變電站繼保設備智能運檢能力評價模型與方法

劉世丹，陳橋平,李一泉,劉琨，王育學，江鏈濤，梁遠升，李海鋒

(1.廣東電網有限責任公司RTDS繼電保護仿真重點實驗室(廣東電網有限責任公司電力調度控制中心)，廣東 廣州 510600；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641)

繼電保護是電網安全穩定運行的第一道防線，運維檢修是確保繼電保護裝置及回路正確性、可靠性的必要手段[1-3]。當前，運維工作主要依靠人工進站開展，受執行人技能水平、工作效率影響很大，運維質量無法保障。此外，在電網規模不斷擴大與智能電網的轉型升級的背景下，繼電保護運維人員和專業管理人員工作量激增[4-5]。

在保證電網安全穩定運行的同時，對于風險較低、運行狀態良好或具備在線狀態監測手段的部分變電站或部分間隔逐步試點、推行實施差異化運維策略，是改善繼保運維質量與現狀的有效措施[6]。廣東電網由于受臺風氣候災害頻發等客觀因素的制約，全面升級智能變電站的難度大、周期長；目前正處于智能變電站與常規變電站并存的階段，同時還有部分存量常規變電站的繼保設備老舊；各變電站的智能化程度水平參差不齊，能夠實施的運維策略也有所差異。因此，需要構建一個變電站繼保設備智能運檢能力評價體系，作為實施差異化運維策略的前提和依據。

目前，國內外關于變電站的評價主要集中在繼保設備狀態評價[7-8]、運行風險評估[9-10]與變電站的智能化程度[11-12]等單個因素評價領域。文獻[13]將設備運行維護作為一個重要的指標維度，從而構建了智能變電站成熟度評價體系。文獻[14] 從生產運行管理指標和設備狀態統計管理指標兩方面分析智能站的基本運行管理模式。而對于變電站繼保設備智能運檢能力評價，需要綜合考慮變電站智能化水平、繼保設備狀態、廠站風險等多個因素，且基于專家決策的定性指標較多，以上研究所建立的評價體系與方法無法適用。隨著科學理論不斷地創新和實踐的深入，綜合評價方法越來越多地在電力領域得到運用，主要包括層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)、熵權法、模糊綜合評價法[15]、灰色關聯分析法[16]等。其中，AHP[17-18]由于將人們的實踐經驗和直覺等轉化為對各因素的定量分析，從而將復雜的決策問題轉化為簡單的數學問題，具有簡單易行、可進行一致性檢驗等優點，從而得到更為廣泛的應用。但AHP具有主觀性強的缺點，通過熵權法對AHP得到的權重進行修正，可消除主觀性的影響，從而避免單一權重賦值的弊端[19]。

為此，從運維設備技術、需求、效益、繼保設備風險狀態、廠站風險狀態和人員6個維度構建變電站繼保設備智能運檢能力評價指標體系與數學模型，采取AHP和熵權法確定指標權重，提出一種變電站繼保設備智能運檢能力評價方法。基于該評價模型與方法對多個典型變電站進行能力評價，通過對評價結果進行分析，發現各變電站的薄弱環節，為差異化智能運維策略的應用提供理論依據和指導工具。

1 變電站繼保設備智能運檢能力評價指標體系

構建變電站繼保設備智能運檢能力評價指標體系是綜合評價的基礎，應能客觀、全面、科學地反映變電站實行繼保設備智能運維策略的能力。對于繼電保護運維策略來說，滿足廠站需求、性能完備、經濟高效的運維設備技術，數量充足、經驗豐富的運維人員，以及狀態健康良好、事故風險損失小的繼保設備均是推動能力達標的重要因素。綜合考慮運維作業、設備和運維人員3個方面的廠站基礎條件，經過咨詢電力專家及變電站運行、管理、設計人員，通過對比、分析、篩選，建立變電站繼保設備智能運檢能力評價體系，見表1。

表1 變電站繼保設備智能運檢能力評價體系Tab.1 Evaluation system of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substation

該評價體系從變電站的運維設備技術、需求、效益、繼保設備風險狀態、廠站風險狀態和人員共6個維度、17個具體指標綜合分析變電站繼保設備的智能運檢能力。

1.1 運維作業因素

運維作業因素包括運維設備技術、廠站運維需求以及運維策略優化可能帶來的效益提升3個指標維度。

1.1.1 運維設備技術維度

變電站是否具備數量充足、狀態可靠、功能完備的智能運維設備技術，決定變電站所能實施的運維策略智能化水平的上限。為了衡量廠站運維設備技術的智能化水平，需獲取包括運維設備性質、運維設備技術覆蓋率、運維設備功能配置、運維設備狀態、通信通道狀態等指標數據。

a)運維設備性質指標K：主要反映變電站運維設備技術的智能化程度。運維設備性質直接影響運維策略的制訂，且運維設備技術指標維度中其余具體指標都是在運維設備性質的基礎上進行評分，因此將K作為不同的運維設備性質等級的分級系數。針對智能站與常規站共存的現狀，將運維設備性質劃分為3個等級：①二級，具備智能錄波器和智能運維主站，滿足當前遠方設備運檢能力的最高技術要求，K=1.0；②一級，具備滿足在線監測要求的103規約主站與站端檢測設備，滿足當前遠方設備運檢的基本技術要求，K=0.6～0.9；③零級，不具備上述設備，不滿足遠方設備運檢的基本要求，K=0～0.5。

b)運維設備技術覆蓋率指標U11：主要反映可以通過具備的運維設備技術實現相關運維功能的繼保設備比例。

c)運維設備功能配置指標U12：反映變電站運維設備是否配備完備的二次設備狀態監測、二次系統可視化、智能定檢和不停電傳動等功能。

d)運維設備狀態指標U13：主要反映運維設備的軟、硬件的健康狀態，可通過軟、硬件設備故障率來評價。

e)通信通道狀態指標U14：主要反映變電站的信息開放程度和信息共享程度，可通過通信通行率和主子站通信中斷時間等定量指標進行評價。

1.1.2 需求維度

隨著電網規模的不斷擴大，面對數量與日俱增的二次設備、繁瑣復雜的工作流程和費時費力的進站路程，缺員嚴重的繼電保護運維班組承擔著更重的工作壓力。

a)進站運維難度指標U21：主要反映進站往返路程耗時和交通路況等情況。

b)人員勞動強度指標U22：可通過人均維護設備數量的定量指標來評價。

1.1.3 效益維度

調整設備運檢策略帶來的效益主要體現在：

a)減少停電損失指標U31：主要針對優化運維策略實施可能造成的設備計劃檢修、故障消缺停電時間降低與經濟損失減少等方面進行評價。

b)節約人力成本指標U32：主要針對優化運維策略實施可能帶來的人員工作效率提升、工作量降低、人員需求量減少等方面進行評價。

1.2 設備因素

設備因素包括繼保設備風險狀態和廠站風險狀態2個指標維度。設備狀態是風險評估的基礎，間接反映著廠站事故發生的風險概率，結合廠站風險事故可能造成的損失程度，可以客觀反映變電站的風險管控難度。風險管控難度越大，評價得分應越低，新的運維策略的制訂需更加保守。

1.2.1 繼保設備風險狀態維度

為了綜合評價繼保設備的風險狀態，需獲取包括間隔全檢情況和繼保設備狀態在內的具體指標數據。

a)間隔全檢情況指標U41：主要反映上一評價周期內變電站的間隔全檢開展情況。

b)繼保設備狀態指標U42：旨在反映繼保設備的運行狀態及其發生故障的概率，該指標主要對處于非正常運行狀態的繼保設備數量進行評價。

1.2.2 廠站風險狀態維度

為了科學衡量因繼保設備的不正確動作而造成的廠站風險事件影響，需獲取反映風險事件損失程度的指標數據，包括廠站電壓等級、電力安全事件等級、一次設備狀態。

a)廠站電壓等級指標U51：廠站主保護的電壓等級越高，除繼電保護設備自身的價值損失之外，故障可能造成一次設備價值損失更加嚴重，因而風險等級更高。

b)電力安全事件等級指標U52：電力安全事件等級主要對變電站因為繼保設備不正確動作所引起最高的電力安全事件等級進行評價。

c)一次設備狀態指標U53：主要對上一個評估周期內變電站一次設備發生的故障次數進行評價。

1.3 運維人員因素

為了衡量人員素質水平，需要獲取包括智能運維經驗水平和學習創新能力的具體指標數據；考慮到部分變電站根據自身發展規劃以及對新技術的掌握應用，還應包含智能運維人才儲備情況。

a)智能運維經驗水平指標U61：通過變電站具備智能運維經驗的人員比例進行評價。

b)學習創新能力指標U62：可通過本科及以上文化程度的人員比例這一定量指標來評價。

c)智能運維人才儲備情況指標U63：反映變電站的人員培訓與儲備機制的建設與實施情況。

2 變電站繼保設備智能運檢能力評價方法

2.1 變電站繼保設備智能運檢能力評價模型

在評價體系中，運維設備性質指標K作為運維設備技術指標維度總分的分級系數，取值在0～1.0之間，根據運維設備性質等級選取。除了運維設備性質外，其余每項具體指標的評分區間為0～10分，0表示最差，10表示最優。對于定量指標進行量化評分，對于定性指標，采用評議分級打分的評分方法。根據變電站繼保設備智能運檢能力評價體系，構建設備智能運檢能力評價的數學模型

式中：Wi為指標維度Ui的權重；mi為指標維度Ui中的具體指標數量；wij為具體指標Uij的權重；Pij為具體指標Uij的評分；S為變電站繼保設備智能運檢能力的評價結果。

2.2 指標權重計算

通過對變電站繼保設備運維人員、電力專家以及科研工作者進行問卷調查，基于AHP對各指標進行重要性比較，從而建立判斷矩陣，將人的主觀判斷以定量形式表示和處理，并檢驗判斷矩陣的一致性，一致性校驗通過后計算得到指標權重。然后通過熵權法對AHP法得到的權重進行修正[19]，從而得到綜合指標權重，見表2。

表2 各指標的權重Tab.2 The weight of each index

2.3 變電站繼保設備差異化運維策略集合

設備智能運檢能力評價除能輸出評價總分外，還應能支持決策廠站差異化的設備運檢策略，需預先制訂與變電站運檢能力相匹配的運維策略集合。在運維設備性質分級基礎上，制訂差異化運維策略集合：

a)對于滿足運維設備技術覆蓋率高、運維設備狀態良好、功能配置完備、廠站風險等級低、人員素質高等要求的變電站，實施站端設備在線運檢策略。

b)對于運維設備技術不夠完備，但廠站風險較低、繼保設備狀態良好的變電站，可以適當延長定檢周期，簡化定檢內容，如實施“免三年部檢”策略。

c)對于配置條件較差的變電站，不改變原有的“巡視+定檢”傳統運檢策略。

不同等級的運維策略對應的分數區間不同，需要劃分分數線。根據各個運維策略的不同要求，將要實施運維策略必須滿足的硬性指標要求視為必備條件指標，包括二次設備在線監測功能、通道在線率、繼保設備狀態等。必備條件對應的指標按其滿分計算，其余非必備條件按其指標的期望分數值計算，然后可以得到各個運維策略的評估總分期望值。“在線運檢”策略的非必備條件指標評分期望值取8～10分，“免三年部檢”取6～8分，“傳統運檢”取0～6分，代入式(1)，可得不同等級運維設備各個具體策略的期望值，然后以各期望值為參考，選定分值區間，見表3。

表3 差異化運維策略集合Tab.3 Set of differentiated operation and maintenance strategies

最后，根據變電站的運維設備技術等級以及變電站繼保設備智能運檢能力的評價總分，確定變電站的運維策略。另外，通過雷達圖的方式展現各指標維度的評價值，以便發現薄弱環節，指導智能運檢能力的提升。

3 算例分析

以某5個具有代表性的變電站為例進行算例分析。其中，A站和B站為智能變電站，配備智能錄波器和智能運維主站；C站和D站為常規變電站，配備滿足在線監測要求的103規約主站與站端檢測設備；E站為不具備相關運維設備技術的常規變電站。針對這些變電站建立繼保設備智能運檢能力評價指標體系，根據各站的基礎數據，由相關運維人員組成專家組評估得出各個具體指標的得分，并根據式(1)求得各站繼保設備智能運檢能力評估值，并輸出運維策略,見表4，各指標維度雷達圖如圖1所示。

表4 變電站各指標的分值Tab.4 The score of each index of substations

圖1 變電站繼保設備智能運檢能力綜合評價雷達圖Fig.1 Radar chart of comprehensive evaluation of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substations

由圖1可知，5個變電站在需求和效益這2個指標維度的得分都較高，由此可見它們對于實施優化運維策略的迫切程度以及所能帶來的預期效益提升較為顯著。

A站在各個維度的得分均衡，且達到較高水平，可實施最高等級的運維策略。B站雖然也同為智能站，但其運維設備功能配備不完備，且通信通道的狀態較差，使得運維設備技術維度的得分較低，總分明顯低于A站，只能實施較低一級的運維策略。該變電站需加強運維設備技術這一薄弱環節。

C站和D站雖然具備在線監測要求的103規約主站與站端檢測設備，但是由于運維設備狀態較差、覆蓋率不高，以及功能配置不完備等，運維設備技術維度的得分較低，且人員素質較低，無法支持在線運檢策略。總體而言，C站較D站的運維設備更完善，總分明顯高于D站，可實施“免三年部檢”的策略。另外D站的繼保設備狀態較差，存在較大安全隱患，必須實施傳統定檢策略，確保設備穩定運行，規避故障隱患問題的發生。這2個變電站需加快對運維設備技術的升級改進，加強人員培訓、提高人員素質，從而提高智能運檢能力。

E站雖然不具備滿足要求的運維設備，但其繼保設備狀態良好，且事故發生導致的可能損失較低，因此可以適當簡化定檢內容，并延長定檢周期，實施“免三年部檢”的運維策略。

4 結束語

構建變電站繼保設備智能運檢能力評價指標體系與數學模型，結合AHP與熵權法確定指標權重，提出一種變電站繼保設備智能運檢能力評價方法。通過算例分析驗證方法的有效性，所構建的評價模型與方法不僅能夠反映變電站繼保設備智能運檢能力的整體情況，為變電站實施差異化運維策略提供選擇依據，還能夠反映變電站各屬性的發展情況，找出運檢能力的薄弱環節，為差異化智能運維策略的應用提供理論依據和指導工具。