輸變電設(shè)備典型故障模型及綜合維修策略探究

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 趙繼軍

1 引言

研究中，相關(guān)工作人員基于人工電力系統(tǒng)，嘗試構(gòu)建OPA 典型故障模型?；谳斪冸娫O(shè)備綜合指標(biāo)以及狀態(tài)指標(biāo)，制定綜合維修策略。在此基礎(chǔ)上，圍繞輸變電設(shè)備定期維修與狀態(tài)維修兩方面內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)行的維修措施進(jìn)行優(yōu)化[1]。

2 輸變電設(shè)備典型故障模型

2.1 OPA 模型

OPA 模型的主要目的是研究輸變電設(shè)備停電時(shí)的行為特點(diǎn)。該模型分別采用慢速、快速兩個(gè)不同的時(shí)間量程。前者反映了幾天到幾年內(nèi)的變化過程，將該時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷變化與性能改善作為錨點(diǎn)，幫助電力系統(tǒng)進(jìn)行自組織，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。后者涵蓋了幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)輸變電設(shè)備停電行為特征變化過程，主要研究輸變電設(shè)備連鎖過負(fù)荷和連鎖線路故障狀態(tài)下的停電情況[2]。

OPA 模型基于直流潮流方式，以線性規(guī)劃方法作為選擇標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算輸電線路功率調(diào)度參數(shù)。具體計(jì)算過程中，研究人員將OPA 模型中的使用價(jià)值函數(shù)設(shè)為C，計(jì)算式為：

式中：∑Pi(t)為在單位時(shí)間t內(nèi)，全部輸變電設(shè)備的總功率；∑Pj(t)為單位時(shí)間t內(nèi)全部負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的總負(fù)荷；W為甩負(fù)荷過程中付出的代價(jià)，取值為100。

OPA 模型作為一種電力系統(tǒng)優(yōu)化模型，想要確保其能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用，必須滿足下列約束條件：在功率平衡和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不注入設(shè)備功率的情況下，輸變電設(shè)備的輸出功率和線路潮流不能超過極限值。還需要考慮電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性等約束條件[3]。

2.2 CASCADE 模型

CASCADE 模型的運(yùn)行邏輯為假設(shè)存在n條相同輸配電線路，且線路的原始負(fù)荷隨機(jī)分布。設(shè)輸配電系統(tǒng)初始擾動(dòng)為d。在該模型框架下，設(shè)某一個(gè)組件出現(xiàn)故障，則需要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷分配關(guān)系來確定故障負(fù)荷，并將故障負(fù)荷遷移至正常工作組件上。使用該模型的主要目的是對(duì)輸配電線路故障負(fù)荷進(jìn)行歸一化處理，并根據(jù)歸一化結(jié)果計(jì)算輸配電設(shè)備故障組件分布概率函數(shù)f。需要注意的是，由于該函數(shù)為遞歸模型，因此利用函數(shù)f能夠有效體現(xiàn)當(dāng)n與d不同的情況下，連鎖故障導(dǎo)致r個(gè)組件出現(xiàn)故障的概率。即滿足r＞0，n＞1，0＜d＜1條件的情況下，連鎖故障中輸配電設(shè)備故障組件數(shù)量分布概率。

研究中，基于OPA 模型以及CASCADE 模型，嘗試構(gòu)建輸配電設(shè)備綜合維修策略，對(duì)現(xiàn)行的設(shè)備維修方式進(jìn)行優(yōu)化。在保障維修質(zhì)量的前提下，降低維修成本。

3 制定綜合維修策略

3.1 確定權(quán)重因素

3.1.1 狀態(tài)量構(gòu)成要素

一是原始資料。原始資料是輸變電設(shè)備交付使用過程中，所涉及的各種信息的記錄。常見的原始資料包括銘牌參數(shù)、試驗(yàn)報(bào)告、出廠驗(yàn)收試驗(yàn)報(bào)告、交接報(bào)告等。相關(guān)工作人員通過閱讀原始資料，能夠快速了解設(shè)備基本信息，確保設(shè)備能夠安全運(yùn)行，為設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)提供必要的支持。

二是運(yùn)行資料。運(yùn)行資料是輸變電設(shè)備在正常運(yùn)行期間，產(chǎn)生的各種信息的集合。包括運(yùn)行狀況信息、異常狀況記錄、巡檢工作記錄等。

3.1.2 狀態(tài)量權(quán)重

根據(jù)考慮輸變電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的各個(gè)狀態(tài)量的影響因素，研究人員將其分為四個(gè)具體等級(jí)，按照從輕到重的順序排列。對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為權(quán)重Ⅰ、權(quán)重Ⅱ、權(quán)重Ⅲ和權(quán)重Ⅳ，為方便計(jì)算，每項(xiàng)權(quán)重的系數(shù)用1、2、3、4表示。四個(gè)層級(jí)中，權(quán)重Ⅰ和權(quán)重Ⅱ用于描述一般狀態(tài)量，而權(quán)重Ⅲ和權(quán)重Ⅳ則用于描述較為重要的狀態(tài)量。基于輸變電設(shè)備狀態(tài)量劣化程度，以2、4、8、10作為對(duì)應(yīng)每個(gè)層級(jí)的扣分值。

3.2 設(shè)備狀態(tài)與指標(biāo)之間的關(guān)系

狀態(tài)量的不同，能夠體現(xiàn)出不同設(shè)備之間的性能差異。如直流電阻工況狀態(tài)量數(shù)據(jù)能夠反映輸變電設(shè)備分接開關(guān)燒蝕狀況，而絕緣電阻、極化指數(shù)等數(shù)據(jù)，則可以反映出輸變電線路是否處于潮濕環(huán)境之中[4]。此外，還通過氣相色譜分析等方法，確定絕緣與導(dǎo)電雙重的性能指標(biāo)。

研究中，為了更好地理解狀態(tài)量對(duì)輸變電設(shè)備性能的影響，引入隸屬度概念。利用隸屬度描述狀態(tài)量對(duì)于不同設(shè)備和不同指標(biāo)的重要程度詳見表1。

表1 狀態(tài)量分類表

3.3 狀態(tài)分析模型

數(shù)據(jù)來源不同，其狀態(tài)量評(píng)估值也存在很大差異。因此，研究人員需要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，選擇適宜的表達(dá)方式，狀態(tài)量分析模型如圖1所示。

圖1 狀態(tài)量分析模型

基于狀態(tài)量分析模型，對(duì)輸配電設(shè)備狀態(tài)量進(jìn)行綜合評(píng)估，根據(jù)下列式對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均處理。

式中：c為輸變電設(shè)備綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，該結(jié)果需要使用分值的方式進(jìn)行表示，當(dāng)c＜15時(shí)表示輸變電設(shè)備綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為“良好”，若c＞80則表示輸變電設(shè)備綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為“不良”；αi為不同狀態(tài)量結(jié)果；?ij為第i個(gè)狀態(tài)量對(duì)于第j個(gè)設(shè)備性能的隸屬度；wi為第i個(gè)狀態(tài)量的重要性，即該狀態(tài)量的權(quán)重。

4 輸變電設(shè)備維修優(yōu)化策略

4.1 輸變電設(shè)備定期維修策略優(yōu)化

想要對(duì)輸變電設(shè)備定期維修策略進(jìn)行優(yōu)化，要遵循的基本原則包括維修成本最小原則和有效度最大化原則[5]。

4.1.1 建立定期維修模型

基于兩項(xiàng)基本原則，創(chuàng)建輸變電設(shè)備定期維修模型。輸變電設(shè)備定期維修模型如圖2所示。

圖2 輸變電設(shè)備定期維修模型

該模型中，T為輸變電設(shè)備定期維修時(shí)間間隔；τp為預(yù)防性維修平均用時(shí)；τc為故障發(fā)生后維修平均用時(shí)；T1與T2分別為預(yù)防性維修完成時(shí)間以及故障修復(fù)直至下一個(gè)預(yù)防階段所花費(fèi)的時(shí)間，即T=T1+T2。

4.1.2 基于維修費(fèi)用最低原則的維修策略優(yōu)化

根據(jù)T=T1+T2，研究人員設(shè)CT為不同階段維修費(fèi)用，Cp代表預(yù)防性維修費(fèi)用，Cc代表事后維修費(fèi)用?；诰S修費(fèi)用最低原則，將Cp、Ccλ(t)等已知參數(shù)代入定期維修模型，計(jì)算平均維修費(fèi)用達(dá)到最小值時(shí)的參數(shù)T。

利用式（3）計(jì)算得到的參數(shù)T，需要滿足以下要求：

4.1.3 基于有效度最大化原則的維修策略優(yōu)化

在已知λ(t)、τc以及τp具體數(shù)值的情況下，研究人員基于定期維修模型，計(jì)算參數(shù)T，確保其穩(wěn)態(tài)有效度A(∞)為最大值，其計(jì)算式為：

根據(jù)式（5）計(jì)算得到的T值需要滿足下列條件：

4.2 設(shè)備狀態(tài)維修策略優(yōu)化

4.2.1 輸變電設(shè)備更換及改造時(shí)間優(yōu)化

輸變電設(shè)備的原始設(shè)計(jì)質(zhì)量，會(huì)對(duì)其壽命造成影響。若設(shè)備存在質(zhì)量缺陷，則其壽命可能會(huì)大幅縮短。即使設(shè)備進(jìn)行了維修，其平均壽命也可能會(huì)逐漸縮短。針對(duì)這一情況，嘗試建立輸變電設(shè)備更換及改造時(shí)間優(yōu)化模型，將輸變電設(shè)備全壽命過程分成多個(gè)周期，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行和維修的具體時(shí)間進(jìn)行細(xì)分。通過這種方式更加精確地預(yù)測(cè)設(shè)備的故障和維修時(shí)間，并制定相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃，以最大程度地延長設(shè)備的使用壽命。

將輸變電設(shè)備發(fā)生第k次故障之前的平均壽命設(shè)為λk，則有λk≥λk+1，單位時(shí)間內(nèi)輸變電設(shè)備維修費(fèi)用為C，設(shè)備零件更換費(fèi)用為Cf，設(shè)輸變電設(shè)備在發(fā)生第N次故障之后更換零件，則C(N)的計(jì)算式為：

4.2.2 輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)周期優(yōu)化

輸變電設(shè)備檢測(cè)周期需要參照實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，不宜過長或過短。如果檢測(cè)周期過長，會(huì)導(dǎo)致故障前兆被掩蓋，造成設(shè)備失效以及其他不必要的損失。而如果檢測(cè)周期太短，則會(huì)造成維修成本浪費(fèi)問題。因此，研究人員基于最優(yōu)的檢測(cè)間隔期τ優(yōu)化輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)周期，以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間平均費(fèi)用最小的目標(biāo)。這樣做可以確保設(shè)備的使用壽命得到最大程度的延長，同時(shí)也能夠有效地控制成本，降低運(yùn)營成本。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的評(píng)估和分析，以確定最適合的檢測(cè)周期，并持續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和高效使用。

研究人員設(shè)輸配電設(shè)備失效概率密度函數(shù)為f(t)，該函數(shù)服從指數(shù)分布規(guī)律，因此可以得到式f(t)=λe-λt，每次檢修的間隔時(shí)間為τ，若檢修人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備失效或者即將失效，即刻對(duì)其進(jìn)行檢修。設(shè)輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)周期的期望值為TE，則TE與單個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)期望值EC的關(guān)系式為：

據(jù)此可以得到輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)最佳周期具體數(shù)值。

5 結(jié)語

輸變電設(shè)備作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，如何保障輸變電設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行成為電力從業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。這種背景下，相關(guān)研究人員基于輸變電設(shè)備典型故障模型，以及狀態(tài)量分析模型，制定具體的輸變電設(shè)備維修優(yōu)化策略，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。