崔玉书，牛玉广，申忠利，郑东冬

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206;2.深圳市金钒能源科技有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

目前，钒液流电池是大容量蓄电池领域最新型的技术之一，需要依靠循环泵的动力运行，并对一些关键参数进行监控。但是，传统的循环泵控制系统基本上以继电器为主要控制元件，由几十个各类型继电器、接触器、开关、按钮及连线组成逻辑控制单元对循环泵进行控制，并且工艺系统循环泵的配置数目一般为正负极各一台，而不是由多台循环泵构成循环泵组循环切换控制，这类控制系统包含了大量的继电器、接触器元件及其连接线，在工作工程中，继电器、接触器的频繁启动/停止，极易造成损坏最终导致无法正常工作，控制系统稳定性和可靠性较差，而且该控制系统没有故障的自动诊断和恢复功能，难以避免故障的误判、漏判，使得系统可靠性低。而全钒液流电池的正常运行对监控系统的要求极高，尤其是在全钒液流电池充放电状态下，循环泵决不允许停转，这就要求监控系统有足够的可靠性[1]。

本文首先对监控系统的结构进行了分析，而后利用故障树、可靠性框图、Blocksim可靠性软件对新开发的钒液流电池监控系统各故障因素进行了定量计算，确定了故障因素中的薄弱环节、关键点，并对关键点进行了改进，并做了改进前后的可靠性指标对比。

1 监控系统构成

监控系统包括交流电源配置单元、直流电源配置单元、人机接口单元、控制单元、信号变送模块组和动力变频单元，结构图如图1所示，钒液流电池监控系统主要有两大功能:一是循环泵的控制，这也是最重要的功能;二是数据的采集，采集钒电池的相关参数，并对数据进行整理保存。循环泵的控制主要由PLC完成，还可以通过变频器对循环泵进行调频运转，触摸屏既可以显示相关参数、报警信息，还可以手动操作设置泵的运行周期跟泵的频率。数据采集功能通过变送器采集钒电池实际参数通过I/O模块传送到PLC进行计算、滤波，并在触摸屏上实时显示。图1给出了完成监控系统功能的主要设备结构图[2]。

2 监控系统可靠性框图

由图1可知，供电电源、CPU、I/O模块、继电器、变频器、泵任何一部分失效均可导致系统故障，无法实现控制泵启停、转速的功能;供电电源、电压隔离变送器、I/O模块、CPU、触摸屏任何一部分失效均可导致系统无法实现数据采集及显示功能，所以从可靠性意义上说是串联系统[3]，可靠性框图如图2所示。

3 可靠性指标

供电电源是由变压器、电阻、二极管、发光二级管、开关等组成，因此，根据《电子设备可靠性预计手册》提供的电子元器件使用失效率预计模型来预计供电电源的失效率[4]。供电电源及组件预测结果 λs=8.3 ×10－6h－1:

表1为全钒液流电池监控系统主要构成设备的失效率

表1 设备失效率

由表1及图2[5]，并利用串联系统数学模型对监控系统的可靠性指标计算结果如下:

利用Blocksim可靠性软件绘制了系统从0到35 000 h的可靠度曲线如图3所示

4 可靠性分析

使用故障树分析(FTA)的方法可以对各故障因素通过故障树进行定性和定量分析，确定引起系统故障的各故障因素的概率重要度、结构重要度，并找出系统的关键点、薄弱环节，再将分析结果运用于钒液流电池监控系统的可靠性设计中，对关键点进行改进。由于本监控系统主要是对循环泵的控制，于是可选定泵失效为顶层事件，而后，依次对各故障因素进行系统分析绘制泵失效故障树，如图4所示。

通过对故障树进行定量分析，可以确定顶事件的失效概率，更关键的是可以分析出各底事件的重要度，根据底事件重要度的相对大小来确定工作重点，从而有效提高系统的可靠性。底事件的重要度分为结构重要度、概率重要度。由于每一个底事件故障都会导致顶层事件的发生，且相互独立并呈或关系，每一个底事件为一个割集，共有14个割集，那对于底事件统计独立时，概率重要度可以简写成=h(1i，P)－ h(0i，P)，h(1i，P)表示第i个事件是失效的，h(0i，P)表示第i个事件是正常的，该公式的数学定义解释为:第i个事件失效时顶层事件发生的概率与第i个事件正常时顶层事件发生的概率之差。对于对于n个基本事件构成的事故树，n个基本事件两种状态的组合数为2n个。把其中一个事件xi作为变化对象(从0变到1)，其他基本事件的状态保持不变的对照组共有2n－1个。在这些对照组中属于(φ(1i，x)－φ(0i，x)=1)的情况所占的比例即是 xi事件的结构重要度系数[6－8]。

通过在Blocksim可靠性软件上建立泵失效控制系统的故障树并进行仿真得到各个底事件概率重要度柱状图如图5。

图5中横坐标 1、2分别代表1#泵故障、2#泵故障，3代表供电电源故障，4、9 分别代表直流电源模块1#/2#故障，5代表触摸屏故障，6代表CPU故障，7代表CPU背板故障，8代表I/O卡件故障，10代表I/O卡件插座故障，11、12 代表 1、2#继电器故障，13、14 分别代表 1、2#变频器故障。由图5可将变频器、继电器、泵称作动力变频单元，CPU、CPU背板称作CPU、I/O、I/O卡件称作 I/O模块，则各基本事件的概率重要度排序为动力变频单元＞触摸屏＞供电电源＞CPU＞I/O模块＞直流电源模块，由此，可针对关键部位进行改进设计。

图5 底事件概率重要度柱状图

5 可靠性改进

改进后的监控系统对电源、电源回路、直流电源模块、PLC、动力输出单元进行分组独立设计，加入冗余[9－10]。冗余后的可靠性框图如图6。

图6 冗余后的可靠性框图

其中电源切换装置依据《电子设备可靠性预计手册》提供的电子元器件使用失效率预计模型来预计电源切换装置的失效率。电源切换装置及组件预测结果 λs=11.1×10－6h－1:
继电器、变频器、泵可作为一子系统，作为一组动力变频单元。将冗余系统看成子系统。冗余系统可靠度计算公式为R(t)根据串并联系统可靠度计算公式代入得系统可靠度。

改进前后系统可靠度对比表如表2。

表2 改进前后系统可靠性指标对比表

由表2可以清楚的发现改进后的系统可靠性指标有了明显提升，也使得全钒液流电池监控系统的可靠性得到了明显的改善。

6 结束语

全钒液流电池循环泵系统对可靠性的要求极高，尤其是在充放电状态下绝对不允许循环泵停转，这就对全钒液流电池监控系统的要求极高，本文对新开发的全钒液流监控系统的结构进行了分析，并利用可靠性框图、故障树对监控系统的可靠性进行了定量计算。通过对监控系统可靠性的研究找出系统的关键点，并对监控系统进行了冗余设计，通过改进前后监控系统的可靠性指标的对比，体现了改进后监控系统的可靠性的提升。

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