基于量化风险评估方法的电力变压器状态检修决策研究

李 杜，雷 军，万 鹏

（1.国网湖北省电力有限公司武汉供电公司，湖北 武汉 430019；2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，湖北 武汉 430077；3.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

1 研究背景

随着中国电力事业的发展，电网容量的不断增大，用户对供电可靠性的要求不断提高，电力变压器维修管理的重要性日益显现出来。传统的定期检修模式逐渐暴露出检修过剩和检修不足的弊端。针对传统的定期计划检修的盲目性导致的维修资源极大浪费以及维修不足导致的安全性问题，状态检修开始逐步进入电力企业的维修管理[1-2]。

状态检修是一种较定期检修方式更能降低维修成本、缩短检修停电事件的检修方式。维修的针对性、科学性大大加强，检修决策主要是针对单台电力设备。文献[3-4]提出了以可靠性为中心的电力设备维修方法（Reliability Centered Maintenance，RCM）；文献[5-6]在RCM方法的基础上，利用一种坐标化的技术，同时考虑了“设备状态”与“设备在电网中的重要性”这2方面因素，并将该方法应用于高压断路器的检修。以上方法，虽然在维修科学性上有了很大改进，但对设备的风险定量化处理方面仍显不足，在处理多台变压器的检修决策时可操作性存在很大的局限性。

本文提出基于量化风险值计算的电力变压器状态检修模型，对已有风险评估模型中平均故障率做了调整，科学合理地量化了故障导致的风险损失。该模型不仅使维修决策更加经济科学，而且大大增强了状态检修的可操作性。

2 风险评估模型

2.1 基于风险评估的电力变压器检修流程

风险的定义是后果及其发生的可能性[7]。对于电力变压器而言，其风险包括变压器自身面临的风险和变压器故障可能导致的风险。在状态检修工作流程中，首先是对变压器的状态进行评估，得到变压器发生故障的可能性，然后进行设备风险评估，最后根据计算出的风险值的大小和风险等级，确定变压器的状态检修次序和项目，完成整个变压器状态检修的风险决策。完整的电力变压器状态检修决策流程如图1所示。

图1 电力变压器状态检修决策流程

2.2 风险评估计算公式

电力变压器的风险评估是在变压器状态评价的基础上，评估变压器出现故障的可能性以及变压器面临的和可能导致的风险。根据文献[8]可知，风险可以从设备损失、人身安全损失、环境损失、电网安全损失4个独立的方面来进行计算。因此，变压器总风险值可以表示为：

式（1）中：P为变压器的平均故障率；Ci为上述的4个风险损失值；Wi为风险损失对应的权重。

3 平均故障概率P的计算

目前，针对设备故障概率的计算已开展了很多的研究，涉及浴盆曲线、weibull分布、最小二乘法等手段相结合的设备故障率计算[9-11]，这些手段主要考虑设备运行时间和设备故障率之间的关系，而缺少对设备运行状态的考虑。对于电力行业的状态检修，仅仅考虑设备的运行年限而利用浴盆曲线推算设备故障率是不科学的，为此提出根据设备当前的运行状态推算故障率的方法，利用设备状态评价获得设备状态健康值，根据经验公式，按一定的指数函数关系确定设备的平均故障率P[12]。

设备平均故障率P的计算式为：

式（2）中：K为比例系数；HI为设备状态健康值；C为曲率系数。

其中，K、C通过对设备的状态评价结果和历史统计数据进行反演计算得到。

变压器状态健康值HI反映的是变压器的运行状态的健康程度，可以由变压器的状态评价结果推算出来，文献[12]提出了一种HI与状态等级的对应关系，即正常状态、注意状态、异常状态、严重状态对应的变压器状态健康值的取值区间分别为90～100、60～89、30～59、0～29，计算中一般取它们的平均值。这样的取平均值的算法大体上可以反映不同状态等级变压器的状态健康值，却没有区分同一状态等级的变压器的健康程度。为了很好区别同一状态等级的变压器的健康程度，在这里根据变压器状态量、部件的状态等级，引入以下计算公式：

式（3）中：n4为单一项扣分到严重状态的状态量数量总和；n3为单一项扣分到异常状态的状态量数量总和。

当5（n4－1）+n3≥30，健康值=0。

式（4）中：n3为单一项扣分到异常状态的状态量数量总和；n1为单一项扣分到注意状态的状态量数量总和；n2为部件合计扣分到注意状态的部件数量总和。

当5（n3－1）+（n1+n2）≥30，健康值=30。

式（5）中：n1为单一项扣分到注意状态的状态量数量总和；n2为部件合计扣分到注意状态的部件数量总和。

当（n1+n2－1）≥6，健康值=60。

4 风险损失的计算

电力变压器发生故障导致的风险可以从变压器资产、人身安全、环境安全、电网安全损失4个方面来表示。目前，变压器发生故障导致人身安全事故的案例很少，人的生命也很难用金钱去衡量，变压器故障造成的环境污染比较轻微，相对于电网安全损失和变压器资产损失可以忽略不计。因此，本文主要考虑从变压器资产损失和电网损失的角度去量化风险损失。

4.1 变压器资产的损失量化

变压器的资产损失可以用变压器损坏的程度来表示，不同的状态等级下故障概率和变压器自身的资本价值大致可以表示变压器的损坏程度。因此，在故障概率已知的情况下，可以用变压器的价格来量化变压器的资产损失。即以变压器的购置价格来表示。变压器的购置价格如表1所示（该数据来源于《南方电网公司2011年电网工程主要设备及材料指导价格》）。

表1 变压器的购置价格

以35 kV变压器的资产损失值为标幺值1，按照价格的比例大小，即可得到其他电压等级的资产损失值。资产损失值的相对大小如表2所示。

表2 资产损失值的相对大小

4.2 电网损失的量化

由于电能总是从高电压等级主变向低电压等级主变逐层扩散传递，不同电压等级之间主变台数的平均容量比，间接反映了不同电压等级发生事故事件时电网损失的相对大小。不同等级的变电容量如表3所示。

表3 不同等级的变电容量

以35 kV主变电网损失为1，计算各电压等级损失。35 kV及以上电压等级主变电网损失量如表4所示。

表4 35 kV及以上电压等级主变电网损失

在电网损失的计算方面还应考虑到变压器在电网中的重要度，它将变压器所处的电网结构、用户等级等等因素都包含在内。变压器的重要程度可以通过它所属的变电站的重要程度来大致表示。以一般变电站的重要度为标幺值1，重要变电站的重要度系数为1.2，枢纽变电站的重要度系数为1.5。

4.3 资产损失权重的计算

资产损失的权重值可以根据电网事故中，设备自身价值的损失跟电网损失的比值来确定。

依据南方电网《电力事故（事件）调查规程》中电网事故等级划分标准，事故事件分为9个等级：特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故、一级事件、二级事件、三级事件、四级事件、五级事件。电力安全事故事件的减供负荷标准如表5所示。

表5 电力安全事故事件减供负荷标准

设备损失直接取各级别事故的直接经济损失值，电网损失以减供电量计算，取平均电价0.6元，平均每次停电时间4.6 h（2012年截至12月25日，平均每次事故事件停电274.66 min），都取下限值进行比较。事故等级与设备损失及电网损失对应表情况如表6所示。

表6 事故等级与设备损失及电网损失

计算事故造成的设备损失总和跟电网损失总和，它们的比值为2.64，即变压器资产损失和电网损失的权重为7∶3。

5 基于量化风险评估的检修决策

设备风险评估的最终目的是辅助维修决策。基于量化风险值的状态检修决策即是根据风险值的大小和风险等级确定设备维修的次序和时间。选择风险最大的设备优先维修，风险很小的设备可以延长维修的周期，这样能最大程度地节省维修资源与费用。在对大量的变压器进行量化风险评估和实际状态检修决策的对照下，总结出一个如表7所示关于变压器风险值、风险等级以及维修决策的表格，根据表中内容就能直接明了地做作出检修决策。

表7 变压器风险值与维修决策

6 实例分析

6.1 基本情况

本文在某地区中某些变压器原始数据、在线监测数据、运行巡视数据及电气试验数据收集的基础上，选取5台变压器按照文献[12]的状态评价标准进行状态评价，变压器基本情况和状态评价结果如表8所示。

表8 变压器基本情及和状态评价

由于变压器有5个部件，八十几个状态量，数量较多，本文就不一一罗列每个状态量的数据，只给出状态评价结果：变压器A有3个状态量处于注意状态，1个部件的合计扣分达到注意状态；变压器B有4个状态量处于注意状态，1个部件的合计扣分达到注意状态；变压器C有3个状态量处于异常状态，3个状态量处于注意状态，1个部件的合计扣分达到注意状态；变压器D有4个状态量处于注意状态，2个部件的合计扣分达到注意状态；变压器E有4个状态量处于异常状态，4个状态量处于注意状态，1个部件的合计扣分达到注意状态。

6.2 风险值的计算

根据该地区近两年的状态评价结果和统计数据得到K、C的值分别为0.115 4、0.059 1。由状态评价的结果可计算出变压器的状态健康值HI。5台变压器的状态健康值HI分别为75、70、46、65、40。

由公式（2）计算出5台变压器的平均故障率，分别为：PA=1.37×10-3，PB=1.84×10-3，PC=7.61×10-3，PD=2.48×10-3，PE=1.09×10-2。

将变压器的平均故障率以及资产损失的量化值代入公式（1）进行求解，得到变压器的风险值，分别为：R（A）=0.935，R（B）=0.474，R（C）=1.798，R（D）=0.182，R（E）=0.762。根据风险值的大小，得出变压器的风险等级，变压器D的风险等级为Ⅴ级，变压器B、E为Ⅳ级，变压器A为Ⅲ级，变压器C为Ⅱ级。

6.3 基于风险等级的检修决策

根据风险等级的级别，安排变压器检修的次序和项目。变压器C的风险级别为Ⅱ级，风险描述为不期望发生，需要立即采取纠正措施，应当立即检修变压器C，可能需要大修，加强对它的运行维护。变压器A的风险级别是Ⅲ级，风险描述为可接受，需要采取措施进行纠正，在检修资源充足的情况下，对变压器A进行小修。变压器B、E就暂时不需要进行检修，只需加强对它们的巡视就行。变压器D的风险级别为Ⅴ级，可接受，不需要特别关注。

7 结论

本文提出了基于量化风险评估方法的变压器检修决策的方法理论和流程，将风险用经济指标表示，通过对风险的分析进行具体的量化，然后根据风险等级的大小，进行变压器的状态检修决策。该方法客观合理，具有针对性，合理利用了检修的人力物力，大大提高了电力变压器的安全运行和维护，通过不同的风险等级，合理明了地规划好维修的次序和项目，避免了计划检修的盲目性和资源的浪费，具有一定的经济效益。