張 曦,凌萬水,黃 飛,劉志宏

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司,重慶 400000;2.上海金智晟東電力科技有限公司,上海 200233;3.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 404100;4.國網(wǎng)重慶市電力公司,重慶 404100)

基于故障樹分析法的配電終端失效研究*

張 曦1*,凌萬水2,黃 飛3,劉志宏4

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司,重慶 400000;2.上海金智晟東電力科技有限公司,上海 200233;3.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 404100;4.國網(wǎng)重慶市電力公司,重慶 404100)

配電終端的可靠性對配電自動化有效運維至關(guān)重要,結(jié)合故障樹分析法與比例分攤原則,提出了適用于配電終端失效研究的一種方法。該方法通過分析各配電終端各模塊工作與失效機理,建立配電終端的故障樹分析模型,采用故障樹分析法推導(dǎo)頂端事件失效計算公式;根據(jù)失效分攤法計算出各模塊對系統(tǒng)失效的貢獻比例,并據(jù)此識別配電終端的薄弱環(huán)節(jié)。最后以重慶某地區(qū)配電終端現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)為樣本,驗證了該方法的有效性。

配電;失效研究;故障樹分析;配電終端;配電自動化

配電自動化建設(shè)是實現(xiàn)配電網(wǎng)供電可靠性提高,狀態(tài)可觀可控與運行經(jīng)濟的重要技術(shù)手段,是建設(shè)智能配電網(wǎng)的基石。配電自動化系統(tǒng)的順利實施依賴于大量安裝在現(xiàn)場的配電終端,這些終端用于中低壓配電網(wǎng)中的開閉所、柱上分段開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、配電變壓器、重合器、線路調(diào)壓器、無功補償電容器的監(jiān)視與控制,與配網(wǎng)自動化主站通信,配電自動化所有命令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的采集都是由配電終端處完成。因此,配電終端可靠性對配電自動化有效運維至關(guān)重要[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對配電終端功能測試進行了大量的研究,文獻[4-5]提出終端與主站注入的故障啟動條件的測試方法,根據(jù)模擬注入故障發(fā)生時的各類電氣特征,模擬測試配電終端的故障處理功能。文獻[6]研發(fā)了集測試配電自動化終端設(shè)備功能、性能和通信規(guī)約于一體的檢測平臺,并介紹了該設(shè)備的設(shè)計開發(fā)、系統(tǒng)構(gòu)成、主要功能、技術(shù)特點以及應(yīng)用情況。目前關(guān)于配電終端的研究大多集中在饋線自動化的測試與評價上,或者是配電終端的三遙功能進行測試與分析,對配電終端失效模型與可靠性文獻內(nèi)容鮮有加以研究。

配電終端失效過程可能是由多種因素所造成的,例如惡劣運行環(huán)境(潮濕多雨等)、人工因素(參數(shù)配置錯誤等)、管理因素(桿塔傾塔)等都可能會造成配電終端局部或整體失效。這些因素中有些指標具有統(tǒng)計意義,有些指標則具有偶然性[7]。配電終端的正常運行依賴于各功能模塊,不同模塊的失效都可能引起配電終端整體性的失效,故障樹分析FTA(Fault Tree Analysis)是一種由果到因的圖形演繹分析方法,是對系統(tǒng)故障形成的原因采用從整體至局部、按樹枝狀逐漸細化分析的方法。故障樹法它通過分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和完成系統(tǒng)的最優(yōu)化來實現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)測和診斷,是一種安全性和可靠性分析技術(shù),對于系統(tǒng)故障的預(yù)測、預(yù)防、分析和控制效果顯著,廣泛用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險評價[8-9]。

本文結(jié)合故障樹分析法與比例分攤原則,提出了適用于配電終端失效分析的方法。通過分析各配電終端各模塊工作與失效機理,建立配電終端的故障樹分析模型,并根據(jù)故障樹分析法推導(dǎo)頂端事件失效計算公式,同時結(jié)合各模塊的可靠性參數(shù)計算配電終端的失效參數(shù);根據(jù)失效分攤法計算出各模塊對系統(tǒng)失效的貢獻比例,基于此識別配電終端薄弱環(huán)節(jié)。論文最后以重慶某配電自動化實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)對評價體系進行分析,結(jié)果證明本方法能夠真實體現(xiàn)配電自動化運行狀況,可以作為配電自動化運行實用化評價手段和運維依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 故障樹分析法

構(gòu)造準確的故障樹是故障樹分析法的關(guān)鍵。為更加直觀表達這種邏輯關(guān)系,通常采用如圖1所示的圖形符號,如事件,邏輯門等符號來表示故障數(shù)構(gòu)造的邏輯關(guān)系。

圖1 故障樹符號

通過圖形符號表達的故障數(shù),可以更好的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障結(jié)果與故障原因之間的不易發(fā)覺的內(nèi)在聯(lián)系。因此故障數(shù)是否完善與合理決定了用它進行定性或定量分析的準確程度。如圖2所示為一個故障樹實例,可以形象地顯示頂事件和其他底事件的邏輯關(guān)系。通常事件間的邏輯關(guān)系可以歸納為串聯(lián)、并聯(lián)和混合3種關(guān)系[10]。

故障樹頂事件的發(fā)生概率可表示為

P(T)=P(MCS1∪MCS2∪…∪MCSN)

式中:N是最小割集數(shù);MCSi(i=1,2…N)的是故障樹第i個最小割集;P(MCSi)為MCSi的發(fā)生概率。

圖2 故障樹

1.2 比例分攤準則

假設(shè)一個系統(tǒng)由N個元件組成,Xi(i=1,2,…,N)表示元件i的失效事件,P(xi)表示該失效事件發(fā)生的概率。根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性跟蹤不可靠性指標的比例分攤準則,底事件Xi對頂事件概率指標的貢獻PS→xi為

(1)

式中:S表示某一個包含元件Xi失效的定事件失效組合?？梢钥闯?上述準則具有兩個特征:

(1)對稱性,即P(xi)可以代表任一底事件;

(2)同一性,依據(jù)比例分攤準則可以實現(xiàn)頂事件概率指標的完全分攤。即

(2)

圖3 配電終端工作原理

2 配電終端失效模型

失效模型就是分析配電終端的構(gòu)成和可能引起配電終端失效的各種組成部分,并分析每一部分的失效率和各部分件的相互關(guān)系[11]。配電終端由中央控制單元、操作控制回路、通信終端、充電器和蓄電池與采集單元組成。如圖3所示。

2.1 配電終端失效分析

(1)中央控制單元

中心控制單元是配電終端的核心,通過采集單元完成模擬量如電流、電壓數(shù)據(jù),以及開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集、通過操作控制回路實現(xiàn)遙控命令的執(zhí)行,通過通信模塊實現(xiàn)與其他智能設(shè)備以及主站的信息交互。中央控制單元的核心芯片一般為數(shù)據(jù)處理能力較強的數(shù)字信號處理器DSP,可采用交流采樣技術(shù)采集電壓、電流數(shù)據(jù),并進行功率,諧波等計算。同時根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進行故障判別,依據(jù)配置與邏輯進行記錄、動作與報警。通過通信模塊外部的網(wǎng)口與串口,可以利用光纖、有線、無線等各種介質(zhì)與配電自動化主站通信。若中心控制單元發(fā)生故障,則配電終端將發(fā)生整體失效。

(2)操作控制回路

操作控制回路主要用于操作饋線上的斷路器、隔離開關(guān)等開斷元件。若該單元模塊發(fā)生故障,配電終端將不能按照主站遙控命令進行相應(yīng)的操作,則不能實現(xiàn)故障的自動隔離,此時需要人工操作進行故障隔離,配電終端遙控功能失效。

(3)通信終端

通信模塊用于配電終端與主站之間進行系統(tǒng)信息的交互。若該單元模塊發(fā)生故障,配電終端將無法將系統(tǒng)信息傳遞到主站,同時也不能接受遠方命令從而不能對故障區(qū)域進行定位操作,此時配電終端將失效。

(4)充電器和蓄電池

充電器和蓄電池提供給配電終端不間斷的供電電源。當電網(wǎng)有電時,電壓互感器或傳感器二次側(cè)輸出電壓通過直流單元供電并對蓄電池進行浮充電;當電網(wǎng)停電時由蓄電池供電,可持續(xù)8 h以上。任一單元模塊故障時不影響配電正常工作。若兩元件同時故障,則配電終端停運。

(5)采集單元

采集單元是從電壓互感器、電流互感器和開關(guān)中自動采集待測信號,并送到中央控制單元進行分析處理。若該單元模塊發(fā)生故障,配電終端將不能正常獲取遙測和遙信信息,若發(fā)生故障則無法獲取故障信息,不能實現(xiàn)故障隔離功能,配電終端遙失效。

2.2 配電終端失效模型

根據(jù)配電終端失效原理,建立圖4所示的配電終端故障樹分析圖。

圖4中,TE代表終端故障頂事件,M1代表電源故障事件,X1代表中央控制單元故障底事件,X2代表操作控制回路故障底事件,X3代表充電器故障地時間,X4代表蓄電池故障底事件,X5代表通信網(wǎng)絡(luò)故障底事件,X6代表采集單元底事件。

利用該故障樹簡歷通信網(wǎng)絡(luò)的失效模型后,就可以進行最小割集的定性分析和定量分析,故障樹的最小割集可有FUSSEL算法求解[12]。

圖4 配電終端失效模型

3 基于故障樹的配電終端失效分析

3.1 配電終端失效參數(shù)計算

根據(jù)如圖3所示的配電終端失效模型,假設(shè)中央控制單元、操作控制回路、充電器、蓄電池,通信網(wǎng)絡(luò)件、采集單元的失效率分別為P(x1)、P(x2)、P(x3)、P(x4)、P(x5)、P(x6),每個單元模塊在失效后至恢復(fù)正常運行的時間分別T1、T2、T3、T4、T5、T6。則配電終端失效頂事件的失效率為:

P(TE)=P(x1)+P(x2)+P(x3)×P(x4)×

(T3+T4)+P(x5)+P(x6)

(3)

配電終端的失效恢復(fù)時間為:

(4)

3.2 失效跟蹤分析

假設(shè)故障樹底事件和最小割集數(shù)分別為M和N,則故障樹頂事件失效概率P(TE)應(yīng)包含有2N-1中失效組合。根據(jù)失效時間的比例分攤準則,可以求得任意底事件Xi的失效跟蹤指標為

(5)

為明確計算底事件對頂事件的貢獻程度,定義失效跟蹤分攤因子[12](Failure Tracking Sharing Factor)為FTSFi,其計算公式為

(6)

FTSFi表征每個底事件對系統(tǒng)失效指標的貢獻程度。底事件Xi的FTSFi指標越大,則該元件對配電終端失效事件的貢獻程度越大,這也就是說該元件更易故障從而引起配電終端的失效,應(yīng)重點加強對該元件的檢驗和運維。相反,若底事件Xi的FTSFi指標越小,則該元件對配電終端失效事件的貢獻程度越小[14]。

4 算例分析

本文依據(jù)重慶某地區(qū)配電終端現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)為樣本進行配電終端失效分析。通過收集的近三年配電終端的運行檢修記錄,分別對配電終端的失效概率與失效跟蹤參數(shù)進行計算,用以驗證所提出的運行評價綜合指標體系和綜合評價方法的實用性。

4.1 原始數(shù)據(jù)處理

根據(jù)收集的區(qū)域內(nèi)近三年配電終端各模塊的檢修記錄,從中獲取所有配電終端個數(shù)N、各元件模塊的檢修次數(shù)ni(i=1,2,…6)與該模塊檢修時間ti(ni)小時。其中,i=1中央控制單元模塊,i=2表示操作控制回路故障底事件,i=3充電器模塊,i=4代表蓄電池模塊,i=4代表通信網(wǎng)絡(luò)模塊,i=6表采集單元模塊。則模塊Xi的故障概率為:

(7)

模塊Xi的平均修復(fù)時間為

(8)

將采集到的原始數(shù)據(jù)根據(jù)式(7)、式(8)進行統(tǒng)計處理,分別得到配電終端各模塊的故障概率與平均修復(fù)時間,如表1所示。

表1 配電終端模塊失效率

4.2 失效分析計算

根據(jù)式(3),可以求得配電終端失效率為

λ=0.116

根據(jù)式(4)可以求得配電終端修復(fù)時間為:

μ=3.516 h

根據(jù)式(5)和式(6),可以分別計算得到配電終端各模塊對配電終端失效概率指標的分攤。如表2和圖5所示。

表2 配電終端失效跟蹤結(jié)果

圖5 配電終端各部件失效概率指標貢獻對比圖

由以上分析可知,配電終端年均失效率為0.116,失效修復(fù)時間為3.516 h,且配電終端失效主要是由操作控制回路的故障引起的,其次是分別由通信網(wǎng)絡(luò)和充電器故障引起。因此,應(yīng)加強對配電終端中操控模塊的設(shè)計和監(jiān)控,提高配電終端運維的可靠性。同時在實際運行中,也應(yīng)重點監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)故障,減少因外力破壞通信通道,盡可能減少配電終端故障次數(shù),提高配電終端可用率。

5 結(jié)論

本文提出了基于故障樹分析的配電終端失效研究的方法。根據(jù)變配電終端各模塊的工作原理與失效分析,建立了配電終端的故障樹模型,并給出了失效概率計算的計算公式,同時將各模塊對整體失效事件的比例分攤關(guān)系,并通過計算識別配電終端的薄弱環(huán)節(jié)。通過現(xiàn)場的實際運維數(shù)據(jù)進行計算,結(jié)果表明操控回路為配電終端的最大薄弱環(huán)節(jié),其次為通信網(wǎng)絡(luò)和充電器故障。因此,在配電終端驗收與運行的過程中,應(yīng)著重對該區(qū)域內(nèi)的操控單元進行重點運維監(jiān)視,以保證配電自動化的正常運行。

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ResearchonFailureofDistributionTerminalBasedonFaultTreeAnalysis*

ZHANGXi1*,LINGWanshui2,HUANGFei3,LIUZhihong4

(1.Nanan Power Supply Bureau of Chongqing Electric Power Company,Chongqing 400000,China;2.Shanghai Wiscom Sunest ElectricPower Technology Co.,Ltd,Shanghai 200233,China;3.State Grid Chongqing Electric Power Research Institute,Chongqing 404100,China;4.Chongqing Electric Power Company,Chongqing 404100,China)

The reliability of distribution terminal is crucial for the effective operation of distribution automation. Combined with the principle of fault tree analysis and the principle of proportion allocation,a method for failure analysis of distribution terminal is presented. Through the analysis of the distribution of the terminal module and failure mechanism,it establishes the terminal power distribution fault tree analysis model,and based on the fault tree analysis method,it derives the top event failure calculation formula. According to the ineffective allocation method,the system failure contribution ratio of each module is calculated,and it can tell the weak links of distribution terminal. Finally,the validity of the method is verified,based on the field operation data of the distribution terminal in a certain area of Chongqing.

power distribution;failure analysis;fault tree analysis;distribution terminal;distribution automation

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.034

項目來源:重慶市電力公司科技項目(2016渝電科技34#:適合重慶配電網(wǎng)特征的配電網(wǎng)全自動故障處理模式)

2016-10-11修改日期2016-11-20

TM64;TM743

A

1005-9490(2017)06-1506-05

張曦(1977-),男,漢族,重慶人,國網(wǎng)重慶市電力公司南岸供電分公司,高級工程師,碩士,主要研究方向為智能配電網(wǎng)及配電自動化應(yīng)用,cqepxx@qq.com;

凌萬水(1975-),男,漢族,安徽歙縣人,上海金智晟東電力科技有限公司,高級工程師,博士,主要研究方向為智能配電網(wǎng),lingws2010@foxmail.com;

黃飛(1987-),男,碩士,工程師,主要研究方向為智能配電網(wǎng)技術(shù)研究;

劉志宏(1972-),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為配電自動化及配電信息化。