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    基于效能-成本的智能變電站二次設(shè)備運維策略優(yōu)化

    2016-05-22 07:46:31王玉磊應(yīng)黎明陶海洋
    電力自動化設(shè)備 2016年6期
    關(guān)鍵詞:故障率靈敏度運維

    王玉磊,應(yīng)黎明 ,陶海洋,楊 磊

    (1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.國網(wǎng)嘉峪關(guān)、酒泉供電公司,甘肅 酒泉 735000)

    0 引言

    智能變電站對二次設(shè)備的全生命周期管理提出了新的要求,綜合考慮二次設(shè)備的效能狀態(tài)以及全生命周期成本LCC(Life Cycle Cost),實現(xiàn)二次設(shè)備的高效經(jīng)濟(jì)運行符合智能變電站的理念。二次設(shè)備運維階段的成本在LCC中的比例明顯高于一次設(shè)備,因此優(yōu)化現(xiàn)有的二次設(shè)備運維模式,開展基于設(shè)備效能-成本的運維策略優(yōu)化有重要意義。二次設(shè)備效能是預(yù)期設(shè)備滿足特定任務(wù)目標(biāo)的程度的度量,是設(shè)備可用性、可信性和固有能力ADC(Availability,Dependence,Capacity)的綜合反映[1]。 目前 LCC 研究主要針對一次設(shè)備[2-3],二次設(shè)備LCC研究較少。考慮到二次設(shè)備的成本構(gòu)成更加復(fù)雜,本文建立二次設(shè)備運維成本的歸集模型,使成本控制更有針對性。

    文獻(xiàn)[4]將費效分析應(yīng)用于設(shè)備購置階段,建立了模糊費效分析模型,但費用指標(biāo)和效能指標(biāo)全都模糊處理具有主觀性,未考慮不同類型指標(biāo)的特殊性。文獻(xiàn)[5]對配電設(shè)備進(jìn)行了LCC分解以及多指標(biāo)靈敏度分析,建立了針對一次設(shè)備的綜合評價指標(biāo)體系,具有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)[6]中提出了可靠性工作費用和冗余費用的概念,在變電站二次系統(tǒng)中同樣存在這兩部分費用。文獻(xiàn)[7]對故障錄波裝置進(jìn)行了研究,提出故障錄波裝置性能評價體系。此外,針對電網(wǎng)安全和效益[8-9]、經(jīng)濟(jì)性[10]的評估指標(biāo)評價體系也已有大量研究,但始終沒有深入至設(shè)備層級。

    目前,二次設(shè)備運維采用運行人員和檢修人員分離作業(yè)模式,運行人員和檢修人員需分別至現(xiàn)場處理缺陷,設(shè)備巡視無差異化,造成設(shè)備維護(hù)成本上升、運維效率低下[11]。因此,傳統(tǒng)二次設(shè)備運維方式存在很大的優(yōu)化空間。智能變電站二次設(shè)備檢修可帶電操作且存在安全冗余,這為其檢修帶來很大便利,二次設(shè)備運維策略可以更加靈活。由于二次設(shè)備具有種類多、數(shù)量大、層次和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點,很多一次設(shè)備的管理評價方法并不適用于二次設(shè)備,因此本文根據(jù)二次設(shè)備自身的特點,建立應(yīng)用于二次設(shè)備的效能-成本分析模型。對二次設(shè)備進(jìn)行效能評估和運維階段成本分解,并在此基礎(chǔ)上對設(shè)備效能和成本進(jìn)行靈敏度分析,尋找與二次設(shè)備效能和經(jīng)濟(jì)性緊密聯(lián)系的關(guān)鍵指標(biāo),并基于效能和成本的靈敏度分析優(yōu)化運維策略。通過算例分析,驗證了效能評估模型和運維優(yōu)化方法的可行性,基于效能成本的決策判據(jù)可以更合理地指導(dǎo)運維。

    1 二次設(shè)備效能評估

    1.1 效能評估模型

    效能評估方法在武器系統(tǒng)中已有相關(guān)的應(yīng)用,二次設(shè)備與現(xiàn)代信息化武器均為電子產(chǎn)品,且二者工作都具有明確的任務(wù)項,如具有單項功能的保護(hù)裝置或2項功能的測控裝置。對武器系統(tǒng)效能評估方法的擴(kuò)展可適用于二次設(shè)備效能的評估。

    ADC模型是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)提出的效能評估模型,其表達(dá)式為:

    其中,A 為可用度矩陣,A=[a1,a2,…,aN],al(l=1,2,…,N)為設(shè)備初始時刻處于狀態(tài)l的概率,N為二次設(shè)備在投運后的狀態(tài)數(shù)目,例如二次設(shè)備存在故障狀態(tài)及工作狀態(tài);D為可信度矩陣,矩陣元素dl,j為設(shè)備由初始狀態(tài)l經(jīng)歷任務(wù)期間到任務(wù)結(jié)束時轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率;若裝置具有多項任務(wù)或功能,C為一矩陣,矩陣元素cl,k為系統(tǒng)處于狀態(tài)l時完成第k項子任務(wù)的概率或完成任務(wù)量,此時的效能為一向量[12-13]。

    1.2 效能指標(biāo)體系

    設(shè)備的效能反映設(shè)備完成任務(wù)目標(biāo)的能力,綜合效能ES除了包含反映設(shè)備工作性能的工作效能Ewor外,由于其具有投資性和服務(wù)性,還應(yīng)包含設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益Eeco和社會效益Esoc。

    1.2.1 工作效能指標(biāo)

    二次設(shè)備的工作效能指標(biāo)通過設(shè)備的運行狀態(tài)、運維信息以及設(shè)備固有參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到。由于設(shè)備功能的差異,指標(biāo)分為公有指標(biāo)和特有指標(biāo)。

    (1)公有工作效能指標(biāo)。

    公有工作效能指標(biāo)如圖1所示。

    圖1 公有工作效能指標(biāo)Fig.1 Public work efficiency indexes

    (2)特有工作效能指標(biāo)。

    以保護(hù)、測控裝置為例,建立特有工作效能指標(biāo),如圖2、3所示。

    圖2 保護(hù)設(shè)備特有工作效能指標(biāo)Fig.2 Specific work efficiency indexes of protective equipment

    圖3 測控裝置特有工作效能指標(biāo)Fig.3 Specific work efficiency indexes of measuring&control equipment

    1.2.2 效益指標(biāo)

    效能評估中設(shè)備效益通過其實際所創(chuàng)造的價值體現(xiàn),二次設(shè)備單體作為輔助設(shè)備沒有確定收益,難以直接衡量投資效益,其效益與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域反映投資回報的效益是有所區(qū)別的。本文效益指標(biāo)是對一、二次設(shè)備整體相互配合,綜合表現(xiàn)出的供電能力以及客觀環(huán)境的反映,是變電站內(nèi)設(shè)備綜合性能的體現(xiàn)。因此以承載一、二次設(shè)備的變電站為單元建立效益指標(biāo),二次設(shè)備的效益即為變電站效益分?jǐn)傊炼卧O(shè)備的部分。效能評估中對設(shè)備效益的關(guān)注點集中在設(shè)備運行效果的表現(xiàn),設(shè)備投資在成本中體現(xiàn)。效能評估中的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益指標(biāo)如圖4、5所示。

    圖4 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)Fig.4 Economic benefit indexes

    圖5 社會效益指標(biāo)Fig.5 Social benefit indexes

    (1)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。

    經(jīng)濟(jì)效益主要考慮設(shè)備承擔(dān)電能傳輸任務(wù)大小以及可能造成用戶其他經(jīng)濟(jì)損失等方面。

    (2)社會效益指標(biāo)。

    社會效益指標(biāo)主要考慮變電站對居民以及電力企業(yè)信譽(yù)、環(huán)境[14]等方面的影響。

    根據(jù)效益指標(biāo)及量化標(biāo)準(zhǔn)可計算得出評價對象所在變電站的效益量化值,即變電站效益指數(shù)B:

    二次設(shè)備的效益通過變電站的效益在一、二次設(shè)備之間分?jǐn)偟玫?,變電站二次設(shè)備效益指數(shù)BS:

    其中,C1為變電站一次設(shè)備初始投資;C2為變電站二次設(shè)備初始投資。

    1.2.3 二次設(shè)備效能計算模型

    其中,wCi為各固有能力指標(biāo)的權(quán)重;wwori為特有工作效能各項指標(biāo)權(quán)重,需要產(chǎn)品設(shè)計人員和運行專家根據(jù)指標(biāo)對設(shè)備的影響程度進(jìn)行判定,最終根據(jù)層次分析法確定。

    2 二次設(shè)備LCC修正模型

    二次設(shè)備的成本結(jié)構(gòu)與一次設(shè)備有較大差異,二次設(shè)備的初始投資成本在LCC中的比例較小,而人力成本和故障懲罰成本占比較高。通過對二次設(shè)備的成本結(jié)構(gòu)分析,本文將二次設(shè)備運維成本分為必要成本和意外成本。必要成本指進(jìn)行巡視和檢修等帶來的無法避免的成本;意外成本指通過對設(shè)備效能等狀態(tài)的監(jiān)視從而可以避免的成本,例如設(shè)備故障造成的停電損失成本以及頻繁進(jìn)行設(shè)備巡視所產(chǎn)生的冗余成本。優(yōu)化二次設(shè)備運維成本需要在保證設(shè)備可靠性的前提下降低意外成本。

    按成本來源,二次設(shè)備運維成本包含運行成本、檢修成本、故障懲罰成本三部分。由于二次設(shè)備的生命周期很長,需要對二次設(shè)備的運維成本進(jìn)行成本時間價值和通貨膨脹影響因素的修正,智能變電站二次設(shè)備運維期成本的修正數(shù)學(xué)模型如式(9)所示。

    其中,n為二次設(shè)備的運行年限;Cj為第j年二次設(shè)備運行成本和檢修成本之和;ρ為二次設(shè)備故障懲罰系數(shù),ρ=f(λ)為λ的強(qiáng)正相關(guān)函數(shù);λ為平均故障率;CR為平均修復(fù)成本;tMTTR為設(shè)備的平均故障修復(fù)時間;a為單位電量電力公司的平均停電損失,包括減少供電時損失的利潤、電力公司平均停每度電給用戶的賠償損失;P為年平均停電功率;Tloss為年平均中斷供電時間;Ploss為設(shè)備的能耗功率;b為電差價;r為通貨系數(shù);I為折現(xiàn)率。

    3 效能-成本多因素靈敏度分析

    效能靈敏度分析方法可以使決策者明確不同因素對效能評價的影響,從而提高決策的準(zhǔn)確性[15-16]。通過評估設(shè)備的效能狀態(tài)靈活地制定二次設(shè)備的運維計劃,加強(qiáng)對關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)視,弱化對效能靈敏度較小指標(biāo)的成本投入,達(dá)到運維經(jīng)濟(jì)性。

    3.1 效能靈敏度分析

    基于前文提出的二次設(shè)備效能評估指標(biāo)體系,建立二次設(shè)備的ADC效能評估模型。二次設(shè)備作為典型的電子產(chǎn)品,其平均無故障時間tMTTF和平均故障修復(fù)時間tMTTR滿足指數(shù)分布規(guī)律。二次設(shè)備的可用性可根據(jù)式(10)、(11)確定,如式(12)所示。

    其中,λ為設(shè)備的平均故障率;μ為設(shè)備的平均故障修復(fù)率。

    二次設(shè)備在穩(wěn)定運行階段故障率較為恒定,故障修復(fù)率與電力公司的反錯處理流程相關(guān),電網(wǎng)企業(yè)反事故措施以及設(shè)備巡視檢修都有嚴(yán)格的規(guī)范,其流程固定,故可對效能評估模型進(jìn)行簡化處理,如式(13)、(14)所示。 二次設(shè)備效能可根據(jù)式(5)計算,各參數(shù)見式(13)—(15)。

    其中,T 為評價周期。 根據(jù)式(5)、(13)—(15)進(jìn)行效能靈敏度分析,分析裝置的平均故障率、故障修復(fù)率、固有能力指標(biāo)效用值與效能的靈敏度關(guān)系,如圖6—8所示。圖8中不同數(shù)值代表不同的權(quán)重系數(shù)。由圖分析可知:

    ①設(shè)備的效能值隨著故障率以負(fù)指數(shù)形式變化,當(dāng)設(shè)備的故障率λ<0.1時,λ與效能E的關(guān)系近似成線性關(guān)系且靈敏度較高,因此運維中故障率需要維持在較低水平;

    圖6 效能-故障率靈敏度曲線Fig.6 Curve of efficiency vs.failure rate

    圖7 效能-故障修復(fù)率靈敏度曲線Fig.7 Curve of efficiency vs.failure repair rate

    圖8 效能-固有能力指標(biāo)靈敏度曲線Fig.8 Curve of efficiency vs.index utility rate

    ②設(shè)備效能隨著故障修復(fù)率的減小按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)裝置的故障修復(fù)率μ>0.2時,μ與E近似成線性關(guān)系,且裝置的故障修復(fù)率對效能的影響較小,因此故障修復(fù)時間無需過短;

    ③二次設(shè)備的固有能力指標(biāo)與效能的靈敏度曲線呈線性關(guān)系,并且指標(biāo)權(quán)重較小時其對裝置效能的影響較小,因此,優(yōu)化運維方式時,可以簡化小權(quán)重指標(biāo)巡視內(nèi)容,提高運維效率。

    3.2 成本靈敏度分析

    二次設(shè)備運維成本影響因素主要有巡視成本、檢修成本、設(shè)備故障率、設(shè)備平均修復(fù)時間等。進(jìn)行二次設(shè)備運維期的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化需要以二次設(shè)備的平均全生命周期成本 ALCC(Average Life Cycle Cost)為目標(biāo)函數(shù),對成本按影響關(guān)系不同將式(9)處理為:

    根據(jù)式(16)分別對各LCC影響因素求偏導(dǎo),如式(17)—(21)所示。由于社會的通貨膨脹率以及利息因素是供電企業(yè)無法控制的因素,因此不對上述2個因素進(jìn)行分析。

    根據(jù)建立的靈敏度計算模型,代入運維中的數(shù)據(jù)就可分析各影響因素對ALCC的影響。ALCC成本關(guān)于設(shè)備平均修復(fù)成本以及停電時間的靈敏關(guān)系分別如式(19)、(21)所示,由于運維優(yōu)化是以設(shè)備的高效運行為前提的,故兩者優(yōu)化前后對ALCC的影響較小。

    關(guān)于故障懲罰系數(shù)與故障修復(fù)率的靈敏因子與ALCC的相關(guān)關(guān)系需要根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)確定,隨著運行參數(shù)的變化,其值可正可負(fù)。由于ρ與λ為強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系,且λ也為效能靈敏因子,為便于進(jìn)行效能成本的關(guān)聯(lián)分析,分析中以故障率代替懲罰系數(shù)。根據(jù)式中設(shè)備的參數(shù)分析可知,當(dāng)滿足情況①:

    ALCC與設(shè)備故障率呈正相關(guān)關(guān)系,與設(shè)備故障修復(fù)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。二次設(shè)備產(chǎn)生故障時,二次設(shè)備故障率的提高使設(shè)備的成本升高;二次設(shè)備的修復(fù)率越高,有助于降低設(shè)備運維成本,這與實際的運維現(xiàn)狀是相符合的。當(dāng)滿足情況②:

    ALCC與設(shè)備故障率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與設(shè)備故障修復(fù)率呈正相關(guān)關(guān)系,此種情況在實際變電站運維過程中較少發(fā)生。其變化關(guān)系如圖9所示。

    圖9 ALCC對故障率和故障修復(fù)率靈敏度曲線Fig.9 Sensitivity of ALCC to failure rate and failure repair rate

    當(dāng)不等式(22)兩側(cè)計算結(jié)果差距不大時,式(18)、(20)趨近于0,其對ALCC的靈敏度影響很小,可忽略不計。當(dāng)不等式(22)兩側(cè)的計算結(jié)果差距較大時,不管是正相關(guān)關(guān)系還是負(fù)相關(guān)關(guān)系,式(18)、(20)中,總有一個的靈敏度很高,另外一個趨近于0。此時對ALCC靈敏度較高的影響因子需要在運維中重點關(guān)注,根據(jù)對結(jié)果的容忍度不同采用量身定制的運維策略。

    年平均投入成本關(guān)于設(shè)備巡視及檢修成本的靈敏系數(shù)為1,遠(yuǎn)高于其他各項成本的靈敏系數(shù),因此控制運行和檢修成本是進(jìn)行運維優(yōu)化的關(guān)鍵。成本-效能靈敏度關(guān)聯(lián)分析圖如圖10所示。

    綜合對設(shè)備效能以及成本的靈敏度分析結(jié)果,提出智能變電站運維優(yōu)化的決策方法。給出如下規(guī)定:Etol1為效能第1容忍閾度;Etol2為效能第2容忍閾度;Cspc為設(shè)備檢修成本預(yù)估值;Cstol為設(shè)備檢修成本容忍度;CLCC為評價對象的LCC;CLCCtol為二次設(shè)備LCC容忍度。運維優(yōu)化遵從如下優(yōu)化判據(jù)。

    ① ES>Etol1。 巡視建議:調(diào)整為每周1~3次,月巡由原來的每月3次降為1次;巡視內(nèi)容簡化,重點關(guān)注電源模塊、硬盤等關(guān)鍵效能指標(biāo)。檢修建議:無需進(jìn)行檢修,根據(jù)靈敏度分析結(jié)果,故障修復(fù)率并非越大越好,在0.2左右可達(dá)到可靠、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

    ② Etol2<ES<Etol1。 巡視建議:調(diào)整為每周 1~3次,月巡由原來的每月3次降為1次,根據(jù)設(shè)備效能指標(biāo)有重點地進(jìn)行巡視。檢修建議:可跟隨相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行檢修或獨立帶電檢修,取消3 a和9 a的部檢項目,檢修要求∑Cspc<Cstol,根據(jù)靈敏度分析,保證故障率在0.05以下,故障修復(fù)率在0.2左右,并根據(jù)式(18)、(20)的靈敏度大小對故障率和故障修復(fù)率的運維策略進(jìn)行調(diào)整。

    ③ ES<Etol2。 巡視建議:當(dāng) CLCC>CLCCtol時,建議更換設(shè)備;CLCC<CLCCtol時,日常巡視每日1次,月巡、夜巡、季巡維持現(xiàn)狀。檢修建議:盡快安排檢修。

    圖10 成本-效能靈敏度關(guān)聯(lián)分析圖Fig.10 Correlative analysis of cost-efficiency sensitivity

    4 算例分析

    通過對某變電站測控裝置的效能成本及其靈敏度分析,驗證優(yōu)化方法的可行性和有效性。某500 kV變電站一臺測控裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示,效益指標(biāo)如表2所示,該測控裝置的運行統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

    根據(jù)表1—3某測控裝置的信息,對該測控裝置進(jìn)行效能評估。

    表1 測控裝置固有能力指標(biāo)Table1 Inherent capacity indexes of measuring&control equipment

    表2 變電站效益指標(biāo)Table2 Efficiency indexes of substation

    表3 設(shè)備運行數(shù)據(jù)表Table 3 Operating data of equipment

    圖11中分析了關(guān)鍵效能指標(biāo)變化對設(shè)備效能的影響變化曲線,工作效能與設(shè)備綜合效能的趨勢相同,但影響大小有差異,這是考慮了設(shè)備效益因子的緣故。

    圖11 效能變化曲線Fig.11 Variation curve for different indexes

    將效能和成本判據(jù)作為二次設(shè)備運維管理的依據(jù),可以有效地開展差異化運維,基于本文研究的運維優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行估計分析。以5000 kV站為例,按二次設(shè)備運行年限為12 a進(jìn)行統(tǒng)計。二次設(shè)備全生命周期巡視成本調(diào)整前后的差異如表4所示,定檢成本如表5所示。

    根據(jù)表4和表5的分析結(jié)果,變電站的壽命取30 a。通過實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運維,可節(jié)約費用如表6所示。智能變電站通過改進(jìn)傳統(tǒng)的運維方式實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運維,全站30 a可以節(jié)約費用合計400余萬元,其中巡視成本節(jié)約最多,占55.73%;全站節(jié)約消缺成本占35.70%。平均每站每年僅二次設(shè)備可節(jié)約成本11余萬元;LCC可節(jié)約140余萬元,為電力企業(yè)實現(xiàn)精細(xì)化管理提供重要支持。

    表4 二次設(shè)備巡視成本統(tǒng)計表Table 4 Statistics of secondary equipment inspection cost

    表5 二次設(shè)備定檢成本統(tǒng)計表Table 5 Statistics of secondary equipment scheduled check cost 萬元

    表6 運維節(jié)約費用統(tǒng)計表Table 6 Statistics of operationmaintenance cost saving 萬元

    5 結(jié)論

    利用智能變電站二次設(shè)備的監(jiān)測信息對二次設(shè)備進(jìn)行效能評估,提出二次設(shè)備效能評估指標(biāo)體系。提出基于效能-成本靈敏度分析的運維優(yōu)化模型,對二次設(shè)備效能評估和成本容忍度的計算,給出運維優(yōu)化判據(jù)。不同運行狀態(tài)的設(shè)備采用不同的運維方式,真正實現(xiàn)差異化運維。算例分析驗證了效能成本模型的可行性,通過對優(yōu)化后的運維方式進(jìn)行估計分析,可以有效提高變電站二次設(shè)備的運維水平。

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