陈 昊，徐 鹏，谭风雷，张海华

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102）

0 引言

电网作为能源资源优化配置的重要平台和载体，对保障人们生产生活休戚相关。一旦发生电网停电事故，其影响和损失越来越难以估量［1-4］。变电站电气设备作为电网的重要元件，其健康状态直接关系到电网的安全运行水平［5-7］，以站内常见设备断路器为例，据国际大电网会议（CIGRE）研究，每次高压断路器故障会造成高达百万千瓦时的电能损失。在此背景下，基于变电站电气设备健康状态的评估制定最经济检修调试策略［8-10］，是实现电网智能化、保障电网可靠性的核心和基础［11-13］。

文献［14］提出一种基于犹豫模糊矩阵的变电站自动化设备检修优先级决策方法，为调度人员合理编排检修计划提供决策依据；文献［15］提出一种风险评估模型与全寿命周期成本（LCC）相结合的检修决策方法，在有效降低检修风险的前提下提高主变压器检修效率，减小检修维护成本；文献［16］构建运维检修成本调整参数模型，实现各因数下电网设备运维检修成本测算，有助于提高电网企业运维检修作业项目的高效精细化管理水平；文献［17］研制了一款适用于变电站内工作的多功能检修调试工作平台，实现智能供电、带电区域隔离等功能，有效提升了检修调试工作效率和安全性。文献［18］设计了变压器在线监测系统，可有效监测变压器潜伏性故障，提升变压器在线监测的灵敏度。文献［19］针对输变电设备历史缺陷数据和全过程技术监督的问题数据，运用多种手段实现将设备潜伏性故障内容归类特征贴标签，为变电站设备检修调试工作提供相关决策的数据分析依据。上述文献从不同维度对变电站设备检修调试决策进行优化；针对变电站设备潜伏性故障提出了相应的监测手段，为设备运检管理和检修调试决策提供了参考。变电站设备整体健康状态影响着电网的安全运行水平，而现有研究成果极少从变电站设备整体健康度出发针对设备检修调试策略进行优化。本文提出了一种变电站设备整体健康度量化评估方法，并基于该方法研制了变电站智能检修调试系统，为变电站设备检修调试工作优化及决策制定提供参考。

1 变电站设备整体健康度评估方法

变电站电气设备除了具有机械系统的一般特点外，还有运行过程中存在电场、磁场和温度场的复杂相互作用过程，这决定了电力设备主要功能的实现依赖于各功能部件相互作用影响的机械性能、绝缘性能等综合因素［20-24］。

从20世纪50年代起，我国电气设备按照《电气设备预防性试验规程》的要求进行定期的停电试验、检修和维护，并根据试验结果判断设备的运行状态，确定是否可以继续运行［25-28］。传统的状态检修仅能反映设备的当前状态，未有相关的状态评估指标，难以判断其未来运行趋势，难以优化检修调试计划。同时，变电站设备整体健康状态和部件运行状态关联复杂，状态演变规律时变性强，整体健康状态的量化评价难度大［29-32］。因此建立变电站设备状态评估体系，可量化评估其近期、远期健康水平，有助于合理安排检修调试计划，提升工作效率。

这里给出一种变电站设备整体健康度的评估方法。

定义变电站设备处于正常运行状态的概率为P0，出现部件1故障、部件2故障…部件n故障的概率分别为P1，P2，…，Pn。

若每种部件之间故障相互独立，无关联因素，则设备整体健康度定义为P0=（1-P1）（1-P2）…（1-Pn）。

由于变电站设备不同部件相互耦合，存在关联性，即某个部件出现故障或健康度不佳，可能会影响其相关联部件的健康水平。根据现场运行经验，部件之间故障存在关联因素，以部件x、部件y为例。假设部件x单独发生故障的概率为Px，受y部件关联因素影响发生故障的概率为P（x|y），部件x发生故障的总概率为P′x；部件y发生故障的概率为Py，受x部件关联因素影响发生故障的概率为P（y|x），部件y发生故障的总的概率为P′y。

则有式（1）、式（2）

同理，多个部件相互关联影响时，以部件x为例，则有：

定义部件故障之间关联因子为λ，则部件x故障、部件y故障之间的关联因子可以表示为λxy，若部件之间故障毫无关联，则关联因子λxy为0。进一步可得经验关联矩阵A如式（4）所示：

则可得各部件修正后的故障率如式（5）所示：

假定一种设备整体健康度为P0形如：

式（6）中，f(•)为一个关于P′1P′2，…，P′n的凸函数。

以近期（1月）、远期（1年）为界，预判设备近期和远期整体健康度，为设备检修调试计划决策提供依据。

2 智能检修调试系统的研制

由式（6）计算设备的近期整体健康度，记为J，计算设备的远期整体健康度，记为Y。进而定义设备近期健康度阀值FJ，远期健康度阀值FY。根据阀值FJ和FY将设备近期和远期整体健康度预判结果分为四个区域，如图1所示。

区域1：设备近期健康度低、远期健康度低；

区域2：设备近期健康度高、远期健康度低；

区域3：设备近期健康度高、远期健康度高；

区域4：设备近期健康度低、远期健康度高，为无效区域。

定义变电站设备检修调试成本C如式（7）所示。

式（7）中，C1为变电站设备检修调试时间，具体指设备从开始检修到排除故障且能够投入运行所需的时间；C2为检修调试费用包括设备从开始检修到排除故障且能够投入运行所需的人工与设备费用；C3为检修调试资源需求量；C4检修调试其他成本；g(•)为关于C1，C2，C3，C4的凸函数。

考虑检修调试策略制定的动态性，利用（7）分别计算变电站设备的近期检修调试成本和远期检修调试成本，分别极为CJ和CY。经验表明，一般满足：

根据设备整体健康度评估结果以及分区情况，结合检修调试成本，定义健康度-检修调试成本函数H如下式所示。

式（9）中，J为变电站设备近期整体健康度；Y为变电站设备远期整体健康度；CJ为变电站设备的近期检修调试成本，CY为变电站设备的远期检修调试成本；h(•)为关于J，Y，C的凸函数。

定义设备近期、远期检修调试成本阀值分别为FCJ、FCY，根据设备近期、远期健康度阀值及近期、远期检修调试成本阀值建立约束区域，如图2所示。

图2 约束区域Fig.2 The constraint region

对健康度-检修调试成本函数计算结果进行分析。

若近期健康度评估结果落在约束区域内，如图3所示，则定义为I级。应尽快申请停电消除部件故障，防止设备故障扩大危及电网安全。如果距设备停电检修调试时间较长，则需要采取临时加装重症监护系统等措施，监测缺陷发展过程，持续关注运行状况。

图3 I级定级落点Fig.3 The point location of grade I

若近期健康度评估结果未落在约束区域内，则细分为以下四种情况：

远期健康度评估结果落在约束区域内，近期检修调试成本落在约束区域1内，如图4所示，则定义为Ⅱ级。可以结合其他关联设备的更换、检修工作消除隐患。

图4 Ⅱ级定级落点Fig.4 The point location of gradeⅡ

远期健康度评估结果落在约束区域内，近期检修调试成本落在约束区域1以外，远期检修调试成本落在约束区域2以内，如图5所示，则定义为Ⅲ级。可结合周期性检修工作消除部件故障。

图5 Ⅲ级定级落点Fig.5 The point location of gradeⅢ

远期健康度评估结果落在约束区域内，近期检修调试成本落在约束区域1以外，远期检修调试成本落在约束区域2以外，如图6所示，则定义为Ⅳ级。需加强设备运行状态监测，必要时缩短巡检周期。

图6 Ⅳ级定级落点(1)Fig.6 The point location of grade IV(1)

远期健康度评估结果未落在约束区域内，如图7所示，亦可定义为Ⅳ级。可暂不安排检修调试计划，继续对设备运行状况进行监测。

图7 Ⅳ级定级落点(2)Fig.7 The point location of grade IV(2)

基于变电站设备整体健康度量化评估方法，研制变电站设备智能检修调试系统，如图8所示。

图8 智能检修调试系统Fig.8 The intelligent maintenance and debugging system

系统包含健康评估、智能定级两个模块。健康评估模块根据诊断结果，对变电站设备未来运行状态进行预判，评估其近期和远期整体健康度。智能定级模块基于设备整体健康度评估结果和设备检修调试成本函数，对检修调试工作进行智能量化定级。

3 现场验证

以南京地区某500 kV变电站断路器为例，该断路器为220 kV旁路断路器，通过装设多种传感器来获取断路器状态信息。在断路器本体和机构箱加装了SF6传感器、温湿度传感器、振动传感器、行程机械传感器、分合闸及马达电流测量TA以及位置参考节点，实现高压断路器状态感知，如图9。在该断路器旁新建IED柜，装设断路器在线监测装置，实现断路器故障诊断与故障部件定位。通过IED和断路器检修调试平台相连，实现该断路器的整体健康度评估和检修调试工作优化安排。

图9 高压断路器状态的获取Fig.9 Acquisition of high voltage circuit breaker status

以断路器单个故障部件状态为例，绘制断路器部件健康度变化曲线，基于健康度评估方法获取高压断路器整体健康度时变曲线。如果断路器在监测期间内未进行检修，整体状态随时间呈非线性退化，直到进入到I级状态，申请停电检修；如果断路器在监测期间未进入到I级状态的某个时段进行检修，其整体状态能很快恢复到较好的情况，后期断路器整体健康状态更为平稳。

4 结语

本文提出了一种变电站设备整体健康度的量化评估方法，实现了设备近期和远期的整体健康度的预判，研发了变电站智能检修调试系统，实现了变电站设备检修调试工作的量化定级及优化决策。通过判断健康度-检修调试成本函数计算结果是否落在约束区域内，实现了设备近期健康度与远期健康度的合理评估，显著减少变电站内临时停电次数与停电时长，有效降低检修调试成本，给电网企业制定经济合理的消缺计划提供参考。