變電站設備檢修調試工作優化決策

陳 昊，徐 鵬，譚風雷，張海華

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

電網作為能源資源優化配置的重要平臺和載體，對保障人們生產生活休戚相關。一旦發生電網停電事故，其影響和損失越來越難以估量［1-4］。變電站電氣設備作為電網的重要元件，其健康狀態直接關系到電網的安全運行水平［5-7］，以站內常見設備斷路器為例，據國際大電網會議（CIGRE）研究，每次高壓斷路器故障會造成高達百萬千瓦時的電能損失。在此背景下，基于變電站電氣設備健康狀態的評估制定最經濟檢修調試策略［8-10］，是實現電網智能化、保障電網可靠性的核心和基礎［11-13］。

文獻［14］提出一種基于猶豫模糊矩陣的變電站自動化設備檢修優先級決策方法，為調度人員合理編排檢修計劃提供決策依據；文獻［15］提出一種風險評估模型與全壽命周期成本（LCC）相結合的檢修決策方法，在有效降低檢修風險的前提下提高主變壓器檢修效率，減小檢修維護成本；文獻［16］構建運維檢修成本調整參數模型，實現各因數下電網設備運維檢修成本測算，有助于提高電網企業運維檢修作業項目的高效精細化管理水平；文獻［17］研制了一款適用于變電站內工作的多功能檢修調試工作平臺，實現智能供電、帶電區域隔離等功能，有效提升了檢修調試工作效率和安全性。文獻［18］設計了變壓器在線監測系統，可有效監測變壓器潛伏性故障，提升變壓器在線監測的靈敏度。文獻［19］針對輸變電設備歷史缺陷數據和全過程技術監督的問題數據，運用多種手段實現將設備潛伏性故障內容歸類特征貼標簽，為變電站設備檢修調試工作提供相關決策的數據分析依據。上述文獻從不同維度對變電站設備檢修調試決策進行優化；針對變電站設備潛伏性故障提出了相應的監測手段，為設備運檢管理和檢修調試決策提供了參考。變電站設備整體健康狀態影響著電網的安全運行水平，而現有研究成果極少從變電站設備整體健康度出發針對設備檢修調試策略進行優化。本文提出了一種變電站設備整體健康度量化評估方法，并基于該方法研制了變電站智能檢修調試系統，為變電站設備檢修調試工作優化及決策制定提供參考。

1 變電站設備整體健康度評估方法

變電站電氣設備除了具有機械系統的一般特點外，還有運行過程中存在電場、磁場和溫度場的復雜相互作用過程，這決定了電力設備主要功能的實現依賴于各功能部件相互作用影響的機械性能、絕緣性能等綜合因素［20-24］。

從20世紀50年代起，我國電氣設備按照《電氣設備預防性試驗規程》的要求進行定期的停電試驗、檢修和維護，并根據試驗結果判斷設備的運行狀態，確定是否可以繼續運行［25-28］。傳統的狀態檢修僅能反映設備的當前狀態，未有相關的狀態評估指標，難以判斷其未來運行趨勢，難以優化檢修調試計劃。同時，變電站設備整體健康狀態和部件運行狀態關聯復雜，狀態演變規律時變性強，整體健康狀態的量化評價難度大［29-32］。因此建立變電站設備狀態評估體系，可量化評估其近期、遠期健康水平，有助于合理安排檢修調試計劃，提升工作效率。

這里給出一種變電站設備整體健康度的評估方法。

定義變電站設備處于正常運行狀態的概率為P0，出現部件1故障、部件2故障…部件n故障的概率分別為P1，P2，…，Pn。

若每種部件之間故障相互獨立，無關聯因素，則設備整體健康度定義為P0=（1-P1）（1-P2）…（1-Pn）。

由于變電站設備不同部件相互耦合，存在關聯性，即某個部件出現故障或健康度不佳，可能會影響其相關聯部件的健康水平。根據現場運行經驗，部件之間故障存在關聯因素，以部件x、部件y為例。假設部件x單獨發生故障的概率為Px，受y部件關聯因素影響發生故障的概率為P（x|y），部件x發生故障的總概率為P′x；部件y發生故障的概率為Py，受x部件關聯因素影響發生故障的概率為P（y|x），部件y發生故障的總的概率為P′y。

則有式（1）、式（2）

同理，多個部件相互關聯影響時，以部件x為例，則有：

定義部件故障之間關聯因子為λ，則部件x故障、部件y故障之間的關聯因子可以表示為λxy，若部件之間故障毫無關聯，則關聯因子λxy為0。進一步可得經驗關聯矩陣A如式（4）所示：

則可得各部件修正后的故障率如式（5）所示：

假定一種設備整體健康度為P0形如：

式（6）中，f(?)為一個關于P′1P′2，…，P′n的凸函數。

以近期（1月）、遠期（1年）為界，預判設備近期和遠期整體健康度，為設備檢修調試計劃決策提供依據。

2 智能檢修調試系統的研制

由式（6）計算設備的近期整體健康度，記為J，計算設備的遠期整體健康度，記為Y。進而定義設備近期健康度閥值FJ，遠期健康度閥值FY。根據閥值FJ和FY將設備近期和遠期整體健康度預判結果分為四個區域，如圖1所示。

區域1：設備近期健康度低、遠期健康度低；

區域2：設備近期健康度高、遠期健康度低；

區域3：設備近期健康度高、遠期健康度高；

區域4：設備近期健康度低、遠期健康度高，為無效區域。

定義變電站設備檢修調試成本C如式（7）所示。

式（7）中，C1為變電站設備檢修調試時間，具體指設備從開始檢修到排除故障且能夠投入運行所需的時間；C2為檢修調試費用包括設備從開始檢修到排除故障且能夠投入運行所需的人工與設備費用；C3為檢修調試資源需求量；C4檢修調試其他成本；g(?)為關于C1，C2，C3，C4的凸函數。

考慮檢修調試策略制定的動態性，利用（7）分別計算變電站設備的近期檢修調試成本和遠期檢修調試成本，分別極為CJ和CY。經驗表明，一般滿足：

根據設備整體健康度評估結果以及分區情況，結合檢修調試成本，定義健康度-檢修調試成本函數H如下式所示。

式（9）中，J為變電站設備近期整體健康度；Y為變電站設備遠期整體健康度；CJ為變電站設備的近期檢修調試成本，CY為變電站設備的遠期檢修調試成本；h(?)為關于J，Y，C的凸函數。

定義設備近期、遠期檢修調試成本閥值分別為FCJ、FCY，根據設備近期、遠期健康度閥值及近期、遠期檢修調試成本閥值建立約束區域，如圖2所示。

圖2 約束區域Fig.2 The constraint region

對健康度-檢修調試成本函數計算結果進行分析。

若近期健康度評估結果落在約束區域內，如圖3所示，則定義為I級。應盡快申請停電消除部件故障，防止設備故障擴大危及電網安全。如果距設備停電檢修調試時間較長，則需要采取臨時加裝重癥監護系統等措施，監測缺陷發展過程，持續關注運行狀況。

圖3 I級定級落點Fig.3 The point location of grade I

若近期健康度評估結果未落在約束區域內，則細分為以下四種情況：

遠期健康度評估結果落在約束區域內，近期檢修調試成本落在約束區域1內，如圖4所示，則定義為Ⅱ級。可以結合其他關聯設備的更換、檢修工作消除隱患。

圖4 Ⅱ級定級落點Fig.4 The point location of gradeⅡ

遠期健康度評估結果落在約束區域內，近期檢修調試成本落在約束區域1以外，遠期檢修調試成本落在約束區域2以內，如圖5所示，則定義為Ⅲ級。可結合周期性檢修工作消除部件故障。

圖5 Ⅲ級定級落點Fig.5 The point location of gradeⅢ

遠期健康度評估結果落在約束區域內，近期檢修調試成本落在約束區域1以外，遠期檢修調試成本落在約束區域2以外，如圖6所示，則定義為Ⅳ級。需加強設備運行狀態監測，必要時縮短巡檢周期。

圖6 Ⅳ級定級落點(1)Fig.6 The point location of grade IV(1)

遠期健康度評估結果未落在約束區域內，如圖7所示，亦可定義為Ⅳ級。可暫不安排檢修調試計劃，繼續對設備運行狀況進行監測。

圖7 Ⅳ級定級落點(2)Fig.7 The point location of grade IV(2)

基于變電站設備整體健康度量化評估方法，研制變電站設備智能檢修調試系統，如圖8所示。

圖8 智能檢修調試系統Fig.8 The intelligent maintenance and debugging system

系統包含健康評估、智能定級兩個模塊。健康評估模塊根據診斷結果，對變電站設備未來運行狀態進行預判，評估其近期和遠期整體健康度。智能定級模塊基于設備整體健康度評估結果和設備檢修調試成本函數，對檢修調試工作進行智能量化定級。

3 現場驗證

以南京地區某500 kV變電站斷路器為例，該斷路器為220 kV旁路斷路器，通過裝設多種傳感器來獲取斷路器狀態信息。在斷路器本體和機構箱加裝了SF6傳感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、行程機械傳感器、分合閘及馬達電流測量TA以及位置參考節點，實現高壓斷路器狀態感知，如圖9。在該斷路器旁新建IED柜，裝設斷路器在線監測裝置，實現斷路器故障診斷與故障部件定位。通過IED和斷路器檢修調試平臺相連，實現該斷路器的整體健康度評估和檢修調試工作優化安排。

圖9 高壓斷路器狀態的獲取Fig.9 Acquisition of high voltage circuit breaker status

以斷路器單個故障部件狀態為例，繪制斷路器部件健康度變化曲線，基于健康度評估方法獲取高壓斷路器整體健康度時變曲線。如果斷路器在監測期間內未進行檢修，整體狀態隨時間呈非線性退化，直到進入到I級狀態，申請停電檢修；如果斷路器在監測期間未進入到I級狀態的某個時段進行檢修，其整體狀態能很快恢復到較好的情況，后期斷路器整體健康狀態更為平穩。

4 結語

本文提出了一種變電站設備整體健康度的量化評估方法，實現了設備近期和遠期的整體健康度的預判，研發了變電站智能檢修調試系統，實現了變電站設備檢修調試工作的量化定級及優化決策。通過判斷健康度-檢修調試成本函數計算結果是否落在約束區域內，實現了設備近期健康度與遠期健康度的合理評估，顯著減少變電站內臨時停電次數與停電時長，有效降低檢修調試成本，給電網企業制定經濟合理的消缺計劃提供參考。