计及健康评估与风险量化的变压器检修策略_张安安.pdf

计及健康评估与风险量化的变压器检修策略张安安，刘自强，李茜，杨威，蒲彩霞（西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）摘要：为量化检修对变压器健康状况与运行风险的影响，本文中作者提出了一种计及健康评估与风险量化的变压器检修策略制定方法。首先，建立变压器健康评估指标体系，基于健康评估构建表征变压器实时健康状况的可靠性模型；其次，采用恢复函数量化不同检修方式对变压器可靠性的影响，通过等效役龄法确定检修前后的变压器可靠性；然后，分析变压器的运行风险经济，构建合理的检修策略优化模型；最后，采用改进鸽群算法进行迭代寻优，从而确定最优检修方案及检修时间。通过对某变电站变压器的检修策略分析，验证了所提方法的可靠性与准确性。关键词：变压器；可靠性；运行风险；检修策略中图分类号：TM407文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03002907Transformer Maintenance Strategy Considering HealthAssessment and Risk QuantificationZHANG An-an,LIU Zi-qiang,LI Qian,YANG Wei,PU Cai-xia（Southwest Petroleum University,School of electrical information,Chengdu 610500,China）Abstract：To quantify the impact of maintenance on transformer health status and opera-tion risk,this paper proposed a transformer maintenance strategy formulation methodconsidering health assessment and risk quantification.Firstly,the transformer health eval-uation index system is established,and the reliability model representing the real-timehealth status of transformer is constructed based on the health evaluation;Secondly,therecovery function is used to quantify the influence of different maintenance methods ontransformer reliability,and the transformer reliability before and after maintenance is de-termined by equivalent service age method;Then,the operation risk economy of trans-former is analyzed,and a reasonable maintenance strategy optimization model is con-structed;Finally,the improved pigeon swarm algorithm is used for iterative optimizationto determine the optimal maintenance scheme and maintenance time.The reliability andaccuracy of the proposed method are verified by analyzing the maintenance strategy ofa transformer in a substation.Key words：Transformer；Reliability；Operational risk；Maintenance strategy1 引言变压器作为电力系统的关键电气设备之一，其健康状况直接关系到电力供应及社会运作。为提高变压器运行可靠性，亟需针对变压器的潜伏性故障提出科学的检修策略。近年来，国内外专家学者对变压器检修策略的研究重点主要是状态检修，制定检修策略的关键是对变压器的实时运行状态进行准确评估，考虑其检修成本，最终制定合理的检修方案。本文中笔者提出了一种计及健康评估与风险量化的变压器检修策略制定方法。首先考虑运行环境与历史检修的影响，基于健康评估构建变压器运行可靠性模型；其次，分析变压器故障后潜在的检修、系统、环境和人员风险成本，构建变压器风险经济量基金项目:四川省科技计划项目（2020YFQ0038）、四川省科技计划项目（2020YFSY0037）、中央引导地方科技发展专项（2021ZYD0042）TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.011第 60 卷化模型；然后，采用改进鸽群算法制定最优检修策略。最后以某变电站变压器为例进行了算例分析，验证了本文所提方法的可行性与准确性。2 基于健康评估的变压器运行可靠性模型2.1变压器健康评估1）健康评估指标体系表征变压器健康状况的评估指标量众多，为使评估结果能够直观反映变压器故障位置，提高检修决策的准确性，通过分析变压器运行特征并结合相关导则，基于关联规则所建立的变压器健康评估指标体系如图1所示。2）单项评估指标分值计算首先根据综合状态量的相对重要程度，建立判断矩阵如式（1）所示，并按照式（2）检查其完整性。WA=wi，jwi，j+lwi，j+piwi+1，jwi+l，j+lwi+l，j+piwijwi+n-l，jwi+n-l，j+lwi+n-l，j+pi|（1）wik=wijwkj，wij0wij=1wij，wij|0（2）式中，pi表示第i项综合状态量所包含的评估指标个数；wij表示第i项综合状态量的第j个评估指标的重要程度。然后将判断矩阵WA中的元素每行元素相乘得到新向量，再将该新向量的每个分量开n次方得到向量WL，通过经过归一化处理得到权重向量W，得到各评估指标权重ij。最后进行一致性检验，当判断矩阵满足一致性检验，可依次计算各评估指标的权重系数，否则需要对判断矩阵进行调整，直至满足一致性检验。结合实际工程经验与评估导则，评估指标评分值为：xij=yij-yNyN-yf100（3）式中，xij表示第i项综合状态量的第j个评估指标的评分值（当xij0时，令xij=100；当xij0时，令xij=0）；yN、yf、yij分别表示该评估指标的注意值、初始值和监测值。3）综合状态量分值计算根据评估指标评分值以及权重系数，得到综合状态量评分值为：xi=pij=1xijij（4）式中，xi表示第i项综合状态量评分值。为解决变压器评估指标劣化不均衡问题，采用变权重理论结合均衡函数来计算综合状态量的变权重系数vi为：vi=ixi-1qp=1px-1p（5）式中，vi表示第i项综合状态量的变权重系数；q表示综合状态量个数；i表示综合状态量的常权重系数，一般取i=1/q；表示均衡函数，取决于综合状态量的相对重要程度。综上，变压器健康评估评分值为：HI=qi=1xivi（6）式中，HI表示变压器的健康评估评分值。2.2基于健康评估的变压器运行可靠性模型考虑运行环境与历史检修对变压器健康状态图1变压器健康评估指标体系30张安安、刘自强、李茜等：计及健康评估与风险量化的变压器检修策略第 3 期的影响，得到综合健康指数的数学表达式为：TH=HI4m=1am6n=1bn（7）式中，TH表示变压器的综合健康指数；am表示运行环境影响因子；bn表示历史检修记录影响因子。变压器可靠性与运行状态符合指数分布，根据综合健康指数可得到变压器运行可靠性模型的数学表达式为：R（TH）=KeCTH（8）式中，R（TH）表示变压器可靠性；K、C分别表示比例系数与曲率系数；依据变压器健康指数与故障率的统计数据，通过反演法计算可得到K=0.0112，C=0.0451。2.3检修后变压器可靠性分析依据变压器的相关检修导则与规范，目前主要有降额运行、带电检修、小修、大修和退役更换5种检修方式，为衡量不同检修方式对变压器健康状态的影响，采用分段函数作为不同检修方式的恢复函数，其数学表达式为：r（TH）1=0（95，100y1TH60-y16（75，95y1（0，70|（9）r（TH）2=0（90，100y2TH40-y24（50，90y2（0，50|（10）r（TH）3=0（80，100y3TH20-y32（30，80y3（0，30|（11）r（TH）4=y40，100（12）式中，r（TH）1、r（TH）2、r（TH）3、r（TH）4分别表示带电检修、小修、大修和更换设备对健康指数的恢复函数；y1、y2、y3、y4分别表示不同检修方式的恢复值，分别取值95、90、75、100。变压器运行年限与可靠性之间存在着指数关系，其数学表达式为：R（t）=et（13）式中，R（t）表示变压器在此役龄下的可靠性；t表示变压器等效役龄；a、为常数。通过变压器的可靠性模型表达式（8）和表达式（13），可以等到综合考虑健康评估和运行年限的变压器等效役龄为：t=THClnKln（14）3 变压器风险经济量化模型变压器作为电力系统的关键电气设备，运行风险主要包括检修、系统、人员和环境风险，据此本文所建立的变压器风险经济量化模型为：Lloss=Lw+Lx+Ly+Lp+Lh（15）式中，Lloss表示变压器风险经济量化函数；Lw、Lx、Ly、Lp、Lh分别表示变压器故障导致切负荷造成的检修成本、系统风险、运维风险、人员风险和环境风险。3.1检修成本检修成本主要包括材料费用、人工费用和调试费用，其数学表达式为：Lw=（cs+gs+ts）1（16）式中，s=1，2，3分别表示一般性事故、严重性事故和灾难性事故，分别对应变压器的注意、异常和严重运行状态；cs、gs、ts分别表示在不同事故等级下的材料费用、人工费用、调试费用，在一般性事故分别取值为8万元、3万元、1.2万元，在严重性事故分别取值为12万元、6万元、2.4万元，在灾难性事故下分别取值为16万元、10万元、5万元；1表示检修成本的修正系数，由变压器的规格和检修方式决定。3.2系统风险系统风险主要指变压器故障后系统切除负荷所造成的经济损失，其数学表达式为：Lx=SNcosl%fsrs2t1（17）式中，SN表示变压器容量；cos表示平均功率因素；l%表示变压器负载率；fs表示切负荷概率；rs表示故障影响指数，在不同事故等级下分别取值40.38%、17.62%、1.3%；表示单位电量风险值，取=13494.5元/(WMh)；2表示系统损失的修正系数，由变电站与变压器的重要性决定；t1表示不同检修方案对应的切负荷持续时间。3.3运维风险运维风险主要由变压器耗能费用和日常巡检费用组成，其数学表达式为：Ly=（He+Xj）3t2（18）式中，He和Xj分别表示变压器耗能费用和日常巡检费用；3表示运维风险的修正系数，由变压器规格与运行环境决定；t2表示不同检修方案对应的检修时间。3.4人员风险31第 60 卷图2变压器检修策略优化流程人员风险主要根据变压器故障造成的事故等级来进行划分，其数学表达式为：Ly=Ss4（19）式中，Ss表示不同事故等级下的平均人员损失费用，本文分为人员轻伤、重伤和死亡3个安全事故等级，分别取值为3万元、50万元和500万元；4表示人员风险的修正系数，由变电站的重要性和运行环境决定。3.5环境风险环境风险主要根据变压器故障所造成的油泄漏、一氧化碳等有毒气体的释放等环境污染情况来进行划分，其数学表达式为：Lh=Es5（20）式中，Es表示不同事故等级下的平均环境