基于故障率模型的配電變壓器狀態檢修策略研究

何志紅，沙道鳳，何 曦，楊 弦，陳紅光，孫會龍，包秀莉

(1.重慶房地產職業學院 重慶市虛擬現實內容制作與體感設備研發工程技術中心，重慶 401331；2.重慶理工大學低碳能源中心，重慶 400054；3.潼南供電公司，重慶 402660)

1 引言

考慮故障率與檢修策略間的關系是配電變壓器狀態檢修的關鍵問題，在該關系量化研究方式上大概可分為兩類：一是利用概率計算故障率與檢修策略關系；二是將神經網絡算法引入設備檢修中。

在第一類研究中，文獻[1]運用馬爾科夫決策方法，考慮經濟性和可靠性對設備檢測進行優化，但該方法中狀態轉移概率是根據設備實際狀態統計得出，不具有針對性。文獻[2～7]利用齊次泊松過程表示設備發生故障的規律，對電力系統檢修建模，但該方法忽略了對設備修復率的影響。

在第二類研究中，文獻[8，9]將BP神經網絡引入變壓器故障檢修，并與傳統檢修方法相結合，提高了變壓器故障診斷的準確率。文獻[10，11]采用Elman神經網絡算法，利用負荷的歷史數據，選定反饋神經網絡的輸入、輸出點，根據數據來預測未來時段負荷，但其歷史數據不能全面的反映現有手段負荷。

2 配電變壓器狀態檢修

2.1 概念的引出

設備狀態檢修是指通過檢測各設備的運行狀態和檢測診斷技術所提供的設備運行狀態信息，來分析預測設備未來的運行狀態及發生異常的可能性來預知設備故障。變壓器狀態檢修是基于設備狀態評價來優化設備檢修策略，以此提高設備的運行工作壽命。

2.2 配電變壓器故障率模型

變壓器的狀態檢修是一種針對設備運行狀態變化而變化的故障檢測維修模式，并且應該在耗損故障后期時故障率迅速上升之前實施，以使設備能在較長時間內得以維護、平穩運行。本文將利用威布爾分布模型來表現變壓器的可靠性和故障率分布。威布爾分布即變壓器故障率函數：

(1)

式(1)中，m(m>0)為形狀參數，影響分布曲線的形狀變化，當m=1時，威布爾分布為指數分布；η為尺度參數，表示坐標尺度，也被稱為特征壽命。當m<1時，設備故障率曲線呈下降趨勢，如圖1中的早期故障期對應的故障率；當m=1時，故障率為常數，威布爾分布為指數分布，對應于圖1中偶然故障期的故障率；當m>1時，故障率曲線呈上升趨勢，對應于圖1中耗損故障期的故障率。不同參數下威布爾分布表示的故障率曲線可如圖1所示。

圖1 威布爾分布曲線

2.3 配電變壓器故障率求解

依據2008年國家電網公司頒布的《輸變電設備狀態檢測實驗規程》規定的相關設備運行狀態的評價量化扣分標準，對變壓器各部件工作狀態和運行發展進程進行科學合理的量化評價。健康指數是由各部件扣分值乘以相應權重累加得到，然后結合相應的權值對變壓器的扣分值進行綜合，即可得出變壓器的健康指數HI。

f=keQ·HI

(2)

(3)

2.4 研究周期內變壓器故障概率預測

根據概率論原理，設備故障率函數描述的是一種條件概率，即變壓器在時刻t的故障率表示其可靠運行至時刻t的前提下，設備發生故障的概率。所以要求解變壓器在時刻t的故障概率，必須求解設備能夠可靠運行至時刻t的概率，即可靠度。根據威布爾分布中的可靠度函數：

(4)

以變壓器工作的一個周期為例，把周期時間t分成N個時間段，由于經過N次分段后，變壓器發生故障率變化極小，則時段內故障率可由處于每個時刻的端點的故障率來表示:

(5)

所以設備的故障概率：

P(t)=R(t)·f(t)+[1-R(t)]·f(t)=f(t)

(6)

由式(5)，(6)可知，在這種假設下，變壓器的故障概率等于其故障率，即故障后維修對變壓器的故障概率沒有影響。

3 配電變壓器故障原因分析

3.1 配電變壓器基礎數據管理

電力維修人員可根據本文提出的檢修策略對各時刻易出現故障的部件進行分析，查明故障發生原因并進行預防性檢修或更換部件，以使變壓器能夠在特征壽命期內更加有效運行，提升經濟效益和社會效益。

3.2 變壓器狀態評價與狀態檢修

變壓器狀態評價為狀態檢修提供相應的狀態依據，通過收集變壓器實時運行狀態數據，并用連續的曲線函數將變壓器工作運行軌跡表示出來，通過曲線函數的起伏變化，可以清晰地看出不同時刻其工作的狀態變化，再根據國家電力設備檢修相關規定，選取不同指標體系進行加權評分，最終根據設備總得分的大小來界定變壓器的運行狀態是否正常。

4 結語

(1)通過浴盆曲線將變壓器設備運行故障分為3個不同階段，可以清晰地看出配電變壓器處于不同工作時期故障率發生大小的趨勢。

(2)通過威布爾分布來表示設備故障率，可有效地展現配電變壓器故障率特性。

(3)通過運用概率論原理和“健康指數”來求解不同時刻配電變壓器的故障率，這一策略與事前預防和事后維修模式相比更加具有成本效益且檢修效率更高。

通過利用浴盆曲線、威布爾分布，及變壓器時刻運行狀態軌跡，建立設備健康指標體系及故障率模型，可為設備狀態檢修提供一種合理、可行的方法。