基于故障树分析法的配电终端失效研究*

张 曦,凌万水,黄 飞,刘志宏

(1.国网重庆市电力公司南岸供电分公司,重庆 400000;2.上海金智晟东电力科技有限公司,上海 200233;3.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 404100;4.国网重庆市电力公司,重庆 404100)

基于故障树分析法的配电终端失效研究*

张 曦1*,凌万水2,黄 飞3,刘志宏4

(1.国网重庆市电力公司南岸供电分公司,重庆 400000;2.上海金智晟东电力科技有限公司,上海 200233;3.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 404100;4.国网重庆市电力公司,重庆 404100)

配电终端的可靠性对配电自动化有效运维至关重要,结合故障树分析法与比例分摊原则,提出了适用于配电终端失效研究的一种方法。该方法通过分析各配电终端各模块工作与失效机理,建立配电终端的故障树分析模型,采用故障树分析法推导顶端事件失效计算公式;根据失效分摊法计算出各模块对系统失效的贡献比例,并据此识别配电终端的薄弱环节。最后以重庆某地区配电终端现场运行数据为样本,验证了该方法的有效性。

配电;失效研究;故障树分析;配电终端;配电自动化

配电自动化建设是实现配电网供电可靠性提高,状态可观可控与运行经济的重要技术手段,是建设智能配电网的基石。配电自动化系统的顺利实施依赖于大量安装在现场的配电终端,这些终端用于中低压配电网中的开闭所、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、重合器、线路调压器、无功补偿电容器的监视与控制,与配网自动化主站通信,配电自动化所有命令的执行和数据的采集都是由配电终端处完成。因此,配电终端可靠性对配电自动化有效运维至关重要[1-3]。

国内外学者对配电终端功能测试进行了大量的研究,文献[4-5]提出终端与主站注入的故障启动条件的测试方法,根据模拟注入故障发生时的各类电气特征,模拟测试配电终端的故障处理功能。文献[6]研发了集测试配电自动化终端设备功能、性能和通信规约于一体的检测平台,并介绍了该设备的设计开发、系统构成、主要功能、技术特点以及应用情况。目前关于配电终端的研究大多集中在馈线自动化的测试与评价上,或者是配电终端的三遥功能进行测试与分析,对配电终端失效模型与可靠性文献内容鲜有加以研究。

配电终端失效过程可能是由多种因素所造成的,例如恶劣运行环境(潮湿多雨等)、人工因素(参数配置错误等)、管理因素(杆塔倾塔)等都可能会造成配电终端局部或整体失效。这些因素中有些指标具有统计意义,有些指标则具有偶然性[7]。配电终端的正常运行依赖于各功能模块,不同模块的失效都可能引起配电终端整体性的失效,故障树分析FTA(Fault Tree Analysis)是一种由果到因的图形演绎分析方法,是对系统故障形成的原因采用从整体至局部、按树枝状逐渐细化分析的方法。故障树法它通过分析系统的薄弱环节和完成系统的最优化来实现对设备故障的预测和诊断,是一种安全性和可靠性分析技术,对于系统故障的预测、预防、分析和控制效果显著,广泛用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价[8-9]。

本文结合故障树分析法与比例分摊原则,提出了适用于配电终端失效分析的方法。通过分析各配电终端各模块工作与失效机理,建立配电终端的故障树分析模型,并根据故障树分析法推导顶端事件失效计算公式,同时结合各模块的可靠性参数计算配电终端的失效参数;根据失效分摊法计算出各模块对系统失效的贡献比例,基于此识别配电终端薄弱环节。论文最后以重庆某配电自动化实际统计数据对评价体系进行分析,结果证明本方法能够真实体现配电自动化运行状况,可以作为配电自动化运行实用化评价手段和运维依据。

1 理论基础

1.1 故障树分析法

构造准确的故障树是故障树分析法的关键。为更加直观表达这种逻辑关系,通常采用如图1所示的图形符号,如事件,逻辑门等符号来表示故障数构造的逻辑关系。

图1 故障树符号

通过图形符号表达的故障数,可以更好的发现系统故障结果与故障原因之间的不易发觉的内在联系。因此故障数是否完善与合理决定了用它进行定性或定量分析的准确程度。如图2所示为一个故障树实例,可以形象地显示顶事件和其他底事件的逻辑关系。通常事件间的逻辑关系可以归纳为串联、并联和混合3种关系[10]。

故障树顶事件的发生概率可表示为

P(T)=P(MCS1∪MCS2∪…∪MCSN)

式中:N是最小割集数;MCSi(i=1,2…N)的是故障树第i个最小割集;P(MCSi)为MCSi的发生概率。

图2 故障树

1.2 比例分摊准则

假设一个系统由N个元件组成,Xi(i=1,2,…,N)表示元件i的失效事件,P(xi)表示该失效事件发生的概率。根据电力系统可靠性跟踪不可靠性指标的比例分摊准则,底事件Xi对顶事件概率指标的贡献PS→xi为

(1)

式中:S表示某一个包含元件Xi失效的定事件失效组合。可以看出,上述准则具有两个特征:

(1)对称性,即P(xi)可以代表任一底事件;

(2)同一性,依据比例分摊准则可以实现顶事件概率指标的完全分摊。即

(2)

图3 配电终端工作原理

2 配电终端失效模型

失效模型就是分析配电终端的构成和可能引起配电终端失效的各种组成部分,并分析每一部分的失效率和各部分件的相互关系[11]。配电终端由中央控制单元、操作控制回路、通信终端、充电器和蓄电池与采集单元组成。如图3所示。

2.1 配电终端失效分析

(1)中央控制单元

中心控制单元是配电终端的核心,通过采集单元完成模拟量如电流、电压数据,以及开关量的数据采集、通过操作控制回路实现遥控命令的执行,通过通信模块实现与其他智能设备以及主站的信息交互。中央控制单元的核心芯片一般为数据处理能力较强的数字信号处理器DSP,可采用交流采样技术采集电压、电流数据,并进行功率,谐波等计算。同时根据实时采集的数据进行故障判别,依据配置与逻辑进行记录、动作与报警。通过通信模块外部的网口与串口,可以利用光纤、有线、无线等各种介质与配电自动化主站通信。若中心控制单元发生故障,则配电终端将发生整体失效。

(2)操作控制回路

操作控制回路主要用于操作馈线上的断路器、隔离开关等开断元件。若该单元模块发生故障,配电终端将不能按照主站遥控命令进行相应的操作,则不能实现故障的自动隔离,此时需要人工操作进行故障隔离,配电终端遥控功能失效。

(3)通信终端

通信模块用于配电终端与主站之间进行系统信息的交互。若该单元模块发生故障,配电终端将无法将系统信息传递到主站,同时也不能接受远方命令从而不能对故障区域进行定位操作,此时配电终端将失效。

(4)充电器和蓄电池

充电器和蓄电池提供给配电终端不间断的供电电源。当电网有电时,电压互感器或传感器二次侧输出电压通过直流单元供电并对蓄电池进行浮充电;当电网停电时由蓄电池供电,可持续8 h以上。任一单元模块故障时不影响配电正常工作。若两元件同时故障,则配电终端停运。

(5)采集单元

采集单元是从电压互感器、电流互感器和开关中自动采集待测信号,并送到中央控制单元进行分析处理。若该单元模块发生故障,配电终端将不能正常获取遥测和遥信信息,若发生故障则无法获取故障信息,不能实现故障隔离功能,配电终端遥失效。

2.2 配电终端失效模型

根据配电终端失效原理,建立图4所示的配电终端故障树分析图。

图4中,TE代表终端故障顶事件,M1代表电源故障事件,X1代表中央控制单元故障底事件,X2代表操作控制回路故障底事件,X3代表充电器故障地时间,X4代表蓄电池故障底事件,X5代表通信网络故障底事件,X6代表采集单元底事件。

利用该故障树简历通信网络的失效模型后,就可以进行最小割集的定性分析和定量分析,故障树的最小割集可有FUSSEL算法求解[12]。

图4 配电终端失效模型

3 基于故障树的配电终端失效分析

3.1 配电终端失效参数计算

根据如图3所示的配电终端失效模型,假设中央控制单元、操作控制回路、充电器、蓄电池,通信网络件、采集单元的失效率分别为P(x1)、P(x2)、P(x3)、P(x4)、P(x5)、P(x6),每个单元模块在失效后至恢复正常运行的时间分别T1、T2、T3、T4、T5、T6。则配电终端失效顶事件的失效率为:

P(TE)=P(x1)+P(x2)+P(x3)×P(x4)×

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

(3)

配电终端的失效恢复时间为:

(4)

3.2 失效跟踪分析

假设故障树底事件和最小割集数分别为M和N,则故障树顶事件失效概率P(TE)应包含有2N-1中失效组合。根据失效时间的比例分摊准则,可以求得任意底事件Xi的失效跟踪指标为

(5)

为明确计算底事件对顶事件的贡献程度,定义失效跟踪分摊因子[12](Failure Tracking Sharing Factor)为FTSFi,其计算公式为

(6)

FTSFi表征每个底事件对系统失效指标的贡献程度。底事件Xi的FTSFi指标越大,则该元件对配电终端失效事件的贡献程度越大,这也就是说该元件更易故障从而引起配电终端的失效,应重点加强对该元件的检验和运维。相反,若底事件Xi的FTSFi指标越小,则该元件对配电终端失效事件的贡献程度越小[14]。

4 算例分析

本文依据重庆某地区配电终端现场实际运行数据为样本进行配电终端失效分析。通过收集的近三年配电终端的运行检修记录,分别对配电终端的失效概率与失效跟踪参数进行计算,用以验证所提出的运行评价综合指标体系和综合评价方法的实用性。

4.1 原始数据处理

根据收集的区域内近三年配电终端各模块的检修记录,从中获取所有配电终端个数N、各元件模块的检修次数ni(i=1,2,…6)与该模块检修时间ti(ni)小时。其中,i=1中央控制单元模块,i=2表示操作控制回路故障底事件,i=3充电器模块,i=4代表蓄电池模块,i=4代表通信网络模块,i=6表采集单元模块。则模块Xi的故障概率为:

(7)

模块Xi的平均修复时间为

(8)

将采集到的原始数据根据式(7)、式(8)进行统计处理,分别得到配电终端各模块的故障概率与平均修复时间,如表1所示。

表1 配电终端模块失效率

4.2 失效分析计算

根据式(3),可以求得配电终端失效率为

λ=0.116

根据式(4)可以求得配电终端修复时间为:

μ=3.516 h

根据式(5)和式(6),可以分别计算得到配电终端各模块对配电终端失效概率指标的分摊。如表2和图5所示。

表2 配电终端失效跟踪结果

图5 配电终端各部件失效概率指标贡献对比图

由以上分析可知,配电终端年均失效率为0.116,失效修复时间为3.516 h,且配电终端失效主要是由操作控制回路的故障引起的,其次是分别由通信网络和充电器故障引起。因此,应加强对配电终端中操控模块的设计和监控,提高配电终端运维的可靠性。同时在实际运行中,也应重点监视通信网络故障,减少因外力破坏通信通道,尽可能减少配电终端故障次数,提高配电终端可用率。

5 结论

本文提出了基于故障树分析的配电终端失效研究的方法。根据变配电终端各模块的工作原理与失效分析,建立了配电终端的故障树模型,并给出了失效概率计算的计算公式,同时将各模块对整体失效事件的比例分摊关系,并通过计算识别配电终端的薄弱环节。通过现场的实际运维数据进行计算,结果表明操控回路为配电终端的最大薄弱环节,其次为通信网络和充电器故障。因此,在配电终端验收与运行的过程中,应着重对该区域内的操控单元进行重点运维监视,以保证配电自动化的正常运行。

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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

项目来源:重庆市电力公司科技项目(2016渝电科技34#:适合重庆配电网特征的配电网全自动故障处理模式)

2016-10-11修改日期2016-11-20

TM64;TM743

A

1005-9490(2017)06-1506-05

张曦(1977-),男,汉族,重庆人,国网重庆市电力公司南岸供电分公司,高级工程师,硕士,主要研究方向为智能配电网及配电自动化应用,cqepxx@qq.com;

凌万水(1975-),男,汉族,安徽歙县人,上海金智晟东电力科技有限公司,高级工程师,博士,主要研究方向为智能配电网,lingws2010@foxmail.com;

黄飞(1987-),男,硕士,工程师,主要研究方向为智能配电网技术研究;

刘志宏(1972-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为配电自动化及配电信息化。