某工程船供电系统可靠性仿真分析

姜海龙，陈金萌，周祥龙，李连凯



某工程船供电系统可靠性仿真分析

姜海龙1，陈金萌1，周祥龙1，李连凯2

（1. 海军潜艇学院，山东青岛 266199；2. 国家电网辽阳供电公司，辽宁辽阳 111000）

针对船舶供电系统的可靠性计算复杂、工作量巨大的问题，以某工程船直流24 V低压供电系统中的特定配电箱为目标系统，应用可靠性模型与Simulink计算模型的方法，做可靠性分析。依据系统工作原理建立功能框图、可靠性模型框图，根据可靠性计算原理设计Simulink计算模型，并仿真计算。结果显示，所得计算结果与装备实际基本一致；表明通过建立目标系统可靠性模型并配合Simulink计算模型的方法，能够有效应用于船舶供电系统的可靠性计算分析。

可靠性 供电系统 船舶 Simulink

0 引言

供电系统作为船舶的重要组成部分，担负着产生电能和输送电能的任务，供电系统的安全无故障运行对于船舶的正常工作至关重要。为保证供电的可靠性，船舶多采用冗余设计或者贮备系统设计的方式，即采用多路电源供电方式，在主供电电源供电的基础上，再设计一路以上的应急独立电源供电线路，以提高供电可靠性。某工程船直流24 V 低压供电系统中的40号配电箱在两年的运行中，发生了两起断电事故。为分析其可靠性，本文以该配电箱供电支路为目标系统，根据其工作原理，简化功能框图，建立其可靠性工作框图，并依此建立Simulink计算模型，仿真计算其可靠性变化曲线，并分析冗余贮备系统在系统可靠性提高中的作用。

1 装备可靠性与可靠性模型

1.1 可靠性的定义

可靠性自提出以来，从不同的机构和角度，对其定义不尽相同。从工程使用的角度来看，可靠性广义的被认为是产品能够无故障完成任务的能力；在统计学中，可靠性定义为“在规定的时间和给定的条件下，无故障完成规定功能的概率，即可靠度”[1]。我国国军标GJB451-90把可靠性定义为“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”[2]。而在1991年，美国国防部指令DoD D5002.2《国防采办管理政策和程序》中把可靠性定义为“系统及其组成部分在无故障、无退化或不要求保障系统的情况下执行其功能的能力”[3]。由此可见，可靠性主要是用来描述系统或者装备在规定的情境下对其担负任务的完成程度的度量。

1.2 可靠性模型和计算原理

在系统的可靠性分析中，采用建立系统可靠性模型并计算系统可靠度的方法，能够直观准确的对系统进行可靠性的评估分析。可靠度是用来描述系统在规定的时间和条件下，完成规定功能的概率[4]。可靠性模型是指为了预计或估算系统的可靠性而建立的可靠性框图和数学模型[5]。可靠性框图是从可靠性的角度出发研究系统与部件或者子系统之间的逻辑关系图，也是将系统的工作原理图中各部分的物理关系转化为更为直观的功能关系图，其依靠方框和连线的布置，绘制出系统的各个部分发生故障时对系统功能特性的影响。在建立系统可靠性框图过程中，根据系统不同的功能逻辑关系，可以将系统分为串联系统、并联系统、混联系统、贮备系统模型等（如图1所示），并针对不同的可靠性模型，其可靠度计算方法也不尽相同。

图1 典型的系统可靠性模型分类

1.2.1串联系统

对于由n个单元组成的系统，其中任一部件发生故障，系统即出现故障，这样的系统我们称之为串联系统，其可靠性框图如图2所示。

图2 串联系统可靠性框图

如系统中第i个单元其可靠度为Ri(t)，则系统的可靠度为：

对于各单元的寿命服从指数分布时，串联系统的可靠度为：

1.2.2并联系统

组成系统中的所有单元或者所有支路都发生故障时系统才发生故障的系统成为并联系统，并联系统中最为简单的就是冗余系统，如图2所示。并联系统从完成系统功能而言，仅需一个或者一条支路即可完成，设置多单元或多支路并联是为了提高系统的可靠性。

图3 并联系统可靠性框图

以下是并联系统可靠度计算数学模型：

当系统的各单元寿命服从指数分布时，则并联系统的可靠度为：

1.2.3贮备系统

贮备系统由n个部件组成，在初始时刻，一个部件开始工作，剩余的n-1个部件作为贮备。当工作部件故障时，贮备部件逐个地替换故障部件，直到所有n个部件均发生故障，系统才发生故障，图4为贮备系统的可靠性框图。

贮备系统根据转换装置的不同又可分为转换装置完全可靠和转换装置不完全可靠系统。对于转换装置完全可靠的贮备系统，假设其部件同样服从指数分布，其可靠度为：

(5)

图4 贮备系统可靠性模型

对于转换装置不完全可靠的贮备系统，假设其部件同样服从指数分布，Rsw是开关正常的概率，其可靠度为：

而对于实际工作系统通常是由以上几种典型的系统组合而成。因而，对实际进行可靠性分析时，通常根据系统的可靠性框图将系统分为几个简单分系统的组成进行分析，从而简化系统总体分析难度。

2 目标系统可靠性模型建立

2.1 目标系统可靠性功能框图

根据某工程船的电力系统实际工作情况，梳理出40号配电箱的供电支路。该配电箱可以由2台主发电机、应急电源或者2台辅助发电机进行供电。根据该系统的实际工作原理，在供电处上，由两台主发电机作为其主要的供电支路，由应急电源以及两台辅助发电机所构成的另外一套供电支路作为主发电机供电支路的贮备系统。在正常的工作状态下，该配电箱主要由两台主发电机作为供电电源，只有在出现紧急故障时才会转换至应急电源和辅助发电机进行供电。由于我们主要分析考虑40号供电箱的工作可靠度，故我们只考虑：电源→整流装置→电力分配电箱→40号配电箱的工作状态。此次分析，主要是基于整个供电系统供电部件的可靠性分析，系统供电内部的组成单元可靠性不再单独分析，故根据其工作原理和供电顺序关系，建立如下的功能连接原理框图，如图5。F1、F2--主发电机、GB--应急电源、F3、F4--辅助发电机、Q1~10--电气开关、AM1、AM2--交流配电板、AD--直流配电板、熔--熔断器、GM1--逆变器、AR1、AR11--可靠配电板、OF--开关、--/~--整流器、P39--39号分配电箱、P40--40号配电箱。

图5 功能连接原理框图

图6 可靠性框图

图7 分析图

根据所建立的功能连接原理框图，通过对目标系统的供电工作原理和实际选择，建立如图6所示的可靠性框图，Z1、Z2分别是系统中应急供电支路三个供电源转换装置和主应急供电支路转换装置。通过目标系统的可靠性框图可知，该配电箱的所有供电方式中，由两台主发电机所组成的两条主供电支路在可靠性分析中是并联关系，应急电源与两台辅助发电机三条支路所构成的应急供电支路是属于贮备系统。系统总体上分为主发电机供电支路与应急供电支路，应急供电支路是系统的旁联支路，属于备用支路。因而在分析中，采用串并联混联与贮备系统混联的模型分析。

2.2 可靠度计算及仿真模型建立

为分析方便，将系统分为5个简单的分系统进行单独的可靠性分析（如图7所示），经过专家咨询和资料调研得知，目前电气设备所用电气部件的寿命服从指数分布。

1）1号分系统的可靠度计算

由图中可知1号分系统是一个由两条支路各自串联后的并联系统，两条支路分别是一号主发电机支路（包含F1、K1、AM1三个部件串联，总故障率为λF1）和2号主发电机支路（包含F2、K2、AM2三个部件串联，总故障率）。根据可靠度计算公式式（1）（2），则1号分系统的可靠度为：

2）3号分系统的可靠度计算

由框图分析可知，3号分系统属于由三条支路组成的贮备系统。分别是3号辅助发电机供电支路（包含F3、K3两个部件串联，总故障率），4号辅助发电机供电支路（包含F4、K4两个部件串联，总故障率）以及应急电源供电支路（包括GB、K5两个部件串联，总故障率）。根据调研结果，转换装置Z1的可靠性极高，故3号分系统可看做是转换装置完全可靠的贮备系统，根据可靠度计算公式（1）和（3）可得3号分系统的可靠度计算公式为：

(8)

其中，λ和λ的取值范围为{}。

3）2、4、5号分系统的可靠度计算

根据分析框图可知，2、4、5号分系统均是简单串联系统，其可靠度的计算可以依照串联系统的可靠度计算公式进行计算。

图8 40号配电板工作系统可靠度仿真模型

按照图7所示的框图，整个系统是由1、2号分系统形成串联后与3、4号分系统串联之后的分系统之间的形成备用支路关系，然后最终与5号分系统进行串联。按照各个分系统之间的可靠性逻辑关系和各自的可靠度计算公式，建立如图8所示的Simulink模型，整个模型由一个时间t的输入模块作为输入源，用以模拟系统的工作时长，模型主要由五个分系统的可靠度计算模块和之间逻辑串接模块组成，并通过3个示波器分别显示主发电机供电支路随系统工作时长的可靠度变化、贮备应急供电支路随系统工作时长的可靠度变化和分析对象40号配电箱随系统工作时长的可靠度变化。

3 仿真计算分析

在仿真计算参数设置中，默认系统开始工作时系统的可靠度为1，通过专家咨询和实地调研得知，通常在主供电支路供电可靠度低于2/3时需采用应急供电，并对主供电支路进行检修，同时为提高计算仿真结果的可信度，该计算模型设置为主供电电路可靠度低于0.7时自动转入应急供电。通过调研与专家指导，得到各元件的可靠度的估计和故障率的调研了解，对该系统所涉及原件的故障率进行赋值（具体赋值见表1），并分为三部分进行可靠度的变化规律绘算，包括在10000小时内主发电机供电支路的可靠度变化，贮备应急供电支路的可靠度变化，以及40号配电箱工作状况的可靠度变化。

表1 各元件的失效分布参数

图8 40号配电板工作系统可靠度仿真模型

根据所建模型以及对各元件的故障率的赋值，进行Simulink仿真计算，并用Matlab画图工具进行数据图形处理，仿真结果如图9所示：由仿真结果可知，当我们设定正常供电工作状态即主发电机供电的可靠度低于0.7时转入应急供电，在转入应急供电之后40号配电板的工作可靠度有明显的提高，表明由应急电源和辅助发电机组成的贮备系统，很好的提高和改善了该系统的工作可靠度。同时由仿真结果可知，单纯的主发电机供电能够满足3400小时以上的可靠供电，即满足约140天的可靠供电，该仿真数据与系统实际使用时长基本一致，符合该工程船目前的实际工作情况，从而很好的验证了计算模型的准确性。

图9 仿真结果图

4 总结

本文以某工程船直流24 V低压供电系统中的40号配电箱为研究目标，通过分析其功能框图原理，建立其可靠性工作框图，并依据可靠性工作框图结合Simulink建立其可靠度计算模型，对其可靠性变化规律进行仿真分析。通过结果分析显示，贮备系统的加设能够有效地提高目标系统的可靠性，避免系统随工作时长的增加发生不可逆转的故障；同时仿真结果表明，该系统的主供电支路的可靠连续工作时长约3440 h，因而可以以此为参考根据制定该系统的定期检修时间间隔。以目标系统可靠性框图为基础建立的可靠度分析模型，能够有效、准确地定量计算目标系统的可靠性变化趋势，从而为系统设计和维护使用提供依据，提高船舶远航的生命力和战斗力。

[1] 冯静, 孙权等. 装备可靠性与综合保障[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2008.

[2] 王少萍. 工程可靠性[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2000.

[3] Patrick D.T.O’Connor. 实用可靠性工程[M]. 李莉, 等译. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[4] 陆延孝等. 可靠性设计与分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995.

[5] 徐宗昌. 保障性工程[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2002.

Reliability Simulation Analysis of Power Supply System of an Engineering Ship

Jiang Hailong1, Chen Jinmeng1, Zhou Xianglong1, Li Liankai2

(1. Navy Submarine Acdemy, Qingdao 266199, Shandong, China; 2. State Grid Liaoyang Electric Power Supply Company, Liaoyang 11100, Liaoning, China)

TM732

A

1003-4862（2018）11-0005-05

2018-06-06

姜海龙（1971-），男，教授。研究方向：潜艇动力装置安全分析。E-mail: jhlwping@aliyun.com