釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

崔玉書，牛玉廣，申忠利，鄭東冬

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206;2.深圳市金釩能源科技有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，釩液流電池是大容量蓄電池領(lǐng)域最新型的技術(shù)之一，需要依靠循環(huán)泵的動(dòng)力運(yùn)行，并對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。但是，傳統(tǒng)的循環(huán)泵控制系統(tǒng)基本上以繼電器為主要控制元件，由幾十個(gè)各類型繼電器、接觸器、開關(guān)、按鈕及連線組成邏輯控制單元對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行控制，并且工藝系統(tǒng)循環(huán)泵的配置數(shù)目一般為正負(fù)極各一臺(tái)，而不是由多臺(tái)循環(huán)泵構(gòu)成循環(huán)泵組循環(huán)切換控制，這類控制系統(tǒng)包含了大量的繼電器、接觸器元件及其連接線，在工作工程中，繼電器、接觸器的頻繁啟動(dòng)/停止，極易造成損壞最終導(dǎo)致無法正常工作，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較差，而且該控制系統(tǒng)沒有故障的自動(dòng)診斷和恢復(fù)功能，難以避免故障的誤判、漏判，使得系統(tǒng)可靠性低。而全釩液流電池的正常運(yùn)行對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求極高，尤其是在全釩液流電池充放電狀態(tài)下，循環(huán)泵決不允許停轉(zhuǎn)，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)有足夠的可靠性[1]。

本文首先對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，而后利用故障樹、可靠性框圖、Blocksim可靠性軟件對(duì)新開發(fā)的釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)各故障因素進(jìn)行了定量計(jì)算，確定了故障因素中的薄弱環(huán)節(jié)、關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，并做了改進(jìn)前后的可靠性指標(biāo)對(duì)比。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)包括交流電源配置單元、直流電源配置單元、人機(jī)接口單元、控制單元、信號(hào)變送模塊組和動(dòng)力變頻單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩大功能:一是循環(huán)泵的控制，這也是最重要的功能;二是數(shù)據(jù)的采集，采集釩電池的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存。循環(huán)泵的控制主要由PLC完成，還可以通過變頻器對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)，觸摸屏既可以顯示相關(guān)參數(shù)、報(bào)警信息，還可以手動(dòng)操作設(shè)置泵的運(yùn)行周期跟泵的頻率。數(shù)據(jù)采集功能通過變送器采集釩電池實(shí)際參數(shù)通過I/O模塊傳送到PLC進(jìn)行計(jì)算、濾波，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。圖1給出了完成監(jiān)控系統(tǒng)功能的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖[2]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)可靠性框圖

由圖1可知，供電電源、CPU、I/O模塊、繼電器、變頻器、泵任何一部分失效均可導(dǎo)致系統(tǒng)故障，無法實(shí)現(xiàn)控制泵啟停、轉(zhuǎn)速的功能;供電電源、電壓隔離變送器、I/O模塊、CPU、觸摸屏任何一部分失效均可導(dǎo)致系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及顯示功能，所以從可靠性意義上說是串聯(lián)系統(tǒng)[3]，可靠性框圖如圖2所示。

3 可靠性指標(biāo)

供電電源是由變壓器、電阻、二極管、發(fā)光二級(jí)管、開關(guān)等組成，因此，根據(jù)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》提供的電子元器件使用失效率預(yù)計(jì)模型來預(yù)計(jì)供電電源的失效率[4]。供電電源及組件預(yù)測(cè)結(jié)果 λs=8.3 ×10－6h－1:

表1為全釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)主要構(gòu)成設(shè)備的失效率

表1 設(shè)備失效率

由表1及圖2[5]，并利用串聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如下:

利用Blocksim可靠性軟件繪制了系統(tǒng)從0到35 000 h的可靠度曲線如圖3所示

4 可靠性分析

使用故障樹分析(FTA)的方法可以對(duì)各故障因素通過故障樹進(jìn)行定性和定量分析，確定引起系統(tǒng)故障的各故障因素的概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度，并找出系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)、薄弱環(huán)節(jié)，再將分析結(jié)果運(yùn)用于釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。由于本監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)循環(huán)泵的控制，于是可選定泵失效為頂層事件，而后，依次對(duì)各故障因素進(jìn)行系統(tǒng)分析繪制泵失效故障樹，如圖4所示。

通過對(duì)故障樹進(jìn)行定量分析，可以確定頂事件的失效概率，更關(guān)鍵的是可以分析出各底事件的重要度，根據(jù)底事件重要度的相對(duì)大小來確定工作重點(diǎn)，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性。底事件的重要度分為結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度。由于每一個(gè)底事件故障都會(huì)導(dǎo)致頂層事件的發(fā)生，且相互獨(dú)立并呈或關(guān)系，每一個(gè)底事件為一個(gè)割集，共有14個(gè)割集，那對(duì)于底事件統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，概率重要度可以簡(jiǎn)寫成=h(1i，P)－ h(0i，P)，h(1i，P)表示第i個(gè)事件是失效的，h(0i，P)表示第i個(gè)事件是正常的，該公式的數(shù)學(xué)定義解釋為:第i個(gè)事件失效時(shí)頂層事件發(fā)生的概率與第i個(gè)事件正常時(shí)頂層事件發(fā)生的概率之差。對(duì)于對(duì)于n個(gè)基本事件構(gòu)成的事故樹，n個(gè)基本事件兩種狀態(tài)的組合數(shù)為2n個(gè)。把其中一個(gè)事件xi作為變化對(duì)象(從0變到1)，其他基本事件的狀態(tài)保持不變的對(duì)照組共有2n－1個(gè)。在這些對(duì)照組中屬于(φ(1i，x)－φ(0i，x)=1)的情況所占的比例即是 xi事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)[6－8]。

通過在Blocksim可靠性軟件上建立泵失效控制系統(tǒng)的故障樹并進(jìn)行仿真得到各個(gè)底事件概率重要度柱狀圖如圖5。

圖5中橫坐標(biāo) 1、2分別代表1#泵故障、2#泵故障，3代表供電電源故障，4、9 分別代表直流電源模塊1#/2#故障，5代表觸摸屏故障，6代表CPU故障，7代表CPU背板故障，8代表I/O卡件故障，10代表I/O卡件插座故障，11、12 代表 1、2#繼電器故障，13、14 分別代表 1、2#變頻器故障。由圖5可將變頻器、繼電器、泵稱作動(dòng)力變頻單元，CPU、CPU背板稱作CPU、I/O、I/O卡件稱作 I/O模塊，則各基本事件的概率重要度排序?yàn)閯?dòng)力變頻單元＞觸摸屏＞供電電源＞CPU＞I/O模塊＞直流電源模塊，由此，可針對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖5 底事件概率重要度柱狀圖

5 可靠性改進(jìn)

改進(jìn)后的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電源、電源回路、直流電源模塊、PLC、動(dòng)力輸出單元進(jìn)行分組獨(dú)立設(shè)計(jì)，加入冗余[9－10]。冗余后的可靠性框圖如圖6。

圖6 冗余后的可靠性框圖

其中電源切換裝置依據(jù)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》提供的電子元器件使用失效率預(yù)計(jì)模型來預(yù)計(jì)電源切換裝置的失效率。電源切換裝置及組件預(yù)測(cè)結(jié)果 λs=11.1×10－6h－1:
繼電器、變頻器、泵可作為一子系統(tǒng)，作為一組動(dòng)力變頻單元。將冗余系統(tǒng)看成子系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式為R(t)根據(jù)串并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式代入得系統(tǒng)可靠度。

改進(jìn)前后系統(tǒng)可靠度對(duì)比表如表2。

表2 改進(jìn)前后系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)比表

由表2可以清楚的發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)有了明顯提升，也使得全釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性得到了明顯的改善。

6 結(jié)束語(yǔ)

全釩液流電池循環(huán)泵系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求極高，尤其是在充放電狀態(tài)下絕對(duì)不允許循環(huán)泵停轉(zhuǎn)，這就對(duì)全釩液流電池監(jiān)控系統(tǒng)的要求極高，本文對(duì)新開發(fā)的全釩液流監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并利用可靠性框圖、故障樹對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了定量計(jì)算。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的研究找出系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)前后監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的對(duì)比，體現(xiàn)了改進(jìn)后監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性的提升。

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