配電自動化二次設備風險評估與檢修決策研究

夏 寅， 張曉青

( 1. 江蘇北辰冠源電力設計有限公司,江蘇 南京 210014；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

電力企業的迅速發展和配電自動化應用的普及，對配電自動化運行的安全性、穩定性以及運維管理的水平提出了更高的要求。配電自動化設備的檢修方式已逐漸從傳統的計劃檢修向狀態檢修轉變，對配電自動化設備的狀態評價是作為配電自動化系統進行風險評估的基礎與前提，運維人員通過風險評估能夠對配電自動化設備運行中出現的風險以及安全隱患進行預防。由此可見，配電自動化二次設備運行維護中風險評估能夠為電力企業配電自動化日常維護、正常運行、技術以及檢修提供科學合理的決策依據[1-3]。

配網二次設備的風險評估與狀態檢修已在許多地區電網展開了相關研究，目前大多是從繼電保護方面開展二次設備的風險評估或狀態檢修研究，缺少對配電自動化二次設備的研究，并且將風險評估與狀態檢修二者關聯起來的研究和應用較少。

本文以配電自動化終端設備為切入點，考慮其運行特點及對其狀態的影響因素，從設備狀態評價出發，采用量化風險值的方法進行風險評估[4]，提出了以風險損失和檢修成本最小為優化目標，構建檢修決策優化模型，實現了配電自動化二次設備的精益化運維管理。

1 配電自動化二次設備運行風險綜合評估方法

1.1 配電自動化二次設備風險評估流程

配電網運行設備的風險評估主要包含設備自身風險與故障風險，主要對設備的資產值、資產損失度以及設備發生的風險概率等方面進行評估。針對配電自動化系統運行中潛在的風險，將配電自動化二次設備作為風險研究點，可知二次設備在其使用期限內，運行使用的時間與設備發生故障之間的頻率具有一定規律[5]。設備綜合風險評估是基于設備的狀態評價結果進行的，風險的計算以風險值為指標，是設備故障可能損失的總資產與設備發生故障概率二者的乘積[6]，風險評估流程如圖1 所示。

圖1 設備風險評估流程Fig.1 Equipment risk assessment process

1.2 配電自動化設備平均故障概率

(1)

式中：S為根據設備狀態評價結果取其對應的簡化計算量化值；K為比例系數；C為曲率系數。K和C均為與設備種類、運行環境等諸多因素有關的常量，可采用下式進行反演計算：

(2)

式中：N為根據狀態評價方法確定的狀態等級；Mi為評價周期內各等級所對應的設備臺數；Q為評價周期內的故障臺數。

依據設備狀態評價分值將狀態等級i分為正常狀態、注意狀態、異常狀態、嚴重狀態4個等級，并對二次設備分別按照4個狀態等級開展分類統計[8]。在獲得2個統計周期內運行狀態和故障概率統計數據的基礎上，反演計算K和C值。根據某供電公司的配電網2015和2016年2年的配電自動化終端設備的運行情況統計樣本數據，由上述計算方法得出K和C的值分別為8640和0.159 6。選取各狀態等級分值區間的中間值作為簡化計算量化值，通過反演計算得到的故障概率作為設備平均故障率，如表1所示。

表1 設備狀態評價分值和平均故障概率Tab.1 Equipment status evaluation score and average probability of failure

2 配電自動化設備風險評估模型

配電自動化二次設備主要包括繼電保護裝置、二次回路、自動裝置、就地監控、故障錄波和遠動裝置等，導致設備風險隱患的因素主要有：配電自動化終端關鍵硬件故障，包含電源插件、CPU插件、遙測插件、遙信插件、遙控插件等故障；二次回路斷線故障，包含遙測、遙信、遙控回路故障；終端就地保護裝置故障等。

根據風險評估的定義，風險值由設備平均故障概率和可能造成的損失來確定[9]，設備風險損失以量化的風險值為指標，不僅要考慮設備發生故障的可能性，也就是設備發生故障的概率，還要考慮設備故障導致的可能損失的資產，進而研究配電自動化二次設備風險的量化評估模型和風險評估方法[10]。

可能損失的資產是指綜合考慮資產與損失程度得到的潛在損失總量，例如配電終端故障時，不能正常發送遙測量等量測值，導致未能及時監測到某線路重載甚至過載的風險，從而造成配電網運行的故障風險和失負荷風險，因此對二次設備從以下3方面來評估可能損失[11-12]：

(1) 配電網可能損失L1。該損失為二次設備故障對配電網運行的影響程度，可由對應故障產生的過負荷或失負荷的重要程度等因素來決定。

(2) 設備可能損失L2。該損失為二次設備自身的價值損失及故障可能造成的關聯自動化設備的價值損失。

(3) 用戶可能損失L3。該損失為影響用戶的重要級別及各級別的數量。

則某二次設備可能損失值為：

(3)

通過上述方法得到故障損失后，根據設備風險損失的定義，可得出設備在時刻t的風險損失量數學表達式為：

(4)

由于影響設備狀態評價的因素眾多，在確定狀態級別時需要考慮不用影響因素的權重，各因素的權重對設備狀態評價結果起著至關重要的作用。本模型中采用層次分析法給出設備狀態影響因素的權重，層次分析法是根據專家和運行人員的經驗分析不同類型的設備狀態評分影響因素[13]，并對各因素進行兩兩比較，得出設備重要程度的比較判斷值，如表2所示。

表2 設備重要程度比較判斷值Tab.2 Comparison of the importance of equipment to determine the value

考慮到實際設備狀態的不同情況，對設備資產具體取值時，需要根據設備類型的重要程度，加入風險量化計算，得到表達式如式(5)：

(5)

式中：αi為不同設備重要程度的比值。

由式(4)可知，R=1時處于臨界狀態，R=0.5為安全運行區間中值，由此制定配電自動化二次設備運行風險等級分類。根據配電設備的實際影響范圍，可以分為3個等級，其中Ⅲ級屬于正常狀態。設備風險級別劃分如表3所示。

表3 風險等級分類和量化風險值的對應關系Tab.3 Classification of risk level and quantitative risk value

Ⅰ級風險表明設備運行處于危險狀態，風險等級最高；Ⅱ級風險表明設備運行處于警戒狀態，風險等級較高；Ⅲ級風險表明設備運行于安全范圍，風險等級較低。

3 配電自動化系統狀態檢修決策模型

檢修的經濟性與設備風險損失是相互矛盾的兩個方面。降低風險損失需要增加檢修成本的投入，若檢修不足則會造成設備風險損失的升高。以檢修成本和故障風險損失成本之和最小為目標，研究計及風險損失的配網配電自動化設備檢修方式選擇模型[14-15]。檢修計劃決策流程如圖2所示。

圖2 檢修計劃決策流程Fig.2 Maintenance plan decision flow chart

其中，檢修方式的成本包括：直接檢修成本和間接檢修成本。直接成本指檢修活動本身產生的經濟費用，主要包括人工成本、材料成本和機械成本，同類設備的直接檢修成本基本相同[16-20]。直接檢修成本的計算公式為：

(6)

式中：Ca,i為第i類檢修的直接檢修成本。

間接成本指由于檢修活動導致的供電量減少所造成的電費收入損失[18]。其計算公式為：

(7)

式中：Cb,i為第i類檢修的單位時間停電損失；ti為第i類檢修的檢修時間。

因此，檢修成本可以表示為：

C=C1+C2

(8)

為兼顧檢修的經濟性和設備風險，使兩者之間協調達到最大滿意程度，建立的檢修決策的目標函數為檢修成本與設備可能損失之和的最小值，即：

E=min(C+L)

(9)

按照風險值從大到小的序列得出一組檢修計劃排序，同時結合成本費用進行檢修決策的優化。根據電氣二次設備的相關檢修規程和檢驗標準進行整理歸納，將設備檢修分為 A、B、C 3個等級，每個等級對應相應的檢修策略，如表4所示。

表4 檢修類別及對應的檢修內容Tab.4 Maintenance category and the corresponding maintenance content

4 算例分析

以典型饋線自動化(feeder automation，FA) 故障處理手拉手環網配電自動化測試系統為例，如圖3 所示，對檢修模型進行驗證。圖3中，A1—A12 表示柱上開關，其中 A6、A9 為聯絡開關，其余均為分段開關；B1—B15 表示負荷開關。假設分段開關 A5 處的饋線終端裝置(feeder terminal unit，FTU)遙信回路在下一次計劃檢修之前發生故障，未能上送過流信號，可能導致負荷 5～6 因線路某處發生故障后，未得到故障隔離和故障恢復操作而造成的失電損失；若聯絡開關 A6 處的 FTU 遙信回路在下一次計劃檢修之前發生故障，則不能上送過流等故障信號，故障點下游區域均無法得到供電恢復，將導致負荷5～6及7～9 失電損失，可見聯絡開關處的終端發生故障時造成的損失更大。

圖3 配電自動化故障處理測試Fig.3 Test figure of distribution automation fault process

測試圖中對應的負荷情況，如表5所示。

表5 算例負荷數據Tab.5 Load data of example

經查詢天津城南供電公司配電自動化二次設備檢修歷史記錄，得到檢修工程各項費用，進行檢修成本計算。以配電終端FTU為例，分別對柱上開關處的FTU故障損失成本和檢修成本進行計算，假設故障導致負荷失電時間為1 h，由上述計算方法得出設備的故障損失、故障概率以及風險值，如表6所示。

表6 設備的故障損失計算結果Tab.6 Equipment failure loss calculation results

FTU設備的檢修成本統計如表7所示，饋線終端FTU直接檢修成本通常為0.5 萬元/次，由于檢修過程中存在一定的隨機事件，在此設定一個隨機擾動量l，l取0.1 萬元，直接檢修成本可表示為0.5+l。,本案例假設A2、A6、A9處FTU直接檢修成本加入隨機擾動量。

表7 檢修成本計算結果Tab.7 Maintenance cost calculation results

根據表6的風險值由大到小進行排序，并且由總可能損失和表7的總檢修成本求和計算得出 A1—A12 處的 FTU 設備的總損失，如表8所示。

表8 設備檢修計劃排序Tab.8 Equipment maintenance plan

從上述計算結果可以看出，A1—A12處FTU設備風險值均在0.1～0.5之間，風險等級較低，屬于安全運行范圍，可參考C類檢修方式對FTU設備按檢修計劃序列依次進行檢修。如某些FTU設備的風險值較高，則根據損失成本選擇B類或A類檢修方式。當不同設備的計算風險值大小相等或接近時，則以總損失作為參考進行排序，總損失大的有限檢修。此外，從表8中可以看出聯絡開關A6和A9處的FTU發生故障時帶來的風險和總損失相對其他設備較高，因此應重點關注聯絡開關的狀態及檢修方案。

5 結語

本文研究了配電自動化二次設備運行的綜合風險評估方法，建立了配電自動化二次設備風險評估流程，運用對狀態評價和故障概率統計方法得出量化風險指標，結合配電自動化二次設備的檢修成本模型和故障風險成本模型，以綜合成本最小為目標對檢修計劃進行決策優化，盡可能地降低配電自動化二次設備的檢修成本和因不合理檢修可能導致的故障風險，科學安排檢修時間和項目，獲取經濟技術綜合最優的狀態檢修方案，保證配電自動化二次設備安全可靠運行。

參考文獻：

[1] 李 明，韓學山，楊 明，等． 電網狀態檢修概念與理論基礎研究[J]. 中國電機工程學報, 2011,31(34): 43-52.

LI Ming, HAN Xueshan, YANG Ming, et al. Basic concept and theoretical study of condition-based maintenance for power transmission system [J].Proceedings of the CSEE， 2011, 31(34):43-52.

[2] 許 娟，王 品，高 鋒，等． 電力設備狀態檢修技術研究綜述[J]. 電網技術. 2000, 24(8): 48-52.

XU Juan, WANG Pin, GAO Feng, et al. Survey of condition based maintenance technology for electric power equipment [J]. Power System Technology, 2000, 24(8): 48-52.

[3] MOHAMMADNEZHAO-SHOURKAEI H, ABIRI-JAHROMI A, FOTUHI-FIRUZABDA M. Incorporating service quality regulation in distribution system maintenance strategy [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(4):2495-2504.

[4] 馮永青，吳文傳，張伯明，等. 基于可信性理論的電力系統運行風險評估：(二)理論基礎[J]. 電力系統自動化， 2006,30(2):11-15,21.

FENG Yongqing, WU Wenchuan, ZHANG Boming, et al. Power system operation risk assessment based on credibility theory: Part two theory fundament[J]. Automation of Electric Power Systems， 2006,30(2):11-15,21.

[5] 潘樂真，張 焰，俞國勤，等. 狀態檢修決策中的電氣設備故障率推算[J]. 電力自動化設備，2010 ,30(2) :91-94.

PAN Lezhen, ZHANG Yan, YU Guoqin, et al. Prediction of electrical equipment failure rate for condition-based maintenance decision-making[J]. Electric Power Automation equipment, 2010 ,30(2) :91-94.

[6] 馬同濤，李存斌，王建軍. 配電網運行風險的動態評估組合模型[J]. 華東電力，2014,42(6):1109-1114.

MA Tongtao, LI Cunbin, WANG Jianjun. Dynamic assessment combined model of power distribution operational risk[J]. East China Electric Power，2014,42(6):1109-1114.

[7] 吳 姜，曹建東，張 弛，等. 二次設備量化評估中故障概率的計算方法[J].電力系統及其自動化學報, 2012,24(6):79-82.

WU Jiang, CAO Jiandong, ZHANG Chi, et al. Calculation of failure probability in status assessment of secondary equipment[J]. Proceedings of the CSU-EPSA,2012,24(6):79-82.

[8] Q/GWD 645—2011配網設備狀態評價導則[S]．

Q/GWD 645—2011 Guidelines of condition assess-ment for electric distribution network equipment[S].

[9] 劉曉燕. 基于全壽命周期管理的電力設備狀態檢修成本研究[J]. 江蘇電機工程，2016,35(5), 74-76.

LIU Xiaoyan. Study on electrical equipment condition-based maintenance cost with life cycle cost theory[J]. Jiangsu Electrical Engineering,2016,35(5), 74-76.

[10] 劉若溪，張建華，吳 迪. 基于風險理論的配電網靜態安全性評估指標研究[J]. 電力系統保護與控制，2011,39(15):91-95.

LIU Ruoxi, ZHANG Jianhua，WU Di. Research on static security index of distribution network based on risk theory[J]. Power System Protection and Control, 2011,39(15):91-95.

[11] 黃明輝，蔡澤祥，曹建東,等. 電力系統二次設備風險評估模型和方法[J]. 廣東電力,2012,25(2):5-8.

HUANG Minghui, CAI Zexiang, CAO Jiandong, et al. Risk assessment model and method for secondary equipment in power system[J].Guang Dong Electric Power, 2012,25(2):5-8.

[12] 栗 然，王飛飛，李增輝. 基于風險評估的配電網檢修決策優化[J]. 電力自動化設備，2013, 33(11): 1-8.

LI Ran，WANG Feifei，LI Zenghui. Maintenance decision making optimization based on risk assessment for distribution system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(11):1-8.

[13] 秦建光，劉 恒，陶文偉，等. 電力系統二次設備狀態檢修策略[J]. 廣東電力, 2011, 24(1):24-27.

QIN Jianguang, LIU Heng, TAO Wenwei, et al. Status-oriented maintenance strategy for secondary equipment in power system [J]. Guangdong Electric Power, 2011, 24(1):24-27.

[14] 李存斌,李 鵬，除龔曙． 基于模糊數相似度的智能電網運營風險綜合評價[J]. 華東電力, 2012,40 (9): 1486-1489.

LI Cunbin, LI Peng, CHU Gongshu. Comprehensive evaluation of operational risk of smart grid based on fuzzy number similarity [J]. East China Electric Power, 2012,40 (9): 1486-1489.

[15] 霍明雷，劉 艷，楊 林. 計及風險損失的配電設備檢修方式選擇[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(19):100-106.

HUO Minglei, LIU Yan, YANG Lin. Maintenance mode selection of power distribution equipment considering the loss of risk[J]. Power System Protection and Control, 2014 ,42(19) :100-106.

[16] 胡文堂，高勝友，魯宗相，等. 利用設備風險評估的檢修策略優化[J]. 高電壓技術，2010,36(11):2699-2704.

HU Wentang, GAO Shengyou, LU Zongxiang, et al. Maintenance strategies optimization of equipment using risk assessment[J]. High Voltage Engineering, 2010,36(11):2699-2704.

[17] 仲偉寬，徐 敏，孫天宇，等． 二次系統狀態檢修技術在智能變電站中的應用[J]． 江蘇電機工程，2012,31(1):14-15.

ZHONG Weikuan, XU Min, SUN Tianyu, et al. Application of CBM method on secondary system in smart substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering,2012,31(1):14-15.

[18] 彭建宇,李春來,劉皓明,等. 分布式發電運維模式分析[J]. 電力需求側管理,2016,18(2):21-25.

PENG Jianyu, LI Chunlai ,LIU Haoming, et al. Analysis on operation and maintenance modes for distributed generation[J]. Power Demand Side Mangment, 2016,18(2):21-25.

[19] 楊曉輝，尹玉君，寇曉適. 基于風險評估的特高壓受端電網輸電設備檢修策略研究[J]. 電力工程技術，2017,36(2).

YANG Xiaohui, YIN Yujun , KOU Xiaoshi. Research on the maintenance strategy of UHV receiving power grid transmission equipment based on risk assessment[J]. Electric Power Engineering Technology,2017,36(2).

[20] 劉順桂,楊佳駒,王 磊. 考慮用戶用電特性的基線負荷計算方法[J]. 電力需求側管理,2016,18(3):17-22.

LIU Shunjia, YANG Jiaju ,WANG Lei. Baseline load calculation with considering customer different electrical characteristics. Power Demand Side Mangment, 2016,18(3):17-22.