姜海龍,陳金萌,周祥龍,李連凱
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某工程船供電系統(tǒng)可靠性仿真分析
姜海龍1,陳金萌1,周祥龍1,李連凱2
(1. 海軍潛艇學院,山東青島 266199;2. 國家電網(wǎng)遼陽供電公司,遼寧遼陽 111000)
針對船舶供電系統(tǒng)的可靠性計算復雜、工作量巨大的問題,以某工程船直流24 V低壓供電系統(tǒng)中的特定配電箱為目標系統(tǒng),應用可靠性模型與Simulink計算模型的方法,做可靠性分析。依據(jù)系統(tǒng)工作原理建立功能框圖、可靠性模型框圖,根據(jù)可靠性計算原理設計Simulink計算模型,并仿真計算。結(jié)果顯示,所得計算結(jié)果與裝備實際基本一致;表明通過建立目標系統(tǒng)可靠性模型并配合Simulink計算模型的方法,能夠有效應用于船舶供電系統(tǒng)的可靠性計算分析。
可靠性 供電系統(tǒng) 船舶 Simulink
供電系統(tǒng)作為船舶的重要組成部分,擔負著產(chǎn)生電能和輸送電能的任務,供電系統(tǒng)的安全無故障運行對于船舶的正常工作至關重要。為保證供電的可靠性,船舶多采用冗余設計或者貯備系統(tǒng)設計的方式,即采用多路電源供電方式,在主供電電源供電的基礎上,再設計一路以上的應急獨立電源供電線路,以提高供電可靠性。某工程船直流24 V 低壓供電系統(tǒng)中的40號配電箱在兩年的運行中,發(fā)生了兩起斷電事故。為分析其可靠性,本文以該配電箱供電支路為目標系統(tǒng),根據(jù)其工作原理,簡化功能框圖,建立其可靠性工作框圖,并依此建立Simulink計算模型,仿真計算其可靠性變化曲線,并分析冗余貯備系統(tǒng)在系統(tǒng)可靠性提高中的作用。
可靠性自提出以來,從不同的機構(gòu)和角度,對其定義不盡相同。從工程使用的角度來看,可靠性廣義的被認為是產(chǎn)品能夠無故障完成任務的能力;在統(tǒng)計學中,可靠性定義為“在規(guī)定的時間和給定的條件下,無故障完成規(guī)定功能的概率,即可靠度”[1]。我國國軍標GJB451-90把可靠性定義為“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力”[2]。而在1991年,美國國防部指令DoD D5002.2《國防采辦管理政策和程序》中把可靠性定義為“系統(tǒng)及其組成部分在無故障、無退化或不要求保障系統(tǒng)的情況下執(zhí)行其功能的能力”[3]。由此可見,可靠性主要是用來描述系統(tǒng)或者裝備在規(guī)定的情境下對其擔負任務的完成程度的度量。
在系統(tǒng)的可靠性分析中,采用建立系統(tǒng)可靠性模型并計算系統(tǒng)可靠度的方法,能夠直觀準確的對系統(tǒng)進行可靠性的評估分析??煽慷仁怯脕砻枋鱿到y(tǒng)在規(guī)定的時間和條件下,完成規(guī)定功能的概率[4]??煽啃阅P褪侵笧榱祟A計或估算系統(tǒng)的可靠性而建立的可靠性框圖和數(shù)學模型[5]??煽啃钥驁D是從可靠性的角度出發(fā)研究系統(tǒng)與部件或者子系統(tǒng)之間的邏輯關系圖,也是將系統(tǒng)的工作原理圖中各部分的物理關系轉(zhuǎn)化為更為直觀的功能關系圖,其依靠方框和連線的布置,繪制出系統(tǒng)的各個部分發(fā)生故障時對系統(tǒng)功能特性的影響。在建立系統(tǒng)可靠性框圖過程中,根據(jù)系統(tǒng)不同的功能邏輯關系,可以將系統(tǒng)分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、貯備系統(tǒng)模型等(如圖1所示),并針對不同的可靠性模型,其可靠度計算方法也不盡相同。
圖1 典型的系統(tǒng)可靠性模型分類
1.2.1串聯(lián)系統(tǒng)
對于由n個單元組成的系統(tǒng),其中任一部件發(fā)生故障,系統(tǒng)即出現(xiàn)故障,這樣的系統(tǒng)我們稱之為串聯(lián)系統(tǒng),其可靠性框圖如圖2所示。
圖2 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖
如系統(tǒng)中第i個單元其可靠度為Ri(t),則系統(tǒng)的可靠度為:
對于各單元的壽命服從指數(shù)分布時,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為:
1.2.2并聯(lián)系統(tǒng)
組成系統(tǒng)中的所有單元或者所有支路都發(fā)生故障時系統(tǒng)才發(fā)生故障的系統(tǒng)成為并聯(lián)系統(tǒng),并聯(lián)系統(tǒng)中最為簡單的就是冗余系統(tǒng),如圖2所示。并聯(lián)系統(tǒng)從完成系統(tǒng)功能而言,僅需一個或者一條支路即可完成,設置多單元或多支路并聯(lián)是為了提高系統(tǒng)的可靠性。
圖3 并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖
以下是并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算數(shù)學模型:
當系統(tǒng)的各單元壽命服從指數(shù)分布時,則并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為:
1.2.3貯備系統(tǒng)
貯備系統(tǒng)由n個部件組成,在初始時刻,一個部件開始工作,剩余的n-1個部件作為貯備。當工作部件故障時,貯備部件逐個地替換故障部件,直到所有n個部件均發(fā)生故障,系統(tǒng)才發(fā)生故障,圖4為貯備系統(tǒng)的可靠性框圖。
貯備系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)換裝置的不同又可分為轉(zhuǎn)換裝置完全可靠和轉(zhuǎn)換裝置不完全可靠系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)換裝置完全可靠的貯備系統(tǒng),假設其部件同樣服從指數(shù)分布,其可靠度為:
(5)
圖4 貯備系統(tǒng)可靠性模型
對于轉(zhuǎn)換裝置不完全可靠的貯備系統(tǒng),假設其部件同樣服從指數(shù)分布,Rsw是開關正常的概率,其可靠度為:
而對于實際工作系統(tǒng)通常是由以上幾種典型的系統(tǒng)組合而成。因而,對實際進行可靠性分析時,通常根據(jù)系統(tǒng)的可靠性框圖將系統(tǒng)分為幾個簡單分系統(tǒng)的組成進行分析,從而簡化系統(tǒng)總體分析難度。
根據(jù)某工程船的電力系統(tǒng)實際工作情況,梳理出40號配電箱的供電支路。該配電箱可以由2臺主發(fā)電機、應急電源或者2臺輔助發(fā)電機進行供電。根據(jù)該系統(tǒng)的實際工作原理,在供電處上,由兩臺主發(fā)電機作為其主要的供電支路,由應急電源以及兩臺輔助發(fā)電機所構(gòu)成的另外一套供電支路作為主發(fā)電機供電支路的貯備系統(tǒng)。在正常的工作狀態(tài)下,該配電箱主要由兩臺主發(fā)電機作為供電電源,只有在出現(xiàn)緊急故障時才會轉(zhuǎn)換至應急電源和輔助發(fā)電機進行供電。由于我們主要分析考慮40號供電箱的工作可靠度,故我們只考慮:電源→整流裝置→電力分配電箱→40號配電箱的工作狀態(tài)。此次分析,主要是基于整個供電系統(tǒng)供電部件的可靠性分析,系統(tǒng)供電內(nèi)部的組成單元可靠性不再單獨分析,故根據(jù)其工作原理和供電順序關系,建立如下的功能連接原理框圖,如圖5。F1、F2--主發(fā)電機、GB--應急電源、F3、F4--輔助發(fā)電機、Q1~10--電氣開關、AM1、AM2--交流配電板、AD--直流配電板、熔--熔斷器、GM1--逆變器、AR1、AR11--可靠配電板、OF--開關、--/~--整流器、P39--39號分配電箱、P40--40號配電箱。
圖5 功能連接原理框圖
圖6 可靠性框圖
圖7 分析圖
根據(jù)所建立的功能連接原理框圖,通過對目標系統(tǒng)的供電工作原理和實際選擇,建立如圖6所示的可靠性框圖,Z1、Z2分別是系統(tǒng)中應急供電支路三個供電源轉(zhuǎn)換裝置和主應急供電支路轉(zhuǎn)換裝置。通過目標系統(tǒng)的可靠性框圖可知,該配電箱的所有供電方式中,由兩臺主發(fā)電機所組成的兩條主供電支路在可靠性分析中是并聯(lián)關系,應急電源與兩臺輔助發(fā)電機三條支路所構(gòu)成的應急供電支路是屬于貯備系統(tǒng)。系統(tǒng)總體上分為主發(fā)電機供電支路與應急供電支路,應急供電支路是系統(tǒng)的旁聯(lián)支路,屬于備用支路。因而在分析中,采用串并聯(lián)混聯(lián)與貯備系統(tǒng)混聯(lián)的模型分析。
為分析方便,將系統(tǒng)分為5個簡單的分系統(tǒng)進行單獨的可靠性分析(如圖7所示),經(jīng)過專家咨詢和資料調(diào)研得知,目前電氣設備所用電氣部件的壽命服從指數(shù)分布。
1)1號分系統(tǒng)的可靠度計算
由圖中可知1號分系統(tǒng)是一個由兩條支路各自串聯(lián)后的并聯(lián)系統(tǒng),兩條支路分別是一號主發(fā)電機支路(包含F(xiàn)1、K1、AM1三個部件串聯(lián),總故障率為λF1)和2號主發(fā)電機支路(包含F(xiàn)2、K2、AM2三個部件串聯(lián),總故障率)。根據(jù)可靠度計算公式式(1)(2),則1號分系統(tǒng)的可靠度為:
2)3號分系統(tǒng)的可靠度計算
由框圖分析可知,3號分系統(tǒng)屬于由三條支路組成的貯備系統(tǒng)。分別是3號輔助發(fā)電機供電支路(包含F(xiàn)3、K3兩個部件串聯(lián),總故障率),4號輔助發(fā)電機供電支路(包含F(xiàn)4、K4兩個部件串聯(lián),總故障率)以及應急電源供電支路(包括GB、K5兩個部件串聯(lián),總故障率)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果,轉(zhuǎn)換裝置Z1的可靠性極高,故3號分系統(tǒng)可看做是轉(zhuǎn)換裝置完全可靠的貯備系統(tǒng),根據(jù)可靠度計算公式(1)和(3)可得3號分系統(tǒng)的可靠度計算公式為:
(8)
其中,λ和λ的取值范圍為{}。
3)2、4、5號分系統(tǒng)的可靠度計算
根據(jù)分析框圖可知,2、4、5號分系統(tǒng)均是簡單串聯(lián)系統(tǒng),其可靠度的計算可以依照串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算公式進行計算。
圖8 40號配電板工作系統(tǒng)可靠度仿真模型
按照圖7所示的框圖,整個系統(tǒng)是由1、2號分系統(tǒng)形成串聯(lián)后與3、4號分系統(tǒng)串聯(lián)之后的分系統(tǒng)之間的形成備用支路關系,然后最終與5號分系統(tǒng)進行串聯(lián)。按照各個分系統(tǒng)之間的可靠性邏輯關系和各自的可靠度計算公式,建立如圖8所示的Simulink模型,整個模型由一個時間t的輸入模塊作為輸入源,用以模擬系統(tǒng)的工作時長,模型主要由五個分系統(tǒng)的可靠度計算模塊和之間邏輯串接模塊組成,并通過3個示波器分別顯示主發(fā)電機供電支路隨系統(tǒng)工作時長的可靠度變化、貯備應急供電支路隨系統(tǒng)工作時長的可靠度變化和分析對象40號配電箱隨系統(tǒng)工作時長的可靠度變化。
在仿真計算參數(shù)設置中,默認系統(tǒng)開始工作時系統(tǒng)的可靠度為1,通過專家咨詢和實地調(diào)研得知,通常在主供電支路供電可靠度低于2/3時需采用應急供電,并對主供電支路進行檢修,同時為提高計算仿真結(jié)果的可信度,該計算模型設置為主供電電路可靠度低于0.7時自動轉(zhuǎn)入應急供電。通過調(diào)研與專家指導,得到各元件的可靠度的估計和故障率的調(diào)研了解,對該系統(tǒng)所涉及原件的故障率進行賦值(具體賦值見表1),并分為三部分進行可靠度的變化規(guī)律繪算,包括在10000小時內(nèi)主發(fā)電機供電支路的可靠度變化,貯備應急供電支路的可靠度變化,以及40號配電箱工作狀況的可靠度變化。
表1 各元件的失效分布參數(shù)
圖8 40號配電板工作系統(tǒng)可靠度仿真模型
根據(jù)所建模型以及對各元件的故障率的賦值,進行Simulink仿真計算,并用Matlab畫圖工具進行數(shù)據(jù)圖形處理,仿真結(jié)果如圖9所示:由仿真結(jié)果可知,當我們設定正常供電工作狀態(tài)即主發(fā)電機供電的可靠度低于0.7時轉(zhuǎn)入應急供電,在轉(zhuǎn)入應急供電之后40號配電板的工作可靠度有明顯的提高,表明由應急電源和輔助發(fā)電機組成的貯備系統(tǒng),很好的提高和改善了該系統(tǒng)的工作可靠度。同時由仿真結(jié)果可知,單純的主發(fā)電機供電能夠滿足3400小時以上的可靠供電,即滿足約140天的可靠供電,該仿真數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實際使用時長基本一致,符合該工程船目前的實際工作情況,從而很好的驗證了計算模型的準確性。
圖9 仿真結(jié)果圖
本文以某工程船直流24 V低壓供電系統(tǒng)中的40號配電箱為研究目標,通過分析其功能框圖原理,建立其可靠性工作框圖,并依據(jù)可靠性工作框圖結(jié)合Simulink建立其可靠度計算模型,對其可靠性變化規(guī)律進行仿真分析。通過結(jié)果分析顯示,貯備系統(tǒng)的加設能夠有效地提高目標系統(tǒng)的可靠性,避免系統(tǒng)隨工作時長的增加發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的故障;同時仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)的主供電支路的可靠連續(xù)工作時長約3440 h,因而可以以此為參考根據(jù)制定該系統(tǒng)的定期檢修時間間隔。以目標系統(tǒng)可靠性框圖為基礎建立的可靠度分析模型,能夠有效、準確地定量計算目標系統(tǒng)的可靠性變化趨勢,從而為系統(tǒng)設計和維護使用提供依據(jù),提高船舶遠航的生命力和戰(zhàn)斗力。
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Reliability Simulation Analysis of Power Supply System of an Engineering Ship
Jiang Hailong1, Chen Jinmeng1, Zhou Xianglong1, Li Liankai2
(1. Navy Submarine Acdemy, Qingdao 266199, Shandong, China; 2. State Grid Liaoyang Electric Power Supply Company, Liaoyang 11100, Liaoning, China)
TM732
A
1003-4862(2018)11-0005-05
2018-06-06
姜海龍(1971-),男,教授。研究方向:潛艇動力裝置安全分析。E-mail: jhlwping@aliyun.com