董海鷹，　馬　博，　楊立霞，　任　偉

基于Weibull分布的超高壓變電站二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

董海鷹1，馬博1，楊立霞1，任偉2

（1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070；2.甘肅省電力公司檢修公司，蘭州730050）

針對(duì)超高壓變電站二次設(shè)備檢修科學(xué)依據(jù)不足的問(wèn)題，給出了一種基于Weibull分布的二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)方法.在對(duì)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息分析的基礎(chǔ)上，建立了超高壓變電站二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型.在該壽命預(yù)測(cè)模型中，對(duì)表征二次設(shè)備各功能模塊運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行了分類，通過(guò)二參數(shù)Weibull分布模型得到了超高壓變電站二次設(shè)備的剩余使用壽命，并進(jìn)行了實(shí)例分析.結(jié)果表明，基于Weibull分布的壽命預(yù)測(cè)模型能夠?qū)崿F(xiàn)超高壓變電站二次設(shè)備剩余使用壽命的預(yù)測(cè)，為超高壓變電站二次設(shè)備的維護(hù)和檢修提供了依據(jù).

超高壓變電站；二次設(shè)備；Weibull分布；壽命預(yù)測(cè)

超高壓變電站是銜接發(fā)電、輸電、配電、用電以及調(diào)度五大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)超高壓變電站的可靠性、安全性要求也越來(lái)越高.在電力系統(tǒng)中，完成發(fā)電、輸電、配電功能的設(shè)備叫做一次設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、斷路器、電流電壓互感器和變壓器等.對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備，稱為二次設(shè)備，如控制和信號(hào)裝置、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置和測(cè)量?jī)x表等.在超高壓變電站運(yùn)行過(guò)程中，二次設(shè)備能否安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的輸變電安全［1］.同時(shí)超高壓變電站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化給二次設(shè)備的維護(hù)和檢修帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn).壽命預(yù)測(cè)是設(shè)備可靠性評(píng)估的主要途徑，準(zhǔn)確有效的壽命預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)超高壓變電站二次設(shè)備維護(hù)、保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要支撐技術(shù)，對(duì)于提高超高壓變電站二次設(shè)備的可利用率、可維護(hù)性以及延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有重要意義.

目前，針對(duì)變電站二次設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)方面的研究相對(duì)偏少，主要集中在變電站二次設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方面［2-5］.文獻(xiàn)［6-7］中運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論，建立了二次設(shè)備模糊綜合評(píng)價(jià)模型，將模糊評(píng)價(jià)方法和層次分析法相結(jié)合，對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行了有效的狀態(tài)評(píng)價(jià)，但沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)變電站二次設(shè)備壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).文獻(xiàn)［8-9］中分別采用Weibull分布法和環(huán)境應(yīng)力分析法對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，但只是針對(duì)電壓等級(jí)較低的電力設(shè)備.超高壓變電站具有雙網(wǎng)雙保護(hù)的特點(diǎn)，其二次設(shè)備數(shù)量大、生產(chǎn)廠家多以及安全級(jí)別要求很高.由于Weibull分布具有預(yù)測(cè)能力強(qiáng)、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于Weibull分布模型對(duì)超高壓變電站二次設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)為超高壓變電站二次設(shè)備的維護(hù)和檢修提供了更準(zhǔn)確的依據(jù).

本文針對(duì)超高壓變電站的特點(diǎn)，特別是二次設(shè)備的配置情況和信息傳輸情況，研究影響二次設(shè)備壽命的各種信息.在對(duì)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息分析的基礎(chǔ)上建立了基于Weibull分布的超高壓變電站二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該模型的正確性.

1　超高壓變電站二次設(shè)備配置

典型的750 k V超高壓變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)框圖如圖1所示.系統(tǒng)采用分層分布、開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為站控層和間隔層.站控層由主機(jī)、操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站、工程師站、五防工作站和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成.間隔層設(shè)備包括保護(hù)裝置、測(cè)控裝置和測(cè)控保護(hù)一體化裝置等，間隔層裝置主要安裝在不同電壓等級(jí)的小室內(nèi).間隔層和站控層之間通過(guò)光纖以太網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，為了提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，傳輸網(wǎng)絡(luò)采用AB雙網(wǎng)，互為冗余配置.二次設(shè)備配置主要為保護(hù)裝置和測(cè)控裝置.

圖1　750 kV超高壓變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)框圖Fig.1　Automation system diagram of 750 kV supertension substation

1.1保護(hù)裝置

750 k V超高壓變電站保護(hù)設(shè)備一般都安裝在各個(gè)小室內(nèi)，變電站中的小室分為750 k V小室、330 k V小室和主變及66 k V小室3類，保護(hù)設(shè)備的配置也按照這一特點(diǎn)進(jìn)行分類.

（1）750 k V（或330 k V）元件保護(hù)配置.750 k V（或330 k V）進(jìn)出線6回，運(yùn)行母線2回，運(yùn)行主變1臺(tái)，運(yùn)行斷路器11臺(tái).線路保護(hù)、母線保護(hù)和主變保護(hù)均采用主后備保護(hù)一體化的雙重化配置.其中，裝設(shè)線路保護(hù)裝置12套，遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)裝置12套，母線保護(hù)裝置4套，主變保護(hù)裝置2套，斷路器輔助保護(hù)裝置11套，該裝置提供斷路器失靈保護(hù).

（2）66 k V元件保護(hù)配置.運(yùn)行母線1回，運(yùn)行主變1臺(tái)，運(yùn)行斷路器11臺(tái)，母線保護(hù)和主變保護(hù)均采用主后備保護(hù)一體化的雙重化配置.其中，裝設(shè)母線保護(hù)裝置2套，主變保護(hù)裝置2套，斷路器輔助保護(hù)裝置11套，該裝置提供斷路器失靈保護(hù).

1.2測(cè)控裝置

超高壓變電站的測(cè)控裝置分別根據(jù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)、變電站的設(shè)計(jì)要求和保護(hù)配置情況進(jìn)行配置和構(gòu)建.測(cè)控裝置主要完成采集遙測(cè)遙信，實(shí)現(xiàn)遙控遙調(diào)等測(cè)控任務(wù).

超高壓變電站占地規(guī)模大，根據(jù)不同的進(jìn)線和出線將保護(hù)裝置分別安裝在不同的小室中.針對(duì)一次設(shè)備的測(cè)控裝置配置和保護(hù)配置相同，在每個(gè)小室內(nèi)增加1套公用測(cè)控裝置.超高壓變電站的測(cè)控裝置都采用雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，通過(guò)AB雙網(wǎng)同時(shí)與站控層進(jìn)行通信.

2　超高壓變電站二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

2.1二次設(shè)備壽命影響因素

超高壓變電站二次設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)與其結(jié)構(gòu)和組成模塊有很大關(guān)系.保護(hù)裝置和測(cè)控裝置等二次設(shè)備硬件主要包括電源、CPU、通信、I／O模塊和液晶顯示等模塊.當(dāng)模塊不能正常工作時(shí)，會(huì)對(duì)二次設(shè)備整機(jī)的運(yùn)行構(gòu)成威脅.如電源模塊故障通常表現(xiàn)為電壓不穩(wěn)或電壓不足，這種故障會(huì)影響到CPU的工作狀況和二次設(shè)備通信的穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間的電壓不足會(huì)導(dǎo)致CPU模塊的損壞；液晶顯示模塊發(fā)生故障直接影響到值班人員的巡視工作.二次設(shè)備的自檢和告警信息能夠反映各模塊的工作狀況，故應(yīng)對(duì)二次設(shè)備功能模塊進(jìn)行劃分，充分利用不同模塊自檢和告警信息，并結(jié)合變電站二次設(shè)備檢修資料和出廠資料中給出的關(guān)于使用年限和檢修周期等信息，對(duì)各二次設(shè)備剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)的信息來(lái)源如表1所示.

表1　二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)信息來(lái)源Tab.1　The life prediction information of secondary equipment

2.2基于Weibull分布的二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型

750 k V超高壓變電站二次設(shè)備的剩余壽命分布是一個(gè)連續(xù)型的隨機(jī)變量，且設(shè)備的剩余使用壽命和相關(guān)參數(shù)也是正數(shù).因此，二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)可以運(yùn)用Weibull分布進(jìn)行分析.二次設(shè)備在開(kāi)始運(yùn)行起就有壽命損耗，二次設(shè)備壽命符合二參數(shù)的Weibull分布的模型，由此得到設(shè)備壽命損耗分布函數(shù)

對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)和失效率函數(shù)分別為式中，η為尺度參數(shù)，用于確定二次設(shè)備的壽命損耗程度，判定設(shè)備故障形態(tài)，即設(shè)備運(yùn)行處于偶發(fā)、早期或耗損失效期.由式（1）可知，尺度參數(shù)η的大小表征為曲線圖橫縱坐標(biāo)放大或縮小的倍數(shù)，其變化不影響圖形形狀.利用Weibull函數(shù)性質(zhì)，令η=1，則失效率函數(shù)可轉(zhuǎn)換為

式中，m用于判定設(shè)備在統(tǒng)計(jì)階段所處的故障狀態(tài)期，確定設(shè)備的故障損耗程度.當(dāng)m＜1時(shí)，λ（t）曲線呈遞減分布，設(shè)備運(yùn)行在早期失效期，設(shè)備的壽命損耗程度相對(duì)穩(wěn)定；m=1時(shí)，λ（t）曲線呈指數(shù)分布，設(shè)備運(yùn)行在偶發(fā)失效期，設(shè)備的壽命損耗程度低；m＞1時(shí)，λ（t）曲線呈遞增分布，當(dāng)3＜m＜4時(shí)，λ（t）曲線與正態(tài)分布形狀近似，設(shè)備的壽命損耗程度上升，設(shè)備運(yùn)行在耗損失效期［10］.利用Weibull函數(shù)對(duì)各種類型統(tǒng)計(jì)分布擬合力強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)m值就可擬合出設(shè)備的壽命曲線.

為方便計(jì)算，式（4）兩邊取對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)化為線性方程可得

令Y=lnλ（t），X=ln t，A=ln m，B=m-1，則有

式中，A和B的估計(jì)值可通過(guò)最小二乘法確定

式中

i=1，2，…，n；n為統(tǒng)計(jì)的各類故障缺陷次數(shù).則m的估計(jì)值為

根據(jù)需求，結(jié)合超高壓變電站二次設(shè)備實(shí)際情況，其壽命預(yù)測(cè)方法如圖2所示.本文以甘肅省某超高壓變電站投入運(yùn)行2年的二次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建符合二參數(shù)Weibull分布函數(shù)的超高壓變電站二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型.根據(jù)各二次設(shè)備出廠資料，確定其設(shè)計(jì)使用壽命.根據(jù)巡檢及年檢報(bào)告，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)其投入運(yùn)行后所記錄的工作在不同工況下的次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如缺陷個(gè)數(shù)及反措落實(shí)次數(shù)，依次確定各二次設(shè)備的壽命分布函數(shù).根據(jù)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新的信息，對(duì)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生異常狀態(tài)工況的次數(shù)，如裝置誤動(dòng)次數(shù)、拒動(dòng)次數(shù)、產(chǎn)生告警信息的次數(shù)，確定各二次設(shè)備的失效率函數(shù).根據(jù)不同的輸入信息，得出不同參數(shù)下的分布函數(shù)，最終將不同參數(shù)值的函數(shù)分布曲線進(jìn)行擬合得出二次設(shè)備的壽命曲線.

圖2　二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)方法框圖Fig.2　The life prediction method diagram of secondary equipments

3　算例分析

對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果就是得到分析對(duì)象的壽命曲線，通過(guò)曲線的變化可直觀地向變電站值班人員反應(yīng)二次設(shè)備的剩余使用壽命情況.以甘肅省電力公司檢修公司的白銀750 k V變電站白武I線，設(shè)備型號(hào)為RCS925-A的保護(hù)設(shè)備為例，以現(xiàn)場(chǎng)采集到的和其他信息作為輸入信息，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的實(shí)例分析.

首先，通過(guò)可靠性預(yù)測(cè)求得二次設(shè)備的插件失效率，再以元器件的基本失效率為基礎(chǔ)，根據(jù)元器件使用環(huán)境、質(zhì)量等級(jí)、工作能力、工作方式以及對(duì)產(chǎn)品的制造工藝等的不同，得出元器件的工作失效率λp（使用失效率），工作失效率可通過(guò)技術(shù)文件得到，進(jìn)而求出單插件的失效率［11］

式中，n為插件元件種類數(shù)，m為每種元件數(shù)量.通過(guò)分析技術(shù)文件和在線自檢和告警信息可得到主要插件λsp值，如表2所示.

表2　RCS925A各主要插件λsp列表Tab.2　Theλsplist of each main plugin of the RCS925A

由表2可知，電源插件、開(kāi)入開(kāi)出插件、信號(hào)插件為設(shè)計(jì)壽命較短的部件，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況基本吻合.鑒于裝置整機(jī)設(shè)計(jì)壽命取決于關(guān)鍵易損部件，故一般選取電源插件的設(shè)計(jì)壽命作為整機(jī)設(shè)計(jì)壽命.

目前，根據(jù)離線和在線數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)二次設(shè)備發(fā)生在線告警4次，離線缺陷發(fā)生1項(xiàng)，故統(tǒng)計(jì)故障次數(shù)為4，代入式（8）可得m=0.82.則二次設(shè)備的失效率曲線表達(dá)式為

將二次設(shè)備平均使用壽命作為λ（t）的系數(shù)就得到了壽命表達(dá)式.顯然，隨著時(shí)間的增加，曲線單調(diào)下降，二次設(shè)備剩余使用壽命曲線如圖3所示.

圖3　RCS925A使用壽命變化曲線Fig.3　The service life curve of the RCS925A

4　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)變電站二次設(shè)備檢修過(guò)程中，對(duì)影響二次設(shè)備剩余使用壽命因素分析考慮不全造成的檢修不足和過(guò)度檢修等問(wèn)題，構(gòu)建了基于Weibull分布的二次設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)變電站二次設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，得到了二次設(shè)備的剩余使用壽命變化曲線.以型號(hào)為RCS925-A的保護(hù)設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)例分析，分析結(jié)果表明，壽命預(yù)測(cè)模型能夠提供二次設(shè)備壽命變化情況，與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況相符合.該方法對(duì)提高超高壓變電站二次設(shè)備的可靠性、降低二次設(shè)備維護(hù)成本、提高電力公司的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義.

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（編輯呂丹）

Supertension Substation Secondary Equipment Life Prediction Based on Weibull Distribution

DONG Haiying1，MA Bo1，YANG Lixia1，REN Wei2
（1.School of Automation&Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2.Maintenance Company，Gansu Electric Power Corporation，Lanzhou 730050，China）

In view of the problem of insufficient scientific basis of supertension substation secondary equipment maintenance and repair，a life prediction method of secondary equipment based on Weibull distribution was presented.Based on the running state information analysis of the secondary equipment，secondary equipment life prediction model was established.In the life prediction model，running status information of each function module of secondary equipment was classified，secondary equipment was obtained by two parameter Weibull distribution model of residual service life and the instance analysis was carried out.Analysis results showed that the life prediction model based on Weibull distribution could achieve the residual service life prediction of the secondary equipment，to provide a basis for the maintenance and overhaul of supertension substation secondary equipments.

supertension substation；secondary equipment；Weibull distribution；life prediction

TM 723

A

1671-7333（2015）03-0277-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.013

2015-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61165006）

董海鷹（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣收蠙z測(cè)、診斷與預(yù)測(cè)容錯(cuò)控制以及安全控制智能維護(hù)技術(shù). E-mail：hydong＠m(xù)ail.lzjtu.cn