基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修模型研究

何小飛，王 銳，李江陵，童曉陽

（1.國網(wǎng)樂山供電公司，四川 樂山 614000，2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修模型研究

何小飛1，王 銳1，李江陵1，童曉陽2

（1.國網(wǎng)樂山供電公司，四川 樂山 614000，2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

簡要介紹了二次設(shè)備狀態(tài)檢修基本理論，并提出了基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修策略。通過將影響二次設(shè)備運行工況的因素分解為檢測型模糊狀態(tài)量、失效風(fēng)險模糊狀態(tài)量、可靠性模糊狀態(tài)量和改進型模糊狀態(tài)量4類，并分別對以上4類模糊狀態(tài)量進行定義并建模，最后通過模型合成得到狀態(tài)檢修總體評價模型，最后根據(jù)評價結(jié)果制定出檢修策略。并通過實例證明了該方法是可行的，與傳統(tǒng)計劃檢修相比，在設(shè)備可靠性和檢修經(jīng)濟性上具有明顯優(yōu)勢。

二次設(shè)備；狀態(tài)檢修；模糊狀態(tài)量；評估模型

隨著電網(wǎng)發(fā)展，設(shè)備數(shù)量不斷增多，傳統(tǒng)的計劃檢修模式也逐漸無法滿足設(shè)備安全性需求。而隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)發(fā)展使狀態(tài)檢修成為可能。狀態(tài)檢修通過狀態(tài)監(jiān)測手段，診斷設(shè)備健康狀況，從而確定設(shè)備最佳檢修時機［1］。相比計劃檢修，可以減少停運時間，降低檢修費用，提高經(jīng)濟效益。而對于二次設(shè)備，由于目前還缺少足夠有效的在線監(jiān)測手段，因此二次設(shè)備狀態(tài)檢修較一次設(shè)備發(fā)展緩慢一些。

1 二次設(shè)備狀態(tài)檢修原理

1.1 二次設(shè)備狀態(tài)檢修的定義

二次設(shè)備狀態(tài)檢修可定義為：在根據(jù)各類手段監(jiān)測的基礎(chǔ)上，以間隔為單元，根據(jù)分析診斷的結(jié)果科學(xué)安排檢修時間和項目的檢修方式。二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，二次設(shè)備狀態(tài)檢修策略有3個組成部分：實際狀態(tài)信息采集、設(shè)備狀態(tài)診斷方法和狀態(tài)檢修策略應(yīng)用［2］。

1.2 二次設(shè)備狀態(tài)評價策略基本思路

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無疑是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。站內(nèi)二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測可通過日常巡視、紅外測溫、裝置自檢、缺陷消除、家族性缺陷分析等［3］。與一次設(shè)備不同的是二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測不過分依靠傳感器。因此，電氣二次設(shè)備的離線檢測數(shù)據(jù)也是狀態(tài)監(jiān)測與診斷的重要依據(jù)［4］。

2 二次設(shè)備狀態(tài)評價模型建立

2.1 基于模糊狀態(tài)量的二次設(shè)備狀態(tài)檢修評價模型基本理論

根據(jù)二次設(shè)備中各類可能影響到設(shè)備運行工況和使用壽命的因素分析，可將評價模型分解為4類模糊狀態(tài)量：檢測型狀態(tài)量、失效風(fēng)險狀態(tài)量、可靠性狀態(tài)量和改進型狀態(tài)量［5－6］。其中檢測型狀態(tài)量指直接觀測、裝置自檢或儀器檢測到的設(shè)備運行環(huán)境和運行工況的狀態(tài)量，包括設(shè)備的運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等［7－10］；可靠性狀態(tài)量指制造廠家某類設(shè)備可靠性的狀態(tài)量；失效風(fēng)險狀態(tài)量指設(shè)備長時間未檢修后故障發(fā)生概率的狀態(tài)量；改進型狀態(tài)量指設(shè)備性能下降但在改進和完善后能恢復(fù)到正常水平的狀態(tài)量［11］。

2.2 檢測型模糊狀態(tài)量評價模型原理

二次設(shè)備故障主要包括保護裝置故障、輔助裝置故障、自動裝置（總控后臺）故障、交直流系統(tǒng)故障。對樂山供電公司近5年二次設(shè)備在運維和檢修中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行統(tǒng)計，分別包含220 kV、110 kV、35 kV變電站14座、31座、29座。通過變電站近5年來缺陷統(tǒng)計分析情況可得出以下結(jié)論：①相比保護裝置本身，輔助裝置（包括故障錄波、行波測距、交直流系統(tǒng)等）、其他二次回路及元件上缺陷較多；②二次設(shè)備中電源及CPU插件部分的缺陷較多；③二次設(shè)備的缺陷次數(shù)，主要取決設(shè)備出廠質(zhì)量及安裝質(zhì)量。

根據(jù)以上分析，可以將狀態(tài)量劃分為裝置本體（保護、自動化裝置）和二次回路兩部分，具體明細見表1。

表1 檢測型模糊狀態(tài)量及分值

2.2.1 設(shè)備運行環(huán)境狀態(tài)量評價

a.運行環(huán)境溫度溫度評價模型如圖1所示。

根據(jù)溫度采集數(shù)據(jù)，運行環(huán)境溫度評分計算公式為

圖1 運行環(huán)境溫度評價模型

式中：i為采集的次數(shù)；Ki為采集時對應(yīng)的評價分數(shù)，評分K1按圖2規(guī)定執(zhí)行（以斜率計算得分）；n為評價周期內(nèi)總的采集次數(shù)。當評價得分為0分的次數(shù)占總采集次數(shù)10%以上時，該項目不得分。

b.運行環(huán)境溫度評分。根據(jù)溫度采集數(shù)據(jù)，運行環(huán)境溫度評分計算公式同式（1），其中i為采集的次數(shù)；Ki采集時對應(yīng)的評價分數(shù)；n為評價周期內(nèi)總的采集次數(shù)。當評價得分為0分的次數(shù)占總采集次數(shù)30%以上時，該項目不得分。

2.2.2 紅外測溫狀態(tài)量評價

紅外測溫評價模型如圖2所示。根據(jù)要求同一個二次回路不同相別之間的相對溫差應(yīng)該在5℃以內(nèi)。而二次回路紅外測溫評價采用溫度最高點所處同一回路不同相別之間的相對溫差，溫差在5℃內(nèi)為滿分，溫差在5～10℃內(nèi)按比例K下降，溫差超過10℃則得分為0。

圖2 紅外測溫評價模型

評價周期內(nèi)裝置本體和二次回路紅外測溫計算式同式（1），其中i為采集的次數(shù)；Ki為單次巡視時二次回路紅外測溫評分；n為評價周期內(nèi)總的采集次數(shù)。單次測溫異常直接得分為0。

2.2.3 裝置交直流絕緣狀況狀態(tài)量評價

裝置交直流回路絕緣評價模型如圖4所示，根據(jù)要求回路絕緣應(yīng)大于10 MΩ，根據(jù)實測的絕緣電阻數(shù)據(jù)以及絕緣數(shù)據(jù)變化率計算。

評價周期內(nèi)裝置絕緣狀況計算式同式（1），其中，i為采集的次數(shù)；Ki單次采集時對應(yīng)的評價分數(shù)，K1評分標準按圖3規(guī)定執(zhí)行；n為評價周期內(nèi)總的采集次數(shù)。

圖3 交、直流回路絕緣評價模型

2.2.4 裝置數(shù)據(jù)采集狀態(tài)量評價

通過將電流、電壓通道各采樣值與參考值的偏差值來判斷裝置采樣的整體性能，采樣精度計算方法如下：

式中：TAi為保護各通道采樣值，TAi參考為參考測量值。測試時電流應(yīng)大于0.1In。若檢修巡視與例行試驗數(shù)據(jù)同時存在，裝置采樣誤差值取兩者較大值。模擬量采集評分數(shù)K1按圖4規(guī)定執(zhí)行（以斜率計算得分），當負荷電流小于0.1In時，電流模擬量采集不評分。

圖4 裝置模擬量采樣數(shù)據(jù)評價模型

評價周期內(nèi)裝置模擬量采集得分同式（1），其中i為采集的次數(shù)；Ki單次巡視采樣評分；n為評價周期內(nèi)總的采集次數(shù)。開關(guān)量采集評分數(shù)用K2來計算：其中評價周期內(nèi)發(fā)生開入異常得分為0，不發(fā)生開入異常得1分，裝置數(shù)據(jù)采集評分。這樣就可以得到裝置數(shù)據(jù)采集（模擬、開關(guān)量）狀態(tài)量評價得分：

2.2.5 回路銹蝕、封堵、積塵狀態(tài)量評價

對于二次回路中銹蝕、封堵、積塵狀態(tài)量評價基本原理一致，對于銹蝕情況，要求端子排箱無滲水，端子排銹蝕程度＜15%，若端子箱無滲水現(xiàn)象，得4分，有滲水現(xiàn)象，得2分，若端子箱無凝露現(xiàn)象，得4分，有凝露現(xiàn)象，扣2分。對于封堵情況，要求電纜孔洞封堵良好，防火墻和防火涂料齊全，對于積塵情況，如有灰塵，但尚不影響屏內(nèi)、箱體內(nèi)、端子排上標識的辨認，扣2分。如灰塵使保護標識無法辨認，灰塵形成串狀物或即將形成串狀物，扣4分。

2.3 可靠性模糊狀態(tài)量評價模型原理

可靠性模糊狀態(tài)量表明設(shè)備整體可靠度，在評價周期內(nèi)，某廠家同型號產(chǎn)品的故障率高，故障性質(zhì)嚴重，其產(chǎn)品的同型號整體可靠度則差。計算評價周期內(nèi)某廠家設(shè)備的加權(quán)平均缺陷評分：

根據(jù)影響程度裝置缺陷類型一般、嚴重、危急缺陷賦予不同的權(quán)值統(tǒng)計。一般缺陷權(quán)值A(chǔ)1＝1，嚴重缺陷權(quán)值A(chǔ)2＝2，危急缺陷權(quán)值A(chǔ)3＝5。

計算評價周期內(nèi)某廠家設(shè)備的正確動作評分Kt，Kt等于同型號設(shè)備評價周期內(nèi)正確動作次數(shù)乘100除以同型號設(shè)備評價周期內(nèi)動作總次數(shù)：

式中：B1為加速系數(shù)，規(guī)定B1＝10。同型號可靠度評價得分：

2.4 失效風(fēng)險模糊狀態(tài)量評價模型原理

在沒有得到有效驗證的情況下，設(shè)備長時間運行后失效風(fēng)險狀態(tài)量（預(yù)計可靠度）會下降。當失效風(fēng)險狀態(tài)量隨時間的增長（預(yù)計可靠度）下降到一定程度，表明需要對二次設(shè)備的部分或者整體進行例行試驗。失效風(fēng)險狀態(tài)量依據(jù)設(shè)備的最后一次檢驗時間和故障率進行評價。

t時刻裝置本體及其二次回路健康因子指數(shù)等于t時刻的裝置本體可靠度乘t時刻的二次回路可靠度：

式中：λ1為保護裝置本體故障率；t1為最近一次裝置得到完整檢驗的時間，取上一次檢驗時間：

式中：λ2為二次回路故障率；t2為最近一次二次回路得到完整檢驗的時間，取上一次檢驗時間。

保護間隔在t時刻的裝置本體及其二次回路預(yù)計可靠度用以下方式計算：

式中：MTBF為平均無故障時間計算值。該數(shù)據(jù)由廠家提供原始參考，設(shè)備運行中由統(tǒng)計數(shù)據(jù)予以校核，無法獲取初始值時取設(shè)計壽命取值。

2.5 改進型模糊狀態(tài)量評價模型原理

改進型模糊狀態(tài)量反映間隔設(shè)備狀況，包括非家族性缺陷、家族性缺陷、反措。改進型狀態(tài)量得分低表明需要版本升級、更換部件或技術(shù)改造。而裝置運行年限通過評價周期內(nèi)間隔設(shè)備的累計運行時間與同類產(chǎn)品的平均運行年限的比值，得到該設(shè)備與同類產(chǎn)品相比較的相對品質(zhì)優(yōu)劣。對于本間隔裝置的運行年限，同類產(chǎn)品平均運行年限無基準數(shù)據(jù)參考時可取12年。

對于家族性缺陷，存在疑似家族性缺陷得0.6分，存在嚴重家族性缺陷得0.8分，無家族性缺陷或家族性缺陷消除得1分。對于反事故措施，無反措項目得1分，在評價周期內(nèi)應(yīng)完成的反措未完成得0.6分。

2.6 二次設(shè)備狀態(tài)評估模型合成

雙重化配置二次裝置本體和二次回路狀態(tài)評價結(jié)果以間隔總評分匯總輸出。當間隔內(nèi)包含多套保護系統(tǒng)時，可對每套裝置本體及二次回路分別評價，間隔總評價得分取各套保護的最低分，按第二節(jié)的介紹，可將4個狀態(tài)量進行合成，得到一個設(shè)備狀態(tài)評估總模型，計算式為

間隔評價分值＝Min｛第1套裝置本體及二次回路評分值，…，第n套裝置本體及二次回路評分值｝（11）

第n套裝置本體及二次回路評分值＝（檢測型狀態(tài)量×A1＋可靠性狀態(tài)量×A2＋失效風(fēng)險狀態(tài)量× A3）×改進型狀態(tài)量（12）式中：A1、A2、A3為加權(quán)因子，分別取0.4、0.2、0.4。

3 檢修策略確定原則

根據(jù)式（12）計算取得值可將設(shè)備分為以下4個狀態(tài)。

a.健康狀態(tài)：Z≥86，表示設(shè)備處于正常狀態(tài)。

b.亞健康狀態(tài)：71≤Z＜86，表示該狀態(tài)比健康狀態(tài)較差，但設(shè)備仍處于正常，建議此類設(shè)備納入重點巡視范圍。

c.異常狀態(tài)：61≤Z＜70，表示此類裝置一般都是在評價周期內(nèi)出現(xiàn)過問題，但并不嚴重。建議此類裝置納入第二年檢修計劃。

d.嚴重異常狀態(tài)：Z＜60。表示此類設(shè)備已十分危急，應(yīng)立即開展檢修。

4 實例分析

樂山供電公司從2012年起對公司10座110 kV變電站和3座220 kV變電站二次設(shè)備進行基于模糊狀態(tài)量的狀態(tài)檢修應(yīng)用試點，通過近2年的試點應(yīng)用，對于試點變電站的主要二次設(shè)備，通過狀態(tài)檢修應(yīng)用后，2012年和2013年檢修次數(shù)與以往計劃檢修相比，分別減少了42次和43次，據(jù)初步估計，分別節(jié)約了檢修費用共計56萬元和59萬元。而從近2年來設(shè)備運行情況看，以上試點的13座變電站在二次設(shè)備運行情況良好，危急嚴重缺陷次數(shù)較往年有顯著減少，實例證明應(yīng)用該方法達到預(yù)期效果。

5 評價模型應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

在進行狀態(tài)評價時應(yīng)注意設(shè)備評價結(jié)果主要反映元器件等硬件部分的狀態(tài)水平，軟件原理和反事故措施執(zhí)行情況、缺陷情況等也納入到評價范疇。同時應(yīng)注意通過更換插件、二次電纜等措施消除了缺陷的，其狀態(tài)評價中涉及的相關(guān)原扣分可取消，但有關(guān)情況可作為評價結(jié)論調(diào)整的依據(jù)之一。在評價周期方面建議設(shè)備狀態(tài)評價每年至少1次，宜在設(shè)備檢修后增加1次評價，檢修后評價用以檢驗檢修的效果。

6 結(jié)束語

本文針對二次狀態(tài)檢修工作展開研究，在對二次設(shè)備缺陷進行分析基礎(chǔ)上，提出了基于模糊狀態(tài)量的狀態(tài)評價模型，通過實際應(yīng)用，證明了該方法同以往的計劃檢修模式相比，在很多方面有更多優(yōu)越性。樂山供電公司將逐步推廣該方法，同時在實際應(yīng)用中不斷對評價模型優(yōu)化完善，一方面將更多可能影響到設(shè)備運行工況的因素（如電網(wǎng)運行方式等）考慮進去，另一方面探索將現(xiàn)有狀態(tài)量模型用函數(shù)化表示，使得評價模型更科學(xué)合理，更能全面真實反映設(shè)備的運行工況，以便制定出更為科學(xué)經(jīng)濟的檢修策略，使狀態(tài)檢修達到更好效果。

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Research on Secondary Equipment Condition－based Maintenance Based on Fuzzy State Amount

HE Xiao?fei1，WANG Rui1，LI Jiang?ling1，TONG Xiao?yang2
（1.State Grid Power Company，Leshan，Sichuan 614000，China；2.Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China）

This paper introduces the basic theory for secondary equipment condition?based maintenance and proposes multi?state strate?gy based on the fuzzy state amount.The state amounts effecting secondary equipment condition are divided into four categories：detec?ting type，failure risk，reliability，and improvement type.Definitions and modeling is made for them，and finally state maintenance overall weighted synthesis evaluation model is obtained.And maintenance strategy is drawn out according to the results of the evalua?tion.This method is proved to be feasible by examples.As compared，it has advantages in terms of equipment reliability and service economy over traditional planned maintenance.

Multiple state amount；Condition?based maintenance；Assessment model；Maintenance strategy

TM73；TM507

A

1004－7913（2015）04－0006－04

何小飛（1986—）男，碩士，工程師，主要從事二次設(shè)備檢修工作。

2015－01－20）