徐輝，于虹，劉冠辰，盧中西，徐成龍，劉榮海，王璋奇

(1.華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650000；2.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071000；3.華北電力大學電力工程系，河北 保定 071000；4.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

蒙特卡羅法在輸電線路狀態(tài)管理的應用

徐輝1，2，于虹4，劉冠辰1，2，盧中西1，3，徐成龍1，2，劉榮海4，王璋奇2

(1.華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650000；2.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071000；3.華北電力大學電力工程系，河北 保定 071000；4.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

針對目前對輸電線路的狀態(tài)分析、風險評估過程，不能對線路的整體健康狀態(tài)和運行風險進行有效的評估、量化和預測的現狀，將蒙特卡羅法應用于CBRM研究方法，以定量的形式給出了設備的狀態(tài)評估和風險評估。結合輸電線路狀態(tài)評估和風險評估實際案例，驗證了此系統(tǒng)的有效性。

CBRM；狀態(tài)評估；風險評估；蒙特卡羅法

0 前言

蒙特卡羅方法 (Monte Carlo Methods)，又稱隨機抽樣技巧法，是一種采用隨機抽樣 (Random Sampling)統(tǒng)計來估算結果的計算方法。其基本思想是當所要求解的問題是某種事件出現的概率，或者是某個隨機變量的期望值時，它們可以通過某種方法得到這種事件出現的頻率，并用它們作為問題的解。CBRM即 “基于輸電線路狀態(tài)評估的風險防范管理體系”以蒙特卡羅方法為基礎，結合輸電線路的技術信息和實踐經驗，不僅可以對輸電線路的當前狀態(tài)、風險進行評估，還能夠以獨有的對線路老化進程的數學模型的分析技術來評估和預測設備未來狀態(tài)和風險的變化情況，實現其它同類體系無法達到的功能，從而為制定優(yōu)化的檢修策略、技改及投資規(guī)劃提供有效的技術支持。

1 CBRM研究方法

CBRM研究方法是通過結合設備基礎信息、工程學知識以及實踐經驗來確定電網設備的當前及未來狀態(tài)、性能和風險，不僅可以對輸電線路的當前狀態(tài)和風險進行評估，還能夠以獨有的對輸電線路老化進程的數學模型的分析技術來評估設備未來狀態(tài)和風險的變化情況，從而為制定優(yōu)化的檢修策略、技改及投資規(guī)劃提供有效的技術支持。CBRM研究方法可以總結為以下幾個步驟：

定義設備狀態(tài)。根據不同的設備種類對每一臺設備都計算一個 “健康指數”。設備當前的健康指數用0到10之間的數值表示，0表示最好的狀態(tài)，10表示最差的狀態(tài)。

匹配設備當前狀態(tài)和性能。根據健康指數計算 “相對故障概率”，再通過健康指數分布與近期統(tǒng)計的故障率的匹配建立健康指數和故障概率之間的關系。

預測設備未來狀態(tài)和性能。利用老化理論獲取設備的老化健康指數。設備的老化率取決于設備的初始健康指數和運行狀態(tài)。利用老化健康指數模型和先前計算的健康指數和故障概率之間的關系可以計算得到未來故障率。

根據POF和故障率評估潛在的檢修措施。模擬實施更換、大修的效果，計算實施技改后未來健康指數分布情況和故障率。

定義和量化故障后果。定義和構建一致的框架，分類評估和劃分故障后果，如電網性能、人身安全、修復成本、環(huán)境影響等。將故障后果類別用統(tǒng)一的貨幣單位來表示。

建立風險模型。單臺設備的風險是結合故障概率和故障后果來量化。而每一類設備的總風險是通過單臺設備風險的求和獲取。

依據風險對可能采取的潛在措施進行評估。模擬更換、大修的效果，計算實施不同的技改方案后風險的減少量。

回顧和提煉信息收集和評估過程。建立和管理一個基于設備特有信息的風險體系不是一個一次性的過程。項目初始應用的主要成果不僅僅在于基于當前可用的信息給出的結果，更重要的是提供了一個從現在開始就建立并不斷改進資產信息系統(tǒng)框架的機會。

2 蒙特卡羅法在CBRM中的應用

蒙特卡羅法在CBRM中的應用，主要體現在狀態(tài)評估和風險評估等方面。CBRM進行狀態(tài)評估時，基本步驟是通過輸入設備的基本信息作為樣本，利用相關統(tǒng)計原理得到設備的健康指數，通過樣本中設備的故障次數及其故障類型，經過概率計算得到該線路的故障發(fā)生概率；利用CBRM進行風險評估時，基本步驟是通過樣本中設備的故障發(fā)生概率、故障后果和重要程度等級等樣本信息，對電網性能、修復成本、人身安全、環(huán)境影響等方面進行概率統(tǒng)計計算，從而得到線路當前及未來所面臨的運行風險。其基本步驟如圖1所示：

圖1 蒙特卡羅法在CBRM中應用基本步驟

2.1 狀態(tài)評估方法

2.1.1 狀態(tài)評估

狀態(tài)評估的目的是得出輸電線路的健康指數和故障發(fā)生概率。

2.1.1.1 桿塔健康指數

桿塔的健康指數包括涂層健康指數和本體老化健康指數兩個部分。

1)桿塔涂層健康指數，桿塔涂層健康指數包括老化健康指數和狀態(tài)健康指數兩個部分，根據各子健康指數之間不同的限制條件進行綜合計算得到的。桿塔涂層健康指數計算公式如下：

其中，

HIa、HIb涂層狀態(tài)健康指數。

HIc涂層老化健康指數。

2)桿塔本體老化健康指數，桿塔老化健康指數是通過計算得出初始老化健康指數之后，再由其他系數諸如缺陷系數等進行修正后得到的。桿塔老化健康指數計算公式如下：

其中，

HI1初始老化健康指數；

fcom綜合修正系數。

2.1.1.2 架空導地線健康指數

架空導地線的健康指數是通過計算得出初始老化健康指數之后，再由其他系數諸如缺陷系數等進行修正后得到的。架空導地線綜合健康指數如下：

其中，

HI1初始老化健康指數；

fcom綜合修正系數。

2.1.1.3 架空導地線金具健康指數

架空導地線金具健康指數包括老化健康指數和狀態(tài)健康指數兩個部分，根據各子健康指數之間不同的限制條件進行綜合計算得到的。架空導地線金具綜合健康指數如下：

HIa、HIb狀態(tài)健康指數

HIc老化健康指數。

fD缺陷修正系數。

2.1.1.4 故障發(fā)生概率

架空輸電線路的故障發(fā)生概率包括由非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率和由狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率。其計算公式如下：

其中，

POFC由狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率；

POFE由非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率。

2.1.2 基礎信息

架空輸電線路基礎信息是項目實施的基礎，研究過程中，采集數據的方式包括兩種，其一從生產管理信息系統(tǒng)中直接獲取，其二人工錄入方式。所需數據信息如下：

1)線路及桿塔的基礎信息。包括線路及桿塔所用的材料、結構、安裝投運日期、桿塔的維護及防腐記錄等。

2)線路及桿塔的狀態(tài)參數。包括線路及桿塔的外觀、金具和絕緣子的外觀、機械電氣特性等。

3)缺陷/故障記錄。包括線路及其附屬設施的缺陷和故障記錄。

2.1.3 評估模型的建立

在充分獲取了架空輸電線路的可用信息后，項目組建立了架空輸電線狀態(tài)評估模型，包括對信息的量化、計算框架的搭建、參數設置等工作。

圖2 故障概率計算結構框圖

2.2 風險評估方法

2.2.1 風險評估

風險評估的目的是從電網性能、修復成本、人身安全、環(huán)境影響四個方面計算輸電線路當前及未來所面臨的運行風險。架空輸電線路風險包括狀態(tài)風險和非狀態(tài)風險。

風險是線路故障發(fā)生概率和故障后果的綜合體現，計算公式如下：

POF—故障發(fā)生概率

COF—平均故障后果

COA—相對重要等級

其考慮的因素及量化的依據如下。

1)電網性能——從電網故障或事故對電網供電持續(xù)性和負荷損失數影響的角度來衡量事件的后果。

2)修復成本——從電網發(fā)生故障后修復該故障所需投入的資金量進行考慮，具體包括修復故障時所需的材料成本和人工成本。

3)人身安全——從人身安全的角度出發(fā)，評估發(fā)生故障或事故后可能造成的人身傷亡事故。

4)環(huán)境影響——從電網發(fā)生故障或事故后對環(huán)境可能造成的各方面影響角度出發(fā)，評估可能造成的各類損失，如火災事故、產生固體垃圾、其它環(huán)境干擾等

2.2.2 基礎信息

架空輸電線路風險信息包括線路的相對重要等級、負載情況、線路通道的環(huán)境及其它風險相關信息等。

輸電線路設備風險評估由故障發(fā)生概率、故障后果和重要程度等級三個方面組成，因此在研究過程中，首先要收集這三方面的信息。

2.2.3 評估模型的建立

電網性能風險是各設備總風險的主要組成部分。另外，導線的風險最高。主要是由于導線由非狀態(tài)因素引起的故障率比其他輸電線路設備的高。

3 結束語

蒙特卡羅法在CBRM中的應用，可以依據輸電線路的基礎技術參數、巡檢數據、缺陷等信息，以定量的形式給出了設備的健康指數，故障概率等，通過狀態(tài)評估和風險評估，以數值的形式直觀的得出輸電線路在當前、未來一定時間內健康狀態(tài)和風險的大小及變化趨勢，對輸電線路的檢修、維護和技改工作以及提高輸電線路的合理資源配置具有重要的指導意義。

表1 風險評估計算模型展示表

[1] David Hughes，Paul Barnfather.Condition Based Risk Management(CBRM)：Bringing Excellence in Asset Management into the Boardroom[C].20th International Conference on Electricity Distribution，June 2009，Paper 0145.

[2] Tracy Pears，Paul Barnfather，Neil Brand.Using Condition Based Risk Management(CBRM)to Demonstrate the Benefits of different Asset Replacement Strategies[J].Energy 21C，September，2009.

[3] E Hamilton and D Hughes.‘CBRM，the practical application of intelligent asset management to United Utilities distribution network’[J].Distribution Europe 2004，April 2004.

[4] 田豐，盛四清，李艷青，等.灰靶理論在CBRM狀態(tài)評估中的應用 [J].電力科學與工程，2011，27(5)：1-4.

[5] 秦繼承，吳娟.基于電網狀態(tài)評估的風險防范管理體系應用研究 [J].中國電力，2007，40(4)：90-92.

[6] 鄭玲峰.基于信息融合的變壓器故障診斷與狀態(tài)評價的研究 [D].東北電力大學，2010.

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[8] 喇元，王紅斌，董明，等.風險評估在電力系統(tǒng)中的應用[J].廣東電力，2011(06).

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[10] 宋人杰，王曉東.輸變電設備狀態(tài)檢修評估分析系統(tǒng)的研究 [J].繼電器，2008(09).

Application of Monte Carlo Method in the CBRM

XU Hui1，2，YU Hong4，LIU Guanchen1，2，LU Zhongxi1，3，LIU Ronghai4，WANG Zhangqi2
(1.North China Electric Power University Graduate workstation，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650000，China；2.Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；3.Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；4.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

The current state of the transmission lines for the analysis of the risk assessment process，can not be effectively assess the overall health status and run the risk of the line，quantification and prediction of the status quo，this article will be applied to the Monte Carlo method CBRM research methods to quantify the form gives the state assessment and risk assessment device.Yunnan Power Grid Corporation transmission line combines condition assessment and risk assessment of actual cases.

CBRM；status assessment；risk assessment；Monte Carlo method

TM75

B

1006-7345(2015)03-0013-04

2014-11-22

徐輝 (1989)，男，碩士研究生，華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，從事架空輸電線路設計、模式識別與智能診斷方面研究工作 (e-mail)xuhui2132224047＠163.com。

于虹 (1978)，女，博士后，高級工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化、模式識別與智能診斷方面工作 (e-mail)yuhong2388245＠163.com。

劉冠辰 (1990)，男，碩士研究生，華北電力大學云南電網有限責任公司研究生工作站，從事架空輸電線路設計、帶電作業(yè)工具力學研究方面工作 (e-mail)417030221＠qq.com。