基于檢修效能分析的變壓器全壽命周期固定檢修優(yōu)化策略

摘 要：針對(duì)電力變壓器全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)變化規(guī)律制定相應(yīng)檢修策略對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)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(fèi)用，進(jìn)而構(gòu)建了基于電力變壓器費(fèi)用-效能最優(yōu)的壽命周期內(nèi)固定檢修決策優(yōu)化模型，并對(duì)模型進(jìn)行求解。通過實(shí)例分析，證明該檢修決策優(yōu)化模型操作性強(qiáng)、科學(xué)有效。

關(guān)鍵詞：全壽命周期成本；檢修決策優(yōu)化；電力變壓器

引言

變壓器作為輸配電系統(tǒng)中的核心裝備之一，其運(yùn)行可靠性對(duì)電網(wǎng)能否提供持續(xù)、安全可靠的電力供應(yīng)具有重要意義。但盲目地增加檢修以提高變壓器可靠性會(huì)使其運(yùn)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(jìn)行分析[1]，基于設(shè)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(yùn)行可靠性前提下優(yōu)化設(shè)備運(yùn)維成本。

近年來，國(guó)內(nèi)外電力部門及研究機(jī)構(gòu)對(duì)狀態(tài)檢修理論進(jìn)行了不同方面的研究與應(yīng)用[2-9]。但尚缺乏針對(duì)變壓器全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行規(guī)律分析制定相應(yīng)變壓器檢修決策，文章分析不同檢修策略下的費(fèi)用-效能，并從全壽命周期管理角度構(gòu)建了基于電力變壓器費(fèi)用-效能最優(yōu)的檢修決策優(yōu)化模型，對(duì)全壽命周期管理理念下變壓器檢修優(yōu)化決策進(jìn)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(shè)變壓器運(yùn)行到tn階段，需要對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)檢修，主要有繼續(xù)運(yùn)行、大修、小修及更新四種檢修方式，不同檢修方式對(duì)變壓器故障率的影響不同。設(shè)備的名義役齡是指設(shè)備運(yùn)行的總年數(shù)tn，定義設(shè)備經(jīng)過維修后的等效役齡ta。變壓器在tn時(shí)刻運(yùn)行，若繼續(xù)運(yùn)行則變壓器故障率沿著曲線1的發(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)升高；若進(jìn)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(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)升高；若進(jìn)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(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)升高；若進(jìn)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(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)升高。在不考慮變壓器的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下，認(rèn)為變壓器的故障率P為其等效役齡ta的函數(shù)[10]，假定其故障率函數(shù)為P（ta）如式（1）：

（1）

1.1.1 繼續(xù)運(yùn)行方式

變壓器在繼續(xù)運(yùn)行方式下，檢修費(fèi)用M0=0，設(shè)備的故障率和役齡都不會(huì)受到影響。變壓器運(yùn)行時(shí)間為t時(shí)，該檢修方式下變壓器故障率及實(shí)際役齡將按當(dāng)前趨勢(shì)繼續(xù)劣化。

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

1.2 變壓器檢修收益分析

變壓器在不同風(fēng)險(xiǎn)模式下，在相應(yīng)檢修等級(jí)下獲得的風(fēng)險(xiǎn)收益Rearn分析如下。

1.2.1 異常風(fēng)險(xiǎn)模式下的檢修收益

變壓器處于異常風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，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(shí)間為TΔ1。則變壓器處于異常時(shí)采用小修獲得的收益等于檢修產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)收益。

1.2.2部分停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)下的檢修收益

變壓器處于部分停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)下時(shí)，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(shí)間為TΔ2。則變壓器處于部分停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)采用小修獲得的收益等于檢修產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)收益。

1.2.3 完全停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)下的檢修收益

完全停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)下，變壓器一般采用大修方式。大修方式下，不僅對(duì)變壓器故障部位進(jìn)行基本功能修復(fù)，且能大幅降低設(shè)備運(yùn)行故障率，并縮減設(shè)備運(yùn)行的等效役齡。大修后設(shè)備的故障率變化量為ΔPf3。變壓器處于完全停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)下采用大修方式獲得的收益等于檢修產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)收益。

1.2.4損毀風(fēng)險(xiǎn)下的檢修收益

變壓器處于損毀風(fēng)險(xiǎn)模式下時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)收益Rearn4以及設(shè)備退役產(chǎn)生的收益Dearn。

2 變壓器壽命周期內(nèi)固定檢修決策模型

從全壽命周期管理角度對(duì)設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)和壽命周期成本進(jìn)行分析，從而在平衡失效風(fēng)險(xiǎn)和檢修費(fèi)用同時(shí)，能達(dá)到設(shè)備在整個(gè)運(yùn)行期間以最低成本實(shí)現(xiàn)最高的效能，即費(fèi)用-效能比最優(yōu)的檢修策略。檢修時(shí)間（間隔）是關(guān)系到維修成本和設(shè)備性能的主要因素，不同檢修間隔對(duì)設(shè)備性能影響不同，因此需要對(duì)變壓器檢修間隔優(yōu)化。

變壓器在運(yùn)行期間，若在設(shè)備運(yùn)行期間進(jìn)行大小修等策略的話，其等效役齡ta小于實(shí)際役齡（名義役齡），運(yùn)行壽命會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)。基于不同檢修等級(jí)對(duì)設(shè)備故障率及役齡影響分析，考慮檢修的役齡回退因素對(duì)變壓器運(yùn)行壽命延長(zhǎng)影響，以及設(shè)備運(yùn)行中的可靠性約束，構(gòu)建變壓器壽命周期內(nèi)固定檢修優(yōu)化模型如下：

2.3 尋優(yōu)步長(zhǎng)約束

考慮檢修實(shí)際，并提高尋優(yōu)速度，規(guī)定檢修時(shí)間的尋優(yōu)步長(zhǎng)為一個(gè)季度，Δt=0.25。變壓器檢修模型求解可看做目標(biāo)函數(shù)最小值尋優(yōu)過程，可采用遺傳算法進(jìn)行求解[13]。

3 實(shí)例分析

某220kV變電站#2主變壓器于2000年6月投運(yùn)，根據(jù)其預(yù)防性試驗(yàn)及油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)及檢修技術(shù)導(dǎo)則匯編》[10]對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估打分后，進(jìn)一步求解得到在該狀態(tài)下的故障概率為Pfi=0.00917，則據(jù)式（1）可分析得到變壓器當(dāng)前等效役齡ta=17.11年。

以變壓器設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命為Tage=35年，根據(jù)變壓器壽命周期內(nèi)的固定檢修決策模型進(jìn)行尋優(yōu)求解。求得在當(dāng)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(jìn)行3次小修；在第10年第二季度及第18年第三季度進(jìn)行2次大修。此方案下，變壓器獲得的總役齡回退時(shí)間約為4.92年，年均運(yùn)維+檢修費(fèi)用達(dá)到最低為231.7萬元。

4 結(jié)束語

文章從全壽命周期管理的角度出發(fā)，對(duì)變壓器生命周期內(nèi)檢修方式和檢修時(shí)間間隔進(jìn)行優(yōu)化，建立一種基于檢修效能分析的決策優(yōu)化模型對(duì)變壓器運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提升有積極影響。引入役齡回退因子計(jì)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(lián)系的紐帶，從而實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一量化尺度下實(shí)現(xiàn)維修方案的合理優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介： 劉彬（1987，1-），大學(xué)學(xué)歷，工程師，國(guó)網(wǎng)岳陽供電公司，主要從事變電設(shè)備檢修工作。

姚思宇（1987，6-），大學(xué)學(xué)歷，工程師，國(guó)網(wǎng)岳陽供電公司，主要從事變電設(shè)備檢修工作。