李艷 張厲男 陳彪

摘 要：隨著智能電網(wǎng)在我國(guó)迅速發(fā)展和普及，與之相應(yīng)的智能變電站也被得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站顯著加快了一二次融合，并且，引入的智能終端設(shè)備在智能變電站的一二次融合中逐漸發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。同時(shí)，智能終端也是連接二次設(shè)備及一次設(shè)備的主要橋梁。智能終端設(shè)備應(yīng)用了目前電力系統(tǒng)的新型技術(shù)，其內(nèi)置的電子元器件的可靠性決定了智能終端的可靠性，并影響到智能變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。為進(jìn)一步提升智能變電站設(shè)備的運(yùn)行可靠性，通過(guò)失效分析技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的價(jià)值和深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：智能變電站；失效分析；應(yīng)用

智能變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化等為基本要求，自動(dòng)完成了信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并具有電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度互動(dòng)。與傳統(tǒng)變電站不同，它是以設(shè)備智能化、信息標(biāo)準(zhǔn)化、控制遠(yuǎn)程化為特征的新型變電站模式。

1 基于故障樹(shù)分析的失效模型

故障樹(shù)分析法是由美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室Walson教授第一次提出，它是一種對(duì)各種系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確分析的方法。事實(shí)證明，利用故障樹(shù)分析法能夠判斷潛在的系統(tǒng)故障或?qū)嵤?duì)故障的診斷，還可用來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)生系統(tǒng)故障的概率。采用故障樹(shù)分析技術(shù)對(duì)系統(tǒng)施行可靠性分析及預(yù)測(cè)，在許多領(lǐng)域都得到廣泛的運(yùn)用。

1.1 可靠性理論的幾個(gè)基本概念

可靠性理論是進(jìn)行故障樹(shù)分析的基礎(chǔ)，其中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，如可靠度和失效率等介紹如下：（1）可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為該產(chǎn)品的可靠度。（2）失效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)失效的元器件數(shù)與元器件總數(shù)之比稱為失效率，它也是時(shí)間的函數(shù)。（3）平均壽命：對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是平均工作時(shí)間，對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是相鄰故障間的平均工作時(shí)間。

當(dāng)智能變電站可靠度越高，其工作的穩(wěn)定性就越好；當(dāng)智能變電站的失效率越高，其內(nèi)部的故障部件越多；當(dāng)智能變電站平均壽命越高，其工作時(shí)間越長(zhǎng)，故障間隔也越長(zhǎng)。

1.2 故障樹(shù)分析法

在對(duì)智能變電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估的研究中，每個(gè)環(huán)節(jié)及二次系統(tǒng)都需要原理不同的系統(tǒng)分析方法和技術(shù)。每種可靠性方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)所面對(duì)的具體系統(tǒng)問(wèn)題、數(shù)據(jù)的要求和評(píng)估的難易程度來(lái)選擇采用的方法。

故障樹(shù)可以定性了解整個(gè)事件的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，系統(tǒng)地表示出種種故障與系統(tǒng)成功、失敗的關(guān)系，也可定量計(jì)算各階段的概率，最終了解事故發(fā)展過(guò)程中各種狀態(tài)發(fā)生的概率。故障樹(shù)分析可應(yīng)用于某些或全部原件處于順序邏輯、切換備用狀態(tài)的系統(tǒng)，用于識(shí)別由某一初始事件引起的系統(tǒng)各種可能的輸出。

在智能變電站二次系統(tǒng)對(duì)一次系統(tǒng)的可靠性影響分析中，運(yùn)用故障樹(shù)分析可以把事故發(fā)生的過(guò)程表述得清楚而有條理，全面地展示功能成功或失敗與動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終確定了典型功能事件的概率。失效分析技術(shù)是一種系統(tǒng)化的可靠性分析方法。失效指產(chǎn)品喪失規(guī)定的供能，失效模式是指失效或故障的形式。

故障樹(shù)分析法的基本步驟：（1）全面分析對(duì)象或系統(tǒng)，分別考慮其中每個(gè)的工作狀態(tài)，確定初始事件，一般指系統(tǒng)故障、設(shè)備失效、人為失誤等。（2）針對(duì)每個(gè)工作狀態(tài)，分別繪制系統(tǒng)功能框圖和可靠性框圖，初始事件在左，各種事件先后寫(xiě)在頂端橫欄，成功分支向上，失敗分支向下。（3）分析每個(gè)硬件或部件的功能，找出產(chǎn)品、過(guò)程中的故障模式，闡明事故結(jié)果，通過(guò)故障樹(shù)可得由初始事件導(dǎo)出的各種事件結(jié)果。（4）列出故障起因及結(jié)果，進(jìn)行定量分析，根據(jù)每一時(shí)間的發(fā)生概率，計(jì)算各種途徑的事故發(fā)生概率，最后求得事故發(fā)生概率，各發(fā)展途徑的概率等于自初始事件開(kāi)始的各事件發(fā)生概率的乘積，最終事故發(fā)生概率等于導(dǎo)致事故的個(gè)發(fā)展途徑的概率和。（5）填寫(xiě)失效模式影響分析表。失效分析技術(shù)主要從系統(tǒng)功能關(guān)系方面考慮問(wèn)題，不僅在設(shè)計(jì)階段全面細(xì)致的發(fā)現(xiàn)故障隱患，在設(shè)備運(yùn)行階段，該方法也能對(duì)缺乏可靠性數(shù)據(jù)的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行有效分析，提高故障分析的精準(zhǔn)度。

2 智能變電站設(shè)備的失效分析

基本智能設(shè)備是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量，網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)備狀態(tài)可視化，功能綜合和高壓設(shè)備信息交換。關(guān)鍵技術(shù)為先進(jìn)傳感器技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)和智能元件的應(yīng)用。通過(guò)安裝在設(shè)備內(nèi)外部的傳感器，變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、避雷針等重要設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)和可視化。包括智能終端，融合設(shè)備，在線監(jiān)測(cè)IED等智能電氣設(shè)備的靈活配置構(gòu)成了智能元件。將來(lái)這些基本智能元件將會(huì)合成為一個(gè)單一設(shè)備。

2.1 智能變壓器

智能變壓器可以實(shí)現(xiàn)失效數(shù)值分析自診斷功能，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，智能變壓器通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器的狀態(tài)參數(shù)，分析局部放電、油的側(cè)譜分析等信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的絕緣狀態(tài)和分析絕緣失效。智能變壓器內(nèi)部集成的元件具有測(cè)量，控制，監(jiān)測(cè)，非電保護(hù)等功能，對(duì)完成失效分析提供完整的數(shù)據(jù)信息。

2.2 智能氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備

智能氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備不同于傳統(tǒng)非智能開(kāi)關(guān)，它安裝了狀態(tài)參數(shù)傳感器和智能元件，因此，智能氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)變電站的監(jiān)測(cè)和控制，還能收集和處理設(shè)備狀態(tài)信息。當(dāng)智能氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備失效時(shí)，在智能操控區(qū)域，同時(shí)具有一鍵控制功能，安裝的智能元件可以準(zhǔn)確把監(jiān)視信息傳輸?shù)骄C合信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的可視化并能夠?qū)κЫY(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 電器變壓器

相比電磁變壓器，先進(jìn)的電器變壓器可以防止諸如鐵磁共振，絕緣油爆炸，SF6泄露等內(nèi)部問(wèn)題，而且在高壓設(shè)備上通過(guò)節(jié)省鐵芯、銅和其他金屬材料使其具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。總結(jié)電器變壓器失效機(jī)理，因?yàn)楸苊饬髓F磁共振等隱患問(wèn)題，電器變壓器其失效多發(fā)生在換電操作前期。

此外，智能基礎(chǔ)設(shè)備的發(fā)展伴隨著包括保護(hù)、監(jiān)視、控制、測(cè)量和傳感器技術(shù)的發(fā)展。各項(xiàng)技術(shù)的融合問(wèn)題導(dǎo)致了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性下降。由于傳感器的使用壽命比基本設(shè)備的短，因此如果應(yīng)用更好傳感器，設(shè)備的穩(wěn)定性和取樣的精確性都會(huì)增強(qiáng)。

3 失效模式與后果分析

失效分析主要有兩種基本方法：功能法以及硬件法。功能法是每個(gè)硬件按照完成的功能輸出分類，這種方法適用于硬件尚不明確的情況。硬件法是按照功能對(duì)每種故障模式進(jìn)行分析，用表格列出各個(gè)部件，對(duì)發(fā)生的故障模式、原因及后果進(jìn)行分析。通過(guò)結(jié)合兩種故障分析方法，進(jìn)行深入分析，可以得到如下結(jié)論：

電子元件的失效率曲線是一條“浴盆曲線”，大致可以將其分為三段：初始運(yùn)行期、穩(wěn)定運(yùn)行期、耗損期。在穩(wěn)定運(yùn)行期間，其失效率為一常數(shù)，保持不變。同一電站設(shè)備失誤率與單位長(zhǎng)度鏈路的失誤率直接相關(guān)，如果假定單環(huán)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行信息交換按最短路徑，就不難得到備用通道。

4 結(jié)束語(yǔ)

相比傳統(tǒng)變電站，智能變電站利用傳感器通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字分析方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站的智能化管理。管理技術(shù)和電器設(shè)備的發(fā)展與更新實(shí)現(xiàn)了一二次設(shè)備的融合。包含智能元件的變壓器和開(kāi)關(guān)整合了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、保護(hù)、測(cè)量、控制等功能。IEC85610（DYL/T680）標(biāo)準(zhǔn)為智能變電站系統(tǒng)規(guī)范了完整的信息模型以及界面標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)原始變電站的智能改造，添加輔助功能設(shè)施，機(jī)器自學(xué)、模式識(shí)別、圖像視頻等過(guò)程逐步得以一一實(shí)現(xiàn)。這些具體措施的有效發(fā)揮作用，大幅提高了變電站的智能化水平，也顯著增強(qiáng)了變電站工作的穩(wěn)定性和安全性。

為了實(shí)現(xiàn)變電站的通信、網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)信息分享功能，先進(jìn)可靠的低碳環(huán)保智能設(shè)備被應(yīng)用到智能變電站，使其具有自動(dòng)獲取信息收集、測(cè)量、控制、保護(hù)、監(jiān)視和其他基本功能，并支持如次序控制、系統(tǒng)智能操作、設(shè)備狀態(tài)可視化、變電站區(qū)域控制等一系列先進(jìn)功能。智能變電站通過(guò)收集各個(gè)區(qū)域的運(yùn)行信息來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制和變電站的自我保護(hù)。不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)和備得通過(guò)智能電網(wǎng)得以保護(hù)并穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]劉勝.智能變電站中電子式互感器的研究應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2011.

[2]刁守斌.智能變電站的規(guī)劃與建設(shè)[D].山東大學(xué)，2012.

[3]王云茂，張純欣.智能變電站二次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)探討[J].電力與電工，2010.

[4]韓曉濤.故障樹(shù)分析法在變電通信系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004.