电气线路互联系统安全性设计与分析方法研究

电气线路互联系统安全性设计与分析方法研究

符峻琪

海南威特建设科技有限公司  570100

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电气线路建设越来越多。为实现电气互联系统韧性的量化提升，电气工程中，牵涉的配电线路比较多，线路之间连接比较复杂，使得线路施工相对来说比较困难。本文首先分析了CCAR25．1709规章解读，其次探讨了电气线路互联系统安全性设计，以供参考。

关键词：电气线路互联系统;功能失效;区域安全性

引言

对电气互联系统而言，韧性指标可用负荷损失期望简化描述，韧性未达标时可采取元件强化措施提升韧性。现有研究难以量化分析因元件强化成本的投入所带来的系统韧性水平的提升，无法服务于面向韧性提升的精细化规划。灵敏度分析方法具有解决该问题的潜力，但是主流的局部灵敏度方法存在一定局限性。

1CCAR25．1709规章解读

CCAR-25-R4第25.1709条题为“系统安全:EWIS”，其中写道:“每个EWIS的设计和安装方式必须确保灾难性故障状态极不可能发生，且不能由单个故障引起。每一个临界失效条件都是最小的。”EWIS用于传输电力、数据和信号，以支持其他飞机系统。第25.1709条被提议作为EWIS安全要求的补充。在按照25.1309章节进行系统功能分析和评估时，由于系统功能不关键，安全设计要求往往被简化，这必然导致EWIS系统缺乏安全设计要求。但事实表明，只要系统涉及EWIS，就存在EWIS故障的风险，可能会造成严重的物理和功能损伤，影响飞机的安全飞行。对于任何电气系统或负载，当有电力负载线时，可能产生电弧或电磁干扰，造成整个线束或相邻线束的功能失效和物理失效，甚至造成危险或灾难性事件。因此，可以认为第25.1709条是在第25.1309条的基础上，针对EWIS的物理和功能失效影响，对EWIS进行了结构安全分析和评估，以验证其符合设计和安装要求。

2电气线路互联系统安全性设计

2.1电气火灾监控系统组成方式设计

（1）电气火灾监控系统主机+电气火灾监控器+剩余电流式电气火灾探测器+测温式电气火灾探测器，此方式可以同时完成对回路中剩余电流与温度的监测。（2）电气火灾监控系统主机+电气火灾监控器+测温式电气火灾探测器+电弧故障探测器，此方式可以监测回路中的温度和故障电弧。（3）在所需要监控的点数不超过8个时，可不设置集中的主机，采用独立式监控器独自成系统或接入火灾自动报警系统中。（4）同一项目可根据负荷类型的不同采用合适的电气火灾探测器组合，例如照明负荷可采用电弧故障探测器+测温式探测器，动力负荷可采用剩余电流式探测器+测温式探测器。由于电气火灾监控系统也是火警系统的一部分，因此电气火灾监控系统主机可以安装在消防控制室内。电气火灾监控系统主机将报警信息和故障信息上传至消防控制室的图形显示装置或火灾报警控制器，消防控制室内24h均有人值班，便于第一时间发现报警信息并及时处理故障。除此之外，由于电气火灾监控系统主要监测的是配电线路中的漏电情况，而且电气火灾监控系统的探测器和传感器一般由开关柜厂家成套提供，因此电气火灾监控系统主机还可以安装在变电所内，由变电所内的值班人员进行管理。根据国家规范，电气火灾监控系统的报警值需连续可调。在实际设计中，剩余电流的动作报警阀值一般设置在300mA，温度报警值一般按照电缆最高耐温的70%～80%进行设定。电气火灾监控系统能够实现集中管理和可视化监控，对分散在建筑物内的监控器与探测器进行遥控、遥测等操作。当现场配电线路中的被探测参数超过报警阈值时，电气火灾监控系统会发出报警信号和控制信号，并且在主机报警界面上指示报警部位。与此同时，系统会自动保存报警信息，以便后续分析总结。

2.2电气互联系统负荷削减优化算法

燃气电厂的技术现状成熟，应用前景广阔，是最常见的电气耦合设施。为便于分析，本文假定电气互联系统中只包含燃气电厂耦合设施。电力子系统和天然气子系统通常由不同的公用事业公司运营，故本文采用解耦优化框架计算故障状态下电气互联系统的最优负荷削减量，算法示意图见附录A。算法流程包括以下步骤：步骤1：以各节点电负荷削减量之和最小为目标对电网进行优化，得到燃气电厂出力，进而确定供气节点应提供的气负荷。步骤2：以各节点气负荷削减量之和最小为目标对气网进行优化，得到燃气电厂供气节点的负荷削减量。步骤3：若供气节点负荷出现削减，则根据削减量修改对应燃气电厂的出力上限，并返回步骤1；反之，判定算法收敛。步骤4：根据电网优化结果和气网优化结果计算故障状态s的影响量，即系统总负荷削减量。

2.3制定缓解策略

在分析系统的EWIS故障时，应包括25.1701(a)(1)至(14)中定义的组件。可能包括但不限于以下EWIS组件:电线、电缆、插头、电连接器等。反推系统的EWIS组件包括与反推系统相关的电线、连接器和触点。根据分析，需要降低EWIS损坏的可能性，以降低EWIS引起系统倒退故障的总体概率。“丧失总推力”的情况是由导致HIV或DCV的断裂引起的。因此，与这些部件相关的EWIS需要增加电缆防磨损等要求。另外，为了解决两种发动机电路共有的共因故障，需要提出EWIS系统的独立性，发动机的T/R开关应该是空间独立的。如果在“空中无定向开放式推力”情况下，HIV和DCV组件的布线常见故障可能导致推力逆转，则必须采取EWIS缓解措施，以解决潜在的灾难性故障影响。此外，还需要评估针对单点故障、引入其他故障模式以及与安装环境的兼容性的其他缓解措施。还需要增加“空中无定向开口推力”的独立性要求。由于EWIS常见的与HIV和DCV相关的电气故障，可能导致逆推器在无人驾驶时展开，因此EWIS可能需要对HIV和DCV电路进行空间隔离。

2.4电气火灾监控系统主机位置设计

由于电气火灾监控系统也是火警系统的一部分，因此电气火灾监控系统主机可以安装在消防控制室内。电气火灾监控系统主机将报警信息和故障信息上传至消防控制室的图形显示装置或火灾报警控制器，消防控制室内24h均有人值班，便于第一时间发现报警信息并及时处理故障。除此之外，由于电气火灾监控系统主要监测的是配电线路中的漏电情况，而且电气火灾监控系统的探测器和传感器一般由开关柜厂家成套提供，因此电气火灾监控系统主机还可以安装在变电所内，由变电所内的值班人员进行管理。

2.5MMG多层两阶段分布式运行架构

多微电网互联系统各主体设备主要包括风电、微型燃气轮机等分布式设备以及负荷聚合商和储能设备。各个微电网由MMGO统一协调管理对外参与ISO调度，对内优先消纳自身服务区域内的分布式电源功率，维持各微电网区域内功率平衡，由ISO与MMGO构成的两级系统分布式调度机制主要包括2个阶段：（1）在预调度阶段，MMGO确定各个微电网聚合备用和有功功率需求，其中包括从ISO购买电量、出售给ISO的备用电量、各个微电网负荷需求、微电网内部各个分布式电源的基础有功发电量；（2）在实时校正调控阶段，将对实时有功需求与预调度阶段上报需求之间存在的偏差进行实时监测，针对偏差进行实时控制可调度风机、微型燃气轮机及可控负荷等设备的有功功率。

2.6IIGSA法与元件级指标法的对比分析

在不考虑经济性的情况下，规划人员往往需要在强化元件个数固定的限制下实现韧性的最大提升。本文分别采用IIGSA法和元件级指标法求取最优元件强化方案，并将强化元件个数的固定值从1取至6。IIGSA法和元件级指标法分别通过全局灵敏度优化模型和基于指标的元件强化次序确定目标强化元件集，2种方法的详细流程如附录C所示。IIGSA法与元件级指标法的计算结果如表3所示。表中：Rnew为实施元件强化方案后的韧性指标，计算时间包括影响增量的计算用时和目标强化元件优选用时。在强化元件个数为1或2时，IIGSA法与元件级指标法的优化结果一致；当强化元件个数大于2时，2种方法的目标强化元件集合出现了偏差，且IIGSA法的韧性指标下降值，即韧性提升效果总高于元件级指标法。元件级指标法本质上仍是局部灵敏度的扩展方法。在强化元件个数不多时，元件级指标法尚且能够求得全局最优解，但随着强化元件个数的增加，该方法将难以给出最优的元件强化方案。IIGSA法将各次灵敏度全部插入优化模型，建立了多元件失效概率变化与韧性指标下降值之间的准确关系式，故其全局寻优能力不受强化元件个数影响。不同强化元件个数下，IIGSA法的计算时间略有差异，而元件级指标法计算时间则保持不变。这是因为IIGSA法优化模型的求解速度随强化元件个数变化存在一定波动。元件级指标法则直接确定了元件强化次序，按照此排序选择前列元件即可。2种方法均以IISE法指标为基础展开韧性提升规划，所耗时间主要用于影响增量的计算上，因此，计算时间相近。此外，IIGSA法相比元件级指标法还需要求解高次的灵敏度，因此，计算时间稍长。受限于固定的元件强化次序，元件级指标法无法适应实际应用中多变的韧性经济提升需求。而IIGSA法优化模型能够根据不同的应用场景灵活配置待优化元件，与经济性的结合能力较强。针对预算限制场景和达标约束场景下的韧性提升，IIGSA法能给出最合适的元件强化方案。

2.7施工技术规范化

配电线路施工是一个复杂性的过程，涉及的操作环节比较多，牵涉的工艺技术也比较多，工艺技术的应用都是具有针对性的。在工艺技术应用之前，施工单位相关人员要对施工人员进行技术交底，结合工程实际情况制定详细的施工作业指导书，使作业人员能够有一个参考，知道怎么正确操作。对工艺技术进行分化处理，分化到各个环节，有施工人员进行有序的应用。因为涉及的施工人员比较多，而不同施工人员技术水平不一样，对于一些操作要求高的环节，要选择经验丰富的人员执行，注重各个操作细节，做好细节方面的处理工作，保障配电线路施工质量。

3案例分析

反推装置是大型飞机的重要组成部分，是飞机着陆时的一种减速装置。反推力控制系统通过驱动反推力装置的开启和关闭来改变发动机排气方向，从而帮助飞机在着陆或中断起飞后产生反推力，降低飞机速度，缩短飞行距离，确保飞机在着陆和紧急终止起飞时的安全(特别是在雨雪天气下)。反推力控制系统根据飞机电传油门平台的“展开”和“收回”指令，控制反推力装置的展开和收回。其中换向装置由两个独立的控制单元控制。一种是液压隔离阀(HIV)，由地面/空气逻辑开关控制，防止空气中打开。另一种是方向控制阀(DCV)，它可以使执行器“展开”和“折叠”，通常是通过在折叠位置恒定的弹簧压力。当两个控制单元都被激活时，换向器通电至部署位置。本文将采用本文提出的分析方法，从EWIS功能失效和物理失效的影响两个方面对推力控制系统的安全性进行分析和评估。在分析过程中，结合功能风险分析，分别以典型灾害和危险的失效状态为案例，解释EWIS的合规过程。最后给出了安全建议和结论。EWIS功能危害分析使用现有的系统安全分析技术，考虑所有可能的EWIS故障场景，并确定这些EWIS故障是否可能导致危险或灾难性事件。章节25.1701(a)中定义的任何组件都可能导致EWIS失败。在执行EWIS功能分析时，重要的是要了解给定EWIS组件的故障模式和限制。反冲危险等级的空气无定向打开是灾难性的，因此要求这种情况发生的概率是极其不可能的，必须提供缓解措施，EWIS设计不应该有单点故障。反冲系统中每个发动机的反冲机制是完全独立的，包括T/R开关、布线和组件。发动机反推机构的故障可能由EWIS故障或机械故障引起。机械故障可能由HIV、DCV和液压油管故障引起。虽然机械部件的故障率高于EWIS，但通过强制检查推力逆转装置，如每36个月要求维护和更换与推力逆转装置相关的机械部件，可以降低机械故障的频率。因此，一般认为，通过增加维修间隔，可以将机械故障的可能性降到最低。在引入维修措施后，机械故障的概率为10-8级，断线的概率为10-7级。对于“空中uncommand开反推”，uncommand由HIV的“开”命令和DCV的“扩大”命令共同发起。在只有一个阀门工作的情况下，不会导致反推器移动。要实现“空中无定向启动”，必须同时激活HIV和DCV。通常情况下，只有当飞机在地面上，飞行员输入“部署”T/R时，这些阀门才会同时启动并向后工作。T/R开关和空/地继电器的EWIS下游故障(如电磁干扰)可能导致HIV和DCV同时激活，导致推力逆转在空中无定向部署。根据第25.1709节，导致灾难性飞机撞击的EWIS故障不能由单个故障引起，必须证明小于或等于极不可能。

结语

综上所述，根据CCAR-25-R4版第25.1309条的安全评价要求，对第25.1709条进行了理解，提出了符合性验证的过程和方法。以后推系统设计为例，结合国内民用飞机电气线路互连系统的工作现状，探索和研究电气线路互连系统的安全工程应用方法。结果表明:1)本文提出的EWIS安全设计与分析方法能够有效识别EWIS的安全风险，为飞机电缆及相应部件提供全面、结构化的分析方法，为飞机安全设计提供依据。2)通过分析EWIS的功能故障和物理故障，得出电路的28V(DC)和115V(AC)电源应在空间中分离，并进行所有大功率布线，以最大限度地减少故障造成的损坏和电磁干扰的影响。3)为保证推力装置的正常运行，需要增加EWIS的定期维护、检查和维修等缓解措施;经全面评估，发现增加的缓解措施是有效和可行的，不会带来额外的安全风险。

参考文献

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