魏向陽

（南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司電力科研院）

0 引言

隨著城市建設(shè)施工、復(fù)雜天氣變化及惡意攻擊行徑不斷交雜發(fā)展，換流站的外力破壞（以下簡稱外破）風(fēng)險(xiǎn)問題突出［1~2］，嚴(yán)重影響換流站運(yùn)行狀態(tài)。針對該問題，防外破監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其通過多源數(shù)據(jù)采集、智能風(fēng)險(xiǎn)管控和多重告警輸出等技術(shù)手段［3-4］，主動(dòng)及時(shí)掌握換流站外破風(fēng)險(xiǎn)，提前對準(zhǔn)外破事件進(jìn)行事前預(yù)警，因此必須建設(shè)高可靠性的換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和把控。

鑒于此，本文對換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和要素分析，從其中的要素構(gòu)成出發(fā)分析其故障模式集合，并同時(shí)以傳統(tǒng)FMECA 可靠性分析方法為基礎(chǔ)，引入了模糊理論進(jìn)而綜合考慮故障等級、危害度、檢測難度、維修難度等因素，從而確定換流站防外破系統(tǒng)各種故障模式危害程度排序，把握其中的薄弱環(huán)節(jié)，以便提前采取措施。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及要素組成分析

換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)是換流站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成，主要功能是建立在多渠道源端數(shù)據(jù)采集和施工文本資料輸入基礎(chǔ)上，通過CPU 承載的計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)外力破壞信息處理，在超出外力破壞風(fēng)險(xiǎn)警戒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)輸出告警信息，輔助運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行事前防備管理。

圖1 為系統(tǒng)構(gòu)成圖。防外破監(jiān)測系統(tǒng)由源端采集器、文本輸入端、核心組件和告警輸出等構(gòu)成，其中核心組件通過源端采集鏈路與輸入組件（即源端采集器和文本輸入端）相聯(lián)系，獲取相關(guān)信息或調(diào)整采集參數(shù)。

圖1 換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 防外破監(jiān)測系統(tǒng)的模糊FMECA可靠性分析方法

2.1 模糊FMECA方法

故障危害度分析（Failure Mode， Effects and Criticality Analysis， FMECA）將某類產(chǎn)品或系統(tǒng)中所有要素組成可能發(fā)生的故障定義為故障模式，并對所有可能出現(xiàn)的故障模式對產(chǎn)品或系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生的不良影響程度進(jìn)行定量分析，最終從整體角度識(shí)別產(chǎn)品或系統(tǒng)潛在的薄弱環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的FMECA 方法包含了故障模式和故障影響分析（FMEA）以及危害性分析（CA）兩大內(nèi)容［5-6］，最終轉(zhuǎn)化為故障風(fēng)險(xiǎn)等級—危害度矩陣進(jìn)行定量表示。

然而，在應(yīng)用于防外破監(jiān)測系統(tǒng)這類非持續(xù)性高頻輸出的運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，由于不同故障模式的等級分類情況較為相近，此時(shí)故障模式的排序結(jié)果僅由危害度決定，結(jié)果具有一定的局限性，未能綜合考慮故障模式頻率、工作時(shí)長、故障影響概率等參數(shù)情況。針對這一問題，本文在FMECA 分析方法的基礎(chǔ)上，引入了模糊理論進(jìn)而綜合考慮故障等級、危害度、檢測難度、維修難度等因素。

2.2 計(jì)算流程

結(jié)合模糊理論和FMECA 分析方法，對風(fēng)險(xiǎn)告警系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，具體的計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程

2.2 實(shí)施步驟

2.2.1 故障等級分類

根據(jù)設(shè)備故障數(shù)據(jù)，將防外破監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備各故障模式造成的影響按嚴(yán)重度即故障等級分為以下幾類：

表1 故障等級分類

2.2.2 故障危害度

為了定量分析不同故障模式對應(yīng)的危害影響，本文采用了故障危害度Wij對防外破監(jiān)測系統(tǒng)中第i個(gè)要素組成中第j種故障模式的危害進(jìn)行表征，計(jì)算公式如下所示：

式中，αij表示第i個(gè)要素組成中發(fā)生第j種故障模式的頻數(shù)比，其中每種要素組成中的所有故障模式頻數(shù)比需要滿足式（2）約束；βij表示第i個(gè)要素組成在發(fā)生第j種故障模式條件下本事件對系統(tǒng)造成的危害等級，計(jì)算公式如式（3）所示；λi表示第i個(gè)要素組成的故障率，計(jì)算公式如式（4）所示；t表示防外破監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間。

式中，NFi表示第i個(gè)要素組成在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的故障總次數(shù)；ti表示第i個(gè)要素組成在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的累積工作總時(shí)間。

2.2.3 危害性矩陣

危害性矩陣綜合了每個(gè)故障模式的故障危害度和故障等級等信息，并同時(shí)對多個(gè)故障模式進(jìn)行對比分析。其縱坐標(biāo)為故障模式危害度，其橫坐標(biāo)為故障風(fēng)險(xiǎn)等級。

為了定量分析故障模式的故障風(fēng)險(xiǎn)等級和危害度，本文定義了危害度矩陣綜合等級。需要先計(jì)算危害度矩陣綜合指標(biāo)，即利用每個(gè)故障模式在矩陣圖中分布點(diǎn)到對角線的垂直距離，具體計(jì)算過程如下：1）標(biāo)一化處理：將危害度W轉(zhuǎn)化為分布在［0，1］范圍內(nèi)的修正危害度W*如式（5）所示，同時(shí)將故障風(fēng)險(xiǎn)等級轉(zhuǎn)化為值η如式（6）所示。2）計(jì)算分布點(diǎn)到對角線的垂直距離，并將結(jié)果進(jìn)行歸一化處理如式（7）所示。式（5）中，Wmax和Wmin分別表示所有故障模式的危害度最大值、最小值；式（6）中，h表示為故障風(fēng)險(xiǎn)等級，即h=1，2，…，5，分別代表風(fēng)險(xiǎn)等級分類情況中的第I，II，…，V，根據(jù)式（6）可知ηI=1.0，ηⅡ=0.8，ηⅢ=0.6，ηⅣ=0.4，ηⅤ=0.2

2.2.4 基于模糊理論的故障模式重要度分析

引入模糊理論評價(jià)防外破監(jiān)測系統(tǒng)可靠性時(shí)，故障評價(jià)因素集合U為：

進(jìn)一步地，對上述因素集合建立相應(yīng)的評價(jià)集合，即將專家評價(jià)結(jié)果劃分為4個(gè)等級，V=｛v1，v2，v3，v4｝，如表2所示。

表2 因素等級

假定評判小組專家有h人，針對上述故障Fk評價(jià)因素集合中的第i個(gè)影響因素評定屬于vj等級的有hij人，則可得到ui屬于vj的隸屬度rij為：

綜合ui的所有隸屬度信息，可得到ui評價(jià)集合：

組合故障評價(jià)因素集合中所有影響因素的隸屬度信息，獲得故障模式Fk的模糊評價(jià)矩陣Rk。采用熵權(quán)權(quán)重計(jì)算獲得某個(gè)故障模式的模糊綜合評判矩陣，其中熵權(quán)權(quán)重計(jì)算公式如式（11）所示。

式中，為第k個(gè)故障模式第i個(gè)影響因素屬于第l 個(gè)等級的隸屬度占整個(gè)指標(biāo)體系的比重，即p為評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)；為第k個(gè)故障模式的第i個(gè)影響因素中的熵值。

因此可以根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果確定一個(gè)具體數(shù)值來表示各故障模式對系統(tǒng)危害程度，即

3 案例分析

對防外破監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行要素組成分析，并以各類要素為著手點(diǎn)，分析其可能發(fā)生的故障模式，如表3所示。

表3 防外破監(jiān)測系統(tǒng)要素組成及相關(guān)的故障模式

根據(jù)某換流站的防外破監(jiān)測系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析的方式獲得上述各種故障模式的概率分布情況，如表4所示。

表4 故障模式的概率分布情況

根據(jù)表3 和表4 信息可繪制危害性矩陣圖如圖3所示。

圖3 危害性矩陣圖

通過式（8）-（10）的統(tǒng)計(jì)分析，上述14 種故障模式的故障等級隸屬表如表5-8所示：

表5 故障模式的危害度等級矩陣綜合等級隸屬表

表6 故障模式的故障發(fā)生概率等級隸屬表

表7 故障模式的故障檢測難易等級隸屬表

表8 故障模式的故障維修難易等級隸屬表

表9 故障模式綜合危害程度

根據(jù)式（11）和式（12）的綜合模糊評價(jià)以及反模糊化操作，可以得到故障綜合危害程度，如下所示：

通過上述計(jì)算，防外破監(jiān)測系統(tǒng)的14 種故障模式可按照綜合危害程度從大到小進(jìn)行排序，順序?yàn)椋篎13，F(xiàn)3，F(xiàn)7，F(xiàn)1，F(xiàn)5，F(xiàn)2，F(xiàn)10，F(xiàn)14，F(xiàn)11，F(xiàn)12，F(xiàn)6，F(xiàn)4，F(xiàn)8，F(xiàn)9。根據(jù)故障模式綜合危害程度排序，對各構(gòu)成要素故障模式進(jìn)行分級，在系統(tǒng)建設(shè)和日常維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注告警輸出、電源板等部件。

4 結(jié)束語

本文對僅考慮故障等級的傳統(tǒng)FMECA 方法進(jìn)行改進(jìn)，通過引入模糊理論進(jìn)而綜合考慮故障等級、危害度、檢測難度、維修難度等因素，解決了單一考慮因素的相似性和主觀性問題，科學(xué)有效對換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。分析結(jié)果表明，換流站防外破監(jiān)測系統(tǒng)中系統(tǒng)告警輸出、揚(yáng)聲器告警和電源板故障是綜合危害性排名前三的故障模式，此分析結(jié)果可用于把控系統(tǒng)建設(shè)和日常維護(hù)過程中的薄弱部件和薄弱環(huán)節(jié)。