優化變電站巡檢時效的蒙特卡洛方法

崔 浩,楊高奎,胡珊珊

(國網湖北省電力有限公司襄陽供電公司，湖北 襄陽 441000)

0 引言

變電站作為各級區域電網的能量匯聚點,聯系多個電源點和多個電壓等級的電網,出線回路多,變電容量大,對維持區域電網安全、穩定的運行發揮著舉足輕重的作用。變電站巡檢是以發現設備缺陷為目標的一項技術組織措施,按周期組織開展變電站例行、全面、熄燈、特殊巡視,制訂相關維護、消缺方案并實施是保證優質供電的必然要求。

國網(運檢/3)828—2017《國家電網公司變電運維管理規定(試行)》[1](以下簡稱《規定》)明確指出:根據電壓等級、在電網中的重要性將變電站分為一類、二類、三類、四類變電站,而地市公司管轄三類及以下等級的變電站。針對巡視類型有例行巡視、全面巡視、專業巡視、熄燈巡視和特殊巡視。以三類變電站為例確定巡視周期:例行巡視每周不少于1次,全面巡視每月不少于1次,專業巡視每半年不少于1次,熄燈巡視每月不少于1次,特殊巡視依設備運行環境、方式變化而定。

現階段,變電運維班普遍存在“人少站多”、結構性缺員等問題,導致巡檢效率與人力資源配置之間的矛盾日漸突出。然而,《規定》中以“日”為最小單位的巡檢周期又顯得過于籠統?；诖嗽?結合變電運維班工作實際,將巡檢周期進一步細化,以達到優化運維班組人力資源最優配置的目的。文獻[2]利用層次分析法建立了以設備的基本元件缺陷為底事件、設備故障為頂事件的缺陷樹模型,用蒙特卡洛方法抽樣底事件所需要的時間,通過最小割集的橋梁作用計算出頂事件所需要的時間,運用區間統計法計算頂事件的可靠度,利用數值擬合得到可靠度與巡視周期的連續解,最終得到不同變電站可靠度所對應的巡視周期。文獻[3]考慮變電站電壓等級、投運年限、電網地位、裝置型式、自動化程度、負荷水平、運行方式、缺陷情況、健康狀況等約束條件,利用專家系統建立變電站設備評分模型,通過數據擬合得到評分結果與巡視周期之間的函數關系,最后根據評分計算各變電站的巡視周期。文獻[4]根據設備缺陷、運行年限、運行工況、設備布置等方面對變電站實施A、B、C、D、E的五級劃分,結合分級情況和巡視實際情形確定變電站巡視周期。文獻[5]利用可靠性理論得出可靠度與缺陷率、巡視周期相關。提出了設備狀態評估分級巡視策略,通過綜合權衡設備狀態評分和有效缺陷,動態調整巡視周期。文獻[4]、[5]與文獻[2]、[3]相比,最顯著的區別是缺乏定量分析,變電站分級和巡視周期的確定憑經驗確定?？傊?上述文獻均是將變電站評估結果(可靠度或評分表征)經過一系列分析與處理,間接映射為巡視周期。同時,巡視周期的最小單位仍為“日”,需要進一步細分。

鑒于此,文章重點研究完成設備巡視所承擔的風險與巡視時間之間的關系,提出了一種優化變電站巡檢時效的蒙特卡洛方法。首先,統計運維班成員對設備巡視分解的各要素設備巡視所需要的時間;其次,確定各要素巡視時間服從的概率分布;最后,對特定概率分布的各要素進行蒙特卡洛法重復抽樣并求和,經過數據分析與處理即可得到巡檢時效與巡檢效果之間的約束關系。實驗結果表明:文章所提方法能定量評估巡檢風險,為變電運維風險管控提供了一種科學有效的評估手段。

1 調研運維班成員的變電站巡檢時效

為進一步提高變電運檢標準化水平,保障變電專業可控、能控和在控,國家電網有限公司組織并編制了變電驗收、運維、檢測、評價、檢修管理規定和反事故措施,簡稱“五通一措”?！兑幎ā返?8個分冊適用于變電運維專業。地市公司某220 kV變電站于1984年竣工投產,2008年經綜合自動化改造為戶外敞開式變電站,其涵蓋的一次、二次系統的巡檢項目如表1所示。其中,“√”表示該變電站包含的所有巡檢項目,“/”表示查無此設備。

表1 變電運維管理規定的巡檢項目表

由于巡檢項目數量繁多,變電站設備布局結構和巡檢路徑對巡檢周期的影響較大。假設巡檢過程不間斷,每個巡檢項目只針對一臺設備的情況下,變電運維班組織開展室外敞開式一次設備例行巡視,巡視項目為表1中“▲”所有類別,共7項。

以油浸式變壓器例行巡視為例,《規定》的第1分冊《油浸式變壓器(電抗器)運維細則》明確指出了6個關鍵巡檢部件,并且每個部件都包含若干巡檢要求,如圖1所示。斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器和接地裝置的例行巡視項目所包含的內容此處不再贅述。

圖1 油浸式變壓器例行巡視項目分類圖

某地市變電運維班共計21人,其中值班長及以上7人、正值班員5人、副值班員及以下9人。統計上述三類人進行表1中的7個項目的例行巡視所需要的時間,將巡檢耗時由短到長依次排序,如圖2所示。

圖2 一次設備例行巡視的耗時統計圖

由圖2可知,單個巡檢項目的耗時基本按照運維班成員的技能等級單調變化,技能等級越高,巡檢耗時越短;反之,技能等級越低,巡檢耗時越長。

2 確定變電站巡檢耗時服從的概率分布

由于巡檢耗時屬于連續型隨機變量,確定連續型隨機變量所服從的分布,一般采用直方圖法、經驗分布圖法和分位數-分位數圖(Quantile-Quantile Plot,以下簡稱Q-Q圖)法聯合判別。其中,直方圖法和經驗分布圖法是比較直觀的判別方法,兩者均是通過觀察圖形形狀定性判斷連續性隨機變量所服從的概率分布。Q-Q圖是由一條角平分線y=x和若干離散點組成的散點圖,通過把測試樣本數據的分位數與已知分布做比較,從而檢驗樣本數據所服從的分布。若Q-Q圖上的散點近似分布在直線的附近,則說明連續性隨機變量服從正態分布,其中該直線的斜率為標準差,截距為均值。

通過直方圖法和經驗分布圖法已經定性地判別7個巡檢項目均服從正態分布。接著,利用IBM SPSS Statistics軟件逐個對單一項目的巡檢耗時進行數據“探索”,由于樣本數量較小,采用Kolmogorov-Smirnova檢驗正態分布,其顯著性水平均大于0.05,服從正態分布。進一步利用Q-Q圖進行判別,離散點均近似分布在直線附近,如圖3中(a)～(g)所示。于是,可以確定油浸式變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器和接地裝置共7個巡檢項目的耗時均服從正態分布。

圖3 巡檢耗時的統計判別結果圖

同時,考慮到7個巡檢項目兩兩互不相容,其和為全集,可以構成一個完備事件組,即一次設備例行巡視。根據完備事件組的性質,7個子巡檢項目疊加所得的一次設備例行巡視,通過數據擬合后發現,其巡檢耗時仍服從正態分布。通過直方圖法、經驗分布圖法和Q-Q圖法聯合判別,其結果如圖3的(h)和(i)所示,一次設備例行巡視耗時也服從正態分布。

3 利用蒙特卡洛方法對巡檢效果進行風險評估

由于7個巡檢子項目是兩兩互不相容,且非相互獨立,即便確定構成的完備事件組服從正態分布,也不能直接用正態分布的疊加性質。為了解決上述問題,對7個巡檢子項目耗時進行相當多次重復抽樣并逐個求和,得到常模群體進行一次設備例行巡視的耗時,利用模擬生成的數值解計算各巡檢時效所對應的累計概率。

3.1 蒙特卡洛方法

蒙特卡洛(Monte Carlo,簡稱MC)方法[6],是一種依賴大量重復隨機抽樣解決確定性問題的統計模擬方法[7-8],即隨機抽樣技術。該方法實質上通過隨機變量執行大量模擬,用來得到一個確定問題的近似解。

針對文章所述問題,執行如下步驟:

(2)對給定概率分布的各子巡檢項目分別進行1 000次重復抽樣,得到各子巡檢項目的巡檢耗時離散值。

(3)根據完備事件組的概念,將(2)中所得的7個子巡檢項目的巡檢耗時求和,可得一次設備例行巡視的耗時,共1 000個數據。

(4)對數據進行分組處理,計算出每個分組數據發生的概率,繪制概率分布函數圖。

3.2 風險評估

根據3.1節中介紹的蒙特卡洛方法,利用MATLAB軟件編寫程序,執行上述步驟可得一次設備例行巡視的風險評估[9-10]模型,如圖4所示。其中,直方圖表示在固定的巡檢耗時完成一次設備例行巡視的概率,稱為“出現概率”;曲線圖表示在巡檢耗時內完成一次設備例行巡視的概率,稱為“累計概率”[11]。

圖4 一次設備例行巡視的風險評估模型概率分布圖

由圖4可知,風險評估模型將巡檢耗時和在巡檢耗時內完成巡視工作的“可能性”定量的聯系起來了,可通過累計概率對一次設備例行巡視的完成情況進行風險評估。累計概率為60%和80%對應一次設備例行巡視的巡檢周期分別為36.5 min和38.7 min,為了保證能夠更“安全”地完成巡檢工作,風險閾值概率選擇80%,對應的巡檢耗時必須大于等于38.7 min。

風險評估模型對《規定》進行了進一步的補充和延伸,將巡檢時效繼續量化,為編制運行規程和變電站巡視作業指導卡提供了科學依據。

4 誤差分析

對7個巡檢子項目耗時分別求和得到的一次設備例行巡視耗時直接進行數據擬合,由于樣本容量的限制,“直接法”擬合求得的圖像存在誤差。蒙特卡洛方法的重復抽樣技術是減小上述誤差的有效途徑,理論上講,重復抽樣的次數越多,誤差越小。當然,與“直接法”相比,蒙特卡洛方法是在犧牲了計算能力的前提下獲得的最小誤差。

將直接法得到的原始數據用插值算法處理,計算出在巡檢耗時t對應的累計概率,其中20≤t≤52且t∈N+。于是,可以得到同一橫坐標(巡檢耗時)下的直接法和蒙特卡洛方法的累計概率值。直接法和蒙特卡洛方法的巡檢時效風險評估模型如圖5所示。

圖5 直接法和蒙特卡洛方法的巡檢時效風險評估對比圖

由圖5可知,蒙特卡洛方法得到的離散數據并沒有完全落在直接法擬合所得的曲線上,這是由于樣本數量不足導致的,蒙特卡洛方法通過大量的重復抽樣技術提高了風險模型的評估精度。

5 結論

為了解決風險評估模型由于樣本容量受限,使得直接法計算精度不高的問題,提出了利用蒙特卡洛方法對一次設備例行巡視的耗時進行風險評估,將量化尺度精確到“分”,實現了《規定》的進一步的補充和延伸,優化了變電運維管理決策,提高了變電運維精益化管理水平。

更進一步的研究方向是采用蒙特卡洛方法進行大量重復抽樣,增加計算機的運算復雜度,找到一種既兼顧計算量,又保證計算精度的方法,更好地優化風險評估模型,提高模型精度。