一种基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法与流程
本发明属于配电设备运行维护技术领域，特别是涉及一种基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法。
背景技术：
配电网设备的良好运行维护是保证配电网资产健康，实现配电网可靠运行的一项基础工作，关乎广大电力用户的连续可靠用电和电网的安全可靠运行。近年来，随着配电设备快速增加，配电网结构日趋复杂，基层运维工作量不断加重，运维成本也随之提高，传统的定期运维模式已经不能满足运维工作的需要。近年来，配电设备的状态检修方式受到了广泛关注。状态检修是依据设备当前健康状态监测数据，通过状态评价与风险评估，制定出差异化的运维策略，强调运维工作的实时性与配电网络的可靠性。其中，风险评估模型是状态检修的关键问题，目前在风险定义、风险水平计算与风险评估结果应用三方面都存在相应问题。在对风险进行定义时，没有考虑到不同重要程度的设备故障所造成的损失不同。在计算风险水平时，目前普遍利用历史数据预测设备风险水平，不具备实时性，此外，大多只对单一设备进行风险评估，没有考虑单一设备故障对网架整体安全性的影响。在利用风险评估结果确定运维策略时，只能定性反映特定工况下配电设备的运维策略，缺乏一种能普遍适用的量化决策方法。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)、依据配电设备状态评价指标，采集配电设备实时运行状态数据，结合配电设备历史工作数据，计算出每个配电设备的实时健康状态评价得分值，即每个设备的实时健康度指数；
步骤2)、依据步骤1)获得的配电设备实时健康度指数与配电网结构计算出配电网可靠性指标；
步骤3)、依据步骤2)获得的配电网可靠性指标计算出配电设备重要度指数；
步骤4)、依据步骤2)获得的配电网可靠性指标与步骤3)获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本与相对风险成本；
步骤5)、依据步骤4)获得的相对风险成本制定差异化运维策略，进而对不同检修方式下的配电设备采用不同线型进行标注。
在步骤1)中，所述的依据配电设备状态评价指标，采集配电设备实时运行状态数据，结合配电设备历史工作数据，计算出每个配电设备的实时健康状态评价得分值，即每个设备的实时健康度指数的步骤如下：
步骤1.1)依据不同地区电网公司制定的配电设备状态评价指标采集配电网中配电设备实时运行状态数据，然后根据该数据采取百分制对配电设备各个评价指标进行打分，并进行归一化处理而得到归一化后的评价指标打分值：
式中：
步骤1.2)考虑到家族缺陷对配电设备健康状态的影响，引入家族缺陷指数kf对步骤1.1)中归一化后的评价指标打分值进行修正，得到修正后的评价指标打分值：
xi(t)＝kfxi(t)(2)
式中：xi(t)为修正后的第i个评价指标打分值，家族缺陷指数kf依据同类设备历史工作数据查询得到；
步骤1.3)依据步骤1.2)中得到的修正后的评价指标打分值加权计算出配电设备实时健康度指数：
式中：h(t)为t时刻配电设备实时健康度指数，ωi为各评价指标权重，
在步骤2)中，所述的依据步骤1)获得的配电设备实时健康度指数与配电网结构计算出配电网可靠性指标的步骤如下：
步骤2.1)依据步骤1)中得到的配电设备实时健康度指数计算出配电设备实时故障率，配电设备实时故障率采用指数模型描述：
λ(t)＝ke-fh(t)(4)
式中：λ(t)是配电设备实时故障率，k与f为待定系数，可通过采集两年以上配电设备故障率与健康度指数的数据反解或者拟合得出待定系数k与f的值；当待定系数k，f确定后，代入式(4)，即可推算出基于当前健康状态的配电设备实时故障率；
步骤2.2)采用馈线分区法对配电网拓扑结构进行分区，划分出主干网与分支网；定义主电源至线路末端或备用电源间的串联设备或单个并联设备所在网络为主干网，从配电网中删去主干网剩余部分中任一连通网为分支网，由断路器与主设备分开的支路也称为分支网；
步骤2.3)根据步骤2.1)中获得的配电设备实时故障率和步骤2.2)中划分的主干网与分支网，计算出配电网可靠性指标；
考虑到同一条线路负荷节点与馈线节点逻辑上的串联关系，对于主干网节点的可靠性指标，可以直接归并计算；当主干网节点所连配电设备或分支网的断路器不正常工作概率为pc时，依据步骤2.2)中划分的主干网与分支网，n个串联配电设备或分支网的平均故障率、平均停电时间按下式进行计算，并将平均故障率、平均停电时间作为配电网可靠性指标：
式中：λi，ti是同一主干网上第i个配电设备或分支网的实时故障率与平均停电时间，λs，ts是主干网平均实时故障率与平均停电时间，l是未连接断路器的配电设备或分支网个数，pci是第i个设备或分支网所连断路器的不正常工作概率。
在步骤3)中，所述的依据步骤2)获得的配电网可靠性指标计算出配电设备重要度指数的步骤如下：
步骤3.1)依据步骤2)中得到的配电网可靠性指标计算出配电网线路上负荷节点停电时用户损失成本，公式如下：
式中：
步骤3.2)采用配电设备重要度指数i来描述配电设备在配电网中的重要程度；配电设备重要度指数i由配电设备故障时资产损失成本衡量，包括停电时用户损失成本、设备自身成本、环境损失成本在内的因素；依据步骤3.1)中得到的停电时用户损失成本以及历史统计数据，计算出配电设备重要度指数，公式如下：
式中：ii为第i个配电设备重要度指数，
在步骤4)中，所述的依据步骤2)获得的配电网可靠性指标与步骤3)获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本与相对风险成本的步骤如下：
步骤4.1)依据步骤2)中获得的配电网可靠性指标与步骤3)中获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本，公式如下：
ri＝iiλs(8)
式中：ri是配电设备i的风险成本，ii是配电设备i重要度指数，λs是配电设备i所占串联线路平均故障率；
步骤4.2)考虑到同一条配电线路上配电设备的串联关系，引入相对风险成本ra描述单一设备风险成本占整条线路风险成本的比重，依据步骤4.1)中获得的配电设备风险成本计算出相对风险成本，公式如下：
式中：ri是配电设备i风险成本，n是一条线路上的配电设备个数，rai为相对风险成本。
在步骤5)中，所述的依据步骤4)获得的相对风险成本制定差异化运维策略，进而对不同检修方式下的配电设备采用不同线型进行标注的步骤如下：
步骤5.1)依据步骤4)中得到的相对风险成本结合配电网运维需求确定出差异化运维策略的相对风险成本阈值范围，当相对风险成本大于0小于5％时，运维策略为局部性特殊检修即小修；当相对风险成本为5－7％时，运维策略为全局性日常检修即大修；当相对风险成本大于7％时，运维策略为对配电设备进行更换；
步骤5.2)依据步骤5.1)中获得的差异化运维策略对拓扑图上表示配电设备的图例采用不同线型进行标注。
本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法具有如下有益效果：从设备健康度与重要度两个方面确定了设备风险成本。在计算健康度指数时，综合考虑了实时数据与历史数据，克服了传统风险评估中实时性差的缺点；在计算重要度时，不局限于考虑单一设备故障时的自身损失，而从单一设备故障对整个配电系统影响的角度衡量设备的重要度。进而，以相对风险成本为依据确定运维顺序与运维方式，使运维策略的制定简单经济直观，体现了差异化运维的优势，可以为配电设备运维策略的制定提供科学的参考。
附图说明
图1为本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法流程图。
图2为本发明采用馈线分区法对配电网进行分区的示意图以及配电网拓扑图。
图3为采用不同线型标注后配电网拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)、依据配电设备状态评价指标，采集配电设备实时运行状态数据，结合配电设备历史工作数据，计算出每个配电设备的实时健康状态评价得分值，即每个设备的实时健康度指数；
步骤2)、依据步骤1)获得的配电设备实时健康度指数与配电网结构计算出配电网可靠性指标；
步骤3)、依据步骤2)获得的配电网可靠性指标计算出配电设备重要度指数；
步骤4)、依据步骤2)获得的配电网可靠性指标与步骤3)获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本与相对风险成本；
步骤5)、依据步骤4)获得的相对风险成本制定差异化运维策略，进而对不同检修方式下的配电设备采用不同线型进行标注。
在步骤1)中，所述的依据配电设备状态评价指标，采集配电设备实时运行状态数据，结合配电设备历史工作数据，计算出每个配电设备的实时健康状态评价得分值，即每个设备的实时健康度指数的步骤如下：
步骤1.1)依据不同地区电网公司制定的配电设备状态评价指标(如中国南方电网公司《配电网缺陷定级标准和缺陷库模块化成果(2015版)》中规定的评价指标等)采集配电网中配电设备实时运行状态数据，然后根据该数据采取百分制对配电设备各个评价指标进行打分，并进行归一化处理而得到归一化后的评价指标打分值：
式中：
步骤1.2)考虑到家族缺陷对配电设备健康状态的影响，引入家族缺陷指数kf对步骤1.1)中归一化后的评价指标打分值进行修正，得到修正后的评价指标打分值：
xi(t)＝kfxi(t)(2)
式中：xi(t)为修正后的第i个评价指标打分值，家族缺陷指数kf依据同类设备历史工作数据查询得到；
步骤1.3)依据步骤1.2)中得到的修正后的评价指标打分值加权计算出配电设备实时健康度指数：
式中：h(t)为t时刻配电设备实时健康度指数，ωi为各评价指标权重，
在步骤2)中，所述的依据步骤1)获得的配电设备实时健康度指数与配电网结构计算出配电网可靠性指标的步骤如下：
步骤2.1)依据步骤1)中得到的配电设备实时健康度指数计算出配电设备实时故障率，配电设备实时故障率水平与设备健康状态紧密相关，配电设备健康状态越差，老化越严重，发生故障的可能性越高。配电设备实时故障率采用指数模型描述：
λ(t)＝ke-fh(t)(4)
式中：λ(t)是配电设备实时故障率，k与f为待定系数，可通过采集两年以上配电设备故障率与健康度指数的数据反解或者拟合得出待定系数k与f的值。当待定系数k，f确定后，代入式(4)，即可推算出基于当前健康状态的配电设备实时故障率；
步骤2.2)采用馈线分区法对配电网拓扑结构进行分区，划分出主干网与分支网。定义主电源至线路末端或备用电源间的串联设备或单个并联设备所在网络为主干网，从配电网中删去主干网剩余部分中任一连通网为分支网，由断路器与主设备分开的支路也称为分支网。如图2所示，f4馈线与节点①-④以及分支网1与分支网2组成主干网，节点⑤-⑧与节点⑨-⑩分别组成分支网1与分支网2。对于多层网络，分支网与主干网是相对的，本层分支网也是下层分支网的主干网，所以主干网可靠性指标计算方法适用于分支网；
步骤2.3)根据步骤2.1)中获得的配电设备实时故障率和步骤2.2)中划分的主干网与分支网，计算出配电网可靠性指标；
考虑到同一条线路负荷节点与馈线节点逻辑上的串联关系，对于主干网节点的可靠性指标，可以直接归并计算；当主干网节点所连配电设备或分支网的断路器(如图2中节点c2)不正常工作概率为pc时，依据步骤2.2)中划分的主干网与分支网，n个串联配电设备或分支网的平均故障率、平均停电时间按下式进行计算，并将平均故障率、平均停电时间作为配电网可靠性指标：
式中：λi，ti是同一主干网上第i个配电设备或分支网的实时故障率与平均停电时间，λs，ts是主干网平均实时故障率与平均停电时间，l是未连接断路器的配电设备或分支网个数，pci是第i个设备或分支网所连断路器的不正常工作概率。
在步骤3)中，所述的依据步骤2)获得的配电网可靠性指标计算出配电设备重要度指数的步骤如下：
步骤3.1)依据步骤2)中得到的配电网可靠性指标计算出配电网线路上负荷节点停电时用户损失成本，公式如下：
式中：
步骤3.2)由于配电网设备多样，结构复杂，不同种类与不同位置配电网设备的健康状态对配电网安全性的影响不同，具有较高价值，处于关键位置以及连接重要负荷的配电设备对配电网风险水平具有更大贡献。采用配电设备重要度指数i来描述配电设备在配电网中的重要程度。配电设备重要度指数i由配电设备故障时资产损失成本衡量，包括停电时用户损失成本、设备自身成本、环境损失成本等因素。依据步骤3.1)中得到的停电时用户损失成本以及历史统计数据，计算出配电设备重要度指数，公式如下：
式中：ii为第i个配电设备重要度指数，
在步骤4)中，所述的依据步骤2)获得的配电网可靠性指标与步骤3)获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本与相对风险成本的步骤如下：
步骤4.1)应用ieee100-1992的定义，通过风险成本对风险水平进行量化评估。风险成本的定义为“对不期望发生结果的概率与所造成损失的度量，通常采取概率与损失乘积的形式”。对于配电设备，其风险成本是描述配电网某一运行状态下配电设备发生故障时可能损失的资产价值，由配电网故障时资产损失成本与故障率乘积衡量。依据步骤2)中获得的配电网可靠性指标与步骤3)中获得的配电设备重要度指数计算出配电设备风险成本，公式如下：
ri＝iiλs(8)
式中：ri是配电设备i的风险成本，ii是配电设备i重要度指数，λs是配电设备i所占串联线路平均故障率。
步骤4.2)考虑到同一条配电线路上配电设备的串联关系，引入相对风险成本ra描述单一设备风险成本占整条线路风险成本的比重，依据步骤4.1)中获得的配电设备风险成本计算出相对风险成本，公式如下：
式中：ri是配电设备i风险成本，n是一条线路上的配电设备个数，rai为相对风险成本。
在步骤5)中，所述的依据步骤4)获得的相对风险成本制定差异化运维策略，进而对不同检修方式下的配电设备采用不同线型进行标注的步骤如下：
步骤5.1)依据步骤4)中得到的相对风险成本结合配电网运维需求确定出差异化运维策略的相对风险成本阈值范围，当相对风险成本大于0小于5％时，运维策略为局部性特殊检修(小修)；当相对风险成本为5－7％时，运维策略为全局性日常检修(大修)；当相对风险成本大于7％时，运维策略为对配电设备进行更换(更换)。
步骤5.2)依据步骤5.1)中获得的差异化运维策略对拓扑图上表示配电设备的图例采用不同线型进行标注。
具体实施例
下面结合实例对本发明作进一步的详细说明。
利用本发明方法对图2中馈线f4情况进行分析。f4包括10台变压器(t1-t10)，2台开关设备(c1-c2),10条架空线(l1-l10)和10组用户负荷(lp1-lp10)。假设断路器100％可靠工作，对于馈线f4，各类配电设备基本信息如表1所示，负荷点基本信息如表2所示。
表1f4馈线配电设备基本信息
表1中l是故障线路长度(单位km)，其中，l1-l5长度为1km，l6-l10长度是0.5km。
表2负荷点数据
步骤1)、采集配电设备历史工作数据与实时运行状态数据，依据配电设备状态评价规则，计算每个配电设备的实时健康度指数如表3中h列所示。
步骤2)、依据配电设备实时健康度指数与配电网结构计算出配电网可靠性指标；
步骤2.1)依据步骤1)中得到的配电设备实时健康度指数利用公式(4)计算出配电设备故障率如表3中λ列所示。t列为采集的配电网设备每次停电时间数据。
表3健康度指数与故障率，停电时间数据
步骤2.2)用馈线分区法对配电网拓扑结构进行分区，划分主干网与分支网，如图2所示；
步骤2.3)当如图2中节点c2不正常工作概率为pc＝0时，依据步骤2.2)中划分的主干网与分支网，利用公式(5)计算分支网与主干网的平均故障率，平均停电时间分别为：
分支网1：λ支1＝13.181，t支1＝0.391
分支网2：λ支2＝0.357，t支2＝0.8
主干网：λ主＝0.568，t主＝1.418
步骤3)、依据步骤2)中配电网可靠性指标计算出配电设备重要度指数。
步骤3.1)依据步骤2)中得到的配电设备可靠性指标，利用公式(6)计算配电网线路上负荷节点停电时用户损失成本如表4中
步骤3.2)利用公式(7)计算配电设备重要度指数如表4中ii列所示。
步骤4)、依据步骤2)中配电网可靠性指标与步骤3)中配电设备重要度指数计算配电设备风险成本与相对风险成本；
步骤4.1)利用公式(8)计算风险成本如表4中ri列所示；
步骤4.2)利用公式(9)计算相对风险成本如表4中rai列所示。
表4重要度指数，风险成本与相对风险成本
步骤5)、依据步骤4)中相对风险成本制定差异化运维策略，进而对不同检修方式下的设备采用不同线型进行标注。相对风险成本阈值范围与线型标注如下表5所示：
表5不同相对风险成本的运维策略及线型标注
步骤5.1)根据表5确定差异化运维结果如表6所示，为说明基于风险评估对配电系统设备状态检修方法的优越性，选择与现有的巡线式定期运维进行对比，规定定期运维中健康度指数在0.5及以下的进行更换，0.5-0.9进行大修，0.9及以上小修。两种运维方式比较结果如表6所示：
表6两种运维方式比较
步骤5.2)依据步骤5.1)中差异化运维策略对拓扑图上表示设备的图例采用不同线型进行标注，如图3所示。
可以看出，相对于定期运维方式，以相对风险成本作为运维指标的差异化运维策略具有更低的运维成本与运维时间。此外通过不同标注直观地确定不同设备的运维优先级，可以更加简便地制定运维计划。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
本发明提供的基于风险评估的配电系统设备状态检修决策方法包括采集配电系统设备运行数据进行状态评价与风险评估，最终制定差异化运维策略等步骤。本发明从设备健康度与重要度两个方面确定了配电设备风险成本。在计算健康度指数时，综合考虑了实时数据与历史数据，克服了传统风险评估中实时性差的缺点；在计算重要度时，不局限于考虑单一配电设备故障时的自身损失，而从单一配电设备故障对整个配电系统影响的角度衡量设备的重要度。进而，以相对风险成本为依据确定运维顺序与运维方式，使运维策略的制定简单经济直观，体现了差异化运维的优势，可以为配电设备运维策略的制定提供科学的参考。
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