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兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要变电站综合自动化系统可靠性故障系统的研究具有三条规则，都必不可少，这有着非常重要的意义，即划定的时间，划定的条件下完成所要求的功能。对于变电站综合自动化系统可靠性的研究意义很大，首先产品的故障几率有所降低，然后降低了产品的经费，进一步提高了产品的可靠性，最后停机时间缩少，产品可用率提高。电力系统的高效率、高质量、高水平的运行基于变电站综合自动化系统可靠性的研究。当今社会要提高自动化水平就是要提高变电站综合自动化设备的，电力系统的运行也关系到变电站设备的可靠性，对此具有重大的研究意义。本文就变电站可靠性研究其基本理论和方法，最后在对评估软件进行设计，所以论文可以分文两个部分：(1) 首先最可靠性的发展进行简单的介绍，了解可靠性的发展及重要性，其次就是可靠性的基本理论，即可靠性的基本概念，可靠性的性能指标，可以学习到各种各样的可靠性的性能指标，本文对变电站综合自动化系统可靠性的研究方法，采用故障树法分析法，故障树图采用分布式结构，更为清晰的反应变电站故障；(2) 其次再进行评估软件的设计，本文选择在MCGS软件上实现，在MCGS软件上实现对变电站可靠性的分析，可以更加直观的反应系统的故障，通过软件的设计，可以学到MCGS软件基本知识，对可靠性的了解更加深入。关键词：变电站可靠性；故障树法；评估软件- I -AbstractFault system of substation integrated automation system reliability research has three rules, are essential, it has a very important significance, that is to delimit the time, designated under the condition of complete the required functions. For the significance of the study of substation integrated automation system reliability is very big, first the probability of failure of products decreased, and then lower the funds, to further improve the reliability of the products, finally downtime reduction and improve the product availability. The reliability of the substation automation system will become the important factor that affects the power systems efficiency, the high quality and the high level operation.So study on the reliability of substation integrated automation system is not only to improve the automation level of a problem, is also a related to power system operation, has great theoretical and practical significance.The reliability of substation of the basic theory and methods. Finally, the evaluation software in design, so this paper can be a penny in two parts:(1) The first development of the reliability of simple introduction, to understand the development and the importance of reliability, second is the basic theory of reliability can rely on the basic concept of, the reliability performance indicators can learn a variety of reliability performance index, the reliability of substation integrated automation system of research methods by fault tree analysis method, fault tree adopts distributed structure, more a clear response to substation fault.(2) Ollowed by evaluation of the software design, this paper implemented in software MCGS and on MCGS software realization of substation reliability analysis can be more intuitive reaction system of fault, through the design of the software can learn basic knowledge of software MCGS, more in-depth understanding of reliability.Key Words: Substation reliability, Fault tree analysis, Evaluation software目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 变电站可靠性的提出及研究意义11.2 国内外研究现状11.3 论文研究内容22 变电站综合自动化系统可靠性32.1 变电站可靠性性能指标32.1.1 可靠度32.1.2 累积失效概率32.1.3 失效率32.1.4 平均无故障时间42.1.5 平均修复时间，可用度和不可用度42.2 变电站系统可靠性42.2.1 变电站系统可靠性指标42.2.2 变电站系统可靠性52.2.3 串联系统可靠性分析52.2.4 并联系统可靠性分析73 用故障树法分析变电站的可靠性83.1 简介83.2 数学基础83.3 五中故障类型及变电站自动化故障树模型的建立93.4 用故障树法分析可靠性104 变电站综合自动化系统可靠性评估114.1 MCGS软件简介124.2 变电站可靠性分析124.2.1 搭建工作平台124.2.2 进行动态化和定义数据对象134.2.3 定义报警154.2.4 数据收集与查询154.2.5 总结16结 论17致 谢18参考文献19附录A 程序语句20- 20 -1 绪论1.1 变电站可靠性的提出及研究意义变电站可靠性是指产品的概率在指定的条件，指定的时间，实现的功能函数。可靠性发展历史，就是不可靠性的教训史。当今科学技术的迅速发展，目前对可靠性的研究要求愈来愈高，变电站可靠性的研究愈来愈深入、新的变电站可靠性设计技术正在不断发展。可靠性的飞速改革发展，这是当前流行的，变电站可靠性的发展也有着缺点：忽略变电站可靠性的研究、可靠性人才短缺、没有相干的可靠性管理、不重视变电站可靠性的研究，这些因素严重影响可靠性的发展。变电站可靠性在发展中出现的问题非常严重，必须引起相关设计部门的高度重视。目前国内外变电站可靠性技术非常多，电子工业中已成为重点关注对象。有些产品是变电站可靠性设计，保障了产品可靠性。变电站可靠性是个系统工程，首先要正确使用元器件，对生产过程中的各种环节进行质量保证，对变电站可靠性的的试验方法要合理采取，注重元器件失效分析等，这都可以保障产品的可靠性。1.2 国内外研究现状我国的客运专线此客运专线属于高速铁路。但是一些外国铁路超过200公里每小时，但它是混业经营。那样的铁路是高速铁路但与我国的客运专线是不同的。“城际铁路”都是客运专线，比如京津城际。在很长的一段时间里，国内相关部门对编带南站可靠性的研究还处于定性分析，定量评估还没有得到开发，很多变电站可靠性的评估都是人工的，在数量方面上还没有设定具体的评判标准和指标。除此之外，国内研究变电站可靠性的研究只研究一次系统，继电保护装置还没有考虑在内，所以在实际的工作中难免会有失误出现。而且只对变电站设备的可靠性管理只停留对数据的统计上，如果对统计数据进行定量分析，设备状态对整个系统的影响，还没有做到位。国外对变电站可靠性的研究主要是一次电气设备，它对可靠性设备的故障影响，同样也很少对继电保护装置进行研究，失误也很多。由于一次的设备的影响，在历史的发展道路上发生过很多次变电站停电事故，如2002年2 月上海西郊变电站事故以及南桥变电站事故就是与未能对变电站可靠性研究透彻而发生事故。对于研究变电站供电可靠性的继电保护装置是很有用的。三状态模型在传统意义上的一次电气设备的可靠性研究应用广泛，它包括运行状态、正常状态、事故发生但尚未切除状态以及事故切除后修复状态，也有n+2马尔可夫状态模型，这种模型比较统一。在实际情况当中，如果有备用设备，是完全不同的两种状态，逐个研究是必须的。1.3 论文研究内容由于高速铁路的迅速发展，铁路的自动化程度越来越高，所以研究其可靠性非常重要。本文主要研究变电站自动化系统可靠性，以变电站可靠性基本理论为为基础，本文主要研究内容如下：(1) 提出变电站综合自动化系统可靠性研究的概念及研究意义，揭示国内外研究变电站可可靠性研究现状；(2) 对变电站综合自动化系统可靠性进行深入研究，介绍变电站可靠性的几个重要性能指标，以数学公式为基础；(3) 简单介绍变电站自动化系统可靠性的研究方法，本文选取故障树法对变电站可靠性进行分析研究，介绍故障树法的发展历史和数学基础，以简单的变电站故障树图为模型，说明其故障点；(4) 以MCGS软件为基础，对变电站综合自动化系统可靠性进行评估分析。本文采用10kV配电监控系统的一次系统，了解系统的运行，设置报警，再对数据进行采集分析。2 变电站综合自动化系统可靠性2.1 变电站可靠性性能指标2.1.1 可靠度可靠度(Reliability)也叫可靠性，是指在划定的时间内，达到预定功能的能力（概率），当概率来度量，称为可靠性（可靠度）。可靠度一般可以分为有两个方面，第一是元件可靠性，即产品分为多个零件和部件，首先，这些零部件的可靠性进行了研究，然后对整个系统的可靠性和产品进行讨论，二是系统和产品的可靠性。组件可靠度分析的方法，这个方面其实就是统计分析，至于体系可靠度分析，其方法较多，而且比较复杂。其数学表达是如下：其中，是系统故障工作时间，t是时间；是时，它是在正常工作条件下的多个子系统数；是0到t时刻的工作时间内，子系统的积累故障数。2.1.2 累积失效概率累积失效概率是产品在划定前提下，失效的几率，它是关于时间的函数，记F(t)。这个函数也被成为累积失效分布函数（简称失效分布函数），它的表示式为：从上述定义可以得出：F(0)=0，F()=1。2.1.3 失效率是系统，机械设备的产品在一定时间内有没有故障的可靠性发生在下一次。其公式如下：其中为不可靠函数。如果失效率函数已知，可得可靠度为：在电力系统的运用中一般假设设备或系统的故障率是常数，即与时间无关，其可靠度为：2.1.4 平均无故障时间平均无失效的时间MTTF是指设备或系统出现第一次故障的平均期望时间，其数学表达式为：2.1.5 平均修复时间，可用度和不可用度上述指标主要是在不可修复系统中的可靠性评估，而在可修复系统中，一般我们会用到如下指标：(1) 平均修复时间MTTB：指故障设备或系统得到修复所用的平均时间，两次故障间的平均时间为：(2) 可用度A（可用性）：指其在任何时刻执行所要求的功能的能力。 (3) 不可用度：。2.2 变电站系统可靠性2.2.1 变电站系统可靠性指标系统的可靠性是一个随着时间变化的概念，它是一个系统在故障后可以修复的体系，根据变电站可靠性性能指标，我们可以确定出系统可靠性指标，指标如下：定义系统失效密度，失效密度函数为，故可以确定一下指标：(1) 系统可靠度(2) 系统不可靠度(3) 系统平均寿命MTBF，它的定义可以是：(4) 单元重要度，单元重要度是指每个单元在系统中的重要度，即单元失效而引起的失效概率。(5) 系统有效度和失效度首先定义一个变量MTTR为系统平均修复时间，则系统有效度可以定义为：那么系统是失效度即为，记做，即。2.2.2 变电站系统可靠性所谓的系统就是说由一些基本的元件组成，组成的这一个系统可以完成规定的任务。在这些元件中有两种形式，一种为可修复元件，它指的是如果元件在以前的状态发生过故障，但是经过修复以后，元件状态又恢复，反之即为元件的另一种形式不可修复元件。所以，变电站可靠性系统也可以分为可修复系统和不可修复系统。变电站系统的可靠性分析方法有两种：(1) 解析法，顾名思义它是由数学逻辑运算来完成的（建立数学模型），它包括网络法、状态空间法和故障树分析法等；(2) 模拟法，比较典型的方法为蒙特卡罗法，所谓蒙特卡罗法就是概率的问题，运用统计的方法得出结论并对变电站系统进行仿真。2.2.3 串联系统可靠性分析如果故障为短路故障，从A到B的任何元件失效都会影响系统故障，那么元件为串联关系，其逻辑图如图2.1所示。图2.1 串联系统逻辑图设定变量为元件正常，为元件故障，系统正常，系统故障。故系统正常的逻辑表达式为，系统故障逻辑表达式为。如果原件相互独立，则系统正常的概率为：且，则有公式(2.1)： (2.1)从公式中我们可以得出系统的可靠性为元件可靠性的乘积，故系统可靠性低。系统不可靠度为：故障概率密度函数为：对于元件，有 ，得出公式(2.2)： (2.2)若设，则有公式(2.3)： (2.3)从公式得出串联故障率为各元件故障率之和。无故障时间为：若，则有，得出公式(2.4)： (2.4)如果均相同，即，则有公式(2.5)： (2.5)2.2.4 并联系统可靠性分析如果故障为短路故障，从A到B的任何元件故障都不会影响系统故障，此系统为并联系统，其逻辑图如图2.2所示。图2.2 并联系统逻辑图故障概率密度函数为：故障率函数为：平均无故障时间为：3 用故障树法分析变电站的可靠性3.1 简介美国贝尔电报公司于1962开发故障树分析(FTA)法，逻辑的方法是基础，对危险进行比较可观的分析，它有着很多特点，比如说直观、明了，思路清晰。故障树分析法是从系统到部件，再到部件，这种方法也可以叫做下降形分析法。首先故障树的发生概率有逻辑符号，故障树确定。其实它还可以通过分析零件来确定整个系统的故障率，零件的因素很多，其中有人为和环境因素。故障树法有两种分析方法，一种为定性分析，一种为定量评估。它不仅可以通过部分系统进行分析，还分析许多零件的失效模式不同导致的系统故障。故障树法其实就是一个逻辑图，因此，各种从事相关行业的研究人员都可以熟练掌握，并且他们还有可能发明其他有可能的树。由前文介绍，故障树就是一个逻辑图，因此适合计算机计算；但是面对比较复杂的故障树，只能通过计算机实现。故障树分析法也有一些缺点的：其中主要是故障树更多无用的元件，因此故障树结构较为复杂，要求分析人员的水平要高，因此受欢迎的程度有限。逻辑运算是建立故障树的主要步骤，如果分析人员都不能完全掌握，误差容易发生。例如，把一些对系统影响很大的事件遗漏；同时，对于不同的研究人员其研究领域不同，所以其结论的可信度也不同。3.2 数学基础数学基础主要是集合的运用（交、并、补），还有布尔代数，布尔代数用于集的运算，与普通代数运算法则不同。故障树分析可以用到布尔代数，它可以分解一个事件为多个事件，也可以有多个事件到一个事件。该系统的失效率可以通过系统的失效概率得出。其代数规则如表3.1表述。表3.1 代数规则规则公式交换律 结合律 吸收律 续表 3.1规则公式互补律 幂等律 狄摩根定律 对合律重叠律3.3 五中故障类型及变电站自动化故障树模型的建立变电站系统的故障对社会经济等的影响各有不同，一般分为五种故障类型：(1) 致命故障。危及人身或电网安全，导致电网瓦解，大面积停电，造成重大经济损失或社会影响。(2) 严重故障。这些严重故障影响经济的安全运行，部分电网可能发生停电，自动化设备的部分损坏，8 h的停电回复时间，经济损失或社会影响遭到重创。(3) 中级故障。它也可以影响经济的安全运行，导致停电，部分变电站监控功能丧失。(4) 一般故障。对安全和经济运行有一定影响，但是它的影响不大，只需要更换一少部分的原件。(5) 轻微故障。经济安全运行的影响不明显，排除故障时间快(20 min以内)。在变电站的结构形式中，有且仅有两种结构形式，一种为集中式，另一种为分布式。集中式结构较为紧凑，不利于变电站可靠性的分析，采用分布式，可以更清楚直观的对变电站进行研究，目前多采用分布式。其构图如3.1所示。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。它可以分为三层，变电站层，间隔层和设备层。其介绍如下：(1) 变电站层一般包括监控主机，操作员站，工程师站，远动服务等设备，可以提供数据的处理，收集，存储等，操作员工作站还可以提供人机对话界面；(2) 间隔层主要是继电保护和自动装置，测控装置，及其他智能设备。间隔层构成方式有两种:分布集中结构，屏幕是由保护和测控装置构成的；分布分散式，35kV、和10kV保护、测控一体化装置安装与一次高压开关柜；(3) 设备层主要是开关量和模拟量。图3.1 分布式结构图3.4 用故障树法分析可靠性在分布式构造中，能够将变电站综合自动化体系分为三层，即变电站层，间隔层和设备层。故障树图如图3.2所示。图3.2 故障树图如图3.2可知，系统失效的由以下因素造成：(1) 变电站层失效。包括监控站故障，工程师工作站故障，通信机故障和主站系统以太网(LAN)失效；(2) 间隔层失效。包括主变、高压线路和母线等保护系统失效，测控系统失效，低压保护测控装置失效，IED设备失效，通信管理机失效以及间隔层通信链路（包括通信接口）失效等；(3) 设备层失效。包括TA、TV本身的失效，在通过对测量误差引起的测量结果的误差引起大量的测量结果误差大，通过模拟量传输引起的交流输入电路故障太大；开关量的输入失败，和断路器操作回路故障等。由故障树图我们可以建立变电站主接线图，图3.3为变电站主接线图。图3.3 变电站主接线图截图4 变电站综合自动化系统可靠性评估4.1 MCGS软件简介MCGS(Monitor and Control Generated System)是一种基于Windows平台的工作的软件，在这个平台上，构造和产生上位机监控系统的组态软件系统，由于软件的一些特性，速度非常快，可在Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统上运行。MCGS可以提供现实当中工程问题的完整方案和开发平台为用户运用，可以实现现场数据的收集、实行和历史数据处理、报警和安全机制、流程监制、动画显示、趋向曲线和报表输出和企业监控网络等功能。使用MCGS，用户可以对计算机编程的知识掌握不多，就可以在短期内很轻松地完成一个运行稳定，功能全面，小型计算机监测与控制系统的开发工作，保持专业标准。MCGS具备操作简单、可视性好、可维护性强、机能高、高可靠性等突出特征。4.2 变电站可靠性分析基于MCGS的10kV配电监控系统设计上，本文主要设计10kV配电监控系统的一次系统，着重在线路电流、电压监测与变压器油温监测。现在整个设计思路和流程介绍如下：4.2.1 搭建工作平台装载并运行MCGS组态软件7.7通用版及MCGS运行环境。首先打开MCGS软件，然后再打打开软件主页面的用户窗口，在动画组态中画出配电监控系统的仿真电路图，如图4.1所示。图4.1 监控系统演示图截图因为强烈的MCGS组态软件的真实性，容易增加直观和简单的监测，根据结构图原有结构的丰富，建立表和报警灯，如图4.2所示。图4.2 设立报警装置演示图截图4.2.2 进行动态化和定义数据对象数据变量是基本单元，那么可以定义其变量为下表4.1。表4.1 变量定义对象名称类 型注 释断路器开关型控制断路器“接通”、“断开”的变量熔断器1开关型控制熔断器1“接通”、“断开”的变量电流数值型断路器位置处电流，用来控制断路器的变化电流1数值型熔断器的改变可以通过熔断器电流1的数值监测电压数值型断路器位置处电压，断路器的变化可以由它来监控油温1数值型三相变压器变压器油温可以由油温1来改变续表 4.1 对象名称类 型注 释油温2数值型二相变压器位置处油温，用来控制变压器的变化电流上限数值型当达到断路器的电流上限，报警电压上限数值型当达到断路器的电压下限，报警电压下限数值型当达到断路器的电压下限，报警电流1上限数值型当达到断路器的电流1上限，报警电流组组对象在运行环境中生成历史数据、历史曲线、报表输出电压组组对象在运行环境中生成历史数据、历史曲线、报表输出温组组对象在运行环境中生成历史数据、历史曲线、报表输出在定义数据对象以后进行连接动画，编写控制程序，并与断路器和报警指示灯连接。接下来，我们要将程序输入mcgs软件中，进入脚本程序编辑环境，将上述程序写入脚本中，编写程序图如图4.3所示。图4.3 编写逻辑程序图截图4.2.3 定义报警其实对所监控的系统进行报警处理是本系统的关键，在做好前面的工作之后，我们要对系统进行简单的报警设计。在MCGS软件上，由于它的性能以及所监控的对象不同，电流、电压、油温三个不同的对象，我们应该做成三个不同报警显示界面。更加简洁明了，如图4.4所示为演示图。图4.4 监控数据即时演示图截图4.2.4 数据收集与查询该系统不仅可以通过动画配置（报警灯、数据显示栏等）证明了解的情况，更为重要的是，它查询实时报表（折线图）、历史数据、报告。为自动保存数据，方便用户利用“存盘数据浏览”提高监测得效率和可靠性，如图4.5，图4.6。图4.5 数据显示图截图图4.6 参数设定截图4.2.5 总结本文基于MCGS的10KV配电监控系统设计。通过对10KV配电系统的了解与学习，以及在参照指导书熟悉MCGS组态软件的操作的基础上，针对10KV配电系统某一段进行监控设计，从平台构建到组态动画连接，再到报警监控和数据查询，无不体现了它功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。前期的构想和准备为此次设计增添不少理论和思路基础。对于从未接触过的软件，熟悉了解是必要的，自我了解和范例摸索，MCGS组态软件的易上手性解开了我为什么会有如此好的社会前景的疑惑；再者对10KV配电监控系统也必须有一定的了解。明了的思路和前期的准备必然取得了一些优势，但是设计过程并非那么一帆风。对于每个子环节，需要有很强的逻辑行，在不同的界面，把整个系统组装起来，其中还不乏逻辑性地编写程序，对于时间和精力都是很大的挑战。在本文设计的10KV部分配电监控系统中，广泛采集了电流量、电压量等物理信息，做到了主控屏良好直观的显示功能，尤其在数据折线图实时的更新与表计的显示，在同类型产品中，不仅具有良好经济优势，简单与功能全面型也起着举足轻重的作用。但是本人在最后数据存储方面，仅以电流量为代表，未全面整合存储电压、油温等其他检测量，监测全面性有待提升，同时，在个人思路及线路图优化等措施方面还因对软件了解程度和个人水平有限欠缺完美。结 论本次设计的研究主题为变电站综合自动化系统可靠性计算机辅助分析评估软件的设计，本此课题主要在两个方面：第一部分变电站综合自动化系统可靠性分析；第二部分为评估软件的设计。在经历的两个多月的毕业设计，通过老师的帮助，我已经将毕业设计所研究内容完成，我的研究成果可以概括为以下两个内容：(1) 通过查资料，其他论文的浏览，本文首先对可靠性的概念进行的了解，其次就是可靠性的一些基本的性能指标，有可靠度，累积失效概率，失效率，平均无故障事件，平均修复时间，可用度以及不可用度，对这些性能指标进行了深刻的研究，最后就是可靠性研究方法，本文介绍了两种可靠性的研究方法：一种是故障树法，通过绘制故障树图，定性的分析了系统的可靠性；第二种是蒙特卡罗方法，蒙特卡罗方法是一种概率的方法，通过对数据的多次试验，得到更正确的结论；(2) 第二个内容为评估软件的分析，本文采用MCGS软件对一个系统进行仿真，本文选取了10kV配电监控系统，