基于二元事故樹電氣系統(tǒng)可靠性評價方法

趙群

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 遼寧 葫蘆島 125003）

電氣系統(tǒng)是現(xiàn)在各個領(lǐng)域中最常見的系統(tǒng)，其可靠性直接影響著所在系統(tǒng)的整體性能。從系統(tǒng)角度分析，其可靠性可分為兩個部分進(jìn)行研究。一是組成系統(tǒng)的基本元件，這些元件的性質(zhì)作用到自身的可靠性，進(jìn)而影響這個電氣系統(tǒng)的可靠性。二是系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，就是基本元件的組成方式，組成方式的不同將直接決定元件影響系統(tǒng)可靠性的作用程度。整個系統(tǒng)的可靠性是兩者的有機(jī)結(jié)合。但是這些研究并沒有考慮在多因素影響的條件下，元件本身的故障概率分布，更沒有研究這些元件所構(gòu)成系統(tǒng)的故障概率分布情況。

對于電器系統(tǒng)中的二極管元件，它的故障概率就與工作時間的長短、工作溫度的大小、通過電流及電壓等有直接關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)故障是由于元件損壞引起的，且通過更換元件進(jìn)行故障排除。那么元件的使用時間將成為影響元件可靠性的關(guān)鍵因素，這個因素影響故障概率的程度服從指數(shù)表達(dá)式。另一個因素就是工作溫度，明顯地，對于電氣元件溫度過高和過低都會導(dǎo)致其可靠性的下降和故障率的上升，基本服從余弦曲線。首先構(gòu)建電器元件的基于使用時間（t）和工作溫度（c）的故障概率空間，然后運用事故樹對系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，進(jìn)而化簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)各個原件的故障概率空間繪制整個系統(tǒng)的故障概率空間。表明，經(jīng)典事故樹無法表示多因素影響條件下，單個元件的故障情況。只能使用二元甚至多元事故樹才能描述多因素影響下的元件故障情況，進(jìn)而描述多個元件組成系統(tǒng)的故障概率的分布。

1 電氣元件可靠性分析

為更好的進(jìn)行描述，這里設(shè)計簡單的電器系統(tǒng)進(jìn)行論述，該系統(tǒng)由二極管組成，二極管的額定工作狀態(tài)受很多因素影響，其中主要的是t和c。針對由這兩個因素影響的電器系統(tǒng)作為研究對象。系統(tǒng)中有五個基本元件 X1、X2、X3、X4、X5，并設(shè)為受t和c有明顯影響的元件，其經(jīng)典事故樹圖1所示。該系統(tǒng)的事故樹化簡得:T=X1X2X3+X1X4+X3X5。

實施例為圖1所示的電氣系統(tǒng)。

圖1 電氣系統(tǒng)的事故樹Fig.1 Electrical system fault tree

系統(tǒng)中的 5 個基本電氣元件 X1、X2、X3、X4、X5的故障概率，都是受到t和 c的影響，即元件的故障概率Pi(t,c)，其中同下，是t和c作為自變量的函數(shù)。當(dāng)t和c兩方面之一故障時元件就發(fā)生故障，根據(jù)邏輯或的概念Pi(t,c)如下式：

式中：λ為單元故障率，A為溫度變化范圍。

實際上不同類型的元件有不同的使用時間壽命和適宜工作溫度的范圍，假設(shè)了他們的使用范圍，研究的工作時間范圍 t∈[0,100]天，工作溫度區(qū)間 c∈[0,50]°C。 并根據(jù)式（2）和式（3）計算得到各個范圍內(nèi)的表達(dá)函數(shù)關(guān)系。在各自研究范圍內(nèi)不是連續(xù)的，而是分段函數(shù)。各函數(shù)的分段表示如表1所示。

表1 (t)和(c)在研究區(qū)域內(nèi)的表達(dá)式Tab.1 &ps expression in the study area

表1 (t)和(c)在研究區(qū)域內(nèi)的表達(dá)式Tab.1 &ps expression in the study area

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由表2和公式（1）可構(gòu)造出系統(tǒng)元件的故障概率空間分布及其等值曲線，如圖2所示。

圖2中，X1～5的故障概率空間分布及其等值曲線都是不一樣的，這是由于其t和c的影響造成的。就工作時間t而言在各元件的研究時間區(qū)域內(nèi)，故障概率空間分布圖中有兩個或3個區(qū)域的故障概率明顯降低，是由于元件達(dá)到故障概率0.999 9時更換新元件造成的。實際上這個更換時的故障概率可以通過設(shè)定整個系統(tǒng)的故障概率，使用多元事故樹空間理論反演得到，實際計算得到的故障概率要小得多。就工作溫度c而言，由于使用余弦曲線作為表示函數(shù)，故障概率最小的位置在適應(yīng)溫度范圍的中間處。從圖像上看，元件故障概率較小的部位集中在溫度范圍的中間區(qū)域。但是，元件事故概率可以接受的范圍在圖上是較少的，這是由于使用二元事故樹表示元件故障概率的必然結(jié)果。兩個概率的疊加使元件總體故障概率增加了，這種現(xiàn)象使用經(jīng)典事故樹是無法分析的。當(dāng)然，也有元件更換周期過長的原因。

2 電氣系統(tǒng)可靠性分析

由圖1系統(tǒng)事故樹化簡得，式（4）如下：

由經(jīng)典事故樹理論得到系統(tǒng)故障（頂上事件）發(fā)生概率，如式（5）所示：

由式（5）可知，PT(t,c)是反映電氣系統(tǒng)故障概率的函數(shù)，該函數(shù)由 P1～5(t，c)決定，又由式（1），可知 PT(t,c)是由和即是由 t和 c的函數(shù)，由 PT(t,c)、t和 c 構(gòu)成的三維概率空間分布及其等值曲線如圖3所示。

3 結(jié)果分析

圖2 X1～5的故障概率空間分布及其等值曲線Fig.2 X1～5spatial distribution of failure probability and equivalent curve

圖3 系統(tǒng)故障三維概率空間分布及其等值曲線Fig.3 Three-dimensional spatial distribution of the probability of system failure and Its equivalent curve

從圖3上圖可知，系統(tǒng)故障概率在t=0時刻附近最低，主要原因是系統(tǒng)中所有元件在t=0時刻同時進(jìn)入使用狀態(tài)，這段時間各個元件的故障概率都很低，使整個系統(tǒng)的故障概率降低。在使用溫度方面，多數(shù)元件的使用溫度都在20°C到30°C，所以系統(tǒng)在這個溫度區(qū)間工作的故障概率較低。但是隨著時間的發(fā)展，元件的故障概率不斷增大，開始有元件被替換掉，同時其他元件還維持原有故障概率曲線趨勢繼續(xù)發(fā)展，使更換的新元件對系統(tǒng)故障概率減小的作用被抵消。各元件的更換周期不同導(dǎo)致新元件提高系統(tǒng)可靠性的能力相互抵消，使除t=0附近外其他區(qū)域的系統(tǒng)故障率很高。圖3下圖可看出，各個故障概率形成孤島，除上面分析的特點外，各孤島的在溫度上的中心并不一致，這也反映了在該時刻更換了元件并且這些元件的適應(yīng)溫度范圍都不一樣。

4 結(jié)論

實際上，二元事故樹對系統(tǒng)故障概率的分析，得到的空間概率分布圖，完全可以應(yīng)用到更為廣泛的實際問題分析。比如可以根據(jù)上文中的分布結(jié)果，調(diào)整各個元件的更換周期，使在時間連續(xù)的范圍內(nèi)系統(tǒng)故障概率一直保存小于某個值，這個值可能是外界對系統(tǒng)可靠性的要求。進(jìn)一步，可以通過滿足這個外界對系統(tǒng)要求的可靠性的所有更換元件的方案中，找出更換周期最長，即更換頻率最小的一組方案，從而節(jié)省開支。這對實際的系統(tǒng)也是重要的。上述分析證明二元或多元事故樹對電氣系統(tǒng)的分析是全面的，具體的，可以看出各個元件和整個系統(tǒng)對于工作時間t和使用溫度c的分布關(guān)系，從而應(yīng)用到較為現(xiàn)實的問題中。

[1]金朝光,林焰,紀(jì)卓尚,基于模糊集理論事件樹分析方法在風(fēng)險分析中應(yīng)用[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2003,43(1):97-100.JIN Zhao-hun,LIN Yan,JI Zhuo-shang,Application of event tree analysis based on fuzzy sets in risk analysis[J].Journal of Dalian University of Technology,2003,43(1):97-100.

[2]徐亨成,張建國.基于BDD技術(shù)下的故障樹重要度分析[J].電子機(jī)械工程,2003,19(6):1-4.XU Heng-cheng,ZHANG Jian-guo.The Importance Analysis of Fault Tree Based-on the Binary Decision Diagrams(BDD)Technique[J].Electro-Mechanical Engineering,2003,19(6):1-4.

[3]張超,馬存寶,胡云蘭,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的選擇故障樹遍歷方法的研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006,26(2):121-123.ZHANG Chao,NA Cun-bao,HU Yun-lan,et al.On choosing the best traversal approach of fault tree based on neural network [J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2006,26(2):121-123.

[4]潘久平,侯博淵,韓雪霞.系統(tǒng)可靠性有向故障流圖模型及DMA算法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1994,14(6):24-28.PAN Jiu-ping,HOU Bo-yuan,HAN Xue-xia.Directed fault graph model and DMA algorithm of system reliability[J].Systems Engineering-Theory&Practice,1994,14(6):24-28.

[5]楊國旺,王均華,楊淑英.;故障樹分析法在大型電力變壓器故障研究中的應(yīng)用 [C]//2006電力系統(tǒng)自動化學(xué)術(shù)交流研討大會論文集，2006.

[6]汪隆君.電網(wǎng)可靠性評估方法及可靠性基礎(chǔ)理論研究[D].廣州：華南理工大學(xué).2010年.

[7]曾聲奎.系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,2001.

[8]孫毅彪.基于BDD故障樹分析的海關(guān)風(fēng)險識別理論及其應(yīng)用[J].運籌與管理,2008,17(2):501.SUN Yi-biao.A theory and its application of binary decision diagrams based fault tree analysis in customs risk identification[J].Operations Research And Management Science,2008,17(2):501.

[9]王少萍.工程可靠性[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2000.