李 杜，雷 軍，萬 鵬

（1.國網(wǎng)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(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077；3.武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

隨著中國電力事業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)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(xiàn)出來。傳統(tǒng)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(tǒng)的定期計劃檢修的盲目性導(dǎo)致的維修資源極大浪費以及維修不足導(dǎo)致的安全性問題，狀態(tài)檢修開始逐步進(jìn)入電力企業(yè)的維修管理[1-2]。

狀態(tài)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(xué)性大大加強，檢修決策主要是針對單臺電力設(shè)備。文獻(xiàn)[3-4]提出了以可靠性為中心的電力設(shè)備維修方法（Reliability Centered Maintenance，RCM）；文獻(xiàn)[5-6]在RCM方法的基礎(chǔ)上，利用一種坐標(biāo)化的技術(shù)，同時考慮了“設(shè)備狀態(tài)”與“設(shè)備在電網(wǎng)中的重要性”這2方面因素，并將該方法應(yīng)用于高壓斷路器的檢修。以上方法，雖然在維修科學(xué)性上有了很大改進(jìn)，但對設(shè)備的風(fēng)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(fēng)險值計算的電力變壓器狀態(tài)檢修模型，對已有風(fēng)險評估模型中平均故障率做了調(diào)整，科學(xué)合理地量化了故障導(dǎo)致的風(fēng)險損失。該模型不僅使維修決策更加經(jīng)濟(jì)科學(xué)，而且大大增強了狀態(tài)檢修的可操作性。

2 風(fēng)險評估模型

2.1 基于風(fēng)險評估的電力變壓器檢修流程

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

圖1 電力變壓器狀態(tài)檢修決策流程

2.2 風(fēng)險評估計算公式

電力變壓器的風(fēng)險評估是在變壓器狀態(tài)評價的基礎(chǔ)上，評估變壓器出現(xiàn)故障的可能性以及變壓器面臨的和可能導(dǎo)致的風(fēng)險。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，風(fēng)險可以從設(shè)備損失、人身安全損失、環(huán)境損失、電網(wǎng)安全損失4個獨立的方面來進(jìn)行計算。因此，變壓器總風(fēng)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(fēng)險損失值；Wi為風(fēng)險損失對應(yīng)的權(quán)重。

3 平均故障概率P的計算

目前，針對設(shè)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(jié)合的設(shè)備故障率計算[9-11]，這些手段主要考慮設(shè)備運行時間和設(shè)備故障率之間的關(guān)系，而缺少對設(shè)備運行狀態(tài)的考慮。對于電力行業(yè)的狀態(tài)檢修，僅僅考慮設(shè)備的運行年限而利用浴盆曲線推算設(shè)備故障率是不科學(xué)的，為此提出根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)推算故障率的方法，利用設(shè)備狀態(tài)評價獲得設(shè)備狀態(tài)健康值，根據(jù)經(jīng)驗公式，按一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系確定設(shè)備的平均故障率P[12]。

設(shè)備平均故障率P的計算式為：

式（2）中：K為比例系數(shù)；HI為設(shè)備狀態(tài)健康值；C為曲率系數(shù)。

其中，K、C通過對設(shè)備的狀態(tài)評價結(jié)果和歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算得到。

變壓器狀態(tài)健康值HI反映的是變壓器的運行狀態(tài)的健康程度，可以由變壓器的狀態(tài)評價結(jié)果推算出來，文獻(xiàn)[12]提出了一種HI與狀態(tài)等級的對應(yīng)關(guān)系，即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)對應(yīng)的變壓器狀態(tài)健康值的取值區(qū)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(tài)等級變壓器的狀態(tài)健康值，卻沒有區(qū)分同一狀態(tài)等級的變壓器的健康程度。為了很好區(qū)別同一狀態(tài)等級的變壓器的健康程度，在這里根據(jù)變壓器狀態(tài)量、部件的狀態(tài)等級，引入以下計算公式：

式（3）中：n4為單一項扣分到嚴(yán)重狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n3為單一項扣分到異常狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和。

當(dāng)5（n4－1）+n3≥30，健康值=0。

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

當(dāng)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(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n2為部件合計扣分到注意狀態(tài)的部件數(shù)量總和。

當(dāng)（n1+n2－1）≥6，健康值=60。

4 風(fēng)險損失的計算

電力變壓器發(fā)生故障導(dǎo)致的風(fēng)險可以從變壓器資產(chǎn)、人身安全、環(huán)境安全、電網(wǎng)安全損失4個方面來表示。目前，變壓器發(fā)生故障導(dǎo)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(huán)境污染比較輕微，相對于電網(wǎng)安全損失和變壓器資產(chǎn)損失可以忽略不計。因此，本文主要考慮從變壓器資產(chǎn)損失和電網(wǎng)損失的角度去量化風(fēng)險損失。

4.1 變壓器資產(chǎn)的損失量化

變壓器的資產(chǎn)損失可以用變壓器損壞的程度來表示，不同的狀態(tài)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(chǎn)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(shù)據(jù)來源于《南方電網(wǎng)公司2011年電網(wǎng)工程主要設(shè)備及材料指導(dǎo)價格》）。

表1 變壓器的購置價格

以35 kV變壓器的資產(chǎn)損失值為標(biāo)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(chǎn)損失值。資產(chǎn)損失值的相對大小如表2所示。

表2 資產(chǎn)損失值的相對大小

4.2 電網(wǎng)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(kuò)散傳遞，不同電壓等級之間主變臺數(shù)的平均容量比，間接反映了不同電壓等級發(fā)生事故事件時電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)損失量如表4所示。

表4 35 kV及以上電壓等級主變電網(wǎng)損失

在電網(wǎng)損失的計算方面還應(yīng)考慮到變壓器在電網(wǎng)中的重要度，它將變壓器所處的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用戶等級等等因素都包含在內(nèi)。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(biāo)幺值1，重要變電站的重要度系數(shù)為1.2，樞紐變電站的重要度系數(shù)為1.5。

4.3 資產(chǎn)損失權(quán)重的計算

資產(chǎn)損失的權(quán)重值可以根據(jù)電網(wǎng)事故中，設(shè)備自身價值的損失跟電網(wǎng)損失的比值來確定。

依據(jù)南方電網(wǎng)《電力事故（事件）調(diào)查規(guī)程》中電網(wǎng)事故等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 電力安全事故事件減供負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備損失直接取各級別事故的直接經(jīng)濟(jì)損失值，電網(wǎng)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(jìn)行比較。事故等級與設(shè)備損失及電網(wǎng)損失對應(yīng)表情況如表6所示。

表6 事故等級與設(shè)備損失及電網(wǎng)損失

計算事故造成的設(shè)備損失總和跟電網(wǎng)損失總和，它們的比值為2.64，即變壓器資產(chǎn)損失和電網(wǎng)損失的權(quán)重為7∶3。

5 基于量化風(fēng)險評估的檢修決策

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

表7 變壓器風(fēng)險值與維修決策

6 實例分析

6.1 基本情況

本文在某地區(qū)中某些變壓器原始數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行巡視數(shù)據(jù)及電氣試驗數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，選取5臺變壓器按照文獻(xiàn)[12]的狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行狀態(tài)評價，變壓器基本情況和狀態(tài)評價結(jié)果如表8所示。

表8 變壓器基本情及和狀態(tài)評價

由于變壓器有5個部件，八十幾個狀態(tài)量，數(shù)量較多，本文就不一一羅列每個狀態(tài)量的數(shù)據(jù)，只給出狀態(tài)評價結(jié)果：變壓器A有3個狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個部件的合計扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器B有4個狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個部件的合計扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器C有3個狀態(tài)量處于異常狀態(tài)，3個狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個部件的合計扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器D有4個狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，2個部件的合計扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器E有4個狀態(tài)量處于異常狀態(tài)，4個狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個部件的合計扣分達(dá)到注意狀態(tài)。

6.2 風(fēng)險值的計算

根據(jù)該地區(qū)近兩年的狀態(tài)評價結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到K、C的值分別為0.115 4、0.059 1。由狀態(tài)評價的結(jié)果可計算出變壓器的狀態(tài)健康值HI。5臺變壓器的狀態(tài)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(chǎn)損失的量化值代入公式（1）進(jìn)行求解，得到變壓器的風(fēng)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(jù)風(fēng)險值的大小，得出變壓器的風(fēng)險等級，變壓器D的風(fēng)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(fēng)險等級的檢修決策

根據(jù)風(fēng)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(fēng)險級別為Ⅱ級，風(fēng)險描述為不期望發(fā)生，需要立即采取糾正措施，應(yīng)當(dāng)立即檢修變壓器C，可能需要大修，加強對它的運行維護(hù)。變壓器A的風(fēng)險級別是Ⅲ級，風(fēng)險描述為可接受，需要采取措施進(jìn)行糾正，在檢修資源充足的情況下，對變壓器A進(jìn)行小修。變壓器B、E就暫時不需要進(jìn)行檢修，只需加強對它們的巡視就行。變壓器D的風(fēng)險級別為Ⅴ級，可接受，不需要特別關(guān)注。

7 結(jié)論

本文提出了基于量化風(fēng)險評估方法的變壓器檢修決策的方法理論和流程，將風(fēng)險用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表示，通過對風(fēng)險的分析進(jìn)行具體的量化，然后根據(jù)風(fēng)險等級的大小，進(jìn)行變壓器的狀態(tài)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(hù)，通過不同的風(fēng)險等級，合理明了地規(guī)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(jīng)濟(jì)效益。