基于全生命周期理論的檢修優(yōu)化方法研究與實(shí)踐

曾建鑫， 鄭小麗， 楊冬梅， 馮韶祥， 丁鵬， 李蘭浩， 鄭全朝

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局，廣東 茂名 525000； 2. 廣東益泰達(dá)科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備檢修工作量快速增長(zhǎng)，與電網(wǎng)企業(yè)有限的檢修力量之間的矛盾日益突出。協(xié)調(diào)資產(chǎn)效率和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系稱為互聯(lián)電網(wǎng)下電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化的重要目標(biāo)。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化是基于定期檢修模式，以降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、提升優(yōu)化求解效率為目標(biāo)，研究的重點(diǎn)在于檢修模型的優(yōu)化求解效率上[1]。文獻(xiàn)[2]基于組合賦權(quán)模式，提出了變權(quán)模糊輸電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法，以提升設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[3]在電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)量化中考慮了負(fù)荷轉(zhuǎn)移因素影響，提出了電網(wǎng)檢修計(jì)劃優(yōu)化與檢修狀態(tài)校核方法。文獻(xiàn)[4]將電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)一步體系化，提出了基于風(fēng)險(xiǎn)管理的配網(wǎng)檢修計(jì)劃優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[5]面向電力市場(chǎng)，提出了時(shí)間窗模式下機(jī)組檢修計(jì)劃模型。由于傳統(tǒng)的檢修模型難以解決上述資產(chǎn)效率與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)之間的內(nèi)生矛盾，全生命周期理論逐步開始引入電網(wǎng)設(shè)備檢修領(lǐng)域。文獻(xiàn)[6]介紹了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下的智能變電站檢修機(jī)制，初步涉及了資產(chǎn)效率的概念。文獻(xiàn)[7-8]提出了基于全生命周期設(shè)備檢修策略中，重點(diǎn)考慮設(shè)備損壞可能引發(fā)的資產(chǎn)效益影響。文獻(xiàn)[9]較為全面地考慮了電力設(shè)備全壽命周期成本，但是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究較少。

全生命周期理論是資產(chǎn)管理的重要方法，在國(guó)外電力市場(chǎng)的實(shí)踐表明該理論對(duì)提升資產(chǎn)運(yùn)行效益具有顯著作用[10]。本文將首先介紹全生命周期理論的基本概念，結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備實(shí)際特征，提出電網(wǎng)設(shè)備檢修效益評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)設(shè)備檢修所涉及的電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)效率和電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于全生命周期理論的電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化方法。最后基于該方法在廣東電網(wǎng)某地區(qū)供電局實(shí)際開放應(yīng)用情況，介紹該方法的實(shí)際使用效益。

1 全生命周期理論與設(shè)備檢修效益評(píng)價(jià)

1.1 全生命周期理論

資產(chǎn)的全生命周期包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、升級(jí)改造直至退役報(bào)廢的整個(gè)過程[11]。資產(chǎn)全生命周期管理就是建立在上述全過程綜合管理的基礎(chǔ)上所提出的一種資產(chǎn)效益管理模式。與傳統(tǒng)模式相比，資產(chǎn)全生命周期管理聚焦于設(shè)備在其整個(gè)生命周期的投資與收益。

按照全生命周期理論，電網(wǎng)設(shè)備的全生命周期費(fèi)用包括初次投入、運(yùn)行維護(hù)、停電損失和報(bào)廢回收四個(gè)部分組成[12]。其中初次投入為規(guī)劃設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)和安裝調(diào)試階段的費(fèi)用總和，一旦投入運(yùn)行就是給定值,報(bào)廢回收則與處置方式有關(guān)，一般也視為給定值。因此全生命周期理論下，電網(wǎng)設(shè)備n全生命周期的價(jià)值Lccn重點(diǎn)考慮其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用Lon和停電損失費(fèi)用Lln兩部分，其關(guān)系可表示為：

Lccn=Lon+Lln

(1)

1.2 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用一般通過等效計(jì)算法得到，即考慮其在同類型設(shè)備平均壽命內(nèi)同等運(yùn)行費(fèi)用水平下的費(fèi)用預(yù)期，可表示為：

Lon=MTTFn×Lo_ave

(2)

式中：MTTFn為設(shè)備n的平均壽命;Lo_ave為同類設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的平均運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，可通過該設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到。MTTFn則需要由該設(shè)備的可靠性函數(shù)Rn(t)計(jì)算得到，可靠性曲線由設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)得到，具體表達(dá)如下：

(3)

式中：t為時(shí)間參數(shù)，計(jì)時(shí)起始時(shí)刻為該設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)。

1.3 設(shè)備停電損失費(fèi)用

設(shè)備停電損失費(fèi)用Lln包含資產(chǎn)損失和電網(wǎng)損失兩部分費(fèi)用。資產(chǎn)損失費(fèi)用一般用同類型設(shè)備故障停運(yùn)后的平均維修費(fèi)用Ll1_ave等效判斷，電網(wǎng)損失費(fèi)用Ll2則重點(diǎn)考慮損失負(fù)荷的等效電費(fèi)，可表示如下：

(4)

1.4 設(shè)備檢修效益評(píng)價(jià)

設(shè)備檢修前后運(yùn)行狀態(tài)變化將導(dǎo)致其可靠性指標(biāo)發(fā)生變化，因此對(duì)于單個(gè)電網(wǎng)設(shè)備檢修工作的價(jià)值可以用檢修前后其設(shè)備全生命周期的價(jià)值變化來衡量，表示如下：

Vn=Lccn'-Lccn

(5)

式中:Vn表示電網(wǎng)設(shè)備n檢修工作價(jià)值;Lccn、Lccn'分別為檢修前后的設(shè)備全生命周期價(jià)值。

2 電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化方法

2.1 優(yōu)化流程

圖1 檢修優(yōu)化實(shí)施流程

基于全生命周期理論下電網(wǎng)設(shè)備檢修價(jià)值評(píng)價(jià)方法，綜合考慮電網(wǎng)運(yùn)行要求和設(shè)備運(yùn)維要求，本文所提出的電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化實(shí)施流程如圖1所示，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、必修任務(wù)確定和基于電網(wǎng)資產(chǎn)檢修效益最大化的檢修優(yōu)化方法三個(gè)步驟。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

與傳統(tǒng)的檢修優(yōu)化相比，本文基于全生命周期理論所提出的檢修計(jì)劃優(yōu)化方法所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大量來源于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而不僅是當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備健康狀況數(shù)據(jù)。所需要的歷史數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析得到平均運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等統(tǒng)計(jì)性分析指標(biāo)。

2.3 必修任務(wù)確定

必修任務(wù)確定是從電網(wǎng)運(yùn)行要求、設(shè)備運(yùn)維要求兩個(gè)維度出發(fā)篩選出數(shù)學(xué)模型優(yōu)化難以覆蓋的關(guān)鍵檢修任務(wù)。所謂電網(wǎng)運(yùn)行要求是指從電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行角度出發(fā)必須開展的檢修任務(wù)，主要表現(xiàn)為檢修工作對(duì)電網(wǎng)后期生產(chǎn)運(yùn)行具有較大影響的工作。設(shè)備運(yùn)維要求是指該檢修工作所涉及的設(shè)備僅在特定的時(shí)間范圍內(nèi)才具備開展檢修的條件。以上兩種情況，設(shè)備的檢修優(yōu)先級(jí)最高，必須首先確定其為必修任務(wù)。

2.4 基于電網(wǎng)資產(chǎn)檢修效益最大化的檢修優(yōu)化方法

在確定必修任務(wù)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步以各設(shè)備的檢修任務(wù)價(jià)值對(duì)檢修工作開展與否進(jìn)行優(yōu)化決策，優(yōu)化模型如下所示：

(6)

2.5 檢修優(yōu)化方法優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)檢修優(yōu)化方法相比，本文所提出的基于全生命周期理論的電網(wǎng)檢修計(jì)劃優(yōu)化方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)從目標(biāo)層面來看，本文所提出的方法是解決檢修工作需要開展的問題，而傳統(tǒng)的檢修優(yōu)化對(duì)所有的檢修任務(wù)無差別對(duì)待，解決的是如何安排檢修工作工期的問題；

(2)從機(jī)制層面來看，本文所提出的檢修優(yōu)化方法綜合考慮了電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)兩方面問題，給出了檢修工作價(jià)值的量化結(jié)果，而傳統(tǒng)的檢修優(yōu)化則僅能解決電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的問題；

(3)從策略層面來看，本文引入了設(shè)備全生命周期理論來解決檢修工作價(jià)值這一核心問題，而傳統(tǒng)的檢修優(yōu)化在考慮電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí)僅能考慮設(shè)備故障發(fā)生概率，對(duì)其后果缺乏進(jìn)一步考慮。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)施效益

3.1 開發(fā)部署

本文所提出的檢修優(yōu)化方法已在我國(guó)某省電網(wǎng)中得到實(shí)際應(yīng)用，下面將分別就系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、技術(shù)路線選擇和系統(tǒng)部署架構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)可檢修計(jì)劃編制人員所提供設(shè)備信息、在線監(jiān)視數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果及檢修決策建議。其功能包括以下幾個(gè)部分：電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)導(dǎo)入；設(shè)備在線監(jiān)視信息查詢；選擇優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)置優(yōu)化參數(shù)；輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，設(shè)置約束條件和電網(wǎng)潮流校驗(yàn)方式；基于風(fēng)險(xiǎn)管理理論對(duì)設(shè)備逐一進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析設(shè)備檢修的必要性；采用改進(jìn)粒子群算法對(duì)檢修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，并顯示每次迭代的設(shè)備檢修工作價(jià)值；檢修計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果查看、導(dǎo)出。

2)技術(shù)路線選擇

技術(shù)路線確定需要研究操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和開發(fā)語(yǔ)言三個(gè)方面。

在操作系統(tǒng)選擇上，目前國(guó)內(nèi)最常用的服務(wù)器端的操作系統(tǒng)平臺(tái)主要有Unix、Linux和Windows等?？紤]到安全性和可靠性，本系統(tǒng)選用Windows Server 2003操作系統(tǒng)。

在數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇上，目前市場(chǎng)上常見的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有Oracle、Sybase和Microsoft SQL Server等幾種。作為管理信息系統(tǒng)最重要的組成部分，要求數(shù)據(jù)庫(kù)在管理功能、完整性檢查和安全性等方面有較好的表現(xiàn)。Oracle采用標(biāo)準(zhǔn)的SQL結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言，可以支持多種數(shù)據(jù)類型，可應(yīng)用于UNIX、Windows/NT和OS/2等多種平臺(tái)，是目前市場(chǎng)評(píng)價(jià)最好的數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，Oracle還能提供基于角色分工的安全保密功能，確保網(wǎng)絡(luò)信息安全，故本系統(tǒng)選用Oracle作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

在開發(fā)語(yǔ)言的選擇上，可用于開發(fā)動(dòng)態(tài)交互式Web服務(wù)器應(yīng)用程序的編程語(yǔ)言有PHP，ASP和JSP等。由于PHP具有豐富的函數(shù)庫(kù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)操作能力，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的效率較高，對(duì)系統(tǒng)資源占用較少，本系統(tǒng)選用PHP作為編程語(yǔ)言。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3)系統(tǒng)部署架構(gòu)

如圖2所示，檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)采用B/S架構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)，通過HTTP傳輸協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，檢修編制人員可登陸安裝在工作區(qū)域的工作站瀏覽使用。

3.2 實(shí)施效益

檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)從研發(fā)部署至今，已實(shí)施運(yùn)行超過3年時(shí)間。在確保電網(wǎng)系統(tǒng)電力可靠、有序供應(yīng)的前提下，顯著地減輕了檢修計(jì)劃編制人員的工作量，同時(shí)為準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備狀態(tài)、合理安排檢修計(jì)劃提供了理論支撐。其實(shí)施效益概括如下：

(1)提高了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。系統(tǒng)通過狀態(tài)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，合理的檢修計(jì)劃有效地降低了該地區(qū)配電網(wǎng)的設(shè)備故障率。

(2)降低了電網(wǎng)設(shè)備檢修成本。與以往的“定期檢修+事后檢修”模式相比，本文提出的電網(wǎng)檢修計(jì)劃優(yōu)化方法能做到有的放矢，避免盲目、頻繁地檢修設(shè)備，降低了電網(wǎng)設(shè)備的檢修成本。

(3)減輕了計(jì)劃編制人員的工作量。電網(wǎng)檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)布置后，檢修計(jì)劃編制人員的主要工作由以往確定檢修方式、檢修時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)置檢修的優(yōu)化目標(biāo)及設(shè)定約束條件，工作量大大減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于全生命周期理論，提出了一種基于設(shè)備檢修工作價(jià)值評(píng)價(jià)的電網(wǎng)設(shè)備檢修優(yōu)化方法。以該方法為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了電網(wǎng)檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于我國(guó)某省地區(qū)電網(wǎng)。本文提出的電網(wǎng)設(shè)備檢修決策輔助服務(wù)系統(tǒng)部署后，該區(qū)域電網(wǎng)安全運(yùn)行水平得到了實(shí)質(zhì)性的提高，在檢修綜合效益提升的同時(shí)人員工作量下降，為優(yōu)化檢修計(jì)劃編制提供了重要的理論支撐。