直流配电网设备可靠性建模及冗余配置分析

张页川，夏昌浩，覃 涛

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443000；2.长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443000）

引言

作为电力系统的关键环节，配电网的安全稳定运行是保障电力系统可靠性的重要一环。因而，配电网设备的可靠性成为了热点研究问题。目前国内外已有诸多学者对直流配电网的可靠性进行了研究。文献[1]对直流配电网设备的可靠性参数进行了研究，并给出了相关建议；文献[2]研究了冗余设置对系统可靠性的影响；文献[3]对直流配电网的优化配置方案进行了研究；文献[4]通过不同设备可靠性参数的评估，计算了系统的可靠性指标；文献[5]对分布式电源接入直流配电网后，对系统可靠性的影响进行了研究。

1 设备的可靠性模型

对于完整的直流配电系统，配电网络的基本组件包括不同类型的设备，例如直流变压器、断路器和柔性直流换流站。可靠性函数表示组件在时间t之前不会发生故障的概率，可以由下式表示：

式中，f(t)为可靠性函数；n为故障率。

可靠性框图通常可以有串联等值系统和并联等值系统，串联的可靠性函数及故障率分别为：

并联等值系统的可靠性函数及故障率分别为：

2 关键设备冗余配置分析

2.1 不同冗余元件的影响

根据柔性直流换流站中各个功能组件的划分，分析冗余对换流站整体可靠性的影响，例如交流及其辅助设备、直流及其辅助设备、控制和保护系统以及子模块。不同配置模式下的设备可靠性和无故障工作时间关系如图1所示。

图2为换流站平均无故障运行时间，由图2可得，当换流阀组配备10%的冗余子模块时，系统的整体可靠性将大幅提高，换流站故障之间的平均间隔时间将从0.380 23年增加到1.011 18年。因此，冗余子模块的配置可以使换流阀组和灵活的直流换流站的可靠性最大化。

2.2 不同冗余度的影响

设置冗余度分别为10%，20%和30%时，系统可靠性的变化趋势如图3所示。

图4为换流阀组平均无故障运行时间。由图4可知，随着设备中冗余子模块数量的增加，转换阀组的可靠性将持续提高。如果配置了20%的冗余子模块，则转换阀组无故障运行到1.5年的可能性约为96%。通常，换流站的计划维护周期为1年或1.5年。因此，中压转换器阀组的20%冗余子模块可以实现更好的实际工程可靠性。

2.3 不同冗余运行方式的影响

以20%冗余子模块为参考数，分别考虑三种不同冗余操作策略下换流阀组的可靠性参数。仿真结果如图5、图6所示。

由图5、图6可知，主动与备用冗余运行方式均会提高系统的可靠性。采用负载分担运行方式，可进一步提高设备的可靠性水平和无故障工作时间。这是因为与传统的工作模式相比，负载共享模式下单个子模块的电压应力有所降低，单个子模块故障概率的降低也降低了整体故障率。在这三种冗余策略中，负载共享冗余用于集成换流阀组。最重要的原因是IGBT模块和电容器的可靠性受电压应力的影响很大。因此降低电压应力有利于降低内部组件的故障率，从而提高设备的整体可靠性。

3 结论

对冗余配置对系统可靠性的影响进行仿真计算发现，冗余配置可以在一定程度上提高系统的可靠性。在直流配电网的实际工程中，应考虑可靠性和设备成本，选择电力电子设备的冗余配置数量和相应的冗余运行模式。