基于檢修效能分析的變壓器全壽命周期固定檢修優化策略

摘 要：針對電力變壓器全壽命周期內的運行狀態變化規律制定相應檢修策略對于電網安全運行具有重要意義。文章從全壽命周期管理角度分析電力變壓器在不同檢修策略下的役齡影響及維修費用，進而構建了基于電力變壓器費用-效能最優的壽命周期內固定檢修決策優化模型，并對模型進行求解。通過實例分析，證明該檢修決策優化模型操作性強、科學有效。

關鍵詞：全壽命周期成本；檢修決策優化；電力變壓器

引言

變壓器作為輸配電系統中的核心裝備之一，其運行可靠性對電網能否提供持續、安全可靠的電力供應具有重要意義。但盲目地增加檢修以提高變壓器可靠性會使其運維成本大大增加，因此從電力變壓器全壽命周期管理角度進行分析[1]，基于設備檢修成本--效能分析制定全壽命周期檢修策略，能夠在確保變壓器運行可靠性前提下優化設備運維成本。

近年來，國內外電力部門及研究機構對狀態檢修理論進行了不同方面的研究與應用[2-9]。但尚缺乏針對變壓器全壽命周期內的運行規律分析制定相應變壓器檢修決策，文章分析不同檢修策略下的費用-效能，并從全壽命周期管理角度構建了基于電力變壓器費用-效能最優的檢修決策優化模型，對全壽命周期管理理念下變壓器檢修優化決策進行了新的探索和研究。

1 變壓器檢修效能分析

1.1 變壓器檢修效能分析

假設變壓器運行到tn階段，需要對變壓器進行狀態檢修，主要有繼續運行、大修、小修及更新四種檢修方式，不同檢修方式對變壓器故障率的影響不同。設備的名義役齡是指設備運行的總年數tn，定義設備經過維修后的等效役齡ta。變壓器在tn時刻運行，若繼續運行則變壓器故障率沿著曲線1的發展趨勢繼續升高；若進行小修，則變壓器故障率首先回退到等效役齡t2處，然后沿著曲線2的發展趨勢繼續升高；若進行大修，則變壓器的故障率首先回退到等效役齡t1處，然后沿著曲線3的發展趨勢繼續升高；若進行更換，則變壓器故障率首先回退到等效役齡tn-1處，然后沿著曲線4的發展趨勢繼續升高。在不考慮變壓器的動態運行工況下，認為變壓器的故障率P為其等效役齡ta的函數[10]，假定其故障率函數為P（ta）如式（1）：

（1）

1.1.1 繼續運行方式

變壓器在繼續運行方式下，檢修費用M0=0，設備的故障率和役齡都不會受到影響。變壓器運行時間為t時，該檢修方式下變壓器故障率及實際役齡將按當前趨勢繼續劣化。

變壓器采用更換方式后，壽命周期中運行階段終結，不在文章檢修決策范圍內，故不作詳述。

1.2 變壓器檢修收益分析

變壓器在不同風險模式下，在相應檢修等級下獲得的風險收益Rearn分析如下。

1.2.1 異常風險模式下的檢修收益

變壓器處于異常風險時，變壓器一般采用小修方式。小修方式下，變壓器故障率變化量為ΔPf1，其役齡回退時間為TΔ1。則變壓器處于異常時采用小修獲得的收益等于檢修產生的風險收益。

1.2.2部分停運風險下的檢修收益

變壓器處于部分停運風險下時，一般變壓器采用小修，變壓器故障率變化量為ΔPf2，其役齡回退時間為TΔ2。則變壓器處于部分停運風險時采用小修獲得的收益等于檢修產生的風險收益。

1.2.3 完全停運風險下的檢修收益

完全停運風險下，變壓器一般采用大修方式。大修方式下，不僅對變壓器故障部位進行基本功能修復，且能大幅降低設備運行故障率，并縮減設備運行的等效役齡。大修后設備的故障率變化量為ΔPf3。變壓器處于完全停運風險下采用大修方式獲得的收益等于檢修產生的風險收益。

1.2.4損毀風險下的檢修收益

變壓器處于損毀風險模式下時，采用大修或者更換的檢修策略。更換方式下獲得的收益Cp4包括因更換帶來的變壓器故障率下降的風險收益Rearn4以及設備退役產生的收益Dearn。

2 變壓器壽命周期內固定檢修決策模型

從全壽命周期管理角度對設備失效風險和壽命周期成本進行分析，從而在平衡失效風險和檢修費用同時，能達到設備在整個運行期間以最低成本實現最高的效能，即費用-效能比最優的檢修策略。檢修時間（間隔）是關系到維修成本和設備性能的主要因素，不同檢修間隔對設備性能影響不同，因此需要對變壓器檢修間隔優化。

變壓器在運行期間，若在設備運行期間進行大小修等策略的話，其等效役齡ta小于實際役齡（名義役齡），運行壽命會適當延長。基于不同檢修等級對設備故障率及役齡影響分析，考慮檢修的役齡回退因素對變壓器運行壽命延長影響，以及設備運行中的可靠性約束，構建變壓器壽命周期內固定檢修優化模型如下：

2.3 尋優步長約束

考慮檢修實際，并提高尋優速度，規定檢修時間的尋優步長為一個季度，Δt=0.25。變壓器檢修模型求解可看做目標函數最小值尋優過程，可采用遺傳算法進行求解[13]。

3 實例分析

某220kV變電站#2主變壓器于2000年6月投運，根據其預防性試驗及油色譜在線監測數據，基于《國家電網公司輸變電設備狀態評價及檢修技術導則匯編》[10]對變壓器狀態評估打分后，進一步求解得到在該狀態下的故障概率為Pfi=0.00917，則據式（1）可分析得到變壓器當前等效役齡ta=17.11年。

以變壓器設計運行壽命為Tage=35年，根據變壓器壽命周期內的固定檢修決策模型進行尋優求解。求得在當前采用小修方式后，分別可以在第4年第二季度、第7年第四季度及第16年第一季度進行3次小修；在第10年第二季度及第18年第三季度進行2次大修。此方案下，變壓器獲得的總役齡回退時間約為4.92年，年均運維+檢修費用達到最低為231.7萬元。

4 結束語

文章從全壽命周期管理的角度出發，對變壓器生命周期內檢修方式和檢修時間間隔進行優化，建立一種基于檢修效能分析的決策優化模型對變壓器運維的經濟性和可靠性提升有積極影響。引入役齡回退因子計算得到等效役齡，將等效役齡作為維修方案、維修成本和可靠性能三者之間聯系的紐帶，從而實現在統一量化尺度下實現維修方案的合理優化。

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作者簡介： 劉彬（1987，1-），大學學歷，工程師，國網岳陽供電公司，主要從事變電設備檢修工作。

姚思宇（1987，6-），大學學歷，工程師，國網岳陽供電公司，主要從事變電設備檢修工作。