變電站運(yùn)行狀態(tài)評估模型的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

在電力生產(chǎn)中,調(diào)控部門依靠在線監(jiān)測系統(tǒng)（sCADA）實現(xiàn)對變電站運(yùn)行工況的監(jiān)測和控制,同時檢修部門依賴生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMs）對變電站設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理,兩個部門共同協(xié)作,為變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。目前變電站的維保工作主要有兩種方式:一是對變電站進(jìn)行設(shè)備巡檢或更換:二是發(fā)生故障后通知檢修人員進(jìn)行設(shè)備維修。這兩種運(yùn)維方式都不利于電力的安全與穩(wěn)定生產(chǎn),能否在設(shè)備發(fā)生故障前發(fā)現(xiàn)問題所在,為檢修部門爭取先機(jī),縮小巡檢范圍或提前維護(hù)問題設(shè)備,是當(dāng)前電力行業(yè)需要解決的難題之一。在這種情況下,供電公司調(diào)控中心提出,通過對變電站的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、告警信息及變電站設(shè)備參數(shù)信息深度融合,借助大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)構(gòu)建變電站監(jiān)控數(shù)據(jù)分析平臺,結(jié)合運(yùn)行工況和歷史數(shù)據(jù)兩方面對變電站間隔運(yùn)行狀況進(jìn)行共性分類、統(tǒng)計分析,對變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量化分析、評分定級,預(yù)先發(fā)現(xiàn)變電站運(yùn)行中存在的問題,為設(shè)備檢修策略的制定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1變電站安全運(yùn)行評價模型

本文將變電站的綜合評價體系結(jié)構(gòu)主要分為3層:變電站層(目標(biāo)層）、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

評分思路:根據(jù)指標(biāo)層中各項指標(biāo)所占權(quán)重計算出相應(yīng)準(zhǔn)則層（設(shè)備項、停電計劃與檢修申請項、異常項）各項的綜合得分,結(jié)合準(zhǔn)則層各項得分及其對應(yīng)的權(quán)重,給出目標(biāo)層（變電站）的綜合評分。

掌握變電站內(nèi)各設(shè)備及其性能指標(biāo)的重要程度,對于變電站綜合評分的合理性和準(zhǔn)確性尤為關(guān)鍵。為此,由電力工程師組成的專家組將根據(jù)自身的學(xué)術(shù)水平、運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗以及系統(tǒng)運(yùn)行的實際需求,對比設(shè)備之間、性能指標(biāo)之間的重要性,確定各設(shè)備和各性能指標(biāo)的等級。本文將設(shè)備及其性能指標(biāo)均劃分為9個等級,分別用數(shù)字1～9來表示（最低等級是1,最高等級是9,級別越高表示越重要）。

2準(zhǔn)則層評分準(zhǔn)則

2.1設(shè)備項評分

在設(shè)備項中,設(shè)備健康狀況評價以其相應(yīng)的遙測信號和遙信信號性能指標(biāo)為基礎(chǔ),其中遙信信號類數(shù)據(jù)包括事故、變位、異常、越線和告知5個等級:遙測信號類數(shù)據(jù)包括過載、重載、正常負(fù)荷和輕載4個等級,且警報程度均逐層遞減。本文默認(rèn)各設(shè)備均為100分,當(dāng)遙信信號類數(shù)據(jù)出現(xiàn)上述5個等級時對應(yīng)扣除100、80、60、40、20:當(dāng)遙測信號類數(shù)據(jù)出現(xiàn)上述4個等級時,對應(yīng)扣除100、50、0、0。

由于設(shè)備在出廠時本身的某些性能就存在一定的設(shè)計缺陷,從而導(dǎo)致設(shè)備在變電站中的運(yùn)行狀態(tài)不理想,且設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也與設(shè)備的投運(yùn)時長相關(guān)。由此可知,在評價變電站的健康運(yùn)行體系中需綜合考慮各方面因素。因此,在同樣出現(xiàn)事故的設(shè)備中,若其中一臺設(shè)備投運(yùn)時間很長而另一臺設(shè)備投運(yùn)時間較短,則兩臺設(shè)備扣分程度不應(yīng)相同,需酌情考慮。引入?yún)?shù)8,具體的8取值由行業(yè)專家依據(jù)設(shè)備的具體投運(yùn)時長與設(shè)備的家族缺陷史來給定,在此將設(shè)備的家族缺陷分5個等級,級別越高代表設(shè)備缺陷越大,每個等級對應(yīng)8評分。

綜上考慮,該類設(shè)備的評分計算式為:

式中,sm表示設(shè)備m的綜合得分:xm,i表示設(shè)備m的第i個指標(biāo)信號的打分情況（0～100）:8m表示設(shè)備m的家族缺陷所對應(yīng)的等級評分:wm,i表示設(shè)備m的第i個指標(biāo)信號的歸一化權(quán)重,采用層次分析法確定各權(quán)重。

2.2設(shè)備項綜合評分

由（1）式可得各設(shè)備評分,可直接給出設(shè)備項評分計算式:

式中,ss為設(shè)備項的綜合得分:wi為設(shè)備i的歸一化權(quán)重,利用層次分析法得出:si為第i個設(shè)備的得分:m為設(shè)備的個數(shù)。

2.3停電計劃與檢修申請項評分

由于變電站運(yùn)行健康狀態(tài)的評價也與停電計劃與檢修申請相關(guān),因此,本文統(tǒng)計一個時間周期7內(nèi)的停電數(shù)l1與檢修數(shù)j1,給出如下計算式:

式中,st代表停電計劃與檢修申請的綜合得分:wl1,wj1分別代表停電計劃與檢修申請的歸一化權(quán)重:xl1,xj1分別為一個時間周期7內(nèi)的停電數(shù)與檢修數(shù)。

2.4異常項評分

變電站中可能會出現(xiàn)跳閘和接地等異常情況,同樣統(tǒng)計在一個時間周期7內(nèi)的跳閘數(shù)l2與接地數(shù)j2,并給出如下計算式:

式中,s+為異常項的綜合評分:wl2,wj2分別為跳閘與接地的歸一化權(quán)重:xl2,xj2分別為一個時間周期7內(nèi)的跳閘數(shù)與檢修數(shù)。

2.5變電站評分

由式（2）e式（4）可知,變電站的綜合評分式為:

式中,Ws,Wt,We分別代表設(shè)備項、停電計劃與檢修申請項和異常項的歸一化權(quán)重:ss,st,se分別代表設(shè)備項、停電計劃與檢修申請項和異常項的綜合得分。

在準(zhǔn)則層和變電站層(目標(biāo)層）均按百分制評分。根據(jù)變電站綜合評分結(jié)果,將其分為4個等級進(jìn)行警示:若得分低于60分,提示"嚴(yán)重":在60～80分(不含80分）,提示"異常":在80～90分(不含90分）,提示"注意":在90～100分,提示"正常"。

3層次分析法確定權(quán)重值

雖然各指標(biāo)因素之間的關(guān)系在層次結(jié)構(gòu)模型中得到了具體體現(xiàn),但是同一層次中各指標(biāo)因素在衡量最終的智能變電站成熟度時所占的比重并不是平均分配,以M表示目標(biāo),mi,j(i,j=1,2,…,n）表示因素。ai,j表示mi對mj的相對重要程度ai,j的取值參考。根據(jù)評審專家打分得出判斷矩陣A:

(1）權(quán)重值計算:根據(jù)判斷矩陣A可求其最大特征值A(chǔ)max及特征向量w:

將w歸一化后,所得即為同一層次中各因素相對重要性的排序權(quán)重值。

(2）一致性檢驗:矩陣A中的元素滿足下列條件才有意義:

如果不滿足上述關(guān)系,則說明矩陣A不滿足一致性。判斷矩陣A只有滿足一致性才說明所求得的權(quán)重分配是合理的,是具有實用意義的,才可以進(jìn)行下一步評價。

一致性檢驗主要分3步完成:

第一步:計算一致性指標(biāo)CI(ConsistencyIndex）:

式中,n是判斷矩陣A的階數(shù)。

第二步:查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(RandomIndex）,RI與矩陣階數(shù)n的取值有關(guān)。

第三步:計算一致性比例CR(ConsistencyRatio）:

只有判斷矩陣A的一致性比例滿足CR<0.1或者Amax=n,即CI=0時,則證明判斷矩陣A的一致性是具有實用意義的,否則必須對A中的元素進(jìn)行修正,以滿足一致性要求。

4變電站健康運(yùn)行綜合評價體系的應(yīng)用效果

在電力系統(tǒng)中,變電站關(guān)聯(lián)大量的一次設(shè)備和二次設(shè)備,這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)很大程度上體現(xiàn)了該變電站的運(yùn)行健康狀態(tài),乃至決定整個電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。而在變電站運(yùn)行狀態(tài)評估模型中,當(dāng)某設(shè)備的評分低于初始設(shè)定閾值時就會發(fā)出警告,設(shè)備維護(hù)相關(guān)人員能在變電站出現(xiàn)問題前就及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的問題設(shè)備,保證變電站的平穩(wěn)安全運(yùn)行,全面提升了調(diào)控業(yè)務(wù)的安全風(fēng)險辨識、防范和控制水平。因此,該模型系統(tǒng)的提出對整個電網(wǎng)的安全健康運(yùn)行起到了很好的保障作用,具有一定的實用性。