本發(fā)明屬于電力行業(yè)，具體涉及一種基于失效物理的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估可以為二次設(shè)備狀態(tài)檢修提供參考，有效提高智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。目前為止，對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性評(píng)估缺乏對(duì)元器件具體失效位置及失效原因的分析?？紤]到智能變電站二次系統(tǒng)出現(xiàn)越來越多的電子器件，而電子器件壽命問題直接影響到智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。因此，對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行基于失效物理的可靠性分析很有意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種基于失效物理的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種基于失效物理的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，對(duì)智能變電站關(guān)鍵二次器件進(jìn)行失效模式和機(jī)理分析；對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)常見的失效現(xiàn)象進(jìn)行鑒別分類，對(duì)繼電器、光耦、光纖和CPU芯片進(jìn)行失效模式、潛在失效機(jī)理分析；

步驟2，考慮時(shí)間-應(yīng)力與器件固有參數(shù)之間的關(guān)系，建立失效機(jī)理的失效物理模型，獲得器件在各種失效模式下的失效壽命函數(shù)TF＝f(T,RH,V,A₀)；根據(jù)失效物理模型中的參數(shù)建立器件各種失效機(jī)理的失效壽命模型與器件固有參數(shù)之間的聯(lián)系；所述的失效物理模型中的參數(shù)來自于器件的特征參數(shù)與環(huán)境參數(shù)；

步驟3，建立失效機(jī)理i下失效時(shí)間的分布模型F_i(t)，構(gòu)造描述失效時(shí)間的概率密度函數(shù)f_i(t)；通過蒙特卡洛方法對(duì)失效過程進(jìn)行仿真，將工作溫度T、相對(duì)濕度RH、電壓V，器件相關(guān)的參數(shù)A₀設(shè)為呈正態(tài)分布的隨機(jī)變量，并為其設(shè)置一個(gè)合理的方差，進(jìn)行仿真；將每個(gè)樣本的隨機(jī)參數(shù)代入失效壽命公式，計(jì)算出其壽命TF_i，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到失效分布的統(tǒng)計(jì)圖；將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別繪制在威布爾坐標(biāo)系、對(duì)數(shù)正態(tài)坐標(biāo)系中，比較得到的統(tǒng)計(jì)分布符合的分布類型；若概率密度函數(shù)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，則根據(jù)壽命公式推算對(duì)數(shù)正態(tài)分布的期望與方差；若概率密度函數(shù)符合威布爾分布，則根據(jù)壽命公式推算威布爾分布的形狀因子及尺度因子；

符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的失效機(jī)理累計(jì)失效函數(shù)可表示為：

$F_i\left(t\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\frac{\ln t-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{x^2}{2}}dx$

其中，μ為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的期望，σ為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

符合威布爾分布的失效機(jī)理累計(jì)失效函數(shù)可表示為：

$F_i\left(t\right)=1-\exp \[-{\left(\frac{t}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}\]$

其中，α表示特征失效時(shí)間，β為形狀參數(shù)，或稱為威布爾斜率。

步驟4，計(jì)算各器件失效率；根據(jù)器件失效機(jī)理i的概率密度函數(shù)f_i(t)和累計(jì)失效分布函數(shù)F_i(t)，器件在失效機(jī)理i下的即時(shí)失效率為：

${\mathrm{\λ}}_i\left(t\right)=\frac{f_i\left(t\right)}{1-F_i\left(t\right)}$

總體失效分布是各種失效機(jī)理共同作用的結(jié)果，且各失效機(jī)理相互無關(guān)，任何一種失效的出現(xiàn)，都代表器件總體的失效；在多種失效機(jī)理相互無關(guān)的情況下，器件總的失效率函數(shù)等于各失效機(jī)理的失效率函數(shù)之和；單個(gè)器件在n個(gè)失效機(jī)理下的失效率函數(shù)為：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(t\right),(i=1,2,...n)$

步驟5，根據(jù)各器件失效率函數(shù)，評(píng)估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性；智能變電站二次系統(tǒng)包括合并單元、繼電保護(hù)裝置、智能操作箱、后臺(tái)服務(wù)器，其中繼電器、光耦、光纖、CPU芯片在邏輯關(guān)系上構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能；串聯(lián)系統(tǒng)中組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，且各單元的失效率函數(shù)相互獨(dú)立，智能變電站二次系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

$R_S\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\Π}}(1-{\mathrm{\λ}}_j(t\left)\right),(j=1,2,...m)$

其中R_S(t)為系統(tǒng)可靠度，λ_j(t)為第j個(gè)單元在多失效機(jī)理下的失效率函數(shù)，m為單元個(gè)數(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明從智能變電站二次系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中可能導(dǎo)致器件失效的溫度、濕度和機(jī)械等原因入手，對(duì)繼電器、光耦、光纖和CPU芯片進(jìn)行失效模式、潛在失效機(jī)理分析；考慮時(shí)間-應(yīng)力與器件固有參數(shù)之間的關(guān)系，建立各種失效機(jī)理的失效物理模型，獲得器件在各種失效模式下的失效壽命函數(shù)；建立各種失效機(jī)理下失效時(shí)間的分布模型，構(gòu)造描述失效時(shí)間的概率密度函數(shù)；根據(jù)器件失效機(jī)理的概率密度函數(shù)和累計(jì)失效分布函數(shù)，計(jì)算器件該失效機(jī)理的即時(shí)失效率；根據(jù)各器件失效率函數(shù)，構(gòu)建智能變電站二次系統(tǒng)可靠性模型，評(píng)估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性；評(píng)估結(jié)果將為智能變電站二次設(shè)備的檢修工作提供參考，有利于智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明的串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

如圖1，一種基于失效物理的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，包括以下步驟：

步驟1，對(duì)智能變電站關(guān)鍵二次器件進(jìn)行失效模式和機(jī)理分析。對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)常見的失效現(xiàn)象進(jìn)行鑒別分類，明確它可能同產(chǎn)品的哪一部分有關(guān)。智能變電站二次設(shè)備主要包括繼電保護(hù)裝置、合并單元、智能操作箱及后臺(tái)服務(wù)器，繼電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)需保證各單元均能夠正確動(dòng)作。根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，智能變電站二次設(shè)備故障多發(fā)生在CPU板、光纖高頻通道和二次回路，另外考慮到繼電器是完成跳閘動(dòng)作、實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的關(guān)鍵元件，將繼電器、光耦、光纖和CPU芯片作為本發(fā)明研究對(duì)象，進(jìn)行失效模式、潛在失效機(jī)理分析。

繼電器、光耦、光纖、CPU芯片潛在失效機(jī)理及載荷如表1所示。

表1失效模式與失效機(jī)理

步驟2，考慮時(shí)間-應(yīng)力與器件固有參數(shù)之間的關(guān)系，建立各種失效機(jī)理下的失效物理模型，獲得器件在各種失效模式下的失效壽命函數(shù)TF＝f(T,RH,V,A₀)。幾種失效物理模型中的參數(shù)都來自于器件的特征參數(shù)與環(huán)境參數(shù)，這樣就建立了器件各種失效機(jī)理的失效壽命模型與器件固有參數(shù)之間的聯(lián)系，使得基于失效物理的器件失效預(yù)計(jì)變?yōu)榭赡堋?/p>

對(duì)繼電器、光耦、光纖、CPU芯片潛在失效機(jī)理進(jìn)行建模，獲得各失效機(jī)理的失效物理模型，如表2所示。

表2失效物理模型

步驟3，建立各種失效機(jī)理i下失效時(shí)間的分布模型F_i(t)，構(gòu)造描述失效時(shí)間的概率密度函數(shù)f_i(t)。

通過蒙特卡洛方法對(duì)失效過程進(jìn)行仿真，將溫度T、濕度RH、電壓V，器件參數(shù)A₀設(shè)為呈正態(tài)分布的隨機(jī)變量，并為其設(shè)置一個(gè)合理的方差，進(jìn)行仿真。將每個(gè)樣本的隨機(jī)參數(shù)代入失效壽命公式，計(jì)算出其壽命TF_i，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到失效分布的統(tǒng)計(jì)圖。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別繪制在威布爾坐標(biāo)系、對(duì)數(shù)正態(tài)坐標(biāo)系中，可比較其統(tǒng)計(jì)分布更符合哪種分布類型。若概率密度函數(shù)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，則根據(jù)壽命公式推算對(duì)數(shù)正態(tài)分布的期望與方差；若概率密度函數(shù)符合威布爾分布，則根據(jù)壽命公式推算威布爾分布的形狀因子及尺度因子。

符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的失效機(jī)理累計(jì)失效函數(shù)可表示為：

$F_i\left(t\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\frac{\ln t-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{x^2}{2}}dx$

其中μ為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的期望，σ為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

符合威布爾分布的失效機(jī)理累計(jì)失效函數(shù)可表示為：

$F_i\left(t\right)=1-\exp \[-{\left(\frac{t}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}\]$

其中α表示特征失效時(shí)間，β為形狀參數(shù)，或稱為威布爾斜率。

步驟4，計(jì)算各器件失效率。根據(jù)器件失效機(jī)理i的概率密度函數(shù)f_i(t)和累計(jì)失效分布函數(shù)F_i(t)，器件在失效機(jī)理i下的即時(shí)失效率為：

${\mathrm{\λ}}_i\left(t\right)=\frac{f_i\left(t\right)}{1-F_i\left(t\right)}$

總體失效分布是各種失效機(jī)理共同作用的結(jié)果，且各失效機(jī)理相互無關(guān)，任何一種失效的出現(xiàn)，都代表器件總體的失效。在多種失效機(jī)理相互無關(guān)的情況下，器件總的失效率函數(shù)等于各失效機(jī)理的失效率函數(shù)之和。單個(gè)器件多失效機(jī)理下的失效率函數(shù)為：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(t\right),(i=1,2,...n)$

步驟5，根據(jù)各器件失效率函數(shù)，評(píng)估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。智能變電站二次系統(tǒng)包括合并單元、繼電保護(hù)裝置、智能操作箱、后臺(tái)服務(wù)器，其中繼電器、光耦、光纖、CPU芯片在邏輯關(guān)系上構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能，串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖如圖2所示。串聯(lián)系統(tǒng)中組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，且各單元的失效率函數(shù)相互獨(dú)立，智能變電站二次系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

$R_S\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\Π}}(1-{\mathrm{\λ}}_j(t\left)\right),(j=1,2,...m)$

其中R_S(t)為系統(tǒng)可靠度，λ_j(t)為第j個(gè)單元在多失效機(jī)理下的失效率函數(shù)，m為單元個(gè)數(shù)。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。