故障樹在光伏并網系統失效研究中的應用

曹連彬 宋衛平 韓如成

（太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024）

隨著全球各國對太陽能重視不斷的增加，太陽能得到了越來越廣泛的應用，日常生活中光伏并網裝置、太陽能熱水器等也得到了不同程度的運用。隨著光伏裝置的廣泛應用，其電磁兼容性故障診斷是一個不容忽視的問題。因此，光伏并網發電系統的電磁兼容性課題的研究具有一定的理論意義和工程實用價值。

故障樹分析法是故障診斷中的重要方法。本文研究建立并網光伏發電系統的故障樹，通過對系統定性分析找出其所有的最小割集；通過對系統進行定量分析得出各系統的故障概率與其各個基本事件發生的概率；然后在依據統計數據，給出故障診斷的最優排序。

1 基于FTA 的故障診斷方法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）又稱為因果樹分析法，它是目前國際上公認的一種簡單、有效的可靠性分析和故障診斷方法，是指導系統最優化設計、薄弱環節分析和運行維修的有力工具[1]。

此方法把最不希望發生或者已經發生的一個故障事件作為分析目標，然后尋找導致發生此故障的全部直接原因，再找出造成下一級事件發生的全部直接原因，直到那些故障機理為已知的基本因素為止。通常把最不希望發生的事件稱為頂事件，不再深究的事件為基本事件，而介于頂事件與基本事件之間的一切事件稱為中間事件，用相應的符號代表這些事件，再用適當的邏輯門把頂事件、中間事件和基本事件聯結成樹形圖，即故障樹。圖1所示為故障樹系統的故障診斷流程。

圖1 故障樹的診斷流程

將故障樹分析法用于故障診斷時，通常情況下將系統故障作為分析的頂事件，通過分析找出故障原因或原因組合，并將其排除；同時又能為各系統及設備的可靠性定性的和定量分析提供必要的根據[2]。在進行系統分析時首先確定頂上事件，然后根據經驗教訓和事故案例，經統計分析求解各分系統發生的概率（頻率），以此作為要控制的事故目標值，而后畫出故障樹，分析確定所有分系統發生的概率，并進而求出頂上事件（事故）的發生概率，最后分析并比較各分系統發生概率之間的關系。

從而，最小割集其實就是能夠導致各個分系統及設備發生故障的原因的最少組合。圖2所示為帶有工頻隔離變壓器的并網光伏發電系統失電的故障樹模型。

從本質上來說，要快速判斷和確定導致系統發生故障的原因，可通過求各個分系統的關鍵重要度，并通過排序來實現。所謂關鍵重要度[4]，即為單元的失效概率變化率所引起的系統失效概率的變化率，其定義表達式為

式中，g(t)為頂事件的發生概率；Qi(t)為單元i的失 效概率，則為分系統i導致系統失效的概 率，其值越大，說明由分系統i導致系統失效概率就越大。若不考慮故障的平均檢測時間（MTTD），或當各分系統的MTTDi基本相同時，則按照各個分系統的關鍵重要度從大到小來指導其維護即可。

而如果把關鍵重要度與故障的平均檢測時間的比值Ri t(t) =I ti(t)/MTTDi即將故障判明的效率比作為排序根據，按照按由大到小的次序來確定故障診斷的先后順序，這其實也是故障診斷中得到最佳效果的最優方案。

2 應用實例

根據并網光伏發電系統的內部結構及其功能關系，建立如圖所示的故障樹模型，從而可求得系統的最小割集有21 個，分別為{變壓器故障}，{斷路器故障}，{主接線故障}，{蓄電池組故障}，{光伏陣列故障}，{繼電保護故障}，{并網逆變器故障}，{蓄電池充電器故障}，{充電電路故障}，{放電電路故障}，{最大功率點跟蹤控制系統故障}，{主機板故障}，{內存擴展板故障}，{CPU 故障}，{UPS 故障}，{變送器故障}，{Ι/O 板板子故障}，{PT、CT外部設備故障}，{切換板故障}，{電源模塊故障}，{交流電源故障，直流電源故障}。

表1 各個底事件故障數據及結果

若已知各個底事件的故障數據MTBF（iMean Time Between Failures）及MTTDi，則求得與該系統相關數據如表1所示。按R it(t)從大到小的順序，確定該并網光伏發電系統的故障診斷的最優順序為：光伏陣列主接線→主機板→蓄電池組內存擴展板→最大功率點跟蹤控制系統→充電電路→Ι/O板板子→并網逆變器→繼電保護→切換板→斷路器→變壓器→斷路器→蓄電池充電器→放電電路→PT、CT外部設備故障→UPS→CPU→直流電源→電源模塊→交流電源→變送器。

3 結論

當采用基于故障樹理論的方法進行系統故障診斷時，根據各最小割集及各底事件發生的概率可確定系統各個故障方式下發生的概率；對關鍵重要度的排序可確定各個分系統在系統故障中所占比重的大小；而對判明故障效率比排序，可確定故障診斷的最優排序。給定一個系統，故障樹結構即給定，各個底事件的故障分布、發生概率以及故障的平均檢測時間已知，根據實際需要來進行分析即可。

目前，由本校參與的省外某薄膜光伏示范電站并網光伏發電系統，該方法經過初步實踐驗證具有切實可行性，并取得了較好的效果。

[1] 王江萍.機械設備故障診斷技術及應用[M].西安:西北工業大學出版社,2001:2-6.

[2] 維齊利W E.故障樹手冊[M].稀松桂,唐信青譯.北京:原子能出版社,1987: 116-135.

[3] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安:西安交通大學出版社,1989.

[4] 虞和濟,侯廣林.故障診斷的專家系統[M].北京:冶金工業出版社,1991.