中國柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)需求研究

羅琴，李丹，潘廣澤，楊柳

(1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣州510610；3. 直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663)

0 引言

柔性直流輸電最早由加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，因其具有不需要交流側(cè)提供無功功率、沒有換相失敗問題、獨立控制有功和無功功率等優(yōu)勢而被廣泛使用在高壓直流輸電系統(tǒng)中。近年來，目前柔性直輸電技術(shù)得到了廣泛的工程實踐[1 - 2]，如上海南匯示范工程、南澳風(fēng)電場四端柔性直流輸電示范工程、魯西背靠背示范工程等。2020年12月27日烏東德柔直輸電提前半年順利投產(chǎn)，這是世界上首個特高壓±800 kV柔直工程，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

基于模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)，因其控制靈活、自換相等優(yōu)點，能很好地解決傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)多饋入受端電網(wǎng)帶來的安全穩(wěn)定問題。同時其在大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)方面也具有獨特優(yōu)勢，未來，柔性直流輸電在新能源發(fā)電并網(wǎng)、改造城市配電網(wǎng)、孤島供電等領(lǐng)域必將快速發(fā)展和應(yīng)用，如正在大力推進的粵港澳大灣區(qū)智慧電力工程等[3 - 6]。

隨著電力電子技術(shù)及其控制技術(shù)的發(fā)展，柔性直流換流閥、直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備研制困難的問題也將逐步解決，從我國以及世界上已運行的柔性直流工程來看，這項技術(shù)也在不斷趨向成熟。

當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對電力的需求的不斷增大，以及國家的高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，給電網(wǎng)的性能和質(zhì)量可靠性提出了更高的要求。現(xiàn)在對柔性直流輸電工程壽命明確從原來的30年(南澳風(fēng)電場四端柔性直流輸電示范工程)提高到了40年(魯西背靠背示范工程、在建的烏東德工程等)，這就對柔性直流輸電設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。如何科學(xué)合理的保障柔性直流輸電工程的質(zhì)量與可靠性，需求迫切。

1 中國柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性需求識別方法論分析

中國柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)需求識別方法總體遵循自上而下“頂層設(shè)計”和自下而上“底層用例”相結(jié)合的原則。自上而下的“頂層設(shè)計”原則注重頂層設(shè)計，具體是根據(jù)中國柔性直流輸電領(lǐng)域發(fā)展愿景，構(gòu)思概念模型和體系框架，提出可靠性標(biāo)準(zhǔn)需求；自下而上“底層用例”原則側(cè)重支撐中國柔性直流輸電系統(tǒng)具體用例和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，同時對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進行梳理分析。將標(biāo)準(zhǔn)需求和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進行比對，識別現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與需求之間的差距，繼承現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，修訂沖突的標(biāo)準(zhǔn)，制定缺失的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)中國柔性直流輸電領(lǐng)域愿景規(guī)劃，中國柔性直流輸電在未來將朝著高電壓、大容量、低成本、高可靠性等方向發(fā)展，而在應(yīng)用層面上，高可靠性是其他發(fā)展方向得以實現(xiàn)和發(fā)展的核心，只有提高了系統(tǒng)可靠性，中國柔性直流輸電系統(tǒng)的其他方向才能得以健康穩(wěn)定的發(fā)展。由此可見，可靠性是目前中國柔性直流輸電系統(tǒng)的瓶頸所在。

同時，根據(jù)愿景規(guī)劃，柔直系統(tǒng)應(yīng)囊括電壓源換流器(VSC)、換流變壓器、換相電抗器、直流電容器和交流濾波器五大模塊，在可靠性層面上，這五大模塊的均依托可靠性技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)需求方法論分析圖如圖1所示。

依據(jù)需求識別方法論，同一需求內(nèi)的主體擁有相似的目標(biāo)，但信息通信可能有不同的特性，要實現(xiàn)互操作則需要適應(yīng)不同的要求，為了中國柔性直流輸電系統(tǒng)的全部運行特性，某一模塊的主體通常需要與其他模塊的主體功能進行交互。可靠性是柔性直流輸電系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)支撐，以保障系統(tǒng)互聯(lián)互通、智能高效、安全穩(wěn)定運行為前提。主要包括五個領(lǐng)域，分別是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信、智能傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)儲存與管理、算法與計算平臺以及在此基礎(chǔ)上的信息通信安全。

如圖1所示，根據(jù)以上以“對象-方法-目標(biāo)”為主線的需求識別方法論概念模型分析，中國柔性直流輸電系統(tǒng)總體上分為器件模塊可靠性和信息通信可靠性，在圍繞中國柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)展的前提下，以器件裝備可靠性和信息安全為核心，伴隨著以相關(guān)技術(shù)的演進，對應(yīng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制修訂成了大勢所趨。

2 柔性直流輸電工程可靠性工作需求調(diào)研

國內(nèi)外已經(jīng)開展了柔性直流輸電工程可靠性、安全性研究[7 - 14]，但是在柔性直流輸電工程高速發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了質(zhì)量可靠性等諸多問題；在工程研制階段、生產(chǎn)、驗收和使用階段，柔性直流輸電工程缺乏可靠性標(biāo)準(zhǔn)支撐，柔性直流換流閥可靠性標(biāo)準(zhǔn)需求迫切。

2.1 質(zhì)量可靠性提升迫切需求

與常規(guī)直流輸電系統(tǒng)核心器件大功率晶閘管相比，柔性直流輸電采用的是IGBT，IGBT和控制IGBT的二次板卡等成為了影響柔直輸電的核心部組件[13 - 14]。因核心部組件引入了更多了微電子、小功率電子組件，換流閥的控制方式和工況環(huán)境也更為復(fù)雜，常規(guī)直流輸電質(zhì)量控制與應(yīng)用工程經(jīng)驗可借鑒的內(nèi)容有限。

MMC功率模塊作為柔性直流換流閥核心模塊，除了常規(guī)電力電子器件外，還有二次板卡(驅(qū)動板、控制板、觸發(fā)板、采樣板等)、光纖、電源等。這些組成部件對MMC功率模塊的可靠性起著決定性作用。某柔性直流輸電工程2016—2019年運行情況顯示(不完全統(tǒng)計)：MMC功率模塊旁路故障較多，普遍存在工藝可靠性、軟件可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等共性問題。

1)工藝可靠性問題：控制板卡AD芯片虛焊引起采樣異常、測量裝置端子壓接不規(guī)范導(dǎo)致虛接。

2)軟件可靠性問題：SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測邏輯存在缺陷故障導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘。

3)環(huán)境適應(yīng)性問題：運輸引起的電源連線松動導(dǎo)致供電異常、主控板光纖座進異物或灰塵導(dǎo)致通訊異常、均壓電極腐蝕結(jié)垢等。

柔性直流輸電技術(shù)正處于不斷走向成熟的階段，工程運行數(shù)據(jù)少，在這過程中不可避免的存在一定的質(zhì)量可靠性問題，雖然工程有進行冗余設(shè)計，但換流閥被迫停運的事情還是時有發(fā)生，質(zhì)量可靠性提升需求迫切。

2.2 工程研制需求

柔性直流輸電系統(tǒng)通常由換流閥塔和換流閥控制保護系統(tǒng)組成[15 - 16]。其中換流閥塔由多個子模塊、結(jié)構(gòu)件和水冷系統(tǒng)組成，子模塊是換流閥內(nèi)最小的功能電氣單元，為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心部件。換流閥控制保護系統(tǒng)，通常包括IGBT換流閥子模塊控制器、閥基控制設(shè)備、IGBT元件監(jiān)控系統(tǒng)3個部分，主要功能是負(fù)責(zé)對換流閥進行觸發(fā)、監(jiān)測和保護，其性能的優(yōu)劣直接決定換流閥及整體系統(tǒng)的安全可靠。在工程研制階段：

1)模塊級：MMC功率模塊除了核心電力電子器件(電子電力器件供應(yīng)商提供質(zhì)量與可靠性相關(guān)數(shù)據(jù))外，其他組成部件質(zhì)量可靠性缺少保障。MMC功率模塊在運行條件下，通常受到高溫、強電磁干擾、浪涌等電應(yīng)力因素的影響，需要在工程設(shè)計階段，開展有效的元器件優(yōu)選與控制、熱設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、防護設(shè)計、焊接工藝優(yōu)化等可靠性設(shè)計、分析與評價，以保障其可靠性水平。

2)設(shè)備級：換流閥塔是通過子模塊之間通過串聯(lián)螺旋上升方式構(gòu)成閥塔的基本電氣連接。在這個過程中，組裝工藝也將對換流閥的可靠性與安全性產(chǎn)生重要影響。工藝的分析與評價手段、規(guī)范的建立對工程的建設(shè)具有重要意義。

3)系統(tǒng)級：換流閥塔和換流閥控制保護系統(tǒng)作為一個整體，通過軟件的指令實現(xiàn)觸發(fā)、監(jiān)測和保護。軟件的可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性水平，軟件的可靠性、安全性亦需要相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。在工程設(shè)計定型前，需要可靠性試驗與評價標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)開展可靠性摸底與壽命評價，以確保系統(tǒng)可靠性水平達到了工程質(zhì)量要求。

4)柔性直流換流閥與常規(guī)直流輸電的運行條件存在較大的差異，需要確定全壽命周期的環(huán)境類型及其量值，才能充分、有效的開展可靠性工作。

2.3 工程驗收需求

在工程驗收階段，柔性直流輸電工程缺乏可靠性評價手段。以正在建設(shè)的烏東德工程為例，要求工程設(shè)計壽命40 a。設(shè)備使用方需要有效的、統(tǒng)一的可靠性評價手段，充分的驗證現(xiàn)有的工程建設(shè)是否滿足工程的指標(biāo)要求，以及對比各承制方設(shè)備的質(zhì)量可靠性水平。

此外，需要可靠性分析與評價手段尋找可靠性薄弱環(huán)節(jié)，支撐工程開展維修維護策略的制定。如：烏東德工程要求換流閥功率模塊二次板卡的使用壽命應(yīng)按照同換流閥使用壽命設(shè)計，如果不能滿足設(shè)計壽命要求，承制方應(yīng)該提出所供二次板卡的使用壽命，還應(yīng)提出更換年限。

2.4 工程使用需求

在工程運行階段，為了確保設(shè)備正常可靠性運行，換流站通常會開展設(shè)備檢修，包括事后檢修、預(yù)防性檢修以及基于設(shè)備狀態(tài)的檢修。隨著故障預(yù)測和健康管理(precacction and health management,PHM)技術(shù)、馬爾科夫狀態(tài)模型在電力設(shè)備中的應(yīng)用發(fā)展[17]，工程需要盡量避免事后檢修，在事故發(fā)生前，評估實際運行條件下的故障概率、電網(wǎng)風(fēng)險，為設(shè)備最終的檢修決策提供科學(xué)依據(jù)。柔直輸電工程需要使用可靠性技術(shù)支撐維修決策的制定。

此外，從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)在軍工領(lǐng)域在已開展導(dǎo)彈、魚雷等定延壽工程，目前可靠性與定延壽技術(shù)已經(jīng)在軍工領(lǐng)域得到了全面應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和軍事效益。2018年2月美國標(biāo)準(zhǔn)化委員會ANSI批準(zhǔn)頒發(fā)了ASNI/UL 4143風(fēng)電機組壽命延長標(biāo)準(zhǔn)，也是全球首個國家級風(fēng)電機組延壽標(biāo)準(zhǔn)。未來隨著柔性直流輸電工程的運行到壽，以及國內(nèi)外可靠性與定延壽技術(shù)的發(fā)展，電力工程的定壽延壽也將會是未來發(fā)展的重要趨勢。如何開展定壽延壽決策，也需要使用可靠性相關(guān)技術(shù)支撐。

3 柔性直流輸電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析及存在的問題

3.1 器件級可靠性標(biāo)準(zhǔn)相對成熟

IGBT、電容器、晶閘管等電力電子器件可靠性測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對較多[18 - 21]。如核心器件IGBT的可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下。

《GB/T 29332—2012 半導(dǎo)體器件 分立器件 第9部分：絕緣柵雙極晶體管》[22]針對絕緣柵雙極晶體管(IGBT)耐久性和可靠性試驗的試驗條件、試驗方法、接收判定特性和接收判據(jù)等進行了明確指導(dǎo)。等同于IEC 60747-9：2007[23]。

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 33A系列標(biāo)準(zhǔn)[24]，結(jié)合我國軍事電子裝備對半導(dǎo)體分立器件的需求，給出了各類半導(dǎo)體分立器件的詳細(xì)要求，包括設(shè)計、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量保證規(guī)定、包裝等。此外還將篩選試驗納入了標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了產(chǎn)品保證等級的質(zhì)量一致性檢驗等。

《GJB 128A—1997 半導(dǎo)體分立器件試驗方法》[25]規(guī)定了半導(dǎo)體分立器件的通用試驗方法。類似國外《MIL-STD-750D 2006半導(dǎo)體測試方法》[26]建立了統(tǒng)一的半導(dǎo)體器件測試方法，包括確定對自然環(huán)境和軍事行動環(huán)境有害影響抵抗力的基本環(huán)境測試、機械性能測試和電特性測試。

汽車電子領(lǐng)域中汽車電子委員會、組件技術(shù)委員會聯(lián)合頒布的《AECQ 101 基于離散半導(dǎo)體元件應(yīng)力測試認(rèn)證的失效機理》[27]包含了離散半導(dǎo)體元件(如晶體管、二極管等)最低應(yīng)力測試要求的定義和參考測試條件，目的是確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過應(yīng)力測試以及被認(rèn)為能夠提供某種級別的品質(zhì)和可靠性。

3.2 板卡級可靠性標(biāo)準(zhǔn)基本空白

目前柔性直流換流閥設(shè)備二次板卡，主要是參考標(biāo)準(zhǔn)IEC 62501[28]、GJB 150A[29]，針對二次板卡主要開展性能試驗和環(huán)境試驗。性能試驗主要包括：功能性試驗、穩(wěn)態(tài)試驗等，環(huán)境試驗包括電磁兼容試驗、溫度循環(huán)試驗、高溫試驗、鹽霧試驗、高溫壽命試驗、高溫壽命試驗、振動沖擊試驗等。此外，還根據(jù)需要，開展168 h的高溫老化試驗。板卡級產(chǎn)品可靠性設(shè)計分析、試驗與評價標(biāo)準(zhǔn)缺失。

以電磁兼容為例，柔性直流換流閥由于IGBT閥體開關(guān)動作，電流電壓變化引起的高頻電磁干擾可達數(shù)十兆赫茲，遠大于傳統(tǒng)直流換流閥[30 - 32]。并且這種高頻電磁干擾通過連接變壓器和電抗器傳導(dǎo)到交、直流側(cè)，同時還通過閥體本身、導(dǎo)線等向空間輻射電磁能量產(chǎn)生空間輻射電磁騷擾。針對這種復(fù)雜、嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，目前還沒有明確的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)可以指導(dǎo)設(shè)備研制單位開展相關(guān)的試驗分析。目前僅能參考《GB 17626 電磁兼容》[33]系列標(biāo)準(zhǔn)，開展靜電放電抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、浪涌(沖擊)抗干擾度試驗、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷抗擾度試驗等，試驗等級的選取也沒有明確的指導(dǎo)性建議。大多數(shù)設(shè)備研制單位試驗等級選取缺乏依據(jù)，只能靠經(jīng)驗選擇較高的試驗等級開展。而從柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用情況來看，仍然存在單元控制板通信異常、驅(qū)動板驅(qū)動異常等典型電磁兼容性問題。

3.3 設(shè)備級及系統(tǒng)級可靠性標(biāo)準(zhǔn)缺乏

目前，國內(nèi)沒有針對柔性直流輸電設(shè)備可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，只有技術(shù)規(guī)范和型式試驗標(biāo)準(zhǔn)。

其中，技術(shù)規(guī)范有：《GB/T 37010—2018 柔性直流輸電換流閥技術(shù)規(guī)范》[34]規(guī)定了柔性直流輸電換流閥的使用條件、技術(shù)要求、試驗要求、運行維護、包裝與運輸?shù)龋Q流閥的冗余度設(shè)計、子模塊和IGBT的故障率計算方式等相關(guān)可靠性內(nèi)容進行了初步要求。《GB/T 37008—2018 柔性直流輸電用電抗器技術(shù)規(guī)范》[35]規(guī)定了柔性直流輸電用電抗器的使用條件、技術(shù)要求、試驗項目及方法、包裝、運輸和貯存等，并未涉及可靠性相關(guān)內(nèi)容。

型式試驗標(biāo)準(zhǔn)有：《DL/T 1513—2016 柔性直流輸電用電壓源型換流閥 電氣試驗》[36]、《GB/T 33348—2016 高壓直流輸電用電壓源換流器閥電氣試驗》[37]，其中《GB/T 33348—2016》與《IEC 62501: 2014》等同采用。型式試驗標(biāo)準(zhǔn)均未涉及可靠性相關(guān)內(nèi)容。

柔性直流輸電設(shè)備可靠性分析、檢測、試驗與評價手段缺乏。借鑒常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，國內(nèi)外研究學(xué)者也開展了大量的柔性直流輸電系統(tǒng)質(zhì)量可靠性研究，如，柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性評估手段有：串并聯(lián)等值法、頻率持續(xù)時間法(FD法)、基于FD法和模型組合法、k/n(G)模型、通過基于失效率的可靠性預(yù)計的方法和相似產(chǎn)品法等[38 - 50]。但是，柔性直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)有的可靠性評估方法和精度均依賴于最小單元的故障率和修復(fù)時間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而目前柔直工程運行數(shù)據(jù)少，同時缺少試驗分析手段和試驗數(shù)據(jù)支撐，很難達到精確的可靠性評估。

目前柔性直流輸電設(shè)備及系統(tǒng)級可靠性標(biāo)準(zhǔn)缺乏，各產(chǎn)品供應(yīng)商之間也缺乏一套統(tǒng)一可靠性驗收標(biāo)準(zhǔn)進行可靠性指標(biāo)驗收。

4 其他相關(guān)領(lǐng)域的可靠性標(biāo)準(zhǔn)研究

針對目前國內(nèi)柔性輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)缺失的問題，進一步梳理其他相關(guān)領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，借鑒其他領(lǐng)域相關(guān)經(jīng)驗，為柔性輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供參考。

4.1 可靠性國家標(biāo)準(zhǔn)

全國電工電子產(chǎn)品可靠性與維修性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC24)組建于1982年，與國際電工委員會可信性技術(shù)委員會(IEC/TC 56)對口。IEC/TC56負(fù)責(zé)可信性領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)制訂及維護工作。包括可信性管理、系統(tǒng)可信性、可靠性與可用性、可恢復(fù)性、維修性、維修保障和安全風(fēng)險分析等相關(guān)共性技術(shù)基礎(chǔ)專業(yè)領(lǐng)域。其中0107對應(yīng)的是安全性工程，0102對應(yīng)的是可靠性工程。IEC/TC56目前發(fā)布的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)有55項，這些標(biāo)準(zhǔn)為元器件、設(shè)備、軟件和系統(tǒng)裝備等電工電子產(chǎn)品整個壽命周期的可信性評估和管理提供了系統(tǒng)的方法和工具。其中有22項已等同采標(biāo)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)，目前還正在制修訂的標(biāo)準(zhǔn)19項。目前制修訂的標(biāo)準(zhǔn)主要以等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)為主，大部分為可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括：可靠性設(shè)計、可靠性試驗、可靠性增長、現(xiàn)場工作可靠性等。

4.2 可靠性國家軍用標(biāo)準(zhǔn)

可靠性現(xiàn)行有效國家軍用標(biāo)準(zhǔn)有38項。其中，國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《GJB 450A—2004 裝備可靠性工作通用要求》[51]規(guī)定了裝備壽命周期內(nèi)開展可靠性工作的一般要求和工作項目。明確了軍用裝備可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)容，將可靠性工作分為5個系列，即100系列—可靠性及工作項目要求的確定，200系列—可靠性管理，300系列—可靠性設(shè)計與分析，400系列—可靠性試驗與評價，500系列—使用可靠性評估與改進。涵蓋了裝備論證、方案制定、工程研制與定型、生產(chǎn)與使用各個階段的可靠性要求，是指導(dǎo)軍方開展裝備可靠性工作的綱領(lǐng)性文件。

4.3 核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)

核電領(lǐng)域現(xiàn)行的可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有36項，主要分布，包括：國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)5項，核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EJ)19項，以及能源行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)(NB)12項。這些標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括：可靠性要求、可靠性管理、可靠性設(shè)計、可靠性試驗、可靠性分析評價、使用階段可靠性、軟件可靠性和質(zhì)量管理8個類別。其中有7項標(biāo)準(zhǔn)在制修訂過程中參考的國際國外先進標(biāo)準(zhǔn)的成熟經(jīng)驗[52 - 53]。

國際國外的核電領(lǐng)域現(xiàn)行可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要來源于ANSI、IEEE、ISO、GOST和IEC，共計23項標(biāo)準(zhǔn)，涉及的類別主要包括：可靠性要求、可靠性管理、可靠性設(shè)計、可靠性分析與評價、使用階段可靠性和質(zhì)量管理。我國核電可靠性標(biāo)準(zhǔn)與國際國外核電可靠性標(biāo)準(zhǔn)的具體分布情況詳細(xì)見表1。

表1 核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)分類情況表Tab.1 Classification of nuclear power reliability standards

我國核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了一定成績，對核電廠系統(tǒng)和設(shè)備的安全可靠發(fā)揮了重要的作用，但是也有一定的不足，如沒有建立核電設(shè)備可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系、現(xiàn)有可靠性標(biāo)準(zhǔn)不完整等問題。中國核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)還需進一步的更新完善。

5 中國柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)制定方向

5.1 工程建設(shè)

目前中國高電壓大容量柔性直流輸電技術(shù)工程建設(shè)正處理快速發(fā)展期，但是目前柔性直流輸電相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也較為匱乏，導(dǎo)致柔性直流工程建設(shè)過程缺少標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)與約束。因此急需建立一套柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系滿足柔性直流工程建設(shè)需求。

結(jié)合工程建設(shè)周期，柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)可以分3個階段進行構(gòu)建，3個階段分別為規(guī)劃設(shè)計階段、工程建設(shè)階段、工程運行階段。

在規(guī)劃設(shè)計階段，柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)建立系統(tǒng)/設(shè)備可靠性工作通用要求，并依據(jù)可靠性通用要求規(guī)劃工程周期內(nèi)重點的可靠性工作項目，制定可靠性工作計劃，指導(dǎo)工程周期內(nèi)承制方通過一系列的可靠性活動提升和保障可靠性水平，并通過一定的評價活動驗證工程的可靠性水平。

工程建設(shè)階段，柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系重點規(guī)劃元器件、材料優(yōu)選與控制，可靠性強化試驗，可靠性摸底試驗，可靠性綜合評價，可靠性驗收規(guī)范。在工程建設(shè)階段，利用可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)生產(chǎn)、制造，不斷提升產(chǎn)品的可靠性水平，將可靠性制造到產(chǎn)品中。

工程運行階段，柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系重點規(guī)劃維修維護規(guī)程、使用可靠性評估指南、定壽延壽指南規(guī)范。在工程運行階段，科學(xué)合理的維修維護，使得產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)能效比最優(yōu)。

結(jié)合規(guī)劃設(shè)計階段、工程建設(shè)階段、工程運行階段可靠性工作，建立可靠性工作通用要求等頂層標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，形成柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系。

5.2 技術(shù)需求

針對目前柔性直流輸電領(lǐng)域電磁兼容試驗等級選取缺乏依據(jù)、可靠性評價技術(shù)不適用等技術(shù)現(xiàn)狀，急需制修訂一批標(biāo)準(zhǔn)以滿足柔性直流輸電高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)需求。因此建議按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)維度分器件級、板卡級、設(shè)備系統(tǒng)級進行可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系細(xì)化工作，具體建議如下。

器件級標(biāo)準(zhǔn)：IGBT、電容器、開關(guān)、母排、半導(dǎo)體分立器件、集成電路、電阻等器件級環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性試驗與評價標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程。

板卡級標(biāo)準(zhǔn)：通訊板、控制板、驅(qū)動板等二次板卡可靠性建模預(yù)計分配、有限元仿真、可靠性強化試驗、可靠性評價、電磁兼容試驗標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

設(shè)備系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)：功率模塊、換流閥、換流變、聯(lián)結(jié)變、橋臂電抗器等關(guān)鍵設(shè)備以及柔性直流輸電系統(tǒng)工程可靠性試驗與評價、軟件可靠性、可靠性驗收、使用與維修標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

5.3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對電力的需求的不斷增大，以及國家的高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，給電網(wǎng)的性能和質(zhì)量可靠性提出了更高的要求。現(xiàn)在對柔性直流輸電工程壽命明確從原來的30 a提高到了40 a。

因此必須開展柔性直流輸電領(lǐng)域質(zhì)量可靠性技術(shù)攻關(guān)，借鑒常規(guī)直流輸電標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有南澳、魯西、烏東德等工程建設(shè)經(jīng)驗，形成可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系，為柔性直流輸電工程提供檢測手段、試驗技術(shù)、評估方法，以促進行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

6 柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)建議

通過上述調(diào)研與分析，我國亟需開展柔性直流換流閥可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，該體系框架的初步建設(shè)建議如表2所示。

1)建立可靠性工作通用要求，用以指導(dǎo)工程全壽命周期內(nèi)各個階段可靠性工作的開展。包括制定可靠性工作計劃、可靠性管理、可靠性設(shè)計準(zhǔn)則等。

2)建立可靠性設(shè)計與分析、可靠性試驗與評價等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支撐柔性直流換流閥工程研制階段的可靠性工作的開展，包括板級、設(shè)備級和系統(tǒng)級的可靠性分析、試驗與評價，在研制、生產(chǎn)階段保障工程的質(zhì)量可靠性水平。同時為工程的使用方提供科學(xué)分析與評價手段，為工程競標(biāo)和驗收提供統(tǒng)一的、有效的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3)建立使用可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)，為工程運行維護方案制訂、可靠性改進、定延壽等工作開展提供重要支撐。

表2 柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)建議Tab.2 Reliability standard recommendations in the field of flexible DC transmission

7 結(jié)語

本文調(diào)研了國內(nèi)柔性直流輸電工程可靠性工作需求，分析了柔性直流輸電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及存在的問題，并借鑒其他相關(guān)領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，從工程建設(shè)、技術(shù)需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展3個方面提出中國柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制定方向，并對柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系提出建設(shè)建議。可為柔性直流輸電系統(tǒng)工程論證、研制、生產(chǎn)、驗收提供質(zhì)量可靠性保障，同時為工程的使用和維修維護，甚至未來的工程“定延壽”提供科學(xué)的技術(shù)手段。