關(guān)于熱工保護(hù)信號(hào)可靠性的一些基本概念

1、關(guān)于熱工保護(hù)信號(hào)可靠性的一些基本概念淮安維信儀器儀表有限公司 高維信2004.1.23評(píng)價(jià)汽包水位監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)各種不同的設(shè)計(jì)，進(jìn)行監(jiān)視主表和保護(hù)儀表的選型，都要進(jìn)行可靠性比較。因此熱控工程師必須具備可靠性的一些基本知識(shí)。這里介紹關(guān)于可靠性的一些基本概念，將有助于汽包水位監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)一體化改進(jìn)設(shè)計(jì)。關(guān)于可靠性的一般理論控制系統(tǒng)可靠性的定參數(shù)值應(yīng)理解為：在一定的使用條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，能完成設(shè)定功能的概率。必須指出，這種廣義的特性在實(shí)際使用中往往是不合適的，比如它不能評(píng)定控制保護(hù)系統(tǒng)工作和使用階段對(duì)可靠性的影響，運(yùn)用無(wú)故障率、可恢復(fù)性、準(zhǔn)備程度等指標(biāo)評(píng)估可靠性是合適的。這些指標(biāo)都是時(shí)間的隨機(jī)量。無(wú)

2、故障率是控制系統(tǒng)可靠性主要的和有決定意義的組成部分之一，其定義為：在實(shí)際使用條件下和所要求期間內(nèi)，它的參數(shù)處于給定公差范圍內(nèi)的概率，記為P?？煽啃杂?jì)算時(shí)，可以使用無(wú)故障率，也可以使用與它對(duì)應(yīng)的量失效率Q。P+Q=1 （0 P 1，0 Q 1）-（1）在多數(shù)情況下，比如比較可靠性特性和近似計(jì)算時(shí)，使用Q更為方便。對(duì)于熱工保護(hù)，失效的形式為拒動(dòng)和誤動(dòng)兩種類型。當(dāng)保護(hù)對(duì)象運(yùn)行參數(shù)未達(dá)到或未超過保護(hù)定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作叫誤動(dòng)；已等于或已超過保護(hù)定值時(shí)，保護(hù)不動(dòng)作叫拒動(dòng)。通常，失效的特點(diǎn)取決于元件和儀表的類型以及它的線路和結(jié)構(gòu)。熱工保護(hù)系統(tǒng)由輸出開關(guān)量信號(hào)的測(cè)量?jī)x表、信號(hào)邏輯運(yùn)算與功率放大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)環(huán)節(jié)

3、串聯(lián)組成。串聯(lián)系統(tǒng)故障率為組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)故障率之和。顯然，保護(hù)系統(tǒng)的故障率取決于故障率最大的哪個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于汽包水位保護(hù)系統(tǒng)，運(yùn)行實(shí)際表明，進(jìn)行信號(hào)邏輯運(yùn)算與功率放大的DCS裝置可靠性很高，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性也較高，汽包水位測(cè)量環(huán)節(jié)故障率最大，是滿缺水保護(hù)不能投運(yùn)的主要原因。降低故障率的途徑有二：一是提高測(cè)量?jī)x表的可靠性，二是仍利用現(xiàn)有市售儀表，進(jìn)行保護(hù)測(cè)量信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變換，如使用備份等。通常使用的信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有：由一個(gè)測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的單信號(hào)回路、由兩個(gè)測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的雙信號(hào)串、并聯(lián)回路，由三個(gè)測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的三信號(hào)選擇網(wǎng)絡(luò)。多信號(hào)回路故障概率為了方便，討論多信號(hào)回路故障率有如下假定：各信號(hào)故障概率相等

4、，j 值相等，w值相等；各信號(hào)測(cè)量彼此獨(dú)立，互不影響；j 、w值都遠(yuǎn)小于1。按此假定，可分別按“拒動(dòng)”和“誤動(dòng)”型失效，得到近似計(jì)算公式：Pw + Qw=1 ， Pj+Qj=1 -（3）Pw =P+ Qj ， Pj =P + Qw -（4）式中，P為無(wú)故障率， Pw為無(wú)誤動(dòng)率， Qw為誤動(dòng)率， Pj為無(wú)拒動(dòng)率， Qj為拒動(dòng)率。近似計(jì)算實(shí)質(zhì)在于：分別計(jì)算誤動(dòng)和拒動(dòng)時(shí)的無(wú)故障率。計(jì)算誤動(dòng)率Qw時(shí)，將拒動(dòng)概率Qj計(jì)入無(wú)故障率P內(nèi)，即認(rèn)為拒動(dòng)概率為0；計(jì)算拒動(dòng)率Qj時(shí)，將誤動(dòng)率Qw計(jì)入無(wú)故障率P內(nèi)，即認(rèn)為誤動(dòng)概率為0 。則有，P= Pw Pj ， Q=1- P -（5）進(jìn)行多信號(hào)回路的故障率計(jì)算，要應(yīng)

5、用兩個(gè)規(guī)則：串聯(lián)時(shí)，無(wú)故障率相乘；并聯(lián)時(shí)，故障率相乘。單信號(hào)回路故障概率Q1令拒動(dòng)概率為j，誤動(dòng)概率為w，則Q1= j + w -（5）雙信號(hào)回路故障概率雙信號(hào)串聯(lián)回路故障概率Q2c 串聯(lián)回路誤動(dòng)條件是兩個(gè)信號(hào)都誤動(dòng)，則有誤動(dòng)率Q2 cw = w 2 -（6）1個(gè)信號(hào)拒動(dòng)便可造成串聯(lián)回路拒動(dòng)，則有拒動(dòng)概率J2cj = 2j -J2 -（7）由（3）、（4）式得雙信號(hào)串聯(lián)回路故障概率Q2c ，Q2c = 2j -J2 + w 2-2 j w 2 + w 2 J 2 因?yàn)閖 、w值都遠(yuǎn)小于1，可略去3次項(xiàng)和4次項(xiàng)，故Q2c近似值為雙信號(hào)串聯(lián)回路故障率 Q2c = 2j -J2 + w 2 -（8）

6、假定j =w 1，比較（6）、（7）式得：W2 J2 ，可見，雙信號(hào)串聯(lián)回路誤動(dòng)率遠(yuǎn)小于拒動(dòng)率，是失效的特點(diǎn)極不對(duì)稱的回路。假定j w 1，由（8）式得：Q2c 2j ，可見，將單信號(hào)回路改為雙信號(hào)串聯(lián)回路，并沒有降低故障率。將單信號(hào)回路改為雙信號(hào)串聯(lián)回路的得失：盡管誤動(dòng)率可降低到很小很小，但拒動(dòng)率卻增加1倍，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于誤動(dòng)率。換言之，降低誤動(dòng)率是以增加拒動(dòng)率為代價(jià)的。對(duì)于汽包水位保護(hù)而言，拒動(dòng)的危害遠(yuǎn)大于誤動(dòng)的危害，所以，禁止采用雙信號(hào)串聯(lián)回路。雙信號(hào)并聯(lián)回路故障概率Q2 b按上述分析可知：拒動(dòng)概率Q2bj = J2誤動(dòng)概率Q2bw =2 w - w 2Q2 b = J2 +2 w - w

7、2同樣可知，雙信號(hào)并聯(lián)回路遠(yuǎn)拒動(dòng)率小于誤動(dòng)率，也是失效的特點(diǎn)極不對(duì)稱的回路。將單信號(hào)回路改為雙信號(hào)并聯(lián)回路，并沒有降低故障率。顯然，汽包水位保護(hù)單信號(hào)回路改為雙信號(hào)并聯(lián)回路，盡管可使拒動(dòng)率遠(yuǎn)小于誤動(dòng)率，但誤動(dòng)率卻增加了1倍。對(duì)于我國(guó)電力緊張的具體國(guó)情來(lái)說(shuō)，是不允許保護(hù)經(jīng)常誤動(dòng)的。三取二選擇網(wǎng)絡(luò)故障率Q 2 / 3三取二選擇網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱“三取二” ）是信號(hào)三重冗余系統(tǒng)，所配置的三個(gè)測(cè)量?jī)x表同時(shí)工作，發(fā)生故障的條件是：只有2儀表信號(hào)拒動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)才會(huì)拒動(dòng)；只有2儀表信號(hào)誤動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)才會(huì)誤動(dòng)?！叭《本軇?dòng)率和誤動(dòng)率的計(jì)算公式推導(dǎo)很繁，故只給出公式如下：“三取二”拒動(dòng)率Q j 2 / 3 =3 J2 - 2

8、J 3 -（9）“三取二”誤動(dòng)率Qw2 / 3 = 3w 2 -2 w3 -（10）“三取二” 故障率Q2 / 3 =3 J2 - 2J 3 +3w 2 -2 w3 -（11）假定每個(gè)測(cè)量?jī)x表信號(hào)的j 、w 值近似相等，那么“三取二”誤動(dòng)率和拒動(dòng)率近似相等，即兩類故障特性的對(duì)稱的?！叭《被芈放c單回路故障率的比較在開區(qū)間01內(nèi)，函數(shù)Q j 2 / 3=3 J2 - 2J 3與函數(shù)Q = J，函數(shù)Qw2 / 3 = 3w 2 -2 w3與函數(shù)Q = w各有一交點(diǎn)，該點(diǎn)為“三取二” 回路故障率的臨界點(diǎn)。只有當(dāng)J、w小于臨界值時(shí)，才有方程組：Q j 2 / 3 JQw2 / 3w 方程組中：0 J

9、 1， 0 w 1解此方程組得： 0 J 0.5， 0 w 0.5 即臨界點(diǎn)為0.5由此得知，在0 J 0.5、0 w 0.5 時(shí)，“三取二” 回路故障率小于單回路故障率。與單信號(hào)回路故障率相比，“三取二” 回路故障率下降程度系數(shù)k表示：k =（Q j 2 / 3）/ J =（Qw2 / 3）/ w =3 J =3 w假設(shè)w =J=0.01，k =0.03，表示“三取二” 回路的拒動(dòng)率只有單回路拒動(dòng)率的3% ，誤動(dòng)率下降亦如此。所以，將單信號(hào)回路改為“三取二”回路，可以大大降低故障率?！叭《被芈放c雙信號(hào)串聯(lián)故障率的比較由（11）、（8）式知，“三取二” 故障率小于雙信號(hào)串聯(lián)故障率的條件是， 3 J2 - 2J 3 +3w 2 -2 w3 2j -J2 + w 2，即w 2-2 w3 2j - 4J2- 2J 3 -（12）用圖解法求取滿足（12）式的條件。令函數(shù)F(w)= w 2-2 w3 ，函數(shù)F( j )=2j - 4J2- 2J 3函數(shù)函數(shù)F(w)、 F( j )圖象，見附圖。附圖很直觀地表明，當(dāng)w 0.5