配電自動(dòng)化二次設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估與檢修決策研究

夏 寅， 張曉青

( 1. 江蘇北辰冠源電力設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 210014；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

電力企業(yè)的迅速發(fā)展和配電自動(dòng)化應(yīng)用的普及，對配電自動(dòng)化運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性以及運(yùn)維管理的水平提出了更高的要求。配電自動(dòng)化設(shè)備的檢修方式已逐漸從傳統(tǒng)的計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變，對配電自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)評價(jià)是作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)與前提，運(yùn)維人員通過風(fēng)險(xiǎn)評估能夠?qū)ε潆娮詣?dòng)化設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)以及安全隱患進(jìn)行預(yù)防。由此可見，配電自動(dòng)化二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)中風(fēng)險(xiǎn)評估能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)配電自動(dòng)化日常維護(hù)、正常運(yùn)行、技術(shù)以及檢修提供科學(xué)合理的決策依據(jù)[1-3]。

配網(wǎng)二次設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評估與狀態(tài)檢修已在許多地區(qū)電網(wǎng)展開了相關(guān)研究，目前大多是從繼電保護(hù)方面開展二次設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評估或狀態(tài)檢修研究，缺少對配電自動(dòng)化二次設(shè)備的研究，并且將風(fēng)險(xiǎn)評估與狀態(tài)檢修二者關(guān)聯(lián)起來的研究和應(yīng)用較少。

本文以配電自動(dòng)化終端設(shè)備為切入點(diǎn)，考慮其運(yùn)行特點(diǎn)及對其狀態(tài)的影響因素，從設(shè)備狀態(tài)評價(jià)出發(fā)，采用量化風(fēng)險(xiǎn)值的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估[4]，提出了以風(fēng)險(xiǎn)損失和檢修成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建檢修決策優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了配電自動(dòng)化二次設(shè)備的精益化運(yùn)維管理。

1 配電自動(dòng)化二次設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評估方法

1.1 配電自動(dòng)化二次設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估流程

配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評估主要包含設(shè)備自身風(fēng)險(xiǎn)與故障風(fēng)險(xiǎn)，主要對設(shè)備的資產(chǎn)值、資產(chǎn)損失度以及設(shè)備發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率等方面進(jìn)行評估。針對配電自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行中潛在的風(fēng)險(xiǎn)，將配電自動(dòng)化二次設(shè)備作為風(fēng)險(xiǎn)研究點(diǎn)，可知二次設(shè)備在其使用期限內(nèi)，運(yùn)行使用的時(shí)間與設(shè)備發(fā)生故障之間的頻率具有一定規(guī)律[5]。設(shè)備綜合風(fēng)險(xiǎn)評估是基于設(shè)備的狀態(tài)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行的，風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算以風(fēng)險(xiǎn)值為指標(biāo)，是設(shè)備故障可能損失的總資產(chǎn)與設(shè)備發(fā)生故障概率二者的乘積[6]，風(fēng)險(xiǎn)評估流程如圖1 所示。

圖1 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估流程Fig.1 Equipment risk assessment process

1.2 配電自動(dòng)化設(shè)備平均故障概率

(1)

式中：S為根據(jù)設(shè)備狀態(tài)評價(jià)結(jié)果取其對應(yīng)的簡化計(jì)算量化值；K為比例系數(shù)；C為曲率系數(shù)。K和C均為與設(shè)備種類、運(yùn)行環(huán)境等諸多因素有關(guān)的常量，可采用下式進(jìn)行反演計(jì)算：

(2)

式中：N為根據(jù)狀態(tài)評價(jià)方法確定的狀態(tài)等級；Mi為評價(jià)周期內(nèi)各等級所對應(yīng)的設(shè)備臺(tái)數(shù)；Q為評價(jià)周期內(nèi)的故障臺(tái)數(shù)。

依據(jù)設(shè)備狀態(tài)評價(jià)分值將狀態(tài)等級i分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)4個(gè)等級，并對二次設(shè)備分別按照4個(gè)狀態(tài)等級開展分類統(tǒng)計(jì)[8]。在獲得2個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)和故障概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，反演計(jì)算K和C值。根據(jù)某供電公司的配電網(wǎng)2015和2016年2年的配電自動(dòng)化終端設(shè)備的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)，由上述計(jì)算方法得出K和C的值分別為8640和0.159 6。選取各狀態(tài)等級分值區(qū)間的中間值作為簡化計(jì)算量化值，通過反演計(jì)算得到的故障概率作為設(shè)備平均故障率，如表1所示。

表1 設(shè)備狀態(tài)評價(jià)分值和平均故障概率Tab.1 Equipment status evaluation score and average probability of failure

2 配電自動(dòng)化設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估模型

配電自動(dòng)化二次設(shè)備主要包括繼電保護(hù)裝置、二次回路、自動(dòng)裝置、就地監(jiān)控、故障錄波和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等，導(dǎo)致設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)隱患的因素主要有：配電自動(dòng)化終端關(guān)鍵硬件故障，包含電源插件、CPU插件、遙測插件、遙信插件、遙控插件等故障；二次回路斷線故障，包含遙測、遙信、遙控回路故障；終端就地保護(hù)裝置故障等。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估的定義，風(fēng)險(xiǎn)值由設(shè)備平均故障概率和可能造成的損失來確定[9]，設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)損失以量化的風(fēng)險(xiǎn)值為指標(biāo)，不僅要考慮設(shè)備發(fā)生故障的可能性，也就是設(shè)備發(fā)生故障的概率，還要考慮設(shè)備故障導(dǎo)致的可能損失的資產(chǎn)，進(jìn)而研究配電自動(dòng)化二次設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的量化評估模型和風(fēng)險(xiǎn)評估方法[10]。

可能損失的資產(chǎn)是指綜合考慮資產(chǎn)與損失程度得到的潛在損失總量，例如配電終端故障時(shí)，不能正常發(fā)送遙測量等量測值，導(dǎo)致未能及時(shí)監(jiān)測到某線路重載甚至過載的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成配電網(wǎng)運(yùn)行的故障風(fēng)險(xiǎn)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，因此對二次設(shè)備從以下3方面來評估可能損失[11-12]：

(1) 配電網(wǎng)可能損失L1。該損失為二次設(shè)備故障對配電網(wǎng)運(yùn)行的影響程度，可由對應(yīng)故障產(chǎn)生的過負(fù)荷或失負(fù)荷的重要程度等因素來決定。

(2) 設(shè)備可能損失L2。該損失為二次設(shè)備自身的價(jià)值損失及故障可能造成的關(guān)聯(lián)自動(dòng)化設(shè)備的價(jià)值損失。

(3) 用戶可能損失L3。該損失為影響用戶的重要級別及各級別的數(shù)量。

則某二次設(shè)備可能損失值為：

(3)

通過上述方法得到故障損失后，根據(jù)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)損失的定義，可得出設(shè)備在時(shí)刻t的風(fēng)險(xiǎn)損失量數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

由于影響設(shè)備狀態(tài)評價(jià)的因素眾多，在確定狀態(tài)級別時(shí)需要考慮不用影響因素的權(quán)重，各因素的權(quán)重對設(shè)備狀態(tài)評價(jià)結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。本模型中采用層次分析法給出設(shè)備狀態(tài)影響因素的權(quán)重，層次分析法是根據(jù)專家和運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)分析不同類型的設(shè)備狀態(tài)評分影響因素[13]，并對各因素進(jìn)行兩兩比較，得出設(shè)備重要程度的比較判斷值，如表2所示。

表2 設(shè)備重要程度比較判斷值Tab.2 Comparison of the importance of equipment to determine the value

考慮到實(shí)際設(shè)備狀態(tài)的不同情況，對設(shè)備資產(chǎn)具體取值時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備類型的重要程度，加入風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算，得到表達(dá)式如式(5)：

(5)

式中：αi為不同設(shè)備重要程度的比值。

由式(4)可知，R=1時(shí)處于臨界狀態(tài)，R=0.5為安全運(yùn)行區(qū)間中值，由此制定配電自動(dòng)化二次設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級分類。根據(jù)配電設(shè)備的實(shí)際影響范圍，可以分為3個(gè)等級，其中Ⅲ級屬于正常狀態(tài)。設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)級別劃分如表3所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級分類和量化風(fēng)險(xiǎn)值的對應(yīng)關(guān)系Tab.3 Classification of risk level and quantitative risk value

Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)表明設(shè)備運(yùn)行處于危險(xiǎn)狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)等級最高；Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)表明設(shè)備運(yùn)行處于警戒狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)等級較高；Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)表明設(shè)備運(yùn)行于安全范圍，風(fēng)險(xiǎn)等級較低。

3 配電自動(dòng)化系統(tǒng)狀態(tài)檢修決策模型

檢修的經(jīng)濟(jì)性與設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)損失是相互矛盾的兩個(gè)方面。降低風(fēng)險(xiǎn)損失需要增加檢修成本的投入，若檢修不足則會(huì)造成設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)損失的升高。以檢修成本和故障風(fēng)險(xiǎn)損失成本之和最小為目標(biāo)，研究計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)損失的配網(wǎng)配電自動(dòng)化設(shè)備檢修方式選擇模型[14-15]。檢修計(jì)劃決策流程如圖2所示。

圖2 檢修計(jì)劃決策流程Fig.2 Maintenance plan decision flow chart

其中，檢修方式的成本包括：直接檢修成本和間接檢修成本。直接成本指檢修活動(dòng)本身產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，主要包括人工成本、材料成本和機(jī)械成本，同類設(shè)備的直接檢修成本基本相同[16-20]。直接檢修成本的計(jì)算公式為：

(6)

式中：Ca,i為第i類檢修的直接檢修成本。

間接成本指由于檢修活動(dòng)導(dǎo)致的供電量減少所造成的電費(fèi)收入損失[18]。其計(jì)算公式為：

(7)

式中：Cb,i為第i類檢修的單位時(shí)間停電損失；ti為第i類檢修的檢修時(shí)間。

因此，檢修成本可以表示為：

C=C1+C2

(8)

為兼顧檢修的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，使兩者之間協(xié)調(diào)達(dá)到最大滿意程度，建立的檢修決策的目標(biāo)函數(shù)為檢修成本與設(shè)備可能損失之和的最小值，即：

E=min(C+L)

(9)

按照風(fēng)險(xiǎn)值從大到小的序列得出一組檢修計(jì)劃排序，同時(shí)結(jié)合成本費(fèi)用進(jìn)行檢修決策的優(yōu)化。根據(jù)電氣二次設(shè)備的相關(guān)檢修規(guī)程和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理歸納，將設(shè)備檢修分為 A、B、C 3個(gè)等級，每個(gè)等級對應(yīng)相應(yīng)的檢修策略，如表4所示。

表4 檢修類別及對應(yīng)的檢修內(nèi)容Tab.4 Maintenance category and the corresponding maintenance content

4 算例分析

以典型饋線自動(dòng)化(feeder automation，F(xiàn)A) 故障處理手拉手環(huán)網(wǎng)配電自動(dòng)化測試系統(tǒng)為例，如圖3 所示，對檢修模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖3中，A1—A12 表示柱上開關(guān)，其中 A6、A9 為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其余均為分段開關(guān)；B1—B15 表示負(fù)荷開關(guān)。假設(shè)分段開關(guān) A5 處的饋線終端裝置(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)遙信回路在下一次計(jì)劃檢修之前發(fā)生故障，未能上送過流信號，可能導(dǎo)致負(fù)荷 5～6 因線路某處發(fā)生故障后，未得到故障隔離和故障恢復(fù)操作而造成的失電損失；若聯(lián)絡(luò)開關(guān) A6 處的 FTU 遙信回路在下一次計(jì)劃檢修之前發(fā)生故障，則不能上送過流等故障信號，故障點(diǎn)下游區(qū)域均無法得到供電恢復(fù)，將導(dǎo)致負(fù)荷5～6及7～9 失電損失，可見聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的終端發(fā)生故障時(shí)造成的損失更大。

圖3 配電自動(dòng)化故障處理測試Fig.3 Test figure of distribution automation fault process

測試圖中對應(yīng)的負(fù)荷情況，如表5所示。

表5 算例負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.5 Load data of example

經(jīng)查詢天津城南供電公司配電自動(dòng)化二次設(shè)備檢修歷史記錄，得到檢修工程各項(xiàng)費(fèi)用，進(jìn)行檢修成本計(jì)算。以配電終端FTU為例，分別對柱上開關(guān)處的FTU故障損失成本和檢修成本進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)故障導(dǎo)致負(fù)荷失電時(shí)間為1 h，由上述計(jì)算方法得出設(shè)備的故障損失、故障概率以及風(fēng)險(xiǎn)值，如表6所示。

表6 設(shè)備的故障損失計(jì)算結(jié)果Tab.6 Equipment failure loss calculation results

FTU設(shè)備的檢修成本統(tǒng)計(jì)如表7所示，饋線終端FTU直接檢修成本通常為0.5 萬元/次，由于檢修過程中存在一定的隨機(jī)事件，在此設(shè)定一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)量l，l取0.1 萬元，直接檢修成本可表示為0.5+l。,本案例假設(shè)A2、A6、A9處FTU直接檢修成本加入隨機(jī)擾動(dòng)量。

表7 檢修成本計(jì)算結(jié)果Tab.7 Maintenance cost calculation results

根據(jù)表6的風(fēng)險(xiǎn)值由大到小進(jìn)行排序，并且由總可能損失和表7的總檢修成本求和計(jì)算得出 A1—A12 處的 FTU 設(shè)備的總損失，如表8所示。

表8 設(shè)備檢修計(jì)劃排序Tab.8 Equipment maintenance plan

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，A1—A12處FTU設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值均在0.1～0.5之間，風(fēng)險(xiǎn)等級較低，屬于安全運(yùn)行范圍，可參考C類檢修方式對FTU設(shè)備按檢修計(jì)劃序列依次進(jìn)行檢修。如某些FTU設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)值較高，則根據(jù)損失成本選擇B類或A類檢修方式。當(dāng)不同設(shè)備的計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值大小相等或接近時(shí)，則以總損失作為參考進(jìn)行排序，總損失大的有限檢修。此外，從表8中可以看出聯(lián)絡(luò)開關(guān)A6和A9處的FTU發(fā)生故障時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)和總損失相對其他設(shè)備較高，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注聯(lián)絡(luò)開關(guān)的狀態(tài)及檢修方案。

5 結(jié)語

本文研究了配電自動(dòng)化二次設(shè)備運(yùn)行的綜合風(fēng)險(xiǎn)評估方法，建立了配電自動(dòng)化二次設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估流程，運(yùn)用對狀態(tài)評價(jià)和故障概率統(tǒng)計(jì)方法得出量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，結(jié)合配電自動(dòng)化二次設(shè)備的檢修成本模型和故障風(fēng)險(xiǎn)成本模型，以綜合成本最小為目標(biāo)對檢修計(jì)劃進(jìn)行決策優(yōu)化，盡可能地降低配電自動(dòng)化二次設(shè)備的檢修成本和因不合理檢修可能導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目，獲取經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合最優(yōu)的狀態(tài)檢修方案，保證配電自動(dòng)化二次設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

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