具有性能共享功能的车对网（Vehicle-to-Grid, V2G）模式的系统可靠性评估

《Reliability Engineering & System Safety》：Reliability assessment for a Vehicle-to-Grid mode system with performance sharing

V2G系统中提出基于马尔可夫过程的可靠性评估方法，创新性地将绩效需求比例作为核心可靠性指标，通过通用生成函数技术计算多单元系统可靠性，并验证了状态转移率和能量传输速率对系统可靠性的显著影响。

　　

Xian Zhao|Xinlei Wang|Congshan Wu|Yunpeng Zhang

北京工业大学经济学院，中国北京100081

摘要

本研究介绍了一种基于车对网（V2G）概念的新型性能共享系统。在V2G框架中，电动汽车的电池具有双重用途：提供动力和储存电能。因此，所提出的系统包含了多个既能吸收又能提供性能的单元。这些单元不仅满足自身的性能要求，还作为供应商支持整个系统。为了表征系统的可靠性，使用了不同的可靠性水平作为主要指标，这些可靠性水平由能够满足的总需求比例来定义。通过使用马尔可夫过程计算各个单元的状态概率，并利用通用生成函数技术来评估整个多单元系统的可靠性来进行可靠性分析。此外，还提供了一个涉及V2G系统的数值示例，以证明所提出模型和方法的有效性。

引言

性能共享系统通常由多个功能单元组成，这些单元可以是同质的，也可以是异质的。每个单元都需要满足最低的性能水平才能正常运行。当一个单元的性能能力超出其自身需求时，可以通过共享机制将多余的性能重新分配给其他性能不足的单元。这种系统在工程应用中很常见，包括分布式计算平台和电力供应网络[[1], [2], [3]]。Lisnianski和Ding首次引入并系统研究了性能共享系统的概念和建模，他们考虑了一个具有单向性能传输的两单元配置。在他们的框架中，系统包括一个主单元和一个备用单元，备用单元的多余性能可以分配给主单元以提供支持。基于这项工作，Levitin将性能共享系统推广到涉及多个功能单元的串联配置，并进一步将传输机制从单向扩展到双向性能共享。

近年来，许多研究集中在扩展性能共享系统的结构形式上。例如，Zhao等人[6]将传统的串联配置重新表述为一个k-out-of-n:F系统，其中包含了一个公共总线的性能共享机制。Wang等人[7]研究了一个允许多个公共总线仅连接相邻功能单元的系统架构。Jia等人[8]提出了一个温度储备系统，并研究了需求驱动的温度储备性能共享方案的可靠性特性。此外，Wu等人[9]和Gu等人[10]将传统的公共总线性能共享模型扩展为一个k-out-of-n:F结构，该结构包含两个不同的性能共享组。Peng等人[11]进一步考虑了公共总线能够支持的单元数量受到容量限制的情况。

除了结构修改之外，许多研究还探讨了性能共享系统中操作规则的扩展。Yu等人[12]为可修复的串联系统开发了一个即时可用性框架，在该框架中，性能通过公共总线进行重新分配。Yu等人[13]后来将这一框架推广到多阶段设置，分析了具有分阶段操作和共享总线性能的任务系统。Wu等人[14]对公共总线引入了性能限制，而Qiu和Ming[15]研究了在性能认知不确定性下共享多态系统的可靠性行为。Levitin等人[16]分析了具有不完整功能单元的性能共享系统的动态可用性，并量化了由此产生的性能损失。Wu等人[17]随后研究了一个具有性能共享的平衡系统。更近期的贡献，如Qiu和Ming[18]、Yi等人[19]、Cheng等人[20]、Wu等人[21]和Gu等人[22]的研究，明确地将性能共享过程中产生的传输损失纳入了系统建模。与面向可靠性的分析并行，大量的研究工作也致力于性能共享系统的优化，包括最佳组件分配[[23], [24], [25]]和维护策略设计[26,27]。

现有的关于性能共享系统的研究大多假设只有当单元的性能能力超出其自身需求时才会发生性能重新分配，允许将多余的性能分配给其他不足的单元。然而，在实践中，功能单元不仅可以消耗共享的性能，还可以作为性能的供应者。也就是说，一个单元可以交替请求或提供性能，在某些情况下，它自己的输出构成了其他单元的主要甚至唯一的性能来源。车辆对网（V2G）系统就是一个这样的机制的典型例子，在该系统中，电动汽车能够将电能注入电网[28]。在V2G范式下，车载电池不仅作为车辆动力的能源，还在经济激励或技术条件有利时作为分布式存储设备向系统供电[29]。尽管V2G系统具有实际意义，但在现有文献中对其可靠性的关注有限，这突显了从系统可靠性角度进一步研究的必要性。

本研究的动机来源于车辆对网（V2G）系统。考虑一个包含公共停车场和多个充电站的V2G系统，这些充电站连接到电动汽车。特别是，本研究考察了一种孤岛式（自给自足）运行模式，在这种模式下，不考虑V2G系统与外部电网之间的电能交换。在这种配置下，需要充电的电动汽车所需的能量必须完全由系统中具有多余能量的其他电动汽车提供。因此，电动汽车不仅作为能源消耗单元，也作为能源供应单元。这种内部能量共享机制使系统能够集体满足其性能要求，同时在电力需求高峰期降低充电成本，并为贡献多余能量的车主提供经济激励。值得注意的是，这种孤岛式运行模式代表了外部电网不可用的最坏情况或紧急情况；因此，本研究中进行的可靠性评估反映了系统在这种关键条件下维持运行的内在能力。

有多种方法可用于评估系统可靠性，例如用于可重构系统的基于图的方法[30]、用于识别潜在系统退化状态和预测剩余使用寿命的贝叶斯方法[31,32]、用于重叠故障数据的基于证据的可能性方法[33]、用于跨域故障诊断的半监督学习技术[34]，以及关于系统运行的马尔可夫过程的研究[[35], [36], [37]]。本文使用马尔可夫过程并采用UGF技术来获得最终的系统可靠性指标。该研究还对可能影响系统可靠性的因素进行了敏感性分析。研究结果表明，系统单元的状态转换率以及这些单元与系统之间的传输率可以影响系统的可靠性指标。

本文的贡献总结如下：

(1)

介绍了一种新的V2G模式下的性能共享系统，允许单元作为吸收和提供性能的装置。

(2)

讨论了单元的新性能需求模式。在这种新的性能共享系统中，重点不再是个别组件的性能需求是否得到满足，而是整个系统性能需求的满足比例。

(3)

系统的可靠性指标通过UGF技术得出，表示为达到各种需求满足水平的概率，而各个组件状态的概率向量则是通过马尔可夫过程计算得出的。

在本文的后续部分，第2节介绍了一个仅通过内部性能共享来实现单元性能需求分配的性能共享系统。第3节检验了该系统的可靠性指标。第4节通过一个数值示例说明了所提出的模型和方法。第5节以总结和进一步研究结束。

部分摘录

模型描述

所提出的系统由$n$个单元组成，每个单元都可以随机向系统释放性能或从系统中吸收性能。性能是指单元在给定时间可以向系统提供或从系统中获取的电能数量。例如，电池充满电的电动汽车可能具有正的性能值，表示其提供能量的能力，而需要充电的车辆则具有负的性能值，表示其

一个单元的性能水平

每个单元的状态演变由具有相同统计特性的指数分布的转换时间来表征，使得整个系统的行为可以用时间齐次的马尔可夫过程来表示。

考虑到每个单元有