（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路牵引变电所自动化系统rams评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h i g h s p e e dr a i l w a ys u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l e i nt h eo p e r a t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f h i 曲一s p e e dr a i l w a ys u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，r e f e r e n c ep o i n t sa n de v a l u a t i n g i n d i c a t o r so fr a m s ( r e l i a b i l i t y , a v a i l a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n ds a f e t y ) a r ep u t f o r w a r d a n dp a r a m e t e r so fr a m sa r ee i t h e ra n a l y z e do rc a l c u l a t e di nt h i sp a p e r w h i c hp o s s e s s e si m p o r t a n tm e a n i n gi nt h e o r y i nt h i sp a p e r , r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n ga n dr a m st h e o r ya r ep r e s e n t e df i r s t l y a t t h es a m ep a r t ，f u n c t i o n a lc o n f i g u r a t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a ys u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e mi sa n a l y z e da n dt h ef a i l u r et r e eo ft h es y s t e mi sb u i l t t h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e mi sa l s oq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e di nt h ef i r s tp a r t s e c o n d l y , f m e a ( f a i l u r em o d ee f f e c ta n a l y s i s ) t a b l e sw h i c hh e l pa n a l y z i n g t h ee f f e c tc a u s e db yd i f f e r e n tp l u g i nu n i ta l eb u i l t m e a n w h i l e ，t h ea v a i l a b i l i t yo f t h es y s t e mi sr e s e a r c h e dc o m b i n e dw i t hm a r k o va l g o r i t h m i ns u c c e s s i o n ，t h e o p t i m a lr e p a i rp e r i o d i sc o n f i r m e db a s e do nt h em a x i m a la v a i l a b i l i t yw h i c hi s c a l c u l a t e di nt h ef o r m e rp a r t i nt h el a s tp a r t ，s a f e t yo ft h es y s t e mi sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e di nt h em e t h o do f a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) t h e r e s u l ti sm a d eu s eo ft oe n s u r et h e s i g n i f i c a n c eo fd i f f e r e n ts a f e t ym e a s u r e sa n dc o n f i r mt h eb e s ts a f e t ym e a s u r e k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a ys u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，r a m s ， f m e m a r k o va l g o r i t h m ，a h p 西南交通大学四南父逋大罕 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 不保密目使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名矮豸算 日期： 伊孑粥d 指导老师签名： 日期： 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结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文分析了高速铁路牵引变电所自动化系统的功能结构，建立了高速铁 路牵引变电所自动化系统可靠性故障树模型，并定性地分析了高速铁路牵引变 电所自动化系统的可靠性。 2 本文结合马尔可夫过程，分析了牵引变电所自动化系统主变压器主变保 护装置、主变各自投装置以及整个系统的可用性，并以让系统达到最大可用性 为目的计算了牵引变电所自动化系统的预防性维修的最佳维修周期。 3 。本文结合a h p ( 安全性层次分析法) 方法，对高速铁路牵引变电所自动 化系统的安全性进行了定量分析，并根据计算结果确定了不同安全措施对系统 安全性影响的大小，以此找出系统安全运行的最佳安全措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 随着我国国民经济的持续发展、国际交往的增加，旅游事业的日益兴旺， 以及人民生活观念的转变，出现了大量的客运需求。人民生活水平的提高和时 间价值观念的增强，客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需求。为此， 国家己经批准了铁道部报送的中国铁路发展中、长期规划，规划中，明确了 将建设“四纵、四横 高速客运专线和三个快速城际客运系统。电力牵引是目 前铁路的主要牵引方式，它具有效率高、污染小、信息化程度高、加速快、运 输能力大等优点，而且客运专线的高速，高密度运行，也决定了电力牵引是目 前为止高速铁路最好的选择。同时，由于始终保持高速、高密度运行，且牵引 供电系统结构十分复杂，对牵引供电系统提出了比常速铁路更为严格的要求。 一旦牵引供电系统出现任何问题和故障，都会产生巨大的经济损失甚至更为严 重的人民生命、财产损失。 可靠性工程学科是伴随着产品的出现而出现、和产品的发展而发展的。可 靠性理论的发展可以追溯到第二次世界大战时期。可靠性( r e l i a b i l i t y ) 是部 件、元件、产品或系统的完整性的最佳数量的度量。而可靠性工程( r e l i a b i l i t y e n g i n e e r i n g ) 则提供理论和实用的工具，从而反映部件、元件、产品或系统在 规定的环境下、规定的时间内以给定的置信水平无故障地执行其设计功能的概 率和能力，可以规定、预测、设计、试验或演示部件、元件、产品或系统的可 靠性性能，可以监测并反馈到有关的组织，提高可靠性。同时，广义的可靠性 工程所包括的可用性( a v a i l a b i l i t y ) 、可维修性( m a i n t a i n a b i l i t y ) 、安全性 ( s a f e t y ) 分析和设计可以在一定程度上帮助铁路部门有效地提高牵引供电系 统的r a m s 指标，将事故发生频率控制在最低限度。 牵引变电所自动化系统集牵引变电所保护、监测、控制和远动于一体，替 代了常规的牵引变电所保护、仪表、中央信号、远动装置( r t u ) 等二次设备。通 过牵引变电所各设备间相互交换信息，信息共享，实现对牵引变电所运行进行 监视、协调、控制及故障的测量分析，大大提高了变电所保护和控制性能，提 高了牵引变电所自动化水平。近年来，我国电气化铁道牵引变电所二次设备的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 技术水平有了很大的进步，但与国外同行相比仍有不少差距，因此，研究电气 化铁路牵引变电所自动化技术，对于牵引供电系统安全、稳定而又可靠的运行， 具有十分重要的意义。 随着我国铁路事业的发展，对牵引变电所安全、经济运行的要求越来越高， 实现牵引变电所的自动化已经成为铁路发展的趋势。当前，计算机系统已经被 大量应用于牵引变电所的运行与管理，成为牵引变电所自动化系统的核心，这 也使其可靠性成为关系牵引供电系统安全可靠运行的关键之一，所以，对高速 铁路牵引变电所自动化系统的可靠性、有效性、可维修性、安全性( r a m s ) 的 评价逐渐显示出了其必要性。 1 2 国内外研究现状 牵引变电所自动化系统是利用微机技术，将牵引变电所的控制、测量、信 号传输处理、继电保护、故障录波、远动等功能融为一体的多机共享系统。由 此可见，它能够减少硬件，提高设备的利用率，使牵引变电所主控室面积和成 本降低，大量节省投资，克服以往计算机技术在牵引变电所单一功能的缺点和 不足。 牵引变电所自动化系统所能完成的主要功能包括：数据采集、继电保护、参 数监测、运行控制、信息远传、事件记录、事故报警、故障录波测距、自动电 压无功控制及系统自检等。 一些发达国家早在7 0 年代末就开始了牵引变电所自动化的研究工作，至今 已取得了重大进展。目前以西门子公司为代表的先进的完全分散式控制系统， 适用于各级变电所，其特征是以“单元”为基本部件，各“单元分散布置在 各电压等级的一次开关场附近，每个“单元”将数据采集、继电保护、参数监 测、运行控制、故障记录和录波等多功能集于一体，利用串行接口通过电缆或 光缆发送到牵引变电所的中心计算机( 有的牵引变电所己无主控室) ，同时各单 元接收中心计算机发来的控制命令并执行。此类系统的最大特点是扩充方便， 传输数据抗电磁场干扰能力强，利用远动接口可实现无人值守。这类系统的出 现改变了常规牵引变电所的设备布置方式和运行方式，使牵引变电所的一、二 次接线方式得到改变n ，。 我国关于牵引变电所自动化的研究起步于8 0 年代后期，但发展很迅速“h “。 目前全国已有大量的自动化牵引变电所己投运或即将投运，但有的结构还基本 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 上是集中式，也没有使用光纤传输数据以防止牵引变电所的强电磁干扰，同时 缺乏故障录波和测距功能，因而必须采用单独的故障录波装置来解决这一问题。 而微机继电保护也是和其他部分分开的独立系统，只是在保护装置和综合系统 的数据采集装置间用串行接口通讯方式进行信息交换。近几年，分层、分布式 的自动化系统已经成为牵引变电所自动化系统新的发展方向忙，。 系统可靠性工程这门学科从上世纪后半段开始飞速的发展。随着可靠性科 学的成熟，可用性、可维修性、安全性的问题也逐渐得到重视。现在的r a m s 已经发展成一门独立的科学，在国外已有众多的学者和专家进行这方面的研究， 并把r a m s 的研究拓展到了生物、航空、电力等领域；一些有关综合性和专业性 可靠性工程和管理议题的会议，自2 0 世纪6 0 年代开始一直在美国定期地举行， 欧洲也从2 0 世纪7 0 年代开始定期地举行这方面的会议。其中最负盛名的要数 由美国一些重要的工程协会联合主办的美国可靠性和维修性( r a m s ) 研讨年会。 与此同时，国内的r a m s 研究也渐渐兴起，因此可以说，r a m s 已经发展到了一 个比较好的阶段。 日本在铁道系统的可靠性、有效性、维护性和安全性力方面，一直享有较 高的评价。另外，以欧洲为首的海外各国铁道系统，其可靠性等方面最近有显 著下降，为了恢复铁路的信誉和改善铁路经营，迫切要求确保一定水平的可靠 性、有效性、维护性和安全性，并将其必要条件和论证办法标准化。i e c 新近 出台了关于铁路的r a m s 标准i e c5 0 1 2 6 ：2 0 0 3 ，标准中详细指明了铁路r a m s 的定义、指标等，这对研究高速铁路牵引供电系统的r a m s 有着极大的帮助。 在此同时，也应当看到，无论国内还是国外，大多数的关于r a m s 方面的研 究仍然以可靠性为主，其他三方面相对于可靠性而言都略显简单。另一方面， 将r a m s 的统计和分析优点引用到高速铁路牵引变电所自动化系统中的研究更 是少之又少。所以，牵引变电所自动化系统的r a m s 评价这个非常有意义的研究 方向，等待着我们进一步地探索。 1 3 本论文工作 1 ) 介绍可靠性工程、r a m s 理论以及高速铁路牵引变电所自动化系统； 2 ) 建立分析高速铁路牵引变电所自动化系统的r a m s 指标； 3 ) 运用故障模式分析法和故障树分析法对典型高速铁路牵引变电所自动化 系统主变压器保护装置和备自投装置进行可靠性分析； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 4 ) 结合马尔可夫过程分析了高速铁路变电所自动化系统的可用性，并结合 系统可用度计算出了系统预防性维修的最佳维修周期： 5 ) 对高速铁路变电所自动化系统的安全性作出了定量分析，并根据计算值 对所有安全措施进行了重要性估计，指出了最为有效的措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章r a m s 理论与研究方法 2 1 可靠性工程 2 1 1 可靠性理论 可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规 定功能的能力哺h 川。可靠性贯穿于自动化系统的整个开发和运行过程，包括结构 设计、制造、工厂验收、现场验收、运行和管理等各个环节。可靠性工程涉及 元件失效数据的统计和处理，系统可靠性的定量评定，运行维护，可靠性和经 济性的协调等各个方面。 2 1 2 可靠性相关指标 1 ) 可靠度r ( t ) 可靠度是指产品在规定条件下和规定时间( 或操作次数) 内完成规定功能的 概率。显然，规定的时间越短，产品越容易完成规定的功能。反之，规定的时 间越长，产品越难完成规定的功能。因此可靠度r 是时间t 的函数，一般用r ( t ) 表示，称为可靠度函数，如用概率来表达可靠度函数，它是指产品寿命参这个 随机变量不小于规定时间t 的概率，即 尺q ，= p 乙之墨三三； c2 一) 2 ) 故障率a o ) 故障率的定义是：元件在t 时刻以前正常工作，在t 时刻以后发生故障的条 件概率密度，用式2 2 表示 a o ) - 。l i m 三一p t t t + a t 瞻f ( 2 2 ) 故障率a ( t ) 越小表示元件在时间间隔卜，t + a t j 内发生故障的概率就越小。元 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 件的稳态故障率司以从兀件的实验或者运行记录中的数据统计出来，从而找剑 元件寿命的分布函数。利用条件概率公式，式2 - 2 可以写为： p f l t 钎pt t l i f ( t ) a t _ - - - - - - - - 一 尺o ) = a ( t ) a t 因而，在f 很小时，a ( f ) 出表示元件在时间间隔 f ，t + a t 内的故障概率。元件 典型的故障率曲线，如图2 1 ，称为浴盆曲线。0 t 1 对应故障磨合期。元件在 投入使用的早期，由于设计、制造和装配上的缺陷很快暴露出来，因而故障率 较高；t 2 对应的是故障偶发期。由于前一阶段的淘汰和筛选，留下的元件 故障率低且平稳，因此，这时的曲线近似为一条平行于横轴的曲线；t 2 岛为 耗损故障期。这个阶段由于元件的老化、疲劳和磨损等原因，故障率随时间增 长而迅速上升。 入( t ) 0t lt 2 图2 - 1 典型故障率曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 ) 累积故障分布函数 若将一个产品在规定的条件下，在规定的时间内丧失规定功能( 即发生故 障) 的概率记为f ( t ) ，f ( t ) 称为故障概率( 或不可靠度) 。 故障密度函数是指，在时刻t 后的一个单位时间内，产品的故障数与总产 品数之比，它是时间的函数。 ，( f ) 一瓦1 警 ( 2 3 ) 则，定义 f o ) 2 f o o f ( t ) d t ( 2 4 ) 其中，f ( t ) 为概率分布函数。 对于一批产品来讲，其中每一个产品故障前的工作时间有长有短，参差不 齐，具有随机性；对于一个特定的产品，什么时间故障完全是随机的，但是它 们都服从一定的分布，分布函数就反映出这种规律。表2 1 列出了几个常见的 分布函数类型及其适用范围。 表2 - 1 可靠性工程中常用的几种分布类型及其适用范围 分布类型适用范围 具有恒定故障率的部件、无余度的复杂系统、在耗损故障前进 指数分布行定时维修的产品、由随机高应力导致故障的部件、使用寿命 期内出现的故障为弱耗损型部件 继电器、开关、断路器、某些电容器、电子管、电动机、蓄电 威布尔分布 池等 对数正态分布电动绕组绝缘、半导体器件等 正态分布变压器、灯泡及某些机械产品 4 ) 平均寿命 “寿命 对不可修复的产品是指发生失效前的工作时间：对可修复的产品 是指相邻两故障间的工作时间，也称故障间隔工作时间。 平均寿命即寿命的均值，是产品最重要的寿命特征之一。对于不可修复的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 产品，指产品失效前工作时间的平均值，通常记为m t t f ( m e a n t i m e t of a i l u r e ) 。 对于可修复产品，指故障间隔时间的平均值，记为m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e n f a i l u r e s ) 。 对于不可修复系统，设0 个不可修复产品在同样条件下进行试验，测得全 部寿命数据为 t ：乞t ，则其平均寿命为 m 肼2 袁善 q - 5 1 当子样无限多时， 脚f 2 正r ( t ) d t ( 2 6 ) ” 对于可修复系统，一个可修复产品在使用期中，发生了0 次故障，每次故 障修复后又如新的一样继续投入工作，其工作时间分别为气f 2 岛f 0 ，则 其平均寿命为 m t b f - 击寿 弦7 ) n q 龟ln o 其中，丁= 为总工作时间。 2 1 3 常见系统的可靠性分析模型 常见的系统可以分为：串联系统、并联系统、串并联混合系统、k n 系统 等等。以下分别简要介绍： 1 ) 串联系统 串联系统，是指把组成系统的元件a l 、a 2 a n 全部串联起来所组成的系 统。如图2 - 2 所示。在串联系统中，无论哪一个元件发生故障，都会导致整个 系统的故障。 在串联系统中，若用 x ，一表示元件i 完好的事件； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 x ，一表示元件i 故障的事件； 。s 一表示系统完好的事件；s 表示其反面 图2 - 2 串联系统可靠性框图 那么，系统正常和故障的逻辑表达式分别为： s = 五n x ：n n z 。= n 置 i - i i 一石u - u u 石- u 石 i - i 容易得出，系统的可靠度为 足o ) 2 珥r o ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 也即串联系统可靠度是个元件的可靠度的乘积。同时，由于r ( f ) s 1 ，所以 r i ( t ) sm i n r i ( t ) ，i - - 1 , 2 ，n ) ，即串联系统的可靠度比其中任一元件的可靠 度都低。 串联系统的故障率为 丸2 善九( 2 - 1 0 ) 式中，九系统的故障率； 第i 个元件的故障率； 串联系统的平均修复时间m t t r 为 九 m t t r = 旦i _ 一 ( 2 1 1 ) 式中，吒第i 个元件的平均修复时间； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 ) 并联系统 暮 厂扣 图2 - 3 并联系统可靠性框图 从逻辑的意义上讲，所有元件故障才使系统故障的系统，称为并联系统。 如图2 3 。对于n 个元件组成的并联系统，系统故障和正常的逻辑表达式如式 2 - 1 2 s - x ：n 夏n n 孕n 石 l - 1 s - - x 。u x ：u “u x 。- u x 。 i - i ( 2 - 1 2 ) 容易得出，并联系统可靠度函数为 r ( f ) | 1 - f s ( t ) 。1 。i = i ( 1 一删) 2 1 3 3 ) 串、并联混合系统 串、并联混合系统一般可分为m 并n 串系统和n $ m 并系统。 一 ：i 厂广 ! 厂一 寸 e 卜 li ii 广h厂h 图2 - 4m 并n 串系统示意图 对于i n 并n 串系统( 如图2 - 4 ) ，正常和故障的逻辑表达式分别为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 s - n u x “ j - 1 七- 1 i = u n 瓦 i - 1 七- 1 ( 2 - 1 4 ) 该系统的可靠度函数可以表示为 r s ( t ) ：p ( n u x 舡) ( 2 1 5 ) i - ik - i 对于n 串m 并系统( 如图2 - 5 ) ，系统的可靠度函数为 r o ) 小珥( 1 一珥吃o ) ) ( 2 - 1 6 ) 图2 - 5n 串m 并系统不恿图 4 ) n 中取r 系统( r n 系统) 组成系统的n 个单元中，有r 个或r 个以上的单元j 下常工作( 1s ，s ，1 ) ，系 统就正常工作的系统就称为r l 中取r 系统( r n 系统) 。一般情况下，这种系统 都由n 个相同的单元组成。设各个单元的可靠度都为r o ) 时，此系统的可靠度 为 r o ) = 磷磷o ) 1 一r ) r 七 ( 2 1 7 ) 式中，钟是n 中取k 的组合数 ( 譬= i 二_ = 兰芝了乏了c k = r ，r + ，n ，( 2 - 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 段设系统各单兀相i 司，且单兀故障翠为入，修复翠为u ，平均修复时i 白j 为 r ，则系统的修复率以、故障率九平均修复时间m t t r 分别为： ，= ( n 一，+ 1 ) 肛 ( 2 1 9 ) = _ ( 2 2 0 ) n 一，+ l 歹k = = i 高a “一，+ 1 ，“一7 ( 2 - 2 1 )九2 而丽扩”。 2 2 维修性、可用性、安全性理论 7 2 2 1 维修性理论 所谓维修性，就是指某一系统( 或产品) 在预定的维修级别上，由具有规 定的技术水平的人员，利用规定的程序和资源进行维修时，保持或恢复到规定 状态的能力的度量。可以看出，维修性除了与系统的设计特点有关外，还受到 维修人员的技术水平、维修程序、维修设施的情况以及进行维修时所处的环境 等因素的影响。 维修性与可靠性的重要区别在于对人的因素的依赖程度不同。系统的固有 可靠性主要取决于系统各构成成分的物理特性；而系统的固有维修性不可能脱 离开人的因素的影响。相同的系统，由于采用不同的维修概念和不同的后勤保 障方式，还由于从事维修工作的人员在技术水平上的差异，会表现出不同的维 修性特性。 2 2 2 维修性指标 1 ) 维修度 产品的维修度表示从t = o 时刻开始到某一时刻t 以内完成维修的概率，是 对时间的积累概率，同时也是时间t 的增值函数t 【- “。 m ( t ) 口- - j 定义为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 m o ) = p 丁sf ) 图2 - 6 是简单的维修度函数曲线，容易看出，t = 0 时，m ( t ) = 0 ；t o o 时， 则m o ) _ 1 。 m ( t ) 1 0 m 0 图2 - 6 维修度函数曲线 2 ) 维修概率密度函数 维修概率密度函数m ( t ) 是单位时间内产品被修复的概率。定义为维修度 函数m ( t ) 的导数，即 m o ) ：了d m ( t ) ( 2 2 2 ) 3 ) 维修率函数 维修率函数o ) 是单位时间内瞬态修复的概率，它类似于可靠性函数中 的故障率函数，反映瞬时状态，是维修性函数中的重要函数。 维修率函数的统计定义是： 肛( f ) = ：l i m 。尘车黼 c 2 2 3 ， 其中，n 为产品数量 表2 - 2 维修性工程中常用的几种分布类型及其适用范围 分布类型适用范围 指数分布完成维修的时间与以前的维修经验无关的情况 对数正态由修理频率和持续修理时间都互不等的若干项工作组成 分布的维修工作项目 正态分布比较简单的维修工作项目和修理活动 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 3 维修方法 维修方法概括起来有以下两类： 1 ) 故障后维修 它是对产品进行检查修复或更换。这种维修方法由于事先对故障没有充分 掌握，缺乏周密的准备，修理时间较长，修理费用较高。另外它要等到部件发 生故障后才进行修理，往往故障后带来的损失较大。因此这种维修方法多用于 安全性、可靠性要求一般，并允许随时进行修理的场合。 2 ) 预防性维修 所谓预防性维修，是指部件发生故障以前进行定期检查、修理或更换，以 防患于未然。特别是对那些一旦发生故障就会造成很大损失的设备，如主变测 控保护设备，预防维修尤为不可缺少。因此，这种维修方式多用于安全性、可 靠性要求较高的场合n ”。预防性维修进一步可分成二种基本方式。定期计划 维修。这种维修方式是根据经验及统计资料，规定每隔一定时间对系统进行一 次维修。对于规定时间以前发生故障的部件，则进行事后更换或修复；对于自 动化系统设备不可更换时，则采用冗余技术等容错措施提高设备可靠性。定 期检测维修。这种维修方式是对系统进行定期检测，通过检测若发现故障，立 即予以更换或修复，若未发现故障，则继续使用。这种维修方式多用于部件发 生故障后并不能立即被发现的场合。视情维修。这是通过监控检测装置对系 统状态进行连续监控，直到发现某种故障征兆的时候，才进行更换或修复。这 种维修方式多用于较缓慢的耗损性故障的场合。虽然这种维修方式能够充分利 用系统信息，比定期计划维修方式优越，但是数学模型比较复杂，对监控技术 要求较高，且前期投资较大，一般用的场合不多。 根据系统模型、维修技术装备以及维修人员的技术水平等不同条件，可选 用某种维修方式或多种维修方式。 2 2 4 可用性理论 系统可用性是指，当需用时，某系统在该时刻处于可正常工作状态的可能 性大小。它是系统可靠性和维修性的综合表征，是反映系统效能的三个主要特 性之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 可用性的度量指标是“可用度”。可用度定义为：在任一随机时刻，当任务 需要时，系统在任务开始时刻处于可投入使用状态。 在系统预期的总工作时间中，包含了能工作时间和不能工作时间两个部分。 能工作时间又由实际使用时间和虽能使用但未加使用的待命时间组成；不能工 作时间则由总的进行维修的时间和用在行政管理和后勤供应工作等方面的非维 修时间组成。总维修时间中包含了用于非计划维修的总时间和用于计划维修的 总时间。 非维修时间中包含了在进行非计划维修和计划维修时所用的非维修时间 ( c ) 和( p ) 。 按定义，可用度a 的基本数学表达式为： a = 能工作时问能工作时间 总工作时间能工作时间+ 不能工作时间 在实际进行可用性分析时，根据不同的需要可以将可用度参数分为固有可 用度4 - 、使用可用度4 以及达到可用度4 。 1 ) 固有可用度4 - 固有可用度只考虑了系统的实际工作时间段落和进行非计划维修度时间段 落。即： ；丝丝(2-24)it= 。 m t b f + m t t r 固有可用度主要用于确定在较为理想的试验条件下的系统基本使用特性。 2 ) 使用可用度4 使用可用度是关于系统效能的一个重要的度量参数，它反映了系统的硬件、 软件、后勤保障及环境条件等的综合结果，描述了系统开始执行任务时的状态。 即 o t + s t 4 = o t + s t + t c m + t p m + a l d t ( 2 - 2 5 ) u 3 ) 达到可用度4 在系统发展过程中期，当它尚未进入现场实用阶段，但已在进行初步的生 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 产生产型试验时，可用a o 进行可用性分析。即 d r 刀。= 。 d 丁+ t c m + t p m 2 2 5 基于马尔可夫过程的系统可用性评估 ( 2 - 2 6 ) 马尔可夫过程是1 9 0 7 年由俄国人马尔可夫提出来的。它是研究系统“状态” 与“状态”之间的相互转移的关系。加入系统完全由定义为“状态的变量取 值来描述的时候，则说系统处于一个“状态”。假如描述系统的变量从一个状态 的特定值变化到另一个状态的特定值时，则说系统实现了状态的转移。如图2 7 所示的一个状态转移图，这个系统只有正常工作状态s 和故障状态f 两种情况。 当系统是可修复时，处于s 状态的系统由于故障会转移到f 状态。相反，处于 f 状态的系统经过修复又会转移到s 状态。这种状态间的随机转移的过程就称 为随机过程n 引。 在一个随机过程中，如果在某一时刻，由一种状态转移到另一种状态的转 移概率只与现在处于什么状态有关，而与这时刻以前所处的状态完全无关，即 这种转移概率只与现在状态有关，与有限次以前的状态完全无关，就称这种过 程为马尔可夫过程。数学表达式如下： p x 也) = l x 瓴) = x 1 ，x ( t ：) = x 2 ，x 也一。) = 吒一， = ， 1 e l x 0 有， l i mp ( i 三罗t 一ak 占) = 0 ( 2 2 9 ) 4 。 n 箭。 另有，若随机事件a 发生的概率为以a ) ，在n 次独立试验中，事件a 发生 的频率m ，频率为w ( m ) = m n ，则对于任意 0 有 l i m p ( im - 一p 掣) i 占) ；1 ( 2 3 0 ) 月。 厅 蒙特卡洛法是从同一母体中抽取简单子样来做抽样试验。根据简单子样的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 定义，x ，工，石。是r 1 个独立的具有相同分布的随机变量，由( 2 2 9 ) 式、( 2 3 0 ) 1 式可知，当n 足够大时，三y 石；依概率收敛于卢，而频率m n 以概率1 收敛于 ，l 钎 p ( a ) ，这就是蒙特卡洛法的理论基础。因此，从理论上说，这种方法的应用范 围几乎没有什么限制。 由此可知，当用蒙特卡洛法求解某一事件发生的概率时，可以通过抽样试 验的方法，得到该事件出现的频率，将其作为问题的解。在应用蒙特卡洛法时， 由于需要进行大量的统计试验，譬如说1 0 0 0 0 次，由人工进行如此之多的试验， 会有很大的困难，但高速电子计算机的发展，为蒙特卡洛法提供了强有力的模 拟工具，使该法得以应用于工程实践。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第三章变电所自动化系统及其可靠性分析 3 1 变电所自动化系统概述 计算机技术、信息技术、多媒体技术和智能控制技术等在电力系统自动化 领域得到了广泛应用。变电所自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、 现代通信等技术将变电所所有一次设备( 包括控制、信号、测量、保护、自动装 置及远动装置等) ，经过功能组合和优化设计，对变电所执行自动监视、测量、 控制和协调来提高变电所运行效率和处理水平的一种综合性的自动化系统。它 完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器 及常规远动装置等设备，提高了变电所的安全与经济运行水平。变电所自动化 系统取代传统的变电所一次系统己成为目前电力系统的主要发展趋势之一。 变电所自动化系统体系结构按设计思想分可分为集中式、分布式和分散 ( 层) 分布式；按安装物理位置分则可分成集中组屏、分层组屏和分散在一次设 备间隔安装等形式。 3 2 变电所自动化系统典型结构 3 2 1 集中式结构 集中式的变电所自动化系统结构按信息类型划分功能。采用这类结构的系 统其功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集 中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统 中应用较多，图3 1 是一种较典型的集中式结构。此类结构对监控主机的性能 要求较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维 护性等方面较差，抗干扰能力不强。 3 2 2 分布式结构 分布式结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其结 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 回一 系统管理 由白由由 通信管理 666 6 人机界面等 由由由曲 保护 电表 其他智能 电子设备 图3 - i 集中式结构 构采用主从c p u 协同工作方式，各功能模块如智能电子设备( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i cd e v i c e ，i e d ) 之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分布式 结构有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其它模块正常运 行。安装方式有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压变电所。系统 结构如图3 2 所示。 打印机 3 2 3 分层分布式结构 图3 - 2 分布式结构 分层分布式结构采用“面向对象”设计。所谓面向对象，就是面向电气一 次回路设备或电气间隔设备，间隔层中数据、采集、控制单元( i o 单元) 和保 护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，相互间通过通信网络相 连，与监控主机通信。目前，此种系统结构在自动化系统中较为流行，主要原 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 因是：现在的i e d 设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路保护单元、主 变保护单元、小电流接地选线单元等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋 势，但具体在保护安装接线中仍是面向对象的；利用了现场总线的技术优势， 省去了大量一次接线，控制设备之间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设 备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低，运行维护方便；系统装置及某台 i e d 设备损坏并不影响其它设备的正常工作，运行可靠性有保证。系统结构如 图3 3 所示。 打 图3 - 3 分层分布式结构 分层分布式系统结构的特点是功能分散，管理集中。分层分布有两层含义： 其一，对于中低压电压等级，无论是i o 单元还是保护单元皆可安装在相应间 隔的开关盘柜上，形成地理上的分散分布；其二，对于1 1 0k v 及以上的电压等 级，即使无法把间隔单元装在相应的开关柜上，也应集中组屏，在屏柜上明确 区分相应间隔对应的单元，在物理结构上相对独立，以方便各间隔单元相应的 操作和维护。 3 3t a - 2 1 型牵引变电所安全监控及自动化系统 3 3 1 系统结构 t a 一2 l 型牵引变电所安全监控及自动化系统，是交大许继公司在认真总结国内 外同类技术与产品成功应用经验的基础上，研制的适应于电气化铁路发展需要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图3 4t a - 2 1 型牵引变电所安全监控及自动化系统结构图 的高新技术产品。其结构如图3 - 4 所示，它由保护测控单元、当地监控单元、 现场总线、视频监控单元、和通信单元等组成。 3 3 2 系统运行模式 按用户需要，值班方式和保护测控装置的布置方式不同，有以下几种运用 模式。 3 3 2 1 分散式无人值守 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图3 5 分散式无人值守安全监控及自动化系统配置图 保护与测控装置“下放”至一次设备处，同时采用无人值守的变电所，系统配 置如图3 5 所示。在该配置模式下，主要配备：1 视频监控单元2 自动灭火 单元3 分散式保护测控单元4 当地监控单元。 3 3 2 2 集中式有人值班 保护与测控装置集中在控制室组盘，同时采用有人值守，其系统配置如图3 - 6 所示。在该配备模式下，主要配置：l 、集中式保护测控单元2 、当地监控单元 3 、手动选线控制4 、中央信号5 、显示表记。 3 3 2 3 集中式无人值守 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 - 6 集中式有人值守安全监控及自动化系统配置图 保护与测控装置集中在控制室组盘，同时采用无人值守，其系统配置如图3 7 所示。在该配置模式下，主要配备：1 视频监控单元2 自动灭火单元3 集中式 保护测控单元4 当地监控单元5 手动选线控制。 3 4 变电所自动化系统可靠性分析 对于典型的高速铁路牵引变电所自动化系统，一般主要包括以下几个部分： 牵引主变压器保护测控装置、馈线保护测量装置、并补保护测量装置、通用通 信装置、动力变保护测量装置、安全监控装置等部分。其特点是，当某一单元 发生故障时，并不影响其他单元的正常运行。 ( 1 ) 牵引变电所自动化系统的主变主保护装置，是由高性能微处理机实现的成 套主变保护装置。适用于电气化铁道单相、v v 接线、y n ，d 1 1 接线、阻抗匹配 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 r1 f一1 【 l r ，u j 。 f ， 4x ，一一一11 掏j 廿l 雨zk ，。一一 ，。 1 、 7 厂 = 余 一 fr 7 4 善 言0 、 k 、 色 0 ：= u 口一一 说 当 1 #莽馁2 嚣 计 交 直 频 地 王补线王 霉 滋 - z c i l 班l 盘 i i 七 变盘盘变 盘盘盘 皿 控 盘盘 盘 ll ll| | l iil| |il| | i i 现场总线 i i 高压室ll 室外高压电气设备l 1 j l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 图3 7 集中式无人值守安全监控及自动化系统配置图 平衡接线、y n ，a 型平衡接线的牵引主变压器。具有负荷录波、故障录波、网 络通信等自动化功能。主变主保护装置由一个交流变换插件( j 1 ) 、一个保护c p u 插件( j 2 ) 、两个信号插件( j 3 、j 4 ) 、三个出口插件( j 5 、j 6 、j 7 ) 、一个接 口插件( j 8 ) 和一个电源插件( j 9 ) 组成。装置的硬件结构如图3 8 所示。 模拟 图3 - 8 主变主保护装置结构示意图 ( 2 ) 牵引变电所自动化系统的主变后备保护装置的作用和结构同主保护装 置，这里不再赘述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 ( 3 ) 主变测控装置是由高性能微处理机实现的成套测量与控制装置。适用 于电气化铁道牵引主变压器高低压侧电气量的测量、开关的控制和状态监测， 一模 图3 9 主变测控装置结构示意图 可以实现高压侧有跨条和无跨条牵引变电所备用电源的自动投入；同时具有负 荷录波、网络通讯等自动化功能。主变测控装置由两个交流变换插件( j l 、j 2 ) 、 一个自投插件( j 3 ) 、一个测控插件( j 4 ) 、两个信号插件( j 5 、j 6 ) 、一个传感器 插件( j 7 ) 、一个接口插件( j 8 ) 和一个电源插件( j 9 ) 组成，装置的硬件结构如 图3 - 9 所示。 模拟 入量一 图3 1 0 馈线保护测控装置结构示意图 ( 4 ) 馈线保护测控装置是由高性能微处理机实现的成套馈线保护、测量与 控制装置。适用于电气化铁道直接供电、b t 供电和a t 供电的牵引网馈线，完 成馈线保护、测量、控制与故障测距功能，同时具有负荷录波、故障录波、网 络通信等自动化功能。馈线保护测控装置由一个交流变换插件( j 1 ) 、一个保护 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 c p u 插件( j 2 ) 、一个信号插件( j 3 ) 、一个出e l 插件( j 4 ) 、一个接口插件( j 5 ) 和一个电源插件( j 6 ) 组成。装置的硬件结构如图3 1 0 所示。 ( 5 ) 动力变保护测控装置是由高性能微处理机实现的成套保护、测量与控 制装置。适用于牵引变电所动力变的保护、测量与控制。具有负荷录波、故障 录波、网络通信等自动化功能。动力变保护测控装置由一个交流变换插件( j 1 ) 、 一个保护c p u 插件( j 2 ) 、一个信号插件( j 3 ) 、一个出口插件( j 4 ) 、一个接口 插件( j 5 ) 和一个电源插件( j 6 ) 组成。装置的硬件结构和馈线保护测控装置 相同，如图3 1 0 所示。 ( 6 ) 通用通信装置采用3 2 位微处理器开发的高性能通信装置。适用于无 光纤接口，具有r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接口的设备接入光纤网络通信的功能。 ( 7 ) 通用测控装置是采用当今先进的软、硬件技术开发的新一代微机监控产品， 主要用于牵引变电所的环境温度、湿度和风速等气象参数的测量，保证电气设 备