（电力系统及其自动化专业论文）地铁牵引供电系统可靠性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页必要的。关键词：地铁，牵引供电系统，可靠性，牵引变电所，接触网西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页a b s t r a c tio nw i 缸lt h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m ya n dt h eg r o 嘶ho ft h eu r b a nt r a f f i c ，u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m sp l a y sm o r ea n dm o r ei i n p o r t a n ti nu r b a nd e v e l o p m e n ta n dp 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 oi t ，i fc 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 ti n t e r r u p t s ，b u ta l s od a m a g e sp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t y s ot h ea n a l y s i so ft h er e l i a b i l i t yo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t 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 rs 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 ma n dd e f i n i t i o no fr e l i a b i l i t y , t h ec o n c e p to ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mr e l i a b i l i t yo fs u b w a yi sd i s c u s s e d t 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 el e v e l si nt h i st h e s i s ，w h i c hi st r a c t i o ns u b s t a t i o n s ，c a t e n a r ys y s t e m ，t h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fac e r t a i np e r i o d ，t h e nc a r r i e so u tr e l i a b i l i t ym o d e l i n g ，g e n e r a l i z e se v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n ds e n s i t i v i t yi n d e xo ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m t h et h e s i sa p p l i e st h en e t w o r km o d e la n a l y s i so nt h eb a s i so ff e e d e rp a r t i t i o n i n ga n df a u l tt r e em e t h o df o rr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o n ，a p p l yr e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a ma n a l y s i sa n df a u l tt r e em e t h o df o rr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to ft h ec a t e n a r ys y s t e m ，t h ee q u i v a l e n tr e l i a b i l i t ym o d e li sg i v e n f o rt h ef a i l u r ed a t ao ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fg u a n g z h o um e t r ol i n e1i nt h ey e a r2 0 0 3a n d2 0 0 4a sa i le x a m p l e ，t h er e l i a b i l i t yi n d e xo ft h i sl i n ei sc a l c u l a t e d ，q u a l i t a t i v e l ya n a l y z et h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fw e a kl i n k sb yc o m p a r i n gt h ec o m p o n e n t so ft h es e n s i t i v i t yo fe a c hd e v i c e t h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h ee x a m p l es h o w st h a tt h er e l i a b i l i t yo fe s t a b l i s h e dm e t h o d st oa s s e s sg o o da c c u r a c y s e c o n d l y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h em e t h o d so fr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o nf o rt h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m p r o p o s et h ep r o c e s sa n ds u g g e s t i o nt ot h er e l i a b i l i t ya l l o c a t i o no ft h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n dg i v e s西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页e x a m p l e so fa n a l y s i sa n dp r o p o s e st h em e a s u r e s o fi m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fs u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m f i n a l y , t h i st h e s i sc o m p l e t e sap a r to ft h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r eo ft h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no ft h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mu s i n gcl a n g u a g eb a s e do nt h em e t h o d so fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nw h i c hh a sb e e nc h o s e n t h es o f t w a r ec a nc o m p l e t et h ef u n c t i o no fb u i l d i n gt h em o d e lo ff a u l tt r e eo ft h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n dm a k et h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h em o d e lo ff a u l tt r e e t h i st h e s i sr e a s e r c h e so ft h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c st h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，c o m b i n e sw i t ht h em e t h o d so fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na n da l l o c a t i o n ，p r o p o s e st h em e t h o d so fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na n da l l o c a t i o nf o rt h es u b w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，g i v e se x a m p l e so ft h e s em e t h o d sa n dp r o v e st h ea d v a n t a g ea n dp r a c t i c a l i t yo fm o d e l i n ga n a l y s i sb yt h em e t h o do fl a y e r e da n db l o c k ，c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lp a r t so ft h et 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 m o n s t r a t e st h a tr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o ni sn e c e s s a r yf o rt h ei n i t i a lo fs u b w a yd e s i g n k e yw o r d ：m e t r o ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ：r e l i a b i l i t y , t r a c t i o ns u b s t a t i o n s ：c a t e n a r y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，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：作者签名：郑专20 0c j6 、写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 不保密函，使用本授权书。( 请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：关p 乒1 0日期：_ 口口甲f f 厂、x二i 七j q零名7签n师7老：导期指日西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 研究背景及意义随着社会进步、城市规模不断扩大、人口密度迅速增加，城市交通拥堵的情况日益严重。地铁因其具有运量大、能耗低、准时性好、快速安全、交通效率高等优点，成为城市轨道交通发展的重要方向之一，是解决大城市交通拥挤的有效和长远的途径。同时，地铁对于提高土地利用效率、改善人类居住环境、实现人车立体分流、减少环境污染、保持城市历史文化景观等都具有十分显著的作用，因此得到政府、社会及广大市民的关注。人们对城市轨道交通的需求不断增加，地铁可靠性、安全性要求也越来越高。牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，没有牵引供电系统的可靠安全供电，就不可能有城市轨道交通的正常运行。一旦牵引供电系统发生故障，将使整条线路失去运营能力，造成重大经济损失。2 0 0 4 年7 月2 2 日，广州地铁l 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。2 0 0 7 年1 0 月2 3 日东京地铁大江户线( 中井到丰岛园) 突然停电，进而造成全线停止运行，1 5 0 0 人被困在无空调的车厢中；之后，1 3 名乘客因车厢内拥挤闷热而晕倒，l o 人因身体不适被送医治疗。这次停电在持续约3 0 分钟之后，部分电车恢复运行，但仍有部分区间停驶，直至3 个小时之后才全部恢复。这场停电事故总共导致大江户线地铁7 2 班电车停驶，9 3 万人行程受到影响。由此可见，牵引供电系统能否安全可靠运行将直接关系到地铁的安全和稳定运营。本课题就是研究地铁牵引供电系统的可靠性运营，目的就是保证在一定的经济条件下，使得地铁牵引供电系统在安全可靠运行的同时，使其可靠性达到最高。综上所述，为了保证地铁安全可靠地运行，研究其牵引供电系统可靠性是有意义的。因此，论文将在深入研究地铁牵引供电系统结构的基础上，分析其可靠性指标，找出其薄弱环节，从而提出一系列整改方案。西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页1 2 国内外现状1 2 1 可靠性评估在牵引供电系统中发展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、诞生于4 0 年代第二次世界大战中，孕育成长于产品不可靠带来的失败和教训。1 9 5 7 年a g r e e ( 美国国防部电子设备可靠性咨询小组a g r e e ) 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、法【。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，涉及数学、物理、化学、电子、机械、环境、管理以及入机工程等多个领域。可靠性( r e l i a b i l i t y ) 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 年发布了g b 3 1 8 7 可靠性基本名词术语和定义，其中对可靠性的定义是：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法，这些方法主要分为解析法( a n a l y t i c a l ) 2 - 7 1 和模拟法( 蒙特卡罗法) 8 - 1 1 1 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f 1 冬1 4 】。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 ) 1 5 之1 】这一新方法。目前，系统可靠性理论广泛用于各个领域，如：机械、化工、矿山、航空、航天以及电力系统等领域。在铁路牵引供电系统领域，可靠性理论也得到了一定程度的应用。文献 2 2 1首先提出了牵引供电系统的可靠性指标体系，然后将基于区域模型的故障模式影响分析法运用于牵引变电所供电可靠性的预测评估中，又运用故障树分析法对站场和区间分别建立了可靠性模型，在以一个供电臂为一个供电分区的情况下，分析了单线和复线时供电分区的逻辑关系，给出了其等效可靠性模型，并分析了其供电可靠性。文献 2 3 1 以马尔可夫理论为基础，采用混合e r l a n g 分布作为牵引变电所主变压器回路的寿命特征，而馈出单元的寿命为一般分布，得出的结果较传统的分析方法更加合理和精确。文献 2 4 介绍了一种基于p e t r i网技术的牵引供电系统故障诊断方法，此方法用于检测节点是否发生故障和判断信号是否准确。文献 2 5 论述了地铁供电系统设备选择与全寿命周期费用的关系，从地铁供电系统设备选择方面来提高地铁供电系统的可靠性与安全性，得出了选择设备时不应简单追求当前的投资费用低，而要注重长期综合费用，西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页即全寿命周期费用，才能真正达到降低成本、提高地铁供电系统可靠性和安全性的长远目标。到目前为止，现有的对牵引供电系统的可靠性评估主要是针对单个牵引变电所或接触网，忽略了地铁牵引供电系统各部分之间的关系和影响，不能够准确的评估整个地铁牵引供电系统的可靠性指标。1 2 2 可靠性分配发展现状可靠性分配是系统可靠性设计的一个重要环节，进行可靠性分配时需要对系统的各个组成部分进行全面的衡量。可靠性分配的目的就是将系统可靠性指标分配到各产品层次各部分，以便使各层次产品设计人员明确其可靠性设计要求。其具体作用是：1 为系统或设备的各部分( 各个低层次产品) 研制者提供可靠性设计指标，以保证系统或设备最终符合规定的可靠性要求。2 通过可靠性分配，明确各转承制方或供应方产品的可靠性指标，以便于系统承制方对其实施管理。可靠性分配中经常采用的方法有等分配法，比例分配法，评分分配法，花费最小费用分配法，a g r e e ( 美国电子设备可靠性顾问团) 分配法，相对失效率法和相对失效概率法等等【2 9 - 3 7 1 。可靠性分配是一项必不可少的、费用效益高的工作。因为任何设计总是从明确的目标或指标开始的，只有合理分配指标，才能避免设计的盲目性。而可靠性分配主要是早期“纸上谈兵”的分析、论证性工作，所需要的费用和人力消耗不大，但却在很大程度上决定着产品设计。合理的指标分配方案，可以使系统经济而有效地达到规定的可靠性目标。可靠性分配在许多领域都有应用，其中在武器和航天领域应用较多。文献 3 8 在对火炮构成及可靠性理论进行分析的基础上，对火炮主要构成中机械部分的可靠性特点进行了分析，明确了火炮机械部分可靠性分析的难点。主要是在对常用系统可靠性分配方法分析的基础上，探讨了考虑费用等约束时火炮可靠性分配的优化方法，及基于评分的模糊分配方法。文献 3 9 介绍了战术防空c 3 i 系统的一般概念和其作战仿真软件的基本组成。利用层次分析法( a h p ) 的思想，提出了相应的可靠性分配模型，对该作战仿真软件的可靠性进行了分配。文献 4 0 从工程实际出发，结合液体火箭发动机的技术性能及结构指标，运用西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页理论知识对液体火箭发动机进行结构可靠性预估和分配，并针对预估和分配的结果对液体火箭发动机在质量和成本上进行结构可靠性优化。目前，在地铁牵引供电系统领域可靠性分配还没有得到广泛应用，但是从系统工程的角度对其进行可靠性分配是非常有必要的。1 2 3 可靠性评估软件的发展现状国外的可靠性评估软件开发起步较早，已经比较成熟。如美国的r e l i a s o f t公司、r e l e x 公司、以色列的b q r 公司、a l d 公司等均已开发出商品化的可靠性分析软件，有r e l i a s o f l 系列【1 2 】、r e l e x 系列、p o w e r t r o n i c 系列、i t e m 系列、p r o b a l i l i t i s t i c 系列软件等【l 引。美国可靠性工程信息中心将可靠性分析软件分为无器件应力预测软件、元器件计数预测软件、机械产品可靠性预测软件、其他电子产品可靠性预测软件、f m e c a f m e a 软件五类。它们可以实现失效模式、影响和后果分析、维修性预测、可靠性框图r b d 、全寿命周期费用l c c 的计算、故障树分析f t a 、热分析、威布尔分析、安全性分析、潜在通路分析等众多功能。我国的可靠性分析软件开发起步较晚，现有的可靠性分析软件主要集中在电子、航空、电力等领域。如航空领域有以我国信息产业部电子五所可靠性维修性保障性工程软件c a r m e s 为核心构建的神舟飞船可靠性安全性信息采集、分析和评估系统【1 4 】；电力系统系统可靠性评估的软件主要集中在输配电系统，具有对输配电网络进行潮流计算、可靠性指标计算和简单故障分析等功能 1 5 - 1 7 】；在其它领域内有针对载货汽车可靠性信息管理系统而开发的实用分析软件【1 8 】，针对雷达系统中的印制板可靠性预计的软件【1 9 】等众多可靠性工程应用软件。我国现有的可靠性分析软件同国外相比，无论是开发技术、工程化程度、还是软件的工程适用性和开发应用范围都还存在较大的差距，存在着软件功能单一，通用性差，灵活性差，集成化程度不高等不足。到目前为止，我国还没有出现针对地铁牵引供电系统的可靠性评估分析软件。1 3 本论文所做的工作本文从分析构成地铁牵引供电系统的各设备和子系统的可靠性入手，运用系统的可靠性分析理论，分析构成牵引供电系统的各设备和子系统的故障对整西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页个系统可靠性的影响；从整个地铁供电系统的可靠性出发，对构成系统的各设备和子系统的可靠性分配原则进行研究。具体内容如下：1 地铁牵引供电系统可靠性分析评价：建立针对该系统的可靠性评估指标体系，构建地铁牵引供电系统结构模型，对地铁牵引供电系统分层分块研究，分析各子系统之间的关系和影响，并选用了2 种较为合适的可靠性分析方法对各子系统及整个牵引供电系统进行可靠度计算，对比了评估结果，分析了2 种方法的优缺点。2 地铁牵引供电系统可靠性分配方法：针对牵引供电系统的特点比较等分配法，比例分配法，a g r e e ( 美国电子设备可靠性顾问团) 分配法，相对失效率法和相对失效概率法等等的优缺点，找出一种适合地铁牵引供电系统的可靠性分配方法，对构成系统的子系统进行可靠性分配。3 初步编写了一套地铁牵引供电系统可靠性评估软件雏形，该软件能部分完成地铁牵引供电系统故障树建立功能，并能对所建立故障树进行定性和定量分析。本论文拟解决以下几个问题：确定适用于地铁牵引供电系统的可靠性评估指标；对地铁牵引供电系统可靠性的定性分析、定量计算；针对地铁牵引供电系统的特点选择可靠性分配计算方法；初步编写故障树建模分析软件的相关功能。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页第2 章可靠性基本理论及设计基础2 1 可靠性的基本概念及基本指标可靠性( r e l i a b i l i t y ) 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 年发布了g b 3 1 8 7 可靠性基本名词术语和定义，其中对可靠性的定义【1 , 2 6 - 2 7 1 是：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”、“规定时间、“规定功能”。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。如温度、湿度、振动、冲击、辐射等环境条件，使用时的应力条件，维护方法，贮存时的贮存条件，使用时对操作人员的技术等级要求等。在不同规定条件下产品的可靠性是不同的。“规定时间”是指产品规定了的任务时间。随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。不同类型的产品对应的时间单位可能不同。“规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响产品可靠性指标的高低。在分析评价产品的可靠性时，必须首先明确要求产品完成的规定功能是什么，只有规定呢清晰的功能及性能界限，才能给出明确的产品故障判据。可靠性指标可用来进行产品的可靠性设计、分析、评价、管理。下面介绍几个常用的可靠性指标。1 平均故障间隔时间( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ，简记m t b f )可修产品可靠性的一种基本指标，也称为产品的寿命。其度量方法为：在规定的条件下和规定的时间内，产品的寿命单位总数与故障总数之比。2 平均故障前时间( m e a nt i m et of a i l u r e ，简记为m t t f )不可修复产品可靠性的一种基本指标，其度量方法为在规定的条件下和规定的时间内产品寿命单位总数与故障产品总数之比。3 平均维修时间( m e a nt i m et or e p a i r ，简记为m t t r )可修产品维修性的一种基本指标，其度量方法为故障维修时间单位总数与故障总数之比。，西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页4 可靠度( r e l i a l i l i t y )产品的工作时间是一个随即变量，可用t 表示，t 表示规定的工作时间，则可靠度为r ( t ) = p ( t t ) 。r ( t ) = 1 f ( t ) ，f ( t ) = p ( t t ) 为故障概率分布函数。5 维修度( m a i n t a i n a b i l i t y )设修复时间为t ，则t 是随机变量，在时间t 内修复的概率即维修度，m ( t ) = p ( t - t )6 可用度( a v a i l a b i l i t y )定义变量：m ，_ 筹鬻浯，则t 时刻产品的瞬时可用度可表示为彳( t ) - p x ( t ) = 0 1( 2 2 )令t 一。，可得稳态可用度a ：a = l i m 么( t )( 2 - 3 )稳态可用度可表示为：使用可用度a o ( o p e r a t i o n a la v a i l a b i l i t y ) ：以= 面蒜寒晶丽4 ，42 琵舀丽面砺覆虱丽丽 4 固有可用度a i ( i n h e r e n ta v a i l a b i l i t y ) ：4 = 丝竺( 2 5 )。m j i ? b f ? 七矗? 1 1 l ? ra i 是设计的可用度，应比实际运行的可用度舢大。而对于一个复杂的多功能系统，需要建立一个可靠性指标体系，从不同的侧面全面的描述系统的可靠性。在系统可靠性设计和管理过程中，为使系统在运行中能够完成或达到所规定的功能，并通过维修保持这种能力，要对系统提出可靠性和维修性要求，并将这些要求用一组能反映系统功能的可靠性和维修性指标定量描述，这组可靠性与维修性指标的组合为系统的可靠性与维修性指标体系。西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页2 2 可靠性评估方法比较及选用地铁牵引供电系统可靠性评估是一个比较新的课题，目前还没有对整个地铁牵引供电系统的可靠性评估。本课题可靠性研究并不侧重与电气设备和零部件方面，而主要从系统整体角度和结构角度通过逻辑关系分析、评价牵引供电系统的可靠性，所以结合这一目标和地铁牵引供电系统的特点来选择确定一种合适的可靠性评估方法。数十年来，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 a c ) $ 1 模拟法两大类。其中，模拟法是对系统建立一个准确的数学模型，并按一定的步骤在计算机上模拟随机出现的各种系统状态，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，而在我国地铁牵引供电系统相关历史运行资料匮乏，尚无对此的研究，无经验可循，构建其准确的数学模型，工作量较大，实现较为困难。且模拟法具有明显的统计性质，精度不够，而地铁牵引供电系统是本身可靠性要求很高的系统，可靠性分析应有较高的精度。而且该法更适合于涉及到大量低可靠性的元件的系统，而地铁牵引供电系统的元件设备可靠性都比较高，对地铁牵引供电系统不太适用。因此，不宜采用模拟法对地铁牵引供电系统进行可靠性分析。解析法运用广泛并且有物理概念清楚，模型准确的优点，同时考虑到本文对解析法相关软件的开发，可以方便并正确的构建系统可靠性模型，得出较为精准的计算结果，因而解析法更适合地铁牵引供电系统的可靠性分析。常用的解析法主要分为以下几种：( 1 ) g o 法【4 】通过对系统的分析来构造相应的模型，这个模型称为g o 图。g o 法直接依靠系统原理图或流程图，把它们按照一定的规则“翻译”成g o 图。g o 图是用g o 符号来表示具体的部件或逻辑关系，用信号流连接g o 符号表示具体的流程或逻辑上的进程。g o 图的连接逻辑采用正常的工作路径，也就是“面向成功”的建模方法，这样得到的系统g o 模型可以反映系统的原貌，表达出系统中各部件之间的物理关系和逻辑关系。( 2 ) 故障树分析法【6 ，4 9 5 1 5 7 】故障树分析方法是一种以系统故障为导向，基于图形的、自上到下的失效分析方法。它首先确定顶事件( 通常是系统失效事件) ，然后明确造成顶事件西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页失效的各种根本原因( 也称底事件) ，建立故障树框图模型，再根据各个底事件的失效概率和彼此间的逻辑关系计算系统可靠性概率。故障树分析方法可以帮助分析人员对系统有更深入的认识，特别是对系统结构、功能、故障以及维护保养工的认识更加系统化，从而使系统可靠性的提高和改进工作更具成效。( 3 ) 可靠性框图法 5 0 l可靠性框图法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。它是用框图的形式将一个系统的各个组成部分的故障之间的逻辑关系示出来，通常是将系统的工程结构图转换成系统的可靠性框图，再根据可靠性框图以及组成系统各单元所具有的可靠性特征量，计算出所设计系统的可靠性特征量。系统的工程结构图是表示组成系统的单元之间的物理关系和工作关系，而可靠性框图则是表示系统的功能与组成系统的单元之间的可靠性功能关系。建立可靠性框图首先要了解系统中每个单元的功能，各单元之间在可靠性功能上的联系，以及这些单元、失效模式对系统的影响。常见的可靠性逻辑关系包括串联、并联、串并联、并串联等连接方式。( 4 ) 马尔可夫随机过程模型马尔可夫随机过程在可靠性工程中主要应用于对可修复系统的可靠性分析。在研究中主要采用状态空间法来描述可修复系统的各个阶段的状态及彼此的变迁过程。在马尔可夫过程的应用中有一个重要的前提条件：状态间的彼此转移的概率与系统的历史状态无关，即所谓的无记忆性，例如，系统从正常运行状态到失效状态的变迁概率为常数，也就是故障函数服从指数分布。因此，马尔可夫随机过程适用于失效规律对应“浴盆曲线”中随机失效阶段的设备或系统。( 5 ) 基于馈线分区的网络模型法【2 2 】基于馈线分区的网络模型法是根据自动开关装置和手动开关装置的位置，提出了以馈线为单位，将网络划分为自动隔离区和手动隔离区的馈线分区思想。在分区基础上，将馈线定义为区域节点和开关弧构成的区域网络模型，以区域为单位进行可靠性分析，减小了以元件为单位，进行逐一搜索的分析量。该算法适用于复杂配电系统的可靠性评估问题，可以考虑开关故障、自动装置不可靠动作、备用电源、计划检修等多种情况。在地铁牵引供电系统中，牵引变电所和接触网系统有不同的特点：牵引变电所里多为电气设备，元件可靠性高，且结构复杂，多为冗余；接触网系统多西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页为机械结构设备，元件可靠性低，且没有备用，因此其结构简单，各元件间应是串联关系。由以上各种分析方法的介绍可知：g o 法是从引起系统成功状态的基本原因出发，将系统图直接转换成g o 图，进行g o 运算，此方法建立g o 图的过程较为简单，但用g o 法进行可靠性分析，符号使用复杂，同时还需定义一定数量的g o 处理单元，工作量较大，进行g o 运算则相对繁琐，所以该方法适合于在系统图逻辑关系较清晰时进行可靠性分析；马尔可夫法用于系统状态比较多、较为简单的可修复系统，而地铁牵引供电系统的特殊之处在于客运的不间断性要求牵引供电系统仅存在两种状态即正常运行和失效状态，不存在象修复状态这样的中间状态，因此，从这个角度说地铁牵引供电系统可以看作是不可修复系统，不宜采用马尔可夫过程对其分析。结合牵引变电所和接触网系统的特点，本文选取了下面3 种可靠性分析方法：可靠性框图法主要是根据系统的逻辑关系把系统转换为各种结构模型的可靠性框图，在此基础上作进一步分析，该方法适用于对结构较为简单的接触网系统进行可靠性分析，而不适用于对具有复杂结构的牵引变电所进行分析；基于馈线分区的网络模型法根据开关的位置，提出了以馈线为单位，将网络转化由为区域节点和开关弧构成的区域网络模型，该方法更适用于对具有复杂结构的牵引变电所进行分析；故障树分析方法( f t a ) ，它是从最不希望发生的事件出发，关注导致系统故障的基本原因和中间过程，通过故障树将系统的逻辑关系表示出来，十分形象直观，在此基础上可快捷地写出故障树顶事件的结构函数，进而对系统进行可靠性分析，同时适合于牵引变电所和接触网系统。因此基于地铁牵引供电系统本身的结构特点和上述方法比较，本文考虑对牵引变电所采用基于馈线分区的网络模型法和故障树分析法相比较的方法对其进行可靠性分析，对接触网系统采用可靠性框图法和故障树分析法相比较的方法对其进行可靠性分析，最后分别对比两种方法的分析结果，分析两种方法的优缺点。西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页2 3 故障树分析法故障树分析法【6 4 9 5 1 ，57 1 ( 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f - 1 、非门等。故障树分析法的基本流程如下：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。确定引起项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。对故障树的定性分析通常采用最小割集法，即利用引起发生事件的基本事件链来发现系统的薄弱环节，进而采取改进措施以提高系统的可靠性。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页图2 - 1 故障树分析流程示意图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下表中列举出故障树中常用事件和逻辑门的符号及其含义。表2 - i 故障树符号及意义蚕兽| | zl ；一蚕西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页2 3 ，1 故障树的定性分析对地铁牵引供电系统进行可靠性定性分析的主要目的是为了找出导致系统某一失效( 故障) 发生时其所有可能的故障模式，也即弄清楚系统这种失效( 故障) 发生有多少种可能性；同时也需找出保证系统正常运行的基本要求，也即弄清楚哪些子系统设备正常工作才能保证系统的正常运营。故障树中如果其某几个底事件的集合同时发生时，将引顶事件( 系统故障)的发生，这个集合就称之为割集。这就是说，一个割集代表了系统故障发生一种可能性，即一种失效模式。而故障树的某几个底事件的集合都不发生，就能保证顶事件不发生时，则这个集合被称为路集，一个路集代表了系统成功的一种可能性。故障树的若干个底事件中，倘若有这样一个割集，如任意去掉其中一个底事件后，就不再是割集，则这个割集被称之为最小割集；换言之，一个最小割集是指包含了最少数量，而又最必须的底事件的割集。由于最小割集发生时，顶事件必然发生，因此，一颗故障树的全部最小割集的完整集合代表了顶事件发生的所有可能性，即给定系统的全部故障模式。因此，最小割集的意义就在于它为我们描绘了处于故障状态的系统所必须要修理的基本故障，指出了系统中最薄弱的环节。由以上可见，我们在对地铁牵引供电系统进行故障树建模后，对系统的定性分析也就是求出相应的故障树模型的最小割集。下文简要介绍一下最小割集的求法。一个故障树的底事件集合为 葺，恐，如有一子集 ，确) ，其中f 1 ，2 ，k ，且 一，砀) c x ，x n )当满足条件而= = 玉，= l 时，o ( x ) = l ，也即该子集所含之全部底事件均发生时，顶事件必然发生，则该子集就是割集，割集数为k ，与该子集所对应的状态向量x 称为割向量。西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页对于故障树的各个割集，必须找出其中若干个基本底事件组成的集合，如果表征这些基本底事件集合的状态发生，则顶事件必定发生，这样的割集就是最4 , 害- u 集。故障树的最小割集表征了系统失效的必要和充分条件，求得最小割集，就可以确定系统中所有需要考虑的故障停运组合，完成预想事故选择。一般常用上行法、下行法求取最小割集。2 3 2 故障树的定量分析地铁牵引供电系统的可靠性定量分析其目的主要是求得系统失效概率及系统中子系统设备对系统失效的贡献大小，其所在系统中的重要程度。对系统进行故障树建模后，定量分析的任务是求顶事件发生的故障率和底事件的重要度等。( 一) 故障树的失效概率计算设系统最小割集的表达式为k “x ) ，则系统最小割集结构函数为巾( x ) = ( x )j = l式中，k 是最小割集数，k j ( 工) 的定义为k j ( x ) = 兀薯( 2 6 )( 2 - 7 )求系统顶事件发生概率，即是使中( x ) = 1 的概率，只要对上式两端取数学期望，左端即为顶事件发生概率础憔驰问 )令巨为属于最小割集k j 的全部底事件均发生的事件，件即是k 个e 中至少有一个发生的事件，因此础馨)如果将顶事件的概率写作f 弓=p 局，h e , ：r 、n 易)( 2 8 )则顶事件发生的事( 2 9 )( 2 1 0 )西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页同时可由式3 - 6 可以展开得：g = ( 一1 ) 产1f - z e z - p en t ) + + ( 一1 ) “1p n e ( 2 - 1 1 )膏量r 七1j = lr = li i j kl r = lj如已知底事件的发生概率q ，式( 2 1 0 ) 可写成：c =兀g f( 2 1 2 )嘲屯( 0 i ( 2 ) i ( 3 ) = i ( 4 ) = i ( 5 )将各个基本事件结构重要度从大到小排成顺序，称为基本事件结构重要度顺序。对于结构重要度大的，应首先进行检验，维修或改善，提高系统运行的安全性。西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页( 2 ) 故障树的事件概率重要度分析结构重要度分析是从事故障树的结构分析各基本事件的重要程度，如果进一步考虑基本事件发生概率的变化，会给项事件发生的概率以多大的影响，就要分析基本事件的概率重要度。通过基本事件概率重要度分析，就可知道，在各基本事件中，哪个基本事件的概率变化对顶事件发生概率的变化影响最大，从而采取有效措施减少其发生概率，有效地降低项上事件发生概率。底事件发生概率变化引起顶事件发生概率的变化程序，为概率重要度i g ( i ) ，其数学定义为i g ( i ) = 掣( 2 1 4 )式中，g i 是底事件发生的概率q f = e 誓= 1 ) = e 誓)i = 1 ，2 ，n( 2 1 5 )g 是顶事件发生的概率，g = g ( q )q = ( q lq 2 ，q 。)( 2 - 1 6 )因此，概率重要度就是表示：各基本事件发生概率的增减程度对顶事件发生概率的增减有多大程度影响的尺度。我们知道只含与门故障树时，顶事件发生概率为：g = e n 五= 1 - n 吼( 2 - 1 7 )只含或门故障树的情况下则有：g = p u 薯= 1 ：铲1 一兀( 1 - q i ) ( 2 - 1 8 )显然，当故障树为与门，或门相结合的一般情况下，下式成立：g ( g ) = g f 1 i , q + ( 1 - q i ) o ，q 】( 2 1 9 )由此可得：i s ( i ) = 掣叫1 胡】- g h 矧= e 毗矿咻工) 瑚( 2 - 2 。)西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页g 值为o q 1 ，因此顶事件发生概率的函数g 是底事件发生概率吼大时，则顶事件发生的概率也大。上式也说明，顶事件发生概率g 的变化量g 与底事件发生概率的变化量却，间的近似关系为三鸳z 名( f ) g f ( 2 - 2 1 )i = l从这里可以看出，如能使概率重要度大的底事件的发生概率下降，就可使顶事件发生概率有效的降低。( 3 ) 故障树的临界重要度分析一般情况，减少概率大的基本事件的概率要比减少概率小的容易，而概率重要度系数并未反映这一事实，因此，它不是从本质上反映各基本事件在事故树中的重要程度。而临界重要度系数c i 则是从敏感度和概率双重角度衡量各基本事件的重要度标准，其定义式