曹連彬 宋衛(wèi)平 韓如成

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

隨著全球各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能重視不斷的增加，太陽(yáng)能得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，日常生活中光伏并網(wǎng)裝置、太陽(yáng)能熱水器等也得到了不同程度的運(yùn)用。隨著光伏裝置的廣泛應(yīng)用，其電磁兼容性故障診斷是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電磁兼容性課題的研究具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

故障樹分析法是故障診斷中的重要方法。本文研究建立并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障樹，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)定性分析找出其所有的最小割集；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析得出各系統(tǒng)的故障概率與其各個(gè)基本事件發(fā)生的概率；然后在依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給出故障診斷的最優(yōu)排序。

1 基于FTA 的故障診斷方法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）又稱為因果樹分析法，它是目前國(guó)際上公認(rèn)的一種簡(jiǎn)單、有效的可靠性分析和故障診斷方法，是指導(dǎo)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)、薄弱環(huán)節(jié)分析和運(yùn)行維修的有力工具[1]。

此方法把最不希望發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的一個(gè)故障事件作為分析目標(biāo)，然后尋找導(dǎo)致發(fā)生此故障的全部直接原因，再找出造成下一級(jí)事件發(fā)生的全部直接原因，直到那些故障機(jī)理為已知的基本因素為止。通常把最不希望發(fā)生的事件稱為頂事件，不再深究的事件為基本事件，而介于頂事件與基本事件之間的一切事件稱為中間事件，用相應(yīng)的符號(hào)代表這些事件，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T把頂事件、中間事件和基本事件聯(lián)結(jié)成樹形圖，即故障樹。圖1所示為故障樹系統(tǒng)的故障診斷流程。

圖1 故障樹的診斷流程

將故障樹分析法用于故障診斷時(shí)，通常情況下將系統(tǒng)故障作為分析的頂事件，通過(guò)分析找出故障原因或原因組合，并將其排除；同時(shí)又能為各系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性定性的和定量分析提供必要的根據(jù)[2]。在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)首先確定頂上事件，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和事故案例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析求解各分系統(tǒng)發(fā)生的概率（頻率），以此作為要控制的事故目標(biāo)值，而后畫出故障樹，分析確定所有分系統(tǒng)發(fā)生的概率，并進(jìn)而求出頂上事件（事故）的發(fā)生概率，最后分析并比較各分系統(tǒng)發(fā)生概率之間的關(guān)系。

從而，最小割集其實(shí)就是能夠?qū)е赂鱾€(gè)分系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)生故障的原因的最少組合。圖2所示為帶有工頻隔離變壓器的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)失電的故障樹模型。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，要快速判斷和確定導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的原因，可通過(guò)求各個(gè)分系統(tǒng)的關(guān)鍵重要度，并通過(guò)排序來(lái)實(shí)現(xiàn)。所謂關(guān)鍵重要度[4]，即為單元的失效概率變化率所引起的系統(tǒng)失效概率的變化率，其定義表達(dá)式為

式中，g(t)為頂事件的發(fā)生概率；Qi(t)為單元i的失 效概率，則為分系統(tǒng)i導(dǎo)致系統(tǒng)失效的概 率，其值越大，說(shuō)明由分系統(tǒng)i導(dǎo)致系統(tǒng)失效概率就越大。若不考慮故障的平均檢測(cè)時(shí)間（MTTD），或當(dāng)各分系統(tǒng)的MTTDi基本相同時(shí)，則按照各個(gè)分系統(tǒng)的關(guān)鍵重要度從大到小來(lái)指導(dǎo)其維護(hù)即可。

而如果把關(guān)鍵重要度與故障的平均檢測(cè)時(shí)間的比值Ri t(t) =I ti(t)/MTTDi即將故障判明的效率比作為排序根據(jù)，按照按由大到小的次序來(lái)確定故障診斷的先后順序，這其實(shí)也是故障診斷中得到最佳效果的最優(yōu)方案。

2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能關(guān)系，建立如圖所示的故障樹模型，從而可求得系統(tǒng)的最小割集有21 個(gè)，分別為{變壓器故障}，{斷路器故障}，{主接線故障}，{蓄電池組故障}，{光伏陣列故障}，{繼電保護(hù)故障}，{并網(wǎng)逆變器故障}，{蓄電池充電器故障}，{充電電路故障}，{放電電路故障}，{最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)故障}，{主機(jī)板故障}，{內(nèi)存擴(kuò)展板故障}，{CPU 故障}，{UPS 故障}，{變送器故障}，{Ι/O 板板子故障}，{PT、CT外部設(shè)備故障}，{切換板故障}，{電源模塊故障}，{交流電源故障，直流電源故障}。

表1 各個(gè)底事件故障數(shù)據(jù)及結(jié)果

若已知各個(gè)底事件的故障數(shù)據(jù)MTBF（iMean Time Between Failures）及MTTDi，則求得與該系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。按R it(t)從大到小的順序，確定該并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷的最優(yōu)順序?yàn)椋汗夥嚵兄鹘泳€→主機(jī)板→蓄電池組內(nèi)存擴(kuò)展板→最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)→充電電路→Ι/O板板子→并網(wǎng)逆變器→繼電保護(hù)→切換板→斷路器→變壓器→斷路器→蓄電池充電器→放電電路→PT、CT外部設(shè)備故障→UPS→CPU→直流電源→電源模塊→交流電源→變送器。

3 結(jié)論

當(dāng)采用基于故障樹理論的方法進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷時(shí)，根據(jù)各最小割集及各底事件發(fā)生的概率可確定系統(tǒng)各個(gè)故障方式下發(fā)生的概率；對(duì)關(guān)鍵重要度的排序可確定各個(gè)分系統(tǒng)在系統(tǒng)故障中所占比重的大??；而對(duì)判明故障效率比排序，可確定故障診斷的最優(yōu)排序。給定一個(gè)系統(tǒng)，故障樹結(jié)構(gòu)即給定，各個(gè)底事件的故障分布、發(fā)生概率以及故障的平均檢測(cè)時(shí)間已知，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行分析即可。

目前，由本校參與的省外某薄膜光伏示范電站并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，該方法經(jīng)過(guò)初步實(shí)踐驗(yàn)證具有切實(shí)可行性，并取得了較好的效果。

[1] 王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2001:2-6.

[2] 維齊利W E.故障樹手冊(cè)[M].稀松桂,唐信青譯.北京:原子能出版社,1987: 116-135.

[3] 朱繼洲.故障樹原理和應(yīng)用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1989.

[4] 虞和濟(jì),侯廣林.故障診斷的專家系統(tǒng)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.