基于最優(yōu)綜合成本電氣二次設(shè)備檢修決策及應(yīng)用

王虎進

（大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅 文縣 746412）

基于最優(yōu)綜合成本電氣二次設(shè)備檢修決策及應(yīng)用

王虎進

（大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅 文縣 746412）

電氣二次設(shè)備的檢修是保障二次回路能夠正常運行的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的檢修策略方法已經(jīng)不能夠滿足當下電力設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的要求。使用最優(yōu)綜合成本法對狀態(tài)檢修法中的檢修時間進行優(yōu)化，降低二次設(shè)備的檢修成本并避免不合理檢修時間造成的故障，并通過實際案例對優(yōu)化方法進行驗證，實驗表明獲得較好的實用性。

二次設(shè)備；狀態(tài)檢修；成本優(yōu)化；檢修決策

1　概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的電力事業(yè)的規(guī)模也在快速的發(fā)展。伴隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和發(fā)展，電力系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)在運行中對安全的要求越來越高［1］。電氣設(shè)備通常可分為一次設(shè)備與二次設(shè)備兩種，一次設(shè)備主要負責電能的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換，如各類發(fā)電機、變壓器、斷路器等。二次設(shè)備主要指對一次設(shè)備進行控制、監(jiān)測以及電能的測量等裝備，如各類測量表、各類自控控制裝置等［2］。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行中，電氣一次設(shè)備的狀態(tài)檢修研究已經(jīng)成熟，如電抗器，斷路器，變壓器等一次設(shè)備利用狀態(tài)檢修已經(jīng)趨于完善。而目前大多數(shù)電氣二次設(shè)備檢修依然采取定期檢修的方式，這種方式在過去電力系統(tǒng)運行過程中發(fā)揮了巨大作用。隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術(shù)的發(fā)展，定期檢修已經(jīng)無法滿足時代需求。

雖然狀態(tài)檢修已經(jīng)在二次電氣設(shè)備中得到了一定的應(yīng)用，但在現(xiàn)實使用中依然表現(xiàn)出很多問題。首先，二次設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)不全面。例如，有些電氣設(shè)備在停電檢修與運行中表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，在停電檢修過程中無法能夠進行有效的發(fā)現(xiàn)與排除，電氣二次設(shè)備狀態(tài)的檢修需要全面的技術(shù)作為基礎(chǔ)，一些電氣設(shè)備在長時間運行后存在隱患，狀態(tài)檢修方法并不能夠發(fā)現(xiàn)和排除；其次，二次設(shè)備狀態(tài)檢修管理不完善，并且一些定期檢修過程中，沒有形成記錄，在后續(xù)設(shè)備出現(xiàn)故障后，無法判斷定期檢修所起到的作用。并且在對二次設(shè)備進行檢修的過程中，要充分的考慮一次設(shè)備的運行狀態(tài)，形成綜合性的檢修管理，減少檢修次數(shù)，提高檢修效果。并且隨著電氣二次設(shè)備的數(shù)量及維修成本的增加，探索合理可靠的檢修時間以及檢修方法是目前檢修的發(fā)展趨勢。

優(yōu)化檢修策略是目前電氣二次設(shè)備檢修過程有減少檢修成本最常用的方式，例如文獻［3］中對檢修策略進行優(yōu)化，從而提高檢修策略的高效性。筆者利用最優(yōu)綜合成本的電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修決策的方法對電氣二次設(shè)備進行檢修。首先針對現(xiàn)有的方法的不足，通過構(gòu)建計劃檢修成本和應(yīng)急成本的檢修成本模型；然后根據(jù)故障率檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立故障風(fēng)險成本模型；在電氣二次設(shè)備維修過程中通過兩種成本曲線，并定義能夠直接反映成本要素中主導(dǎo)因素的綜合成本，從而確定檢修時間，提高檢修的經(jīng)濟性，降低故障的風(fēng)險性。

2　二次電氣設(shè)備狀態(tài)檢修內(nèi)涵

狀態(tài)檢修時通過對電氣設(shè)備的運行狀態(tài)對設(shè)備是否進行檢修，是具有針對性的主動維修方式［4］。主要是通過電氣設(shè)備的歷史運行情況、實驗狀態(tài)以及一定周期內(nèi)的記錄的數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行的總體趨勢進行分析，并對下一步設(shè)備的運行的狀態(tài)進行預(yù)測，預(yù)估出設(shè)備可靠運行壽命，進而確定設(shè)備需要檢修的項目以及頻率。

2.1檢修成本模型的構(gòu)建

目前電網(wǎng)設(shè)備實行全壽命周期管理，包括投資成本、運行成本、檢修成本、故障損失成本、報廢回收成本，其中投資成本中包含設(shè)備初期的購置和安裝費用。

2.1.1計劃檢修成本

計劃檢修成本在計劃檢修周期固定的情況行優(yōu)化調(diào)節(jié)的，其中檢修成本主要由計劃檢修成本和突發(fā)性成本兩部分組成［5］。

計劃檢修成本是基本固定的，由直接成本和間接成本構(gòu)成［6］。直接成本包含檢修過程中體現(xiàn)的使用人工成本、消耗材料成本以及檢修中工具使用的成本。間接成本包括由于檢修造成設(shè)備停工而造成的間接經(jīng)濟損失。根據(jù)以上理論，計劃檢修成本可以用式（1）進行表述

其中Adi為i中故障檢修的直接成本，Aid為對二次設(shè)備進行檢修過程中造成單位時間中對一次設(shè)備造成的損失，與時間的乘積就為檢修過程中造成的間接成本。

2.1.2突發(fā)性檢修成本

二次側(cè)設(shè)備檢修策略類似于一次側(cè)設(shè)備檢修策略，都具有一定的波動性。在對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測時，會出現(xiàn)某一設(shè)備的風(fēng)險突然出現(xiàn)故障風(fēng)險逐步增大的情況，為了防止設(shè)備的運行狀況進一步惡化，需要對設(shè)備進行提前檢修。對于這種進行緊急檢修所產(chǎn)生的費用這里稱為突發(fā)性檢修成本［6］。

突發(fā)性檢修成本根據(jù)常用的時間-成本平衡原則［7］，二次設(shè)備的檢修突發(fā)性檢修成本Atf如式（2）所示：

其中，n為計劃的檢修時間從n天開始，t為設(shè)備運行中實際檢修時間，t0為運行中計劃檢修時間；k為現(xiàn)實檢修工作中需要最短的檢修時間下應(yīng)急檢修成本與計劃檢修成本的比值，為日常工作中的經(jīng)驗值。假如實際工作中檢修開始的時間從n天后開始，則不需考慮突發(fā)性檢修成本，否則需計算突發(fā)性檢修成本，按照公司的實際運營情況，檢修周期是45d。

則設(shè)備的整體檢修成本如式（3）所示，即為計劃檢修成本和突發(fā)性成本兩部分成本的和值：

其中Azt表示總體的檢修成本，Aj為計劃檢修成本，Atf為突發(fā)檢修成本。

2.2故障風(fēng)險成本

在二次側(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障時，假如一次設(shè)備此時也出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)誤操作等，進而引發(fā)聯(lián)鎖反應(yīng)，會使多臺設(shè)備都無法正常運行，加大經(jīng)濟損失。故障概率常用的數(shù)學(xué)模型為指數(shù)函數(shù)［8］，如式（4）所示：

式中，S是二次設(shè)備根據(jù)運行狀態(tài)評估得到的狀態(tài)評分，K為比例系數(shù)，C為曲率系數(shù)，是與設(shè)備類型及所運行的環(huán)境相關(guān)，通過設(shè)備運行過程中歷史數(shù)據(jù)進行反演得到。

由電氣二次設(shè)備故障發(fā)生的概率以及故障造成的損失，故障風(fēng)險成本的計算數(shù)學(xué)模型如式（5）所示［9］：

其中pr（t）是第r種故障在t時刻發(fā)生的概率，Asy為r中故障發(fā)生時所造成的損失。

3　檢修決策的確定

在檢修的過程中，檢修成本與故障風(fēng)險共同的時間變量t，根據(jù)式（1）（3）（5）的成本模型，檢修成本，故障風(fēng)險成本關(guān)于時間t的關(guān)系：

檢修成本和故障成本曲線如圖1所示，實線為檢修成本曲線，虛線為故障風(fēng)險成本曲線，由圖中曲線關(guān)系可以看出，在正常運行狀態(tài)下，故障風(fēng)險成本是低于檢修成本的，隨著設(shè)備運行時間的增加，檢修成本與故障風(fēng)險成本的曲線會在時間tn交匯，此刻檢修成本與故障風(fēng)險成本是相等的。

圖1　成本曲線對應(yīng)關(guān)系圖

在兩中成本曲線交點前，檢修成本占主導(dǎo)因素，而在兩者曲線交點后故障風(fēng)險成本占主導(dǎo)因素，并且隨著設(shè)備運行時間的增加，故障風(fēng)險曲線在迅速的上升。在文章［10］提到中考慮設(shè)備運行檢修的可靠性，定義檢修成本和故障風(fēng)險成本的最大值為綜合成本，即：

最優(yōu)檢修時間的計算使用綜合成本為約束，利用基本的數(shù)學(xué)方法進行尋最優(yōu)解［11-12］，可得到優(yōu)化檢修時間。按照數(shù)學(xué)方法進行計算出的優(yōu)化檢修時間點為檢修成本曲線與突發(fā)性檢修成本的交點。

在最優(yōu)時間即成本曲線交點的時間進行檢修，能夠得到控制成本并且使突發(fā)性檢修成本得到良好的控制，能夠避免風(fēng)險的增加而造成損失的增加。故交點所對應(yīng)的時間可以作為安排檢修控制故障風(fēng)險的時間。

4　實例分析

以甘肅大唐碧口水力發(fā)電廠日常設(shè)備檢修中的電氣二次回路中的測量裝備檢修為例，例如發(fā)電機的軸承外殼溫度、線路溫度、發(fā)電機歷次輸入電流電壓的大小，發(fā)電機發(fā)電輸出的電流電壓大小為等，這些設(shè)備在日常工作中需要對現(xiàn)場的裝置狀態(tài)進行精確的測量輸出，才能保證設(shè)備的正常運行并且不會出現(xiàn)誤動作。參考2015年度歷史檢修數(shù)據(jù)，現(xiàn)實情況中在應(yīng)急搶修的突發(fā)性成本占計劃檢修成本比例的0.15，二直接檢修下的成本為2600元，需要的間接成本為750元。按照計劃應(yīng)該在2016 年1月20日進行檢修，根據(jù)檢修狀態(tài)以及各個檢修成本組成，繪制在未來兩個月內(nèi)檢修成本和故障風(fēng)險成本的曲線如圖2所示。

圖2　檢修成本/故障風(fēng)險成本曲線圖

在圖中觀察得出，在2015年12月10日到2016年1月20日，檢修成本曲線（實線）和故障風(fēng)險曲線（虛線）的交點在元月份的第14天，而在12月份中并沒有交點，綜合考慮檢修成本的經(jīng)濟性，所以在12月份不需要安排檢修。在1月份的14出現(xiàn)交點，此刻故障風(fēng)險成本已經(jīng)大于檢修成本，為了避免風(fēng)險系數(shù)的提高，需要在此時安排檢修。

5　結(jié)語

通過對檢修成本構(gòu)成進行分析，構(gòu)建以檢修成本和故障風(fēng)險成本為基礎(chǔ)的最優(yōu)綜合成本，對狀態(tài)檢修法中的檢修時間進行優(yōu)化。通過實踐表明，最優(yōu)成本法能夠降低檢修成本，并且能夠避免不合理的檢修時間造成的損失。

該方法通過對計劃檢修成本、突發(fā)性檢修成本、故障風(fēng)險成本進行分析，以時間t為橫軸確定最優(yōu)綜合成本檢修策略，具有很大的實時性，能夠較快響應(yīng)并進行維修。

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