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摘要提出了基于PEMFC （质子交换膜燃料电池） 的地下空间集中式和分布式两种供电结构， 建立了相应的供电系统可靠性计算模型， 通过对模型的可靠性进行定量计算、对比和分析， 证实分布式PEMFC 比集中式PEMF C 的供电系统可靠性高，PEMFC 模型可靠性指标假设值对分布式可靠性更高的结论没有影响； 最后， 分析了分布式供电系统元件的敏感度， 得出了元件的敏感度排序。
关键词 可靠性 PEMFC 地下空间 分布式集中式
现代战争对电能的依赖程度愈来愈高， 要保障地下空间的正常运转， 发挥工程内部智能化和自动化武器与设备的战斗作用， 都离不开高可靠性的电力供应。PEMFC （质子交换膜燃料电池） 工作过程中不涉及氢氧的燃烧， 不受“卡诺” 循环的限制， 能量转换效率高、工作温度低、洁净无污染、噪音低、模块化结构、积木性强、比功率高等优越性能［1］ 使其作为地下空间的备用电源可以彻底解决地下空间备用电站难伪装、恶化地下空间工作条件等问题， 改善地下空间供电可靠性， 提高地下空间战时的生存能力。因此， 采用PEMFC 是未来地下空间备用电源的发展方向。不同于以往对分布式和集中式供电系统可靠性仅停留在定性的对比分析， 本文将对基于PEMFC 的地下空间供电系统可靠性进行定量对比分析， 并从敏感度的角度为电气设备的选择提出建议。
1 基于PEMFC 的地下空间供电系统结构
PEMFC 在原理上相当于水电解的“逆” 装置，电池阳极氢气分子分解为氢质子并释放电子， 氢质子穿过质子交换膜到达电池阴极， 与氧气以及通过外电路流向阴极的电子反应生成水， 电子的流动便产生了电流。将多个单体PEMFC 叠层组合就能构成满足实际负载需要的PEMFC 电堆， 加上供气、控制、水管理以及电能变换等系统构成PEMFC 发电机。根据不同负载和环境条件， 为PEMFC 发电机配置相应的氢气储存装置， 以及空气保障、氢气监控、报警与排放、冷却水箱或余热处理、变配电和电站自动化等系统构成PEMFC 发电站［1］。
基于PEMFC 的地下工程供电系统结构可采用集中式供电结构， 如图1 所示。外部电源和内部备用PEMFC 电源自动联锁， 分列运行， 采用单母线分段运行方式。对一级负荷采用Ⅲ段和Ⅳ段母线双电源负荷侧自动切换的供电方式， 对二级负荷采用Ⅲ段和Ⅳ段母线双电源负荷侧手动切换的供电方式， 当电源容量不足时三级负荷应自动切除。
而根据PEMFC 的特点， 该系统还可采用分布式结构， 针对相对集中的负荷就近局部供电， 按负荷大小灵活配置电源容量、分散电源， 如图2 所示。这种结构的内外电源运行方式与集中式相同， 而对一级负荷采用Ⅰ段和Ⅱ段母线双电源负荷侧自动切换， 以及与备用电源双电源负荷侧自动切换的供电方式； 对二级负荷采用Ⅰ段和Ⅱ段母线的双电源负荷侧手动切换，以及与备用电源双电源负荷侧手动切换的供电方式； 对于三级负荷在备用电源容量充足时手动切换供给电能，在容量不足时手动切除。同时再备一定容量和数量的移动式PEMFC 发电机， 当重要负荷的备用PEMFC 发电机中断供电时立即手动更换。
2 建立可靠性模型
基于PEMFC 的地下空间供电系统电气元件包括PEMFC 发电站或发电机、变压器、双电源切换箱、母线、高（低） 压断路器、电力电缆和隔离开关。由于地下空间中一级负荷供电级别最高， 本文主要研究以PEMFC 发电站及变压器为起点， 一级负荷为终点这部分供电网络的可靠性。为了简化计算， 建模时作如下假定［2］：
a . 电力元件具有两种状态， 即正常工作状态和故障状态。元件都是可修复的， 元件故障是独立的，且只考虑单一故障。
b . 计算供电系统可靠性时， PEMFC 发电站和发电机都作为供电系统可靠性模型的一个环节来考虑。
c . 集中式PEMFC 发电站和分布式PEMFC 发电机组成环节基本相同， 但前者组成环节的容量大，性能参数要求高。根据对某工程的负荷统计及分布情况， 并参照PEMFC 发电机研制过程中的各项实测指标， 设PEMFC 发电机和发电站故障率分别为0. 15 和1. 5 （1 / 年）， 平均修复时间均为24 （h）。
d . 手动更换移动式PEMFC 发电机可靠性为1。
e . 从配电出线到负荷的电缆及从集中式发电机组到母线的电缆与系统中其他连接电缆相比相对较长， 计算时只考虑此两段电缆的影响。
根据图1 和图2 所示的集中式和分布式结构以及串联系统元件的等效原则（见4. 2节表1）， 可以得出集中式和分布式PEMFC 供电系统的逻辑图， 如图3、图4 所示。
3 确定计算方法
3． 1 可靠性判据
基于PEMFC 的地下空间供电系统的可靠性判据是： 为一级负荷连续性供电， 系统就可靠。
3． 2 可靠性指标计算方法
可靠性指标及计算公式［3］： 设系统故障率为λs，修复率为μs。不加下标（加下标i 时） 表示（第i个） 元件的可靠性指标， 元件可靠性指标计算方法与系统可靠性指标计算方法一致。
4． 1 供电通路的不交化
元件的可靠性指标［2、3］见表1。
4． 3 计算
根据公式（1） ~ （13） 得分布式和集中式供电方式可靠性指标计算值如表2 所示。
4． 4 PEMFC 模型可靠性指标值影响分析
根据可靠性指标［2］统计值可以看出， 容量越大，电压电流等级越高， 故障率越高， 平均修复时间越长。因此， 同一个系统里， PEMFC 发电机的故障率λ 和平均修复时间MTTR 总是小于或等于PEMFC 发电站的故障率λ′平均修复时间MTTR′。设分布式λ = 0. 15， MTTR = 24 时， 分布式：Ps = 0. 999 315 53， λs= 0. 30， MTBFs = 3. 34； Us="5". 99。下面分四种情况比较分布式和集中式供电可靠性指标值：
a . 当λ = λ′， MTTR = MTTR′时， 集中式： Ps= 0.999 276 967， λs = 0.320 502 7， MTBFs = 3.120 098，Us = 6. 333 76。
b . 当λ = λ′， MTTR ＜ MTTR′ = 240 时， 集中式： Ps = 0. 999 276 966， λs = 0. 320 502 9， MTBFs= 3. 120 097， Us = 6. 333 77。
c . 当λ ＜ λ′= 1. 5， MTTR = MTTR′时， 计算结果即表2 集中式供电方式相应可靠性指标。
d . 当λ ＜ λ′= 1. 5， MTTR ＜ MTTR′ = 240 时，集中式： Ps = 0. 999 276 935， λs = 0. 320 522 7，MTBFs = 3. 119 904， Us = 6. 334 05。
5 敏感度分析
以元件DMIN 为例， 由式（2）、（4） 和（5），并依据表1 的指标值， 计算得： 分布式系统可靠工作概率值Ps = 0. 999 315 537 107 97。依据表1 中元件DMIN 的λ（1 / 年） 或MTTR （h） 指标值， 计算得： 元件可靠工作概率Pi = 0. 999 315 537 303 22。令元件DMIN 的λ 值增加0. 1， 其他指标值不变， 计算得：
系统可靠工作概率= 0. 999 087 590 980 88；
元件可靠工作概率= 0. 999 087 591 240 88。
因此， △Ps = 0. 000 227 946 127 09； △Pi =0. 000 227 946 062 34。
依式（9） 的定义， 计算得元件DMIN可靠工作概率Pi的敏感度= （ △ Ps / Ps ） / （ △ Pi / Pi ） =1 . 000 000 284 270 29。同理可得其他元件的可靠工作概率Pi的敏感度值， 如表3 所示。令元件DMIN 的MTTR 值增加10， 其他指标值不变， 计算得系统和元件可靠工作概率。并依式（9）的定义， 计算得元件DMIN 可靠工作概率Pi的敏感度值， 同理可得其他元件的可靠工作概率Pi的敏感度值， 如表4 所示。
由表3 和表4 可以得出： 随着λ 的变化， 敏感度由高到低排序为DMIN、GMIN、DS、CBMIN、T、B、CB、L、D； 随着MTTR 变化， 敏感度由高到低排序为DMIN、GMIN、CBMIN、DS、B、CB、T、L、D。
6 结论
a . 表2 所示的计算结果从定量数字上证实分布式PEMFC 供电系统可靠性比集中式PEMFC 供电系统高。
b . PEMFC 模型可靠性指标值影响分析结果证实PEMFC 模型可靠性指标值只会影响各结构的可靠性指标值， 而不会影响分布式PEMFC 供电系统可靠性比集中式PEMFC 供电系统高的结论。所以假设的发电机和发电站的可靠性指标值在计算对比系统可靠性时是有效的。
c . 由敏感度排序可以得出， DMIN 参数值以相同间隔变化时可靠工作概率Ps值变化最大， 即近负荷侧的双电源切换箱对整个系统供电可靠性影响最大， 其他设备的影响依敏感度由高到低依次由大到小。敏感度高的元件是系统的薄弱环节， 在设备选择时应重点关注。对于分布式PEMFC 供电系统， 最重要的是选择高可靠的负荷侧双电源切换箱、PEMFC发电机和负荷侧断路器等。这样可以降低设备运行时的故障率， 提高系统供电可靠性。