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在信息不足的情况下比较系统可靠性：适用于HVDC换流站
H.-D. Kochs, P. Kongniratsaikul, F. Lutz
摘要——作者在统计数据有限、信息不足和技术上有差异的前提下，分别应用了不同的可靠性评估方法来比较不同类型的HVDC换流站的可靠性。为了克服干扰，作者将针对已知组件和基本故障率的电子和微电子器件建立的MIL-HDBK-217F（“部件计数可靠性预测”）思想应用于HVDC换流站。然而，应考虑到应用此思想得出的结论和实际情况之间的差异。发电厂的组件通常是定制设计的，可以看作一个个抽象单元（宏组件的制造工艺、结构和保护方式可能不同）。由于其数据复杂，编译繁琐，统计数据非常有限。本文所描述的方法不仅适用于文中所提到的HVDC换流站，还适用于其他类似的问题（可扩展），尤其是早期设计阶段。
关键词——可利用率，HVDC，可靠性
I. 引言
可靠性评估程序是系统设计和开发中常用的工作工具，以下特性和要求对于可靠性建模和评估可能有重大影响：
1）规范数据（例如结构、环境、保护方式）；
2）统计数据基础（包括组件和系统的定义，将“微组件”纳入“宏组件”）；
3）专家知识（例如来自文学和专家访谈）；
4）将完善的实战系统与新概念新技术相比较（例如在早期设计阶段，将常用技术与新技术进行比较）
由于现有知识和统计数据有限，对这些特性的采集通常不完整或不够丰富。
在本文中，我们讨论的是缺乏上述特性信息时依然适用的系统，尤其是和采集到上述四点特征信息的系统相比（在早期设计阶段）依然能良好运行的系统。以三个HVDC换流站为例，将该系统应用于其中。
II. 示例概述
本节对示例的系统方面进行了概述，这对于本文要介绍的方法是必不可少的。更多关于HVDC换流站的详细信息， 请参阅指定文献。
高压直流输电（HVDC）用于长距离的电力传输，同样也是海上风电场进行远距离输电的极佳方式。日前，一种能与“传统”、“经典”HVDC换流站相竞争的新型HVDC换流站诞生了。本文的重点在于评估和比较以下几种HVDC换流站的可靠性：
bull; HVDC LCC，基于电网换向的换流站
bull; HVDC VSC，基于电压源换流器的换流站
bull; HVDC INT，基于集成电力电子的新概念换流站
HVDC LCC已经投运了几十年，其可靠性统计数据已被广泛使用，而近年来HVDC VSC也开始投运，并有了相对有限的统计数据。相反地，HVDC INT是一个新概念，目前只存在一个模型，没有统计数据可以使用。本文的要点之一是建立通用的HVDC可靠性模型，以便于比较不同类型HVDC换流站的可靠性。
- HVDC LCC
HVDC LCC和“经典”HVDC是最常见的HVDC传输系统。虽然它们的配置不同，但它们的基本组件都是类似的、可共享的。HVDC LCC换流站的典型功能结构如图1（a）中的LCC-1所示。
若要防止外界恶劣环境（如潮湿、盐（在沿海地区）、沙尘）的伤害，可将设备置于室内或封装在特定空间中。有一种改进方案是使用封装的交流开关柜或直流开关柜，这种改进方案如图1（b）中的LCC-2所示。
关于HVDC LCC的统计数据来自于国际大电网会议。国际大电网会议定义了以下四个有统计数据可用的宏组件：AC-E,V, DC-E和Camp;P（如图1（e）所示）。这些宏组件是其他类型换流站的常用基础部分。
图1 系统结构和组件 a)HVDC LCC-1换流站（参考结构） b)HVDC LCC-2换流站 c)HVDC VSC换流站 d)HVDC INT换流站 e)在CIGRE记录有可靠性数据的宏组件 f)在CIGRE记录有可靠性数据的HVDC换流站串联可靠性结构
B. HVDC VSC
在20世纪90年代中期，另一种叫HVDC VSC的HVDC概念被开发出来。其电压通常被划分为二到三个电压等级，不同的制造商对此命名不同。图1（c）中标出了HVDC VSC换流站的简图，将其标记为VSC。
与HVDC LCC相比，HVDC VSC使用时间相对较短，所以目前关于它的信息很少，尤其是在本文中将深入使用的可靠性数据。
电压源换流器也用于另一种名为HVDC MMC（模块化多电平换流器）的新HVDC中，使其产生更高电压等级的电压。本文不涉及HVDC MMC换流站的可靠性估算。
C. HVDC INT
HVDC INT是一种旨在降低对滤波器的要求、缩小HVDC换流站的尺寸和集成电力电子的HVDC概念。HVDC INT的结构如图1（d）所示。它的主要特征概括如下：进行补偿或无功功率补偿时无需交流滤波器和直流滤波器；阀门基于IGBT，如HVDC VSC；阀与直流部件一起和换流变压器封装在同一容器中；阀门冷却和换流变压器封装在同一个容器中。值得注意的是，组件是完全封装的，如图1（d）所示。
HVDC LCC和HVDC VSC是已经多年良好运行的换流站，而HVDC INT还只是一个处于早期设计阶段的概念（和模型）。
III. 系统可靠性基础
可靠性评估方法基于以下两种类别的可靠性数据，即：
- 可靠性手册中的数据，其中需要详细规定组件和系统结构
- 相似系统多年运行中记录的统计可靠性字段数据
HVDC换流站没有详细的组件和系统结构记录，因此不能使用第一种类别的数据。MIL-HDBK-217F是一个广泛使用的公认准则，用于估算电力系统的可靠性。MIL-HDBK-217F（原文）中提出了两种方法：
PCRP “部件数可靠性预测”适用于信息不足时，如投标方案和早期设计阶段。这种方法使用的是数量和质量的“通用因素”。
PSAP 当设计完成了大部分且有关于部件应力的详细列表时，可用“部件应力分析预测”。由于可靠性数据不足，组件信息不足，且包括HVDC换流站的控制结构在内的系统结构复杂（数据类别1），PSAP不能应用。
如果没有足够的信息可用，则约定PCRP使用统计可靠性数据（数据类别2）。
在本文中，PCRP最初是为“已定义的”电子和微电子设备开发的，用于以类似确定大规模HVDC换流站的可靠性的扩展和应用。
然而，HVDC换流站的部件通常是定制的（而非批量生产），并且只能被认为是抽象单元（宏组件，图1(e)），在技术、结构和保护方面可能存在差异。MIL-HDBK-217F和它的差异之处在于其所有组件都是通用和标准化的。
宏组件的定义（定制组件的功能和逻辑组合，图1(a)-(d)）、影响因素、分数和量化函数及其对系统可靠性的影响是HVDC换流站可靠性、可用性评估和比较中的关键步骤。
在本文中，可靠性等价于可用性，参见第七节。
IV. 发展HVDC换流站的可比较系统结构
如第二节所述，迄今发现的统计操作数据（中断数据）仅适用于HVDC LCC（图1(a)和图1(b)）的组件，而可用于HVDC VSC可能非常少，并且没有可用于HVDC INT（图1(c)和图1(d)）的统计操作数据。对于所有HVDC换流站，具有CIGRE中定义的宏组件的串行可靠性结构被视为共同基础：AC-E（交流和辅助设备），V（阀门），DC-E（直流和辅助设备），Camp;P（控制和保护），O（其他）。这五个宏组件串联相接（图1(f)）。
宏组件的基本可靠性指标是“中断率”和“修复率”。实际上，不是所有组件的可靠性都可以由这些指标表示，尤其是当组件的结构、环境和技术方面各不相同时。因此，要点在于识别和计算所有影响中断和修复率从而影响系统可靠性的因素。
影响因素(pi;)可以定性评估,例如通过文本描述，以及数量，测量或度量（分数）来定量。
对于不同HVDC变电站的可靠性评估，五个宏组件（图1，在CIGRE中有定义）被视为所有三个变电站的共同基础，其影响因素各不相同。
宏分量的影响因素由分数（数字）量化并组合到量化函数。 利用影响因素的分数（“更好”或“更差”，或它们之间的任何分级，取决于知识/信息的水平），通常可以考虑第1节的不同约束并比较不同的系统结构。根据基本指标中断率lambda;和修复率mu;，分别存在两个对应的量化函数f（...）和g（...）。假设存在n个影响基本中断率的因素和m个影响基本修复率的因素，两个量化函数（其中C表示系统S的分量）可表示如下：
利用所有影响因素彼此独立的数学条件，对（1）和（2）的多变量量化函数可以通过单变量量化函数（同态）乘以
类似的条件在可靠性手册和标准中被广泛使用。一般过程：若存在系统宏组件C的可靠性指数（表示为S1），则其他系统的宏组件的可靠性指数可通过（3）和（4）中基本系统的替换来估计，替换后的新系统命名为S2。最终方程如下。
利用这些函数，则无需计算出基本可靠性指标lambda;Base和mu;Base （（3）和（4）），它们可以是未知的。影响因素和量化函数必须由专家评估和定义。
值得一提的是，在没有全面精确的可靠性数据可用或者系统结构太复杂而信息有限的情况下，这种方法是近似方法（估计），这是HVDC换流站的情况。
V.高压直流系统的影响因素
本文中影响因素的信息/知识受以下两种影响因素的限制：
- 表示组件复杂性特征影响或结构/物理差异影响的结构因子。
- 保护因素，表示保护机构免受部件危险环境的影响。保护等级分为四类：室外，室内，封装和特殊（套管）（见图1）。
每个HVDC换流站都有一组修复、替换和维护的过程，不同HVDC换流站在此过程中花费的时间大致相同，因此对于所有系统使用同一修复率，且仅考虑中断率的影响因素。
在本文中，来自CIGRE的关于HVDC LCC六年的统计操作数据用于宏组件（图1）：AC-E，V，DC-E，C＆P和O，它们以串联形式呈现在逻辑图（图1（f））中。
与（5）和（6）相对应的宏组件系统可靠性模型在图2中示出。HVDC变电站的影响因素通过从“较低/较差”到“较高/较好”的分值进行分类，为了简单起见，其在数值上取-2到 2，即pi;isin;{-2， 1， 2}。 用一套简单的规则定义每个影响因素的分值。这套规则如下：
bull; 以LCC-1的分值为参考，其中采用统计数据（CIGRE数据），并将分值默认为0。
bull; 得分将存在于-2（更差/更低）到 2（更好/更高）的范围内，它们之间的差别和等级取决于知识/信息的水平。
bull; 若一宏组件在参考结构中可用，但在其他结构中不可用，则为后者加2分（缺失的组件不会失效）。
bull; 若一宏组件在参考结构中不可用，但在其他结构中可用，则后者分数-2。
影响因素的数值分数在-2（更差）到 2（更好）之间，它们之间的差别取决于知识/信息的水平，可根据可靠性思考和比较组件的不同复杂性特征。
根据影响因素的定义，所得分数指示着组件可靠性/可用性的改善或劣化。较高的正分数意味着较低的中断率，反之亦然。因此，（1）至（6）中的量化函数是单调递减的，参见下一节中的（9）。所有影响因素和相应的得分显示在表I中，其为专业知识和文献分析的结果。
图2.用于比较的宏组件模型
表I
影响因素和分值的总结
VI.量化函数
影响因素被量化并与每个分量的量化函数f（...）结合。很少有关于每个影响因素对相应部件可靠性影响大小的信息，例如AC滤波器对AC-E可靠性的影响大小。在本文中，仅使用一个线性量化函数（7）作为示例。这种量化函数基于现有的较高保护的组件具有相对高的可靠性的论证。
线性函数参数x1和x2通过使用封装（ 2保护因子）和室外（ 0保护因子）开关设备的每间隔比故障率来确定。
因为可靠性数据基于HVDC LCC，因此可以假定fexample（ 0）= 1，即分值为0的影响因子对HVDC LCC没有影响。量化函数进一步从0降到-2（参见图3）。该线性量化函数公式如下：
同理可得其他影响因子pi;lambda;，S，C，i的量化函数fi（pi;lambda;，S，C，i）。如果有更多的条件，也可以使用非线性量化函数。在[23]中提到了可能的量化函数及其对结果的影响的例子。根据可用的信息，可以为其相应的影响因子找到适当的量化函数。而在该HVDC示例中，使用示例（pi;lambda;，S，C，i）作为所有量化函数fi（pi;lambda;，S，C，i）的第一测量。
等式（9）和（10）用于（5）中的可靠性评估。
在考虑修复率的情况下，不定义定量函数，并且使用LCC-1的修复率，参见第V节开头处的注释。
VII.可靠性指标
每个HVDC换流站（实际上只是一个概念）被建模为包括系统上升状态US、系统无故障（操作）状态和因系统故障（停电）导致系统停机状态DS的双状态随机过程。基本系统可靠性指标是
P (US) 操作概率（可用性）
P (DS) 中断
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