有6 个地铁站受到影响，3 9 0 0 名乘客退票，社会影响极大。 可见，地铁供电系统是否安全与可靠运行，对地铁列车的安全可靠运 行起至关重要的作用。一旦安全与可靠方面出现问题，不仅会给社会带来 巨大的经济损失，还会造成社会秩序的混乱，影响社会的安定和繁荣。 因此，对地铁供电系统进行可靠性和安全性评估，找出系统薄弱环节， 给出提高供电系统可靠性和安全性的措施与方法，降低地铁供电系统故障 率，保障乘客的人身安全，节约地铁运营成本。 对地铁供电系统进行可靠性和安全性分析评估的重要性主要体现在 以下三方面： ( 1 ) 找出影响地铁牵引供电系统可靠性的薄弱环节，指导地铁运营维 护人员工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地铁供电系统由大量设备构成，这些设备受利用程度、环境和老化等 因素的影响，其运行条件随时间恶化，可靠性和安全性不断下降。在熟悉 牵引供电系统结构和运行方式的基础上，建立了牵引供电系统设备或元件 失效的故障模式后果分析表，该表包含故障失效后果，故障的检验方法以 及补救措施；在故障模式后果分析表的基础上，建立了牵引供电系统的故 障树模型，并对故障树进行了定性和定量的分析。分析结果找出了影响地 铁牵引供电系统可靠性的薄弱环节，可以指导地铁供电系统管理和维护人 员制定维修计划，通过有计划的维修活动恢复设备运行的条件，降低设备 故障率，减少故障停电时间。 ( 2 ) 制定合理的维修计划，节约维修费用 地铁供电系统设备维修费用在地铁运营成本中占很大一部分，降低维 修费用可以节约地铁运营成本。众所周知，缩短维修间隔可以提高系统可 靠性，与此同时，频繁的维修活动也会导致较大的费用支出。如果维修间 隔太长，虽然可能节约用于维修活动的费用，但是地铁供电系统失效的风 险增大，一旦系统失效，会引起的费用损失可能远远大于维修费用。因此， 通过可靠性分析得到系统平均无故障运行时间，制定合理的维修计划是一 种最可能节约费用的措施。 ( 3 ) 对地铁供电系统进行安全性评估，提出提高系统安全性措施，可 以保障地铁供电系统安全运营 在建立地铁供电系统的安全评估指标体系的基础上，运用模糊综合评 判法对其进行安全性分析，该评价方法从设备设施、人员配备，组织管理 以及外界环境四个方面安全因素入手，可以指导运营维护人员合理地进行 设备和人员的管理。 总之，对地铁供电系统进行可靠性和安全性分析，对于提高地铁运营 服务水平和节约地铁运营和管理费用具有重要意义。 1 3 国内外现状 1 3 1 系统可靠性研究现状 可靠性问题萌芽于2 0 世纪2 0 年代，3 0 年代人们对这个问题有了进一 步的认识。其作为一门工程学孕育于4 0 年代第二次世界大战中，成 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 长于产品不可靠带来的失败和教训中。1 9 5 7 年，a g r e e ( a d v i s o r yg r o u p o nr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，美国国防部电子设备可靠性咨询小 组) 发表了可靠性测量方法和标准规范，宣告了可靠性科学的诞生1 2 3 】。 经过半个多世纪的发展，可靠性科学已成为一门涉及面十分广泛的综合性 新兴学科，涉及到数学、物理、化学、电子、机械、环境、管理以及人机 工程等多个领域。 可靠性的定义由于要用概率来表征，争议较多，自诞生之日起几经修 改，仍然难以完全统一。我国在1 9 8 2 年发布的g b 3 1 8 7 可靠性基本名词 术语和定义中对可靠性的定义1 4 j ：产品在规定条件下和规定时间内，完 成规定功能的能力。 几十年来，各国的有关学者一直在探索强有力的可靠性评估方法，这 些方法主要分为解析法( a n a l y t i c a l ) 和模拟法( 蒙特卡罗法) 两大类主要 的评估方法以及结合模拟法和解析法的混合方法。近年来，针对上述方法 对经验信息缺乏利用这一不足，出现了贝叶斯法( b a y e s ) 这一新方法。 解析法【5 墙】基于马尔克夫模型，根据系统的结构、系统和元件的功能 以及两者之间的逻辑关系，建立系统的可靠性模型，通过递推或迭代等数 值计算方法求解此模型，获得系统的各项可靠性参数。在给定的假设条件 下，此方法一般可求得准确的结果。但由于系统状态的数目随着系统内元 件数目的增加成指数增长，所以，当系统很大时，计算量相当大，不利于 进行可靠性分析。 模拟法1 9 d 1 】即蒙特卡罗法，在得到平均值指标的同时，可得到概率分 布的可靠性指标。它是按一定的步骤在计算机上模拟随机出现的各种系统 状态，即用数值计算方法模拟一个实际的过程，从大量的模拟试验结果中 统计出系统的可靠性指标，随机模拟的次数与系统规模无关，适应性强， 算法及程序结构简单，非常适合进行复杂系统的可靠性计算，只是其计算 精度往往受到各种因素的限制。 混合法1 1 2 】的主要思想是：针对解析法模型精确、物理概念清楚的特点， 在能用解析法的地方充分利用解析法，在求解规模超出解析法的求解能力 时，应用模拟法。目前混合法有两种不同的思想：一种是相继或交替使用 解析法和模拟法的思想，通过两者的综合来降低模拟的方差；另一种是通 过对系统采用状态的简单解析判断，来减少每次状态评估的时间，从而提 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 高模拟速度。 贝叶斯法1 1 3 】对客观所作的统计分析是建立在验前分布及抽样试验结 果的基础上。这种思想认为考虑抽样结果是必要的，同时还应考虑历史的 经验，后者表现在验前分布的确定上。故本方法的关键就在于验前分布的 选取上，通常有以下几种做法：共扼型验前分布、无信息验前分布和从历 史资料来确定验前分布。 目前，系统可靠性理论广泛用于各个领域，如：机械、化工、矿山、 煤矿、航空、航天以及电力系统等领域。其中，电力系统中的可靠性研究 主要是对发输电系统【14 1 、供电系统【1 2 , 1 5 1 和配电网1 1 3 , 1 6 , 1 7 1 等的可靠性。 现阶段，与供电系统的可靠性相关的研究主要集中在设备、电气和机 械的可靠性方面。 文献【1 8 】采用了故障模式分析及危害评估法对电力变压器进行了可靠 性分析，文献【1 9 采用了故障模式与后果分析及故障树分析法对电子式电 流互感器进行了可靠性分析，文献【2 0 综合考虑了继电保护配置及动作正 确性的影响，备用设备投切影响以及设备故障对变电所供电可靠性的影响 程度，对变电站供电可靠性进行了定量研究，这些研究只对设备进行了可 靠性分析，未从系统进行分析。 文献【2 1 】建立了一个基于故障录波的牵引变电所故障分析的专家系 统，能够帮助值班人员理解录波信息、判断故障元件并校验保护和断路器 动作行为，但未考虑整个供电系统的可靠性。 文献【2 2 2 3 1 分别采用故障树分析法和模糊综合评判法，对铁路接触 网系统的可靠性进行了分析和研究。文献 2 4 1 从接触网零部件的角度出 发，建立了接触网系统的可靠性模型，分析了零部件受力情况，总结了接 触网零部件金属材料的选择与成型工艺。这几篇文献分析了接触网系统的 可靠性，但接触网系统只是铁路供电系统的一部分，有必要对整个供电系 统进行分析。 文献【2 5 】采用系统工程的观点，阐述了城市轨道交通系统安全性与可 靠性的概念并构建了城市轨道交通系统安全性与可靠性工程框架及管理 组织结构和信息流程框架，只从运营管理方面进行了分析。 文献【2 6 】分析了电气化铁路牵引供电的可靠性问题，提出了铁路牵引 供电系统的可靠性指标体系，利用基于区域模型的故障模式影响分析对 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 y n ，d l l 界限方式的牵引变电所进行了实例分析，而地铁供电系统目前还 没有对整个系统的可靠性分析。 虽然可靠性理论在地铁供电系统领域已取得了一定的成果，但大多数 研究侧重电气设备与零部件方面，缺少从系统整体角度通过逻辑关系分 析、评价供电系统的可靠性。因此，本文提出从系统的结构角度来分析地 铁供电系统的可靠性。 1 3 2 系统安全性研究现状 在系统安全性分析中，安全性1 2 7 】是指产品避免人员伤亡、设备破坏、 财产( 包括生产能力) 损失和环境破坏的能力。 安全评价，在国外也叫“风险评价”( r i s ka s s e s s m e n t ) ，简称r a 。安 全评价是以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程原理和方法， 对工程、系统中存在的危险、有害因素进行识别与分析，判断工程、系统 发生事故和急性职业危害的可能性及其严重程度，提出安全对策建议，从 而为工程、系统制定防范措施和管理决策提供科学依据1 2 8 1 。 目前国内外研究及应用的较成熟的安全性分析和评价方法或理论主 要有初步危害分析、事故树分析、事件树分析、因果分析图法、安全检查 表法、事故致因理论、安全行为论、综合安全评价、安全管理评估等等。 这些理论或方法主要可归纳为两大类：一类为分析类f 2 9 彤】，即发现隐患， 识别危险性，寻找原因；另一类为评价类1 3 4 0 引，即确定危险程度或安全程 度。评价又可分为两类：一类是系统内部各种危险行为或状态的分析评价， 确定出各种不安全行为或状态的危险程度高低，给安全管理工作提供参 考；另一类是比较评价，即确定影响系统安全性的各个因素的重要程度和 好坏程度，用于安全性评比。 我国的轨道交通安全评价研究起步于8 0 年代中期，最早的研究主要 着重于地铁运营方面的安全评价，文献【1 】对影响地铁安全运营的主要原因 进行了探讨，针对这些原因提出了一些事故发生前的预防对策以及事故发 生后的处理措施，文献f 3 0 1 提出地铁运营安全防范的人、物、锦0 度和社会 环境四要素，将这四者有机结合起来，才能实现地铁最大化的安全运营。 此类评价方法采用的评价指标除了人们所熟知的“四项指数”( 即事故的发 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 生起数，死亡人数，受伤人数，直接经济损失) 外，还增设了一些适合我 国国情指标，评价方法可归纳为三种类型，即经验法、强度法和统计法。 由于影响城市轨道交通安全的因素众多，并且这些因素各自量纲不同，对 交通安全影响的程度也不相同，因而计算所得的综合事故率缺乏明确的物 理意义，并且计算模型中参数的选取也缺乏严谨的科学依据，致使上述三 种方法的应用都受到了限制。 地铁供电系统在设计建造时采用了许多安全措施来保障其安全，文献 【3 9 主要介绍目前国内地铁普遍采用的集中供电、架空接触网受流供电系 统的可靠性设计。由于地铁供电系统的复杂性，在实际运营时涉及安全方 面的问题仍然非常多，对于这些问题的解决，目前无论是理论研究层面还 是实践层面，均尚未形成一个完整的体系，仍处于零散状念。 目前，对地铁供电系统安全性的研究比较少，主要集中在对地铁运营 的安全性分析，所以本文深入对地铁供电系统安全性分析，找出影响地铁 供电系统安全运行的主要因素，提出改善措施。 1 4 本论文所做的工作 地铁供电系统可靠性分析是保证地铁安全运行的前提，牵引供电系统 是列车和照明供电等的动力来源。本文着重研究地铁牵引供电系统( 包括 牵引变电所、接触网和供电分区) 的可靠性，包括可靠性模型的建立，系 统定性和定量分析，确定系统的失效规律，判断何种元件或设备的失效率 较低，并知道地铁运营部门制定合理的维修作业。此外，良好的可靠性分 析方法还可以寻找高效率的维修任务，即任何一个系统中均存在部分薄弱 环节，发现并对这些环节强化维修，可以达到事半功倍的效果。 本文主要完成下列工作： 1 给出了地铁牵引供电系统可靠性的指标体系，将故障模式后果分 析法和故障树分析法相结合，建立可靠性分析模型，对系统进行可靠性分 析，总结了提高牵引供电系统可靠性措施与方法。 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 给出了牵引供电系统可靠性指标； ( 2 ) 地铁牵引供电系统( 包括牵引变电所，接触网系统和供电分区) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的可靠性分析。 2 在定义地铁供电系统安全性和初步提出安全等级的基础上，建立 地铁供电系统安全评定指标体系，采用模糊综合评判法对其进行安全性评 估，举出实例，分析地铁供电系统安全性。 地铁供电系统安全性分析，包括以下几个方面： ( 1 ) 地铁供电系统安全性定义，安全性等级初步划分； ( 2 ) 模糊综合评判法对系统进行安全性分析； ( 3 ) 总结了提高地铁供电系统安全性措施。 1 5 论文的结构 本文在查阅大量可靠性文献与论文的基础上，通过对地铁牵引供电系 统进行实地调查研究，提出了基于故障模式后果分析和故障树分析的地铁 牵引供电系统可靠性评估。论文着重介绍了可靠性的分析方法、牵引供电 系统的组成、牵引供电系统的可靠性分析与牵引供电系统的安全性分析。 论文分为5 章对上述研究工作进行了详细论述。 第一章为绪论，阐述了论文的研究背景和意义，介绍了可靠性和安全 性分析的重要性，总结了系统可靠性与安全性的研究现状，并对本论文所 作的工作进行了介绍。 第二章为基本理论介绍，首先介绍了可靠性和安全性的基本概念，然 后对可靠性的评估方法进行了介绍，主要包括可靠性框图法、f t a 法和 f m e a 法以及这三种方法的比较分析，最后介绍了地铁供电系统的安全性 评估方法一模糊综合评判法。 第三章为牵引供电系统介绍，主要包括高压供电系统、牵引供电系统、 动力照明供电系统和电力监控系统的结构、组成和运行方式的介绍。 第四章为牵引供电系统的可靠性分析，这章为本文的重点，首先给出 了牵引供电系统的可靠性指标，介绍了系统可靠性分析流程，分别列出了 牵引变电所和接触网系统的f m e a 分析表，构造了它们的故障树模型，并 对故障树进行了定性和定量分析，最后以一个供电分区为例来进行可靠性 分析。本章主要内容将在基于故障模式后果分析与故障树分析的地铁牵 引变电所可靠性分析( 铁道学报) 一文中公开发表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第五章为供电系统安全性分析，主要包括供电系统安全等级的初步划 分，建立系统安全评估指标以及供电系统安全性分析。本章主要内容已在 一种地铁综合监控系统安全性分析方法研究( 中国安全科学学报) 一 文中公开发表。 第六章为总结与展望，总结本文主要的研究工作与研究成果，概括本 文的主要创新点，并提出了以后研究工作的展望与设想。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 基本概念 第2 章基本理论 2 1 1 可靠性理论的基本概念 1 可修复元件 可修复元件在投入使用经过时间z 。( 元件首次故障时间) 发生故障， 退出系统进行维修，直到功能恢复正常才投入运行【4 0 , 4 1 】。从元件发生故障 到元件再次投入运行的过程叫做修复过程。由于元件故障发生原因，损坏 程度以及修理条件等多方面因素影响，修复时间正也应该是个随机变量。 显然，一个可修复元件的寿命流程就是工作、修复、再工作、再修复的交 替循环过程。图2 1 是可修复元件的双态模型。 r 0 图2 - 1 可修复元件的双态模型 2 可修复元件可靠性指标 可靠性理论是进行故障树分析的基础，其中几个关键的技术指标，如 可靠度、失效率、平均寿命、系统有效度和失效度介绍如下： ( 1 ) 可靠度r产品在规定的条件下和规定的时间t 内，完成规定功能 的概率称为该产品的可靠度，记为r ( t ) = p ( t t ) ，t 至0 。 ( 2 ) 失效率a单位时间内失效的元器件数与元器件总数之比称为失 效率，它也是时间的函数。 ( 3 ) 平均寿命对于不可修复产品，平均寿命指的是平均工作时间 ( m e a nt i m et of a i l u r e ，m t t f ) ，对于可修复产品，平均寿命指的是相邻故 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 障问的平均工作时间( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ，m t b f ) 。二者统称为平 均寿命。数学上就是寿命t 的数学期望e ( t ) 。如果寿命t 具有分布密度 函数“t ) ，则 + + + + r ， + m t b f l e q 、) 2s 堪( o a t2l t i ( t ) d tif t d f ( t ) 2f f d u d f ( t ) 5f f d f ( t ) d u = f t l - f ( u ) d u f r ( u ) d u 否否 如果可靠度服从指数分布，即r ( t ) = p ( t t ) = e ，t 兰0 ，则 m t b f = e ( 丁) 一f r ( u ) d u f e 一缸d u = l a 荔否 ( 4 ) 系统有效度a a = m t b f ( m t b f + m t t r ) ，式中m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) 为系 统平均维修时间。 ( 5 ) 系统失效度q q - - m t t r ( m t b f + m t t r ) 。由上可见a + q = l 。 2 1 2 安全性基本概念 工业生产中传统的安全技术工作已有1 5 0 多年的历史，其间，预防事 故的理论与实践也有不少的进展。但现代大型复杂工程系统是多学科发展 的成果，单项的安全防护或单一学科的安全研究难以解决整个系统的安全 问题。特别是在大型复杂系统发展中多次严重的灾难性事故的经验与教 训，促使人们认识到安全工作必须走系统分析研究的道路，从而推动系统 安全性得到了应有的发展。 安全性( s a f e t y ) 是指不发生事故的能力，一般是指将伤害或损坏的 风险限制在可接受水平的状态。系统或产品的安全性，表示在给定的条件 下系统或产品无事故地完成任务的一种特性。其中事故指的是使一项正常 进行的活动中断，并造成人员伤亡、职业病、财产损失或损害环境的意外 事件。事故可以认为是由于未能鉴别危险或是由于控制危险的措施不合理 所造成的。 供电系统的安全评估是以实现供电系统安全为目的，应用安全系统工 程原理和方法，对供电系统中存在的危险、有害因素进行识别与分析，判 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 断系统发生事故和急性职业危害的可能性及其严重程度，提出安全对策建 议，从而为工程、系统制定防范措施和管理决策提供科学参考。 2 2 评估方法 2 2 1 可靠性评估方法 1 可靠性框图法 可靠性框图法1 4 2 】是一种最基本的可靠性分析方法，主要用于对简单的 两状态系统进行分析。常用的可靠性框图有串联结构、并联结构和表决结 构等。 串联结构是指其中任一单元发生故障，就会导致该结构发生故障的一 种模式，其结构图如图2 1 所示。 - 三h 母 图2 - 1 串联结构可靠性框图 系统的可靠度可表示为 尺5 ( f ) = r ，o ) r ： ) r 。l j f ) r 。o )( 2 1 ) 式中，r so ) 表示系统的可靠度，r ，( f ) 表示各部件或子系统的可靠度， i 。1 2 ，z 。 并联结构是指当且仅当所有单元都发生故障，才会导致结构发生故障 的一种模式。并联结构的可靠性框图如图2 3 所示。 图2 - 3 并联结构可靠性框图 系统的可靠度可表示为 r s ( t ) = 1 一( 1 一只，p ) ) ( 1 一r ：o ) ) ( 1 一尺。o ) )( 2 - 2 ) 式中，心p ) 表示系统的可靠度，r 以) 表示各部件或子系统的可靠度， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 i = 1 , 2 n 。 如果系统是由1 1 个单元组成，当且仅当至少有r 个单元正常工作时， 整个系统才能正常工作，这种模式称为表决结构。表决结构的可靠性框图 如图2 4 所示。 图2 4 表决结构可靠性框图 当系统中1 1 个单元相同时，系统的可靠度可表示为 三 r s o ) ；r 。o ) 罗c ：尺o ) 【1 一r o ) 】4 “ ( 2 - 3 ) 等 式中，r so ) 表示系统的可靠度，r 。o ) 表示表决器可靠度，r ( t ) 表示各部 件或子系统的可靠度。 2 故障树分析法 1 ) 故障树基本理论 故障树分析法【4 3 郴l ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，f t a ) 是由美国贝尔实验室 的h a w a l s o n 首先提出，运用在民兵导弹的控制系统设计上：为预测导 弹发射的随机失效概率做出了贡献。目前，f t a 已广泛应用于宇航、核能、 电子、电力、化工、机械、交通乃至土木建筑领域。 故障树分析法是研究引起系统发生故障的各种直接或间接的原因( 如 硬件、软件、环境、人为等因素) ，在这些原因间建立逻辑关系，用逻辑 框图( 即故障树) 表示的一种方法。故障树以图形化的方式表示在系统内 故障或其它事件之间的交互关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”， 反之，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。位于故障树最底层的事件称 为底事件，它是某个逻辑门的输入事件。位于故障树顶端的是顶事件，即 系统不希望发生的事件。除顶事件和底事件外的事件称为中间事件。描述 事件之间因果关系的逻辑符号称为逻辑门，如与门、或门、表决门、非门 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 考虑一个由r 个部件组成的系统s ，称“系统故障，为故障树的顶事件， 记作t 。称各部件故障为底事件。在此只研究两状态故障树，即系统和部 件只能取正常或故障两种状态，故可用0 、1 变量置来描述底事件的状态， 于是有 f 1 ，当底事件i 发生时； x i 一1 0 ，当底事件i 不发生时。 由于顶事件的状态是底事件状态的函数，如用( ，x ) = f ，x ，x ，x 。j 描述顶事件的状态，则有 吣，；怯嚣獬糍爵。 西r xj 即称为故障树的结构函数或称为系统的故障结构函数。这里事 件发生对应着故障状态，事件不发生对应着正常状态。 顶事件故障概率不仅与各底事件的发生概率有关，而且与系统本身的 逻辑结构有密切的关系。 故障树分析法的基本步骤如下： ( 1 ) 定义系统边界、初始条件和顶事件( 最不希望事件) ，每个特定故 障树只有一个顶事件。 ( 2 )建造故障树：确定引起顶事件的直接原因事件( 中间事件) ，在顶 事件和中间事件之间根据逻辑关系用逻辑门将两者联结起来，再用适 当的逻辑门将引起中间事件的直接原因事件联结起来，依此类推，直 到被考虑的事件是基本或不发展事件( 底事件) 。 ( 3 )进行定性分析和定量分析。 对故障树进行分析，主要任务之一就是寻找导致系统故障的全部故障 模式，系统的故障模式又称割集。若从割集中任意去掉一个底事件，剩下 的底事件集合不再是割集，这样的割集就称为最小割集。 一般来说，求解最小割集【1 9 , 4 6 】的方法有上行法( s e m a n d e r e s 算法) 、 下行法( f u s s e l l v e s e l y 算法) 两种。常采用后者进行分析。下行法的基本 思路是：从故障树顶事件向下进行分析，若通过“或”门，增加割集的数目， 若通过“与”门，增加割集的阶次( 即割集中基本事件的个数) 。 设底事件石i 对应的失效概率为q ，( i = 1 ，2 ，1 1 ) ，1 1 为底事件个数，则 最小割集的失效概率为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 p ( m c s ) = p 1nx 2nx 3 nz 。) = iiq f - r 式中，m 为最小割集阶数。 顶事件发生概率为：p ( t o p ) = p ( y 1ny 2n y 七) ， 式中，y i 为最小割集，k 为最小割集个数。 p ( t o p ) 的计算有3 种情况： ( 1 ) 当y 1 ，y 2 ，y k 为独立事件时，则 l p ( 聊) = 1 一r ( 1 一只) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，p i 为最小割集y i 的失效概率。 ( 2 ) 当y l ，y 2 ，y k 为相斥事件时，则 j l p ( 聊) = 1 一1 1 只 ( 2 - 6 ) 3 - 1 ( 3 ) 当y 1 ，y 2 ，y k 为相容事件时，则 尸( t o p ) 2 善p ( y j ) - k 蝥( y 幽) + + ( 妒1 p ( i = l y i ) 一l = i ( 2 - 7 ) 上式右端共有( 2 k 一1 ) 项。由此可见，当故障树的最小割集较多为相容 事件时，则顶事件发生概率的计算非常复杂。为此，需将最小割集化为不 交和集，其基本思想为：第一步取y 1 ，其后每一步使y i 与y 1 ，y 2 ，y i 一1 不交，得t 个不交集，这样，顶事件的发生概率为： 尸( 删= 兀p p ， ( 2 8 ) 其中d j 一不交集( j = 1 ，2 ，t ) t 一不交集的个数。 根据各部件的失效率九计算出系统的失效率a ，则系统的可靠度 尺，( f ) = e ，平均无故障工作时间m t b f = 1 _ 。 2 ) 故障树基本符号及意义 分析故障树需要了解系统的逻辑关系和逻辑门符号及事件符号，表2 1 列举出故障树中常用事件和逻辑门的符号及其含义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 故障模式与后果分析 故障模式和后果分析法【1 9 】通过对系统中各元件状态的搜索，列出全部 可能的系统状态，然后根据规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验 分析，找出系统的故障模式集合，然后在此状态集合的基础上，提出可能 采取的设计、预防和改进措施，以提高系统或设备可靠性的一种设计方法。 f m e a 法原理简单、清晰、模型准确，已广泛用于系统的可靠性评估中。 f m e a 法分析步骤如下： 。 ( 1 ) 定义系统 先对系统或设备的各个组成部分进行细分，作为f m e a 表格建立的依 据。 ( 2 ) 填写与分析f m e a 表格 对系统或设备的各个部分采用f m e a 法进行分析，生成e m e a 表格。 故障模式影响分析法f m e a ，通过列举系统中各元件状态，确定系统 状态，然后根据所给定的可靠性判据对所有系统状态进行检验分析，建立 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 故障模式影响表，确定元件故障对系统的影响，求得系统可靠性指标。 尽管很多文献评述该方法逐一建立故障模式影响表的过程十分复杂， 但事实上，故障模式影响分析法依然是供电系统可靠性评估中最有效的方 法之一。原因在于： ( 1 ) 地铁供电系统中元件类型比较多，不同元件故障影响可能不同； ( 2 ) 对于辐射型网络一般只考虑单故障影响，“故障模式影响表”可 能只是一个简单的故障分析矩阵或某一故障对可靠性指标的增量值，如果 采用一些快速搜索技术进行分析，例如故障遍历、故障扩散等，并不会增 加太多计算量； ( 3 ) f m e a 法是其他一些故障分析法的基础，