基于FMEA技術(shù)的客滾船電力系統(tǒng)安全評估

劉鑫男，孫彥剛，歐書博，趙 維

應(yīng)用研究

基于FMEA技術(shù)的客滾船電力系統(tǒng)安全評估

劉鑫男1，孫彥剛2，歐書博1，趙 維2

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264205）

為了降低由于故障狀態(tài)分析偏差引起的電力系統(tǒng)安全評估誤差，提出基于FMEA技術(shù)的客滾船電力系統(tǒng)安全評估。利用FMEA技術(shù)計算故障前后的各個設(shè)備內(nèi)電能信號的傳輸狀態(tài)，確定目標(biāo)區(qū)域，再根據(jù)繼電器與斷路器對目標(biāo)區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行針對性計算，降低由于海量計算帶來的統(tǒng)計偏差，以此為基礎(chǔ)通過作用強度以及衰弱系數(shù)對故障是否存在安全隱患進(jìn)行判斷，當(dāng)存在安全威脅時，通過人工蜂群算法計算故障信號的傳導(dǎo)強度，以此劃分危險等級，完成安全評估。并進(jìn)行仿真試驗，結(jié)果表明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)對自體故障和干擾故障的有效識別，安全評估結(jié)果具有一定的可靠性。

故障狀態(tài) 電力系統(tǒng) 安全評估 FMEA技術(shù) 客滾船 人工蜂群算法

0 引言

客滾輪在我國境內(nèi)的海上運輸有著極其重要的作用，其不僅可以滿足貨物的運輸需求，同時也可以實現(xiàn)載運旅客的目的[1]。與一般的船只相比，客滾船的甲板是以多層的形式存在的，因此可以滿足貨運物品以獨立單元的方式放置，也正因其上甲板沒有艙口，也沒有起重設(shè)備的獨特的造型，為貨物的裝卸提供了更加便利的條件。同時，各層甲板之間也是相互連通的，通過斜坡道、升降平臺等方式確保運輸車輛可以在其中順利通行，船上的首門、尾門可以供車輛直接通過，大大降低了貨物裝卸過程中的時間開銷。但船體電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是甲板上各傳輸設(shè)備發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，對其進(jìn)行準(zhǔn)確的安全評估是十分必要的。對此，已有不少專家學(xué)者做出了相關(guān)研究，其中，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)風(fēng)險評估方法，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性，實現(xiàn)了對潛在風(fēng)險的全面評估，但風(fēng)險的評估只是停留在有或無的階段，有待進(jìn)一步優(yōu)化；文獻(xiàn)[3]利用改進(jìn)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種安全評估方法，該方法實現(xiàn)了對存在隱患位置的精準(zhǔn)定位，但對隱患識別的全面性有待提升；文獻(xiàn)[4]提出基于ALARP準(zhǔn)則的運行風(fēng)險評估方法，在一定程度上取得了良好的效果，但其僅可以對當(dāng)前階段做出判斷，難以發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的長期變化，因此對隱患故障的判斷能力較差。由此可以看出，進(jìn)一步深化研究電力系統(tǒng)安全評估的研究是十分必要的。FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式與影響分析）[5]，也就是所謂的潛在失效模式及后果分析在此背景下誕生，其可實現(xiàn)對構(gòu)成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件以及各個運作過程的逐一分析，并發(fā)現(xiàn)潛在的失效模式與可能產(chǎn)生的后果，對于預(yù)先采取必要的防護(hù)措施具有十分重要的指導(dǎo)意義[6]。

基于此，本文提出一種基于FMEA技術(shù)的客滾船電力系統(tǒng)安全評估方法，利用FMEA實現(xiàn)對電力系統(tǒng)安全隱患的全面排查，并通過仿真試驗驗證了所提方法的有效性。

1 構(gòu)建基于FMEA客滾船電力系統(tǒng)故障診斷模型

對客滾船電力系統(tǒng)的安全評估，本質(zhì)上就是對其存在的故障進(jìn)行診斷定位，通過判斷故障隱患，計算出電力系統(tǒng)的安全性[7]。因此，為了實現(xiàn)對故障的有效診斷，本文首先建立了客滾船電力系統(tǒng)故障診斷模型。為了確保模型與正常情況下客滾船電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)保持一致，本文采用FMEA技術(shù)對電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并分為兩步實現(xiàn)該模型的構(gòu)建。

首先，根據(jù)客滾船電力系統(tǒng)故障前后的電能信號的傳輸狀態(tài)，對其狀態(tài)的變化情況，利用FMEA技術(shù)對信號的進(jìn)行分析，假設(shè)正常狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)電能傳輸強度為，在橫向以及縱向上的傳導(dǎo)尺度系數(shù)分別為和，系統(tǒng)允許波動空間為，信號本身的小波系數(shù)為，那么在傳導(dǎo)過程中則有

而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，則會出現(xiàn)輸出電能小于輸入電能的情況，此時，準(zhǔn)確判斷出現(xiàn)該情況的原因是用電設(shè)備參數(shù)變化引起的，還是由于系統(tǒng)故障引起的就至關(guān)重要，為此，本文引入FMEA技術(shù)，對電能傳輸中各部件的情況逐一進(jìn)行分析。假設(shè)電力系統(tǒng)內(nèi)參與電能傳導(dǎo)的部件數(shù)量為，由發(fā)出端到接收端設(shè)備分別為1，2，…i。那么對其運行狀態(tài)進(jìn)行分析可以表示為

當(dāng)輸出的（）與式（1）中的統(tǒng)計結(jié)果存在差異時，則認(rèn)為該設(shè)備節(jié)點處存在故障隱患的可能，以此類推，計算出所有存在隱患可能的階段，并將該節(jié)點所在的范圍初步作為故障的區(qū)域。

然后在該區(qū)域內(nèi)，將斷路器和繼電保護(hù)器動作狀態(tài)，與其對應(yīng)的動作期望值進(jìn)行匹配，為進(jìn)一步縮小故障位置基礎(chǔ)?？紤]到實際客滾船的運行方式，其接入的電網(wǎng)區(qū)域相對較多，因此進(jìn)行故障診斷時需要具有更加明顯的針對性，如果對整個電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行處理將會消耗大量的時間成本，并且效率較低。為快速判斷出故障發(fā)生的區(qū)域，本文在上述基礎(chǔ)上對故障范圍判斷方法進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

由于客滾船在運行過程中并不是電力系統(tǒng)中所有的線路、設(shè)備、元件都處于通電狀態(tài)，因此，本文利用局部通電的方式對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的故障進(jìn)行診斷。在上文確定的初步故障區(qū)域內(nèi)通入測試電流，故障后所有保護(hù)斷路器狀態(tài)采集的實際值和真實故障狀態(tài)下對應(yīng)的斷路器期望值之間差值最?。涣硪徊糠謩t是故障后所有繼電器動作采集的實際值與真實故障狀態(tài)下繼電器動作期望值之間差值最小。兩者求和最小對應(yīng)的期望狀態(tài)，即是客滾船電力系統(tǒng)中對應(yīng)的故障狀態(tài)。其可以表示為

其中，代表保護(hù)繼電器的期望狀態(tài)值，代表實際狀態(tài)值，為故障發(fā)生前的斷路器實際狀態(tài)值，為故障發(fā)生后的斷路器期望狀態(tài)值。通過這樣的方式計算出最終的故障狀態(tài)。

2 電力系統(tǒng)安全評估

在上文中，本文已經(jīng)計算得出了電力系統(tǒng)的故障狀態(tài)值，要實現(xiàn)對其的評估主要是從兩個方面入手，首先是對其故障狀態(tài)的客觀分析，其次就是根據(jù)其傳導(dǎo)情況進(jìn)行危險等級劃分。

2.1 故障狀態(tài)分析

在式(2)中已經(jīng)通過保護(hù)繼電器以及斷路器計算出了故障狀態(tài)，為了排除未在網(wǎng)的斷路器對計算結(jié)果的干擾。本文逐個比較偏差值()，找出使()最大的故障，從而得出診斷的故障定位的結(jié)果。其過程為

通過這樣的方式確定出()最大的故障，從而得出客滾船電網(wǎng)的故障位置和類型。將得到的故障位置與類型帶入到客滾船電力系統(tǒng)中，分析其作用強度以及衰弱系數(shù)，其結(jié)果為

其中，和分別表示故障在電力系統(tǒng)中的作用強度和衰弱系數(shù)，()表示系統(tǒng)可能存在的最大故障。當(dāng)其作用強度不在系統(tǒng)自體調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，或無法在目標(biāo)周期內(nèi)實現(xiàn)自我衰弱時，則認(rèn)為此時的故障會影響系統(tǒng)的安全。

2.2 危險等級劃分

為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)危險等級的劃分，本文以故障信號在電能傳導(dǎo)中的作用強度作為標(biāo)準(zhǔn)，利用人工蜂群算法對故障信號進(jìn)行識別。那么故障信號的數(shù)量即為蜜蜂數(shù)量，也就是，單體向量的運動空間維度是×。首先在=0時，隨意形成蜂群矩陣，并確保0是×空間內(nèi)的一個分量，運算每個蜜蜂的適應(yīng)度函數(shù)值，其表示為

之后，將距離×中心最近的一半當(dāng)作起始的新的蜜蜂群體，以此類推，直至確定最終的中心點()的值，并將該值作為目標(biāo)值，在已知的蜂群搜索結(jié)果中匹配與該值一致的結(jié)果，作為最終蜂群的搜索結(jié)果，實現(xiàn)對故障信號的有效識別，并根據(jù)識別結(jié)果中信號的傳導(dǎo)強度，對其進(jìn)行等價劃分，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)安全的評估。

3 仿真分析

為了測試本文提出評估方法的應(yīng)用效果，進(jìn)行了仿真測試，并將文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的方法作為對照組同時進(jìn)行試驗。通過對比三種方法的試驗結(jié)果，對本文方法的有效性作出客觀評價。

3.1 測試環(huán)境

本文應(yīng)用Matlab搭建測試平臺，運用Simulink仿真工具實現(xiàn)圖形化建模，同時，軟件攜帶的小波分析工具包、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具包可以更加直觀地實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全評估的建模與仿真。設(shè)定電力系統(tǒng)為單輸入單輸電系統(tǒng)，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運行時，在電力信號傳遞過程中，橫向傳導(dǎo)尺度系數(shù)為10，縱向傳導(dǎo)尺度系數(shù)為4，允許波動尺度空間為3，電能信號的小波系數(shù)為8。以此為基礎(chǔ)，通過使電力系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生突變模擬安全故障。

3.2 測試過程

1)電力系統(tǒng)輸入信號均值不恒為零時的安全評估

本文在=40 s時向電力系統(tǒng)輸入安全故障，該故障是由縱向傳導(dǎo)尺度系數(shù)突變?yōu)?，電能信號的小波系數(shù)突變?yōu)?0引起的，在其他系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，采用分段平穩(wěn)的方式對輸入信號分布進(jìn)行評估，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 自體異常時不同方法的評估結(jié)果

從圖1中可以看出，40 s時在電力系統(tǒng)信號中施加突變后，三種方法均在t=60 s時識別不出系統(tǒng)中信號的異常，但相比之下，文獻(xiàn)[2]方法在120 s后期對這種異常的識別開始變得模糊，自140 s～170 s時間段內(nèi)，僅有一次準(zhǔn)確識別，說明隨著時間的推移，其對突變信號的識別效果逐漸降低，如果在短時間內(nèi)未能及時發(fā)現(xiàn)其異常，最終對電力系統(tǒng)的該次突變將被隱藏，無法實現(xiàn)有效的安全評估；文獻(xiàn)[3]方法的結(jié)果與文獻(xiàn)[2]相似，但其出現(xiàn)識別疏漏的時間更早，是在120 s時開始的。相比之下，本文方法對異常信號的識別更加準(zhǔn)確，在試驗過程中，自其發(fā)現(xiàn)異常后，始終能夠準(zhǔn)確捕捉異常信號，說明本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)安全隱患的有效查找，實現(xiàn)可靠的安全評估。

2)電力系統(tǒng)接收到干擾信號時的安全評估

考慮到客滾船運行中電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常的原因一部分是來自自體，另一部分是來自外界信號干擾，因此，本文在上述基礎(chǔ)上，在t =200 s時，輸入強度為2的干擾系數(shù)，作用于電能信號的縱向傳輸上，并分別采用三種方法對其進(jìn)行評估。其結(jié)果如表2所示。

圖2 外界干擾異常時不同方法的評估結(jié)果

從圖2中可以看出，在三種方法中，文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[2]方法的對于干擾作用的識別結(jié)果均出現(xiàn)了不同程度的丟失，并且文獻(xiàn)[3]方法在試驗后期已經(jīng)無法準(zhǔn)確對電能信號的傳導(dǎo)波形進(jìn)行準(zhǔn)確輸出，而本文方法自200 s發(fā)現(xiàn)異常后，始終能夠?qū)Ξ惓＿M(jìn)行有效跟蹤，在240 s時出現(xiàn)了小范圍的波動，這是因為電能系統(tǒng)的輸出是以動態(tài)的形式存在的，但后期仍能實現(xiàn)準(zhǔn)確識別，說明本文方法在能夠?qū)崿F(xiàn)對隱患的有效辨別，實現(xiàn)對系統(tǒng)安全的有效評估。

4 結(jié)束語

客滾輪電力系統(tǒng)不僅對于運輸貨物的安全起到重要的保護(hù)作用，同時，也是維持客艙內(nèi)乘客基本需求的保障，因此，準(zhǔn)確有效的異常識別，可靠的安全評估是客滾船穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。本文提出基于FMEA技術(shù)的客滾船電力系統(tǒng)安全評估方法研究，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)自身異常和外界干擾引起異常的識別，能夠準(zhǔn)確對電力系統(tǒng)安全作出有效評估。通過本文的研究，以期為電力系統(tǒng)的評估研究提供有價值的參考。

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Safety assessment of Ropax vessel electrical power system based on FMEA technology

Liu Xinnan1, Sun Yangang2, Ou Shubo1, Zhao Wei2

(China Merchants Jinling Shipping Co., Ltd, Weihai 264205, Shandong, China)

U665

A

1003-4862（2022）02-0031-04

2021-05-21

劉鑫男（1978-），男。研究方向：高端客滾船。E-mail: 836386430@qq.com