陳 昊，徐 鵬，譚風(fēng)雷，張海華

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

電網(wǎng)作為能源資源優(yōu)化配置的重要平臺(tái)和載體，對(duì)保障人們生產(chǎn)生活休戚相關(guān)。一旦發(fā)生電網(wǎng)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(shè)備作為電網(wǎng)的重要元件，其健康狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平［5-7］，以站內(nèi)常見設(shè)備斷路器為例，據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）研究，每次高壓斷路器故障會(huì)造成高達(dá)百萬千瓦時(shí)的電能損失。在此背景下，基于變電站電氣設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估制定最經(jīng)濟(jì)檢修調(diào)試策略［8-10］，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化、保障電網(wǎng)可靠性的核心和基礎(chǔ)［11-13］。

文獻(xiàn)［14］提出一種基于猶豫模糊矩陣的變電站自動(dòng)化設(shè)備檢修優(yōu)先級(jí)決策方法，為調(diào)度人員合理編排檢修計(jì)劃提供決策依據(jù)；文獻(xiàn)［15］提出一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型與全壽命周期成本（LCC）相結(jié)合的檢修決策方法，在有效降低檢修風(fēng)險(xiǎn)的前提下提高主變壓器檢修效率，減小檢修維護(hù)成本；文獻(xiàn)［16］構(gòu)建運(yùn)維檢修成本調(diào)整參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)各因數(shù)下電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維檢修成本測(cè)算，有助于提高電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)維檢修作業(yè)項(xiàng)目的高效精細(xì)化管理水平；文獻(xiàn)［17］研制了一款適用于變電站內(nèi)工作的多功能檢修調(diào)試工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能供電、帶電區(qū)域隔離等功能，有效提升了檢修調(diào)試工作效率和安全性。文獻(xiàn)［18］設(shè)計(jì)了變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效監(jiān)測(cè)變壓器潛伏性故障，提升變壓器在線監(jiān)測(cè)的靈敏度。文獻(xiàn)［19］針對(duì)輸變電設(shè)備歷史缺陷數(shù)據(jù)和全過程技術(shù)監(jiān)督的問題數(shù)據(jù)，運(yùn)用多種手段實(shí)現(xiàn)將設(shè)備潛伏性故障內(nèi)容歸類特征貼標(biāo)簽，為變電站設(shè)備檢修調(diào)試工作提供相關(guān)決策的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。上述文獻(xiàn)從不同維度對(duì)變電站設(shè)備檢修調(diào)試決策進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)變電站設(shè)備潛伏性故障提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，為設(shè)備運(yùn)檢管理和檢修調(diào)試決策提供了參考。變電站設(shè)備整體健康狀態(tài)影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，而現(xiàn)有研究成果極少?gòu)淖冸娬驹O(shè)備整體健康度出發(fā)針對(duì)設(shè)備檢修調(diào)試策略進(jìn)行優(yōu)化。本文提出了一種變電站設(shè)備整體健康度量化評(píng)估方法，并基于該方法研制了變電站智能檢修調(diào)試系統(tǒng)，為變電站設(shè)備檢修調(diào)試工作優(yōu)化及決策制定提供參考。

1 變電站設(shè)備整體健康度評(píng)估方法

變電站電氣設(shè)備除了具有機(jī)械系統(tǒng)的一般特點(diǎn)外，還有運(yùn)行過程中存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的復(fù)雜相互作用過程，這決定了電力設(shè)備主要功能的實(shí)現(xiàn)依賴于各功能部件相互作用影響的機(jī)械性能、絕緣性能等綜合因素［20-24］。

從20世紀(jì)50年代起，我國(guó)電氣設(shè)備按照《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行定期的停電試驗(yàn)、檢修和維護(hù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確定是否可以繼續(xù)運(yùn)行［25-28］。傳統(tǒng)的狀態(tài)檢修僅能反映設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，未有相關(guān)的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)，難以判斷其未來運(yùn)行趨勢(shì)，難以優(yōu)化檢修調(diào)試計(jì)劃。同時(shí)，變電站設(shè)備整體健康狀態(tài)和部件運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)復(fù)雜，狀態(tài)演變規(guī)律時(shí)變性強(qiáng)，整體健康狀態(tài)的量化評(píng)價(jià)難度大［29-32］。因此建立變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估體系，可量化評(píng)估其近期、遠(yuǎn)期健康水平，有助于合理安排檢修調(diào)試計(jì)劃，提升工作效率。

這里給出一種變電站設(shè)備整體健康度的評(píng)估方法。

定義變電站設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)的概率為P0，出現(xiàn)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(dú)立，無關(guān)聯(lián)因素，則設(shè)備整體健康度定義為P0=（1-P1）（1-P2）…（1-Pn）。

由于變電站設(shè)備不同部件相互耦合，存在關(guān)聯(lián)性，即某個(gè)部件出現(xiàn)故障或健康度不佳，可能會(huì)影響其相關(guān)聯(lián)部件的健康水平。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，部件之間故障存在關(guān)聯(lián)因素，以部件x、部件y為例。假設(shè)部件x單獨(dú)發(fā)生故障的概率為Px，受y部件關(guān)聯(lián)因素影響發(fā)生故障的概率為P（x|y），部件x發(fā)生故障的總概率為P′x；部件y發(fā)生故障的概率為Py，受x部件關(guān)聯(lián)因素影響發(fā)生故障的概率為P（y|x），部件y發(fā)生故障的總的概率為P′y。

則有式（1）、式（2）

同理，多個(gè)部件相互關(guān)聯(lián)影響時(shí)，以部件x為例，則有：

定義部件故障之間關(guān)聯(lián)因子為λ，則部件x故障、部件y故障之間的關(guān)聯(lián)因子可以表示為λxy，若部件之間故障毫無關(guān)聯(lián)，則關(guān)聯(lián)因子λxy為0。進(jìn)一步可得經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)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(shè)備整體健康度為P0形如：

式（6）中，f(?)為一個(gè)關(guān)于P′1P′2，…，P′n的凸函數(shù)。

以近期（1月）、遠(yuǎn)期（1年）為界，預(yù)判設(shè)備近期和遠(yuǎn)期整體健康度，為設(shè)備檢修調(diào)試計(jì)劃決策提供依據(jù)。

2 智能檢修調(diào)試系統(tǒng)的研制

由式（6）計(jì)算設(shè)備的近期整體健康度，記為J，計(jì)算設(shè)備的遠(yuǎn)期整體健康度，記為Y。進(jìn)而定義設(shè)備近期健康度閥值FJ，遠(yuǎn)期健康度閥值FY。根據(jù)閥值FJ和FY將設(shè)備近期和遠(yuǎn)期整體健康度預(yù)判結(jié)果分為四個(gè)區(qū)域，如圖1所示。

區(qū)域1：設(shè)備近期健康度低、遠(yuǎn)期健康度低；

區(qū)域2：設(shè)備近期健康度高、遠(yuǎn)期健康度低；

區(qū)域3：設(shè)備近期健康度高、遠(yuǎn)期健康度高；

區(qū)域4：設(shè)備近期健康度低、遠(yuǎn)期健康度高，為無效區(qū)域。

定義變電站設(shè)備檢修調(diào)試成本C如式（7）所示。

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

考慮檢修調(diào)試策略制定的動(dòng)態(tài)性，利用（7）分別計(jì)算變電站設(shè)備的近期檢修調(diào)試成本和遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本，分別極為CJ和CY。經(jīng)驗(yàn)表明，一般滿足：

根據(jù)設(shè)備整體健康度評(píng)估結(jié)果以及分區(qū)情況，結(jié)合檢修調(diào)試成本，定義健康度-檢修調(diào)試成本函數(shù)H如下式所示。

式（9）中，J為變電站設(shè)備近期整體健康度；Y為變電站設(shè)備遠(yuǎn)期整體健康度；CJ為變電站設(shè)備的近期檢修調(diào)試成本，CY為變電站設(shè)備的遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本；h(?)為關(guān)于J，Y，C的凸函數(shù)。

定義設(shè)備近期、遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本閥值分別為FCJ、FCY，根據(jù)設(shè)備近期、遠(yuǎn)期健康度閥值及近期、遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本閥值建立約束區(qū)域，如圖2所示。

圖2 約束區(qū)域Fig.2 The constraint region

對(duì)健康度-檢修調(diào)試成本函數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

若近期健康度評(píng)估結(jié)果落在約束區(qū)域內(nèi)，如圖3所示，則定義為I級(jí)。應(yīng)盡快申請(qǐng)停電消除部件故障，防止設(shè)備故障擴(kuò)大危及電網(wǎng)安全。如果距設(shè)備停電檢修調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，則需要采取臨時(shí)加裝重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等措施，監(jiān)測(cè)缺陷發(fā)展過程，持續(xù)關(guān)注運(yùn)行狀況。

圖3 I級(jí)定級(jí)落點(diǎn)Fig.3 The point location of grade I

若近期健康度評(píng)估結(jié)果未落在約束區(qū)域內(nèi)，則細(xì)分為以下四種情況：

遠(yuǎn)期健康度評(píng)估結(jié)果落在約束區(qū)域內(nèi)，近期檢修調(diào)試成本落在約束區(qū)域1內(nèi)，如圖4所示，則定義為Ⅱ級(jí)?？梢越Y(jié)合其他關(guān)聯(lián)設(shè)備的更換、檢修工作消除隱患。

圖4 Ⅱ級(jí)定級(jí)落點(diǎn)Fig.4 The point location of gradeⅡ

遠(yuǎn)期健康度評(píng)估結(jié)果落在約束區(qū)域內(nèi)，近期檢修調(diào)試成本落在約束區(qū)域1以外，遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本落在約束區(qū)域2以內(nèi)，如圖5所示，則定義為Ⅲ級(jí)?？山Y(jié)合周期性檢修工作消除部件故障。

圖5 Ⅲ級(jí)定級(jí)落點(diǎn)Fig.5 The point location of gradeⅢ

遠(yuǎn)期健康度評(píng)估結(jié)果落在約束區(qū)域內(nèi)，近期檢修調(diào)試成本落在約束區(qū)域1以外，遠(yuǎn)期檢修調(diào)試成本落在約束區(qū)域2以外，如圖6所示，則定義為Ⅳ級(jí)。需加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)縮短巡檢周期。

圖6 Ⅳ級(jí)定級(jí)落點(diǎn)(1)Fig.6 The point location of grade IV(1)

遠(yuǎn)期健康度評(píng)估結(jié)果未落在約束區(qū)域內(nèi)，如圖7所示，亦可定義為Ⅳ級(jí)?？蓵翰话才艡z修調(diào)試計(jì)劃，繼續(xù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖7 Ⅳ級(jí)定級(jí)落點(diǎn)(2)Fig.7 The point location of grade IV(2)

基于變電站設(shè)備整體健康度量化評(píng)估方法，研制變電站設(shè)備智能檢修調(diào)試系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 智能檢修調(diào)試系統(tǒng)Fig.8 The intelligent maintenance and debugging system

系統(tǒng)包含健康評(píng)估、智能定級(jí)兩個(gè)模塊。健康評(píng)估模塊根據(jù)診斷結(jié)果，對(duì)變電站設(shè)備未來運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，評(píng)估其近期和遠(yuǎn)期整體健康度。智能定級(jí)模塊基于設(shè)備整體健康度評(píng)估結(jié)果和設(shè)備檢修調(diào)試成本函數(shù)，對(duì)檢修調(diào)試工作進(jìn)行智能量化定級(jí)。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

以南京地區(qū)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(shè)多種傳感器來獲取斷路器狀態(tài)信息。在斷路器本體和機(jī)構(gòu)箱加裝了SF6傳感器、溫濕度傳感器、振動(dòng)傳感器、行程機(jī)械傳感器、分合閘及馬達(dá)電流測(cè)量TA以及位置參考節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器狀態(tài)感知，如圖9。在該斷路器旁新建IED柜，裝設(shè)斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)斷路器故障診斷與故障部件定位。通過IED和斷路器檢修調(diào)試平臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)該斷路器的整體健康度評(píng)估和檢修調(diào)試工作優(yōu)化安排。

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

以斷路器單個(gè)故障部件狀態(tài)為例，繪制斷路器部件健康度變化曲線，基于健康度評(píng)估方法獲取高壓斷路器整體健康度時(shí)變曲線。如果斷路器在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)未進(jìn)行檢修，整體狀態(tài)隨時(shí)間呈非線性退化，直到進(jìn)入到I級(jí)狀態(tài)，申請(qǐng)停電檢修；如果斷路器在監(jiān)測(cè)期間未進(jìn)入到I級(jí)狀態(tài)的某個(gè)時(shí)段進(jìn)行檢修，其整體狀態(tài)能很快恢復(fù)到較好的情況，后期斷路器整體健康狀態(tài)更為平穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文提出了一種變電站設(shè)備整體健康度的量化評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備近期和遠(yuǎn)期的整體健康度的預(yù)判，研發(fā)了變電站智能檢修調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備檢修調(diào)試工作的量化定級(jí)及優(yōu)化決策。通過判斷健康度-檢修調(diào)試成本函數(shù)計(jì)算結(jié)果是否落在約束區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備近期健康度與遠(yuǎn)期健康度的合理評(píng)估，顯著減少變電站內(nèi)臨時(shí)停電次數(shù)與停電時(shí)長(zhǎng)，有效降低檢修調(diào)試成本，給電網(wǎng)企業(yè)制定經(jīng)濟(jì)合理的消缺計(jì)劃提供參考。