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船舶配电系统可靠性评估
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摘要:随着船舶工业的快速发展,船舶配电系统越来越受到重视,并且对船舶供电的可靠性要求逐渐提高。本文首先对可靠性问题进行探讨,其次分析可靠性的建模和分析方法,最后利用后果模式分析法对船舶配电系统进行可靠性评估,通过算例,验证了理论的正确性。
关键词:船舶配电可靠性评估
引言:
当前,随着船舶工业的高速发展,对船舶供电的质量提出了更高的要求。相对于国家电网而言,而船舶配电系统容量不大,可视为微型孤岛配电系统,但船舶供电系统运行状况复杂,其与船舶推进系统尚有耦合关系,并且其运行环境相对恶劣,常年在潮湿、高盐度的环境下工作。船舶供电可靠性对整个船舶的运行有重大影响,甚至短暂的电力重大都有可能造成较大损失,因此开展对船舶配电网可靠性的评估具有重要意义。
可靠性
可靠性的构成要素包括持久性、可修复性、设计可靠性。
持久性:设备或系统能够长时间使用,设备不出现可靠性问题或寿命周期较长称为持久性。比如宇宙飞船、火星探测器,系统从发射之后,希望它不不出现可靠性问题或者能够长时间运行,。但是,任何设备都不可能100%不发生故障。
可维修性:当设备或系统出现故障后,是否可以通过修复来排除故障,此为可修复性。可修复性分为事先修复和事后修复,比如配电系统,如果某一开关出现了故障,那么可以通过更换新的开关,使配电系统恢复正常,此为事后维修;对于一个系统,也可以通过定期的保养,比如配电系统的巡检等,发现问题,提前排除,这属于事前修复。
设计可靠性:通过合理的设计,考虑到设备使用的环境因素,对于重要的环节,采取并联工作方式,并考虑设备的可操作性,可称为设计可靠性。设计可靠性是可靠性的关键环节。
2.船舶配电网可靠性指标
船舶配电系统可靠性指标较多,通常以下主要指标为评估对象:配电系统单位时间的故障次数ASIAI、单次停电平均持续时间SAIDI、各负荷停电时平均停电电量CAIDI、停电损失;配电系统的故障次数的计算,首先应考虑单个元件的故障率,进而分析每个元件故障造成的设备或系统的故障情况。[1]单次停电平均持续时间是在系统故障率的基础上,考虑每次元件或设备的故障所造成的供电中断时间,最终可得出系统的停电时间。停电电量应综合考虑船舶配电网的故障率和故障时间,考虑每个节点的负荷容量,计算得出停电电量。停电损失包含直接损失和间接损失,直接损失包含直接的经济效益,但是间接损失可能远远大于直接损失,而且无法准确计算。
3.船舶配电系统可靠性评估
3.1可靠性评估方法
船舶配电系统可靠性评估通常采用解析法和蒙特卡罗模拟法。
(i)蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法是常用的模拟法,蒙特卡洛模拟法基于概率和统计理论法为基础,通过计算机对船舶配电网的元器件以一定的概率进行抽样,用以模拟实际的船舶配电网的故障状态。用蒙特卡罗法求解时,元器件的故障模型可以是恒定概率模型也可以是指数模型,船舶配电系统的数学模型可以是确定性模型也可以是非确定性模型。由于船舶配电系统的元器件的故障具有一定的随机性,因此蒙特卡洛法可以模拟其实际的运行过程。但是,蒙特卡洛法需要多次抽样,其求解过程较复杂。
(ii)解析法
解析法基于对元器件进行故障状态抽样,然后基于网络拓扑结构,分析故障元件对系统的影响,通过解析的方法进行求解。由于解析法是在建立元件数学模型的基础上,通过严谨的数学分析而得出的结论,因此其可信度较高。[2]但是,解析法需要分析系统的网络结构,其计算结果随网络结构的增长呈指数增加,因此,其更适合小型系统。船舶供电系统一般节点较少,比较适合采用解析法。
3.2船舶配电系统可靠性评估
(i)可靠性评估建模
解析法有很多种,其主要区别是在对网络的分析上,本文采用其中的故障模式后果分析法(FailureModeandEffectAnalysis,FMEA)。FMEA法首先对各个元件进行统计分析,分析元件个估值状态,建立其故障状态数据库,根据网络拓扑结构,分析每一故障对网络的影响,得出每一故障模式的后果,求得系统的可靠性指标。[3]
图
3.1船舶配电系统网络拓扑结构
以图3.1某船舶配电系统为例,来说明FMEA法的建模过程。首先应建立网络的的故障状态库,比如单一元件故障,开关CB1故障、线路L1故障等;复合故障,变压器LD1故障,加上开关CB7拒动带来的复合故障等。其次分析每一故障状态对整个配电网可靠性的影响,如变压器变压器LD1故障,它只会影响其自身的设备正常供电,不会对其余的设备产生影响;开关CB6故障,其会影响负荷LD2-LD3的正常供电;在开关CB5故障,此时开关CB6拒动带来的复合故障的情况下,整个供电网络将面临供电中断。最后,通过逐一计算各种状态对供电可靠性的影响,通过累
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