基于最优综合成本电气二次设备检修决策及应用

王虎进

（大唐碧口水力发电厂，甘肃 文县 746412）

基于最优综合成本电气二次设备检修决策及应用

王虎进

（大唐碧口水力发电厂，甘肃 文县 746412）

电气二次设备的检修是保障二次回路能够正常运行的重要内容，传统的检修策略方法已经不能够满足当下电力设备可靠性、稳定性、经济性的要求。使用最优综合成本法对状态检修法中的检修时间进行优化，降低二次设备的检修成本并避免不合理检修时间造成的故障，并通过实际案例对优化方法进行验证，实验表明获得较好的实用性。

二次设备；状态检修；成本优化；检修决策

1　概述

随着经济的发展，我国的电力事业的规模也在快速的发展。伴随着电力系统规模的不断扩大和发展，电力系统中的各个环节在运行中对安全的要求越来越高［1］。电气设备通常可分为一次设备与二次设备两种，一次设备主要负责电能的生产与转换，如各类发电机、变压器、断路器等。二次设备主要指对一次设备进行控制、监测以及电能的测量等装备，如各类测量表、各类自控控制装置等［2］。

在现代电力系统运行中，电气一次设备的状态检修研究已经成熟，如电抗器，断路器，变压器等一次设备利用状态检修已经趋于完善。而目前大多数电气二次设备检修依然采取定期检修的方式，这种方式在过去电力系统运行过程中发挥了巨大作用。随着现代互联网、通讯技术的发展，定期检修已经无法满足时代需求。

虽然状态检修已经在二次电气设备中得到了一定的应用，但在现实使用中依然表现出很多问题。首先，二次设备状态检修技术不全面。例如，有些电气设备在停电检修与运行中表现出不同的状态，在停电检修过程中无法能够进行有效的发现与排除，电气二次设备状态的检修需要全面的技术作为基础，一些电气设备在长时间运行后存在隐患，状态检修方法并不能够发现和排除；其次，二次设备状态检修管理不完善，并且一些定期检修过程中，没有形成记录，在后续设备出现故障后，无法判断定期检修所起到的作用。并且在对二次设备进行检修的过程中，要充分的考虑一次设备的运行状态，形成综合性的检修管理，减少检修次数，提高检修效果。并且随着电气二次设备的数量及维修成本的增加，探索合理可靠的检修时间以及检修方法是目前检修的发展趋势。

优化检修策略是目前电气二次设备检修过程有减少检修成本最常用的方式，例如文献［3］中对检修策略进行优化，从而提高检修策略的高效性。笔者利用最优综合成本的电气二次设备状态检修决策的方法对电气二次设备进行检修。首先针对现有的方法的不足，通过构建计划检修成本和应急成本的检修成本模型；然后根据故障率检测数据的基础上，建立故障风险成本模型；在电气二次设备维修过程中通过两种成本曲线，并定义能够直接反映成本要素中主导因素的综合成本，从而确定检修时间，提高检修的经济性，降低故障的风险性。

2　二次电气设备状态检修内涵

状态检修时通过对电气设备的运行状态对设备是否进行检修，是具有针对性的主动维修方式［4］。主要是通过电气设备的历史运行情况、实验状态以及一定周期内的记录的数据，对设备运行的总体趋势进行分析，并对下一步设备的运行的状态进行预测，预估出设备可靠运行寿命，进而确定设备需要检修的项目以及频率。

2.1检修成本模型的构建

目前电网设备实行全寿命周期管理，包括投资成本、运行成本、检修成本、故障损失成本、报废回收成本，其中投资成本中包含设备初期的购置和安装费用。

2.1.1计划检修成本

计划检修成本在计划检修周期固定的情况行优化调节的，其中检修成本主要由计划检修成本和突发性成本两部分组成［5］。

计划检修成本是基本固定的，由直接成本和间接成本构成［6］。直接成本包含检修过程中体现的使用人工成本、消耗材料成本以及检修中工具使用的成本。间接成本包括由于检修造成设备停工而造成的间接经济损失。根据以上理论，计划检修成本可以用式（1）进行表述

其中Adi为i中故障检修的直接成本，Aid为对二次设备进行检修过程中造成单位时间中对一次设备造成的损失，与时间的乘积就为检修过程中造成的间接成本。

2.1.2突发性检修成本

二次侧设备检修策略类似于一次侧设备检修策略，都具有一定的波动性。在对设备进行状态监测时，会出现某一设备的风险突然出现故障风险逐步增大的情况，为了防止设备的运行状况进一步恶化，需要对设备进行提前检修。对于这种进行紧急检修所产生的费用这里称为突发性检修成本［6］。

突发性检修成本根据常用的时间-成本平衡原则［7］，二次设备的检修突发性检修成本Atf如式（2）所示：

其中，n为计划的检修时间从n天开始，t为设备运行中实际检修时间，t0为运行中计划检修时间；k为现实检修工作中需要最短的检修时间下应急检修成本与计划检修成本的比值，为日常工作中的经验值。假如实际工作中检修开始的时间从n天后开始，则不需考虑突发性检修成本，否则需计算突发性检修成本，按照公司的实际运营情况，检修周期是45d。

则设备的整体检修成本如式（3）所示，即为计划检修成本和突发性成本两部分成本的和值：

其中Azt表示总体的检修成本，Aj为计划检修成本，Atf为突发检修成本。

2.2故障风险成本

在二次侧设备出现故障时，假如一次设备此时也出现故障时，会出现误操作等，进而引发联锁反应，会使多台设备都无法正常运行，加大经济损失。故障概率常用的数学模型为指数函数［8］，如式（4）所示：

式中，S是二次设备根据运行状态评估得到的状态评分，K为比例系数，C为曲率系数，是与设备类型及所运行的环境相关，通过设备运行过程中历史数据进行反演得到。

由电气二次设备故障发生的概率以及故障造成的损失，故障风险成本的计算数学模型如式（5）所示［9］：

其中pr（t）是第r种故障在t时刻发生的概率，Asy为r中故障发生时所造成的损失。

3　检修决策的确定

在检修的过程中，检修成本与故障风险共同的时间变量t，根据式（1）（3）（5）的成本模型，检修成本，故障风险成本关于时间t的关系：

检修成本和故障成本曲线如图1所示，实线为检修成本曲线，虚线为故障风险成本曲线，由图中曲线关系可以看出，在正常运行状态下，故障风险成本是低于检修成本的，随着设备运行时间的增加，检修成本与故障风险成本的曲线会在时间tn交汇，此刻检修成本与故障风险成本是相等的。

图1　成本曲线对应关系图

在两中成本曲线交点前，检修成本占主导因素，而在两者曲线交点后故障风险成本占主导因素，并且随着设备运行时间的增加，故障风险曲线在迅速的上升。在文章［10］提到中考虑设备运行检修的可靠性，定义检修成本和故障风险成本的最大值为综合成本，即：

最优检修时间的计算使用综合成本为约束，利用基本的数学方法进行寻最优解［11-12］，可得到优化检修时间。按照数学方法进行计算出的优化检修时间点为检修成本曲线与突发性检修成本的交点。

在最优时间即成本曲线交点的时间进行检修，能够得到控制成本并且使突发性检修成本得到良好的控制，能够避免风险的增加而造成损失的增加。故交点所对应的时间可以作为安排检修控制故障风险的时间。

4　实例分析

以甘肃大唐碧口水力发电厂日常设备检修中的电气二次回路中的测量装备检修为例，例如发电机的轴承外壳温度、线路温度、发电机历次输入电流电压的大小，发电机发电输出的电流电压大小为等，这些设备在日常工作中需要对现场的装置状态进行精确的测量输出，才能保证设备的正常运行并且不会出现误动作。参考2015年度历史检修数据，现实情况中在应急抢修的突发性成本占计划检修成本比例的0.15，二直接检修下的成本为2600元，需要的间接成本为750元。按照计划应该在2016 年1月20日进行检修，根据检修状态以及各个检修成本组成，绘制在未来两个月内检修成本和故障风险成本的曲线如图2所示。

图2　检修成本/故障风险成本曲线图

在图中观察得出，在2015年12月10日到2016年1月20日，检修成本曲线（实线）和故障风险曲线（虚线）的交点在元月份的第14天，而在12月份中并没有交点，综合考虑检修成本的经济性，所以在12月份不需要安排检修。在1月份的14出现交点，此刻故障风险成本已经大于检修成本，为了避免风险系数的提高，需要在此时安排检修。

5　结语

通过对检修成本构成进行分析，构建以检修成本和故障风险成本为基础的最优综合成本，对状态检修法中的检修时间进行优化。通过实践表明，最优成本法能够降低检修成本，并且能够避免不合理的检修时间造成的损失。

该方法通过对计划检修成本、突发性检修成本、故障风险成本进行分析，以时间t为横轴确定最优综合成本检修策略，具有很大的实时性，能够较快响应并进行维修。

［1］ 史会芹.关于变电站高压电气设备状态检修若干问题的全面探究［J］.科技创新与应用，2013（31）：174-174.

［2］ 刘强.智能电网继电保护技术探讨［J］.江苏电机工程，2010，29（2）：82-84.

［3］ 戴宇.电力系统二次回路状态检修［D］.华南理工大学，2013.

［4］ 王俏文，丁坚勇，陶文伟，等.基于层次分析模型的二次设备状态检修方法［J］.南方电网技术，2013（04）：97-102.

［5］ 马仲能，钟立华，卢锴，等.基于电力设备全寿命周期成本最优的检修策略研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39 （16）：34-39.

［6］ 王一.输变电设备状态检修决策研究［D］.浙江大学，2011.

［7］张静文，徐渝，柴国荣.项目进度中的离散时间-费用决策问题研究［J］.系统工程学报，2007，22（2）：122-127.

［8］ 黄明辉，蔡泽祥，曹建东，等.电力系统二次设备风险评估模型和方法［J］.广东电力，2012，25（2）：5-8.

［9］ 霍明雷，刘艳，杨林.计及风险损失的配电设备检修方式选择［J］.电力系统保护与控制，2014（19）：100-106.

［10］林湘宁，曾燕，熊卫红，等.计及应急成本的电气二次设备状态检修决策［J］.电力科学与技术学报，2015（3）：17-21.

［11］Heo J H，Kim M K，Park G P，et al，A reliability-cen-tered approach to an optimal maintenance strategy in transmission system using a genetic algorithm［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26（4）：2171-2179.

［12］姜涛.继电保护状态检修实际应用的研究［D］.浙江大学电气工程学院浙江大学，2008.

TM642