电力电子设备对直流配电网可靠性影响
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为对直流配电系统的可靠性进行准确的评估， 本文在文献[10]的基础上对直流配电网的电力电子 设备进行了可靠性建模。文中，功能故障指的是电 力电子设备半导体功能失效导致的半导体材料不 能正常导通和开断；绝缘故障指的是设备发生接地 或相间短路故障。
726
史清芳等：电力电子设备对直流配电网可靠性影响
Vol. 40 No. 3
(2)
式中：U 为不可用率；λ 为故障率；下标 1、2 和 se
分别代表设备 1、2 和等值串联网络。
二阶割集中的两个设备是并联关系，则有
Upe = U1U2
(3)
mpe = m1 + m2
(4)
式中：U 为不可用率；μ 为修复率；下标 1、2 和
pe 分别代表设备 1、2 和等值并联网络。
式(1)—(4)中，3 个可靠性参数满足如下关系
文献[14]对交流配电网中负荷点的故障停运区域进
行了划分。参照交流配电网的区域划分法，将直流
配电网中负荷点的故障停运区域划分为故障修复
域、隔离恢复域和隔离切换域，其对应的负荷点停
运时间为故障设备修复时间、故障隔离时间和故障
隔离时间及与相邻馈线联络开关切换时间之和。
1.2 最小割集法
负荷点的最小割集指的是这样一些设备的集
就要先获取这些设备的可靠性参数，它主要可以通
过 2 条途径获得：1）通过长时间的故障数据统计
得到可靠性参数；2）根据设计结构进行可靠性建
模，预测可靠性参数。由于直流配电网投入运行时
间不长，难以通过长时间的故障数据统计来得到可 靠性参数，因此文章采用部件计数法[15](parts count
reliability prediction method，PCRP)对 VSC 换流器、
ABSTRACT: Different from traditional AC distribution network, DC distribution network is mainly made up of a lot of power electronic devices. To assess reliability of MV DC distribution, reliability models of VSC converter, DC transformer and DC circuit breaker were established to analyze device and equipment level redundancy effects on DC distribution system reliability and difference between effects of function failure and insulation failure on DC distribution system reliability. Taking double side power supply DC distribution system for example, influencing factors are quantitatively analyzed and calculated. Comparison results show that equipment level redundancy is better than device level redundancy in improving system reliability, and difference between function failure and insulation failure mainly influences on reliability calculation of DC distribution system equipped with less DC circuit breakers.
VSC 换流器主要由桥臂电抗(Lc)和半桥子模块 (sub-modules，SM)等部分构成。因此 VSC 换流器 的可靠性模型为 2 个部分的串联结构，如图 3 所示。
图 3 换流器可靠性评价模型 Fig. 3 Reliability evaluation model of converter
可靠性计算中，子模块之间属于串联关系，桥
2.1 VSC 换流器可靠性建模
近几年来，模块化多电平电压源换流器
(modular multilevel converter，MMC)[16-17]的出现使
多电平换流器在柔性直流输配电领域也得到了成
功的应用。本文对模块化多电平电压源换流器进行
建模。电压源换流器拓扑结构如图 1 所示。MMC
图 1 电压源换流器 Fig. 1 Topology of voltage source converter
史清芳 1，徐习东 1，赵宇明 2
（1．浙江大学 电气工程学院，浙江省 杭州市 310027； 2．深圳供电局有限公司，广东省 深圳市 518020）
Effects of Power Electronic Devices on DC Distribution Reliability
SHI Qingfang1, XU Xidong1, ZHAO Yuming2
针对电力电子器件存在的冗余结构，对含电力 电子器件的设备进行了冗余建模和可靠性分析；针 对直流配电网对环流灵活可控的特点，对直流配电 网设备级的冗余和器件级的冗余进行了对比分析。 考虑到对配电网运行而言，功能故障与绝缘故障导 致的后果有所不同，文章对此进行了讨论并对比分 析了是否区分功能故障和绝缘故障对直流配电网 可靠性评估的影响。
(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China; 2. Shenzhen Power Supply Bureau, Shenzhen 518020, Guangdong Province, China)
第 40 卷 第 3 期
电网技术
727
换流器的子模块有多种类型[17]，其中半桥模块是最 早提出也是应用最广的子模块，本文对半桥子模块 进行建模，拓扑结构如图 2 所示。
联输出并联型，其拓扑采用双主动桥(dual- activebridge，DAB)形式，如图 4 所示。
图 2 半桥子模块 Fig. 2 Half-bridge submodule
网可靠性分析中应用较广泛。本文借鉴交流配电网的 最小割集法[13]，对直流配电网的可靠性进行评估。
1.1 负荷点区域划分
设备故障是否导致负荷停运以及导致负荷停
运时间的长短是最小割集法的基础，对待分析的负
荷点，配电网中设备的故障可能会导致其停运，也
可能对其毫无影响。对于导致负荷停运的设备故
障，其对负荷的停运时间又可能各不相同。基于此，
U = l / (l + m)
(5)
由式(3)—(5)可得并联系统的故障率为
lpe
=
l1l2 (m1 + m2 ) l1m2 + l2m1 + m1m2
(பைடு நூலகம்)
2 直流配电网电力电子设备可靠性建模
直流配电网相比于交流配电网增加了一些新
的电力电子设备，如 VSC 换流器、直流变压器和
直流断路器。要对直流配电网的可靠性进行评估，
故障率均为常数 λm 时，单桥臂半桥子模块部分的可 靠度为
å Rb = nm [Cinm e-ilmt (1 - e-lmt )nm -i ]
(8)
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.03.010
0 引言
近年来，随着电力电子技术和分布式发电的不 断发展，直流技术重新成为研究热点，出现了高压 直流输电[1]、直流配电网[2-3]、直流微网[4-5]等概念。 相比于交流配电网，直流配电网主要有以下优点[6]： 1）适于分布式电源、微网以及储能系统的广泛接 入；2）提供优质电能；3）提升供电能力，缓解供 电走廊紧张问题；4）适应未来电网的负荷发展需 求等。
直流断路器以及直流变压器进行可靠性建模，预测
其可靠性参数。PCRP 故障率计算模型为
n
å lEQUIP = [Ni (lgip Qi )]
(7)
i=1
式中：λEQUIP 为设备的等效年故障率；λgi 为第 i 类
部件的通用故障率；πQi 为第 i 类部件的质量系数；
Ni 为第 i 类部件的数量；n 为部件种类数。
合：当从网络中移除这些设备时，负荷点的供电路
径全部被切断；而放回其中任何一个设备时，负荷
点至少恢复一条供电路径。通常只考虑到二阶
割集。
通过求取各负荷点的最小割集，将复杂的网络
转变为简单的串并联关系。割集与割集之间是串联
关系，则有
Use = U1 + U 2 -U1U2
(1)
lse = l1 + l2
关键词：直流配电网；可靠性；器件冗余；设备冗余；功能 故障；绝缘故障
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2013AA050104)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2013AA050104 ).
KEY WORDS: DC distribution network; reliability; device redundancy; equipment redundancy; function failure; insulation failure
摘要：与传统交流配电网不同，直流配电网主要由大量电力 电子设备构成，为评估其可靠性，建立了电压源型换流器、 直流变压器和直流断路器的可靠性模型，分析了器件级冗余 和设备级冗余对直流配电网可靠性指标的影响，对比分析了 是否区分功能故障和绝缘故障对直流配电网可靠性指标的 影响。并以双端电源直流配电系统为例，对这些影响因素进 行了定量分析。研究结果表明，设备级冗余比器件级冗余更 能有效地提高系统的可靠性，是否区分功能故障和绝缘故障 主要对配备较少直流断路器的直流配电网的可靠性评估有 影响。
臂与桥臂之间也属于串联关系，由式(2)知，总的故
障率是所有串联设备故障率之和。另一方面，现阶
段设备电力电子部分可靠性不高。厂家通常会对
VSC 的子模块进行冗余设计，以达到提高其可靠性
的目的。考虑到 VCS 子模块的冗余设计，采用 n
中取 k 表决系统计算 VSC 换流器的可靠性。
令 VSC 换流器单桥臂的半桥子模块个数为 nm， 其中 km 个或 km 个以上完好，换流器单桥臂就能正 常工作。当半桥子模块的寿命服从指数分布，且其
第 40 卷 第 3 期 2016 年 3 月
文章编号：1000-3673（2016）03-0725-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 72 文献标志码：A
Vol. 40 No. 3 Mar. 2016
学科代码：470·40
电力电子设备对直流配电网可靠性影响
配电网可靠性是指配电系统为用户保持持续 供电的能力，提出合理的直流配电网可靠性评估方 法，可为直流配电网的规划打下基础。文献[7]基于 状态空间法与 k/n(G)模型依次给出了柔性直流输电 系统设备、子系统和系统的可靠性模型及指标算 法。文献[8]通过对基于电压源型换流的多端直流输 电系统进行子系统划分，根据状态空间法提出了一 种适用于多端直流输电系统可靠性评估的等效模 型。文献[9]提出了直流输电系统可靠性指标的对比 分析原则，指出了导致可靠性指标差异的原因，并 提出了进一步改善可靠性指标的措施和建议。文 献[10]对比研究了交直流配电网的可靠性，指出目 前直流配电网的可靠性低于交流配电网，制约直流 配电网可靠性的关键因素是直流断路器和直流变 压器的高故障率。
1 配电网可靠性评价方法
现有交流配电网可靠性评价方法主要包括解 析法[11]和模拟法[12]。其中，模拟法适于求解复杂系
统可靠性，系统规模对计算复杂性的影响较小，但
计算精度与计算时间之间存在矛盾，要保证高计算
精度必然会消耗大量计算时间；解析法可采用严格
的数学模型和算法，设备数目不多时可充分发挥其
物理概念清楚、模型准确的优点，故解析法在配电
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史清芳等：电力电子设备对直流配电网可靠性影响
Vol. 40 No. 3
(2)
式中：U 为不可用率；λ 为故障率；下标 1、2 和 se
分别代表设备 1、2 和等值串联网络。
二阶割集中的两个设备是并联关系，则有
Upe = U1U2
(3)
mpe = m1 + m2
(4)
式中：U 为不可用率；μ 为修复率；下标 1、2 和
pe 分别代表设备 1、2 和等值并联网络。
式(1)—(4)中，3 个可靠性参数满足如下关系
文献[14]对交流配电网中负荷点的故障停运区域进
行了划分。参照交流配电网的区域划分法，将直流
配电网中负荷点的故障停运区域划分为故障修复
域、隔离恢复域和隔离切换域，其对应的负荷点停
运时间为故障设备修复时间、故障隔离时间和故障
隔离时间及与相邻馈线联络开关切换时间之和。
1.2 最小割集法
负荷点的最小割集指的是这样一些设备的集
就要先获取这些设备的可靠性参数，它主要可以通
过 2 条途径获得：1）通过长时间的故障数据统计
得到可靠性参数；2）根据设计结构进行可靠性建
模，预测可靠性参数。由于直流配电网投入运行时
间不长，难以通过长时间的故障数据统计来得到可 靠性参数，因此文章采用部件计数法[15](parts count
reliability prediction method，PCRP)对 VSC 换流器、
ABSTRACT: Different from traditional AC distribution network, DC distribution network is mainly made up of a lot of power electronic devices. To assess reliability of MV DC distribution, reliability models of VSC converter, DC transformer and DC circuit breaker were established to analyze device and equipment level redundancy effects on DC distribution system reliability and difference between effects of function failure and insulation failure on DC distribution system reliability. Taking double side power supply DC distribution system for example, influencing factors are quantitatively analyzed and calculated. Comparison results show that equipment level redundancy is better than device level redundancy in improving system reliability, and difference between function failure and insulation failure mainly influences on reliability calculation of DC distribution system equipped with less DC circuit breakers.
VSC 换流器主要由桥臂电抗(Lc)和半桥子模块 (sub-modules，SM)等部分构成。因此 VSC 换流器 的可靠性模型为 2 个部分的串联结构，如图 3 所示。
图 3 换流器可靠性评价模型 Fig. 3 Reliability evaluation model of converter
可靠性计算中，子模块之间属于串联关系，桥
2.1 VSC 换流器可靠性建模
近几年来，模块化多电平电压源换流器
(modular multilevel converter，MMC)[16-17]的出现使
多电平换流器在柔性直流输配电领域也得到了成
功的应用。本文对模块化多电平电压源换流器进行
建模。电压源换流器拓扑结构如图 1 所示。MMC
图 1 电压源换流器 Fig. 1 Topology of voltage source converter
史清芳 1，徐习东 1，赵宇明 2
（1．浙江大学 电气工程学院，浙江省 杭州市 310027； 2．深圳供电局有限公司，广东省 深圳市 518020）
Effects of Power Electronic Devices on DC Distribution Reliability
SHI Qingfang1, XU Xidong1, ZHAO Yuming2
针对电力电子器件存在的冗余结构，对含电力 电子器件的设备进行了冗余建模和可靠性分析；针 对直流配电网对环流灵活可控的特点，对直流配电 网设备级的冗余和器件级的冗余进行了对比分析。 考虑到对配电网运行而言，功能故障与绝缘故障导 致的后果有所不同，文章对此进行了讨论并对比分 析了是否区分功能故障和绝缘故障对直流配电网 可靠性评估的影响。
(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China; 2. Shenzhen Power Supply Bureau, Shenzhen 518020, Guangdong Province, China)
第 40 卷 第 3 期
电网技术
727
换流器的子模块有多种类型[17]，其中半桥模块是最 早提出也是应用最广的子模块，本文对半桥子模块 进行建模，拓扑结构如图 2 所示。
联输出并联型，其拓扑采用双主动桥(dual- activebridge，DAB)形式，如图 4 所示。
图 2 半桥子模块 Fig. 2 Half-bridge submodule
网可靠性分析中应用较广泛。本文借鉴交流配电网的 最小割集法[13]，对直流配电网的可靠性进行评估。
1.1 负荷点区域划分
设备故障是否导致负荷停运以及导致负荷停
运时间的长短是最小割集法的基础，对待分析的负
荷点，配电网中设备的故障可能会导致其停运，也
可能对其毫无影响。对于导致负荷停运的设备故
障，其对负荷的停运时间又可能各不相同。基于此，
U = l / (l + m)
(5)
由式(3)—(5)可得并联系统的故障率为
lpe
=
l1l2 (m1 + m2 ) l1m2 + l2m1 + m1m2
(பைடு நூலகம்)
2 直流配电网电力电子设备可靠性建模
直流配电网相比于交流配电网增加了一些新
的电力电子设备，如 VSC 换流器、直流变压器和
直流断路器。要对直流配电网的可靠性进行评估，
故障率均为常数 λm 时，单桥臂半桥子模块部分的可 靠度为
å Rb = nm [Cinm e-ilmt (1 - e-lmt )nm -i ]
(8)
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.03.010
0 引言
近年来，随着电力电子技术和分布式发电的不 断发展，直流技术重新成为研究热点，出现了高压 直流输电[1]、直流配电网[2-3]、直流微网[4-5]等概念。 相比于交流配电网，直流配电网主要有以下优点[6]： 1）适于分布式电源、微网以及储能系统的广泛接 入；2）提供优质电能；3）提升供电能力，缓解供 电走廊紧张问题；4）适应未来电网的负荷发展需 求等。
直流断路器以及直流变压器进行可靠性建模，预测
其可靠性参数。PCRP 故障率计算模型为
n
å lEQUIP = [Ni (lgip Qi )]
(7)
i=1
式中：λEQUIP 为设备的等效年故障率；λgi 为第 i 类
部件的通用故障率；πQi 为第 i 类部件的质量系数；
Ni 为第 i 类部件的数量；n 为部件种类数。
合：当从网络中移除这些设备时，负荷点的供电路
径全部被切断；而放回其中任何一个设备时，负荷
点至少恢复一条供电路径。通常只考虑到二阶
割集。
通过求取各负荷点的最小割集，将复杂的网络
转变为简单的串并联关系。割集与割集之间是串联
关系，则有
Use = U1 + U 2 -U1U2
(1)
lse = l1 + l2
关键词：直流配电网；可靠性；器件冗余；设备冗余；功能 故障；绝缘故障
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2013AA050104)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2013AA050104 ).
KEY WORDS: DC distribution network; reliability; device redundancy; equipment redundancy; function failure; insulation failure
摘要：与传统交流配电网不同，直流配电网主要由大量电力 电子设备构成，为评估其可靠性，建立了电压源型换流器、 直流变压器和直流断路器的可靠性模型，分析了器件级冗余 和设备级冗余对直流配电网可靠性指标的影响，对比分析了 是否区分功能故障和绝缘故障对直流配电网可靠性指标的 影响。并以双端电源直流配电系统为例，对这些影响因素进 行了定量分析。研究结果表明，设备级冗余比器件级冗余更 能有效地提高系统的可靠性，是否区分功能故障和绝缘故障 主要对配备较少直流断路器的直流配电网的可靠性评估有 影响。
臂与桥臂之间也属于串联关系，由式(2)知，总的故
障率是所有串联设备故障率之和。另一方面，现阶
段设备电力电子部分可靠性不高。厂家通常会对
VSC 的子模块进行冗余设计，以达到提高其可靠性
的目的。考虑到 VCS 子模块的冗余设计，采用 n
中取 k 表决系统计算 VSC 换流器的可靠性。
令 VSC 换流器单桥臂的半桥子模块个数为 nm， 其中 km 个或 km 个以上完好，换流器单桥臂就能正 常工作。当半桥子模块的寿命服从指数分布，且其
第 40 卷 第 3 期 2016 年 3 月
文章编号：1000-3673（2016）03-0725-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 72 文献标志码：A
Vol. 40 No. 3 Mar. 2016
学科代码：470·40
电力电子设备对直流配电网可靠性影响
配电网可靠性是指配电系统为用户保持持续 供电的能力，提出合理的直流配电网可靠性评估方 法，可为直流配电网的规划打下基础。文献[7]基于 状态空间法与 k/n(G)模型依次给出了柔性直流输电 系统设备、子系统和系统的可靠性模型及指标算 法。文献[8]通过对基于电压源型换流的多端直流输 电系统进行子系统划分，根据状态空间法提出了一 种适用于多端直流输电系统可靠性评估的等效模 型。文献[9]提出了直流输电系统可靠性指标的对比 分析原则，指出了导致可靠性指标差异的原因，并 提出了进一步改善可靠性指标的措施和建议。文 献[10]对比研究了交直流配电网的可靠性，指出目 前直流配电网的可靠性低于交流配电网，制约直流 配电网可靠性的关键因素是直流断路器和直流变 压器的高故障率。
1 配电网可靠性评价方法
现有交流配电网可靠性评价方法主要包括解 析法[11]和模拟法[12]。其中，模拟法适于求解复杂系
统可靠性，系统规模对计算复杂性的影响较小，但
计算精度与计算时间之间存在矛盾，要保证高计算
精度必然会消耗大量计算时间；解析法可采用严格
的数学模型和算法，设备数目不多时可充分发挥其
物理概念清楚、模型准确的优点，故解析法在配电