變壓器的老化失效及其備用規(guī)劃研究

陳法池　李林發(fā)　鄧世聰

摘 要：針對南方某電網(wǎng)部分220kV變電站內(nèi)的主變壓器構(gòu)成的變壓器設備組，應用可靠性準則，進行共享變壓器備品策略分析。在計算各臺變壓器的不可用率時，綜合考慮變壓器的可修復失效和老化失效的影響；采用狀態(tài)枚舉法對變壓器組進行可靠性分析；最后基于電網(wǎng)公司可靠性要求給定一個變壓器組失效判定準則，確定在未來規(guī)劃年限內(nèi)備用所需變壓器的數(shù)量及就位時間。算例分析表明，應用文中的備用策略既合理利用了變壓器資產(chǎn)，又充分保證了電網(wǎng)安全可靠運行。

關(guān)鍵詞：變壓器；老化失效；備用規(guī)劃

引言

變電站設備備用規(guī)劃一直是困擾電力公司資產(chǎn)管理決策者的一大難題。至今，大多數(shù)電力公司在這一領(lǐng)域采用的是以經(jīng)驗為主、固定備額的方法。變壓器是變電站內(nèi)最重要的設備，在變電站規(guī)劃這個層面，很多問題都涉及變壓器由輸電網(wǎng)向配電網(wǎng)用戶可靠傳輸電能的充裕性[1-3]。一旦變壓器失效，其修復或更換過程通常要花費很長的時間，對用戶用電的影響也最大。因此，做好變壓器的備用規(guī)劃對控制電網(wǎng)的系統(tǒng)風險，保障對用戶的持續(xù)供電，降低變壓器失效對電網(wǎng)的影響意義重大。而采用傳統(tǒng)的基于工程經(jīng)驗的備用方法，雖然簡單便捷，但無法合理確定備品數(shù)量，如果備用不足，將會增大系統(tǒng)風險，如果備用過剩將會造成資金浪費。

為此，文章選擇基于可靠性準則的共享備用變壓器策略對南方某電網(wǎng)部分220kV變電站的主變壓器進行備用分析。首先，根據(jù)在運行的和退役的變壓器數(shù)據(jù)構(gòu)造基于服役年齡的威布爾分布老化失效模型，建立服役年齡與老化失效不可用率之間的對應關(guān)系；然后，同時考慮變壓器老化失效不可用率和可修復失效不可用率，評估電壓等級、結(jié)構(gòu)和容量均相同的變壓器組的失效概率；最后，根據(jù)設定的可靠性準則，提出了確定備用變壓器所需臺數(shù)和就位時間的合理經(jīng)濟的備用策略。

1 變壓器的老化失效

1.1 變壓器的老化失效不可用率

變壓器失效模型分為老化失效和可修復失效[2，4]。老化變壓器故障概率較高，會對變壓器組的可靠性評估產(chǎn)生較大的影響，忽略變壓器的老化失效會過高估計變壓器組的可靠性，從而給電網(wǎng)的安全運行埋下潛在的隱患。由變壓器的老化失效引起的不可用率取決于設備的服役年齡和需要考慮的后續(xù)時間區(qū)間?；诜勰挲g的變壓器的老化失效概率可用威布爾分布模型進行模擬，用（1）式進行計算[5]：

（1）式中α和β分別表示變壓器老化失效威布爾模型的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，用于估計在未來d時間段內(nèi)的老化失效不可用率，在計算時d通常取為一年；N為將時間段d等分的子時間段數(shù)， x表示時間間隔；Qk為時間段d內(nèi)的第k個子時間段的失效概率；LI為變壓器的服役年齡。

1.2 威布爾分布模型參數(shù)的估計

計算變壓器老化失效不可用率首先要確定威布爾分布模型的尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β，利用電網(wǎng)內(nèi)正在運行的變壓器和已經(jīng)退役的變壓器的歷史統(tǒng)計信息，運用一些優(yōu)化方法可以比較方便準確地對威布爾分布模型的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)進行估計。具體的計算過程介紹如下[6，7]：

（1）統(tǒng)計正在運行的變壓器和退役變壓器的服役年齡；

（2）建立一個包含以下內(nèi)容的表：第一列：服役年齡；第二列：與服役年齡相對應的變壓器的存活概率。從第一步準備的數(shù)據(jù)中可以獲得每年正常運行的變壓器的數(shù)目和那一年退役的變壓器的數(shù)目。變壓器每年老化失效的概率為當年退役的變壓器的數(shù)目除以當年所有的變壓器的數(shù)目。那么，當年變壓器的存活概率為1減去當年變壓器的累積失效概率。

2 變壓器備用規(guī)劃策略的制定

備用規(guī)劃采用設備組公共備用的策略。選擇地理位置相近的變電站，讓其中電壓等級、結(jié)構(gòu)和容量相同的變壓器共享備用，一旦變電站出現(xiàn)一臺或多臺變壓器失效，附近一臺或多臺備用設備能及時地安裝投入運行，以確保變電站正常運行。根據(jù)每臺變壓器的綜合失效不可用率，可以用狀態(tài)枚舉法評估在有備用和沒有備用的情況下變壓器組的失效概率和成功概率。

變壓器組的備用規(guī)劃包括以下幾個步驟[1]：（1）選定合適的變壓器組可靠性準則；（2）根據(jù)地理位置劃分變壓器組；（3）利用第1節(jié)的方法計算變壓器組中每臺變壓器的綜合不可用率；（4）評估有備用和沒有備用情況下整個變壓器組的失效概率；（5）對規(guī)劃期間內(nèi)所有年份重復步驟（3）和（4）；（6）根據(jù)選定的可靠性準則，對比有備用情況下變壓器組在不同年份的成功概率。通過對比確定所需備用變壓器的臺數(shù)和就位年份。

3 算例

以南方某電網(wǎng)220kV變電站內(nèi)的部分主變壓器作為分析算例，將2015年作為起始年展開分析。根據(jù)變電站的地理位置分布，把這些變壓器分為3個設備組進行備用分析，分組情況如表1所示。

根據(jù)南方某電網(wǎng)在運行的變壓器和退役的變壓器的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照1.2節(jié)介紹的方法，估計得到變壓器老化失效威布爾分布模型的參數(shù)為α=44.7939，β=3，變壓器的故障率為0.0065次/臺年，變壓器的平均修復時間為768h，則可修復失效不可用率約為0.0006。設定2016年到2025年為規(guī)劃年限，分別計算未來規(guī)劃期間每年各臺變壓器的老化失效不可用率，結(jié)合已求出的可修復失效不可用率計算每年的綜合失效不可用率。最后計算得到有備用和沒有備用情況下整個變壓器組的失效概率列于表2中。

若電力公司設定可接受的變壓器組失效概率為1%，那么根據(jù)表2的計算結(jié)果可以確定所需備用變壓器的數(shù)量和就位時間。對第1組變壓器組來說，2016年首次需要準備1臺備用變壓器，2023年開始需要準備第2臺備用變壓器；對第2組變壓器組來說，2016年首次需要1臺備用變壓器，2023年需要準備第2臺備用變壓器；對第3組變壓器組來說，在2016年首次需要1臺備用變壓器，2025年開始需要準備第2臺備用變壓器?？偟膩砜矗娏驹?016年需準備3臺備用變壓器，到2023年需準備2臺備用變壓器，到2025年需準備1臺備用變壓器。

4 結(jié)束語

文章將基于可靠性準則的電力設備備用規(guī)劃方法應用于變壓器組的備用分析?？紤]老化失效和可修復失效計算變壓器的不可用率，介紹了模擬變壓器老化失效的威布爾分布模型以及威布爾分布模型尺度參數(shù)和形狀參數(shù)的估計方法，給出了基于可靠性準則，采用共享設備組備用進行備品規(guī)劃分析的步驟。通過對南方某電網(wǎng)220kV變電站內(nèi)部分變壓器構(gòu)成的設備組的實例分析，確定了規(guī)劃期內(nèi)最佳的變壓器備用數(shù)量及其就位時間，該策略在減少了備用投資的同時，還能保證電網(wǎng)的可靠運行，確保向用戶持續(xù)可靠供電，既提升了該供電公司的資產(chǎn)管理水平，也能幫助該供電公司樹立良好的社會形象。

參考文獻

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[2]W. Li， E. Vaahedi， Y. Mansour.Determining Number And Timing Of Substation Spare Transformers Using A Probabilistic Cost Analysis Approach[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1999：934-939.

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