基于最優綜合成本電氣二次設備檢修決策及應用

王虎進

（大唐碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412）

基于最優綜合成本電氣二次設備檢修決策及應用

王虎進

（大唐碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412）

電氣二次設備的檢修是保障二次回路能夠正常運行的重要內容，傳統的檢修策略方法已經不能夠滿足當下電力設備可靠性、穩定性、經濟性的要求。使用最優綜合成本法對狀態檢修法中的檢修時間進行優化，降低二次設備的檢修成本并避免不合理檢修時間造成的故障，并通過實際案例對優化方法進行驗證，實驗表明獲得較好的實用性。

二次設備；狀態檢修；成本優化；檢修決策

1　概述

隨著經濟的發展，我國的電力事業的規模也在快速的發展。伴隨著電力系統規模的不斷擴大和發展，電力系統中的各個環節在運行中對安全的要求越來越高［1］。電氣設備通常可分為一次設備與二次設備兩種，一次設備主要負責電能的生產與轉換，如各類發電機、變壓器、斷路器等。二次設備主要指對一次設備進行控制、監測以及電能的測量等裝備，如各類測量表、各類自控控制裝置等［2］。

在現代電力系統運行中，電氣一次設備的狀態檢修研究已經成熟，如電抗器，斷路器，變壓器等一次設備利用狀態檢修已經趨于完善。而目前大多數電氣二次設備檢修依然采取定期檢修的方式，這種方式在過去電力系統運行過程中發揮了巨大作用。隨著現代互聯網、通訊技術的發展，定期檢修已經無法滿足時代需求。

雖然狀態檢修已經在二次電氣設備中得到了一定的應用，但在現實使用中依然表現出很多問題。首先，二次設備狀態檢修技術不全面。例如，有些電氣設備在停電檢修與運行中表現出不同的狀態，在停電檢修過程中無法能夠進行有效的發現與排除，電氣二次設備狀態的檢修需要全面的技術作為基礎，一些電氣設備在長時間運行后存在隱患，狀態檢修方法并不能夠發現和排除；其次，二次設備狀態檢修管理不完善，并且一些定期檢修過程中，沒有形成記錄，在后續設備出現故障后，無法判斷定期檢修所起到的作用。并且在對二次設備進行檢修的過程中，要充分的考慮一次設備的運行狀態，形成綜合性的檢修管理，減少檢修次數，提高檢修效果。并且隨著電氣二次設備的數量及維修成本的增加，探索合理可靠的檢修時間以及檢修方法是目前檢修的發展趨勢。

優化檢修策略是目前電氣二次設備檢修過程有減少檢修成本最常用的方式，例如文獻［3］中對檢修策略進行優化，從而提高檢修策略的高效性。筆者利用最優綜合成本的電氣二次設備狀態檢修決策的方法對電氣二次設備進行檢修。首先針對現有的方法的不足，通過構建計劃檢修成本和應急成本的檢修成本模型；然后根據故障率檢測數據的基礎上，建立故障風險成本模型；在電氣二次設備維修過程中通過兩種成本曲線，并定義能夠直接反映成本要素中主導因素的綜合成本，從而確定檢修時間，提高檢修的經濟性，降低故障的風險性。

2　二次電氣設備狀態檢修內涵

狀態檢修時通過對電氣設備的運行狀態對設備是否進行檢修，是具有針對性的主動維修方式［4］。主要是通過電氣設備的歷史運行情況、實驗狀態以及一定周期內的記錄的數據，對設備運行的總體趨勢進行分析，并對下一步設備的運行的狀態進行預測，預估出設備可靠運行壽命，進而確定設備需要檢修的項目以及頻率。

2.1檢修成本模型的構建

目前電網設備實行全壽命周期管理，包括投資成本、運行成本、檢修成本、故障損失成本、報廢回收成本，其中投資成本中包含設備初期的購置和安裝費用。

2.1.1計劃檢修成本

計劃檢修成本在計劃檢修周期固定的情況行優化調節的，其中檢修成本主要由計劃檢修成本和突發性成本兩部分組成［5］。

計劃檢修成本是基本固定的，由直接成本和間接成本構成［6］。直接成本包含檢修過程中體現的使用人工成本、消耗材料成本以及檢修中工具使用的成本。間接成本包括由于檢修造成設備停工而造成的間接經濟損失。根據以上理論，計劃檢修成本可以用式（1）進行表述

其中Adi為i中故障檢修的直接成本，Aid為對二次設備進行檢修過程中造成單位時間中對一次設備造成的損失，與時間的乘積就為檢修過程中造成的間接成本。

2.1.2突發性檢修成本

二次側設備檢修策略類似于一次側設備檢修策略，都具有一定的波動性。在對設備進行狀態監測時，會出現某一設備的風險突然出現故障風險逐步增大的情況，為了防止設備的運行狀況進一步惡化，需要對設備進行提前檢修。對于這種進行緊急檢修所產生的費用這里稱為突發性檢修成本［6］。

突發性檢修成本根據常用的時間-成本平衡原則［7］，二次設備的檢修突發性檢修成本Atf如式（2）所示：

其中，n為計劃的檢修時間從n天開始，t為設備運行中實際檢修時間，t0為運行中計劃檢修時間；k為現實檢修工作中需要最短的檢修時間下應急檢修成本與計劃檢修成本的比值，為日常工作中的經驗值。假如實際工作中檢修開始的時間從n天后開始，則不需考慮突發性檢修成本，否則需計算突發性檢修成本，按照公司的實際運營情況，檢修周期是45d。

則設備的整體檢修成本如式（3）所示，即為計劃檢修成本和突發性成本兩部分成本的和值：

其中Azt表示總體的檢修成本，Aj為計劃檢修成本，Atf為突發檢修成本。

2.2故障風險成本

在二次側設備出現故障時，假如一次設備此時也出現故障時，會出現誤操作等，進而引發聯鎖反應，會使多臺設備都無法正常運行，加大經濟損失。故障概率常用的數學模型為指數函數［8］，如式（4）所示：

式中，S是二次設備根據運行狀態評估得到的狀態評分，K為比例系數，C為曲率系數，是與設備類型及所運行的環境相關，通過設備運行過程中歷史數據進行反演得到。

由電氣二次設備故障發生的概率以及故障造成的損失，故障風險成本的計算數學模型如式（5）所示［9］：

其中pr（t）是第r種故障在t時刻發生的概率，Asy為r中故障發生時所造成的損失。

3　檢修決策的確定

在檢修的過程中，檢修成本與故障風險共同的時間變量t，根據式（1）（3）（5）的成本模型，檢修成本，故障風險成本關于時間t的關系：

檢修成本和故障成本曲線如圖1所示，實線為檢修成本曲線，虛線為故障風險成本曲線，由圖中曲線關系可以看出，在正常運行狀態下，故障風險成本是低于檢修成本的，隨著設備運行時間的增加，檢修成本與故障風險成本的曲線會在時間tn交匯，此刻檢修成本與故障風險成本是相等的。

圖1　成本曲線對應關系圖

在兩中成本曲線交點前，檢修成本占主導因素，而在兩者曲線交點后故障風險成本占主導因素，并且隨著設備運行時間的增加，故障風險曲線在迅速的上升。在文章［10］提到中考慮設備運行檢修的可靠性，定義檢修成本和故障風險成本的最大值為綜合成本，即：

最優檢修時間的計算使用綜合成本為約束，利用基本的數學方法進行尋最優解［11-12］，可得到優化檢修時間。按照數學方法進行計算出的優化檢修時間點為檢修成本曲線與突發性檢修成本的交點。

在最優時間即成本曲線交點的時間進行檢修，能夠得到控制成本并且使突發性檢修成本得到良好的控制，能夠避免風險的增加而造成損失的增加。故交點所對應的時間可以作為安排檢修控制故障風險的時間。

4　實例分析

以甘肅大唐碧口水力發電廠日常設備檢修中的電氣二次回路中的測量裝備檢修為例，例如發電機的軸承外殼溫度、線路溫度、發電機歷次輸入電流電壓的大小，發電機發電輸出的電流電壓大小為等，這些設備在日常工作中需要對現場的裝置狀態進行精確的測量輸出，才能保證設備的正常運行并且不會出現誤動作。參考2015年度歷史檢修數據，現實情況中在應急搶修的突發性成本占計劃檢修成本比例的0.15，二直接檢修下的成本為2600元，需要的間接成本為750元。按照計劃應該在2016 年1月20日進行檢修，根據檢修狀態以及各個檢修成本組成，繪制在未來兩個月內檢修成本和故障風險成本的曲線如圖2所示。

圖2　檢修成本/故障風險成本曲線圖

在圖中觀察得出，在2015年12月10日到2016年1月20日，檢修成本曲線（實線）和故障風險曲線（虛線）的交點在元月份的第14天，而在12月份中并沒有交點，綜合考慮檢修成本的經濟性，所以在12月份不需要安排檢修。在1月份的14出現交點，此刻故障風險成本已經大于檢修成本，為了避免風險系數的提高，需要在此時安排檢修。

5　結語

通過對檢修成本構成進行分析，構建以檢修成本和故障風險成本為基礎的最優綜合成本，對狀態檢修法中的檢修時間進行優化。通過實踐表明，最優成本法能夠降低檢修成本，并且能夠避免不合理的檢修時間造成的損失。

該方法通過對計劃檢修成本、突發性檢修成本、故障風險成本進行分析，以時間t為橫軸確定最優綜合成本檢修策略，具有很大的實時性，能夠較快響應并進行維修。

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