一种计及温度的继电保护装置时变可靠性参数的估计方法

1.本发明涉及一种继电保护装置的失效率估算方法，尤其是基于保护装置核心模块内部温度的时变失效率估算方法。


背景技术：

2.随着电网规模的扩大，电网结构日益复杂，近年来大型互联电网频繁发生重大事故，继电保护装置作为保障电力系统安全稳定运行的第一道防线，其可靠性对电网安全至关重要。然而，统计数据表明，继电保护内部核心元器件，如cpu、电源等失效常常导致继电保护装置失效。另一方面，据美军对于电子设备故障的统计结果，在多种环境因素中，有一半以上的故障其主要诱因为环境温度。因此有必要研究实时运行温度对不同核心模块及整机的失效影响。
3.目前大部分研究都将继电保护装置本体作为一个整体，在失效统计数据的基础上对其失效率的总体分布进行分析，仅有少量研究对继电保护装置内部器件的失效做了简要分析或提出基于内部监测量的状态评估方法。由于继电保护装置属于可维修设备，事实上许多继电保护装置的内部模块经过了更换，且更换时间不尽相同，若以继电保护装置整体进行分析则难以考虑此类情况。
4.此外，现有研究在继电保护装置失效率的影响因素对其影响的分析方面还不够深入。电子器件的老化失效受温度影响显著，新一代智能变电站的建设使得继电保护装置的温度参数成为可观测指标，温度数据可方便获取，而目前尚未有研究通过建立数学模型分析温度与继电保护装置时变失效率的关系。


技术实现要素：

5.针对以上不足，本发明考虑保护装置温度变化的影响，基于高加速实验数据，结合arrhrnius模型，对weibull分布模型的参数进行修正，建立各核心模块的时变失效率模型，并基于装置不同模块失效时间独立分布的观点，建立装置整体的失效模型，并采用修正后的两参数威布尔分布模型分析装置可靠性，实现基于定时右截尾数据的模型参数估计，进一步得到基于缺陷信息的保护装置主要可靠性参数，最终完成各核心模块及装置整体的失效分析。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.结合arrhrnius模型，对weibull分布模型的参数进行修正，建立各核心模块的时变失效率模型，然后利用串联模型建立继电保护装置整体的主要可靠性参数，所述方法包括以下步骤：
8.步骤1：获取继电保护装置失效信息，将其按照保护装置中不同模块的失效时刻进行统计；
9.步骤2：分析失效信息，确定保护装置的核心模块，并对不同核心模块的失效时刻数据进行右截尾处理；
10.步骤3：以weibull分布模型建立保护装置种个核心模块时变失效率的表达式其中，t为失效前运行时间，βi为各模块的形状参数，ηi为各模块的尺度参数；
11.步骤4：建立尺度参数ηi与温度t之间的关系，即服从arrhenius模型其中，t为初始温度，ti为运行i时后的温度；
12.步骤5：利用各模块的t、t数据，结合高加速实验模型，得到各模块的内部温度t与运行时间t的关系式其中，a,b均为未知参数，通过带入实测数据进行参数拟合得出；
13.步骤6：将arrhenius模型与weibull模型相结合，得到计及温度影响的时变失效率模型
[0014][0015]
步骤7：对未知参数进行求解，利用失效时刻的缺陷数据，对参数进行拟合，用l-m法对a和βi进行参数估计，进而求得继电保护装置各核心模块的时变失效率函数；
[0016]
步骤8：基于保护装置各核心模块存在独立分布的假设，建立装置整体缺陷分布的联合分布模型，实现对装置整体的可靠性参数进行估计，包括：时变失效率λ(t)、时变可用度r(t)、失效概率密度f(t)以及累计分布函数f(t)；
[0017]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：1、本发明按照重要功能模块对失效率进行估计，可以将模块更换的因素纳入考虑，使失效率更符合实际情况：2、本发明所建立的时变失效率模型可反应不同温度下的失效率，估算得到的失效率更具有针对性。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0019]
图1：继电保护装置时变失效率估算的流程示意图；
[0020]
图2：各插件温度随时间变化趋势图；
[0021]
图3：各插件时变失效率趋势图；
[0022]
图4：保护装置整体的可靠度趋势变化图；
[0023]
图5：保护装置整体的累积分布函数趋势变化图；
[0024]
图6：保护装置整体的失效概率密度函数趋势变化图；
[0025]
图7：保护装置整体的时变失效率趋势变化图。
具体实施方式
[0026]
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0027]
如图1所示为本发明实施例提供的国产化继电保护的核心元器件替代顺序确定方法的流程示意图，所述方法包括以下步骤：
[0028]
步骤1：获取继电保护装置失效信息，将其按照保护装置中不同模块的失效时刻进行统计；
[0029]
步骤2：分析失效信息，确定保护装置的核心模块，并对不同核心模块的失效时刻数据进行右截尾处理；
[0030]
步骤3：以weibull分布模型建立保护装置种个核心模块时变失效率的表达式其中，t为失效前运行时间，βi为各模块的形状参数，ηi为各模块的尺度参数；
[0031]
步骤4：建立尺度参数ηi与温度t之间的关系，即服从arrhenius模型其中，t为初始温度，ti为运行i时后的温度；
[0032]
步骤5：利用各模块的t、t数据，结合高加速实验模型，得到各模块的内部温度t与运行时间t的关系式其中，a,b均为未知参数，通过带入实测数据进行参数拟合得出；
[0033]
步骤6：将arrhenius模型与weibull模型相结合，得到计及温度影响的时变失效率模型；
[0034][0035]
步骤7：对未知参数进行求解，利用失效时刻的缺陷数据，对参数进行拟合，用l-m法对a和βi进行参数估计，进而求得继电保护装置各核心模块的时变失效率函数；
[0036]
步骤8：基于保护装置各核心模块存在独立分布的假设，建立装置整体缺陷分布的联合分布模型，实现对装置整体的可靠性参数进行估计，包括：时变失效率λ(t)、时变可用度r(t)、失效概率密度f(t)以及累计分布函数f(t)。
[0037]
实施例：
[0038]
基于某网2010-2018年的保护运行情况，选取某种型号保护设备，其投入的装置总台数为11348台，电源模块缺陷发生30次，cpu模块缺陷发生62次，其他模块缺陷发生52次，共计144次，以装置投运至缺陷发生的时间为随机变量分析装置的可靠性，若装置自投运无缺陷发生，则视为右截尾数据。
[0039]
以weibull分布模型建立时变失效率函数：
[0040][0041]
其中，t为失效前运行时间，βi为各模块的形状参数，ηi为各模块的尺度参数；
[0042]
建立尺度参数η与温度t之间的关系，即arrhenius模型：
[0043][0044]
其中，t为初始温度，ti为运行i时后的温度；
[0045]
将arrhenius模型与weibull模型相结合，得到计及温度影响的时变失效率模型：
[0046][0047]
利用各模块的t、t数据，结合高加速实验模型，得到各模块的内部温度t与运行时间t的关系式：
[0048][0049]
其中，a,b均为未知参数，通过带入实测数据进行参数拟合得出，本研究根据各模块的运行特点，分别挑选了投入运行1-3年、4-6年和6-8年等年限区间的各10块模块，用红外测温仪器对其内部温度进行了测量(保护小室室温为20-25℃)。将各个模块的运行时间和运行温度分别求平均值，得到各个模块在不同时间点的近似温度值，如表1所示。
[0050]
表1各模块不同时间点的温度统计
[0051][0052]
带入实测数据进行参数拟合，故可求得三类模块的温度随时间变化的表达式：
[0053][0054]
cpu、电源和其它模块的运行温度随时间的变化趋势图如图2所示。
[0055]
利用失效时刻的缺陷数据，对参数进行拟合，用matlab编程计算得到的计及热场分布的二参数weibull分布的参数如表2所示：
[0056]
表2计及热场分布的二参数weibull分布的参数
[0057][0058]
模块的时变失效率的表达式为：
[0059][0060]
将各参数带入表达式得到计及温度的各模块的时变失效率表达式：
[0061]
[0062][0063][0064]
cpu、电源和其它模块时变失效率的趋势变化图如图3所示。
[0065]
继电保护装置与内部各个主要功能模块之间的关系即构成串联系统关系，3类模块的缺陷分布模型均选用双参数weibull分布，累计分布函数分别为f1(t)、f2(t)、f3(t)如下所示：
[0066][0067]
由于继电保护装置与内部各个主要功能模块之间的关系构成串联系统关系，且装置整体分布为t＝min{t1,t2,t3}的分布，ti为三类模块的随机变量。则串联系统的可靠度为：
[0068][0069][0070]
带入计算所得的各参数得：
[0071][0072]
保护装置整体可靠度的趋势变化图如图4所示。
[0073]
保护装置整体的累积分布函数f(t)为：
[0074][0075]
保护装置整体的累积分布函数趋势变化图如图5所示。
[0076]
保护装置整体的概率密度函数f(t)为：
[0077][0078]
保护装置整体的概率密度函数趋势变化图如图6所示。
[0079]
保护装置整体的时变失效率函数λ(t)为：
[0080][0081]
保护装置整体的时变失效率函数趋势变化图如图7所示。
[0082]
图4-图7可以看出本发明所建立的模型能很好的反应不同温度下的时变失效率变化情况，极大提升了其针对性和估算结果的准确性。
[0083]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。