CN102623910B - 一种基于可靠性的开关设备维修决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可靠性的开关设备维修决策方法；针对现有开关设备维修决策方式的不足，开发一种电力系统开关设备可靠性维修决策方法；该方法应用可靠性维修理论，分析开关设备老化情况，发出维修预警；对开关设备故障后果严重等级进行分析，结合开关设备历史运行统计数据，对待维修开关设备部件进行重要度定量评价，应用设备历史统计故障率、电压等级和设备重要度权重值对待修设备集进行排序；并进一步通过关联开关搜寻方法调整待修设备集的维修决策顺序，并根据该顺序以缺失供电量为优化目标，建立计及检修能力约束和气象约束的开关设备维修日程决策方法。

Description

一种基于可靠性的开关设备维修决策方法

技术领域

本发明涉及一种电力开关设备可靠性维修决策方法，属于电力一次设备维修技术领域。

技术背景

随着电网一体化的发展，大电网变得越来越复杂，电网中的设备数量也急剧增加，必然的，开关设备的数量也随之而剧增。开关设备承担电网运行的正常操作、事故时自动切断电路和电气设备检修时隔离电源等三项任务，其投资占电力设备总投资的一半以上，因此在电网中占有极其重要的地位，且对电力系统的可靠运行十分重要，一旦出现误动或拒动故障，将会威胁电网的安全稳定运行，造成巨大的经济损失和社会影响。

开关设备维修是电力企业的主要工作之一，包括设备的定期现场评估、修复和更换。设备维修有两种类型：预防性维修和失效后维修。传统设备维修关注的重点是设备本身，包括调查其实际状况、运行性能和外部环境等。在传统设备维修中或多或少地忽略了一个重要因素，那就是维修停运期间总是会伴随着整个系统运行风险的潜在上升。为了在决策过程中计及这个因素，需要进行定量的风险评估以及确定元件的维修停运对整个系统可靠性的影响。

为了提高电力系统运行的可靠性，降低开关设备维修停运带来的经济损失和社会影响，有必要对开关设备的维修方式进行优化决策，以确保设备维修时系统的可靠运行。基于可靠性的维修决策能有效的弥补开关设备现有维修方式的不足，合理利用维修资源，降低维修风险，以最少的资源消耗，在开关设备当前运行使用环境下，实现设备的功能状态。

发明内容

本发明针对现有开关设备维修决策方式的不足，开发一种电力系统开关设备可靠性维修决策方法，该方法应用可靠性分析技术对开关设备故障后果严重等级进行分析，结合开关设备历史运行统计数据，对待维修开关设备的部件进行重要度定量评价，应用开关设备历史统计故障率、电压等级和开关设备的部件重要度权重值对待修开关设备集进行排序，并进一步通过关联开关搜寻方法调整待修开关设备集的排列顺序，最后收集开关设备所在系统负荷预测信息，在计及气象约束和检修能力约束的基础上以失负荷量为优化目标安排开关设备维修日程，平台对每次维修活动进行记录，建立维修数据库以备维修查询和维修数据的完善。其具体实现步骤如下：

1.分析开关设备老化情况，完善待修开关设备集，方法如下：

根据开关设备的寿命曲线——浴盆曲线，采用威布尔分布描述开关设备的故障率规律：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\η}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\η}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}---\left(1\right)$

式中 β——威布尔分布的形状参数；

η——威布尔分布的指数参数。

则开关设备的故障概率密度函数为：

$f\left(t\right)=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\η}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\η}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}\exp (-{\left(\frac{t}{\mathrm{\η}}\right)}^{\mathrm{\β}})---\left(2\right)$

基于开关设备可靠性数据，采用Marquardt法对威布尔分布的参数β、η进行估计，当β>1，开关设备呈上升趋势，表示开关设备已经进入老化阶段，则自动加入到待修开关设备集中。

2.通过对开关设备元部件故障模式分析，定量评价元部件故障后果重要度如下：

(1)开关设备的部件故障后果权重系数：

式中 m——开关设备内部第m个部件；

i——开关设备第i种故障模式。

(2)开关设备的部件故障模式发生概率：

式中 λ_m,j——故障统计期间内开关设备的部件m的第i种故障发生的次数；

λ_总——故障统计期间内对开关设备发生各种故障的统计总次数。

(3)故障模式发生概率权重值：

$y_{m,i}=\left\{\begin{array}{cc}2& P_{m,i}<0.01\\ 3& 0.01<P_{m,i}<0.025\\ 4& 0.025<P_{m,i}<0.1\\ 5& 0.1<P_{m,i}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中 P_m,j——开关设备的第m个部件的第i个故障模式发生概率。

(4)开关设备的部件重要度权重值：

$R_m=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{m,i}\&times;y_{m,i}---\left(6\right)$

式中 m——开关设备内部第m个部件；

i——开关设备的第m个部件的第i种故障模式，i＝1,2，…，n。

3.对待修开关设备集进行排序：

为提高决策速度，首先根据开关设备的可靠性信息和变电站接线结构特点对开关设备进行排序和分组：

(1)根据同类型开关设备统计故障率λ从大到小对待修开关设备集中的开关设备排序；

(2)利用电压等级对λ相同的开关设备按从高到低进行排序调整；

(3)对相同故障率和电压等级的开关设备，按开关设备的部件重要度权重值(Rm)进行排序调整；

(4)在已有待修开关设备集排序的基础上，根据变电站接线结构，搜寻属于相同间隔的待修开关设备，并将同一间隔的待修开关设备划分为一个停运组合，按组合中排序最靠前的一个待修开关设备的排列位置作为该停运组合的排列位置，最终形成以停运组合为单元的待修开关设备维修顺序。

4.对已完成排序的待修开关设备集进行可靠性维修决策：

(1)保证开关设备维修能顺利进行的能力约束条件下，确定单次可维修开关设备的最大组数x，维修能力约束条件如下：

$\underset{i=1}{\overset{X}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{\mathrm{it}}<M---\left(7\right)$

式中 M——可以同时检修的开关设备组数；

X——第t时段共同维修的开关设备台数；

u_it——第t时段第i组开关设备的维修状况，u_it＝0表示该组开关设备正常运行，u_it＝1表示该组开关设备停机维修。

(2)提取排在最前面的开关设备组的负荷预测信息，以及维修持续时间T_c：

$T_{\mathrm{ic}}=\max (T_{c1},T_{c2},...,T_{{\mathrm{cn}}_i})---\left(8\right)$

式中 T_ic——第i组开关设备维修所需时间；

——第i组开关设备中每个开关设备维修所需时间。

(3)计算在预选时间段中，各种可能的维修日程下，该组开关设备的失负荷风险值，按如下计算：

$E_{\mathrm{in}}=24\&times;\underset{j=n}{\overset{n+T_{\mathrm{ic}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_{\mathrm{ij}}---\left(9\right)$

式中 n——维修起始日期；

E_in——开关设备组合i的在n时刻开始维修时的失负荷量；

x——维修时间段[n，n+T_yc-1]内，共有x组开关设备需要维修；

T_yc——维修持续时间；

L_ij——第i个设备在第j天维修时失负荷量。

(4)提取失负荷量最小的日程，作为该组开关设备的初选维修日程；

(5)利用维修能力约束校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中的每一天是否已安排大于X组的待修开关设备组，若大于X，则剔除该初选日程，重复第(4)步，若小于X则继续；

(6)利用可用时间校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中不包含不可用时间，若包含不可用时间，则剔除该初选日程，转回第(4)步，若不包含不可用时间则完成维修安排；

可用维修时间段的确定如下：

T＝T₀-(T_w+T_r)           (10)

式中 T——可用维修时间段；

T₀——预选维修时间段；

T_w——根据气象预报得到的不可用维修时间段；

T_r——其它不可用维修时间段。

以可靠性为中心的维修(RCM)的基本原则是：某个开关设备的重要性及其维修策略主要不是依赖于它本身的状况，而是取决于它对系统可靠性的影响。实践证实：将RCM正确投入到日常维修作业中，在保证生产安全性和开关设备可靠性的条件下，可将日常维修工作量降低40％至70％，大大地提高了资产的使用率。

相比现有维修技术，本发明具有如下有益效果或优点：本发明通过RCM制定出的开关设备维修计划避免了事后维修及计划维修等传统维修观念的不足，即节约了维修资源，又提高了维修效率；本发明在可靠性状态评估的基础上，根据开关设备运行的重要性、开关设备维修的紧急程度、开关设备故障率的高低、维修该开关设备对系统负荷的影响力、开关设备维修能力的约束，以及外界环境因素，进行综合考虑自动生成开关设备维修的年维修计划、季度维修计划、月维修计划、周维修计划，实现开关设备的可靠性维修决策，使开关设备的维修决策方法更具有科学性。

附图说明

图1为开关设备可靠性排序流程图；

图2为搜寻关联开关流程图；

图3为开关设备可靠性维修决策流程图。

具体实施方法

1.待修设备集完善及排序：

如附图1所示，通过结合软件平台中开关设备老化分析模块完善待修开关设备集，应用开关设备故障率统计模块及开关设备的部件重要度分析模块，对I个待修开关设备进行维修重要度排序，排序按设备故障率、电压等级及开关设备的部件重要度先后进行排序调整，最后搜寻关联开关，使影响同一负荷点的开关设备进行同时间维修。其具体步骤如下：

(1)选取预维修时间段，根据预选维修时间段，提取相同维修时间段的开关设备进行维修计划安排，并通过开关设备老化分析完善待修开关设备集。其中，开关设备老化分析方法为：

根据开关设备的寿命曲线——浴盆曲线，采用威布尔分布描述开关设备的故障率规律：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}-1}---\left(1\right)$

式中 β——威布尔分布的形状参数；

η——威布尔分布的指数参数。

则开关设备的故障概率密度函数为：

$f\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&eta;}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}-1}\exp (-{\left(\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}})---\left(2\right)$

基于开关设备可靠性数据，采用Marquardt法对威布尔分布的参数β、η进行估计，当β>1，开关设备呈上升趋势，表示开关设备已经进入老化阶段，则自动加入到待修开关设备集中。

(2)根据开关设备历史运行数据统计的故障率λ从大到小对待修开关设备集排序

(3)利用电压等级对λ相同的开关设备按从高到低进行排序调整；

(4)对相同故障率和电压等级的开关设备，按开关设备的部件重要度权重值(Rm)从大到小进行排序调整。

2.搜寻关联开关，优化待修设备集：

如图2所示搜寻关联开关流程图，把在维修过程中影响同一负荷点的开关设备分为一组同时进行维修，其步骤为：

①令i＝1，m＝1

②搜寻整个排序中，运行编号前三位数同第i位开关的运行编号前三位数相同的开关设备，其总数为n_i，并根据搜寻出的先后顺序将其排列于第i位开关之后，令该组开关设备序号为m

③令i＝i+n_i+1，m＝m+1

④重复②、③步直到i＞I时结束

3.对开关设备实现可靠性维修决策：

(1)保证开关设备维修能顺利进行的能力约束条件下，确定单次可维修开关设备的最大组数x，维修能力约束条件如下：

$\underset{i=1}{\overset{X}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{\mathrm{it}}<M---\left(3\right)$

式中 M——可以同时检修的开关设备组数；

X——第t时段共同维修的开关设备台数；

u_it——第t时段第i组开关设备的维修状况，u_it＝0表示该组开关设备正常运行，u_it＝1表示该组开关设备停机维修。

(2)提取排在最前面的开关设备组的负荷预测信息，以及维修持续时间T_c：

$T_{\mathrm{ic}}=\max (T_{c1},T_{c2},...,T_{{\mathrm{cn}}_i})---\left(4\right)$

式中 T_ic——第i组开关设备维修所需时间；

——第i组开关设备中每个开关设备维修所需时间。

(3)计算在预选时间段中，各种可能的维修日程下，该组开关设备的失负荷风险值，按如下计算：

$E_{\mathrm{in}}=24\&times;\underset{j=n}{\overset{n+T_{\mathrm{ic}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

式中 n——维修起始日期；

E_in——开关设备组合i在n时刻开始维修时的失负荷量；

x——维修时间段[n,n+T_yc-1]内，共有x组开关设备需要维修；

T_ic——维修持续时间；

L_ij——第i组开关设备在第j天维修时的失负荷量。

(4)提取失负荷量最小的日程，作为该组开关设备的初选维修日程。

(5)利用维修能力约束校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中的每一天是否已安排大于X组的待修开关设备组，若大于X，则剔除该初选日程，重复第(4)步，若小于X则继续；

(6)利用可用时间校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中不包含不可用时间，若包含不可用时间，则剔除该初选日程，转回第(4)步，若不包含不可用时间则结束本次维修决策；

可用维修时间段的确定如下：

T＝T₀-(T_w+T_r)         (6)

式中 T——可用维修时间段；

T₀——预选维修时间段；

T_w——根据气象预报得到的不可用维修时间段；

T_r——其它不可用维修时间段。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，例如培养基的选择等；而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于可靠性的开关设备维修决策方法，其特征在于，应用可靠性分析技术对开关设备故障后果严重等级进行分析，结合开关设备历史运行数据，对待维修开关设备的部件进行重要度定量评价，分析维修能力与维修资源约束，应用设备可靠性数据、电压等级、开关设备的部件重要度权重值和变电站接线结构对待修开关设备集进行排序和分组，最后基于电网失负荷量最小值为目标安排开关设备维修日程；其主要步骤为： 

(1)开关设备老化寿命分析：根据开关设备的寿命分布曲线——浴盆曲线，分析该开关设备是否进入老化寿命阶段，若该开关设备进入老化阶段，对该开关设备进行维修预警，并自动加入到待修开关设备集中； 

(2)对待修开关设备的部件重要度进行定量评价分析； 

(3)利用开关设备可靠性数据、电压等级、故障开关设备的部件重要度，以及变电站接线结构对待修开关设备集进行排序分组； 

(4)收集开关设备所在系统负荷预测信息，在计及气象约束和检修能力约束的基础上以电网失负荷量最小值为目标安排开关设备维修日程； 

进一步，所述开关设备老化寿命分析的具体步骤如下： 

根据开关设备的寿命曲线——浴盆曲线，采用威布尔分布描述开关设备的故障率规律： 

式中 β——威布尔分布的形状参数； 

η——威布尔分布的指数参数； 

则开关设备的故障概率密度函数为： 

基于开关设备历史可靠性数据，采用Marquardt法对威布尔分布的参数β、η进行估计，当β>1，开关设备呈上升趋势，表示开关设备已经进入老化阶段，则自动加入到待修开关设备集中； 

进一步，所述对待修开关设备的部件重要度进行定量评价分析步骤如下： 

(1)开关设备的部件故障后果权重系数： 

式中 m——开关设备内部第m个部件； 

i——开关设备第i种故障模式； 

(2)开关设备的部件故障模式发生概率： 

式中 λ_m,j——故障统计期间内部件m的第i种故障发生的次数； 

λ_总——故障统计期间内对开关设备发生各种故障的统计总次数； 

(3)故障模式发生概率权重值： 

式中 P_m,i——元件第m个部件的第i个故障模式发生概率； 

(4)开关设备的部件重要度权重值： 

式中 m——开关设备内部第m个部件； 

i——部件m的第i种故障模式，i＝1，2，…，n；

进一步，所述待修开关设备集排序分组包括以下步骤： 

为提高决策速度，首先根据开关设备的可靠性数据和变电站接线结构特点对开关设备进行排序和分组： 

(1)根据同类型开关设备统计故障率λ从大到小对待修开关设备集中的开关设备排序； 

(2)利用电压等级对λ相同的开关设备按从高到低进行排序调整； 

(3)对相同故障率和电压等级的开关设备，按开关设备的部件重要度权重值Rm进行排序调整； 

(4)在已有待修开关设备集排序的基础上，根据变电站接线结构，搜寻属于相同间隔的待修开关设备，并将同一间隔的待修开关设备划分为一个停运组合，按组合中排序最靠前的一 个待修开关设备的排列位置作为该停运组合的排列位置，最终形成以停运组合为单元的待修开关设备维修顺序。 

2.根据权利要求1中所述基于可靠性的开关设备维修决策方法，其特征在于，所述的基于失负荷量最小值为目标安排开关设备维修日程如下： 

(1)保证开关设备维修能顺利进行的能力约束条件下，确定单次可维修开关设备的最大组数M，维修能力约束条件如下： 

式中 M——可以同时检修的开关设备组数； 

X——第t时段共同维修的开关设备台数； 

u_it——第t时段第i组开关设备的维修状况，u_it＝0表示该组开关设备正常运行，u_it＝1表示该组开关设备停机维修； 

(2)根据维修顺序，依次提取待修开关设备停运组合的负荷预测信息，以及维修持续时间T_ic： 

式中 T_ic——第i组开关设备维修所需时间； 

——第i组开关设备中每个开关设备维修所需时间； 

(3)计算在可选时间段中，各种可能的维修日程下，该组开关设备的失负荷风险值，按如下计算： 

式中 n——维修起始日期； 

E_in——开关设备组合i的在n时刻开始维修时的失负荷量； 

x——维修时间段[n，n+T_yc-1]内，共有x组开关设备需要维修； 

T_ic——维修持续时间； 

L_ij——第i组开关设备在第j天维修时的失负荷量； 

(4)提取失负荷量最小的日程，作为该组开关设备的初选维修日程； 

(5)利用维修能力约束校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中的每一天是否大于 M组的待修开关设备组，若大于M，则剔除该初选日程，重复第(4)步，若小于M则继续； 

(6)利用可用时间校验初选维修日程，即：校核初选维修日程中不包含不可用时间，若包含不可用时间，则剔除该初选日程，转回第(4)步，若不包含不可用时间则完成维修安排； 

可用维修时间段的确定如下： 

T＝T₀-(T_w+T_r)            (10) 

式中 T——可用维修时间段； 

T₀——预选维修时间段； 

T_w——根据气象预报得到的不可用维修时间段； 

T_r——其它不可用维修时间段。