一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统，获取电能路由器的电路参数、可靠性数据和经济参数；建立不同工况下的子模块可靠性模型；建立系统可靠性模型和概率费用模型：在子模块可靠性模型的基础上，绘制电能路由器的状态转移图，得到状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；求解模型用于量化评估。本发明专利技术基于马尔可夫过程和可靠性框图对电能路由器进行可靠性建模，综合考虑了故障、修复、备用设备待安装等在实际工程中常出现的状态对装备可靠性进行量化评估。概率费用模型建立在可靠性模型的基础之上，通过比较备用方案引起的损失减少量和投资成本增加量对备用方案的经济性进行量化评估，为电能路由器的设计和量化提供决策参考。的设计和量化提供决策参考。的设计和量化提供决策参考。

【技术实现步骤摘要】
一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统


[0001]本专利技术属于直流配电网可靠性评估
，具体涉及一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统。

技术介绍

[0002]电能路由器是直流配电网中实现电压变换、功率双向流动和电气隔离的核心装置。但是电能路由器引入的大量电力电子器件会使其可靠性降低，进而限制直流配电网的可靠性水平。此外，能源利用成本等于配置安装成本和运营维护成本之和与系统有效运行时间的比值。电能路由器的可靠性水平通过影响系统的运营维护成本和有效运行时间而改变系统的能源利用成本。因而电能路由器的可靠性是影响系统可靠、经济运行的关键因素，有必要对其可靠性进行量化评估，为电能路由器的设计和优化提供参考。
[0003]设置备用设备是提高装置可靠性和减少元件故障对装置影响的有效方法。备用设备可以通过不同的备用方案集成到装置中，但不同方案对提高装置可靠性的效果有所差别。此外，设置备用设备会使能源系统的配置安装成本增加，进而造成能源利用成本的提高。因此，需要对不同备用方案下电能路由器的可靠性和经济可行性进行量化评估，进而为电能路由器备用方案的选择和优化提供参考。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统，对电能路由器备用方案的可靠性和经济性进行量化评估，从而为电能路由器的设计和优化提供决策参考。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种电能路由器备用方案量化评估方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；
[0008]S2、根据步骤S1确定的故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；
[0009]S3、建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用步骤S2构建的子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；
[0010]S4、结合步骤S3得到的电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。
[0011]具体的，步骤S2中，以元件的故障率
‑
时间曲线处于有效寿命期为可靠性评估前
提，元件的可靠度函数服从指数分布；考虑电容器和功率半导体器件的故障率与所承受的电压应力成指数正比的关系，通过可靠性框图分析方法，根据子模块的可靠性逻辑关系得到子模块的可靠性模型。
[0012]进一步的，电容器和功率半导体器件的故障率λ
*
‑
p
为：
[0013]λ
*
‑
p
＝λ
*
‑
b
×
v
sη
[0014]其中，λ
*
‑
b
表示额定工况下器件的故障率；v
s
表示工作电压与额定电压的比值；η表示电压应力系数。
[0015]具体的，步骤S3具体为：
[0016]S301、综合考虑故障、修复和备用设备待安装状态在实际工程中的转移，绘制电能路由器的状态转移图；
[0017]S302、根据状态转移图生成状态转移率矩阵A并得到电能路由器的概率方程；
[0018]S303、建立电能路由器的概率费用模型，通过比较设置备用设备前后各情况下期望失效损失EFC
q
和EFC
h
的减少量和备用设备的投资成本C，确定备用方案的经济性系数EF。
[0019]进一步的，步骤S302中，状态转移率矩阵A的每个元素(a
ij
)
n
×
n
表示由第i个状态向第j个状态转移的概率，n为状态总数，概率方程如下：
[0020][0021]其中，P'(t)为状态向量的导数，P
i
(t)表示在时刻t系统处于状态i的概率；P(t)＝(P1(t),P2(t),
…
,P
n
(t))为状态向量；P(0)为系统的初始状态。
[0022]进一步的，步骤S303中，备用方案的经济性系数EF为：
[0023][0024]其中，n
e
为备用设备的数量。
[0025]具体的，步骤S4中，电能路由器的可靠度函数R
EER
(t)为：
[0026]R
EER
(t)＝R
HFL
(t)
×
R
C
(t)
[0027]其中，R
HFL
(t)为中压高频链的可靠度函数，R
C
(t)为混合型MMC的可靠度函数。
[0028]进一步的，中压高频链的可靠度函数R
HFL
(t)为：
[0029]R
HFL
(t)＝1
‑
(1
‑
RⅠ(t))
‑
(1
‑
RⅡ(t))
[0030]混合型MMC的可靠度函数R
C
(t)为：
[0031]R
C
(t)＝R
a
(t)4×
R
cp
(t)
×
R
cl
(t)
[0032]其中，RⅠ(t)为仅考虑次要故障时中压高频链的可靠度函数，RⅡ(t)为仅考虑重大故障时中压高频链的可靠度函数，R
cp
(t)为控制和保护系统可靠度函数；R
cl
(t)为冷却系统可靠度函数。
[0033]具体的，步骤S4中，电能路由器的平均无故障时间MTTF计算如下：
[0034][0035]其中，R(t)为电能路由器的可靠度函数。
[0036]本专利技术的另一技术方案是，一种电能路由器备用方案量化评估系统，包括：
[0037]数据模块，根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；
[0038]构建模块，根据数据模块确定的故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；
[0039]计算模块，建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用构建模块构建的子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；
[0040]评估模块，结合计算模块得到的电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电能路由器备用方案量化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；S2、根据步骤S1确定的故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；S3、建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用步骤S2构建的子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；S4、结合步骤S3得到的电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，以元件的故障率
‑
时间曲线处于有效寿命期为可靠性评估前提，元件的可靠度函数服从指数分布；考虑电容器和功率半导体器件的故障率与所承受的电压应力成指数正比的关系，通过可靠性框图分析方法，根据子模块的可靠性逻辑关系得到子模块的可靠性模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，电容器和功率半导体器件的故障率为：其中，λ
*
‑
b
表示额定工况下器件的故障率；v
s
表示工作电压与额定电压的比值；η表示电压应力系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：S301、综合考虑故障、修复和备用设备待安装状态在实际工程中的转移，绘制电能路由器的状态转移图；S302、根据状态转移图生成状态转移率矩阵A并得到电能路由器的概率方程；S303、建立电能路由器的概率费用模型，通过比较设置备用设备前后各情况下期望失效损失EFC
q
和EFC
h
的减少量和备用设备的投资成本C，确定备用方案的经济性系数EF。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S302中，状态转移率矩阵A的每个元素(a
ij
)
n
×
n
表示由第i个状态向第j个状态转移的概率，n为状态总数，概率方程如下：其中，P'(t)为状态向量的导数，P
i
(t)表示在时刻t系统处于状态i的概率；P(t)＝(P1(t),P2(t),
…
,P
n
(t))为状态向量；P(0)为系统的初始状态。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞，王金浩，任远，宋述勇，胡帆，李振宇，李胜文，刘翼肇，贺丹，夏镔冰，王翌琛，丛林，赵金，
申请(专利权)人：西安交通大学国网山西省电力公司，
类型：发明
国别省市：