一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法。针对多状态串并联系统，将任一父节点与其下属的所有子节点之间的连接结构分为四类，然后针对四类采用不同方式进行处理，通过上述四种分类对完整树结构从末端的叶节点开始向上递进对各个层次的父节点的状态概率分布依次进行计算，最终能获得整个多状态串并联系统的根端父节点的状态概率分布，从而获得多状态串并联系统的可靠性。本发明专利技术实现了大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算，实现了计算精度和计算效率的平衡，将计算复杂度从原先精确计算的指数式复杂度提升到二次项式，大大提高了计算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法
本专利技术涉及多状态串并联系统的可靠性评估，特别是一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法。
技术介绍
多状态系统作为二元状态系统的推广，能够更加细致地描述实际工程中的复杂系统。而串并联结构是一种最常见的系统结构，广泛地应用于电力系统、传输系统等领域；同时，基于串并联系统的装机问题、备用设计问题等都是时下热门的研究方向。因此，多状态串并联系统的可靠性评估在实际工程中有着重要的作用。而随着工业水平的发展，工程系统的规模逐步扩大。在大规模多状态串并联系统中，系统的元件与状态数量都非常庞大。比如，随着新能源的快速发展，越来越多的风力发电机连接到电网中，而一个风机的可靠性就需要数十个、上百个状态来精细地刻画。因此，大规模多状态串并联系统对可靠性的计算效率提出了极高的要求。传统的多状态串并联系统的评估方法，比如UGF方法、迭代法(recursivemethod)、蒙特卡洛模拟法等，在计算大规模系统时都因为计算效率而受局限。由于精确计算系统可靠性往往需要指数式的计算复杂度，这种计算负担对大规模系统是无法承受的。所以寻找一种既计算高效、有结果准确的大规模多状态串并联系统可靠性评估的近似计算方法就成为了当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服当前大规模系统可靠性评估方法的不足，提出了一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，采用连续离散近似方式来快速高效地近似计算大规模多状态串并联系统的可靠性，并且提供一个相对准确、误差可接受的近似结果。本专利技术的大规模是指串并联系统中的系统元件达到百个及以上元件规模的串并联系统。当元件达到或者超过这个量级时，传统的系统可靠性精确评估法计算耗时将十分巨大、而且计算效率低下。本专利技术的目的是通过以下步骤的技术方案实现的：针对已转换为用树结构表示的多状态串并联系统，然后将任一父节点与其下属的所有子节点之间的连接结构分为四类，第一类为仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第二类为由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第三类为仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，第四类为由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统；若父节点的下属连接方式为串联，则父节点下属的子节点的下属连接方式不可能为串联，是由于下属连接方式为串联的子节点下属的元件全部都可等价地视为下属连接方式为串联的父节点下属的元件；同理，若父节点的下属连接方式为并联，则父节点下属的子节点的下属连接方式不可能为并联，是由于下属连接方式为并联的子节点下属的元件全部都可等价地视为下属连接方式为并联的父节点下属的元件。针对四类采用不同方式进行处理：A)针对如图2所示的仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值(continuationvalue)并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；B)针对如图4所示的由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值(continuationvalue)并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为串联的节点的状态概率分布采用C)或者D)方式进行相同处理获得；B)具体实施是将每个下属连接方式均为串联的节点均看做一个元件，再采用A)方式进行相同处理获得父节点的状态概率分布。C)针对如图1所示的仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，采用UGF方法计算获得父节点的状态概率分布；D)针对如图3所示的由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，首先对下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布进行离散化判断和处理，元件节点的状态概率分布都是离散的不需要进行离散化处理，使得父节点下属的所有子节点均为离散化状态，然后用UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布采用A)或者B)方式进行相同处理获得；D)具体实施是将每个下属连接方式均为并联的节点均看做一个元件，再采用C)方式进行相同处理获得父节点的状态概率分布。由于用树结构表示的多状态串并联系统均可细分为上述四种分类情况的组合，因此通过上述四种分类对完整树结构从末端的叶节点开始向上递进对各个层次的父节点的状态概率分布依次进行计算，最终能获得整个多状态串并联系统的根端父节点的状态概率分布，从而获得多状态串并联系统的可靠性。本专利技术中，任意的多状态串并联系统转化为一棵树结构，而这棵树结构的串联或并联层具有图3或者图4所示的结构，即：任意具有并联下属连接方式的父节点P只有具有串联下属连接方式的子节点S和代表元件的子节点E；反之，任意具有串联下属连接方式的父节点S只有具有并联下属连接方式的子节点S和代表元件的子节点E。系统结构树表示法，可以简单明了地体现串并联系统的结构信息，并将串并联系统分割成不同层次的串联子系统和并联子系统。本专利技术方法实施前已将将多状态串并联系统转换为用树结构表示，分为不同层次的串联子系统和并联子系统。所述的树结构中，树结构末端的每个叶节点记录有一个元件的状态概率分布信息，一个叶节点对应一个元件，并且树结构末端均为叶节点，父子节点中的父节点记录父节点与下属的所有子节点之间的下属连接方式。元件代表的叶节点和所有其他节点均具有多种状态，各个状态具有各自的概率。初始情况下，元件的状态概率分布是已知的，元件的叶节点以外的其他节点的状态概率分布均是未知，需要通过本专利技术方法进行计算获得。不同的元件或者节点的状态种类和数量可以不同，而导致了各个节点的状态概率分布的可以不同。父节点与其下属的所有子节点之间的连接方式仅有一种，为串联或者并联。如图2中，若父节点为P，则表示父节点与其所有子节点以并联方式连接；如图1中，若父节点为S，则表示父节点与其所有子节点以串联的方式连接。所述的元件是指多状态系统中的工作元件，例如：发电系统中的火力发电机、风力发电机、光伏太阳能板等；传输系统中的传输带、管道、输电线等；机械系统中的各类器件等。所述A)针对仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点(即该父节点具有并联下属连接方式)而形成的并联子系统，具体采用以下方式进行处理：首先，采用以下公式计算获得并联子系统的父节点的连续化值：其中，Q表示连续化值，Ei表示各个元件所具有的状态数量，i表示元件的序数，n表示元件的总数；然后，将计算得到的连续化值Q与预先设定的连续化阈值Q0比较：若Q<Q0，则认为当前计算复杂度较小，采用通用生成函数法(UGF，UniversalGeneratingFunction)方法计算得到父节点的状态概率分布；若Q≥Q0则认为当前计算复杂度较高，采用高斯近似方法计算得到父节点的状态概率分布。所述A)针对仅由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点(即该父节点具有并联下属连接方式)而形成的并联子系统，具体采用以下方式进行处理：首先，采用以下公式计算获得并联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，其特征在于：针对已转换为用树结构表示的多状态串并联系统，将任一父节点与其下属的所有子节点之间的连接结构分为四类，第一类为仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第二类为由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第三类为仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，第四类为由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统；针对四类采用不同方式进行处理：A)针对仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；B)针对由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为串联的节点的状态概率分布采用C)或者D)方式进行相同处理获得；C)针对仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，采用UGF方法计算获得父节点的状态概率分布；D)针对由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，首先对下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布进行离散化判断和处理，使得父节点下属的所有子节点均为离散化状态，然后用UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布采用A)或者B)方式进行相同处理获得；通过上述四种分类对完整树结构从末端的叶节点开始向上递进对各个层次的父节点的状态概率分布依次进行计算，最终能获得整个多状态串并联系统的根端父节点的状态概率分布，从而获得多状态串并联系统的可靠性。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，其特征在于：针对已转换为用树结构表示的多状态串并联系统，将任一父节点与其下属的所有子节点之间的连接结构分为四类，第一类为仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第二类为由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，第三类为仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，第四类为由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统；针对四类采用不同方式进行处理：A)针对仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；B)针对由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，先计算连续化值并比较，然后采用高斯近似法或者UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为串联的节点的状态概率分布采用C)或者D)方式进行相同处理获得；C)针对仅由多个元件串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，采用UGF方法计算获得父节点的状态概率分布；D)针对由多个元件和多个下属连接方式均为并联的节点作为子节点串联连接到同一父节点而形成的串联子系统，首先对下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布进行离散化判断和处理，使得父节点下属的所有子节点均为离散化状态，然后用UGF方法进行计算获得父节点的状态概率分布；其中每个下属连接方式均为并联的节点的状态概率分布采用A)或者B)方式进行相同处理获得；通过上述四种分类对完整树结构从末端的叶节点开始向上递进对各个层次的父节点的状态概率分布依次进行计算，最终能获得整个多状态串并联系统的根端父节点的状态概率分布，从而获得多状态串并联系统的可靠性。2.根据权利要求1所述的一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，其特征在于：所述的树结构中，树结构末端的每个叶节点记录有一个元件的状态概率分布信息，父子节点中的父节点记录父节点与下属的所有子节点之间的下属连接方式。3.根据权利要求1所述的一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，其特征在于：所述A)针对仅由多个元件作为子节点并联连接到同一父节点而形成的并联子系统，具体采用以下方式进行处理：首先，采用以下公式计算获得并联子系统的父节点的连续化值：其中，Q表示连续化值，|Ei|表示各个元件所具有的状态数量，i表示元件的序数，n表示元件的总数；然后，将计算得到的连续化值Q与预先设定的连续化阈值Q0比较：若Q<Q0，则采用通用生成函数法方法计算得到父节点的状态概率分布；若Q≥Q0，则采用高斯近似方法计算得到父节点的状态概率分布。4.根据权利要求1所述的一种大规模多状态串并联系统的可靠性近似计算方法，其特征在于：所述A)针对仅由多个元件和多个下属连接方式均为串联的节点作为子节点并联连接到同一父...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁一，林雨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33