基于量化風險評估方法的電力變壓器狀態檢修決策研究

李 杜，雷 軍，萬 鵬

（1.國網湖北省電力有限公司武漢供電公司，湖北 武漢 430019；2.湖北華中電力科技開發有限責任公司，湖北 武漢 430077；3.武漢大學電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

隨著中國電力事業的發展，電網容量的不斷增大，用戶對供電可靠性的要求不斷提高，電力變壓器維修管理的重要性日益顯現出來。傳統的定期檢修模式逐漸暴露出檢修過剩和檢修不足的弊端。針對傳統的定期計劃檢修的盲目性導致的維修資源極大浪費以及維修不足導致的安全性問題，狀態檢修開始逐步進入電力企業的維修管理[1-2]。

狀態檢修是一種較定期檢修方式更能降低維修成本、縮短檢修停電事件的檢修方式。維修的針對性、科學性大大加強，檢修決策主要是針對單臺電力設備。文獻[3-4]提出了以可靠性為中心的電力設備維修方法（Reliability Centered Maintenance，RCM）；文獻[5-6]在RCM方法的基礎上，利用一種坐標化的技術，同時考慮了“設備狀態”與“設備在電網中的重要性”這2方面因素，并將該方法應用于高壓斷路器的檢修。以上方法，雖然在維修科學性上有了很大改進，但對設備的風險定量化處理方面仍顯不足，在處理多臺變壓器的檢修決策時可操作性存在很大的局限性。

本文提出基于量化風險值計算的電力變壓器狀態檢修模型，對已有風險評估模型中平均故障率做了調整，科學合理地量化了故障導致的風險損失。該模型不僅使維修決策更加經濟科學，而且大大增強了狀態檢修的可操作性。

2 風險評估模型

2.1 基于風險評估的電力變壓器檢修流程

風險的定義是后果及其發生的可能性[7]。對于電力變壓器而言，其風險包括變壓器自身面臨的風險和變壓器故障可能導致的風險。在狀態檢修工作流程中，首先是對變壓器的狀態進行評估，得到變壓器發生故障的可能性，然后進行設備風險評估，最后根據計算出的風險值的大小和風險等級，確定變壓器的狀態檢修次序和項目，完成整個變壓器狀態檢修的風險決策。完整的電力變壓器狀態檢修決策流程如圖1所示。

圖1 電力變壓器狀態檢修決策流程

2.2 風險評估計算公式

電力變壓器的風險評估是在變壓器狀態評價的基礎上，評估變壓器出現故障的可能性以及變壓器面臨的和可能導致的風險。根據文獻[8]可知，風險可以從設備損失、人身安全損失、環境損失、電網安全損失4個獨立的方面來進行計算。因此，變壓器總風險值可以表示為：

式（1）中：P為變壓器的平均故障率；Ci為上述的4個風險損失值；Wi為風險損失對應的權重。

3 平均故障概率P的計算

目前，針對設備故障概率的計算已開展了很多的研究，涉及浴盆曲線、weibull分布、最小二乘法等手段相結合的設備故障率計算[9-11]，這些手段主要考慮設備運行時間和設備故障率之間的關系，而缺少對設備運行狀態的考慮。對于電力行業的狀態檢修，僅僅考慮設備的運行年限而利用浴盆曲線推算設備故障率是不科學的，為此提出根據設備當前的運行狀態推算故障率的方法，利用設備狀態評價獲得設備狀態健康值，根據經驗公式，按一定的指數函數關系確定設備的平均故障率P[12]。

設備平均故障率P的計算式為：

式（2）中：K為比例系數；HI為設備狀態健康值；C為曲率系數。

其中，K、C通過對設備的狀態評價結果和歷史統計數據進行反演計算得到。

變壓器狀態健康值HI反映的是變壓器的運行狀態的健康程度，可以由變壓器的狀態評價結果推算出來，文獻[12]提出了一種HI與狀態等級的對應關系，即正常狀態、注意狀態、異常狀態、嚴重狀態對應的變壓器狀態健康值的取值區間分別為90～100、60～89、30～59、0～29，計算中一般取它們的平均值。這樣的取平均值的算法大體上可以反映不同狀態等級變壓器的狀態健康值，卻沒有區分同一狀態等級的變壓器的健康程度。為了很好區別同一狀態等級的變壓器的健康程度，在這里根據變壓器狀態量、部件的狀態等級，引入以下計算公式：

式（3）中：n4為單一項扣分到嚴重狀態的狀態量數量總和；n3為單一項扣分到異常狀態的狀態量數量總和。

當5（n4－1）+n3≥30，健康值=0。

式（4）中：n3為單一項扣分到異常狀態的狀態量數量總和；n1為單一項扣分到注意狀態的狀態量數量總和；n2為部件合計扣分到注意狀態的部件數量總和。

當5（n3－1）+（n1+n2）≥30，健康值=30。

式（5）中：n1為單一項扣分到注意狀態的狀態量數量總和；n2為部件合計扣分到注意狀態的部件數量總和。

當（n1+n2－1）≥6，健康值=60。

4 風險損失的計算

電力變壓器發生故障導致的風險可以從變壓器資產、人身安全、環境安全、電網安全損失4個方面來表示。目前，變壓器發生故障導致人身安全事故的案例很少，人的生命也很難用金錢去衡量，變壓器故障造成的環境污染比較輕微，相對于電網安全損失和變壓器資產損失可以忽略不計。因此，本文主要考慮從變壓器資產損失和電網損失的角度去量化風險損失。

4.1 變壓器資產的損失量化

變壓器的資產損失可以用變壓器損壞的程度來表示，不同的狀態等級下故障概率和變壓器自身的資本價值大致可以表示變壓器的損壞程度。因此，在故障概率已知的情況下，可以用變壓器的價格來量化變壓器的資產損失。即以變壓器的購置價格來表示。變壓器的購置價格如表1所示（該數據來源于《南方電網公司2011年電網工程主要設備及材料指導價格》）。

表1 變壓器的購置價格

以35 kV變壓器的資產損失值為標幺值1，按照價格的比例大小，即可得到其他電壓等級的資產損失值。資產損失值的相對大小如表2所示。

表2 資產損失值的相對大小

4.2 電網損失的量化

由于電能總是從高電壓等級主變向低電壓等級主變逐層擴散傳遞，不同電壓等級之間主變臺數的平均容量比，間接反映了不同電壓等級發生事故事件時電網損失的相對大小。不同等級的變電容量如表3所示。

表3 不同等級的變電容量

以35 kV主變電網損失為1，計算各電壓等級損失。35 kV及以上電壓等級主變電網損失量如表4所示。

表4 35 kV及以上電壓等級主變電網損失

在電網損失的計算方面還應考慮到變壓器在電網中的重要度，它將變壓器所處的電網結構、用戶等級等等因素都包含在內。變壓器的重要程度可以通過它所屬的變電站的重要程度來大致表示。以一般變電站的重要度為標幺值1，重要變電站的重要度系數為1.2，樞紐變電站的重要度系數為1.5。

4.3 資產損失權重的計算

資產損失的權重值可以根據電網事故中，設備自身價值的損失跟電網損失的比值來確定。

依據南方電網《電力事故（事件）調查規程》中電網事故等級劃分標準，事故事件分為9個等級：特別重大事故、重大事故、較大事故、一般事故、一級事件、二級事件、三級事件、四級事件、五級事件。電力安全事故事件的減供負荷標準如表5所示。

表5 電力安全事故事件減供負荷標準

設備損失直接取各級別事故的直接經濟損失值，電網損失以減供電量計算，取平均電價0.6元，平均每次停電時間4.6 h（2012年截至12月25日，平均每次事故事件停電274.66 min），都取下限值進行比較。事故等級與設備損失及電網損失對應表情況如表6所示。

表6 事故等級與設備損失及電網損失

計算事故造成的設備損失總和跟電網損失總和，它們的比值為2.64，即變壓器資產損失和電網損失的權重為7∶3。

5 基于量化風險評估的檢修決策

設備風險評估的最終目的是輔助維修決策。基于量化風險值的狀態檢修決策即是根據風險值的大小和風險等級確定設備維修的次序和時間。選擇風險最大的設備優先維修，風險很小的設備可以延長維修的周期，這樣能最大程度地節省維修資源與費用。在對大量的變壓器進行量化風險評估和實際狀態檢修決策的對照下，總結出一個如表7所示關于變壓器風險值、風險等級以及維修決策的表格，根據表中內容就能直接明了地做作出檢修決策。

表7 變壓器風險值與維修決策

6 實例分析

6.1 基本情況

本文在某地區中某些變壓器原始數據、在線監測數據、運行巡視數據及電氣試驗數據收集的基礎上，選取5臺變壓器按照文獻[12]的狀態評價標準進行狀態評價，變壓器基本情況和狀態評價結果如表8所示。

表8 變壓器基本情及和狀態評價

由于變壓器有5個部件，八十幾個狀態量，數量較多，本文就不一一羅列每個狀態量的數據，只給出狀態評價結果：變壓器A有3個狀態量處于注意狀態，1個部件的合計扣分達到注意狀態；變壓器B有4個狀態量處于注意狀態，1個部件的合計扣分達到注意狀態；變壓器C有3個狀態量處于異常狀態，3個狀態量處于注意狀態，1個部件的合計扣分達到注意狀態；變壓器D有4個狀態量處于注意狀態，2個部件的合計扣分達到注意狀態；變壓器E有4個狀態量處于異常狀態，4個狀態量處于注意狀態，1個部件的合計扣分達到注意狀態。

6.2 風險值的計算

根據該地區近兩年的狀態評價結果和統計數據得到K、C的值分別為0.115 4、0.059 1。由狀態評價的結果可計算出變壓器的狀態健康值HI。5臺變壓器的狀態健康值HI分別為75、70、46、65、40。

由公式（2）計算出5臺變壓器的平均故障率，分別為：PA=1.37×10-3，PB=1.84×10-3，PC=7.61×10-3，PD=2.48×10-3，PE=1.09×10-2。

將變壓器的平均故障率以及資產損失的量化值代入公式（1）進行求解，得到變壓器的風險值，分別為：R（A）=0.935，R（B）=0.474，R（C）=1.798，R（D）=0.182，R（E）=0.762。根據風險值的大小，得出變壓器的風險等級，變壓器D的風險等級為Ⅴ級，變壓器B、E為Ⅳ級，變壓器A為Ⅲ級，變壓器C為Ⅱ級。

6.3 基于風險等級的檢修決策

根據風險等級的級別，安排變壓器檢修的次序和項目。變壓器C的風險級別為Ⅱ級，風險描述為不期望發生，需要立即采取糾正措施，應當立即檢修變壓器C，可能需要大修，加強對它的運行維護。變壓器A的風險級別是Ⅲ級，風險描述為可接受，需要采取措施進行糾正，在檢修資源充足的情況下，對變壓器A進行小修。變壓器B、E就暫時不需要進行檢修，只需加強對它們的巡視就行。變壓器D的風險級別為Ⅴ級，可接受，不需要特別關注。

7 結論

本文提出了基于量化風險評估方法的變壓器檢修決策的方法理論和流程，將風險用經濟指標表示，通過對風險的分析進行具體的量化，然后根據風險等級的大小，進行變壓器的狀態檢修決策。該方法客觀合理，具有針對性，合理利用了檢修的人力物力，大大提高了電力變壓器的安全運行和維護，通過不同的風險等級，合理明了地規劃好維修的次序和項目，避免了計劃檢修的盲目性和資源的浪費，具有一定的經濟效益。