一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法

摘要

本发明公开了一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法，包括步骤1：定义高速铁路牵引变电所系统的评价体系，即规定系统范围，明确系统可靠性指标；步骤2：确定高速铁路牵引变电所系统可靠性建模的成功导向准则和可靠性指标；步骤3：将高速铁路牵引变电所的电气主接线作为研究对象，确定GO‑FLOW的信号流方向并且选择合适的操作符，建立牵引变电所的电气主接线的GO‑FLOW图；步骤4：输入各操作符的可靠性参数；步骤5：通过对GO‑FLOW各操作符的定量计算与分析得到其稳态和动态可靠性指标；步骤6：完成高速铁路牵引变电所系统的可靠性评价。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路牵引供电领域，特别涉及一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法。

背景技术

随着我国高速铁路的大规模建设，牵引供电系统的可靠性问题引起人们高度重视。牵引变电所作为牵引供电系统的核心，起着连接外部电力系统和接触网的桥梁作用。因此，它的故障将影响高速铁路的正常运营，并造成巨大损失。为了使动车组能够安全稳定地运行，高速铁路牵引变电所供电可靠性必须得到保证。

我国在电力系统可靠性研究方面起步较早，成果较多，但对牵引供电系统可靠性研究较少。目前，陈绍宽、万毅将故障树分析法(FaultTreeAnalysis，FTA)运用到牵引供电系统的可靠性研究中，建立了牵引变电所电气主接线和接触网的故障树，完成了定性及定量分析；谢将剑选取威布尔分布作为可靠性模型，提出了一种基于遗传算法的人工智能算法，并进行了拟合优度检验，提高了拟合的精度；李军智和赵健提出了成功流法(GoalOriented，GO)，并成功运用到牵引变电所中，从而找出一种研究牵引变电所可靠性简便、清晰、实用的方法。Takeshi Matsuoka等人进一步补充和完善了GO-FLOW的原理和方法，从理论上建立了其应用的知识结构，用GO-FLOW法分析了沸水堆的堆芯应急冷却系统等的可靠性及产品生产工艺的可靠性。此外，GO-FLOW法还用于处理共因失效的问题。在实际应用中，GO-FLOW法除了用于分析核电站等系统的可靠性和安全性之外，还用于众多其他领域。日本船舶研究所Tadatsugi Okazaki、Nobuo Mitomo等运用GO-FLOW法对核电站老化问题进行了研究。Takeshi Matsuoka采用动态事件树和GO-FLOW法进行继电延迟系统可靠性分析。

发明内容

GO-FLOW是一种新的概率风险评价方法，主要用于具有复杂时序或状态发生的概率。国内外研究对牵引变电所可靠性研究具有一定的参考作用，本文在此基础上，提出一种基于GO-FLOW法的牵引变电所系统的可靠性分析方法，GO-FLOW法采用图形演绎的方式，把成功运行作为可靠性建模的依据，接着选定相应的操作符，然后根据系统的原理图或框图直接建立其GO-FLOW图，计算系统各种状态发生的概率，计算结果具有良好的精度，并且计算量较小，对牵引供电所系统整体设备维修计划提供可靠的科学依据。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法，包括以下步骤：

步骤1：定义高速铁路牵引变电所系统的评价体系，即规定系统范围，明确系统可靠性指标；

步骤2：确定高速铁路牵引变电所系统可靠性建模的成功导向准则和可靠性指标；

步骤3：将高速铁路牵引变电所的电气主接线作为研究对象，确定GO-FLOW的信号流方向并且选择合适的操作符，建立牵引变电所的电气主接线的GO-FLOW图；

步骤4：输入各操作符的可靠性参数；

步骤5：通过对GO-FLOW各操作符的定量计算与分析得到其稳态和动态可靠性指标；

步骤6：完成高速铁路牵引变电所系统的可靠性评价。

进一步的，所述步骤1中：从可靠性方面来看，牵引变电所应为工程冗余可修系统，假定所有牵引变电所一次部分设备、子系统、系统都服从指数分布，且具有稳定运行阶段的系统平均特性，高速铁路牵引变电所主要组成设备包括母线、牵引变压器、断路器、隔离开关、电压互感器和电流互感器，为满足连续供电需求，采用两组互为热备用的牵引变压器(T1、T2)和(T3、T4)，外部电源为220kv等级电源。

进一步的，所述步骤2中：以高速铁路牵引变电所对上下行接触网正常供电为可靠性建模的成功导向准则，可靠性指标主要包括故障率λ、维修率、可靠度、平均无故障时间、平均维修时间、平均寿命周期、稳态平均工作概率、平均停工概率、平均故障次数。

进一步的，所述步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤21：可靠度R(t)与不可靠度F(t)，其表达式分别为：

R(t)＝P(T＞t)(0＜t＜∞) (1)

F(t)＝1-R(t) (2)

式中，T为系统元件的寿命；

步骤22：故障率λ(t)，其表达式为：

由此可得与可靠度的关系：

步骤23：维修率是衡量产品维修性能的概率指标，用μ(t)表示，其公式为：

式中，T

步骤24：平均无故障工作时间MTBF，MTBF是指对可修复元件来说，该元件发生故障时，元件发生相邻两次故障间的工作时间的平均值，MTBF的表达式为：

步骤25：平均维修时间MTTR，MTTR是指元件维修时间的平均数，是总维修时间与维修次数的比值，MTTR的表达式为：

步骤26：稳态可用度A，A又叫平均工作概率，是时间趋于无穷大时元件的可用度，表达式为：

即不可用度用

步骤27：平均寿命周期MCT其表达式为：

MCT＝MTBF+MTTR (10)

步骤28：平均故障次数f，其表达式为：

进一步的，所述步骤3中：GO-FLOW法中，表示操作符之间输入输出关系的连接线称为信号线，信号流强度表示系统可靠度，即系统成功运行的概率，具体步骤如下：

步骤31：GO-FLOW法中定义了14种类型的标准操作符，在时间点t，输出信号的强度用R(t)来表示，主输入信号的强度用S(t)来表示，而时间点的个数用n来表示；

步骤32：一般用类型号来区分GO-FLOW法中操作符的功能和特性，每一个特定的类型号对应一种特定的运算规则：

(1)类型21操作符—两状态元件

类型21操作符用来表示两种状态元件，P

R(t)＝S(t)·P

(2)类型22操作符—或门

类型22操作符是用来表示多个信号“或”逻辑关系的逻辑门，输出信号强度的表达式为：

(3)类型23操作符—非门

类型23操作符是输入信号与输出信号非门逻辑关系的是逻辑门，输出信号强度的表达式为：

R(t)＝1-S(t) (14)

(4)类型30操作符—与门

表示多个信号“与”的逻辑关系，假设M个输入信号彼此互相独立，则输出信号强度的表达式为：

(5)类型35操作符—随时间失效的工作元件

类型35操作符，γ表示操作符所代表的元件在单位时间内的失效概率，即失效率，假设γ为常量，对于类型35操作符来说，其次输入信号强度表示一段时间间隔，输出信号强度R(t)由于考虑失效率的影响而降低，R(t)受时间点t之前的主输入信号S(t

步骤33：高速铁路牵引变电所的组成元件种类繁多，故采用等效单元的方法来简化，每个等效单元用一个操作符表示；

步骤34：基于GO-FLOW法原理，考虑到牵引变电所电气设备有一定的寿命，即元件的失效概率会随时间的变化而变化，建立高速铁路牵引变电所主接线的GO-FLOW图。

进一步的，所述步骤5中：假设N个停工相关的串联部件对应一个操作符，当I＝1时，串联结构的等效故障率为λ

步骤51：故障率λ

将式子(19)带入带(18)可得(20)：

其中，λ

步骤52：串联等效单元输出信号成功状态概率值P

即串联等效单元输出信号故障状态概率值P

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法，主要是基于GO-FLOW法，该方法是一种以成功为导向的系统概率分析技术，该方法直接从系统图建立GO-FLOW图，图中的操作符直接表示系统中部件的功能，操作符的输入输出信号表示部件之间的关系和相互作用，所以非常易于检查、变换和修改；

2、高速铁路牵引变电所符合GO-FLOW基本建模规则，模型结构清晰明了，模型各组成部分内参数意义明确，并且容易获取；

3、本发明适用于大型复杂系统的建模分析，尤其是更适于有多重状态、有时序功能变换的复杂系统的可靠性和安全性分析，建模时间较短，费用低，实用性强。

4、本发明基于GO法证明GO-FLOW法的正确性和适用性，体现GO-FLOW法的优越性。可以提高列车运行过程中的可靠性和安全性，同时也为避免发生轨道交通牵引供电系统故障提供了相应的理论参考，也为牵引供电系统的检修和健康管理提供依据和前提。

附图说明

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的介绍。显而易见，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的附图。附图中：

图1是本发明一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性研究方法的整体流程图；

图2是高速铁路牵引变电所电气主接线示意图；

图3是GO-FLOW法中定义了14种类型的标准操作符及其类型名称和符号图；

图4是高速铁路牵引变电所主接线的GO-FLOW图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-2所示，本实施例公开了一种高速铁路牵引变电所系统的可靠性分析方法，包括以下步骤：

步骤1：定义高速铁路牵引变电所系统的评价体系，即规定系统范围，明确系统可靠性指标；

步骤2：确定高速铁路牵引变电所系统可靠性建模的成功导向准则和可靠性指标；

步骤3：将高速铁路牵引变电所的电气主接线作为研究对象，确定GO-FLOW的信号流方向并且选择合适的操作符，建立牵引变电所的电气主接线的GO-FLOW图；

步骤4：输入各操作符的可靠性参数；

步骤5：通过对GO-FLOW各操作符的定量计算与分析得到其稳态和动态可靠性指标；

步骤6：完成高速铁路牵引变电所系统的可靠性评价。

进一步的，所述步骤1中：从可靠性方面来看，牵引变电所应为工程冗余可修系统，假定所有牵引变电所一次部分设备、子系统、系统都服从指数分布，且具有稳定运行阶段的系统平均特性，高速铁路牵引变电所主要组成设备包括母线、牵引变压器、断路器、隔离开关、电压互感器和电流互感器等，为满足连续供电需求，采用两组互为热备用的牵引变压器(T1、T2)和(T3、T4)，外部电源为220kv等级电源。

进一步的，所述步骤2中：以高速铁路牵引变电所对上下行接触网正常供电为可靠性建模的成功导向准则，本实施例研究涉及到的可靠性指标主要包括故障率λ、维修率、可靠度、平均无故障时间(MTBF)、平均维修时间(MTTR)、平均寿命周期、稳态平均工作概率、平均停工概率、平均故障次数。

进一步的，所述步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤21：可靠度R(t)与不可靠度F(t)，其表达式分别为：

R(t)＝P(T＞t)(0＜t＜∞) (1)

F(t)＝1-R(t) (2)

式中，T为系统元件的寿命；

步骤22：故障率λ(t)，其表达式为：

由此可得与可靠度的关系：

步骤23：维修率是衡量产品维修性能的概率指标，用μ(t)表示，其公式为：

式中，T

步骤24：平均无故障工作时间MTBF(Mean Time Between Failure)，MTBF是指对可修复元件来说，该元件发生故障时，元件发生相邻两次故障间的工作时间的平均值，MTBF的表达式为：

步骤25：平均维修时间MTTR(Mean Time To Repair)，MTTR是指元件维修时间的平均数，是总维修时间与维修次数的比值，MTTR的表达式为：

步骤26：稳态可用度A(Availability)，A又叫平均工作概率，是时间趋于无穷大时元件的可用度，表达式为：

即不可用度用

步骤27：平均寿命周期MCT(Mean Cycle Time)其表达式为：

MCT＝MTBF+MTTR (10)

步骤28：平均故障次数f，其表达式为：

进一步的，所述步骤3中：GO-FLOW法中，表示操作符之间输入输出关系的连接线称为信号线，本实施例中的信号流强度表示系统可靠度，即系统成功运行的概率。本实施例对涉及到的几种操作符运算规则详细介绍，其他简单表述，具体步骤如下：

步骤31：GO-FLOW法中定义了14种类型的标准操作符，其类型名称和符号如图3所示，通常情况下，在时间点t，输出信号的强度用R(t)来表示，主输入信号的强度用S(t)来表示，而时间点的个数用n来表示；

步骤32：一般用类型号来区分GO-FLOW法中操作符的功能和特性，每一个特定的类型号对应一种特定的运算规则：

(1)类型21操作符—两状态元件

类型21操作符用来表示两种状态元件，P

R(t)＝S(t)·P

(2)类型22操作符—或门

类型22操作符是用来表示多个信号“或”逻辑关系的逻辑门，输出信号强度的表达式为：

(3)类型23操作符—非门

类型23操作符是输入信号与输出信号非门逻辑关系的是逻辑门，输出信号强度的表达式为：

R(t)＝1-S(t) (14)

(4)类型30操作符—与门

如图所示，它表示多个信号“与”的逻辑关系，假设M个输入信号彼此互相独立，则输出信号强度的表达式为：

(5)类型35操作符—随时间失效的工作元件

类型35操作符如图所示，γ表示操作符所代表的元件在单位时间内的失效概率，即失效率，假设γ为常量，对于类型35操作符来说，其次输入信号强度表示一段时间间隔，输出信号强度R(t)由于考虑失效率的影响而降低，R(t)受时间点t之前的主输入信号S(t

步骤33：高速铁路牵引变电所的组成元件种类繁多，故采用等效单元的方法来简化，每个等效单元用一个操作符表示，具体操作符含义如表1所示；

表1高速铁路牵引变电所主接线的GO-FLOW图中操作符含义

步骤34：基于GO-FLOW法原理，考虑到牵引变电所电气设备有一定的寿命，即元件的失效概率会随时间的变化而变化，建立高速铁路牵引变电所主接线的GO-FLOW图，如图4所示。

进一步的，所述步骤4中：牵引变电所主要电气设备可靠性参数如表2所示：

表2牵引变电所主要电气设备可靠性参数

进一步的，所述步骤5中：假设N个停工相关的串联部件对应一个操作符，当I＝1时，串联结构的等效故障率为λ

步骤51：故障率λ

将式子(19)带入带(18)可得(20)：

其中，λ

步骤52：串联等效单元输出信号成功状态概率值P

即串联等效单元输出信号故障状态概率值P

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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。