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城市轨道交通供电系统可靠性分析建模与计算方法城市轨道交通供电系统可靠性分析建模与计算方法

摘要：根据城市轨道交通供电系统的特点，提出了城市轨道交通供电系统可

靠性分析的数学模型建立方法，并以深圳市轨道交通龙华线供电系统为例，提出

了城市轨道交通供电系统可靠性量化指标的计算方法。

关键词：城市轨道交通；供电系统；可靠性；数学模型

0引言

RAMS（可靠性、可用性、可维修性和安全性）管理起源于20世纪70年代，

首先应用于民航、核电、军工及城市轨道交通等领域。众所周知，香港地铁是全

世界经营状况最好、交通流量最大、安全可靠性最强的地铁系统，其系统安全保

证架构里面最核心的就是RAMS管理系统。国内目前几乎所有的城市轨道交通

线路也以均逐步采用了RAMS管理系统，RAMS管理有效的保证了系统符合需

要，能以最低成本持续满足安全、可靠的顾客服务和运营效率等方面的要求。可

靠性管理作为RAMS管理的重要组成部分，贯穿于城市轨道交通工程设计、安

装及运营维护的全寿命周期。系统及部件的可靠性分为固有可靠性和运用可靠

性，其中固有可靠性是制约系统可靠性的决定性因素。由港铁公司建设的深圳市

轨道交通龙华线的供电系统设计中，采取量化可靠性指标、数学建模分析计算校

验的管理方法，大大提高了可靠性管理水平。

1.城市轨道交通供电系统介绍

深圳市轨道交通龙华线供电系统的系统架构及工作模式与国内的通用设计

相同，具有很强的代表性。

供电

表1供电系统交直流供电分区

其35kV中压系统采用集中供电方式，各变电所进出线柜采用手拉手“”双环

网电缆连接。直流系统采用双整流机组、等效24脉波1500V直流输出；接触网

系统采用双承力索“+双接触线+双辅助馈线”的柔性悬挂。

在中压环网中，一路电源故障或消失后，备自投系统自动启动，另一路电源

可负担全部一、二级负荷。在直流供电系统中，任意一个直流牵引变电所的整流

机组全部退出运行，在无任何倒闸作业的情况下，可由相邻牵引变电所继续提供

直流电源。

2.可靠性分析的基本模型

本工程所涉及的可靠性分析基本模型为串联模型、并联模型和n中连续取r

模型。考核系统可靠性的主要指标为可靠度、故障率或平均无故障时间。

2.1.串联模型

在一个系统中，任何一个单元发生故障，都会导致整个系统发生故障，这种

系统称为串联系统。其基本可靠性模型和计算公式如图1所示。

λi——各单元（或子系统）的故障率

λ——系统的故障率

MTBF——系统的平均无故障时间

图1串联模型

2.2.并联模型

在一个系统中，组成系统的所有单元同时工作，只要有其中一个单元还在工

作，则整个系统就能完成规定的功能，这个系统称为并联系统。城市轨道交通供

电系统为N-1系统，仅考虑单层

故障下，系统仍能保持完成规定的功能，故其实际为二元并联系统。其基本

可靠性分析模型如图2所示：

图2二元并联模型

为了分析计算方便，本文引入平均故障率概念，假设并联后系统是一个以平

均故障率为λp的寿命周期服从指数分布的系统。在地铁供电系统中，并联子系

统（或单元）均可视为对称系统，即两个子系统（或单元）可靠度、故障率和平

均无故障时间均相同。则有系统的平均故障率公式如下:

λp=2λ0/3

λp——系统的平均故障率

λ0——各单元（或子系统）系统的故障率

2.3.n中连续取r模型

所谓n中连续取r系统，就是指系统中全部n个子系统中，若连续有r个子

系统失效，将造成整个系统失效。N中连续选r系统的可靠度计算公式如下：

R——系统可靠度

p——子系统可靠度

此式是很简单的递推关系，每次迭代只有（r+1）次相乘和一次相减。供电

系统设备均为电力、电子产品，故本文假定其故障率均服从指数分布特性，故其

可靠度与故障率存在如下关系：

R

t为可靠性验证时间，单位为小时。在本工程中可靠性验证时间为24个月（按

每月30天，每天运营18个