基于量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的電力變壓器狀態(tài)檢修決策研究

李 杜，雷 軍，萬(wàn) 鵬

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，湖北 武漢 430019；2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077；3.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

隨著中國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)容量的不斷增大，用戶對(duì)供電可靠性的要求不斷提高，電力變壓器維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的定期檢修模式逐漸暴露出檢修過剩和檢修不足的弊端。針對(duì)傳統(tǒng)的定期計(jì)劃?rùn)z修的盲目性導(dǎo)致的維修資源極大浪費(fèi)以及維修不足導(dǎo)致的安全性問題，狀態(tài)檢修開始逐步進(jìn)入電力企業(yè)的維修管理[1-2]。

狀態(tài)檢修是一種較定期檢修方式更能降低維修成本、縮短檢修停電事件的檢修方式。維修的針對(duì)性、科學(xué)性大大加強(qiáng)，檢修決策主要是針對(duì)單臺(tái)電力設(shè)備。文獻(xiàn)[3-4]提出了以可靠性為中心的電力設(shè)備維修方法（Reliability Centered Maintenance，RCM）；文獻(xiàn)[5-6]在RCM方法的基礎(chǔ)上，利用一種坐標(biāo)化的技術(shù)，同時(shí)考慮了“設(shè)備狀態(tài)”與“設(shè)備在電網(wǎng)中的重要性”這2方面因素，并將該方法應(yīng)用于高壓斷路器的檢修。以上方法，雖然在維修科學(xué)性上有了很大改進(jìn)，但對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)定量化處理方面仍顯不足，在處理多臺(tái)變壓器的檢修決策時(shí)可操作性存在很大的局限性。

本文提出基于量化風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算的電力變壓器狀態(tài)檢修模型，對(duì)已有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中平均故障率做了調(diào)整，科學(xué)合理地量化了故障導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失。該模型不僅使維修決策更加經(jīng)濟(jì)科學(xué)，而且大大增強(qiáng)了狀態(tài)檢修的可操作性。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的電力變壓器檢修流程

風(fēng)險(xiǎn)的定義是后果及其發(fā)生的可能性[7]。對(duì)于電力變壓器而言，其風(fēng)險(xiǎn)包括變壓器自身面臨的風(fēng)險(xiǎn)和變壓器故障可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。在狀態(tài)檢修工作流程中，首先是對(duì)變壓器的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，得到變壓器發(fā)生故障的可能性，然后進(jìn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最后根據(jù)計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)值的大小和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定變壓器的狀態(tài)檢修次序和項(xiàng)目，完成整個(gè)變壓器狀態(tài)檢修的風(fēng)險(xiǎn)決策。完整的電力變壓器狀態(tài)檢修決策流程如圖1所示。

圖1 電力變壓器狀態(tài)檢修決策流程

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算公式

電力變壓器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，評(píng)估變壓器出現(xiàn)故障的可能性以及變壓器面臨的和可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，風(fēng)險(xiǎn)可以從設(shè)備損失、人身安全損失、環(huán)境損失、電網(wǎng)安全損失4個(gè)獨(dú)立的方面來進(jìn)行計(jì)算。因此，變壓器總風(fēng)險(xiǎn)值可以表示為：

式（1）中：P為變壓器的平均故障率；Ci為上述的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)損失值；Wi為風(fēng)險(xiǎn)損失對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

3 平均故障概率P的計(jì)算

目前，針對(duì)設(shè)備故障概率的計(jì)算已開展了很多的研究，涉及浴盆曲線、weibull分布、最小二乘法等手段相結(jié)合的設(shè)備故障率計(jì)算[9-11]，這些手段主要考慮設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和設(shè)備故障率之間的關(guān)系，而缺少對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的考慮。對(duì)于電力行業(yè)的狀態(tài)檢修，僅僅考慮設(shè)備的運(yùn)行年限而利用浴盆曲線推算設(shè)備故障率是不科學(xué)的，為此提出根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)推算故障率的方法，利用設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)獲得設(shè)備狀態(tài)健康值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，按一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系確定設(shè)備的平均故障率P[12]。

設(shè)備平均故障率P的計(jì)算式為：

式（2）中：K為比例系數(shù)；HI為設(shè)備狀態(tài)健康值；C為曲率系數(shù)。

其中，K、C通過對(duì)設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算得到。

變壓器狀態(tài)健康值HI反映的是變壓器的運(yùn)行狀態(tài)的健康程度，可以由變壓器的狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果推算出來，文獻(xiàn)[12]提出了一種HI與狀態(tài)等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)對(duì)應(yīng)的變壓器狀態(tài)健康值的取值區(qū)間分別為90～100、60～89、30～59、0～29，計(jì)算中一般取它們的平均值。這樣的取平均值的算法大體上可以反映不同狀態(tài)等級(jí)變壓器的狀態(tài)健康值，卻沒有區(qū)分同一狀態(tài)等級(jí)的變壓器的健康程度。為了很好區(qū)別同一狀態(tài)等級(jí)的變壓器的健康程度，在這里根據(jù)變壓器狀態(tài)量、部件的狀態(tài)等級(jí)，引入以下計(jì)算公式：

式（3）中：n4為單一項(xiàng)扣分到嚴(yán)重狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n3為單一項(xiàng)扣分到異常狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和。

當(dāng)5（n4－1）+n3≥30，健康值=0。

式（4）中：n3為單一項(xiàng)扣分到異常狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n1為單一項(xiàng)扣分到注意狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n2為部件合計(jì)扣分到注意狀態(tài)的部件數(shù)量總和。

當(dāng)5（n3－1）+（n1+n2）≥30，健康值=30。

式（5）中：n1為單一項(xiàng)扣分到注意狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)量總和；n2為部件合計(jì)扣分到注意狀態(tài)的部件數(shù)量總和。

當(dāng)（n1+n2－1）≥6，健康值=60。

4 風(fēng)險(xiǎn)損失的計(jì)算

電力變壓器發(fā)生故障導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)可以從變壓器資產(chǎn)、人身安全、環(huán)境安全、電網(wǎng)安全損失4個(gè)方面來表示。目前，變壓器發(fā)生故障導(dǎo)致人身安全事故的案例很少，人的生命也很難用金錢去衡量，變壓器故障造成的環(huán)境污染比較輕微，相對(duì)于電網(wǎng)安全損失和變壓器資產(chǎn)損失可以忽略不計(jì)。因此，本文主要考慮從變壓器資產(chǎn)損失和電網(wǎng)損失的角度去量化風(fēng)險(xiǎn)損失。

4.1 變壓器資產(chǎn)的損失量化

變壓器的資產(chǎn)損失可以用變壓器損壞的程度來表示，不同的狀態(tài)等級(jí)下故障概率和變壓器自身的資本價(jià)值大致可以表示變壓器的損壞程度。因此，在故障概率已知的情況下，可以用變壓器的價(jià)格來量化變壓器的資產(chǎn)損失。即以變壓器的購(gòu)置價(jià)格來表示。變壓器的購(gòu)置價(jià)格如表1所示（該數(shù)據(jù)來源于《南方電網(wǎng)公司2011年電網(wǎng)工程主要設(shè)備及材料指導(dǎo)價(jià)格》）。

表1 變壓器的購(gòu)置價(jià)格

以35 kV變壓器的資產(chǎn)損失值為標(biāo)幺值1，按照價(jià)格的比例大小，即可得到其他電壓等級(jí)的資產(chǎn)損失值。資產(chǎn)損失值的相對(duì)大小如表2所示。

表2 資產(chǎn)損失值的相對(duì)大小

4.2 電網(wǎng)損失的量化

由于電能總是從高電壓等級(jí)主變向低電壓等級(jí)主變逐層擴(kuò)散傳遞，不同電壓等級(jí)之間主變臺(tái)數(shù)的平均容量比，間接反映了不同電壓等級(jí)發(fā)生事故事件時(shí)電網(wǎng)損失的相對(duì)大小。不同等級(jí)的變電容量如表3所示。

表3 不同等級(jí)的變電容量

以35 kV主變電網(wǎng)損失為1，計(jì)算各電壓等級(jí)損失。35 kV及以上電壓等級(jí)主變電網(wǎng)損失量如表4所示。

表4 35 kV及以上電壓等級(jí)主變電網(wǎng)損失

在電網(wǎng)損失的計(jì)算方面還應(yīng)考慮到變壓器在電網(wǎng)中的重要度，它將變壓器所處的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用戶等級(jí)等等因素都包含在內(nèi)。變壓器的重要程度可以通過它所屬的變電站的重要程度來大致表示。以一般變電站的重要度為標(biāo)幺值1，重要變電站的重要度系數(shù)為1.2，樞紐變電站的重要度系數(shù)為1.5。

4.3 資產(chǎn)損失權(quán)重的計(jì)算

資產(chǎn)損失的權(quán)重值可以根據(jù)電網(wǎng)事故中，設(shè)備自身價(jià)值的損失跟電網(wǎng)損失的比值來確定。

依據(jù)南方電網(wǎng)《電力事故（事件）調(diào)查規(guī)程》中電網(wǎng)事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，事故事件分為9個(gè)等級(jí)：特別重大事故、重大事故、較大事故、一般事故、一級(jí)事件、二級(jí)事件、三級(jí)事件、四級(jí)事件、五級(jí)事件。電力安全事故事件的減供負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 電力安全事故事件減供負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備損失直接取各級(jí)別事故的直接經(jīng)濟(jì)損失值，電網(wǎng)損失以減供電量計(jì)算，取平均電價(jià)0.6元，平均每次停電時(shí)間4.6 h（2012年截至12月25日，平均每次事故事件停電274.66 min），都取下限值進(jìn)行比較。事故等級(jí)與設(shè)備損失及電網(wǎng)損失對(duì)應(yīng)表情況如表6所示。

表6 事故等級(jí)與設(shè)備損失及電網(wǎng)損失

計(jì)算事故造成的設(shè)備損失總和跟電網(wǎng)損失總和，它們的比值為2.64，即變壓器資產(chǎn)損失和電網(wǎng)損失的權(quán)重為7∶3。

5 基于量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的檢修決策

設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終目的是輔助維修決策。基于量化風(fēng)險(xiǎn)值的狀態(tài)檢修決策即是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值的大小和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定設(shè)備維修的次序和時(shí)間。選擇風(fēng)險(xiǎn)最大的設(shè)備優(yōu)先維修，風(fēng)險(xiǎn)很小的設(shè)備可以延長(zhǎng)維修的周期，這樣能最大程度地節(jié)省維修資源與費(fèi)用。在對(duì)大量的變壓器進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和實(shí)際狀態(tài)檢修決策的對(duì)照下，總結(jié)出一個(gè)如表7所示關(guān)于變壓器風(fēng)險(xiǎn)值、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及維修決策的表格，根據(jù)表中內(nèi)容就能直接明了地做作出檢修決策。

表7 變壓器風(fēng)險(xiǎn)值與維修決策

6 實(shí)例分析

6.1 基本情況

本文在某地區(qū)中某些變壓器原始數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行巡視數(shù)據(jù)及電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，選取5臺(tái)變壓器按照文獻(xiàn)[12]的狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)，變壓器基本情況和狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

表8 變壓器基本情及和狀態(tài)評(píng)價(jià)

由于變壓器有5個(gè)部件，八十幾個(gè)狀態(tài)量，數(shù)量較多，本文就不一一羅列每個(gè)狀態(tài)量的數(shù)據(jù)，只給出狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果：變壓器A有3個(gè)狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個(gè)部件的合計(jì)扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器B有4個(gè)狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個(gè)部件的合計(jì)扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器C有3個(gè)狀態(tài)量處于異常狀態(tài)，3個(gè)狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個(gè)部件的合計(jì)扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器D有4個(gè)狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，2個(gè)部件的合計(jì)扣分達(dá)到注意狀態(tài)；變壓器E有4個(gè)狀態(tài)量處于異常狀態(tài)，4個(gè)狀態(tài)量處于注意狀態(tài)，1個(gè)部件的合計(jì)扣分達(dá)到注意狀態(tài)。

6.2 風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算

根據(jù)該地區(qū)近兩年的狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到K、C的值分別為0.115 4、0.059 1。由狀態(tài)評(píng)價(jià)的結(jié)果可計(jì)算出變壓器的狀態(tài)健康值HI。5臺(tái)變壓器的狀態(tài)健康值HI分別為75、70、46、65、40。

由公式（2）計(jì)算出5臺(tái)變壓器的平均故障率，分別為：PA=1.37×10-3，PB=1.84×10-3，PC=7.61×10-3，PD=2.48×10-3，PE=1.09×10-2。

將變壓器的平均故障率以及資產(chǎn)損失的量化值代入公式（1）進(jìn)行求解，得到變壓器的風(fēng)險(xiǎn)值，分別為：R（A）=0.935，R（B）=0.474，R（C）=1.798，R（D）=0.182，R（E）=0.762。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值的大小，得出變壓器的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，變壓器D的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅴ級(jí)，變壓器B、E為Ⅳ級(jí)，變壓器A為Ⅲ級(jí)，變壓器C為Ⅱ級(jí)。

6.3 基于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的檢修決策

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的級(jí)別，安排變壓器檢修的次序和項(xiàng)目。變壓器C的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)描述為不期望發(fā)生，需要立即采取糾正措施，應(yīng)當(dāng)立即檢修變壓器C，可能需要大修，加強(qiáng)對(duì)它的運(yùn)行維護(hù)。變壓器A的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別是Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)描述為可接受，需要采取措施進(jìn)行糾正，在檢修資源充足的情況下，對(duì)變壓器A進(jìn)行小修。變壓器B、E就暫時(shí)不需要進(jìn)行檢修，只需加強(qiáng)對(duì)它們的巡視就行。變壓器D的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為Ⅴ級(jí)，可接受，不需要特別關(guān)注。

7 結(jié)論

本文提出了基于量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的變壓器檢修決策的方法理論和流程，將風(fēng)險(xiǎn)用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表示，通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的分析進(jìn)行具體的量化，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大小，進(jìn)行變壓器的狀態(tài)檢修決策。該方法客觀合理，具有針對(duì)性，合理利用了檢修的人力物力，大大提高了電力變壓器的安全運(yùn)行和維護(hù)，通過不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，合理明了地規(guī)劃好維修的次序和項(xiàng)目，避免了計(jì)劃?rùn)z修的盲目性和資源的浪費(fèi)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。