基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修模型研究

何小飛，童曉陽，王 銳，李江陵(.國網(wǎng)樂山供電公司，四川 樂山 64000；.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 6003)

基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修模型研究

何小飛1，童曉陽2，王 銳1，李江陵1
(1.國網(wǎng)樂山供電公司，四川 樂山 614000；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

簡要介紹了二次設(shè)備狀態(tài)檢修基本理論，并提出了基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修策略。它是通過將影響二次設(shè)備運(yùn)行工況的各類分解為檢測型模糊狀態(tài)量、失效風(fēng)險(xiǎn)模糊狀態(tài)量、可靠性模糊狀態(tài)量和改進(jìn)型模糊狀態(tài)量4類，并分別對以上4類模糊狀態(tài)量進(jìn)行定義并建模，最后通過模型合成得到狀態(tài)檢修總體評價(jià)模型，最后根據(jù)評價(jià)結(jié)果后制定出檢修策略。通過實(shí)例證明了該方法是可行的，并與傳統(tǒng)計(jì)劃檢修相比，在設(shè)備可靠性和檢修經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢。

二次設(shè)備;狀態(tài)檢修; 模糊狀態(tài)量；評估模型

0 引 言

隨著電網(wǎng)發(fā)展，設(shè)備數(shù)量不斷增多，傳統(tǒng)的計(jì)劃檢修模式也逐漸無法滿足設(shè)備安全性需求。而隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)發(fā)展使?fàn)顟B(tài)檢修成為可能。狀態(tài)檢修通過狀態(tài)監(jiān)測手段, 診斷設(shè)備健康狀況，從而確定設(shè)備最佳檢修時(shí)機(jī)。相比計(jì)劃檢修，可以減少停運(yùn)時(shí)間, 降低檢修費(fèi)用,提高經(jīng)濟(jì)效益。而對于二次設(shè)備而言，由于目前還缺少有效足夠的在線監(jiān)測手段，因此二次設(shè)備狀態(tài)檢修較一次設(shè)備發(fā)展緩慢一些。

1 二次設(shè)備狀態(tài)檢修基本原理

1.1 二次設(shè)備狀態(tài)檢修的定義

二次設(shè)備狀態(tài)檢修可定義為:在根據(jù)各類手段監(jiān)測的基礎(chǔ)上, 以間隔為單元，根據(jù)分析診斷的結(jié)果科學(xué)安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目的檢修方式。二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，二次狀態(tài)檢修策略有3個(gè)組成部分：實(shí)際狀態(tài)信息的采集、設(shè)備狀態(tài)診斷方法和狀態(tài)檢修策略應(yīng)用。

1.2 二次設(shè)備狀態(tài)評價(jià)策略基本思路

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無疑是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。站內(nèi)二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測可通過日常巡視、紅外測溫、裝置自檢、缺陷消除、家族性缺陷分析等。與一次設(shè)備不同的是二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測不過分依靠傳感器。因此，電氣二次設(shè)備的離線檢測數(shù)據(jù)也是狀態(tài)監(jiān)測與診斷的重要依據(jù)。

2 二次設(shè)備狀態(tài)評價(jià)模型建立

2.1 基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修評價(jià)模型基本理論

根據(jù)二次設(shè)備中各類可能影響到設(shè)備運(yùn)行工況和使用壽命的因素分析，可將評價(jià)模型分解為4類模糊狀態(tài)量：檢測型狀態(tài)量、失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量、可靠性狀態(tài)量和改進(jìn)型狀態(tài)量。其中檢測型狀態(tài)量指直接觀測、裝置自檢或儀器檢測到的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行工況的狀態(tài)量，包括設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等?？煽啃誀顟B(tài)量指制造廠家某類設(shè)備可靠性的狀態(tài)量。失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量指設(shè)備長時(shí)間未檢修后故障發(fā)生概率的狀態(tài)量。改進(jìn)型狀態(tài)量指設(shè)備性能下降但在改進(jìn)和完善后能恢復(fù)到正常水平的狀態(tài)量。

表1 樂山供電公司近5年來二次設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析

2.2 檢測型模糊狀態(tài)量評價(jià)模型原理

二次設(shè)備故障主要包括保護(hù)裝置故障、輔助裝置故障、自動裝置(總控后臺)故障、交直流系統(tǒng)故障。對所在公司近5年二次設(shè)備在運(yùn)維和檢修中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別包含220 kV、110 kV、35 kV變電站14座、31座、29座。所有變電站的近5年來缺陷統(tǒng)計(jì)分析情況見表1。通過對表1分析，可得出以下結(jié)論：①相比保護(hù)裝置本身，輔助裝置(包括故障錄波、行波測距、交直流系統(tǒng)等)、其他二次回路及元件上缺陷較多；②二次設(shè)備中電源及CPU插件部分的缺陷較多；③二次設(shè)備的缺陷次數(shù)，主要取決于出廠設(shè)備質(zhì)量及安裝質(zhì)量。

根據(jù)以上分析，可以將狀態(tài)量劃分為裝置本體(保護(hù)、自動化裝置)和二次回路兩部分，具體明細(xì)見表2。

表2 檢測型模糊狀態(tài)量及分值

2.2.1 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)量評價(jià)

(1)運(yùn)行環(huán)境溫度評分K1按圖1規(guī)定執(zhí)行(以斜率計(jì)算得分)。

圖1 運(yùn)行環(huán)境溫度評價(jià)模型

根據(jù)溫度采集數(shù)據(jù)，運(yùn)行環(huán)境溫度評分計(jì)算公式為

K1=∑ni=1Kin

(1)

式中，i為采集的次數(shù)；Ki為采集時(shí)對應(yīng)的評價(jià)分?jǐn)?shù)；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)，當(dāng)評價(jià)得分為0的次數(shù)占總采集次數(shù)10%以上時(shí)，該項(xiàng)目不得分。

(2)運(yùn)行環(huán)境濕度評分。根據(jù)濕度采集數(shù)據(jù)，運(yùn)行環(huán)境濕度評分計(jì)算公式同式(1)，其中i為采集的次數(shù)；Ki為采集時(shí)對應(yīng)的評價(jià)分?jǐn)?shù)；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)，當(dāng)評價(jià)得分為0的次數(shù)占總采集次數(shù)30%以上時(shí)，該項(xiàng)目不得分。

2.2.2 紅外測溫狀態(tài)量評價(jià)

根據(jù)要求同一個(gè)二次回路不同相別之間的相對溫差應(yīng)該在5 ℃以內(nèi)。而二次回路紅外測溫評價(jià)采用溫度最高點(diǎn)所處同一回路不同相別之間的相對溫差，溫差在5 ℃內(nèi)為滿分，溫差在5至10分內(nèi)按比例K下降，溫差超過10 ℃則0分計(jì)。

圖2 紅外測溫評價(jià)模型

評價(jià)周期內(nèi)裝置本體和二次回路紅外測溫計(jì)算式同式 (1)，其中i為采集的次數(shù)；Ki為單次巡視時(shí)二次回路紅外測溫評分；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)。單次測溫異常直接取0分。

2.2.3 裝置絕緣狀況狀態(tài)量評價(jià)

根據(jù)要求回路絕緣應(yīng)大于10 MΩ，根據(jù)實(shí)測的絕緣電阻數(shù)據(jù)以及絕緣數(shù)據(jù)變化率計(jì)算，K1評分標(biāo)準(zhǔn)按圖3規(guī)定執(zhí)行。

圖3 交、直流回路絕緣評價(jià)模型

評價(jià)周期內(nèi)裝置絕緣狀況計(jì)算式同式(1)，其中，i為采集的次數(shù)；Ki為單次采集時(shí)對應(yīng)的評價(jià)分?jǐn)?shù)；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)。

2.2.4 通道運(yùn)行情況狀態(tài)量評價(jià)

光纖通道運(yùn)行狀況評分標(biāo)準(zhǔn)以通道丟包率、誤碼率不超過標(biāo)準(zhǔn)值為限。丟包率、誤碼率標(biāo)準(zhǔn)值取裝置設(shè)計(jì)告警門檻值。評價(jià)周期內(nèi)光纖通道運(yùn)行情況計(jì)算式同式(1)，其中i為采集的次數(shù)；Ki為單次巡視時(shí)裝置通道運(yùn)行情況評分；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)；如果K1無法計(jì)算，則取8分；評價(jià)周期內(nèi)高頻通道。其中K2為評價(jià)周期內(nèi)光纖通道故障告警次數(shù)或高頻通道3 dB告警次數(shù)。光纖通道只考慮自身原因?qū)е碌膩G包、誤碼，外部通信設(shè)備故障、裝置死機(jī)重啟等導(dǎo)致的丟包、誤碼不計(jì)入統(tǒng)計(jì)評價(jià)。

2.2.5 裝置數(shù)據(jù)采集狀態(tài)量評價(jià)

電流、電壓通道各組測量值的平均值CTi、PTi，與其參考值的偏差值來判斷裝置采樣的整體性能，采樣精度計(jì)算方法如式(2)。

采樣誤差值=

(2)

式中，CTi為保護(hù)各通道采樣值；CTi參考為參考測量值。測試時(shí)電流應(yīng)大于0.1In。若檢修巡視與例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)存在，裝置采樣誤差值取兩者較大值。模擬量采集評分?jǐn)?shù)K1按圖4規(guī)定執(zhí)行(以斜率計(jì)算得分)，當(dāng)負(fù)荷電流小于0.1In時(shí)，電流模擬量采集不評分。

圖4 裝置采樣數(shù)據(jù)評分模型

評價(jià)周期內(nèi)裝置模擬量采集得分同式(1)，其中i為采集的次數(shù)；Ki為單次巡視采樣評分；n為評價(jià)周期內(nèi)總的采集次數(shù)。開關(guān)量采集評分?jǐn)?shù)K2計(jì)算：評價(jià)周期內(nèi)發(fā)生開入異常得0分，不發(fā)生開入異常得1分，裝置數(shù)據(jù)采集評分為

K=K1×K2

(3)

2.2.6 回路銹蝕、封堵、積塵狀態(tài)量評價(jià)

對于二次回路中銹蝕、封堵、積塵狀態(tài)量評價(jià)基本原理一致，對于銹蝕情況，要求端子箱無滲水，端子排銹蝕程度<15%，若端子箱無滲水現(xiàn)象，得4分，有滲水現(xiàn)象，得2分，若端子箱無凝露現(xiàn)象，得4分，有凝露現(xiàn)象，扣2分。對于封堵情況，要求電纜孔洞封堵良好，防火墻和防火涂料齊全，對于積塵情況，如有灰塵，但尚不影響屏內(nèi)、箱體內(nèi)、端子排上標(biāo)識的辨認(rèn)，扣2分。如灰塵使保護(hù)標(biāo)識無法辨認(rèn)，灰塵形成串狀物或即將形成串狀物，扣4分。

2.3 可靠性模糊狀態(tài)量評價(jià)模型原理

可靠性模糊狀態(tài)量分值低表明設(shè)備整體可靠度差于同型號整體可靠度，在評價(jià)周期內(nèi)，某廠家同型號產(chǎn)品的故障率高，故障性質(zhì)嚴(yán)重，其產(chǎn)品的同型號整體可靠度則差。計(jì)算評價(jià)周期內(nèi)某廠家設(shè)備的加權(quán)平均缺陷評分為

μ=[同型號設(shè)備(一般缺陷次數(shù)×A1+嚴(yán)重缺陷次數(shù)×A2+危急缺陷次數(shù)×A3)/同型號設(shè)備臺數(shù)]×100

(4)

根據(jù)影響程度裝置缺陷類型一般、嚴(yán)重、危急缺陷賦予不同的權(quán)值統(tǒng)計(jì)。一般缺陷權(quán)值A(chǔ)1=1，嚴(yán)重缺陷權(quán)值A(chǔ)2=2，危急缺陷權(quán)值A(chǔ)3=5。

計(jì)算評價(jià)周期內(nèi)某廠家設(shè)備的正確動作評分Kt，Kt=同型號設(shè)備評價(jià)周期內(nèi)正確動作次數(shù)×100/同型號設(shè)備評價(jià)周期內(nèi)動作總次數(shù)。

K2=100×e-(100-Kt)B1

(5)

B1=10為加速系數(shù)。同型號可靠度評價(jià)得分為

K=K1×0.6+K2×0.4

(6)

2.4 失效風(fēng)險(xiǎn)模糊狀態(tài)量評價(jià)模型原理

在沒有得到有效驗(yàn)證的情況下，設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量(預(yù)計(jì)可靠度)會下降。當(dāng)失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量隨時(shí)間的增長(預(yù)計(jì)可靠度)下降到一定程度，表明需要對二次設(shè)備的部分或者整體進(jìn)行例行試驗(yàn)。失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量依據(jù)設(shè)備的最后一次檢驗(yàn)時(shí)間和故障率進(jìn)行評價(jià)。

t時(shí)刻裝置本體及其二次回路健康因子指數(shù)=t時(shí)刻的裝置本體可靠度×t時(shí)刻的二次回路可靠度。

t時(shí)刻的裝置本體可靠度=e-λ1(t-t1)

(7)

式中，λ1為保護(hù)裝置本體故障率；t1為最近一次裝置得到完整檢驗(yàn)的時(shí)間，取上一次檢驗(yàn)時(shí)間。

t時(shí)刻的二次回路可靠度=e-λ2(t-t2)

(8)

式中，λ2為二次回路故障率；t2為最近一次二次回路得到完整檢驗(yàn)的時(shí)間，取上一次檢驗(yàn)時(shí)間。

保護(hù)間隔在t時(shí)刻的裝置本體及其二次回路預(yù)計(jì)可靠度用以下方式計(jì)算。

Rs(t)=e-[λ1(t-t1)+λ2(t-t2)]

(9)

λn=1MTBFn

(10)

MTBF為平均無故障時(shí)間計(jì)算值(該數(shù)據(jù)由廠家提供原始參考，設(shè)備運(yùn)行中由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)予以校核，無法獲取初始值時(shí)取設(shè)計(jì)壽命取值)。

設(shè)5年后設(shè)備的隨機(jī)失效指數(shù)為65%且λ1=λ2，則有λ=λ1=λ2=4.3%(此參數(shù)可保證若開關(guān)3年內(nèi)未檢修，則進(jìn)入注意狀態(tài))。

預(yù)計(jì)可靠度得分=RS(t)×100

(11)

2.5 改進(jìn)型模糊狀態(tài)量評價(jià)模型原理

改進(jìn)型模糊狀態(tài)量反映間隔設(shè)備狀況，包括非家族性缺陷、家族性缺陷、反措。改進(jìn)型狀態(tài)量得分低表明需要版本升級、更換部件或進(jìn)行技術(shù)改造。裝置運(yùn)行年限通過評價(jià)周期內(nèi)間隔設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間與同類產(chǎn)品的平均運(yùn)行年限的比值，得到該設(shè)備與同類產(chǎn)品相比較的相對品質(zhì)優(yōu)劣。對于本間隔裝置的運(yùn)行年限，同類產(chǎn)品平均運(yùn)行年限無基準(zhǔn)數(shù)據(jù)參考時(shí)可取12年。

對于家族性缺陷，存在疑似家族性缺陷得0.6分，存在嚴(yán)重家族性缺陷得0.8分。無家族性缺陷或家族性缺陷消除得1分。對于反事故措施，無反措項(xiàng)目得1分。在評價(jià)周期內(nèi)應(yīng)完成的反措未完成得0.6分。

2.6 二次設(shè)備狀態(tài)評估模型合成

雙重化配置二次裝置本體和二次回路狀態(tài)評價(jià)結(jié)果以間隔總評分匯總輸出。當(dāng)間隔內(nèi)包含多套保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，可對每套裝置本體及二次回路分別評價(jià)，間隔總評價(jià)得分取各套保護(hù)的最低分。因此第二節(jié)的介紹，可將4個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行合成，得到一個(gè)設(shè)備狀態(tài)評估總模型，計(jì)算式見式(12)、式(13)。

間隔評價(jià)分值=Min{第1套裝置本體及二次回路評分值…第n套裝置本體及二次回路評分值}

(12)

第n套裝置本體及二次回路評分值=(檢測型狀態(tài)量×A1+可靠性狀態(tài)量×A2+失效風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量×A3)×改進(jìn)型狀態(tài)量

(13)

式中，A1、A2、A3為加權(quán)因子，分別取0.4、0.2、0.4。

3 檢修策略確定原則

根據(jù)式(12)計(jì)算取得值可將設(shè)備分為以下4個(gè)狀態(tài)。

(1)健康狀態(tài)：Z≥86，表示設(shè)備處于正常狀態(tài)。

(2)亞健康狀態(tài)：86>Z≥71，表示該狀態(tài)比健康狀態(tài)較差，但設(shè)備仍處于正常，建議此類設(shè)備納入重點(diǎn)巡視范圍。

(3)異常狀態(tài)：70>Z≥61，表示此類裝置一般都是在評價(jià)周期內(nèi)出現(xiàn)過問題，但并不嚴(yán)重。建議此類裝置納入第2年檢修計(jì)劃。

(4)嚴(yán)重異常狀態(tài)：Z<60。表示此類設(shè)備已十分危急，應(yīng)立即開展檢修。

4 實(shí)例分析

樂山公司從2012年起對公司10座110 kV變電站和3座220 kV變電站二次設(shè)備進(jìn)行基于模糊狀態(tài)量的狀態(tài)檢修應(yīng)用試點(diǎn)，通過近兩年的試點(diǎn)應(yīng)用，具體比較見表3。

從表3可知，對于試點(diǎn)變電站的主要二次設(shè)備，通過狀態(tài)檢修應(yīng)用后，2012年和2013年檢修次數(shù)與以往計(jì)劃檢修相比，分別減少了42次和43次，據(jù)初步估計(jì)，分別節(jié)約了檢修費(fèi)用共計(jì)56萬元和59萬元。而從近兩年來設(shè)備運(yùn)行情況看，以上試點(diǎn)的13座變電站在二次設(shè)備運(yùn)行情況良好，危急嚴(yán)重缺陷次數(shù)較往年有顯著減少，實(shí)例證明該方法達(dá)到預(yù)期效果。

表3 樂山公司2012—2013年二次設(shè)備狀態(tài)檢修試點(diǎn)應(yīng)用情況

5 評價(jià)模型應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

在進(jìn)行狀態(tài)評價(jià)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備評價(jià)結(jié)果主要反映元器件等硬件部分的狀態(tài)水平，軟件原理和反事故措施執(zhí)行情況、缺陷情況等也納入到評價(jià)范疇。同時(shí)應(yīng)注意通過更換備件、更換二次電纜等措施整改后消除缺陷的，其狀態(tài)評價(jià)中涉及的相關(guān)原扣分可取消，但有關(guān)情況可作為評價(jià)結(jié)論調(diào)整的依據(jù)之一。在評價(jià)周期方面建議設(shè)備狀態(tài)評價(jià)每年至少1次，宜在設(shè)備檢修后增加1次評價(jià)，檢修后評價(jià)用以檢驗(yàn)檢修的效果。

6 結(jié) 語

針對二次狀態(tài)檢修工作展開研究，在對二次設(shè)備缺陷進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，提出了基于模糊狀態(tài)量的狀態(tài)評價(jià)模型，通過實(shí)際應(yīng)用，證明了該方法同以往的計(jì)劃檢修模式相比，在很多方面有更多優(yōu)越性。今后樂山公司將逐步推廣該方法，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中不斷對評價(jià)模型進(jìn)行優(yōu)化完善，一方面將更多可能影響到設(shè)備運(yùn)行工況的因素(如電網(wǎng)運(yùn)行方式等)考慮進(jìn)去，另一方面探索將現(xiàn)有狀態(tài)量模型用函數(shù)化表示，使得評價(jià)模型更為科學(xué)合理，更能全面真實(shí)地反映設(shè)備的運(yùn)行工況，制定出更為科學(xué)經(jīng)濟(jì)的檢修策略，使得狀態(tài)檢修達(dá)到更好效果。

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The basic theory of condition-based maintenance for secondary equipment is introduced in brief. The factors influencing the operating condition of secondary equipment is divided into four classes, that is, detecting fuzzy state variable, fuzzy state variable with failure risk, fuzzy state variable with reliability and improved fuzzy state variable. These four fuzzy state variables are defined and modeled respectively. The overall evaluation model of condition-based maintenance is obtained through the composite model and the maintenance strategy is given according to the evaluation results. The feasibility of the proposed method is verified by the examples, which has the obvious advantage over equipment reliability and maintenance economy compared with the traditional scheduled maintenance.

secondary equipment; condition-based maintenance; fuzzy state variable; evaluation model

TM734

A

1003-6954(2015)02-0035-05

2014-11-20)

何小飛(1986)，碩士，工程師，主要從事二次設(shè)備檢修工作；

童曉陽(1970)，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄茏冸娬?、信息技術(shù)及故障診斷在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、變電站自動化；

王 銳(1975)，本科，高級工程師，主要從事變電檢修技術(shù)工作。