计及健康评估与风险量化的变压器检修策略_张安安.pdf

计及健康评估与风险量化的变压器检修策略张安安，刘自强，李茜，杨威，蒲彩霞（西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）摘要：为量化检修对变压器健康状况与运行风险的影响，本文中作者提出了一种计及健康评估与风险量化的变压器检修策略制定方法。首先，建立变压器健康评估指标体系，基于健康评估构建表征变压器实时健康状况的可靠性模型；其次，采用恢复函数量化不同检修方式对变压器可靠性的影响，通过等效役龄法确定检修前后的变压器可靠性；然后，分析变压器的运行风险经济，构建合理的检修策略优化模型；最后，采用改进鸽群算法进行迭代寻优，从而确定最优检修方案及检修时间。通过对某变电站变压器的检修策略分析，验证了所提方法的可靠性与准确性。关键词：变压器；可靠性；运行风险；检修策略中图分类号：TM407文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03002907Transformer Maintenance Strategy Considering HealthAssessment and Risk QuantificationZHANG An-an,LIU Zi-qiang,LI Qian,YANG Wei,PU Cai-xia（Southwest Petroleum University,School of electrical information,Chengdu 610500,China）Abstract：To quantify the impact of maintenance on transformer health status and opera-tion risk,this paper proposed a transformer maintenance strategy formulation methodconsidering health assessment and risk quantification.Firstly,the transformer health eval-uation index system is established,and the reliability model representing the real-timehealth status of transformer is constructed based on the health evaluation;Secondly,therecovery function is used to quantify the influence of different maintenance methods ontransformer reliability,and the transformer reliability before and after maintenance is de-termined by equivalent service age method;Then,the operation risk economy of trans-former is analyzed,and a reasonable maintenance strategy optimization model is con-structed;Finally,the improved pigeon swarm algorithm is used for iterative optimizationto determine the optimal maintenance scheme and maintenance time.The reliability andaccuracy of the proposed method are verified by analyzing the maintenance strategy ofa transformer in a substation.Key words：Transformer；Reliability；Operational risk；Maintenance strategy1 引言变压器作为电力系统的关键电气设备之一，其健康状况直接关系到电力供应及社会运作。为提高变压器运行可靠性，亟需针对变压器的潜伏性故障提出科学的检修策略。近年来，国内外专家学者对变压器检修策略的研究重点主要是状态检修，制定检修策略的关键是对变压器的实时运行状态进行准确评估，考虑其检修成本，最终制定合理的检修方案。本文中笔者提出了一种计及健康评估与风险量化的变压器检修策略制定方法。首先考虑运行环境与历史检修的影响，基于健康评估构建变压器运行可靠性模型；其次，分析变压器故障后潜在的检修、系统、环境和人员风险成本，构建变压器风险经济量基金项目:四川省科技计划项目（2020YFQ0038）、四川省科技计划项目（2020YFSY0037）、中央引导地方科技发展专项（2021ZYD0042）TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.011第 60 卷化模型；然后，采用改进鸽群算法制定最优检修策略。最后以某变电站变压器为例进行了算例分析，验证了本文所提方法的可行性与准确性。2 基于健康评估的变压器运行可靠性模型2.1变压器健康评估1）健康评估指标体系表征变压器健康状况的评估指标量众多，为使评估结果能够直观反映变压器故障位置，提高检修决策的准确性，通过分析变压器运行特征并结合相关导则，基于关联规则所建立的变压器健康评估指标体系如图1所示。2）单项评估指标分值计算首先根据综合状态量的相对重要程度，建立判断矩阵如式（1）所示，并按照式（2）检查其完整性。WA=wi，jwi，j+lwi，j+piwi+1，jwi+l，j+lwi+l，j+piwijwi+n-l，jwi+n-l，j+lwi+n-l，j+pi|（1）wik=wijwkj，wij0wij=1wij，wij|0（2）式中，pi表示第i项综合状态量所包含的评估指标个数；wij表示第i项综合状态量的第j个评估指标的重要程度。然后将判断矩阵WA中的元素每行元素相乘得到新向量，再将该新向量的每个分量开n次方得到向量WL，通过经过归一化处理得到权重向量W，得到各评估指标权重ij。最后进行一致性检验，当判断矩阵满足一致性检验，可依次计算各评估指标的权重系数，否则需要对判断矩阵进行调整，直至满足一致性检验。结合实际工程经验与评估导则，评估指标评分值为：xij=yij-yNyN-yf100（3）式中，xij表示第i项综合状态量的第j个评估指标的评分值（当xij0时，令xij=100；当xij0时，令xij=0）；yN、yf、yij分别表示该评估指标的注意值、初始值和监测值。3）综合状态量分值计算根据评估指标评分值以及权重系数，得到综合状态量评分值为：xi=pij=1xijij（4）式中，xi表示第i项综合状态量评分值。为解决变压器评估指标劣化不均衡问题，采用变权重理论结合均衡函数来计算综合状态量的变权重系数vi为：vi=ixi-1qp=1px-1p（5）式中，vi表示第i项综合状态量的变权重系数；q表示综合状态量个数；i表示综合状态量的常权重系数，一般取i=1/q；表示均衡函数，取决于综合状态量的相对重要程度。综上，变压器健康评估评分值为：HI=qi=1xivi（6）式中，HI表示变压器的健康评估评分值。2.2基于健康评估的变压器运行可靠性模型考虑运行环境与历史检修对变压器健康状态图1变压器健康评估指标体系30张安安、刘自强、李茜等：计及健康评估与风险量化的变压器检修策略第 3 期的影响，得到综合健康指数的数学表达式为：TH=HI4m=1am6n=1bn（7）式中，TH表示变压器的综合健康指数；am表示运行环境影响因子；bn表示历史检修记录影响因子。变压器可靠性与运行状态符合指数分布，根据综合健康指数可得到变压器运行可靠性模型的数学表达式为：R（TH）=KeCTH（8）式中，R（TH）表示变压器可靠性；K、C分别表示比例系数与曲率系数；依据变压器健康指数与故障率的统计数据，通过反演法计算可得到K=0.0112，C=0.0451。2.3检修后变压器可靠性分析依据变压器的相关检修导则与规范，目前主要有降额运行、带电检修、小修、大修和退役更换5种检修方式，为衡量不同检修方式对变压器健康状态的影响，采用分段函数作为不同检修方式的恢复函数，其数学表达式为：r（TH）1=0（95，100y1TH60-y16（75，95y1（0，70|（9）r（TH）2=0（90，100y2TH40-y24（50，90y2（0，50|（10）r（TH）3=0（80，100y3TH20-y32（30，80y3（0，30|（11）r（TH）4=y40，100（12）式中，r（TH）1、r（TH）2、r（TH）3、r（TH）4分别表示带电检修、小修、大修和更换设备对健康指数的恢复函数；y1、y2、y3、y4分别表示不同检修方式的恢复值，分别取值95、90、75、100。变压器运行年限与可靠性之间存在着指数关系，其数学表达式为：R（t）=et（13）式中，R（t）表示变压器在此役龄下的可靠性；t表示变压器等效役龄；a、为常数。通过变压器的可靠性模型表达式（8）和表达式（13），可以等到综合考虑健康评估和运行年限的变压器等效役龄为：t=THClnKln（14）3 变压器风险经济量化模型变压器作为电力系统的关键电气设备，运行风险主要包括检修、系统、人员和环境风险，据此本文所建立的变压器风险经济量化模型为：Lloss=Lw+Lx+Ly+Lp+Lh（15）式中，Lloss表示变压器风险经济量化函数；Lw、Lx、Ly、Lp、Lh分别表示变压器故障导致切负荷造成的检修成本、系统风险、运维风险、人员风险和环境风险。3.1检修成本检修成本主要包括材料费用、人工费用和调试费用，其数学表达式为：Lw=（cs+gs+ts）1（16）式中，s=1，2，3分别表示一般性事故、严重性事故和灾难性事故，分别对应变压器的注意、异常和严重运行状态；cs、gs、ts分别表示在不同事故等级下的材料费用、人工费用、调试费用，在一般性事故分别取值为8万元、3万元、1.2万元，在严重性事故分别取值为12万元、6万元、2.4万元，在灾难性事故下分别取值为16万元、10万元、5万元；1表示检修成本的修正系数，由变压器的规格和检修方式决定。3.2系统风险系统风险主要指变压器故障后系统切除负荷所造成的经济损失，其数学表达式为：Lx=SNcosl%fsrs2t1（17）式中，SN表示变压器容量；cos表示平均功率因素；l%表示变压器负载率；fs表示切负荷概率；rs表示故障影响指数，在不同事故等级下分别取值40.38%、17.62%、1.3%；表示单位电量风险值，取=13494.5元/(WMh)；2表示系统损失的修正系数，由变电站与变压器的重要性决定；t1表示不同检修方案对应的切负荷持续时间。3.3运维风险运维风险主要由变压器耗能费用和日常巡检费用组成，其数学表达式为：Ly=（He+Xj）3t2（18）式中，He和Xj分别表示变压器耗能费用和日常巡检费用；3表示运维风险的修正系数，由变压器规格与运行环境决定；t2表示不同检修方案对应的检修时间。3.4人员风险31第 60 卷图2变压器检修策略优化流程人员风险主要根据变压器故障造成的事故等级来进行划分，其数学表达式为：Ly=Ss4（19）式中，Ss表示不同事故等级下的平均人员损失费用，本文分为人员轻伤、重伤和死亡3个安全事故等级，分别取值为3万元、50万元和500万元；4表示人员风险的修正系数，由变电站的重要性和运行环境决定。3.5环境风险环境风险主要根据变压器故障所造成的油泄漏、一氧化碳等有毒气体的释放等环境污染情况来进行划分，其数学表达式为：Lh=Es5（20）式中，Es表示不同事故等级下的平均环境风险费用，分别取值为5.6万元、18.2万元和40万元；5表示环境风险的修正系数，由变电站所处位置及变压器规格决定。4 基于改进鸽群算法的变压器检修策略优选模型4.1目标函数制定检修策略必须考虑检修对变压器运行状态的影响，同时兼顾运行可靠性与风险经济性要求。因此，本文以确保变压器的可靠性在可接受的范围内，且风险经济成本较低为优化目标，所建立优化目标函数为：Y=minLwLloss（RT+1-RT）RT+1（21）式中，Y表示变压器检修策略优化目标函数；RT和RT+1分别表示检修前与检修后变压器可靠性。4.2基于改进鸽群算法的变压器检修策略针对所建立的变压器检修策略优化目标函数，采用Powell算法与鸽群算法（PIO算法）相结合的P-PIO算法，详细步骤如下：步骤1：设置目标函数空间维度d、地图算子与指南针算子函数、算子最大迭代次数n、最大迭代次数N，针对不同检修方案在d中随机生产粒子群Q。步骤2：设置每只鸽子的随机速度和位置，比较适应度找到当前时刻的最优解。步骤3：根据位置信息和速度信息进行迭代更新，找到每次迭代的最优解。步骤4：对所有最优解进行排序，得到最优解集，如果迭代次数达到算子迭代次数上限，则停止迭代，否则转到步骤3。步骤5：根据步骤3和步骤4计算最优位置信息与函数解。步骤6：以函数最优解对应的位置信息作为Powell搜索的初始值，如果搜索的最优值小于PIO的最优解，则用Powell算法的搜索结果作为新的最优解，否则保持最优解不变。步骤7：若迭代次数未达到上限，则转到步骤5，否则输出结果。本文采用P-PIO算法在MATLAB中对目标函数进行寻优求解，制定变压器检修策略的流程如图2所示。32张安安、刘自强、李茜等：计及健康评估与风险量化的变压器检修策略第 3 期CsqEIxijijxiviA13.18610.1572B50.00000.1366C36.35750.4859D18.30420.2203A1A2A3A40.00000.00004.109660.00000.30120.22650.27110.2012B1B250.000050.00000.56020.4398D1D2D3D48.000046.666723.59550.00000.17110.22780.26720.3339C1C2C3C446.91690.00000.00009.41180.05240.04890.07710.0712C5C6C7C850.3356120.930240.939664.00000.10070.11640.09890.0826C9C10C11C1249.01960.000010.76924.00000.07810.07010.06230.0623C13C140.00000.00000.04150.0375表2变压器健康评估表评估指标监测值注意值初始值套管绝缘电阻/M900010000800套管局部放电量/pC3605000套管温度/888512套管电容初值差/%1.610铁心接地电流/A0.110.080.02铁心绝缘电阻/M150100200总烃含量/LL-12201500.8储油柜密封65750.6渗漏油/s3.540.01顶层油温/93850噪声振动/dB45300.2油中微水/mgL-151253.5油介损/%2.111.50.01C2H2含量/LL-18.250H2含量/LL-12201507.2CH4含量/LL-1451000绕组局部放电量/pC7850030C2H6含量/LL-172650C2H4含量/LL-154500绝缘电阻吸收比1.11.31.6极化指数1.311.51.6绕组绝缘介损/%1.541.51绕组短路阻抗初值差/%1.4210.1绕组电容初值差/%1.2110.11表1评估指标试验数据5 算例分析5.1可靠性分析为验证本文所提出的变压器检修策略制定方法的可靠性与准确性，以西南地区某变电站一台220kV主变压器为例进行算例分析。已知2017年9月某时刻该变压器各项评估指标的监测值、注意值和初始值如表1所示。根据公式（1）式（3）可得到各评估指标评分值与权重系数，根据公式（4）可得综合状态量评分值如表2所示。其中，变压器本体评分为36.3575，铁心评分为50.0000，高于正常范围分值，可推测变压器本体与铁心可能存在缺陷。最后根据变权综合思想可得到各综合状态量的变权重系数值如表2所示，表中Csq表示综合状态量，EI表示评估指标。最终得到该变压器的健康指数为：HI=i=4i=1xivi=30.6014依据该变压器的运行环境情况以及历史检修记录，可求得环境影响因子am=0.9066，检修影响因子bn=1.1059。据此，该变压器的综合健康指数与可靠性为：TH=HIambn=30.6812R（TH）=KeCTH=4.468510-2变压综合健康指数与对应检修决策如表3所示，可知该变压器处于注意运行状态，需要结合经济性分析对其制定合适的检修策略，预防变压器事故发生。通过拟合该变压器的历史运行数据，可得到=0.002789，=0.1444，代入可靠性模型可得到该变压器的等效役龄为：综合健康指数运行状态检修决策0TH25良好照常检修25TH50注意加强监视50TH75异常提前检修75TH100严重立即检修表3运行状态与检修计划33第 60 卷（c）方案3寻优结果（a）方案1寻优结果（b）方案2寻优结果检修方案检修成本/万元系统风险/万元运维风险/万元人员风险/万元环境风险/万元方案121.25149.621.224.325.88方案221.2599.751.204.325.88方案368.75249.384.824.325.88方案468.75199.504.804.325.88表4不同检修方案的风险经济成本t=THClnKln=7.31775.2风险经济量化通过健康评估可知该变压器本体与铁心存在缺陷，但不存在发热现象，因此不考虑带电运行的检修方案。且该变压器目前未发生过重大故障也不处于故障频发期，因此暂时也不考虑退役更换。鉴于此，考虑以降额运行、小修、大修，制定如下4种检修方案：方案1：先降额运行，再适时安排小修。方案2：直接安排小修。方案3：先降额运行，再适时安排大修。方案4：直接安排大修。根据式（19）式（23）计算各类风险成本如表4所示，可知4种方案的总运行风险经济成本分别为182.29万元、132.4万元、333.12万元和283.25万元，其中方案2的总运行风险经济成本最小。为满足同时兼顾可靠性与经济性的优化目标函数要求，需通过改进鸽群算法与粒子群算法进行迭代寻优，确定最佳检修方案与检修时间。5.3制定检修策略针对不同检修模型进行初始化，在所定义的d=1维空间中随机产生粒子群Q，种群个数为24，随机产生每只鸽子的位置和速度，最大迭代次数N=50，最终得到4种检修方案仿真结果如图3所示。由图3可知，改进鸽群算法较粒子群算法具有更快的寻优速度与更高的寻优精度，更适用于本文所提出的检修策略制定方法。根据变压器检修导则与检修方案的时间范围不同，可划分4种检修方案相应的综合健康指数范围 为：30.68，34.86、30.68，34.86、30.68，51.63、30.68，51.63。采用改进鸽群算法搜索寻优，得到4种检修方案的优化目标函数最优值对应的综合健康指数分别为：TH1=33.15、TH2=33.08、TH3=47.51、TH4=47.37。4种检修方案对应的最优检修时间分别为：7.91年、7.89年、11.33年、11.3年，即先降额运行变压器运行状态正常然后第六个月小修、继续运行六个月后安排小修、先降额运行至变压器运行状态正常后4年后安排大修、继续运行4年后安排大修，其对应的最优目标函数值分别为：Y1=4.991510-4、Y2=5.635510-4、Y3=8.301210-4、Y4=1.012510-3。据此最优检修方案为方案1，即先降额运行，然后继续运行三个月后安排小修，可在保证变压器的34张安安、刘自强、李茜等：计及健康评估与风险量化的变压器检修策略第 3 期（d）方案4寻优结果图34种检修方案寻优结果收稿日期：2022-02-22作者简介：张安安（1977-），男，重庆人，教授。运行可靠性的同时，使得运行风险经济成本较低。6 结束语本文提出了一种计及健康评估与风险量化的变压器检修策略制定方法，通过算例分析可以得到以下结论：1）构建基于部件的变压器健康评估指标体系，评估结果能够直观地反映故障位置，提高检修策略的准确性。2）考虑检修对变压器综合健康指数的影响，能够对检修前后的可靠性进行量化，提高检修策略的可靠性。3）采用Powell算法改进的鸽群算法进行深度挖掘，能够减少时间复杂度，高效搜索到最优检修时间与检修方式。参考文献：1刘云鹏,许自强,李刚,等.人工智能驱动的数据分析技术在电力变压器状态检修中的应用综述J.高电压技术,2019,45(2):337-348.2陈星,易云,吴杰,等.一台大修电力变压器的维修方案和改进措施J.变压器,2021,58(8):84-87.3赵洪山,李宇昊.基于比例强度模型的变压器不完全检修策略J.电力自动化设备,2021，41(6):179-183.4王世阁,陈润晶.几起典型变压器故障案例分析J.变压器,2018,55(7):77-82.5李振柱,谢志成,熊卫红,等.考虑绝缘剩余寿命的变压器健康状态评估方法J.电力自动化设备,2016,36(8):141-146.6李黎,张登,谢龙君,等.采用关联规则综合分析和变权重系数的电力变压器状态评估方法J.中国电机工程学报,2013,33(24):152-159.7卞建鹏,孙晓云,杨苏,等.基于云模型的电力变压器风险评估及检修策略 制 定J.高 电压 技术,2015,41(10):3342-3347.8张翠玲,王大志,宁一,等.基于模糊TOPSIS方法的变压器维修策略J.东北大学学报(自然科学版),2016,37(3):309-313.9张镱议.基于运行状态和寿命评估的电力变压器全寿命周期检修决策研究D.重庆：重庆大学,2014.10王有元,陈璧君.基于层次分析结构的变压器健康状态与综合寿命评估模型J.电网技术,2014,38(10):2845-2850.11罗凤章,张天宇,王成山,等.基于多状态马尔科夫链的配电设备状态检修策略优化方法研究J.中国电机工程学报,2020,40(9):2777-2787.12张镱议,廖瑞金,杨丽君,等.综合考虑可靠性与经济性的电力变压器检修方案优选J.电工技术学报,2014,29(11):191-200.13陈忠华,刘博,郭瑞,等.基于改进鸽群算法的光伏阵列MPPT方法J.电力系统及其自动化学报,2021,33(8):32-40.14 Q/GD169-2008，油浸式变压器(电抗器)状态评价导则S.15张晶晶,许修乐,丁明,等.基于模糊层次分析法的变压器状态评估J.电力系统保护与控制,2017,45(3):75-81.16刘文奇.均衡函数及其在变权综合中的应用J.系统工程理论与实践,1997,17(4):58-64.17郭创新,王越,王媚,等.表征内部潜伏性故障的变压器时变停运模型研究J.中国电机工程学报,2013,33(1):63-69.18潘乐真,张焰,俞国勤,等.状态检修决策中的电气设备故障率推算J.电力自动化设备,2010,30(2):91-94.19孙慧君,何永秀,熊威,等.不同运检策略对变压器年停运时间的影响J.中国电力,2020,53(8):91-99.20徐波,韩学山,张玉敏,等.考虑故障传播的变压器机会维修模型J.中国电机工程学报,2017,37(15):4355-4362.21蔡亚东.一起电容式套管端部过热缺陷分析与检修方法J.变压器，2021，58(10):82-84.22徐其春，肖志国，陈昕.基于大数据采集模块的变压器绕组形变故障诊断方法J.变压器，2021，58(12):25-29.23朱太云,陈 忠,杨 为,等.电网设备差异化状态检修新模式研究J.高压电器,2020,56(1):236-240.24刘慧鑫，连鸿松，张江龙，等.变压器油中溶解气体在线监 测 装 置 运 行 质 量 指 标 及 评 价 体 系J.高 压 电 器，2021,57(1):143-149.35