張 勝 周一新

（國(guó)網(wǎng)磐安縣供電公司）

0 引言

隨著二次設(shè)備推廣和變電站無人值守的趨勢(shì)快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的保護(hù)巡檢、檢查工作中出現(xiàn)的問題和困難也逐漸顯現(xiàn)，帶來了維修和保養(yǎng)的短缺、維修和保養(yǎng)的過度滯后、盲目維修等問題?，F(xiàn)有的傳輸維護(hù)模式應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際運(yùn)行的遠(yuǎn)程在線診斷，根據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的檢查和改造。本文以防護(hù)信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了二次設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)方案，評(píng)價(jià)結(jié)果為二次設(shè)備維修方案的制定提供依據(jù)。

1 理論分析

1.1 狀態(tài)維護(hù)概述

設(shè)備狀態(tài)維護(hù)是指對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的目標(biāo)是提高設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性，減少設(shè)備故障和停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

設(shè)備狀態(tài)維護(hù)包括以下幾個(gè)方面： （1）設(shè)備檢查：定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，包括外觀和內(nèi)部部件的檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)修復(fù)或更換；（2）設(shè)備清潔：定期清潔設(shè)備，清除灰塵和污垢，確保設(shè)備運(yùn)行順暢；（3）設(shè)備潤(rùn)滑：定期給設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑，保持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（4）設(shè)備校準(zhǔn)：定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，修正設(shè)備的偏差，確保設(shè)備的精度和準(zhǔn)確性；（5）部件更換：定期更換設(shè)備關(guān)鍵部件，以防止部件老化和失效；（6）故障修復(fù)：及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行修復(fù)，以減少停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)損失； （7）設(shè)備更新：根據(jù)需要，及時(shí)更新設(shè)備，引進(jìn)新的技術(shù)和設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

設(shè)備狀態(tài)維護(hù)需要有專門的維護(hù)人員進(jìn)行操作，維護(hù)人員應(yīng)具備相關(guān)的技術(shù)和知識(shí)，能夠熟練操作和維護(hù)設(shè)備。同時(shí)，維護(hù)人員要有良好的工作計(jì)劃和記錄，對(duì)設(shè)備的維護(hù)情況進(jìn)行及時(shí)記錄和跟蹤，以便進(jìn)行分析和改進(jìn)。設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的定期性和系統(tǒng)性非常重要，只有保持設(shè)備的良好狀態(tài)，才能確保設(shè)備正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量［1-3］。

1.2 二次設(shè)備狀態(tài)維護(hù)

電氣二次設(shè)備狀態(tài)維護(hù)分析是指對(duì)電氣二次設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)，以保障設(shè)備能夠正常運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。電氣二次設(shè)備是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，包括保護(hù)裝置、自動(dòng)化裝置、控制裝置等。這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)受到環(huán)境、負(fù)荷、工作時(shí)間等因素的影響，從而導(dǎo)致各種故障的產(chǎn)生，如設(shè)備老化、連接線路松動(dòng)、電器元件損壞等。如果不進(jìn)行定期的檢測(cè)和維護(hù)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，這些故障可能引發(fā)電力系統(tǒng)的故障甚至事故［4-5］。

電氣二次設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的目標(biāo)是保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，防止設(shè)備故障引發(fā)事故，提高電力系統(tǒng)的安全性和可用性。這需要采取以下措施： （1）定期檢測(cè)：對(duì)電氣二次設(shè)備進(jìn)行定期巡檢，包括檢查設(shè)備的外觀、主要參數(shù)、連接線路等，檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況； （2）維護(hù)保養(yǎng)：對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常的清潔、潤(rùn)滑、緊固等維護(hù)保養(yǎng)工作，及時(shí)更換或修復(fù)故障的電器元件和連接線路； （3）故障處理：對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)的處理，包括維修、更換損壞部件等，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和使用；（4）數(shù)據(jù)分析：通過對(duì)電氣二次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常和潛在故障，預(yù)測(cè)設(shè)備的壽命，并制定相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃。

電氣二次設(shè)備狀態(tài)維護(hù)分析是為了保障設(shè)備的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命而進(jìn)行的工作，通過定期檢測(cè)、維護(hù)保養(yǎng)、故障處理和數(shù)據(jù)分析等措施，提高電力系統(tǒng)的安全可靠性。

1.3 基于最小二乘擬合的DT模型

零部件的劣化性能受到內(nèi)部和外部因素的影響。對(duì)于繼電保護(hù)裝置而言，忽略人為和外部因素的影響，裝置惡化過程與時(shí)間之間的關(guān)系通常用浴缸曲線來描述。本文用威布爾描述法描述了器件的劣化過程。由于制造商已經(jīng)在前面的零部件廠進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，在實(shí)際分析中可以忽略零部件的早期失效。因此，根據(jù)設(shè)備不同年份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于最小二乘法，可以將設(shè)備的退化失效曲線表示為：

其中，n和m分別是韋伯分布函數(shù)的形狀參數(shù)和比例參數(shù)。如果m＝1，則意味著失效率為常數(shù)，且分量處于隨機(jī)失效周期內(nèi)。如果m＞1，則表示失效率在上升，損失失效期內(nèi)的分量也在上升。實(shí)際上，關(guān)鍵是如何合理地確定威布爾模型的參數(shù)n和m。由于Marquardt方法在故障率模型參數(shù)估計(jì)中具有較高的精度和較好的擬合效果，本文將其應(yīng)用于保護(hù)元件的故障率估計(jì)中。

組件的失效率不僅受到降解演化的影響，而且還與短期因素有關(guān)。失效率影響創(chuàng)傷性沖擊的發(fā)生，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)沖擊更敏感，退化程度更高。在此條件下，可以通過監(jiān)測(cè)信息和檢測(cè)信息來描述零部件的健康狀態(tài)。因此，本文提出了健康狀態(tài)評(píng)分X和預(yù)定閾值評(píng)分Xm。Xm的值可以通過操作經(jīng)驗(yàn)得到。根據(jù)健康狀態(tài)評(píng)分X，故障率的計(jì)算可分為兩種情況。如果X＞Xm，則意味著構(gòu)件的健康狀態(tài)評(píng)分主要受到老化和材料疲勞的影響。元件的等效工作壽命td可以用式（2）表示：

如果健康狀態(tài)評(píng)分X＜Xm，則意味著組件主要受到?jīng)_擊故障的影響。假設(shè)M1級(jí)為正常工況，M2級(jí)表示元件在劣化工況下工作。如果在M2級(jí)工作，元件的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。對(duì)于基于條件的維護(hù)，如果組件不是致命的損壞，它的變化過程是一個(gè)漸進(jìn)的過程。因此，可以通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得M2級(jí)構(gòu)件的實(shí)時(shí)狀態(tài)。由于伽瑪分布在惡化情況下的失效率模型參數(shù)估計(jì)具有較高的準(zhǔn)確性和良好的擬合效果，因此本文采用該模型來估計(jì)保護(hù)部件的失效率。我們假設(shè)激波過程是一個(gè)均勻的γ過程［X］t≥0，形狀參數(shù)α和尺度參數(shù)β。因此，對(duì)于所有0≤s≤t，降解增量Xt-Xs的密度函數(shù)是

其中，a為形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)。

2 對(duì)繼電保護(hù)水平的評(píng)估

除了評(píng)價(jià)繼電保護(hù)裝置的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)外，還需要了解繼電保護(hù)裝置的歷史數(shù)據(jù)分析及歷史運(yùn)行水平，一般來說，繼電保護(hù)比運(yùn)行時(shí)繼電保護(hù)更可靠。動(dòng)作退出最近有實(shí)際出口或修理繼電保護(hù)裝置的情況，可以認(rèn)為裝置跳閘電路、出口功能正常。如果長(zhǎng)時(shí)間不出口或者沒有維修測(cè)試，就無法保證回路正常。當(dāng)實(shí)際發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作上的關(guān)鍵信息是否完整正確，也可以作為健康評(píng)估的依據(jù)。包括對(duì)啟動(dòng)事件、動(dòng)作事件、故障參數(shù)的分析，記錄波形文件是否完整。設(shè)備缺陷根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)和安全自動(dòng)化設(shè)備缺陷管理的辦法，投入運(yùn)行（含調(diào)試）的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)化設(shè)備缺陷按嚴(yán)重程度分為危急缺陷、嚴(yán)重缺陷、一般缺陷三級(jí)。嚴(yán)重缺陷是指繼電保護(hù)和安全自動(dòng)化設(shè)備本身或相關(guān)設(shè)備及回路存在的缺陷。導(dǎo)致主保護(hù)功能喪失，直接威脅安全運(yùn)行。

繼電保護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能存在嚴(yán)重缺陷，可能導(dǎo)致以下問題： （1）設(shè)置錯(cuò)誤：繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致誤動(dòng)、漏動(dòng)等問題（誤動(dòng)是指在正常情況下錯(cuò)誤地動(dòng)作，導(dǎo)致不必要的斷電，而漏動(dòng)則是指在發(fā)生故障時(shí)繼電保護(hù)沒有及時(shí)動(dòng)作，無法及時(shí)切除故障）； （2）通訊故障：繼電保護(hù)系統(tǒng)通常需要與其他設(shè)備進(jìn)行通訊，如遠(yuǎn)動(dòng)終端、監(jiān)控中心等。如果通訊鏈路出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致與其他設(shè)備的信息交互不及時(shí)或失敗，從而影響繼電保護(hù)的正常運(yùn)行； （3）電源故障：繼電保護(hù)系統(tǒng)通常需要有可靠的電源供應(yīng)，如備用電池組或直流電源。如果電源故障或電池壽命結(jié)束，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)無法正常工作，無法及時(shí)切除故障； （4）設(shè)備老化：繼電保護(hù)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，可能出現(xiàn)老化或損壞，影響其正常工作。例如，繼電器接點(diǎn)的磨損、設(shè)備內(nèi)部元件的老化等，都可能導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)的故障；（5）缺乏定期維護(hù)：繼電保護(hù)系統(tǒng)需要定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行。如果缺乏定期維護(hù)，可能導(dǎo)致設(shè)備故障的積累，最終導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

3 仿真及分析

繼電保護(hù)裝置的健康狀況不僅受退化因素的影響，而且與短期因素有關(guān)。為了分析降解因素和短期因素的影響，本文考慮了降解現(xiàn)象的五種不同構(gòu)型。表1顯示了每個(gè)組件的相關(guān)參數(shù)，如維護(hù)時(shí)間（MT）、操作時(shí)間（OA）和維護(hù)間隔時(shí)間（MIT）。

表1 每個(gè)部件的額定參數(shù)

在表1中，t0是失效率曲線中隨機(jī)失效期和損失失效期的拐點(diǎn)。操作時(shí)間是組件自上次維護(hù)時(shí)間以來一直處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間。

如果元件在非正常工況下運(yùn)行，元件的失效率主要與短期因素有關(guān)。由于篇幅所限，表2列出了不同健康狀況評(píng)分條件下伽瑪分布的形狀參數(shù)α和刻度參數(shù)β。在表2中，80是區(qū)分正常和異常情況的閾值。

表2 不同情況分析

因此，情況1和情況2中的元件在正常情況下運(yùn)行，伽瑪分布不能用來表示實(shí)際故障率曲線。

為了確保繼電保護(hù)的合理維護(hù)策略，不僅要考慮各部件的運(yùn)行情況，而且要考慮電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失。本文以一個(gè)典型的單組線路保護(hù)為例進(jìn)行了分析。此外，拒絕操作的失效風(fēng)險(xiǎn)與一次系統(tǒng)的失效率有關(guān)。因此，本文采用了，P1是線路的故障率。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用式（1）可以得到相應(yīng)故障率曲線中各部件的等效運(yùn)行時(shí)間和瞬時(shí)故障率。然后，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，利用式（4）得到各保護(hù)元件故障率的分布函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，綜合風(fēng)險(xiǎn)與單個(gè)保護(hù)的維護(hù)時(shí)間Q之間的關(guān)系如圖所示。

圖單個(gè)保護(hù)維修時(shí)間的保護(hù)經(jīng)濟(jì)損失

可以看出，在正常情況下，情況1的最佳綜合風(fēng)險(xiǎn)和最佳維修間隔時(shí)間與情況2相同。然而，案例2中繼電保護(hù)系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)提高了4.5年。4.5年后，情況2中的保護(hù)元件在損耗故障階段運(yùn)行。間歇故障階段的元件故障率高于損耗故障階段，增加了繼電保護(hù)系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)。因此，繼電保護(hù)元件在正常工況下運(yùn)行時(shí)，其最佳綜合風(fēng)險(xiǎn)和最佳維修間隔時(shí)間不隨運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。

此外，綜合風(fēng)險(xiǎn)與異常狀態(tài)下保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系做了分析。由于健康狀態(tài)的不同，繼電保護(hù)的最佳綜合風(fēng)險(xiǎn)和最佳維修間隔時(shí)間也不盡相同。保護(hù)系統(tǒng)在正常情況下的最優(yōu)綜合風(fēng)險(xiǎn)大于在異常情況下的最優(yōu)綜合風(fēng)險(xiǎn)。這意味著保護(hù)系統(tǒng)的最優(yōu)綜合風(fēng)險(xiǎn)很大，最優(yōu)維護(hù)間隔時(shí)間比異常情況下的保護(hù)系統(tǒng)短。

4 結(jié)束語

本文在通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從對(duì)繼電保護(hù)裝置的在線監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和歷史情況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并達(dá)到了預(yù)期效果，為將來更進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)。