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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510610；3. 直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)功功率、沒(méi)有換相失敗問(wèn)題、獨(dú)立控制有功和無(wú)功功率等優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用在高壓直流輸電系統(tǒng)中。近年來(lái)，目前柔性直輸電技術(shù)得到了廣泛的工程實(shí)踐[1 - 2]，如上海南匯示范工程、南澳風(fēng)電場(chǎng)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(gè)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(diǎn)，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(lái)的安全穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)其在大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來(lái)，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(jìn)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(wèn)題也將逐步解決，從我國(guó)以及世界上已運(yùn)行的柔性直流工程來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)也在不斷趨向成熟。

當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對(duì)電力的需求的不斷增大，以及國(guó)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?，F(xiàn)在對(duì)柔性直流輸電工程壽命明確從原來(lái)的30年(南澳風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(guó)柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性需求識(shí)別方法論分析

中國(guó)柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)需求識(shí)別方法總體遵循自上而下“頂層設(shè)計(jì)”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(jì)”原則注重頂層設(shè)計(jì)，具體是根據(jù)中國(guó)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(guó)柔性直流輸電系統(tǒng)具體用例和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理分析。將標(biāo)準(zhǔn)需求和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)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(guó)柔性直流輸電領(lǐng)域愿景規(guī)劃，中國(guó)柔性直流輸電在未來(lái)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(shí)現(xiàn)和發(fā)展的核心，只有提高了系統(tǒng)可靠性，中國(guó)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(jiàn)，可靠性是目前中國(guó)柔性直流輸電系統(tǒng)的瓶頸所在。

同時(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)互操作則需要適應(yīng)不同的要求，為了中國(guó)柔性直流輸電系統(tǒng)的全部運(yùn)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(jìn)行交互?？煽啃允侨嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)運(yùn)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(yùn)行為前提。主要包括五個(gè)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(chǔ)存與管理、算法與計(jì)算平臺(tái)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(duì)象-方法-目標(biāo)”為主線(xiàn)的需求識(shí)別方法論概念模型分析，中國(guó)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(guó)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(jìn)，對(duì)應(yīng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制修訂成了大勢(shì)所趨。

2 柔性直流輸電工程可靠性工作需求調(diào)研

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)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(shí)，也出現(xiàn)了質(zhì)量可靠性等諸多問(wèn)題；在工程研制階段、生產(chǎn)、驗(yàn)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(yàn)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(dòng)板、控制板、觸發(fā)板、采樣板等)、光纖、電源等。這些組成部件對(duì)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(yùn)行情況顯示(不完全統(tǒng)計(jì))：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(wèn)題。

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

2)軟件可靠性問(wèn)題：SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(wèn)題：運(yùn)輸引起的電源連線(xiàn)松動(dòng)導(dǎo)致供電異常、主控板光纖座進(jìn)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(yùn)行數(shù)據(jù)少，在這過(guò)程中不可避免的存在一定的質(zhì)量可靠性問(wèn)題，雖然工程有進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，但換流閥被迫停運(yùn)的事情還是時(shí)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(hù)系統(tǒng)組成[15 - 16]。其中換流閥塔由多個(gè)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(hù)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(gè)部分，主要功能是負(fù)責(zé)對(duì)換流閥進(jìn)行觸發(fā)、監(jiān)測(cè)和保護(hù)，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(jí)：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(yùn)行條件下，通常受到高溫、強(qiáng)電磁干擾、浪涌等電應(yīng)力因素的影響，需要在工程設(shè)計(jì)階段，開(kāi)展有效的元器件優(yōu)選與控制、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、防護(hù)設(shè)計(jì)、焊接工藝優(yōu)化等可靠性設(shè)計(jì)、分析與評(píng)價(jià)，以保障其可靠性水平。

2)設(shè)備級(jí)：換流閥塔是通過(guò)子模塊之間通過(guò)串聯(lián)螺旋上升方式構(gòu)成閥塔的基本電氣連接。在這個(gè)過(guò)程中，組裝工藝也將對(duì)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(píng)價(jià)手段、規(guī)范的建立對(duì)工程的建設(shè)具有重要意義。

3)系統(tǒng)級(jí)：換流閥塔和換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，通過(guò)軟件的指令實(shí)現(xiàn)觸發(fā)、監(jiān)測(cè)和保護(hù)。軟件的可靠性直接影響到整個(gè)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(jì)準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。在工程設(shè)計(jì)定型前，需要可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)開(kāi)展可靠性摸底與壽命評(píng)價(jià)，以確保系統(tǒng)可靠性水平達(dá)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(yùn)行條件存在較大的差異，需要確定全壽命周期的環(huán)境類(lèi)型及其量值，才能充分、有效的開(kāi)展可靠性工作。

2.3 工程驗(yàn)收需求

在工程驗(yàn)收階段，柔性直流輸電工程缺乏可靠性評(píng)價(jià)手段。以正在建設(shè)的烏東德工程為例，要求工程設(shè)計(jì)壽命40 a。設(shè)備使用方需要有效的、統(tǒng)一的可靠性評(píng)價(jià)手段，充分的驗(yàn)證現(xiàn)有的工程建設(shè)是否滿(mǎn)足工程的指標(biāo)要求，以及對(duì)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(píng)價(jià)手段尋找可靠性薄弱環(huán)節(jié)，支撐工程開(kāi)展維修維護(hù)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(jì)，如果不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(yùn)行階段，為了確保設(shè)備正?？煽啃赃\(yùn)行，換流站通常會(huì)開(kāi)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(cè)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(píng)估實(shí)際運(yùn)行條件下的故障概率、電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，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(kāi)始，國(guó)內(nèi)在軍工領(lǐng)域在已開(kāi)展導(dǎo)彈、魚(yú)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(jì)和軍事效益。2018年2月美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)ANSI批準(zhǔn)頒發(fā)了ASNI/UL 4143風(fēng)電機(jī)組壽命延長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也是全球首個(gè)國(guó)家級(jí)風(fēng)電機(jī)組延壽標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)隨著柔性直流輸電工程的運(yùn)行到壽，以及國(guó)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(huì)是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。如何開(kāi)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(wèn)題

3.1 器件級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟

IGBT、電容器、晶閘管等電力電子器件可靠性測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)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(duì)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)耐久性和可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法、接收判定特性和接收判據(jù)等進(jìn)行了明確指導(dǎo)。等同于IEC 60747-9：2007[23]。

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

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

汽車(chē)電子領(lǐng)域中汽車(chē)電子委員會(huì)、組件技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合頒布的《AECQ 101 基于離散半導(dǎo)體元件應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證的失效機(jī)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(cè)試要求的定義和參考測(cè)試條件，目的是確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過(guò)應(yīng)力測(cè)試以及被認(rèn)為能夠提供某種級(jí)別的品質(zhì)和可靠性。

3.2 板卡級(jí)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(duì)二次板卡主要開(kāi)展性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)。性能試驗(yàn)主要包括：功能性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)等，環(huán)境試驗(yàn)包括電磁兼容試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高溫壽命試驗(yàn)、高溫壽命試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)等。此外，還根據(jù)需要，開(kāi)展168 h的高溫老化試驗(yàn)。板卡級(jí)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)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(kāi)關(guān)動(dòng)作，電流電壓變化引起的高頻電磁干擾可達(dá)數(shù)十兆赫茲，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)直流換流閥[30 - 32]。并且這種高頻電磁干擾通過(guò)連接變壓器和電抗器傳導(dǎo)到交、直流側(cè)，同時(shí)還通過(guò)閥體本身、導(dǎo)線(xiàn)等向空間輻射電磁能量產(chǎn)生空間輻射電磁騷擾。針對(duì)這種復(fù)雜、嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，目前還沒(méi)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(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)分析。目前僅能參考《GB 17626 電磁兼容》[33]系列標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展靜電放電抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌(沖擊)抗干擾度試驗(yàn)、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷抗擾度試驗(yàn)等，試驗(yàn)等級(jí)的選取也沒(méi)有明確的指導(dǎo)性建議。大多數(shù)設(shè)備研制單位試驗(yàn)等級(jí)選取缺乏依據(jù)，只能靠經(jīng)驗(yàn)選擇較高的試驗(yàn)等級(jí)開(kāi)展。而從柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，仍然存在單元控制板通信異常、驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)異常等典型電磁兼容性問(wèn)題。

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

目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有針對(duì)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(yàn)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(yàn)要求、運(yùn)行維護(hù)、包裝與運(yùn)輸?shù)龋?duì)換流閥的冗余度設(shè)計(jì)、子模塊和IGBT的故障率計(jì)算方式等相關(guān)可靠性?xún)?nèi)容進(jìn)行了初步要求?！禛B/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(yàn)項(xiàng)目及方法、包裝、運(yùn)輸和貯存等，并未涉及可靠性相關(guān)內(nèi)容。

型式試驗(yàn)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(yàn)》[36]、《GB/T 33348—2016 高壓直流輸電用電壓源換流器閥電氣試驗(yàn)》[37]，其中《GB/T 33348—2016》與《IEC 62501: 2014》等同采用。型式試驗(yàn)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(cè)、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)手段缺乏。借鑒常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也開(kāi)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(píng)估手段有：串并聯(lián)等值法、頻率持續(xù)時(shí)間法(FD法)、基于FD法和模型組合法、k/n(G)模型、通過(guò)基于失效率的可靠性預(yù)計(jì)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(píng)估方法和精度均依賴(lài)于最小單元的故障率和修復(fù)時(shí)間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而目前柔直工程運(yùn)行數(shù)據(jù)少，同時(shí)缺少試驗(yàn)分析手段和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，很難達(dá)到精確的可靠性評(píng)估。

目前柔性直流輸電設(shè)備及系統(tǒng)級(jí)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠性指標(biāo)驗(yàn)收。

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

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)柔性輸電系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)缺失的問(wèn)題，進(jìn)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(yàn)，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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

全國(guó)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(huì)(SAC/TC24)組建于1982年，與國(guó)際電工委員會(huì)可信性技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC 56)對(duì)口。IEC/TC56負(fù)責(zé)可信性領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂及維護(hù)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(xiǎn)分析等相關(guān)共性技術(shù)基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。其中0107對(duì)應(yīng)的是安全性工程，0102對(duì)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(xiàng)，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(gè)壽命周期的可信性評(píng)估和管理提供了系統(tǒng)的方法和工具。其中有22項(xiàng)已等同采標(biāo)轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前還正在制修訂的標(biāo)準(zhǔn)19項(xiàng)。目前制修訂的標(biāo)準(zhǔn)主要以等同采用國(guó)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(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性增長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)工作可靠性等。

4.2 可靠性國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)

可靠性現(xiàn)行有效國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)有38項(xiàng)。其中，國(guó)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(kāi)展可靠性工作的一般要求和工作項(xiàng)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(gè)系列，即100系列—可靠性及工作項(xiàng)目要求的確定，200系列—可靠性管理，300系列—可靠性設(shè)計(jì)與分析，400系列—可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，500系列—使用可靠性評(píng)估與改進(jìn)。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(gè)階段的可靠性要求，是指導(dǎo)軍方開(kāi)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(xiàng)，主要分布，包括：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)5項(xiàng)，核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EJ)19項(xiàng)，以及能源行業(yè)核電標(biāo)準(zhǔn)(NB)12項(xiàng)。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(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性分析評(píng)價(jià)、使用階段可靠性、軟件可靠性和質(zhì)量管理8個(gè)類(lèi)別。其中有7項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在制修訂過(guò)程中參考的國(guó)際國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的成熟經(jīng)驗(yàn)[52 - 53]。

國(guó)際國(guó)外的核電領(lǐng)域現(xiàn)行可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要來(lái)源于ANSI、IEEE、ISO、GOST和IEC，共計(jì)23項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，涉及的類(lèi)別主要包括：可靠性要求、可靠性管理、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析與評(píng)價(jià)、使用階段可靠性和質(zhì)量管理。我國(guó)核電可靠性標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際國(guó)外核電可靠性標(biāo)準(zhǔn)的具體分布情況詳細(xì)見(jiàn)表1。

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

我國(guó)核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了一定成績(jī)，對(duì)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(méi)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(wèn)題。中國(guó)核電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)還需進(jìn)一步的更新完善。

5 中國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(mǎn)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(gè)階段進(jìn)行構(gòu)建，3個(gè)階段分別為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、工程建設(shè)階段、工程運(yùn)行階段。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)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(diǎn)的可靠性工作項(xiàng)目，制定可靠性工作計(jì)劃，指導(dǎo)工程周期內(nèi)承制方通過(guò)一系列的可靠性活動(dòng)提升和保障可靠性水平，并通過(guò)一定的評(píng)價(jià)活動(dòng)驗(yàn)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(diǎn)規(guī)劃元器件、材料優(yōu)選與控制，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，可靠性摸底試驗(yàn)，可靠性綜合評(píng)價(jià)，可靠性驗(yàn)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(yùn)行階段，柔性直流輸電可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系重點(diǎn)規(guī)劃維修維護(hù)規(guī)程、使用可靠性評(píng)估指南、定壽延壽指南規(guī)范。在工程運(yùn)行階段，科學(xué)合理的維修維護(hù)，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(jì)階段、工程建設(shè)階段、工程運(yùn)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(duì)目前柔性直流輸電領(lǐng)域電磁兼容試驗(yàn)等級(jí)選取缺乏依據(jù)、可靠性評(píng)價(jià)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(mǎn)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(jí)、板卡級(jí)、設(shè)備系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系細(xì)化工作，具體建議如下。

器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：IGBT、電容器、開(kāi)關(guān)、母排、半導(dǎo)體分立器件、集成電路、電阻等器件級(jí)環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程。

板卡級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：通訊板、控制板、驅(qū)動(dòng)板等二次板卡可靠性建模預(yù)計(jì)分配、有限元仿真、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、可靠性評(píng)價(jià)、電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

設(shè)備系統(tǒng)級(jí)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(yàn)與評(píng)價(jià)、軟件可靠性、可靠性驗(yàn)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對(duì)電力的需求的不斷增大，以及國(guó)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?，F(xiàn)在對(duì)柔性直流輸電工程壽命明確從原來(lái)的30 a提高到了40 a。

因此必須開(kāi)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(yàn)，形成可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系，為柔性直流輸電工程提供檢測(cè)手段、試驗(yàn)技術(shù)、評(píng)估方法，以促進(jìn)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(guò)上述調(diào)研與分析，我國(guó)亟需開(kāi)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(gè)階段可靠性工作的開(kāi)展。包括制定可靠性工作計(jì)劃、可靠性管理、可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。

2)建立可靠性設(shè)計(jì)與分析、可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)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(kāi)展，包括板級(jí)、設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的可靠性分析、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，在研制、生產(chǎn)階段保障工程的質(zhì)量可靠性水平。同時(shí)為工程的使用方提供科學(xué)分析與評(píng)價(jià)手段，為工程競(jìng)標(biāo)和驗(yàn)收提供統(tǒng)一的、有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3)建立使用可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，為工程運(yùn)行維護(hù)方案制訂、可靠性改進(jìn)、定延壽等工作開(kāi)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(yǔ)

本文調(diào)研了國(guó)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(wèn)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(gè)方面提出中國(guó)柔性直流輸電領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制定方向，并對(duì)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?？蔀槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)工程論證、研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收提供質(zhì)量可靠性保障，同時(shí)為工程的使用和維修維護(hù)，甚至未來(lái)的工程“定延壽”提供科學(xué)的技術(shù)手段。