一種變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)壽命的評(píng)估方法

錢 肖， 朱英偉， 劉 棟

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.金華電業(yè)局，浙江 金華 321017）

0 引言

近年來(lái)，在電力系統(tǒng)一次設(shè)備全壽命管理方面，已開(kāi)展了一系列研究工作，提出了規(guī)范化的指導(dǎo)原則和管理方法。但針對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備，尤其是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命周期研究則并不多見(jiàn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)壽命的判斷大部分依據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)，一般5～8年，多的10年，與國(guó)外使用壽命12～15年差距較大。由于缺乏科學(xué)化、系統(tǒng)化的對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)等二次設(shè)備全壽命周期管理的方法，導(dǎo)致很多監(jiān)控系統(tǒng)未到使用壽命年限就進(jìn)行了更換，造成投資的浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命評(píng)估方法進(jìn)行研究。

本文介紹了一種針對(duì)變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體壽命進(jìn)行評(píng)估的方法。該方法首先對(duì)單一電子產(chǎn)品的故障機(jī)理及故障特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)合變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的失效（故障）、壽命周期界定、延長(zhǎng)壽命周期是否合理等判據(jù)進(jìn)行了建模和定義，從而得出整個(gè)變電站級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的壽命評(píng)估結(jié)論和延長(zhǎng)壽命策略。

1 電子產(chǎn)品的可靠性

電子產(chǎn)品的可靠性，是評(píng)估其質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，可靠性用概率表示時(shí)稱為可靠度，就是在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定使用條件下，無(wú)故障地發(fā)揮運(yùn)行功能的概率[1-2]。國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)都說(shuō)明：正常運(yùn)轉(zhuǎn)期的電子產(chǎn)品的故障率約等于常數(shù)。其物理意義是：在任何時(shí)間還在工作的產(chǎn)品，在單位時(shí)間內(nèi)大體上以固定百分比的產(chǎn)品出現(xiàn)故障。例如抽檢某種大功率管9 800只，按照故障率每月2%，算出196只故障。以此類推，第12個(gè)月末，大體還剩3 641只不出現(xiàn)故障。由于電子產(chǎn)品在正常運(yùn)行期內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)故障，其可靠性的高低在于故障率的大小，不像機(jī)械產(chǎn)品那樣，有一個(gè)基本不出現(xiàn)故障的正常工作期。

電子產(chǎn)品的任何故障總是由特定的化學(xué)、機(jī)械、熱、物理或電子驅(qū)使的故障機(jī)理所導(dǎo)致[3]。而產(chǎn)品抵抗內(nèi)外部應(yīng)力的能力，一般與產(chǎn)品局部位置的材料、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)特性以及工藝特性有關(guān)，電子產(chǎn)品常見(jiàn)的潛在故障及其機(jī)理見(jiàn)表1。按故障機(jī)理可分為：

（1）過(guò)應(yīng)力故障：A—脆裂；B—延展破裂；C—屈服；D—翹曲；E—大的彈性變形；F—軟錯(cuò)誤；G—輻射導(dǎo)致的熱擊穿。

（2）耗損故障：J—腐蝕；K—樹(shù)枝狀生長(zhǎng)物；L—內(nèi)部擴(kuò)散；M—疲勞裂紋生長(zhǎng)；N—物質(zhì)擴(kuò)散；O—絕緣相關(guān)的失效；P—過(guò)量漏電；Q—鏈接界面的層裂；R—疲勞裂紋萌生；S—Frenkel缺陷增生；T—電遷移；U—金屬化層遷移；V—應(yīng)力導(dǎo)致的擴(kuò)散空穴（SDDV）；W—電陷；X—EOS/ESD；Y—離子污染；Z—解聚（合）作用。

（3）輻射應(yīng)力包括Gamma射線、Alpha粒子、快中子、宇宙射線、電子以及質(zhì)子等作用。

2 變電站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性建模

從電子產(chǎn)品故障機(jī)理可以看出電子產(chǎn)品的失效是概率問(wèn)題，可采用平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）描述。MTBF是衡量一個(gè)電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，單位為“年”。它反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。

變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從板級(jí)到裝置、從裝置到系統(tǒng)的可靠性計(jì)算可采用以下方法：

（1）如果兩個(gè)部件看成串聯(lián)工作，其中一個(gè)發(fā)生失效，整個(gè)功能就失效了，系統(tǒng)MTBF計(jì)算為：

1/MTBFtotal=1/MTBF1+1/MTBF2

（2）對(duì)于并聯(lián)或冗余的結(jié)構(gòu)，雖然一個(gè)部件失效，不影響其他部分功能，系統(tǒng)MTBF計(jì)算為：

1/MTBFtotal=1/MTBF1+1/MTBF2+（MTTR+0.1）/MTBFdouble/MTBFdouble

雙龍變計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由多個(gè)電子裝置組成，3層結(jié)構(gòu)，板件組成裝置、裝置組成系統(tǒng)。評(píng)估的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該體現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能眾多，不能將單一功能的失效定義為監(jiān)控系統(tǒng)的失效，同時(shí)電子產(chǎn)品的特點(diǎn)決定了其在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)發(fā)生故障，因此不能將監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)故障作為系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)。

判斷是否結(jié)束電子產(chǎn)品或者一個(gè)系統(tǒng)的壽命，涉及的因素包括故障率、故障后損失、維護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本、廠家技術(shù)支持保障等因素。應(yīng)將故障率、故障后損失、廠家技術(shù)支持保障3個(gè)因素抽象化、定性化，或者將不易度量的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為直觀可度量的指標(biāo)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行合理抽象簡(jiǎn)化。

在此采用可靠性科學(xué)中的重要概念：

表1 電子產(chǎn)品故障位置和故障機(jī)理[4]

可用率=無(wú)故障時(shí)間/（無(wú)故障時(shí)間+修復(fù)時(shí)間）

根據(jù)不同功能在監(jiān)控系統(tǒng)中的重要程度，將監(jiān)控系統(tǒng)的不同裝置按不同的可用率要求劃分為三大類：可用率要求分別為99.8%（故障17.52 h內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)）；98.81%（故障4.3435天內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)）；91.67%（故障30.4045天內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)）。

以雙龍變運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)裝置中邏輯圖計(jì)算板件可靠性和期望可用率作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；再通過(guò)板件可靠性依次推算裝置、小室和系統(tǒng)可靠性，在分析過(guò)程中采用從板件到裝置、從裝置到系統(tǒng)的思路，分三級(jí)對(duì)可靠性進(jìn)行分析計(jì)算。

3 評(píng)估數(shù)據(jù)的有限性分析

研究過(guò)程中收集到的數(shù)據(jù)包括：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行缺陷統(tǒng)計(jì)及廠家提供的產(chǎn)品全球缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)時(shí)參考的可靠性數(shù)據(jù)、根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)的可靠性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于電子產(chǎn)品的故障屬于隨機(jī)事件，從數(shù)學(xué)角度考慮用概率問(wèn)題進(jìn)行判斷比較合適。作為概率問(wèn)題，樣本數(shù)量的大小關(guān)系到是否對(duì)問(wèn)題的本質(zhì)能真實(shí)反映。對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)要嚴(yán)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括重新啟動(dòng)后能恢復(fù)的缺陷數(shù)量，但樣本數(shù)量較廠商提供所有售出系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)少，很多故障在特定監(jiān)控系統(tǒng)中并未發(fā)生，以單一監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)估計(jì)可靠性顯然不合理，只能作為參考。

廠家提供的每年故障返修和修復(fù)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)比較全面，覆蓋年份比較大，詳細(xì)描述了同型號(hào)產(chǎn)品每年的實(shí)際故障情況。但是電子產(chǎn)品故障是隨機(jī)問(wèn)題，廠家統(tǒng)計(jì)未發(fā)生的故障，不代表不會(huì)發(fā)生，而且各地的運(yùn)行環(huán)境和管理水平不盡相同。因此這類數(shù)據(jù)適合利用擬合的方法來(lái)判斷故障屬于指數(shù)分布、威布爾分布或者泊松分布等數(shù)學(xué)分布。

廠家通常提供可靠性數(shù)據(jù)，例如MTBF，包括設(shè)計(jì)時(shí)參考及通過(guò)試驗(yàn)估計(jì)的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)都比較全面，數(shù)據(jù)涵蓋了電子產(chǎn)品的每個(gè)組成板子。尤其是通過(guò)試驗(yàn)后估計(jì)的可靠性數(shù)據(jù)，很多參考文獻(xiàn)和廠家的工程師都指出該數(shù)據(jù)是對(duì)產(chǎn)品可靠性和壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)的可信度最高的數(shù)據(jù)。因此，廠家提供的通過(guò)試驗(yàn)后估計(jì)的可靠性數(shù)據(jù)MTBF作為全壽命周期管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)較為科學(xué)合理。

4 算例及結(jié)果

以國(guó)內(nèi)首座綜合自動(dòng)化變電站500 kV雙龍變作為評(píng)估對(duì)象，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的站控層系統(tǒng)采用了南瑞科技的SSJ2000系統(tǒng)。間隔層由西門子LSA678系統(tǒng)組成，站控主單元6MB5510/5515，站級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)8TK1組成站控層，8TK2，I/O單元6MB522/524及同期裝置7VK組成間隔層。在500 kV小室、220 kV小室和35 kV小室分別設(shè)有間隔層主單元、8TK1/2和6MB監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。

500 kV雙龍變于1997年12月18日正式投入運(yùn)行，所用8TK和6MB52*/5515等西門子公司產(chǎn)品已于2002年停產(chǎn)。因此迫切需要對(duì)雙龍變電站的間隔層LSA678系統(tǒng)壽命進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)西門子提供的板級(jí)MTBF，計(jì)算裝置的MTBF。以6MB551*主單元可靠性計(jì)算為例：FP/LPII，SC/SK，SV，BF板為組成6MB5510/5515裝置主單元的基本元件（見(jiàn)圖1），其中任何一個(gè)板件故障會(huì)造成整個(gè)主單元故障。RK板是連接基本單元和擴(kuò)展單元的關(guān)鍵部件，如果RK板故障會(huì)造成擴(kuò)展單元所有的數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸；BA板為命令輸出模塊，如果BA板故障則該板所有輸出命令無(wú)法實(shí)現(xiàn)；AR板為模擬量采集模塊，如果該板件故障則該板所有的模擬量數(shù)據(jù)無(wú)法獲得；DE板為狀態(tài)信號(hào)量采集模塊，如果該板件故障則該板所有狀態(tài)數(shù)據(jù)無(wú)法獲得。如圖1中圓形部件可造成整個(gè)裝置失效，橢圓形部件可造成部分失效，方框形部件可造成本部件失效。

根據(jù)其邏輯結(jié)構(gòu)映射成為串、并聯(lián)關(guān)系，6MB5510（500 kV 1號(hào)、2號(hào)，220 kV 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)主單元），由 FP，RK，SK，AR，BA，BF，SV，DE板組成，其MTBF值為18.80。6MB5515（500 kV 3號(hào)主單元）， 由 LPⅡ，RK，SC，AR，BF，SV，DE，BA板組成，其MTBF值為13.47。

圖1 6MB5510/5515裝置結(jié)構(gòu)

同理依次計(jì)算6MB5512（主單元光纖通信箱），其MTBF為980；6MB524（I/O單元（具備閉鎖功能），MTBF值為202.53；8TK1（單元控制及閉鎖裝置），MTBF為88.17。8TK2（中央閉鎖單元），MTBF為 94.93；6MB522（I/O 單元），MTBF值為84.34；7VK（同期裝置），MTBF185?？煽啃詮母叩降团帕袨椋?MB5512，7KG，7VK，6MB524，8TK1，8TK2，6MB522，8TK1， 8TK2， 6MB522。MTBF值大小可以衡量裝置可靠性，6MB5510和6MB5515主單元的MTBF值較低，可靠性也較其他裝置低。

根據(jù)裝置的連接關(guān)系，計(jì)算的小室可靠性見(jiàn)表2。

表2 小室可靠性分析結(jié)果

從小室可靠性來(lái)看，各小室的可靠性指標(biāo)都比較接近，MTBF平均值為15.42。最后計(jì)算出整個(gè)變電站級(jí)的MTBF值為15.21。

5 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

根據(jù)MTBF的定義，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間等于“平均無(wú)故障工作時(shí)間”，其對(duì)應(yīng)的失效數(shù)量約占總數(shù)的50%～60%。雙龍變投運(yùn)至今運(yùn)行時(shí)間為14年，2012年將接近MTBF值15.21。因此需加強(qiáng)可靠性較低的重點(diǎn)裝置和重點(diǎn)板件的維護(hù)（停產(chǎn)前采購(gòu)相關(guān)備品），根據(jù)西門子公司提供的產(chǎn)品報(bào)價(jià)，計(jì)算出維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)至運(yùn)行到2013年總成本為174.8萬(wàn)元。預(yù)計(jì)雙龍變自動(dòng)化系統(tǒng)整體改造成本約1 800萬(wàn)元，可正常運(yùn)行12年，年平均折舊費(fèi)用約150萬(wàn)，2013年維護(hù)成本174.8萬(wàn)元超過(guò)了折舊費(fèi)用。從經(jīng)濟(jì)性及安全角度考慮，建議從2012年開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的更新改造，以確保變電站的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

以500 kV變電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)壽命的評(píng)估方法，該方法為變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的全壽命周期管理提供了一種新的思路。

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