基于不停電檢測與停電試驗(yàn)的檢修策略優(yōu)化模型

楊超，張霖

(貴陽供電局，貴州 貴陽 550002)

1 引言

我國電網(wǎng)設(shè)備的檢修方式先后經(jīng)歷了故障后檢修、定期檢修和設(shè)備狀態(tài)檢修三個階段。狀態(tài)檢修的重點(diǎn)是真實(shí)的掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析制定檢修計(jì)劃，進(jìn)而實(shí)施相關(guān)的檢修、試驗(yàn)工作。將設(shè)備檢修工作管理的工作重心由檢修轉(zhuǎn)移到管理上來，做到“應(yīng)修必修，修必修好”[1]。

采用不停電檢測和停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)評估和診斷得到的設(shè)備故障診斷和狀態(tài)評估結(jié)果與設(shè)備實(shí)際狀況存在誤差，制定的檢修策略會與設(shè)備最合適的檢修策略存在差異。良好的狀態(tài)檢修策略應(yīng)能夠兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性。通過分析和量化不停電檢測和停電試驗(yàn)下檢修策略對設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性的影響，確定最佳的設(shè)備檢測方案和維修策略[2]。

2 主要思路

不停電檢測試驗(yàn)為主的檢修方案確定主要流程如圖1所示，關(guān)鍵步驟如下：

圖1 不停電測試試驗(yàn)為主的檢修方案制定總體思路

(1)構(gòu)建基于不停電檢測和停電試驗(yàn)檢測策略經(jīng)濟(jì)性量化評估模型，確定設(shè)備在停電試驗(yàn)下獲取的參量以及不停電檢測獲取的參量，計(jì)算設(shè)備的停電試驗(yàn)參量獲取成本以及不停電檢測參量獲取成本。

(2)構(gòu)建基于不停電檢測和停電試驗(yàn)檢測策略風(fēng)險(xiǎn)量化評估模型，計(jì)算計(jì)及不停電檢測和停電試驗(yàn)獲取狀態(tài)量的盲檢率的風(fēng)險(xiǎn)分析。

(3)根據(jù)在兩種檢測方式下獲取的參量值，計(jì)算設(shè)備狀態(tài)并結(jié)合檢修導(dǎo)則確定設(shè)備的實(shí)際檢修方式，得到相應(yīng)檢修方式下的檢修費(fèi)用及風(fēng)險(xiǎn)量化值。構(gòu)建計(jì)及檢測和檢修下的檢修策略優(yōu)化模型，并以總指標(biāo)最優(yōu)確定最佳檢修方式。

3 基于不停電檢測和停電試驗(yàn)的檢測策略經(jīng)濟(jì)性量化評估模型

3.1 經(jīng)濟(jì)性量化評估模型構(gòu)建

目前，針對各類設(shè)備的檢修策略制定大多集中于維修方式及時(shí)間的優(yōu)化，卻沒有考慮檢測狀態(tài)量時(shí)仍對電網(wǎng)存在影響。變壓器等各類設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，相關(guān)狀態(tài)量眾多。因此需要制定基于不停電檢測還是停電試驗(yàn)檢測的檢測方式獲取狀態(tài)量[3]。

設(shè)備狀態(tài)量獲取時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)的成本分析，進(jìn)而確保檢修策略的經(jīng)濟(jì)性，降低設(shè)備維護(hù)成本。設(shè)有m類停電試驗(yàn)狀態(tài)量和n類不停電檢測狀態(tài)量，則兩種檢測方式下的檢測策略經(jīng)濟(jì)性量化評估模型如下：

(1)

式中：LJ1為停電試驗(yàn)下的狀態(tài)量獲取成本，f11(i)為第i類狀態(tài)量的試驗(yàn)費(fèi)用，f12(i)為第i類狀態(tài)量試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備或器材費(fèi)用，f13(i)為第i類狀態(tài)量的試驗(yàn)人工費(fèi)用。

(2)

式中：LJ2為不停電檢測下的狀態(tài)量獲取成本，f21(i)第i類狀態(tài)量的基本費(fèi)用，f22(i)為第i類狀態(tài)量的在線或帶電檢測裝置費(fèi)用，f23(i)為檢測第i類狀態(tài)量的人工費(fèi)用。

3.2 停電試驗(yàn)下狀態(tài)量獲取費(fèi)用量化分析

停電試驗(yàn)下狀態(tài)量獲取所需費(fèi)用主要包含三個部分，即試驗(yàn)費(fèi)用、試驗(yàn)設(shè)備或器材費(fèi)用和試驗(yàn)人工費(fèi)用。

(1)試驗(yàn)費(fèi)用f11

通常試驗(yàn)費(fèi)用指在試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)所耗用的材料和化學(xué)藥品等費(fèi)用，同時(shí)還包括運(yùn)送試驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)輸費(fèi)用，保障試驗(yàn)數(shù)據(jù)不受損的保護(hù)費(fèi)等，可經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析獲得。

(2)試驗(yàn)設(shè)備或器材費(fèi)用f12

在停電試驗(yàn)中，需要購買一些特定的檢測裝置檢測狀態(tài)量，相應(yīng)費(fèi)用即為試驗(yàn)設(shè)備費(fèi)。

(3)

式中，f12(i)為第i類狀態(tài)量試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備或器材費(fèi)用，Csi為檢測第i類狀態(tài)量的設(shè)備費(fèi)用，ns為經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到的該類設(shè)備在使用壽命期間所能使用的總次數(shù)。

(3)試驗(yàn)人工費(fèi)用f13

在停電試驗(yàn)中，獲取相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)量需要人工進(jìn)行獲取。人工費(fèi)用即為員工獲取狀態(tài)量時(shí)所獲得的報(bào)酬，以工作時(shí)長進(jìn)行計(jì)算。

f13(i)=c1×ts

(4)

式中，f13(i)為第i類狀態(tài)量的試驗(yàn)人工費(fèi)用，c1為工作人員在一個工作日下的平均勞動單價(jià)，ts為停電試驗(yàn)下獲取設(shè)備狀態(tài)量所耗費(fèi)的工作時(shí)長。

3.3 不停電檢測下狀態(tài)量獲取費(fèi)用量化分析

不停電檢測下狀態(tài)量獲取所需費(fèi)用主要包含三個部分，即基本費(fèi)用、在線或帶電檢查裝置費(fèi)用和人工費(fèi)。

(1)基本費(fèi)用f21

不停電檢測的基本費(fèi)用指在線監(jiān)測設(shè)備的基本維護(hù)費(fèi)用。

(2)試驗(yàn)設(shè)備或器材費(fèi)用f22

為了實(shí)時(shí)關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，需要購買相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測裝置對設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，從而診斷出那些隱藏的缺陷。故購買狀態(tài)監(jiān)測裝置的費(fèi)用為狀態(tài)監(jiān)測裝置購置費(fèi)，其計(jì)算式如下所示。

(5)

式中，f22(i)為第i類狀態(tài)量的在線或帶電檢測裝置費(fèi)用；Cbi為檢測第i類狀態(tài)量的在線監(jiān)測設(shè)備或帶電設(shè)備費(fèi)用；nb為經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到的該類設(shè)備在使用壽命期間所能使用的總次數(shù)。

對于在線檢測而言，nb可由在線檢測裝置的全壽命Tbi與采集頻率fbi確定。

(6)

對于帶電檢測而言，nb可由帶電檢查裝置的總費(fèi)用Cdi與統(tǒng)計(jì)分析得到的該類設(shè)備在使用壽命期間所能使用的總次數(shù)ndi確定。

(7)

(3)人工費(fèi)用f23

在不停電檢測中，利用帶電檢測技術(shù)獲取相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)量需要人工進(jìn)行獲取，利用在線檢測技術(shù)獲取的狀態(tài)量需要人工進(jìn)行處理。故人工費(fèi)用即為員工獲取狀態(tài)量時(shí)所獲得的報(bào)酬，以工作時(shí)長進(jìn)行計(jì)算。

f23(i)=c1×tb

(8)

式中，f13(i)為第i類狀態(tài)量的試驗(yàn)人工費(fèi)用；c1為工作人員在一個工作日下的平均勞動單價(jià)；tb為停電試驗(yàn)下獲取設(shè)備狀態(tài)量所耗費(fèi)的工作時(shí)長。

4 基于不停電檢測和停電試驗(yàn)的檢測策略風(fēng)險(xiǎn)量化評估模型

4.1 風(fēng)險(xiǎn)量化評估模型構(gòu)建

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，除了降低經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本，最重要的還是要保障電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備進(jìn)行停電試驗(yàn)時(shí)，一般而言是會提前進(jìn)行計(jì)劃停電，故電網(wǎng)能通過切換把負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他變電站，基本不會造成損失電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，但仍會加重整個變電站或者其它變電站的運(yùn)行負(fù)擔(dān)；當(dāng)設(shè)備存在異常而未能檢測出來引起非計(jì)劃停運(yùn)事故發(fā)生時(shí)，同樣也會增加電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此采用檢修損失來量化風(fēng)險(xiǎn)[4]。

其中停電試驗(yàn)下設(shè)備狀態(tài)量獲取風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算主要分為兩部分，一部分是設(shè)備在停電下獲取狀態(tài)量時(shí)會對整個電網(wǎng)運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)；另外一部分是通過停電試驗(yàn)獲取的狀態(tài)量因盲檢率的存在可能無法反映變壓器真實(shí)的故障狀態(tài)，導(dǎo)致變壓器未能及時(shí)維修而引發(fā)突發(fā)性故障。不停電檢測下設(shè)備狀態(tài)量獲取風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算主要包含通過不停電檢測狀態(tài)量因盲檢率的存在可能無法反映變壓器真實(shí)的故障狀態(tài)，導(dǎo)致變壓器未能及時(shí)維修而引發(fā)突發(fā)性故障。兩種檢測方式下檢測損失風(fēng)險(xiǎn)量化如下所示。

RJ1=(tg·c·Pg+Cg)·H1+t1t·Ct

(9)

RJ2=(tg·Pg·c+Cg)·H2

(10)

式中：RJ1為停電試驗(yàn)條件下的檢測風(fēng)險(xiǎn)值；

H1為設(shè)備在停電試驗(yàn)下的盲檢率，由貴陽局提供的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)獲??；

tg為獲取狀態(tài)量時(shí)因盲檢而造成設(shè)備突發(fā)故障到緊急搶修后恢復(fù)供電的停電時(shí)間，它不等于設(shè)備檢修時(shí)間，可由統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)獲得；

Pg為設(shè)備停運(yùn)后引起的停電功率，在這里指的是設(shè)備在突發(fā)故障前所承擔(dān)的實(shí)際運(yùn)行功率，由實(shí)際情況進(jìn)行具體分析；

c為單位停電損失費(fèi)用，通過基于國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的計(jì)算方法得到單位停電損失費(fèi)用為1.15萬元/MW·h；

Cg為故障后設(shè)備修復(fù)費(fèi)用，一般取設(shè)備購置費(fèi)的3%，也可根據(jù)實(shí)際情況下類似故障的修復(fù)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果獲得；

t1t為停電試驗(yàn)獲取各類設(shè)備狀態(tài)量的所需時(shí)間；

Ct為停電試驗(yàn)期間產(chǎn)生的單位售電利潤損失費(fèi)用；

RJ2為基于不停電檢測下的檢測風(fēng)險(xiǎn)值；

H2為設(shè)備在不停電檢測下的盲檢率，由統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)獲??；

4.2 盲檢率分析

盲檢率為一次設(shè)備發(fā)生停運(yùn)或者損壞事故卻未能通過任何手段發(fā)現(xiàn)，即未能通過各種狀態(tài)量檢出，直接導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)或者損壞。設(shè)備盲檢率的定義為：

(11)

對各類設(shè)備樣本缺陷數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)得到各類設(shè)備的盲檢率如表1所示。

表1 各類設(shè)備盲檢率統(tǒng)計(jì)

4.3 停電試驗(yàn)下狀態(tài)量獲取時(shí)間分析

停電試驗(yàn)下狀態(tài)量獲取時(shí)間指的是將電力設(shè)備進(jìn)行停電處理期間獲取能夠反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)量的時(shí)間[5]。結(jié)合近年來的各類設(shè)備檢測試驗(yàn)工作量統(tǒng)計(jì)情況，統(tǒng)計(jì)分析得到各類設(shè)備在一次停電試驗(yàn)獲取狀態(tài)量下所耗費(fèi)時(shí)間如表2所示。

表2 各類設(shè)備停電試驗(yàn)工作量統(tǒng)計(jì)

4.4 停電試驗(yàn)期間售電損失費(fèi)用計(jì)算

為簡化模型且停電期間因中斷供應(yīng)給電力企業(yè)造成的電費(fèi)損失占總損失比重最大，故本文主要計(jì)及電力企業(yè)向所在轄區(qū)各行業(yè)用戶缺供電而造成的電費(fèi)損失[6]。

需要考慮備用設(shè)備的故障率對整個電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，則停電試驗(yàn)期間售電損失費(fèi)用可用下式計(jì)算得到。

Ct=Pg×c×β

(12)

式中，Ct為停電試驗(yàn)期間產(chǎn)生的單位售電利潤損失費(fèi)用；Pg為設(shè)備停運(yùn)后引起的停電功率，在這里指的是設(shè)備在突發(fā)故障前所承擔(dān)的實(shí)際運(yùn)行功率，由實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，單位：MW；c為單位停電損失費(fèi)用，通過基于國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的計(jì)算方法得到單位停電損失費(fèi)用為1.15萬元/MW.h；β為備用設(shè)備的故障率。

5 實(shí)例分析

5.1 變壓器檢修策略

(1)基本數(shù)據(jù)

圖2為某220kV變電站電氣接線示意圖。三臺變壓器并聯(lián)運(yùn)行，#1和#2主變型號為SFPSZ7-120000/220，#3主變型號為SFSZ10-180000/220，負(fù)荷年平均功率因數(shù)為0.8，該變電站的年平均負(fù)荷水平維持在400MW左右。運(yùn)維檢修部門對#1主變開展日常巡維工作，通過不停電檢測和停電試驗(yàn)手段得到的主要巡檢結(jié)果和對應(yīng)檢修策略如表3所示。

圖2 變電站接線示意圖

(2)停電試驗(yàn)下狀態(tài)量獲取綜合費(fèi)用分析

①停電試驗(yàn)下檢測綜合費(fèi)用計(jì)算

變壓器基于停電試驗(yàn)和不停電檢測獲得的狀態(tài)量主要如表4所示。

表4 待檢設(shè)備異常狀態(tài)量檢測情況

由表4得，變壓器停電條件下可獲取的狀態(tài)量主要有16項(xiàng)。根據(jù)相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，代入各表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，各項(xiàng)費(fèi)用及費(fèi)用和如表5所示。

表4 變壓器不停電檢測和停電試驗(yàn)檢測狀態(tài)量

由表5可得，每類狀態(tài)量的檢測獲取成本包含試驗(yàn)費(fèi)、人工費(fèi)以及檢測裝置費(fèi)用，經(jīng)計(jì)算得到停電試驗(yàn)下變壓器狀態(tài)獲取成本綜合LJ1為7.45萬元。

表5 停電試驗(yàn)下變壓器狀態(tài)獲取成本詳細(xì)結(jié)果(元)

停電試驗(yàn)下變壓器處于注意狀態(tài)，則不需要對變壓器進(jìn)行相應(yīng)檢修。而考慮盲檢率的影響，變壓器有可能在后續(xù)運(yùn)行中出現(xiàn)緊急故障。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得，變壓器停電試驗(yàn)的盲檢率為9.63%，變壓器的平均事故修復(fù)時(shí)間一般取24h，變壓器單次故障修復(fù)費(fèi)用為80萬元，單次狀態(tài)量獲取所耗時(shí)間為24小時(shí)，單位停電損失1.15萬元/MW·h，本站備用設(shè)備的故障率為0.01。為簡化分析，本文假定除1號主變的其他設(shè)備故障概率均為0，則因該臺變壓器故障而損失的負(fù)荷為80MW。代入(9)計(jì)算可得停電試驗(yàn)下的檢測策略風(fēng)險(xiǎn)。

故停電試驗(yàn)下檢測綜合費(fèi)用如下：

CJ1=LJ1+RJ1=7.45+242.4144=249.8644(萬元)

②停電試驗(yàn)下維修綜合費(fèi)用計(jì)算

由于在該檢測手段下變壓器處于注意狀態(tài)，則不需要對變壓器進(jìn)行相應(yīng)檢修，即CW1為0萬元。但需要加強(qiáng)巡檢力度以防事故發(fā)生。

③停電檢修策略策略綜合分析

故基于停電試驗(yàn)下的檢修策略綜合費(fèi)用為：

S1=CJ1+CW1=249.8644+0=249.8644(萬元)

(3)不停電檢測下的檢修綜合費(fèi)用分析

①不停電檢測下檢測綜合費(fèi)用計(jì)算

不停電檢測下變壓器狀態(tài)量獲取成本計(jì)算

變壓器在不停電條件下可獲取的狀態(tài)量主要有6項(xiàng)，根據(jù)相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，代入各表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。各項(xiàng)費(fèi)用及費(fèi)用和如表6所示。

表6 不停電檢測下變壓器狀態(tài)獲取成本詳細(xì)結(jié)果(元)

由上表可得，不停電檢測狀態(tài)量一共包括6類，分別為油色譜分析、局部放電、熱點(diǎn)溫度、鐵芯接地電流、套管介質(zhì)損耗因素和變壓器振動情況。每類狀態(tài)量的檢測獲取成本主要包括基本費(fèi)用、監(jiān)測設(shè)備費(fèi)用和人工費(fèi)用，經(jīng)計(jì)算得到不停電檢測下變壓器狀態(tài)獲取成本綜合LJ2為0.473萬元。

由于基于不停電檢測下得到的變壓器狀態(tài)為異常狀態(tài)，故需要進(jìn)行檢修使得變壓器恢復(fù)正常。為簡化分析，這里假定檢修后設(shè)備完全正常運(yùn)行，則不需要考慮因盲檢率而造成變壓器發(fā)生緊急故障所帶來的檢修損失，則RJ2為0元。

故不停電檢測下檢測綜合費(fèi)用如下：

CJ2=LJ2+RJ2=0.473+0=0.473(萬元)

②不停電檢測下維修綜合費(fèi)用計(jì)算

由于在該檢測手段下變壓器套管處于異常狀態(tài)，則需要盡快停電進(jìn)行B類檢修，檢修費(fèi)用LW2為10萬元。

B類檢修下其檢修周期為10天，因該臺變壓器檢修而損失的負(fù)荷為80MW，代入式(10)計(jì)算可得不停電檢測方式下維修風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用如下所示。

故不停電檢測下維修綜合費(fèi)用如下所示。

CW2=LW2+RW2=10+220.8=230.8(萬元)

③不停電檢測策略綜合分析

則不停電檢測下檢修策略綜合費(fèi)用為：

S2=CJ2+CW2=0.473+230.8=231.273(萬元)

(4)檢修策略優(yōu)化分析

經(jīng)計(jì)算比較不停電檢測下的檢修費(fèi)用S2優(yōu)于基于停電試驗(yàn)的檢修費(fèi)用S1，各項(xiàng)費(fèi)用結(jié)果如表7所示。

表7 兩種檢測方式下各項(xiàng)費(fèi)用明細(xì)(萬元)

分析表明，由停電試驗(yàn)下的評估結(jié)果所得檢修策略為繼續(xù)運(yùn)行，盡管避免了維修的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，但因盲檢而可能造成的故障損失巨大，使得電網(wǎng)無法可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；而由不停電檢測方式下的評估結(jié)果所得檢修策略為進(jìn)行B類檢修，雖然增加了維修的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，但可消除因盲檢而造成的故障損失，保障了電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。故選用以不停電檢測為主的檢修策略。

6 結(jié)論

本文建立了基于不停電檢測和停電試驗(yàn)檢測策略經(jīng)濟(jì)性量化評估模型和風(fēng)險(xiǎn)量化模型以及計(jì)及檢測和檢修下的檢修策略優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了以不停電為主的檢修策略制定。實(shí)例分析表明，本方法具有較高的適用性。