CN103646357A - 换流站直流设备状态评估系统及其创建方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于数据库的设备状态评估技术，尤其是换流站直流设备状态评估系统及其创建方法，本发明先根据劣化表现，确定故障设备、故障部件和故障位置，并找到故障原因；在确定劣化部件后，根据劣化部件的不同状态量，确定部件的劣化情况并进行扣分，并为设备的每一类别的状态量建立各自的扣分计算模型；最后根据得分进行定性评价。本发明同时结合历史及家庭缺陷针对换流站直流设备进行定量评估。

Description

换流站直流设备状态评估系统及其创建方法

技术领域

发明属基于数据库的设备状态评估技术，尤其是换流站直流设备状态评估系统及其创建方法。

背景技术

高压直流输电具有传输功率大，线路造价低，控制性能好等优点，是目前世界上发达国家作为高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。目前我国已形成了以超、特高压输电网为骨干网架的西电东送、南北互供、全国联网的格局。超、特高压交、直流输电骨干网络规模地不断扩大。直流输电工程是一个复杂的工程系统，且多数情况下承担大容量、远距离输电和联网任务，尤其对于特高压直流输电工程而言，其电压等级高、输送容量大，在电力系统中的地位十分重要，因此对直流输电工程的可靠性要求很高。换流站承担了直流输电系统的整流和逆变功能，其运行安全可靠性直接影响直流输电系统的可靠性。

多年来，以电气设备故障引发的电网故障率一直居高不下，处于故障起因的第一位。随着直流输电规模的不断扩大，换流站设备作为电网资产的重要组成部分，一旦发生失效，必将引起局部甚至全部地区的停电，因此其运行可靠性是保障直流输电乃至整个电网安全运行的关键所在。设备检修作为生产管理工作的重要组成部分，在防止设备事故的发生，保证供电安全可靠性方面起到很好的作用。但长期的运维经验也表明这样的维修体系具备一定的局限性。“一刀切”试的检修模式，与设备的实际运行状况存在严重脱节，导致设备的检修难以做到对症下药，存在过度维修、维修费用高，故障漏报、误报等不足。因此，在电力系统高可靠性和经济性的迫切要求下，建立一种根据运行状态确定维修策略的预知性维修方式，“当修必修”，而非“到期必修”，已成为电力设备检修方式的必然发展趋势。

状态维修克服了预防性维修和故障维修的缺点，通过综合分析判断设备的异常，预知设备的故障，并在故障发生前进行维修的方式，即根据设备的健康状态来安排维修计划，实施维修，减少了资源的浪费，提高了生产效率，也使得维修更加充分。然而，状态维修需要多方面的技术支持，如状态监测技术、设备状态评价技术、寿命评估技术等。随着科技的进步，状态监测技术得到了不断的发展和完善。状态评价技术作为状态维修的技术核心，已成为当前的研究热点。状态评价技术的好坏，将直接影响设备运行状态评估的准确程度，并将最终影响维修决策的制定。正确的维修决策，可以减少不必要的停机和资源浪费，即避免维修不足和维修过剩。这也是研究设备状态评价技术的重要意义所在。

目前换流站直流设备如换流变、可控硅、阀冷却系统、平波电抗器、直流控制保护等主要设备缺乏有效设备状态评价，不能及时有效的指导设备检修。因此，研究如何准确的评价换流站直流设备运行状态及构建换流站直流设备状态评价体系，制定统一的换流站直流设备状态评价导则将是一项具有重要实际意义的工作。

换流站电力设备的状态状态评价，是智能电网的重要组成部分，为实施换流站设备的状态检修提供依据和规范。由于换流站电力设备种类多、数量大、信息构成复杂，换流站的安全运行与设备状态信息具有紧密联系。从总体上看，实施换流站电力设备的状态评价所面临的困难是：1）当前国内外对于换流站电力设备的状态评价依然沿用普通交流变电站电力设备的标准和判断准则，但并没有深入研究换流站电力设备的特殊性，可能会导致状态评价的结果的失误；2）需建立统一规范的评价参数体系，制定换流站直流设备的状态评价指标及指标的量化评分方法；3）换流站电力设备的状态评价实用化指标体系及多指标的融合尚不完备，状态评价的实时性要求难以达到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种针对换流站直流设备进行定量评估的系统及其创建方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案: 

换流站直流设备状态评估系统及的创建方法，包括如下步骤：

1、为设备的每一类别的状态量建立各自的扣分计算模型：

1)第一类状态量可分两种情况，一种是状态量参数正常值为单一值x₀，另一种是状态量参数正常值为某一范围（x₁，x₂）；

对于状态量参数正常值为单一值x₀的情况，相应的扣分值计算公式

          

式中：d₁为该状态量基本扣分值；D表示该状态量的最大扣分值；x₀表示该状态量正常值；x_max、x_min分别表示该状态量最大扣分值时的阂值上限、下限；x_i表示该状态量的实际测量值；k是状态量劣化模型系数，可在0～1之间取值(不包括0)；

对于状态量参数正常值为某一范围的情况，对应的扣分值计算公式为

                     

            

式中x₁、x₂为状态量正常值的下限和上限；

2)第二类扣分模型适用于难以检测但可得到元件的平均寿命信息的状态量，相应的扣分值可按公式计算

                                                    

式中：t表示元件自更换起已运行的时间；T表示元件可运行时间(根据平均寿命确定)；一些状态量难以直接检测、相对易耗且不具有维修价值的设备，可根据器件供应商的平均寿命数据利用该公式进行计算；

3)对于无法进行检测且没有平均寿命数据可参考的状态量，相应的扣分值可由相关工作人员估计；相关工作人员给出3个扣分值，分别为的严厉扣分值、宽松扣分值和适中扣分值，定量评价扣分值按下式计算

                                    

    式中：a、b、c分别为严厉扣分值、适中扣分值和宽松扣分值，要求满足

0≤c≤b≤a≤D；p₁、p₂、p₃分别为对应扣分值的权重系数，满足p_l+p₂+p₃=1；

2、设备状态划分

1)正常状态

①运行年限没有超标，没有历史缺陷也没有家族性缺陷；

②对所有状态指标合计扣分累计应小于30分，以满值为100为前提，以下计分均以此为标准；

③状态指标的单项扣分累计应小于或等于10分的； 

2)注意状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于12分但小于16分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

3)异常或故障状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于20分但小于24分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

4)严重状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于30分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷。

在上面规则中，当正常状态的三个条件同时满足时，待评估的直流设备部件即为正常状态；而注意状态，故障状态，严重状态下各自的三个条件中，当其中的任何一个条件成立时，可以判断待评估的部件处于注意，故障或者严重状态，当出现评估结果相交情形时，取最严重的情况为此刻的状态。当缺陷被认定为家族性缺陷时，在对被警示过的设备进行状态评估时要引起高度的重视。而在确认缺陷是否为家族缺陷时也要慎重，因为如果认定不准确将会严重影响评估的结果。运行年限主要考虑设备及各部件的使用时间，距离规定的年限还有多长时间，考虑是否需要检修；所谓历史缺陷是指该设备从投入运行至今是否发生过缺陷及发生部位缺陷的位置、缺陷类型是否对以后的运行造成影响等。研究在充分考虑以上信息基础之上，分别研究了基于定性评价指标及定量指标的评价方法及综合各功能部件对直流设备整体运行状态进行评价的方法。家族性缺陷是指由同种设备的同种设计原因、工艺因素以及同种设备材料的原因造成的缺陷。换流站中直流设备的运行工况和使用寿命与制造厂的设计水平、制造工艺、软件版本、原器件采购及筛选环节密切相关，同时也与运行环境、维护水平有很大关系。同一型号、同一软硬件版本、同一批次的部件往往存在同样的家族性缺陷，如某一批次的部件在设备运行后同一时间段出现故障。因此我们可以广泛收集这些家族缺陷信息，为运行中的设备提供检修指导。收集的离线状态信息主要包括保护型号、出厂批号、电压等级、投运时间、装置缺陷类型、处理方法等。汇总这些信息能够形成对某一型号、某一批次换流站直流设备部件的设备评价及家族性缺陷信息。

附图说明

 图1是换流站直流设备状态评价流程图。

具体实施方式

为了能够直观的完成对各项指标的复分析，提交出正确的评价结果，基于以上理论，制作了换流站直流设备的状态评价流程图，如图1所示。

1)故障定位

根据劣化表现，确定故障设备、故障部件和故障位置，并找到故障原因。

2)定量评价

在确定劣化部件后，根据劣化部件的不同状态量，确定部件的劣化情况并进行扣分。

1、为设备的每一类别的状态量建立各自的扣分计算模型：

1)第一类状态量可分两种情况，一种是状态量参数正常值为单一值x₀，另一种是状态量参数正常值为某一范围（x₁，x₂）；

对于状态量参数正常值为单一值x₀的情况，相应的扣分值计算公式

          

式中：d₁为该状态量基本扣分值；D表示该状态量的最大扣分值；x₀表示该状态量正常值；x_max、x_min分别表示该状态量最大扣分值时的阂值上限、下限；x_i表示该状态量的实际测量值；k是状态量劣化模型系数，可在0～1之间取值；

对于状态量参数正常值为某一范围的情况，对应的扣分值计算公式为

                     

            

式中x₁、x₂为状态量正常值的下限和上限；

2)第二类扣分模型适用于难以检测但可得到元件的平均寿命信息的状态量，相应的扣分值可按公式计算

                                                    

式中：t表示元件自更换起已运行的时间；T表示元件可运行时间(根据平均寿命确定)；一些状态量难以直接检测、相对易耗且不具有维修价值的设备，可根据器件供应商的平均寿命数据利用该公式进行计算；

3)对于无法进行检测且没有平均寿命数据可参考的状态量，相应的扣分值可由相关工作人员估计；相关工作人员给出3个扣分值，分别为的严厉扣分值、宽松扣分值和适中扣分值，定量评价扣分值按下式计算

                                    

    式中：a、b、c分别为严厉扣分值、适中扣分值和宽松扣分值，要求满足

0≤c≤b≤a≤D；p₁、p₂、p₃分别为对应扣分值的权重系数，满足p_l+p₂+p₃=1；

2、确定权重

在状态量权重的选择上，视状态量对设备安全运行的影响程度，从轻到重分为四个等级，对应的权重分别为权重1、权重2、权重3、权重4，其系数为2、4、6、8；权重1、权重2与一般状态量对应，权重3、权重4与重要状态量对应；状态量应扣分值由状态量劣化程度和权重共同决定，即状态量应扣分值等于该状态量的基本扣分值乘以权重系数；状态量正常时不扣分；

使用AHP法确定评价指标权重，主要包括以下四个步骤：

a)相对重要度的确定

定义函数f(x,y)为指标x与y的重要性标度。如果f(x,y)>1，表示指标x比指标y重要。如果f(x,y)<1，表示指标y比指标x重要。当且仅当f(x,y)=1时，表示指标x与指标y同样重要。同样规定f(x,y)=1/ f(y,x)。关于f(x,y)的重要性标度可参照下表。 

分级比例标度参考表

b)构造判断矩阵

假设评价指标集合为X_1xn，由专家按上表所列各项的意义，对所有评价指标进行两两之间的对比，根据确定的重要性标度来构造判断矩阵C=(C_ij) _nxn如式（4.5）所示。

     (4.5)

c)权值的计算

    求解判断矩阵的最大特征根，可按式（4.6）计算得出。

             

    (4.6)

计算与特征根 

对应的特征向量

,进行归一化处理后得各评价指标的权重，如式（4.7）所示。

             

   (4.7)

    则评价指标权重向量w即为评价指标队评价对象的重要性影响的一个标度。

d)一致性检验

    一致性检验室保证结果可信度和准确性的有效判断方法。当n值较大并受到专家知识结构的影响，判断矩阵则有可能达不到一致性条件的要求。一般使用一致性指标来检验判断矩阵是否满足一致性条件要求。一致性指标的定义如式（4.8）所示。

      

    

判断矩阵满足一致性要求的条件为随机一致性比率满足式（4.9）所示条件。

             

    其中：C.R.为判断矩阵的随机一致性比率；C.I.为判断矩阵的一致性指标；R.I.为判断矩阵的平均随机一致性指标。

    R.I.对应的判断矩阵阶数为2~15阶。如果C.R.<0.1，刚可以认为判断矩阵满足一致性条件的要求。则可以认为权重系数分配合理，否则需要重新调整判断矩阵，直到达到满意一致性分析为止。

3、设备状态划分

扣分即是综合定性评价和定量评价制定出的扣分标准，根据扣分情况可得到状态评价结果，即正常状态、注意状态、异常或故障状态、严重状态。

1)正常状态

①运行年限没有超标，没有历史缺陷也没有家族性缺陷；

②对所有状态指标合计扣分累计应小于30分；

③状态指标的单项扣分累计应小于或等于10分的； 

2)注意状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于12分但小于16分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

3)异常或故障状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于20分但小于24分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

4)严重状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于30分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷。   

4)制定检修策略

通过状态评价，掌握设备的运行状况后，进行状态检修，检修策略建议以设备状态评价结果为基础，综合考虑设备的风险评估结果，建立设备状态和设备风险二维关系的决策模型。根据设备设备状态和设备风险，定义各类设备的检修类型，再按照设备状态制定相应的检修策略。

上述的状态量，以氧化锌避雷器为例，其状态量如下表所示：

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (1)

1.换流站直流设备状态评估系统及的创建方法，包括如下步骤：

1]为设备的每一类别的状态量建立各自的扣分计算模型：

1)第一类状态量可分两种情况，一种是状态量参数正常值为单一值x₀，另一种是状态量参数正常值为某一范围（x₁，x₂）；

对于状态量参数正常值为单一值x₀的情况，相应的扣分值计算公式

          

式中：d₁为该状态量基本扣分值；D表示该状态量的最大扣分值；x₀表示该状态量正常值；x_max、x_min分别表示该状态量最大扣分值时的阂值上限、下限；x_i表示该状态量的实际测量值；k是状态量劣化模型系数，可在0～1之间取值；

对于状态量参数正常值为某一范围的情况，对应的扣分值计算公式为

                     

            

式中x₁、x₂为状态量正常值的下限和上限；

2)第二类扣分模型适用于难以检测但可得到元件的平均寿命信息的状态量，相应的扣分值可按公式计算

                                                    

式中：t表示元件自更换起已运行的时间；T表示元件可运行时间(根据平均寿命确定)；一些状态量难以直接检测、相对易耗且不具有维修价值的设备，可根据器件供应商的平均寿命数据利用该公式进行计算；

3)对于无法进行检测且没有平均寿命数据可参考的状态量，相应的扣分值可由相关工作人员估计；相关工作人员给出3个扣分值，分别为的严厉扣分值、宽松扣分值和适中扣分值，定量评价扣分值按下式计算

                                    

    式中：a、b、c分别为严厉扣分值、适中扣分值和宽松扣分值，要求满足

0≤c≤b≤a≤D；p₁、p₂、p₃分别为对应扣分值的权重系数，满足p_l+p₂+p₃=1；

2]设备状态划分

1)正常状态

①运行年限没有超标，没有历史缺陷也没有家族性缺陷；

②对所有状态指标合计扣分累计应小于30分，以满值为100为前提，以下计分均以此为标准；

③状态指标的单项扣分累计应小于或等于10分的； 

2)注意状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于12分但小于16分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

3)异常或故障状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于20分但小于24分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷；

4)严重状态

①状态指标的单项扣分累计大于或等于30分；

②对所有状态指标合计扣分累计大于30分；

③运行年限有超标或者存在有历史缺陷，或者有家族性缺陷。

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