简述高压直流输电可靠性评估的原理、应用及发展重点

董蕾

摘要：在参考关于高压直流输电可靠性评估研究的基础上，列写了故障树分析法、频率和平均持续时间法、混合法的原理及其在高压直流输电系统可靠性评估的应用，最后提出了自己的观点及想法。

关键词：高压直流输电；可靠性评估；

1前言

高压直流输电（HVDC，High Voltage Direct Current）系统是由换流阀组、控制和保护系统、换流变压器、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器，直流输电线路以及辅助设备等元件（或系统）所组成的复杂系统。

2.高压直流输电可靠性评估的原理、方法及应用

2.1故障树分析法

2.1.1故障树分析法原理

故障树分析（Fault Tree Analysis，简称FTA）[3，4，5，6，7]较为适用于大型复杂系统安全性与可靠性的常用的有效方法。它是以图形的方式表明系统是怎样失效的。FAT法实质上是事件之间的逻辑关系图，清晰地说明系统是怎样失效的。

2.1.2故障树分析法在高压直流系统可靠性评估中的应用

高压直流系统特别是双12脉系统传输容量大、元件多、结构复杂、故障率高且运算条件复杂，建立故障树工作量较大。然而，采用故障树计算直流系统可靠性时，在编程上更具有通用性，不同于频率及持续时间法，可以避免因系统结构发生微小变化导致重新建立系统转移关系图，从而提高了可靠性评估的效率。

2.2频率和平均持续时间法

2.2.1频率和平均持续时间法原理

FD法（频率和平均持续时间法）[4，7，8，9]的数

学基础是在平稳状态下建立起状态概率、状态频率和状态持续时间的关系。

设 为某几个单独状态所组成的积累状态， 可以看作是状态空间中的一个子集，累积 状态的频率 为：

（17）

设 和 为状态空间的两个积累状态，且 和 无公共状态，从累积状态 到状态 的转移频率 为：

（18）

為累积状态 到累积状态 的转移率， 为状态 的累积概率。

系统处于累积状态 的平均持续时间 为：

（19）

2.2.2频率和平均持续时间法在高压直流系统可靠性评估的应用

应用FD法完成了特高压双12脉直流系统的可靠性评估。

下面以桥子系统为例介绍HVDC系统各子系统的状态空间图和等效容量模型。

单个换流桥由6个晶闸管阀臂组成，桥中阀臂所经历状态是工作-故障-修复-安装-工作。阀臂中通常设有晶闸管备用阀，带2备用阀的单侧两极换流桥的状态空间图如图1所示。图1中b和S分别表示12脉动阀组（由2个换流桥构成）正常运行和修复后等待安装2种状态。以图中状态1至4转移过程为例，系统由1.0b0S转移至0.5b0S，说明有一个12脉动阀组故障，考虑到单侧两极有2个12脉阀组，阀组中2个换流桥任一故障引起阀组故障，换流桥中6个阀臂任一故障引起换流桥故障，可以确定状态1至4的转移率为 。

图1 带2备用阀的单侧两极换流桥的状态空间图

用类似方法，可获得换流变压器子系统多容量状态等效模型、控制保护子系统多容量状态等效模型以及极设备和交流滤波器子系统多容量状态等效模型。将各子系统的等效模型逐次地组合，即可获得整个高压直流输电系统的状态空间图。由于其每个子系统均需建立状态空间图，增加了求解等效模型个数，但降低了每次求解模型的阶数。

2.3混合法

2.3.1混合法的原理

混合法先用解析法将含有备用相关性的设备简化为等效子系统，然后再对简化后的整个直流系统可靠性模型利用模拟法得到系统的可靠性指标。

HVDC系统两极设备具有对称性，处理这类含有备用元件的直流设备常用解析法先将其简化为等效子系统，以便建立整个系统的等效模型。以平波电抗器为例，设同侧2个平波电抗器1R和2R共用一个备件，图2为带一个备用平波电抗器的状态空间图。图中，p为备件处于可用的概率，由式p=μ（λ+μ）求得。状态1表示平波电抗器1R或2R处于运行状态（U），但不知备件是否可用，故障发生时，将以pλ的概率转移到状态2或以（1?p）λ的概率转移到状态4；状态4为平波电抗器的故障状态（D）；0S表示故障元件尚未修好，即还没有从故障状态进入投运前的备用状态；状态2仍为电抗器故障状态（D）；1S表示电抗器元件已经修复，处于备用状态，经安装投运即可恢复到正常工作状态。δ为电抗器元件的安装率。

图2 2个平波电抗器带1个备用的状态空间图

运用边界墙原理，将图2中相同容量水平的各个状态合并为一个状态，以达到简化状态空间图的目的。

2.3.2混合法在高压直流输电可靠性评估的应用

应用混合法进行直流系统可靠性评估的基本思路是：应用解析法描述同侧双极设备共享备用的相关失效模式，用系统状态转移抽样模拟法对整个直流进行模拟计算，得到可靠性指标。采用模拟法对含有多设备元件、多容量状态的复杂直流系统系统进行可靠性仿真，解决了解析法因系统规模大、状态空间维数大，计算困难的难题，且利于程编制实现。

3 结束语

（1）故障树分析法是对直流系统中的每个元件建立可靠性的模型，最后得到整个直流系统的可靠性指标。该方法使用起来比较方便，但计算量较大，过程比较繁琐。

（2）FD法着眼于建立各子系统的状态空间图并获得相应的等效模型。但当系统比较复杂时，计算的工作量剧增，可能造成维数灾难。且计算中常常对系统的实际条件进行较多的简化，因此多用于简单的直流输电系统的评估中。

（3）混合法可实现优势互补，化解了维数灾难，且在模拟过程中考虑了直流系统的容量状态，因此评估结果所给出的信息更加充分。混合法的关键是如何将解析法和模拟法有机地结合起来，从而更好的发挥各自的特点。

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