一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统

1.本发明属于直流配电网可靠性评估技术领域，具体涉及一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统。


背景技术：

2.电能路由器是直流配电网中实现电压变换、功率双向流动和电气隔离的核心装置。但是电能路由器引入的大量电力电子器件会使其可靠性降低，进而限制直流配电网的可靠性水平。此外，能源利用成本等于配置安装成本和运营维护成本之和与系统有效运行时间的比值。电能路由器的可靠性水平通过影响系统的运营维护成本和有效运行时间而改变系统的能源利用成本。因而电能路由器的可靠性是影响系统可靠、经济运行的关键因素，有必要对其可靠性进行量化评估，为电能路由器的设计和优化提供参考。
3.设置备用设备是提高装置可靠性和减少元件故障对装置影响的有效方法。备用设备可以通过不同的备用方案集成到装置中，但不同方案对提高装置可靠性的效果有所差别。此外，设置备用设备会使能源系统的配置安装成本增加，进而造成能源利用成本的提高。因此，需要对不同备用方案下电能路由器的可靠性和经济可行性进行量化评估，进而为电能路由器备用方案的选择和优化提供参考。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统，对电能路由器备用方案的可靠性和经济性进行量化评估，从而为电能路由器的设计和优化提供决策参考。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种电能路由器备用方案量化评估方法，包括以下步骤：
7.s1、根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；
8.s2、根据步骤s1确定的故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；
9.s3、建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用步骤s2构建的子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；
10.s4、结合步骤s3得到的电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。
11.具体的，步骤s2中，以元件的故障率-时间曲线处于有效寿命期为可靠性评估前
提，元件的可靠度函数服从指数分布；考虑电容器和功率半导体器件的故障率与所承受的电压应力成指数正比的关系，通过可靠性框图分析方法，根据子模块的可靠性逻辑关系得到子模块的可靠性模型。
12.进一步的，电容器和功率半导体器件的故障率λ
*-p
为：
13.λ
*-p
＝λ
*-b
×vsη
14.其中，λ
*-b
表示额定工况下器件的故障率；vs表示工作电压与额定电压的比值；η表示电压应力系数。
15.具体的，步骤s3具体为：
16.s301、综合考虑故障、修复和备用设备待安装状态在实际工程中的转移，绘制电能路由器的状态转移图；
17.s302、根据状态转移图生成状态转移率矩阵a并得到电能路由器的概率方程；
18.s303、建立电能路由器的概率费用模型，通过比较设置备用设备前后各情况下期望失效损失efcq和efch的减少量和备用设备的投资成本c，确定备用方案的经济性系数ef。
19.进一步的，步骤s302中，状态转移率矩阵a的每个元素(a
ij
)n×n表示由第i个状态向第j个状态转移的概率，n为状态总数，概率方程如下：
[0020][0021]
其中，p'(t)为状态向量的导数，pi(t)表示在时刻t系统处于状态i的概率；p(t)＝(p1(t),p2(t),
…
,pn(t))为状态向量；p(0)为系统的初始状态。
[0022]
进一步的，步骤s303中，备用方案的经济性系数ef为：
[0023][0024]
其中，ne为备用设备的数量。
[0025]
具体的，步骤s4中，电能路由器的可靠度函数r
eer
(t)为：
[0026]reer
(t)＝r
hfl
(t)
×
rc(t)
[0027]
其中，r
hfl
(t)为中压高频链的可靠度函数，rc(t)为混合型mmc的可靠度函数。
[0028]
进一步的，中压高频链的可靠度函数r
hfl
(t)为：
[0029]rhfl
(t)＝1-(1-rⅰ(t))-(1-rⅱ(t))
[0030]
混合型mmc的可靠度函数rc(t)为：
[0031]
rc(t)＝ra(t)4×rcp
(t)
×rcl
(t)
[0032]
其中，rⅰ(t)为仅考虑次要故障时中压高频链的可靠度函数，rⅱ(t)为仅考虑重大故障时中压高频链的可靠度函数，r
cp
(t)为控制和保护系统可靠度函数；r
cl
(t)为冷却系统可靠度函数。
[0033]
具体的，步骤s4中，电能路由器的平均无故障时间mttf计算如下：
[0034][0035]
其中，r(t)为电能路由器的可靠度函数。
[0036]
本发明的另一技术方案是，一种电能路由器备用方案量化评估系统，包括：
[0037]
数据模块，根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；
[0038]
构建模块，根据数据模块确定的故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；
[0039]
计算模块，建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用构建模块构建的子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；
[0040]
评估模块，结合计算模块得到的电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。
[0041]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0042]
本发明一种电能路由器备用方案量化评估方法，结合马尔可夫过程和可靠性框图实现对电能路由器备用方案可靠性建模，并建立概率费用模型评估不同备用方案的经济性。马尔可夫过程是一种动态的状态空间分析技术，它通过确定系统所有可能驻留的状态以及这些状态的所有可能转移路径和状态之间的转移速概率从而实现对未来发生复杂变化的设备状态做出比较准确的预测。可靠性框图模型是表示系统可靠性逻辑关系的基本模型，其根据系统组成单元之间的功能相关性，用连续的网络结构框图表示单元功能和系统功能之间的逻辑关系，简单明了且使用灵活。该模型考虑了器件种类、模块的电压应力以及实际工程中较为复杂的技术条件，比如故障状态、修复状态、备用设备待安装状态等，进而以更接近现实、更全面且精确的方式进行电能路由器的可靠性建模。
[0043]
进一步的，大量的工程试验数据表明，元件故障率服从浴盆曲线分布，其中偶然失效期持续时间最长，也是工程中最关注的阶段。因此本模块以元件故障率-时间曲线处于偶然失效期为可靠性评估前提，可使得模型更符合工程应用条件。处于偶然失效期的元件故障率是不随时间变化的常数，因而其对应的可靠度函数服从指数分布。电压应力是影响子模块可靠性的重要因素，而不同备用方案下，各子模块的电压应力差别较大，且备用子模块和故障子模块投切时桥臂子模块的电压应力也会发生较大的变化，因而有必要考虑电压应力变化对故障率的影响。可靠性框图基于不同单元的功能相关性，得到不同单元的可靠性逻辑关系，可使系统的可靠性框架更加清楚明了。基于可靠性框图也便于分析不同器件对系统可靠性的影响程度。
[0044]
进一步的，本模型参考电容器和功率半导体器件的寿命模型，基于器件故障率与其所承受的电压应力之间的指数正比关系，引入电压应力对可靠性的影响。电压应力系数与元器件种类有关，其取值基于大量的可靠性试验数据，可靠度高。
[0045]
进一步的，状态转移图考虑了实际工程中较为复杂的技术条件，包括额定工作状态、故障状态、修复状态、备用设备待安装状态等对电能路由器可靠性的影响。可以更全面、精确地建立和比较不同备用方案下的电能路由器可靠度模型。此外，基于状态转移图的期望损失减少量，考虑了备用设备投资对备用方案经济性的影响，还考虑了不同备用方案引起的损失减少量，这对备用方案的经济评估更全面，也更精确体现了不同备用方案的差异
性。
[0046]
进一步的，该模型基于马尔可夫过程，通过确定系统所有可能驻留的状态以及这些状态的所有可能转移路径和状态之间的转移速概率从而实现对任意时刻系统处于不同状态的概率的预测。
[0047]
进一步的，引入经济性评估参数指标ef，通过比较不同备用方案带来的期望损失减少量和设备投资费用，综合考虑后期运行经济性和前期投资经济性两个方面对备用方案经济性的影响。
[0048]
进一步的，中压高频链和混合型mmc是构成电能路由器的两大重要部分，任一部分故障都会影响系统的正常运行，因而以串联结构的可靠性框图构建系统的可靠性模型。
[0049]
进一步的，考虑中压高频链对于次要故障和重大故障的处理方式不同，分别建立他们所对应的可靠性模型和可靠度函数。由于次要故障和重大故障同时发生的概率很低，且处理方式互不干扰，因此假设次要故障和重大故障是独立互斥事件。并基于该假设计算中压高频链的可靠度函数。混合型mmc中的四个桥臂、控制保护系统和冷却系统都是影响其可靠运行的重要组成部分，任一部分的故障都会影响其可靠运行，因而以它们的串联结构的可靠性框图构建混合型mmc的可靠性模型。
[0050]
进一步的，平均无故障时间mttf是可靠度函数对应的密度函数的期望值，反映了器件能够可靠工作的寿命，反映了器件的可靠性。
[0051]
综上所述，本发明通过构建的可靠性模型和概率费用模型分别实现对不同备用方案下电能路由器的可靠性和经济性的量化评估，其对应评估参数指标分别为平均无故障时间mttf和经济性系数ef。可靠性模型基于马尔可夫状态和可靠性框图实现对系统可靠性的动态建模，充分考虑了器件种类、电压应力变化以及实际工程中较为复杂的技术条件的影响。该发明以全面、精确且更接近工程实际运行状态的方式体现不同备用方案对电能路路由器可靠度的影响。概率费用模型通过比较不同备用方案带来的期望损失减少量和设备投资费用，综合考虑后期运行经济性和前期投资经济性两个方面对备用方案经济性的影响。根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则可以分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案。根据具体工程的应用要求，在系统的设计和优化阶段，可根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，从而实现系统的可靠与经济运行。
[0052]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0053]
图1为电能路由器电路结构图；
[0054]
图2为中压高频链可靠性建模流程图；
[0055]
图3为混合型mmc可靠性建模流程图；
[0056]
图4为中压高频链次要故障状态转移图；
[0057]
图5为中压高频链重大故障状态转移图；
[0058]
图6为半桥子模块数小于备用全桥子模块数情况下的混合型mmc状态转移图；
[0059]
图7为半桥子模块数大于备用全桥子模块数情况下的混合型mmc状态转移图；
[0060]
图8为不同备用设置下中压高频链的平均无故障时间曲线；
[0061]
图9为备用子模块数不变时，不同备用全桥子模块比例下混合型mmc的平均无故障
时间曲线；
[0062]
图10为不同备用设置下中压高频链的经济性系数分布图；
[0063]
图11为混合型mmc主动备用方案和被动备用方案的经济性系数对比图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0066]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0067]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0068]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0069]
本发明提供了一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统，首先获取电能路由器的电路参数、可靠性数据和经济参数；然后建立不同工况下的子模块可靠性模型；再建立系统可靠性模型和概率费用模型：在子模块可靠性模型的基础上，绘制电能路由器的状态转移图，得到状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；最后求解模型用于量化评估。本发明基于马尔可夫过程和可靠性框图对电能路由器进行可靠性建模，综合考虑了故障、修复、备用设备待安装等在实际工程中常出现的状态对装备可靠性进行量化评估。概率费用模型建立在可靠性模型的基础之上，通过比较备用方案引起的损失减少量和投资成本增加量对备用方案的经济性进行量化评估，为电能路由器的设计和量化提供决策参考。
[0070]
请参阅图1，本发明实施例的研究对象为中压光伏直流汇集系统应用背景下基于混合型mmc的以中压高频链进行耦合的电能路由器，电能路由器的各个低压直流端口经全桥逆变后与高频变压器相连，各高频变压器副边串联构成中压高频链。中压高频链到中压直流端口的变换通过四桥臂混合型mmc实现。
[0071]
电能路由器分为中压高频链和混合型mmc两部分，分别以各自的子模块为基本单元进行可靠性建模，建模流程分别如图2和图3所示，最后引入可靠性框图模型，得到由中压高频链和混合型mmc串联构成的电能路由器可靠性模型，基于可靠性模型，可得到不同备用方案的概率费用模型。分别根据电能路由器的可靠度函数和概率费用模型，可以计算得到不同备用方案下的电能路由器的平均无故障时间和经济性系数。根据平均无故障时间最大
原则和经济性系数最大原则可以分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案。根据具体工程的应用要求，在系统的设计和优化阶段，可根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，从而实现系统的可靠与经济运行。
[0072]
本发明一种电能路由器备用方案量化评估方法，包括如下步骤：
[0073]
s1、获取数据：根据电路拓扑和电路参数，通过可靠性手册查询器件的故障率、修复时间，通过生产厂家获取器件的购置价格与经济寿命；
[0074]
s2、建立子模块可靠性模型：构建不同工况下的子模块可靠性模型；
[0075]
子模块可靠性模型以元件的故障率-时间曲线处于有效寿命期为可靠性评估前提，此时元件的可靠度函数服从指数分布：
[0076]
r(t)＝e-λt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0077]
其中，λ表示元件的故障率。
[0078]
考虑电容器和功率半导体器件的故障率与所承受的电压应力成指数正比的关系，如下式所示：
[0079]
λ
*-p
＝λ
*-b
×vsη
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0080]
其中，λ
*-p
表示某工况下的器件故障率；λ
*-b
表示额定工况下器件的故障率；vs表示工作电压与额定电压的比值；η表示电压应力系数，与器件类型有关。
[0081]
最后通过可靠性框图分析方法，根据子模块的可靠性逻辑关系得到子模块的可靠性模型。
[0082]
全桥模块和高频变压器串联构成的子模块是构成中压高频链的基本子模块，后文将其简称为逆变子模块。
[0083]
混合型mmc的基本子模块是半桥子模块和全桥子模块。由于逆变子模块，全桥子模块和半桥子模块的任一元件故障都会造成子模块的故障，由可靠性框图可得它们的可靠性逻辑结构都为串联结构，它们的故障率分别如式(3)，(4)，(5)所示：
[0084]
λ
im
＝4λ
igbti
+λ
cap
+λ
t
+λ
sc
+λ
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0085]
λ
hb
＝2λ
igbt
+λ
cap
+λ
sc
+λ
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0086]
λ
fb
＝4λ
igbt
+λ
cap
+λ
sc
+λ
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0087]
其中，λ
igbti
为逆变子模块中的igbt模块故障率；λ
t
为高频变压器故障率；λ
igbt
为igbt模块故障率；λ
cap
为电容器故障率；λ
sc
为控制电路故障率；λ
ps
为供电系统故障率。
[0088]
逆变子模块为可修复模块，在各组件故障率、修复时间等基础可靠性参数已知的条件下，逆变子模块的修复时间通过下式得到：
[0089][0090]
其中：r
igbti
/h为igbt模块修复时间；r
cap
/h为电容器修复时间；r
t
/h为高频变压器修复时间；r
sc
/h为控制电路修复时间；r
ps
/h为供电系统修复时间。
[0091]
得到逆变子模块的修复率：
[0092][0093]
为减少逆变子模块重大故障对电能路由器造成的影响，常引入高频变压器的在线
冗余备用方案和离线公用备用方案。前者指为特定的高频变压器并联安装一台或多台高频变压器，而后者指尚未安装的公用备用高频变压器，在需要时可快速安装以替换设备组内的失效高频变压器。
[0094]
主动备用方案和被动备用方案是混合型mmc常用的备用方案。前者指备用子模块和其他子模块一起共享直流母线电压，变换器正常工作时，每条支路处于工作状态的子模块数为(n+x-i)，每个子模块承受的电压应力为u
dc
/(n+x-i)。其中x为备用子模块数量，i为故障子模块的数量。被动备用方案下，备用子模块在正常运行时会被旁路，仅当出现故障子模块时才会被切换至运行模式。
[0095]
由于主动备用方案下，混合型mmc的半桥和全桥子模块的工作电压会随着故障子模块数的增加而增加，因而当桥臂中的故障子模块数为j时，子模块中的igbt模块和电容器的故障率分别为：
[0096][0097][0098]
其中，u
dc
为直流侧额定电压；n为未设置备用子模块时桥臂上的子模块数；x为每个桥臂设置的备用子模块数；ηi为igbt模块电压应力系数；ηc为电容器电压应力系数；vn为子模块额定电压。
[0099]
当桥臂中的故障子模块数为j时，半桥和全桥子模块的故障率分别为：
[0100]
λ
hb
(j)＝2λ
igbt
(j)+λ
cap
(j)+λ
sc
+λ
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0101]
λ
fb
(j)＝4λ
igbt
(j)+λ
cap
(j)+λ
sc
+λ
ps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0102]
而被动备用方案下，混合型mmc的备用半桥和全桥子模块被旁路，因而它们的故障率远小于额定情况下的子模块故障率，如下式所示：
[0103]
λ
hbs
＝a
×
λ
hb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0104]
λ
fbs
＝a
×
λ
fb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0105]
其中，a为空闲比例系数。
[0106]
s3、建立系统可靠性模型和概率费用模型：在步骤s2所得出得子模块可靠性模型的基础上，绘制电能路由器的状态转移图，进而得到其状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；
[0107]
s301、绘制电能路由器的状态转移图；
[0108]
绘制的状态转移图是在对电能路由器的基本结构、工作原理与设备备用方案分析的基础上得到的，状态转移图综合考虑了故障、修复和备用设备待安装状态等在实际工程中常出现的状态，使得模型能以更接近实际的方式对电能路由器进行描述。
[0109]
s302、根据状态转移图生成状态转移率矩阵并得到电能路由器的概率方程；
[0110]
状态转移率矩阵a为n
×
n的方阵，其中n为状态转移图中包括的状态数。矩阵中的元素(a
ij
)表示由状态i转移至状态j的转移率，同一行的元素满足下式关系：
[0111]
[0112]
最终得到的概率方程表达式为：
[0113][0114]
其中，pi(t)表示在时刻t系统处于状态i的概率；p(t)＝(p1(t),p2(t),
…
,pn(t))为状态向量；p(0)为系统的初始状态。
[0115]
s303、建立电能路由器的概率费用模型。
[0116]
请参阅图4和图5，根据逆变子模块的故障严重程度和修复方式，可将其故障分为次要故障和重大故障。前者包括全桥模块故障和高频变压器的临界级和轻度级故障，其持续时间短，可在现场修复。而后者包括高频变压器的灾难级和致命级故障，其停电时间长且无法在现场修复。次要故障和重大故障一般认为是独立互斥事件，因为定期检修可防止次要故障向重大故障发展。因而可分别绘制仅考虑次要故障和重大故障时中压高频链的状态转移图。
[0117]
对于混合型mmc，当故障全桥子模块数大于备用全桥子模块数xf时，混合型mmc将失去直流侧故障阻断能力；当故障子模块数大于备用半桥子模块数xh与备用全桥子模块数xf之和时，混合型mmc直流侧输出电压将小于额定值，无法保证电能路由器的正常工作，因此定义前述两种状态为混合型mmc的故障状态。
[0118]
请参阅图6和图7，当备用全桥子模块数xf大于不考虑备用情况下的半桥子模块数nh时，半桥子模块全部进入故障状态时，剩余的工作子模块数仍大于正常工作所需的子模式数，桥臂仍能够正常工作。因而其对应的状态转移图与备用全桥子模块数xf小于不考虑备用情况下的半桥子模块数nh的状态转移图不同。
[0119]
主动备用方案和被动备用方案下桥臂的状态转移图是一致的，但是它们运行方式的差别会造成故障转移率有所不同。
[0120]
主动备用方案下，随着故障子模块数增加，剩余工作子模块的电压应力会有所增加，从而导致子模块故障率也会随之增加。该条件下，半桥子模块和全桥子模块的故障率是相互影响的，它们的表达式分别为：
[0121]
h(i,j)＝(h-i)
×
λ
hb
(i+j)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0122]
f(i,j)＝(f-j)
×
λ
fb
(i+j)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0123]
其中，i为桥臂中的故障半桥子模块数；j为桥臂中的故障全桥子模块数；h为桥臂上的总半桥子模块数；f为桥臂上的总全桥子模块数。
[0124]
被动备用方案下，处于工作状态的半桥、全桥子模块数始终分别保持nh，nf不变，该情况下，半桥子模块和全桥子模块的故障率是相互独立的。该条件下，半桥子模块和全桥子模块故障率的表达式分别如下式所示：
[0125]
h(i,j)＝nh×
λ
hb
+(x
h-i)
×
λ
hbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0126][0127]
建立的概率费用模型通过比较设置备用设备前后各种情况下的期望损失减少量和备用设备的投资费用来判断备用方案的经济合理性。
[0128]
结合状态转移图，设置备用设备前和设置备用设备后，电能路由器的期望失效损
失efcq和efch分别由下式计算得到：
[0129][0130][0131]
其中，ca为电能路由器的每小时平均失效费用；pi为失效状态i的发生概率；tc/h为失效状态的平均持续时间；td/h为备用设备安装时间，其中在线备用设备可以直接切入电路中，因此其对应的安装时间为0；m表示备用设备设置前，电能路由器的总失效状态数；m1表示备用设备设置后，系统的总失效状态数；m2表示备用设备设置后，备用设备发生作用的状态数。
[0132]
一台备用设备的等效年度投资成本c可由下式计算得：
[0133][0134]
其中，v为购买备用设备的实际费用；i为折现率；n/年为备用设备的经济寿命。
[0135]
定义备用方案的经济性系数(ef)为备用设备设置前后的期望损失减少量与备用设备的等效投资成本之比：
[0136][0137]
其中，ne为备用设备的数量。
[0138]
s4、模型求解：结合电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，平均无故障时间和经济性系数分别是评估备用方案的可靠性和经济性的参数指标。根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则可以分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案。
[0139]
求解图4所对应的概率方程可得，仅考虑次要故障时中压高频链的可靠度函数如式(24)所示。由于在线冗余备用设备仅针对特定的高频变压器起到备用作用，因此其对中压高频链可靠度的影响反应在不同状态前的乘积系数上。
[0140][0141]
其中，f(m,k,i-1)是总变压器数量为m,在线冗余备用变压器数量为k的情况下，发生故障的(i-1)台变压器都配有在线冗余备用变压器的概率系数，计算方式如下所示：
[0142][0143]
其中，分母为m台变压器中任意i-1台发生故障的情况数；分子为发生故障的i-1台变压器刚好包含在k组配置在线冗余备用变压器的变压器中的情况数，由于故障变压器可能是组内的原装变压器或冗余变压器，所以每台故障变压器都需要乘以系数2。
[0144]
求解图5对应的概率方程可得，仅考虑重大故障时中压高频链的可靠度函数：
unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于电能路由器备用方案量化评估方法的操作，包括：
[0166]
根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；根据故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；结合电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。
[0167]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0168]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关电能路由器备用方案量化评估方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0169]
根据电路拓扑和电路参数查询器件的故障率、修复时间，获取器件的购置价格与经济寿命；根据故障率、修复时间、器件的购置价格与经济寿命构建不同工况下的子模块可靠性模型；建立系统可靠性模型和概率费用模型：利用子模块可靠性模型绘制电能路由器的状态转移图，得到电能路由器的状态转移率矩阵、概率方程和概率费用模型；结合电能路由器的初始状态，求解概率方程和概率费用模型，确定在任意时刻处于不同状态的概率分布，并分别得到系统的可靠度函数、平均无故障时间和经济性系数，根据平均无故障时间最大原则和经济性系数最大原则分别得到可靠性最优和经济性最优的备用方案，根据平均无故障时间和经济性系数选择最优的电能路由器的备用方案，实现系统的可靠与经济运行。
[0170]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0171]
通过一个以中压光伏直流汇集系统为应用背景的具体算例，求解不同备用方案下的电能路由器的可靠度函数以及经济性系数，从而对其可靠性与经济性进行分析和评估。
[0172]
该应用背景下的电能路由器的基本电路参数如表1所示。由电路参数可计算中压高频链和混合型mmc所需得子模块数，逆变子模块数，半桥和全桥子模块数分别为60，4和3。
[0173]
表1电能路由器基本电路参数
[0174][0175]
逆变子模块所含有的igbt模块，参考infineon公司的选型手册，选择型号为fz3600r17he4的igbt模块，其额定电压为1700v，额定电流为3600a。中压高频链各元件的基本可靠性参数表2所示。
[0176]
表2中压高频链各元件的基本可靠性参数
[0177][0178]
离线公用备用变压器的安装时间参考文献资料取675小时。
[0179]
参考文献资料，得到混合型mmc各元件的故障率参数如表3所示。
[0180]
表3混合型mmc各元件的基本故障率参数
[0181][0182][0183]
备用逆变子模块的经济参数参考文献资料，备用半桥和全桥子模块经济参数参考infineon公司官网数据，如表4所示。
[0184]
表4备用设备的经济参数
[0185][0186]
中压高频链和混合型mmc故障都会导致电能路由器停电故障，因此它们的每小时平均失效损失费用等于电能路由器的每小时平均停电损失费用。参考中国新能源发电分析报告，2020年光伏发电的每度电平均发电成本为0.389元，计算电能路由器的每小时平均停电损失费用如下：
[0187]
ca＝0.389
×
p
t
＝2334元
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0188]
参照图4和图5的中压高频链的次要故障和重大故障状态转移图以及图6和图7所示不同备用设置下的混合型mmc状态转移图，可分别得到中压高频链和混合型mmc可靠度函数，通过式(31)可得到电能路由器的可靠度函数。基于可靠性模型，可构建概率费用模型，并因此得到不同备用方案的平均无故障时间mttf和经济性系数ef。图8～图11为具体算例在不同备用方案下，平均无故障时间mttf和经济性系数ef的求解结果。
[0189]
请参阅图8，表示分别对中压高频链增加设置在线冗余变压器和离线公用备用变压器中压高频链的平均无故障时间变化曲线。从图中可以看出，设置离线公用备用变压器对增加中压高频链可靠性的效果更好，但是随着备用数量的增加，平均无故障时间的增长速度也逐渐变缓。因此，中压高频链的备用设置应该优先考虑离线公用备用变压器。
[0190]
请参阅图9，表示在总备用子模块数不变前提下，不同备用全桥子模块数比例对应的混合型mmc的平均无故障时间变化曲线。从图中可以看出，对于主动备用方案，在备用全桥子模块比例为67％时，可靠度最高；被动备用方案在备用全桥子模块比例为100％时，可靠度最高，但是在备用全桥子模块比例超过67％时，系统平均无故障时间的变化幅度已经明显减少。考虑到全桥模块的投资费用大于半桥费用，推荐将备用全桥子模块比例设置为67％，这样可以在保证系统可靠性较高的同时又保证了备用方案的经济性。
[0191]
请参阅图10，表示不同备用方案下，中压高频链的经济性系数分布图。在线冗余备用变压器比例和离线公用备用变压器比例分别为0％和3.4％时，经济性系数ef取得最大值，说明此时的备用方案的经济性最好。
[0192]
请参阅图11，表示不同备用设置下，主动备用方案和被动备用方案下混合型mmc的经济性系数分布图。从图中可以看出主动方案的经济性系数始终大于被动方案，因而对于
该中压系统更适合采用主动备用方案。
[0193]
综上所述，本发明一种电能路由器备用方案量化评估方法及系统，在对电能路由器的基本结构、工作原理与设备备用方案进行详细分析的基础之上，基于马尔可夫过程和可靠性框图对电能路由器进行可靠性建模，可靠性模型综合考虑了故障、修复、备用设备待安装等在实际工程中常出现的状态，以更接近实际工程的方式对装备可靠性进行量化评估。此外，概率费用模型建立在可靠性模型的基础之上，通过比较备用方案引起的损失减少量和投资成本增加量对备用方案的经济性进行量化评估。为电能路由器的设计和量化提供决策依据，有利于促进电能路由器的可靠与经济运行。
[0194]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0195]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0196]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0197]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0198]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。