基于不停電檢測與停電試驗的檢修策略優化模型

楊超，張霖

(貴陽供電局，貴州 貴陽 550002)

1 引言

我國電網設備的檢修方式先后經歷了故障后檢修、定期檢修和設備狀態檢修三個階段。狀態檢修的重點是真實的掌握設備的運行狀態數據，根據設備的運行狀態數據分析制定檢修計劃，進而實施相關的檢修、試驗工作。將設備檢修工作管理的工作重心由檢修轉移到管理上來，做到“應修必修，修必修好”[1]。

采用不停電檢測和停電試驗數據評估和診斷得到的設備故障診斷和狀態評估結果與設備實際狀況存在誤差，制定的檢修策略會與設備最合適的檢修策略存在差異。良好的狀態檢修策略應能夠兼顧可靠性和經濟性。通過分析和量化不停電檢測和停電試驗下檢修策略對設備風險和經濟性的影響，確定最佳的設備檢測方案和維修策略[2]。

2 主要思路

不停電檢測試驗為主的檢修方案確定主要流程如圖1所示，關鍵步驟如下：

圖1 不停電測試試驗為主的檢修方案制定總體思路

(1)構建基于不停電檢測和停電試驗檢測策略經濟性量化評估模型，確定設備在停電試驗下獲取的參量以及不停電檢測獲取的參量，計算設備的停電試驗參量獲取成本以及不停電檢測參量獲取成本。

(2)構建基于不停電檢測和停電試驗檢測策略風險量化評估模型，計算計及不停電檢測和停電試驗獲取狀態量的盲檢率的風險分析。

(3)根據在兩種檢測方式下獲取的參量值，計算設備狀態并結合檢修導則確定設備的實際檢修方式，得到相應檢修方式下的檢修費用及風險量化值。構建計及檢測和檢修下的檢修策略優化模型，并以總指標最優確定最佳檢修方式。

3 基于不停電檢測和停電試驗的檢測策略經濟性量化評估模型

3.1 經濟性量化評估模型構建

目前，針對各類設備的檢修策略制定大多集中于維修方式及時間的優化，卻沒有考慮檢測狀態量時仍對電網存在影響。變壓器等各類設備結構龐大且復雜，相關狀態量眾多。因此需要制定基于不停電檢測還是停電試驗檢測的檢測方式獲取狀態量[3]。

設備狀態量獲取時需要進行相關的成本分析，進而確保檢修策略的經濟性，降低設備維護成本。設有m類停電試驗狀態量和n類不停電檢測狀態量，則兩種檢測方式下的檢測策略經濟性量化評估模型如下：

(1)

式中：LJ1為停電試驗下的狀態量獲取成本，f11(i)為第i類狀態量的試驗費用，f12(i)為第i類狀態量試驗的試驗設備或器材費用，f13(i)為第i類狀態量的試驗人工費用。

(2)

式中：LJ2為不停電檢測下的狀態量獲取成本，f21(i)第i類狀態量的基本費用，f22(i)為第i類狀態量的在線或帶電檢測裝置費用，f23(i)為檢測第i類狀態量的人工費用。

3.2 停電試驗下狀態量獲取費用量化分析

停電試驗下狀態量獲取所需費用主要包含三個部分，即試驗費用、試驗設備或器材費用和試驗人工費用。

(1)試驗費用f11

通常試驗費用指在試驗時進行試驗所耗用的材料和化學藥品等費用，同時還包括運送試驗數據的運輸費用，保障試驗數據不受損的保護費等，可經過統計分析獲得。

(2)試驗設備或器材費用f12

在停電試驗中，需要購買一些特定的檢測裝置檢測狀態量，相應費用即為試驗設備費。

(3)

式中，f12(i)為第i類狀態量試驗的試驗設備或器材費用，Csi為檢測第i類狀態量的設備費用，ns為經統計分析得到的該類設備在使用壽命期間所能使用的總次數。

(3)試驗人工費用f13

在停電試驗中，獲取相應設備的狀態量需要人工進行獲取。人工費用即為員工獲取狀態量時所獲得的報酬，以工作時長進行計算。

f13(i)=c1×ts

(4)

式中，f13(i)為第i類狀態量的試驗人工費用，c1為工作人員在一個工作日下的平均勞動單價，ts為停電試驗下獲取設備狀態量所耗費的工作時長。

3.3 不停電檢測下狀態量獲取費用量化分析

不停電檢測下狀態量獲取所需費用主要包含三個部分，即基本費用、在線或帶電檢查裝置費用和人工費。

(1)基本費用f21

不停電檢測的基本費用指在線監測設備的基本維護費用。

(2)試驗設備或器材費用f22

為了實時關注設備的運行狀態，需要購買相應的狀態監測裝置對設備進行在線監測，從而診斷出那些隱藏的缺陷。故購買狀態監測裝置的費用為狀態監測裝置購置費，其計算式如下所示。

(5)

式中，f22(i)為第i類狀態量的在線或帶電檢測裝置費用；Cbi為檢測第i類狀態量的在線監測設備或帶電設備費用；nb為經統計分析得到的該類設備在使用壽命期間所能使用的總次數。

對于在線檢測而言，nb可由在線檢測裝置的全壽命Tbi與采集頻率fbi確定。

(6)

對于帶電檢測而言，nb可由帶電檢查裝置的總費用Cdi與統計分析得到的該類設備在使用壽命期間所能使用的總次數ndi確定。

(7)

(3)人工費用f23

在不停電檢測中，利用帶電檢測技術獲取相應設備的狀態量需要人工進行獲取，利用在線檢測技術獲取的狀態量需要人工進行處理。故人工費用即為員工獲取狀態量時所獲得的報酬，以工作時長進行計算。

f23(i)=c1×tb

(8)

式中，f13(i)為第i類狀態量的試驗人工費用；c1為工作人員在一個工作日下的平均勞動單價；tb為停電試驗下獲取設備狀態量所耗費的工作時長。

4 基于不停電檢測和停電試驗的檢測策略風險量化評估模型

4.1 風險量化評估模型構建

在電網運行過程中，除了降低經濟運行成本，最重要的還是要保障電網的可靠運行。當設備進行停電試驗時，一般而言是會提前進行計劃停電，故電網能通過切換把負荷轉移到其他變電站，基本不會造成損失電網運行風險，但仍會加重整個變電站或者其它變電站的運行負擔；當設備存在異常而未能檢測出來引起非計劃停運事故發生時，同樣也會增加電網運行風險。因此采用檢修損失來量化風險[4]。

其中停電試驗下設備狀態量獲取風險量化計算主要分為兩部分，一部分是設備在停電下獲取狀態量時會對整個電網運行造成風險；另外一部分是通過停電試驗獲取的狀態量因盲檢率的存在可能無法反映變壓器真實的故障狀態，導致變壓器未能及時維修而引發突發性故障。不停電檢測下設備狀態量獲取風險量化計算主要包含通過不停電檢測狀態量因盲檢率的存在可能無法反映變壓器真實的故障狀態，導致變壓器未能及時維修而引發突發性故障。兩種檢測方式下檢測損失風險量化如下所示。

RJ1=(tg·c·Pg+Cg)·H1+t1t·Ct

(9)

RJ2=(tg·Pg·c+Cg)·H2

(10)

式中：RJ1為停電試驗條件下的檢測風險值；

H1為設備在停電試驗下的盲檢率，由貴陽局提供的統計分析數據獲取；

tg為獲取狀態量時因盲檢而造成設備突發故障到緊急搶修后恢復供電的停電時間，它不等于設備檢修時間，可由統計分析數據獲得；

Pg為設備停運后引起的停電功率，在這里指的是設備在突發故障前所承擔的實際運行功率，由實際情況進行具體分析；

c為單位停電損失費用，通過基于國內生產總值(GDP)的計算方法得到單位停電損失費用為1.15萬元/MW·h；

Cg為故障后設備修復費用，一般取設備購置費的3%，也可根據實際情況下類似故障的修復費用統計分析結果獲得；

t1t為停電試驗獲取各類設備狀態量的所需時間；

Ct為停電試驗期間產生的單位售電利潤損失費用；

RJ2為基于不停電檢測下的檢測風險值；

H2為設備在不停電檢測下的盲檢率，由統計分析數據獲取；

4.2 盲檢率分析

盲檢率為一次設備發生停運或者損壞事故卻未能通過任何手段發現，即未能通過各種狀態量檢出，直接導致設備停運或者損壞。設備盲檢率的定義為：

(11)

對各類設備樣本缺陷數據庫進行統計分析，總結得到各類設備的盲檢率如表1所示。

表1 各類設備盲檢率統計

4.3 停電試驗下狀態量獲取時間分析

停電試驗下狀態量獲取時間指的是將電力設備進行停電處理期間獲取能夠反映設備運行狀態的狀態量的時間[5]。結合近年來的各類設備檢測試驗工作量統計情況，統計分析得到各類設備在一次停電試驗獲取狀態量下所耗費時間如表2所示。

表2 各類設備停電試驗工作量統計

4.4 停電試驗期間售電損失費用計算

為簡化模型且停電期間因中斷供應給電力企業造成的電費損失占總損失比重最大，故本文主要計及電力企業向所在轄區各行業用戶缺供電而造成的電費損失[6]。

需要考慮備用設備的故障率對整個電網安全運行的影響，則停電試驗期間售電損失費用可用下式計算得到。

Ct=Pg×c×β

(12)

式中，Ct為停電試驗期間產生的單位售電利潤損失費用；Pg為設備停運后引起的停電功率，在這里指的是設備在突發故障前所承擔的實際運行功率，由實際情況進行具體分析，單位：MW；c為單位停電損失費用，通過基于國內生產總值(GDP)的計算方法得到單位停電損失費用為1.15萬元/MW.h；β為備用設備的故障率。

5 實例分析

5.1 變壓器檢修策略

(1)基本數據

圖2為某220kV變電站電氣接線示意圖。三臺變壓器并聯運行，#1和#2主變型號為SFPSZ7-120000/220，#3主變型號為SFSZ10-180000/220，負荷年平均功率因數為0.8，該變電站的年平均負荷水平維持在400MW左右。運維檢修部門對#1主變開展日常巡維工作，通過不停電檢測和停電試驗手段得到的主要巡檢結果和對應檢修策略如表3所示。

圖2 變電站接線示意圖

(2)停電試驗下狀態量獲取綜合費用分析

①停電試驗下檢測綜合費用計算

變壓器基于停電試驗和不停電檢測獲得的狀態量主要如表4所示。

表4 待檢設備異常狀態量檢測情況

由表4得，變壓器停電條件下可獲取的狀態量主要有16項。根據相應統計數據，代入各表達式進行計算，各項費用及費用和如表5所示。

表4 變壓器不停電檢測和停電試驗檢測狀態量

由表5可得，每類狀態量的檢測獲取成本包含試驗費、人工費以及檢測裝置費用，經計算得到停電試驗下變壓器狀態獲取成本綜合LJ1為7.45萬元。

表5 停電試驗下變壓器狀態獲取成本詳細結果(元)

停電試驗下變壓器處于注意狀態，則不需要對變壓器進行相應檢修。而考慮盲檢率的影響，變壓器有可能在后續運行中出現緊急故障。由統計數據得，變壓器停電試驗的盲檢率為9.63%，變壓器的平均事故修復時間一般取24h，變壓器單次故障修復費用為80萬元，單次狀態量獲取所耗時間為24小時，單位停電損失1.15萬元/MW·h，本站備用設備的故障率為0.01。為簡化分析，本文假定除1號主變的其他設備故障概率均為0，則因該臺變壓器故障而損失的負荷為80MW。代入(9)計算可得停電試驗下的檢測策略風險。

故停電試驗下檢測綜合費用如下：

CJ1=LJ1+RJ1=7.45+242.4144=249.8644(萬元)

②停電試驗下維修綜合費用計算

由于在該檢測手段下變壓器處于注意狀態，則不需要對變壓器進行相應檢修，即CW1為0萬元。但需要加強巡檢力度以防事故發生。

③停電檢修策略策略綜合分析

故基于停電試驗下的檢修策略綜合費用為：

S1=CJ1+CW1=249.8644+0=249.8644(萬元)

(3)不停電檢測下的檢修綜合費用分析

①不停電檢測下檢測綜合費用計算

不停電檢測下變壓器狀態量獲取成本計算

變壓器在不停電條件下可獲取的狀態量主要有6項，根據相應統計數據，代入各表達式進行計算。各項費用及費用和如表6所示。

表6 不停電檢測下變壓器狀態獲取成本詳細結果(元)

由上表可得，不停電檢測狀態量一共包括6類，分別為油色譜分析、局部放電、熱點溫度、鐵芯接地電流、套管介質損耗因素和變壓器振動情況。每類狀態量的檢測獲取成本主要包括基本費用、監測設備費用和人工費用，經計算得到不停電檢測下變壓器狀態獲取成本綜合LJ2為0.473萬元。

由于基于不停電檢測下得到的變壓器狀態為異常狀態，故需要進行檢修使得變壓器恢復正常。為簡化分析，這里假定檢修后設備完全正常運行，則不需要考慮因盲檢率而造成變壓器發生緊急故障所帶來的檢修損失，則RJ2為0元。

故不停電檢測下檢測綜合費用如下：

CJ2=LJ2+RJ2=0.473+0=0.473(萬元)

②不停電檢測下維修綜合費用計算

由于在該檢測手段下變壓器套管處于異常狀態，則需要盡快停電進行B類檢修，檢修費用LW2為10萬元。

B類檢修下其檢修周期為10天，因該臺變壓器檢修而損失的負荷為80MW，代入式(10)計算可得不停電檢測方式下維修風險費用如下所示。

故不停電檢測下維修綜合費用如下所示。

CW2=LW2+RW2=10+220.8=230.8(萬元)

③不停電檢測策略綜合分析

則不停電檢測下檢修策略綜合費用為：

S2=CJ2+CW2=0.473+230.8=231.273(萬元)

(4)檢修策略優化分析

經計算比較不停電檢測下的檢修費用S2優于基于停電試驗的檢修費用S1，各項費用結果如表7所示。

表7 兩種檢測方式下各項費用明細(萬元)

分析表明，由停電試驗下的評估結果所得檢修策略為繼續運行，盡管避免了維修的費用和風險，但因盲檢而可能造成的故障損失巨大，使得電網無法可靠經濟運行；而由不停電檢測方式下的評估結果所得檢修策略為進行B類檢修，雖然增加了維修的費用和風險，但可消除因盲檢而造成的故障損失，保障了電網的安全可靠經濟運行。故選用以不停電檢測為主的檢修策略。

6 結論

本文建立了基于不停電檢測和停電試驗檢測策略經濟性量化評估模型和風險量化模型以及計及檢測和檢修下的檢修策略優化模型，實現了以不停電為主的檢修策略制定。實例分析表明，本方法具有較高的適用性。