蒙特卡羅法在輸電線路狀態(tài)管理的應(yīng)用

徐輝，于虹，劉冠辰，盧中西，徐成龍，劉榮海，王璋奇

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，昆明 650000；2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071000；3.華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071000；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

蒙特卡羅法在輸電線路狀態(tài)管理的應(yīng)用

徐輝1，2，于虹4，劉冠辰1，2，盧中西1，3，徐成龍1，2，劉榮海4，王璋奇2

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，昆明 650000；2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071000；3.華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071000；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

針對(duì)目前對(duì)輸電線路的狀態(tài)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程，不能對(duì)線路的整體健康狀態(tài)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的評(píng)估、量化和預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀，將蒙特卡羅法應(yīng)用于CBRM研究方法，以定量的形式給出了設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)合輸電線路狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)際案例，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性。

CBRM；狀態(tài)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；蒙特卡羅法

0 前言

蒙特卡羅方法 (Monte Carlo Methods)，又稱隨機(jī)抽樣技巧法，是一種采用隨機(jī)抽樣 (Random Sampling)統(tǒng)計(jì)來(lái)估算結(jié)果的計(jì)算方法。其基本思想是當(dāng)所要求解的問(wèn)題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，它們可以通過(guò)某種方法得到這種事件出現(xiàn)的頻率，并用它們作為問(wèn)題的解。CBRM即 “基于輸電線路狀態(tài)評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)防范管理體系”以蒙特卡羅方法為基礎(chǔ)，結(jié)合輸電線路的技術(shù)信息和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不僅可以對(duì)輸電線路的當(dāng)前狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，還能夠以獨(dú)有的對(duì)線路老化進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型的分析技術(shù)來(lái)評(píng)估和預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的變化情況，實(shí)現(xiàn)其它同類體系無(wú)法達(dá)到的功能，從而為制定優(yōu)化的檢修策略、技改及投資規(guī)劃提供有效的技術(shù)支持。

1 CBRM研究方法

CBRM研究方法是通過(guò)結(jié)合設(shè)備基礎(chǔ)信息、工程學(xué)知識(shí)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定電網(wǎng)設(shè)備的當(dāng)前及未來(lái)狀態(tài)、性能和風(fēng)險(xiǎn)，不僅可以對(duì)輸電線路的當(dāng)前狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，還能夠以獨(dú)有的對(duì)輸電線路老化進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型的分析技術(shù)來(lái)評(píng)估設(shè)備未來(lái)狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的變化情況，從而為制定優(yōu)化的檢修策略、技改及投資規(guī)劃提供有效的技術(shù)支持。CBRM研究方法可以總結(jié)為以下幾個(gè)步驟：

定義設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)不同的設(shè)備種類對(duì)每一臺(tái)設(shè)備都計(jì)算一個(gè) “健康指數(shù)”。設(shè)備當(dāng)前的健康指數(shù)用0到10之間的數(shù)值表示，0表示最好的狀態(tài)，10表示最差的狀態(tài)。

匹配設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和性能。根據(jù)健康指數(shù)計(jì)算 “相對(duì)故障概率”，再通過(guò)健康指數(shù)分布與近期統(tǒng)計(jì)的故障率的匹配建立健康指數(shù)和故障概率之間的關(guān)系。

預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)狀態(tài)和性能。利用老化理論獲取設(shè)備的老化健康指數(shù)。設(shè)備的老化率取決于設(shè)備的初始健康指數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。利用老化健康指數(shù)模型和先前計(jì)算的健康指數(shù)和故障概率之間的關(guān)系可以計(jì)算得到未來(lái)故障率。

根據(jù)POF和故障率評(píng)估潛在的檢修措施。模擬實(shí)施更換、大修的效果，計(jì)算實(shí)施技改后未來(lái)健康指數(shù)分布情況和故障率。

定義和量化故障后果。定義和構(gòu)建一致的框架，分類評(píng)估和劃分故障后果，如電網(wǎng)性能、人身安全、修復(fù)成本、環(huán)境影響等。將故障后果類別用統(tǒng)一的貨幣單位來(lái)表示。

建立風(fēng)險(xiǎn)模型。單臺(tái)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)是結(jié)合故障概率和故障后果來(lái)量化。而每一類設(shè)備的總風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)單臺(tái)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的求和獲取。

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)可能采取的潛在措施進(jìn)行評(píng)估。模擬更換、大修的效果，計(jì)算實(shí)施不同的技改方案后風(fēng)險(xiǎn)的減少量。

回顧和提煉信息收集和評(píng)估過(guò)程。建立和管理一個(gè)基于設(shè)備特有信息的風(fēng)險(xiǎn)體系不是一個(gè)一次性的過(guò)程。項(xiàng)目初始應(yīng)用的主要成果不僅僅在于基于當(dāng)前可用的信息給出的結(jié)果，更重要的是提供了一個(gè)從現(xiàn)在開始就建立并不斷改進(jìn)資產(chǎn)信息系統(tǒng)框架的機(jī)會(huì)。

2 蒙特卡羅法在CBRM中的應(yīng)用

蒙特卡羅法在CBRM中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。CBRM進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估時(shí)，基本步驟是通過(guò)輸入設(shè)備的基本信息作為樣本，利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)原理得到設(shè)備的健康指數(shù)，通過(guò)樣本中設(shè)備的故障次數(shù)及其故障類型，經(jīng)過(guò)概率計(jì)算得到該線路的故障發(fā)生概率；利用CBRM進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，基本步驟是通過(guò)樣本中設(shè)備的故障發(fā)生概率、故障后果和重要程度等級(jí)等樣本信息，對(duì)電網(wǎng)性能、修復(fù)成本、人身安全、環(huán)境影響等方面進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算，從而得到線路當(dāng)前及未來(lái)所面臨的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。其基本步驟如圖1所示：

圖1 蒙特卡羅法在CBRM中應(yīng)用基本步驟

2.1 狀態(tài)評(píng)估方法

2.1.1 狀態(tài)評(píng)估

狀態(tài)評(píng)估的目的是得出輸電線路的健康指數(shù)和故障發(fā)生概率。

2.1.1.1 桿塔健康指數(shù)

桿塔的健康指數(shù)包括涂層健康指數(shù)和本體老化健康指數(shù)兩個(gè)部分。

1)桿塔涂層健康指數(shù)，桿塔涂層健康指數(shù)包括老化健康指數(shù)和狀態(tài)健康指數(shù)兩個(gè)部分，根據(jù)各子健康指數(shù)之間不同的限制條件進(jìn)行綜合計(jì)算得到的。桿塔涂層健康指數(shù)計(jì)算公式如下：

其中，

HIa、HIb涂層狀態(tài)健康指數(shù)。

HIc涂層老化健康指數(shù)。

2)桿塔本體老化健康指數(shù)，桿塔老化健康指數(shù)是通過(guò)計(jì)算得出初始老化健康指數(shù)之后，再由其他系數(shù)諸如缺陷系數(shù)等進(jìn)行修正后得到的。桿塔老化健康指數(shù)計(jì)算公式如下：

其中，

HI1初始老化健康指數(shù)；

fcom綜合修正系數(shù)。

2.1.1.2 架空導(dǎo)地線健康指數(shù)

架空導(dǎo)地線的健康指數(shù)是通過(guò)計(jì)算得出初始老化健康指數(shù)之后，再由其他系數(shù)諸如缺陷系數(shù)等進(jìn)行修正后得到的。架空導(dǎo)地線綜合健康指數(shù)如下：

其中，

HI1初始老化健康指數(shù)；

fcom綜合修正系數(shù)。

2.1.1.3 架空導(dǎo)地線金具健康指數(shù)

架空導(dǎo)地線金具健康指數(shù)包括老化健康指數(shù)和狀態(tài)健康指數(shù)兩個(gè)部分，根據(jù)各子健康指數(shù)之間不同的限制條件進(jìn)行綜合計(jì)算得到的。架空導(dǎo)地線金具綜合健康指數(shù)如下：

HIa、HIb狀態(tài)健康指數(shù)

HIc老化健康指數(shù)。

fD缺陷修正系數(shù)。

2.1.1.4 故障發(fā)生概率

架空輸電線路的故障發(fā)生概率包括由非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率和由狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率。其計(jì)算公式如下：

其中，

POFC由狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率；

POFE由非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率。

2.1.2 基礎(chǔ)信息

架空輸電線路基礎(chǔ)信息是項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)，研究過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)的方式包括兩種，其一從生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中直接獲取，其二人工錄入方式。所需數(shù)據(jù)信息如下：

1)線路及桿塔的基礎(chǔ)信息。包括線路及桿塔所用的材料、結(jié)構(gòu)、安裝投運(yùn)日期、桿塔的維護(hù)及防腐記錄等。

2)線路及桿塔的狀態(tài)參數(shù)。包括線路及桿塔的外觀、金具和絕緣子的外觀、機(jī)械電氣特性等。

3)缺陷/故障記錄。包括線路及其附屬設(shè)施的缺陷和故障記錄。

2.1.3 評(píng)估模型的建立

在充分獲取了架空輸電線路的可用信息后，項(xiàng)目組建立了架空輸電線狀態(tài)評(píng)估模型，包括對(duì)信息的量化、計(jì)算框架的搭建、參數(shù)設(shè)置等工作。

圖2 故障概率計(jì)算結(jié)構(gòu)框圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是從電網(wǎng)性能、修復(fù)成本、人身安全、環(huán)境影響四個(gè)方面計(jì)算輸電線路當(dāng)前及未來(lái)所面臨的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。架空輸電線路風(fēng)險(xiǎn)包括狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和非狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)是線路故障發(fā)生概率和故障后果的綜合體現(xiàn)，計(jì)算公式如下：

POF—故障發(fā)生概率

COF—平均故障后果

COA—相對(duì)重要等級(jí)

其考慮的因素及量化的依據(jù)如下。

1)電網(wǎng)性能——從電網(wǎng)故障或事故對(duì)電網(wǎng)供電持續(xù)性和負(fù)荷損失數(shù)影響的角度來(lái)衡量事件的后果。

2)修復(fù)成本——從電網(wǎng)發(fā)生故障后修復(fù)該故障所需投入的資金量進(jìn)行考慮，具體包括修復(fù)故障時(shí)所需的材料成本和人工成本。

3)人身安全——從人身安全的角度出發(fā)，評(píng)估發(fā)生故障或事故后可能造成的人身傷亡事故。

4)環(huán)境影響——從電網(wǎng)發(fā)生故障或事故后對(duì)環(huán)境可能造成的各方面影響角度出發(fā)，評(píng)估可能造成的各類損失，如火災(zāi)事故、產(chǎn)生固體垃圾、其它環(huán)境干擾等

2.2.2 基礎(chǔ)信息

架空輸電線路風(fēng)險(xiǎn)信息包括線路的相對(duì)重要等級(jí)、負(fù)載情況、線路通道的環(huán)境及其它風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)信息等。

輸電線路設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估由故障發(fā)生概率、故障后果和重要程度等級(jí)三個(gè)方面組成，因此在研究過(guò)程中，首先要收集這三方面的信息。

2.2.3 評(píng)估模型的建立

電網(wǎng)性能風(fēng)險(xiǎn)是各設(shè)備總風(fēng)險(xiǎn)的主要組成部分。另外，導(dǎo)線的風(fēng)險(xiǎn)最高。主要是由于導(dǎo)線由非狀態(tài)因素引起的故障率比其他輸電線路設(shè)備的高。

3 結(jié)束語(yǔ)

蒙特卡羅法在CBRM中的應(yīng)用，可以依據(jù)輸電線路的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)、巡檢數(shù)據(jù)、缺陷等信息，以定量的形式給出了設(shè)備的健康指數(shù)，故障概率等，通過(guò)狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以數(shù)值的形式直觀的得出輸電線路在當(dāng)前、未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)健康狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的大小及變化趨勢(shì)，對(duì)輸電線路的檢修、維護(hù)和技改工作以及提高輸電線路的合理資源配置具有重要的指導(dǎo)意義。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算模型展示表

[1] David Hughes，Paul Barnfather.Condition Based Risk Management(CBRM)：Bringing Excellence in Asset Management into the Boardroom[C].20th International Conference on Electricity Distribution，June 2009，Paper 0145.

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[3] E Hamilton and D Hughes.‘CBRM，the practical application of intelligent asset management to United Utilities distribution network’[J].Distribution Europe 2004，April 2004.

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Application of Monte Carlo Method in the CBRM

XU Hui1，2，YU Hong4，LIU Guanchen1，2，LU Zhongxi1，3，LIU Ronghai4，WANG Zhangqi2
(1.North China Electric Power University Graduate workstation，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650000，China；2.Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；3.Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；4.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

The current state of the transmission lines for the analysis of the risk assessment process，can not be effectively assess the overall health status and run the risk of the line，quantification and prediction of the status quo，this article will be applied to the Monte Carlo method CBRM research methods to quantify the form gives the state assessment and risk assessment device.Yunnan Power Grid Corporation transmission line combines condition assessment and risk assessment of actual cases.

CBRM；status assessment；risk assessment；Monte Carlo method

TM75

B

1006-7345(2015)03-0013-04

2014-11-22

徐輝 (1989)，男，碩士研究生，華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，從事架空輸電線路設(shè)計(jì)、模式識(shí)別與智能診斷方面研究工作 (e-mail)xuhui2132224047＠163.com。

于虹 (1978)，女，博士后，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、模式識(shí)別與智能診斷方面工作 (e-mail)yuhong2388245＠163.com。

劉冠辰 (1990)，男，碩士研究生，華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，從事架空輸電線路設(shè)計(jì)、帶電作業(yè)工具力學(xué)研究方面工作 (e-mail)417030221＠qq.com。