【精彩论文】基于分层马尔可夫的可修复稳定控制系统可靠性分析

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郄朝辉，李威，崔晓丹，刘福锁

南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司

引文信息

郄朝辉, 李威, 崔晓丹, 等. 基于分层马尔可夫的可修复稳定控制系统可靠性分析[J]. 中国电力, 2020, 53(3): 101-109.

Qie Zhaohui, Li Wei, CUI Xiaodan, et al. Reliability Analysis of Repairable Stable Control System Based on Hierarchical Markov[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 101-109.

研究背景

中国正处在特高压电网高速发展期，电网特性持续发生重要变化，对电网安全运行提出了新的要求，电网对稳控系统的依赖性也大大加强。随着电网稳定控制系统（简称稳控系统）复杂性不断增强, 其可靠性和安全性已经成为系统设计的重要指标。因此，从可靠性的角度来分析稳控系统，是对稳控系统设计、架构和运维等方面评估的一个重要方面。长期以来，对于电力系统可靠性的研究大多集中在一次系统，部分学者对一道防线中继电保护的可靠性进行了研究，而对于二、三道防线中稳控系统的可靠性建模分析尚属空白。

论文所解决的问题及意义

本文根据稳控系统冗余配置和多系统表决的功能结构特点，通过分层马尔可夫的建模计算方法解决了直接建模计算量大的难题，建立了稳控系统的可靠性分析模型。通过研究稳控系统整体架构、装置故障概率、自检成功率、检修频率等指标对拒动和误动概率影响的关键因素，指导稳控系统层级架构、装置开发和运维管理，支撑系统安全可靠运行。

论文重点内容

稳控系统动作过程可划分为按照故障识别、协调控制措施制定、措施分发和执行四个步骤，实现多种故障场景下的控制策略执行。稳控系统动作过程简化为3个装置（例如直流控制主站、控制总站、抽蓄控制主站）组成的串联系统，控制子站和执行站装置结构和控制较为简单，简化为表决系统，组合实现多串联冗余系统表决并执行的控制过程。

图1 稳控系统建模

按照现场稳控系统实际运维情况，将典型稳控系统装置分为四种状态，NOR为装置的正常状态，此时装置正常运行，无拒动误动风险；SRV为装置检修或隔离状态，此时装置处于隔离状态，不参与控制策略；ERR为装置处于自检异常状态，此时装置会闭锁；HID为装置处于隐形故障状态，此时装置未检测到异常，有拒动误动风险。建立了单装置模型：

图2 单装置的马尔可夫过程

并对稳控系统做出假设：（1）稳控系统中各个单元、装置的故障发生率及维修率服从指数分布，与当前所处状态无关，且不同装置的故障率及维修率不相关。（2）不考虑人为失误的影响。（3）装置处于SRV状态后，可通过软件系统升级、硬件系统更换或修复等方式使系统处于NOR状态。装置检修后，完全恢复至正常状态。

将稳控系统的串联系统也划分为NOR=0、SRV=1、ERR=2和HID=3等4种状态，将串联系统所有状态通过概率转化为4种状态。若具备3个或以上串联系统SRV或ERR状态，则稳控系统自动判断为闭锁，并退出运行。电网正常情况下，由表决系统特性可知，若具备2个或以上串联系统HID状态，则稳控系统存在误动风险,并建立稳控系统的模型。

目前各大分区电网稳控系统可靠性分析模型参数难以获取，本文主要侧重于稳控系统可靠性和规律性的分析，对模型参数做了一定假设，研究了模型参数对稳控系统可靠性的影响。

图3 误动概率和自检概率st_i 的关系

图4 误动概率和定期检修概率μ_θi 的关系

研究结论

为提高稳控系统动作可靠性，目前采用了多套冗余系统进行表决的架构，这种复杂的结构对进一步提高系统可靠性有新的要求。

1、多套冗余系统进行表决的架构增加了控制系统的复杂性，隐形异常逐渐积累，是系统拒动和误动的主要风险来源。

2、降低稳控系统单装置的故障率和提高装置故障的自检成功率，依旧是降低拒动、误动概率的有效手段。

3、稳控系统定期检修能够将异常装置恢复至正常，但是也增加了系统的扰动，不合理的定期检修安排可能降低系统整体可靠性水平。

因此，稳控架构需要根据单装置运行的故障概率、自检成功率等实际能力设计稳控系统架构层级，合理安排定期检修，从整体上提高可靠性。

主要作者介绍

第一作者（通信作者）：郄朝辉，男，高级工程师，从事电力系统安全稳定分析，故障解列、低频低压减载、备用电源自投等安控装置的开发。

E-mail: [e-mail]。

第二作者：李威，男，研究员级高级工程师，从事电网安全分析控制科研和工程产业化应用。

E-mail: [e-mail]。

团队介绍

南瑞集团电网安全稳定分析团正逐步成为电网安全稳定技术研究领域中最具实力的一支技术队伍，该团队是国家电网公司首批12支科技攻关团队之一，也是唯一从事电网安全运行风险研究的攻关团队。主要研究方向包括：（1）大电网安全稳定动态特性和运行风险的量化分析理论和技术；（2）融合电网实测信息的大电网安全稳定运行风险在线快速智能化评估技术、多级分层控制自适应协调决策技术；（3）大电网安全运行风险受外部自然环境影响的量化评估、相继故障的在线仿真与风险评估技术；（4）大规模新能源并网及控制技术研究。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：许晓艳

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