电力系统综自可靠性的评估近年来,世界上大停电事故层出不穷, 表明了电力二次系统的故障失效对连锁大停电事故具有重要影响。

电力二次系统, 包括变电站综合自动化系统的可靠性问题引起笔者的关注, 运用故障树分析法能有效掌握系统的运行状态和可靠性。

与电力一次系统可靠性研究和应用比较成熟相比, 国内电力系统规划与运行部门对变电站供电可靠性的研究大多还停留在定性评估阶段, 还没有建立二次系统可靠性定量评估的衡量标准和具体评价指标。

变电站综合自动化系统可靠性的定量研究将有助于变电站自动化的推广和无人站的普及,提高电力系统的运行管理水平, 避免连锁大停电事故的发生。

故障树分析法, 简称FTA(Fault Tree Analysis), 是一种评价复杂系统可靠性与安全性的方法。

应用FTA还可以进行故障诊断, 分析系统的薄弱环节,指导运行和检修, 实现系统的优化设计因而是大型复杂系统可靠性分析的重要工具。

目前,FTA 已从宇航、核能进入一般电子、电力、化工、机械、交通及船舶等领域。

一、故障树分析法的基本理论1.FTA 分析法故障树分析是以故障树的形式进行可靠性分析的方法。

它以系统的故障为顶事件(Top Event), 自上而下地逐层查找导致系统故障的原因,直至找出全部直接原因(硬件故障、软件故障、人为差错和环境因素等), 并根据它们之间的逻辑关系采用图形表示。

这种图的外形像一棵以系统故障为根的树, 故称故障树。

故障树以图形化的方式表示了在一个系统内故障或其他事件之间的交互关系。

在故障树中, 底事件(Basic Event) 通过一些逻辑符号( 如与门和或门) 连接到一个或多个顶事件。

2.故障树的建造故障树建造过程是寻找所研究系统故障和导致系统故障诸因素之间逻辑关系的过程, 并且用故障树的图形符号(事件符号与逻辑符号), 抽象表示实际系统故障组合与传递的逻辑关系。

步骤有以下几点。

(1)对故障树事件给出明确的定义, 即给出明确的故障判据。

例如,变电站综合自动化系统失效。

(2)在判明故障的基础上, 确定最不希望发生的故障事件为顶事件, 记为T。

(3)合理确定边界条件, 即确定故障树的范围。

(4)从上向下逐级建树。

从顶事件开始, 由上向下顺次逐层用逻辑门符号表示导致故障的中间事件及其逻辑关系, 每个逻辑门无遗漏地逐个分析输入事件。

(5)把对事件的抽象描述具体化。

为了故障树的向下发展, 必须用等价的比较具体的直接事件逐步取代比较抽象的间接事件, 直至全部都是底事件为止。

3.故障树的定性分析和定量计算故障树定性分析的主要目的是找出它的所有最小割集或最小路集。

割集是故障树中一些底事件的集合, 当这些底事件同时发生时, 顶事件必然发生。

若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集, 这样的割集就是最小割集。

最小割集的求解方法有下行法和上行法。

故障树的 1 个最小割集,代表 1 个系统故障模式, 只要有 1 个最小割集存在, 系统就处于故障状态。

因此, 如果故障树有m个最小割集C= (C1,C2,…,Cm),在m个最小割集中只要有1个最小割集发生，顶事件T就会发生，则故障树的结构函数①(X)可以表示为式(1)若已求得故障树的所有最小割集C1,C2,…,Cm,并且已知基本事件x1,x2,…,xn,发生的概率，则顶事件发生的概率为式(2)随着最小割集数目的增加, 式(2) 右边的项数将急剧增加(达到2m-1 项), 运算量也急剧增大, 从而产生组合爆炸问题。

本文采用不交化覆盖率算法把最小割集变成不交和, 然后再计算顶事件发生的概率, 即式(3)于是可以得出系统的不可用度QS和可用度AS为QS=P(T式⑷AS=1 -QS=1 -P(T)式(5)其中,P(T) 是顶事件发生的概率。

二、变电站综合自动化系统的可靠性评估原理1.变电站综合自动化系统的结构变电站自动化技术随着集成电路技术、微机技术和网络通信技术的发展, 其体系结构不断变化, 性能和功能以及可靠性等不断提高。

根据目前在变电站中的具体应用,其结构形式可以分为集中式、分布集中式、分散与集中相结合和全分散式等四种形式。

本章以某220kV 变电站所采用的面向间隔和对象的分层分散与集中相结合的结构模式为例, 研究变电站综合自动化系统可靠性的定量计算方法。

分散与集中相结合式的结构是将配电线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内, 而高压线路保护、主变压器保护和高压测控单元等采用集中组屏安装在控制室内的系统结构, 其框图如图 1 所示, 这是目前变电站综合自动化系统的主要结构形式。

2.变电站综合自动化系统设备失效与影响分析变电站综合自动化系统是个多功能的组合体, 具有保护、控制、测量、信号、远动和变电站运行管理等基本功能。

这些功能是由相对独立的多个装置来实现的, 并通过变电站局域通信网络联系起来，共同组成综合自动化系统。

按照IEC61850的规定，变电站综合自动化系统可分为 3 层, 即变电站管理层、间隔层和设备层。

各层装置或设备的故障失效对整个系统的危害程度（主要指安全运行与经济运行）是不相同的, 例如, 保护系统的失效一般要比测量装置失效的后果更严重。

因此, 在评价变电站综合自动化系统的可靠性时, 需要考虑各个装置失效的危害程度。

为此本文引入设备的重要度因子来表示设备对系统可靠性的影响程度。

设备的重要度因子K 由该设备功能失效所带来的风险损失来决定, 本文采用文献[15] 的风险评估方法来计算设备失效的危害程度, 根据损失大小可以分为5个等级。

(1)致命故障:危及人身或电网的安全, 导致电网瓦解, 大面积停电, 重大设备损坏, 造成重大的经济损失或社会影响。

(2)严重故障: 严重影响安全生产和经济运行,主设备停电, 部分电网停电，自动化装置部分损坏，停电修复时间超过4h,导致较严重的经济损失或社会影响。

(3)中级故障: 影响安全生产和经济运行, 变电站主设备停电或变电站停电, 变电站监控功能部分丧失。

(4)一般故障:对安全和经济运行有一定影响, 只需要更换一般元器件或单个元器件。

(5)轻微故障: 对安全运行、经济运行无明显影响, 能迅速排除(20 分钟以内), 不需要更换元器件或只更换低值易损件。

这 5 种故障对系统可靠性的影响不一样, 各等级的可靠性重要度因子设为: 致命故障的重要度因子K1=1.0, 严重故障重要度因子K2=0.5, 中级故障因子K3=0.3, 一般故障因子K4=0.2, 轻微故障因子K5= 0.1 。

设变电站综合自动化系统各二次设备或装置的失效率为入i,修复率为卩i,重要度因子为Ki,则该设备对系统可靠性的等效失效率入e.i为:入 e.i=Ki?入i 式(6)设备对变电站综合自动化系统的等效可用度Ae.i 和等效不可用度Qe.i 为:式(7)式(8)3.变电站综合自动化系统故障树模型的构建根据图 1 变电站综合自动化系统的网络结构以及各部分之间的相互关系, 就可以分析导致变电站自动化系统失效的各个环节和因素, 建造变电站综合自动化系统失效的故障树模型。

引起系统失效的主要因素(本文没有考虑人为因素的影响)有:(1) 变电站层失效。

包括监控主站失效, 工程师工作站失效, 远动通信机失效以及主站系统以太网(LAN)失效。

(2)间隔层失效。

包括主变、高压线路和母线等保护系统失效,测控系统失效, 低压保护测控装置失效,IED 设备失效, 通信管理机失效以及间隔层通信链路( 包括通信接口) 失效等。

(3) 设备层失效。

包括TA、TV 的本身失效, 以及模拟量远距离传送过程中的衰减、干扰等原因导致的测量结果误差过大引起的交流输入回路失效,开关量输入失效, 以及断路器操作回路的失效等。

据此建立如图 2 所示的故障树, 其中顶事件定义为变电站综合自动化系统故障。

三、变电站综合自动化系统可靠性分析计算1.变电站综合自动化系统故障树定性分析本文采用最小割集的上行法进行分析计算, 从故障树的最底层开始, 利用逻辑“与”门和“或”门的逻辑运算法则, 将上一级中的事件用底事件表示, 顺次往上, 将各中间事件用最末一级的底事件和本级中有关的底事件表示, 直到顶事件为止。

每进行一步可以用逻辑运算规则进行化简, 这样可以得到全部的最小割集。

变电站综合自动化系统故障树顶事件的结构函数表达式为: 式(9)2.变电站综合自动化系统各设备的等效可用度由上面的分析可知, 如果已知变电站综合自动化系统中各二次设备的失效率、修复率和重要度因子, 则可以求出系统中各设备的等效可用度和等效不可用度等可靠性指标, 进而计算出整个系统的可用度。

目前变电站综合自动化系统各设备的可靠性数据可以通过生产厂商和电力部门提供的数据得到, 重要度因子的计算采用文献[15] 中的方法, 并假定变电站综合自动化系统的MTTR 为8h,利用式(6)〜(8),可以计算出变电站综合自动化系统中各二次设备的等效不可用度Qe,如表1所示。

3.变电站综合自动化系统可靠性定量计算利用系统故障树的结构函数, 可以定量计算出系统的不可用度。

在变电站综合自动化系统中, 各二次设备之间是弱联系(通过内部通信网交换信息) 或无联系, 因而各设备的失效是相互独立的事件。

根据表 1 中各设备的可靠性数据, 利用公式(2) 〜(9), 可以计算得出变电站综合自动化系统故障树顶事件T发生的概率,即变电站综合自动化系统的不可用度QS为:QS=P(T)=426(X 10-6则变电站综合自动化系统的可用度AS为：AS=1 -QS=14260X 10-6=99.574%四、变电站综合自动化系统可靠性的敏感度分析1. 敏感度分析为了进一步分析变电站综合自动化系统各类型设备故障对系统可用度的影响, 寻找系统可靠性的薄弱环节, 可对变电站综合自动化系统的可靠性进行敏感度分析。

设备i 对系统可用度的敏感度可定义为:式(10)考虑成本效益后的敏感度为:式(11)式中,SCi是考虑设备i可靠性成本效益的敏感度；Ci是提咼设备i 的单位可靠度的成本。

由于变电站二次设备单位可靠度成本方面的数据缺乏, 本文拟采用式(10) 进行灵敏度分析, 寻求最优的可靠性增强措施。

根据式(10) 依次对系统各类型设备分别求偏导数, 求解结果用柱状图表示, 如图 3 所示。

从图 3 中可以看出:(1)主站管理层的监控工作站、LAN网和远动通信机是变电站综合自动化系统可靠性最薄弱的环节, 对系统可用度的影响最大。

(2)设备层的通信管理机和高压测控装置对系统可用度影响较大;高压电气设备的保护及监控系统的通信链路对系统可靠性也有比较大的影响,而且通信链路数量多, 提高其可靠性对系统可靠性的增强也有较大的作用。

(3)IED 设备、模拟量和开关量传变器、低压保护测控装置及其通信对系统可靠性的影响相对较小。