基于蒙特卡罗方法的高压直流输电系统可靠性评估

基于蒙特卡罗方法的高压直流输电系统可靠性评估

随着高压直压电气技术的开发和实际工程的日益发展，直压电气系统的可靠性指标已成为影响整个能源系统可靠性的重要因素。长期以来，对直压供电系统可离性的评价取得了很大进展。近年来，可靠性指数的概率分布及其应用研究已成为能源系统可离性分析和决策的新课题。在文献中进行了这项研究，但与直压系统无关。故障树分析法(FTA)由美国贝尔电话实验室的H.A.Walson首先提出,它从故障的角度去分析系统的可靠性,不仅能完成可靠性框图的分析任务,还能分析故障的传播路线与故障源,因此更具有优越性,目前在电力系统的变电站自动化系统、直流系统等方面可靠性计算中得到了广泛的应用.采用故障树对直流系统可靠性进行分析时,一般假定单元故障率是常数,如果单元寿命服从某一分布,甚至是非指数分布,利用故障树分析计算将变得十分困难.此外,故障树对于规模大,含有相关失效模式的多容量状态复杂直流系统的可靠性计算也存在瓶颈,限制了该方法的进一步应用.基于MonteCarlo法的可靠性数字仿真技术突破了故障树方法的局限,它以概率统计理论为基础,模拟随机出现的各种系统状态,并从大量的模拟试验结果中统计出系统的可靠性指标,能比较逼真地描述直流系统的特点,适应性强.本文中提出了故障树分析法与MonteCarlo方法相结合的可靠性数字仿真方法,能有效地兼顾两种方法的优点,不但可以求解直流系统可靠性指标的点估计,还可以得到指标的分布函数,这对深入了解直流系统运行特征有很大帮助.当然,直流系统的相关失效模式和多容量状态对直流系统可靠性指标影响不可忽视,对这种影响可以根据马尔可夫过程原理,应用边界墙对所研究事件进行合并化简来考虑.1双极系统故障诊断法.直流系统两端换流站内不仅包含直流设备还包含众多的交流设备,设备之间的逻辑关系复杂,如果由基本设备直接建立整个直流系统的故障树,不仅建模困难,容易出错,所需求解的问题维数也相当庞大.最好的解决办法就是尽量减小故障树的规模,将结构复杂的故障树尽量拆分为简单的子树,然后由底层的子树开始逐层向上计算.实际中,往往将直流系统划分为整流侧子系统、逆变侧子系统和输电子系统.对于两侧子系统,又根据不同设备的功能及失效后果划分为若干子系统.双极系统可靠性框图如图1所示.2直流系统故障处置故障树中每个底事件表示为两状态元件,即正常工作和故障停运.对于直流系统中大部分元件都可用两态模型表示,如换流阀、辅助设备等.但是对于某些子系统通常含有多容量状态,或者几元件共享备用,则需要细致分析.2.1设备状态状态换流站内两极上的设备通常设计成对称布置,同一侧两极上相同的设备将共用备品备件,如换流变子系统、平波电抗器、阀厅设备等.这些设备不能简单的用两状态等效模型表示,必须在建立状态空间图基础上构建故障树.以换流变为例,两极上的两组设备共用一个备件,其状态空间图如图2所示.其中n为每组设备的数量,对于单相三绕组式,n取3,λ、μ、γ分别为设备的故障率、维修率和更换率.状态1与状态4表示双极设备全部正常工作,SP表示元件处于备用,“-”为无备用元件;状态2与状态5表示极1设备故障;状态3与状态6表示极2设备故障;状态7表示双极设备故障.应用边界墙原理将导致相同结果的故障状态合并,以达到简化状态空间图的目的.如只考虑一侧换流变对直流系统的影响,可分别建立子树“一侧换流变单极停运”和“一侧换流变双极故障”.以一侧换流变极1故障为例,其故障树如图3所示(对应于12脉波换流器的两个6脉波换流桥,采用了Y/Y和Y/D两个变压器组).对于系统两侧的交流滤波器子系统,其子系统内不同元件组合将导致不同容量状态.同样,利用上述方法,应用边界墙原理对交流滤波器组的运行状态造成系统双极停运或双极运行后果划分到相应故障树,以便最后形成整个直流系统停运故障树.2.2直流输电系统系统故障树的构建通常直流系统仅考虑双极运行、单极停行和双极停运这3种容量状态,针对直流系统的运行特点,可将所有状态或子系统对直流系统运行的影响划分到单极停运和双极停运故障树的底事件中以构建系统故障树.其中,高压直流输电系统双极停运故障树如图4所示(逆变侧与整流侧结构相同,限于篇幅没有给出).对于直流输电系统单极停运故障树,可用同样方法将引起系统单极停运的事件根据相互的逻辑关系组建而成.最后应用下节所述的可靠性仿真方法求出系统的可靠性指标.3单调关联系统故障树的基本逻辑故障树模型高压直流系统及其组成元件是可修复的,而且每个元件的状态为有限种.发生系统状态改变的时间是离散的,而观察区间为一实数区间.所以系统状态发生的变化以及该时刻时间序列决定了系统可靠性运行路线.通常为仿真程序设置个内部时钟,以系统结构函数ϕ(t)作为故障树模型的数学描述.通过对底事件e模拟抽样获得其失效时间t,对底事件失效时间从小到大排序后形成一事件表.然后跟随事件向前推移模拟时钟,根据结构函数表征的系统状态判断系统在该时刻是否处于失效状态,仅当系统失效后或超出系统最大工作时间才停止此次仿真.算法实质需要反复在模拟时钟推进的每个事件时间点上计算系统结构函数值,运算效率较低.本文中充分利用各种逻辑单元的失效特征,直接从状态空间对应的时间空间而不是状态的测试中寻找系统顶事件的失效时间,提出了失效时间函数,取代传统结构函数.单调关联系统故障树的基本逻辑失效函数如下:(1)门误差的时间差(2)或者门中断时间函数(3)提升模拟运算效率将下级逻辑事件失效时间函数的输入作为本事件的输入,以本事件的输出作为上级事件的输入,逐层递归求解顶事件失效时间过程.与传统基于结构函数的顶事件失效时间求解过程不同的是,本文中所提算法可在产生底事件失效时间抽样的同时完成,大大减少在状态探测方法中额外遍历故障树的次数,从而极大提高了模拟运算速度.4仿真次数的确定设系统最大工作时间为tmax,将它等分为若干个区间m个,则在任一时间段tr-1～tr内失效次数统计为Δmr=Ν∑j=1ϕj,r(tk),tk■SymbolΝCp(tr-1,tr).Δmr=∑j=1Nϕj,r(tk),tk■SymbolNCp(tr−1,tr).式中:N为仿真次数;ϕj,r(tk)为基本单元k在第j次仿真的第r个时间间隔内的状态变量.则在t≤tr内系统失效的统计次数为mr=r∑i=1Δmr,tk≤trmr=∑i=1rΔmr,tk≤tr(1)系统可靠度计算设系统的累积失效率(不可靠度)为Fs(tr),则Fs(tr)=Ρ(ξ≤tr)≈1ΝΝ∑j=1ϕj(t)=mrΝ‚t≤tr(1)所以系统可靠度为Rs(tr)=1-Fs(tr)(2)(2)系统的平均寿命设系统的失效概率分布为P(tr),则Ρ(tr)=Ρ(tr-1＜ξ≤tr)≈1ΝΝ∑j=1ϕj(t),tr-1＜t≤tr(3)所以系统的平均寿命ΜΤBF=E(t)≈1ΝΝ∑j=1tk.(3)实际人工空调运用运维tEU=(TEOT/EH)×100%(4)式中:EH为系统运行的周期,h;TEOT为总等值停运时间,TEOT=E∑EOTi,而EOTi是一年中第i次停运的等值停运时间,它是实际停运时间ti按停运容量在系统额定容量中所占比例进行折算后的值,即:EΟΤi=ti(1-停运期间可用容量系统额定容量),所以能量可用率EA为EA=100%-EU(5)5基于马尔可夫的直流系统仿真分析本文中采用《贵广二回直流系统可用率与可靠性项目研究报告》(华南理工大学电力学院,中国南方电网技术研究中心,2006年)提供的参考数据,系统输送容量3000MW,直流线路长度1225km,其单位故障率λ=0.355次/(百千米·年),维修率μ=1102.719次/年.应用马尔可夫与故障树相结合的方法由底层的子树开始逐层向上建树,然后对各子系统子树及整个直流系统的故障树进行可靠性仿真分析.最后得到整个直流系统单极停运、双极停运的仿真结果.5.1双极直流系统可靠性分析设直流系统的双极停运、单极停运最大工作时间分别为150×104h和1×104h,将其分为250个区间进行区间统计,应用本文中所提方法对系统进行10000次仿真,分别得到双极停运和单极停运的可靠度分布和失效概率分布如图5、6所示.仿真得到双极平均无故障时间为2.12224×105h,单极平均无故障时间为1931.7h.整个双极直流系统可靠性指标如表1、表2所示.事实上,由于不同的直流输电系统其计划检修安排不尽相同.因此,表2的可靠性指标中,能量不可用率EU不包括计划能量不可用率(SEU),即能量不可用率EU以强迫能量不可用率(FEU)代替.5.2迫药品事件的次数将计算得到的可用率和可靠性指标与西门子公司开发的ZUSIM可靠性计算软件及贵广二回可靠性项目研究报告得到结果进行了对比,所比指标有FEU、单极强迫停运次数(MFOT)、双极强迫停运的次数(BFOT),比较结果见表3.由表3可见,利用本文中算法得到的几个主要的可靠性指标与运用传统故障树法得到的指标是很接近的,且计算结果严格控制在目标值范围以内,证明了本文中算法的可靠性.本文方法的计算结果与西门子计算结果存在较大差别的主要原因为本文与贵广二回研究报告对于双极强迫停运的定义都是指由于某个事件的直接或间接的原因引起两个极都失效,由于不同的事件引起极发生交替故障或者是先于另外一个极发生故障,都不应该算作双极故障,而应该算是单极故障.而西门子公司计算软件中的双极故障则包括了由不同事件而引起的两极失效事件.6基于amesim的直流输电系统故障树仿真(1)提出了以MonteCarlo法为基础并结合故障树分析,对直流输电系统进行可靠性评估的方法,得到概率分布图可以更清晰地表明直流系统的可靠性状况.(2)应用边界墙原理,解决了在建立直流输电系统故障树过程中处理元件备用及多容量状态的难题.(3)提