一种考虑多状态运行的安全稳定控制装置可靠性分析法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种电力系统安全稳定控制中的安 全稳定控制装置的可靠性分析方法。
【背景技术】
[0002] 中国正大力建设连接大型能源基地与主要负荷中心的特高压骨干网架和直流输 电工程，形成"三纵三横一环网"的电力网格局。安全稳定控制装置位于中国电力稳定控制 的第二道防线，将被要求具备高度的可靠性。传统可靠性评估多以"二状态假设"为基础， 认为系统处于完全正常工作状态或者完全失效状态，而在实际工程中，系统是由具有多状 态的部件组成，不可能由完全正常状态直接过渡到完全失效状态，而是有一个性能逐渐退 化的过程，即在完全正常工作状态和完全失效状态之间存在多个中间状态。在本发明中，认 为安全稳定控制装置存在完全正常运行、隐性误动、隐性拒动和完全失效共4种状态。
[0003] 安全稳定控制装置的隐性误动状态和隐性拒动状态是由于装置自身存在固有缺 陷未被发现或人为因素导致隐患而致，统称为隐性故障状态，致其处于隐性故障状态的故 障则统称为隐性故障。当电力系统正常运行时装置的隐性故障不会对电力系统造成任何影 响，只在系统处于不正常压力状态（如接地短路故障、潮流逆转、电压大幅度跌落等）或者 是恶劣的运行环境下才可能被触发。隐性故障削弱了安全稳定控制装置的可靠性，一旦被 触发则会令装置失效，不能实现应有的功能，造成大量的负荷、电源损失，甚至大面积停电， 给国民经济带来巨大损失。
[0004] 因此有必要对安全稳定控制装置的可靠性进行评估，尤其是通过评估安全稳定控 制装置的可靠性获悉装置处于隐性故障状态的概率大小，以便于提早采取预防措施，减小 装置失效的可能性，保障电网的安全可靠运行。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是：为了克服传统可靠性评估方法的不足，提出一种考虑多状态运行 的安全稳定控制装置可靠性分析法，该方法以基于故障树和马尔可夫状态空间对安全稳定 控制装置可靠性进行评估，根据该方法可分析出安全稳定控制装置处于完全正常运行、隐 性误动、隐性拒动和完全失效4种不同运行状态时的稳态概率，以此判断装置的可靠程度。
[0006] 具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：
[0007] 1)分析安全稳定控制装置的硬件系统结构；
[0008] 2)基于故障树法建立安全稳定控制装置的故障树模型，获取安全稳定控制装置的 失效率入；
[0009] 3)考虑安全稳定控制装置的4种运行状态：完全正常运行状态、隐性误动状态、隐 性拒动状态和完全失效状态，基于马尔可夫状态空间建立安全稳定控制装置的可靠性评估 丰旲型；
[0010] 4)根据安全稳定控制装置的历史运行情况进行统计，获取相关数据，计算安全稳 定控制装置处于完全正常、隐性误动、隐性拒动和完全失效4种不同运行状态时的概率值。 [0011] 上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)的具体过程为：
[0012] 201)基于步骤1)中的硬件系统结构的分析结果，建立安全稳定控制装置的故障 树模型；
[0013] 202)求取安全稳定控制装置失效率入：
[0014] 根据美国军用手册《MIL-HDBK-217F》的电子设备可靠性预计模型，计算安全稳 定控制装置各稳控模件中各电子元器件的失效率Ai，再由式（1)求各稳控模件的失效率 入SCM:
[0016] 其中，ASQ(为单一稳控模件的失效率，Ai为第i种元器件的失效率，m为稳控模 件内元器件种类数，队为第i种元器件的总个数；
[0017] 根据稳控模件对于装置的重要性赋予各稳控模件权重，根据主控单元、I/O单元和 通信单元各组成稳控模件间的逻辑关系求取装置的失效率入：
[0019] 其中：A为装置的失效率；AMin、AM和Aeu分别为主控单元、I/O单元和通信单 元的失效率；为第jl个主控单元稳控模件在安全稳定控制装置中对应的权重，I"为 第j2个I/O单元稳控模件在安全稳定控制装置中对应的权重，为第j3个通信单元稳 控模件在安全稳定控制装置中对应的权重；为第jl个主控单元稳控模件的失效率， 41m^J'2 ^!/° j'3 ； Jl、J2和J3分别为主控单元、I/O单元和通信单元的稳控模件总数。
[0020] 上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中基于马尔可夫状态空间建立安 全稳定控制装置的可靠性评估模型的具体过程为：
[0021] 301)确定分析基于马尔可夫状态空间建立安全稳定控制装置的可靠性评估模型 的前提条件如下：
[0022] 1、安全稳定控制装置的失效率为步骤2)中求取的装置失效率入；
[0023] 2、设在线自检和监视的故障检出系数为(^、未检出的误动次数占未检出误动与拒 动次数和的百分比为C2,则未检出的隐性故障误动率(：3和未检出的隐性故障拒动率分(： 4别 为：
[0024] CfCjl-QA
[0025] C4= (1_C2) (1-Q)入
[0026] 装置的隐性误动故障及隐性拒动故障在定期检修时能被发现修复，设定期检修率 为~
[0027] 3、安全稳定控制装置可检查出的故障率为C5=qA，检出故障修复率为y1;
[0028] 4、触发安全稳定控制装置隐性拒动故障的故障发生率为Xs，触发安全稳定控制 装置隐性误动故障的故障发生率为入w
[0029] 5、隐性误动状态与隐性拒动状态之间能够相互转移，隐性误动隐患到隐性拒动隐 患的转移率为c6，隐性拒动隐患到隐性误动隐患的转移率为c7;
[0030] 6、不考虑通信通道问题，不考虑装置的闭锁故障问题，装置故障经修复后能恢复 到完好状态，上述故障率及修复率均为常数；
[0031] 7、假设被保护元件故障后能立即被修复；
[0032] 302)在步骤301)确定的前提条件的基础上，建立安全稳定控制装置的马尔可夫 状态空间图，得到安全稳定控制装置的可靠性评估模型。
[0033] 上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中，计算安全稳定控制装置处于完 全正常、隐性拒动、隐性误动和完全失效4种不同运行状态时的概率值的具体过程为：
[0034] 401)根据步骤302)中安全稳定控制装置的马尔可夫状态空间图建立如式（3)所 示的状态空间方程：
[0035] PT = 0
[0037]其中，P= [Pl，p2, p3, p4]为各状态的平稳状态概率，Pl对应完全正常运行状态时的 概率，p2对应隐性误动状态时的概率，p3对应隐性拒动状态时的概率，p4对应装置完全失效 时的概率；T为状态转移概率密度矩阵，其表达式为：
[0039] 402)根据安全稳定控制装置的历史运行情况，统计获取步骤302)中状态空间图 和状态转移概率密度矩阵T中的相关参数，结合求得的装置失效率X，根据式（3)、式（4) 计算安全稳定控制装置处于完全正常、隐性误动、隐性拒动和完全失效4种不同运行状态 时的概率值。
[0040] 本发明的有益效果如下：本发明在充分地分析了安全稳定控制装置硬件系统结构 分基础上，将故障树法和马尔可夫状态空间法相结合，提出一种考虑多状态运行特性的安 全稳定控制装置可靠性评估模型。根据该模型可分析出安全稳定控制装置处于完全正常运 行、隐性误动、隐性拒动和完全失效4种不同运行状态时的稳态概率，以此判断装置的可靠 程度，及时采取预防措施，可预防安全稳定控制装置的失效对电网构成的威胁，从而避免给 电网和国民经济带来巨大损失。评估过程中同时考虑了外界故障对装置可靠性的影响，使 得评估结果更具客观性，更为精准。
【附图说明】
[0041] 图1是安全稳定控制装置可靠性分析法流程图。
[0042] 图2是安全稳定控制装置硬件系统的故障树模型。
[0043] 图3是安全稳定控制装置的马尔可夫状态空间图。
【具体实施方式】
[0044] 下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
[0045] 如图1所示，本发明的安全稳定控制装置可靠性分析法，包括以下几个步骤。
[0046] 图1中步骤1，分析安全稳定控制装置的硬件系统结构。为标准化生产，一套安全 稳定控制装置是由一系列的标准稳定控制模件（StabilityControlModel，SCM)组成，根 据功能不同分为主控单元、I/O单元和通信单元。
[0047] 主控单元为系统的枢纽单元，负责分析、决策和输出控制，同时提供系统的人机接 口、通信管理等。I/O单元是装置与外部的直接接口，负责采样分析和出口输出，通过光纤与 主控单元连接，主要完成数据的采集、计算、单元故障判断以及与主机箱的信息交互。通信 单元将主控单元通过光纤接口传送来的数据进行转换，以便接入SDH或PCM设备，通过数 字通信网络传输到对侧。主控单元主要包括电源模件、主控单元CPU模件、上位机模件、光 通信扩展模件、出口模件、强电开入模件、弱电开入模件以及模入模出模件；I/O单元主要 包括电源模件、交流头模件、滤波模件、I/〇单元CPU模件、出口模件、开入模件；通信单元包 括通信主控板模件、通信接口板模件。
[0048] 实际工程中，不同工程的安全稳定控制装置各单元的组成稳控模件不尽相同，如 亭子口子站的安全稳定控制装置的主控单元是由电源模件、上位机模件、出口模件、弱电开 入模件和主控单元CPU模件组成，无模入模出模件、光通信扩展模件等其他模件。所以在计 算安全稳定控制装置的失效率之前一定要分析清楚装置的硬件系统构成，这样才能得到较 精确度失效率。
[0049] 图1中步骤2,基于故障树法建立安全稳定控制装置的故障树模型，获取安全稳定 控制装置的失效率A，其具体过程为：
[0050] 步骤201 :基于步骤1中的安全稳定控制装置硬件系统结构分析，建立安全稳定控 制装置的故障树模型。典型的安全稳定控制装置的故障树模型如图2所示。
[0051] 步骤202 :求取安全稳定控制装置失效率入：
[0052] 失效率是评估装置可靠性的重要指标之一，定义为装置在该时刻尚未失效，之后 单位时间内发生失效的概率。稳控模件由大量的电子元器件构成，多数元器件失效率计算 要考虑基本失效率、环境系数、温度应力系数、质量系数、成熟系数等因素。具体某个元器件 的失效率计算可能还需考虑元器件自身的一些属性，如晶体管还需考虑电压应力系数和结 构系数因素，电容器还需考虑电容量系数和串联电阻系数因素，集成电路需考虑电路复杂 度失效率和封装复杂度失效率因素。在元器