輸變電設備典型故障模型及綜合維修策略探究

內蒙古電力（集團）有限責任公司 趙繼軍

1 引言

研究中，相關工作人員基于人工電力系統，嘗試構建OPA 典型故障模型。基于輸變電設備綜合指標以及狀態指標，制定綜合維修策略。在此基礎上，圍繞輸變電設備定期維修與狀態維修兩方面內容，對現行的維修措施進行優化[1]。

2 輸變電設備典型故障模型

2.1 OPA 模型

OPA 模型的主要目的是研究輸變電設備停電時的行為特點。該模型分別采用慢速、快速兩個不同的時間量程。前者反映了幾天到幾年內的變化過程，將該時間段內的負荷變化與性能改善作為錨點，幫助電力系統進行自組織，直至達到動態平衡。后者涵蓋了幾分鐘到幾小時內輸變電設備停電行為特征變化過程，主要研究輸變電設備連鎖過負荷和連鎖線路故障狀態下的停電情況[2]。

OPA 模型基于直流潮流方式，以線性規劃方法作為選擇標準，計算輸電線路功率調度參數。具體計算過程中，研究人員將OPA 模型中的使用價值函數設為C，計算式為：

式中：∑Pi(t)為在單位時間t內，全部輸變電設備的總功率；∑Pj(t)為單位時間t內全部負荷節點的總負荷；W為甩負荷過程中付出的代價，取值為100。

OPA 模型作為一種電力系統優化模型，想要確保其能夠發揮應有的作用，必須滿足下列約束條件：在功率平衡和負荷節點不注入設備功率的情況下，輸變電設備的輸出功率和線路潮流不能超過極限值。還需要考慮電壓穩定性、系統可靠性等約束條件[3]。

2.2 CASCADE 模型

CASCADE 模型的運行邏輯為假設存在n條相同輸配電線路，且線路的原始負荷隨機分布。設輸配電系統初始擾動為d。在該模型框架下，設某一個組件出現故障，則需要根據系統內負荷分配關系來確定故障負荷，并將故障負荷遷移至正常工作組件上。使用該模型的主要目的是對輸配電線路故障負荷進行歸一化處理，并根據歸一化結果計算輸配電設備故障組件分布概率函數f。需要注意的是，由于該函數為遞歸模型，因此利用函數f能夠有效體現當n與d不同的情況下，連鎖故障導致r個組件出現故障的概率。即滿足r＞0，n＞1，0＜d＜1條件的情況下，連鎖故障中輸配電設備故障組件數量分布概率。

研究中，基于OPA 模型以及CASCADE 模型，嘗試構建輸配電設備綜合維修策略，對現行的設備維修方式進行優化。在保障維修質量的前提下，降低維修成本。

3 制定綜合維修策略

3.1 確定權重因素

3.1.1 狀態量構成要素

一是原始資料。原始資料是輸變電設備交付使用過程中，所涉及的各種信息的記錄。常見的原始資料包括銘牌參數、試驗報告、出廠驗收試驗報告、交接報告等。相關工作人員通過閱讀原始資料，能夠快速了解設備基本信息，確保設備能夠安全運行，為設備的維護保養提供必要的支持。

二是運行資料。運行資料是輸變電設備在正常運行期間，產生的各種信息的集合。包括運行狀況信息、異常狀況記錄、巡檢工作記錄等。

3.1.2 狀態量權重

根據考慮輸變電設備運行穩定性的各個狀態量的影響因素，研究人員將其分為四個具體等級，按照從輕到重的順序排列。對應的權重分別為權重Ⅰ、權重Ⅱ、權重Ⅲ和權重Ⅳ，為方便計算，每項權重的系數用1、2、3、4表示。四個層級中，權重Ⅰ和權重Ⅱ用于描述一般狀態量，而權重Ⅲ和權重Ⅳ則用于描述較為重要的狀態量。基于輸變電設備狀態量劣化程度，以2、4、8、10作為對應每個層級的扣分值。

3.2 設備狀態與指標之間的關系

狀態量的不同，能夠體現出不同設備之間的性能差異。如直流電阻工況狀態量數據能夠反映輸變電設備分接開關燒蝕狀況，而絕緣電阻、極化指數等數據，則可以反映出輸變電線路是否處于潮濕環境之中[4]。此外，還通過氣相色譜分析等方法，確定絕緣與導電雙重的性能指標。

研究中，為了更好地理解狀態量對輸變電設備性能的影響，引入隸屬度概念。利用隸屬度描述狀態量對于不同設備和不同指標的重要程度詳見表1。

表1 狀態量分類表

3.3 狀態分析模型

數據來源不同，其狀態量評估值也存在很大差異。因此，研究人員需要根據實際檢測需求，選擇適宜的表達方式，狀態量分析模型如圖1所示。

圖1 狀態量分析模型

基于狀態量分析模型，對輸配電設備狀態量進行綜合評估，根據下列式對評估結果進行加權平均處理。

式中：c為輸變電設備綜合評價結果，該結果需要使用分值的方式進行表示，當c＜15時表示輸變電設備綜合評價結果為“良好”，若c＞80則表示輸變電設備綜合評價結果為“不良”；αi為不同狀態量結果；?ij為第i個狀態量對于第j個設備性能的隸屬度；wi為第i個狀態量的重要性，即該狀態量的權重。

4 輸變電設備維修優化策略

4.1 輸變電設備定期維修策略優化

想要對輸變電設備定期維修策略進行優化，要遵循的基本原則包括維修成本最小原則和有效度最大化原則[5]。

4.1.1 建立定期維修模型

基于兩項基本原則，創建輸變電設備定期維修模型。輸變電設備定期維修模型如圖2所示。

圖2 輸變電設備定期維修模型

該模型中，T為輸變電設備定期維修時間間隔；τp為預防性維修平均用時；τc為故障發生后維修平均用時；T1與T2分別為預防性維修完成時間以及故障修復直至下一個預防階段所花費的時間，即T=T1+T2。

4.1.2 基于維修費用最低原則的維修策略優化

根據T=T1+T2，研究人員設CT為不同階段維修費用，Cp代表預防性維修費用，Cc代表事后維修費用。基于維修費用最低原則，將Cp、Ccλ(t)等已知參數代入定期維修模型，計算平均維修費用達到最小值時的參數T。

利用式（3）計算得到的參數T，需要滿足以下要求：

4.1.3 基于有效度最大化原則的維修策略優化

在已知λ(t)、τc以及τp具體數值的情況下，研究人員基于定期維修模型，計算參數T，確保其穩態有效度A(∞)為最大值，其計算式為：

根據式（5）計算得到的T值需要滿足下列條件：

4.2 設備狀態維修策略優化

4.2.1 輸變電設備更換及改造時間優化

輸變電設備的原始設計質量，會對其壽命造成影響。若設備存在質量缺陷，則其壽命可能會大幅縮短。即使設備進行了維修，其平均壽命也可能會逐漸縮短。針對這一情況，嘗試建立輸變電設備更換及改造時間優化模型，將輸變電設備全壽命過程分成多個周期，并根據實際運行和維修的具體時間進行細分。通過這種方式更加精確地預測設備的故障和維修時間，并制定相應的維護計劃，以最大程度地延長設備的使用壽命。

將輸變電設備發生第k次故障之前的平均壽命設為λk，則有λk≥λk+1，單位時間內輸變電設備維修費用為C，設備零件更換費用為Cf，設輸變電設備在發生第N次故障之后更換零件，則C(N)的計算式為：

4.2.2 輸變電設備狀態檢測周期優化

輸變電設備檢測周期需要參照實際情況進行靈活調整，不宜過長或過短。如果檢測周期過長，會導致故障前兆被掩蓋，造成設備失效以及其他不必要的損失。而如果檢測周期太短，則會造成維修成本浪費問題。因此，研究人員基于最優的檢測間隔期τ優化輸變電設備狀態檢測周期，以實現單位時間平均費用最小的目標。這樣做可以確保設備的使用壽命得到最大程度的延長，同時也能夠有效地控制成本，降低運營成本。在實際應用中，需要對設備進行全面的評估和分析，以確定最適合的檢測周期，并持續監測和調整，以確保設備的正常運行和高效使用。

研究人員設輸配電設備失效概率密度函數為f(t)，該函數服從指數分布規律，因此可以得到式f(t)=λe-λt，每次檢修的間隔時間為τ，若檢修人員發現設備失效或者即將失效，即刻對其進行檢修。設輸變電設備狀態檢測周期的期望值為TE，則TE與單個檢測周期內期望值EC的關系式為：

據此可以得到輸變電設備狀態檢測最佳周期具體數值。

5 結語

輸變電設備作為電網系統中的重要組成部分，如何保障輸變電設備能夠安全、穩定運行成為電力從業人員重點關注的問題。這種背景下，相關研究人員基于輸變電設備典型故障模型，以及狀態量分析模型，制定具體的輸變電設備維修優化策略，為電力系統穩定運行保駕護航。