某型船主配電網(wǎng)路使用初期可靠性評估*

杜春雨 姜海龍 王宗亮

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266000）

1 引言

主配電網(wǎng)路是某船電力系統(tǒng)的主干，持續(xù)維系著船舶的生命與安全性。主配電網(wǎng)路是某型船配電網(wǎng)路系統(tǒng)的主體部分，按電制可分為交流主配電網(wǎng)路和直流主配電網(wǎng)路兩部分［1］。交流主配電網(wǎng)路又可分為正常網(wǎng)路與可靠網(wǎng)路兩部分。主配電網(wǎng)路通常采用饋線式結(jié)構(gòu)、分舷配置、分區(qū)供電的方式不間斷地滿足全艇人員和裝備的用電需求［2～3］。

網(wǎng)路故障是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素［4～7］。以系統(tǒng)可靠性模型為基礎(chǔ)，通過多種經(jīng)典數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)故障與運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)分析，預(yù)測總結(jié)故障規(guī)律，可為提升電力系統(tǒng)安全性和可控性提供幫助。

2 某船主配電網(wǎng)路可靠性分析

建立主配電網(wǎng)路模型（如圖1），AD為直流配電板，AR為可靠配電柜，F(xiàn)D21、FD22為柴油發(fā)電機(jī)，ZD11、ZD12為變流裝置及其附屬設(shè)備，JLD為岸電裝置，YDJ為應(yīng)急發(fā)電機(jī)，YJ為應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)板，K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9為主網(wǎng)路中的主干支路開關(guān)。

圖1 主配電網(wǎng)路模型

主配電網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)的是將交流電能和直流電能，根據(jù)不同的要求，通過AR、AD以及分布于各艙室的配電板、配電箱分配給負(fù)載使用［8］。

為實(shí)現(xiàn)對某船主配電網(wǎng)路的可靠性分析，收集了某型船兩年來（共計(jì)1213例）網(wǎng)路故障數(shù)據(jù)，經(jīng)整理分析，初步得出該船主配電網(wǎng)路中各設(shè)備的故障發(fā)生概率如表1所示。

由表1可以看出，主配電網(wǎng)路設(shè)備故障率不盡相同，但都存在著一定的故障隱患，對某船電力系統(tǒng)生命力將產(chǎn)生直接影響。

表1 某船主配電網(wǎng)路設(shè)備故障率

從某型船故障數(shù)據(jù)分布情況看，該船主網(wǎng)路設(shè)備故障分布具有一定的時(shí)間相關(guān)性，這使得探索設(shè)備的預(yù)期壽命成為可能。

3 基于數(shù)據(jù)處理的壽命評估模型

根據(jù)前述收集的主配電網(wǎng)路設(shè)備故障發(fā)生的時(shí)間，并繪制成表，探尋網(wǎng)路出現(xiàn)故障的時(shí)間與經(jīng)典數(shù)學(xué)函數(shù)間的關(guān)系。這里將各分布函數(shù)線性化（y=Bx+A）利用線性回歸分析法將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，以顯著性差異為前提，選取相關(guān)系數(shù)r絕對值最大的為母本函數(shù)計(jì)算其最佳估計(jì)值，則估計(jì)值為最佳線性無偏估計(jì)［9］，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由小至大排列如表2。

表2 某船主配電網(wǎng)路設(shè)備故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表2中i為次序號（i=1，2，3，…，n），n為測試數(shù)據(jù)的總數(shù)，截尾子樣為t1≤ t2≤ … ≤ tk，k≤ n），設(shè)F（ti）為連續(xù)隨機(jī)變量函數(shù)f（t）概率密度函數(shù)，對于F（ti）的估計(jì)有許多經(jīng)典方法，例如：中位秩數(shù)值；等，文獻(xiàn)［10］中表示F(ti)=中位秩數(shù)值對于子樣作定數(shù)截尾試驗(yàn)較好，這里使用中位秩數(shù)值：

作為估計(jì)值（根據(jù)式（1）計(jì)算后，如表3）。

表3 主配電網(wǎng)路故障時(shí)間對應(yīng)概率表

通過對經(jīng)典函數(shù)線性化求得相關(guān)參數(shù)值。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)（ti，F(xiàn)（ti））可求得（xi，yi），利用（xi，yi）作回歸分析求得y=Bx+A中估計(jì)值A(chǔ)^、B^和相關(guān)系數(shù)r的值。

3.1 指數(shù)函數(shù)分布

根據(jù)指數(shù)函數(shù)分布：

線性化得：

其中δ為位置參數(shù)，θ為平均壽命。

3.2 威布爾分布

根據(jù)三參數(shù)威布爾分布函數(shù)：

當(dāng)δ=0或作變換令x=t-δ即可得到二參數(shù)威布爾函數(shù)：

線性化得：

其中m為形狀參數(shù)，η為尺度參數(shù)，t為位置參數(shù)。

3.3 對數(shù)正態(tài)分布

根據(jù)對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)：

線性化得：

其中σ為尺度參數(shù)，μ為位置參數(shù)。

3.4 冪函數(shù)分布

根據(jù)冪函數(shù)：

線性化得：

3.5 Z函數(shù)分布

根據(jù)Z函數(shù)［11］：

線性化得：

相關(guān)參數(shù)值如表4。

表4 算后參數(shù)值

經(jīng)表4中相關(guān)系數(shù)r數(shù)值對比可知，對數(shù)正態(tài)分布的相關(guān)系數(shù)r最大，所以正態(tài)分布函數(shù)可以近似表示壽命分布Ti。

4 模型實(shí)例運(yùn)算與分析

根據(jù)式（7）對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型（如圖2）。

圖2中，點(diǎn)“o”為（t，F(xiàn)（ti））點(diǎn)，實(shí)心線為符合對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的擬合值。

圖2 對數(shù)正太分布圖

根據(jù)文獻(xiàn)［12］中公式推導(dǎo)解得：

對數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)為

可靠性壽命：

其中：

置信區(qū)間：

分布密度函數(shù)如圖3所示，置信區(qū)間得以驗(yàn)證。

圖3 分布密度函數(shù)圖

由圖2驗(yàn)證可得，主配電網(wǎng)路的無故障時(shí)長分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布，在4.4992千時(shí)至6.9120千時(shí)區(qū)間出現(xiàn)網(wǎng)路故障率顯著增加的現(xiàn)象，后趨于平穩(wěn)，系統(tǒng)故障發(fā)生呈現(xiàn)時(shí)間相關(guān)性。

針對系統(tǒng)這種典型的時(shí)間相關(guān)故障概率分布，提出針對性的改進(jìn)系統(tǒng)可靠性的建議：

一是優(yōu)化電力系統(tǒng)PHM。將主配電網(wǎng)路的運(yùn)行時(shí)間作為系統(tǒng)監(jiān)測的重要參數(shù)，當(dāng)網(wǎng)路系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長達(dá)到4.4992至6.9120千時(shí)區(qū)間內(nèi)，應(yīng)對直流配電板相關(guān)組件、應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)板以及其他開關(guān)板、斷路器等重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測維護(hù)。通過時(shí)間參數(shù)監(jiān)測，及時(shí)評估電力系統(tǒng)可靠度，支持裝備精準(zhǔn)維護(hù)、精確維修。

二是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。網(wǎng)路設(shè)備增加人機(jī)接口，增加大數(shù)據(jù)采集分析以增強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測能力。提升操作人員對裝備狀態(tài)掌握的實(shí)時(shí)性、快捷性。同時(shí)收集的數(shù)據(jù)也可提供給裝備研制單位，為進(jìn)一步完善同型網(wǎng)路提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

上述針對某型船主配電網(wǎng)路故障的研究，探索了網(wǎng)路系統(tǒng)使用初期故障概率的時(shí)間相關(guān)性。究其原因，主要是網(wǎng)路設(shè)備還是以相對簡單的傳統(tǒng)型設(shè)備為主，這類設(shè)備使用初期為初始故障期，其故障率明顯偏高，故障的時(shí)間相關(guān)性顯著。

當(dāng)然，本項(xiàng)研究選取的研究階段為裝備使用初期，收集的數(shù)據(jù)并不能涵蓋裝備全壽命階段，數(shù)學(xué)模型存在一定的局限性。隨著后續(xù)對該型裝備系統(tǒng)的持續(xù)跟蹤，可以梳理出更加可靠的裝備全壽命期故障規(guī)律。