基于健康指数的配电设备状态评估研究,电气工程硕士论文

基于健康指数的配电设备状态评估研究,电气工程硕士论文摘要传统的定期检修与事后检修形式，随着我们国家智能电网的日渐普及已不能知足对电力系统供电可靠性的保障，因而逐步转向更为经济可靠的状态检修。电力设备状态评估作为状态检修的前提，是电网工作人员制定检修策略极重要的参考。作为电力系统的末端系统，配电网及其设备的健康状况得到了广泛关注。配电设备健康不仅与本身绝缘老化相关,还.与工作环境和运行条件密不可分。然而，以往对配电设备状态评估通常以设备历史统计的故障次数或配电设备状态评价导则来人为的评判设备健康程度,无法具体表现出设备当下的真实状态，亦难以制定经济合理的检修措施。本文引入健康指数(HI)作为评估配电设备健康状态优劣的指标，用以表征设备真实的健康状态。首先，介绍了常见的设备故障率随运行时间的变化关系，以三种分布模型的P-P图为根据，选取威布尔分布作为设备故障率计算模型。同时引入役龄回退理论，阐述了检修对设备故障率的影响，并以变压器的故障实例数据进行威布尔分布参数的估算，建立基于威布尔分布的故障率计算模型。其次，通过分析影响实际配电设备健康状况优劣的多种因素，运用层次分析法(AHP)给予各因素合理的权重:基于设备故障率和健康指数的映射关系，综合考虑主要配电设备的投运时间、在运状态、工作环境等因素建立了故障率修正模型;参照电力设备健康指数与故障率之间的函数关系，构建了考虑多因素的配电设备健康指数评估模型，并通过实例分析了实际配电网中关键设备的健康状况，给出了设备的健康指数。结果表示清楚，本文提出的配电设备状态评估模型，在评估设备健康状态时，结果直观，有利于检修策略的灵敏制定。最后，以设备健康指数为基础,运用网络等值法和成功流法建立了配电网健康指数模型，分析了处于系统不同层次等级的设备健康指数变化对配电网健康状况的影响。本文关键词语:设备状态评估:健康指数(HI);层次分析法(AHP);实时故障率;役龄回退。AbstractWiththeexpansionofthescaleofsmartgridsandthecontinuousimprovementofpowersupplyreliabilityrequirements,themaintenancemodehasgraduallychangedfromregularmaintenanceandafter-salesmaintenancetostate-of-the-artmaintenance.Theconditionassessmentofequipmentistheprerequisiteforstate-ofthe-artmaintenanceandisanimportantreferenceforformulatingmaintenancestrategies.Astheterminalsystemofthepowersystem,thehealthofthedistributionnetworkanditsequipmenthasreceivedextensiveattention.Thehealthofpowerdistributionequipmentisnotonlyrclatedtoitsowninsulationaging.butalsoinseparablefromitsworkingenvironmentandoperatingconditions.However,inthepastresearchonthestatusevaluationofpowerdistributionequipment,thehealthoftheequipmentwasartificiallyevaluatedbasedonthenumberoffailurescountedinthehistoryoftheequipmentortheevaluationguidelinesforthestatusofthedistributionnetworkequipment,whichcouldnotreflctthecurrenttruestateoftheequipment,thatis,itwasdifficulttoformulateeconomicsreasonablemaintenancemeasures.Thispaperintroducesthehealthindex(HD)asanindextoevaluatethehealthstatusofthemainequipmentinthedistributionnetworktocharacterizethetruehealthstatusoftheequipment.Firsly,heiclationshipbetwccnthecommonequipmentfailurerateandtherunningtimeandthegraphareintroduced.BasedontheP-Pdiagramofthethreedistributionmodels,theWeibulldistributionmodelisselectedastheequipmentfailureratecalculationmodel.Atthesametime,theserviceageregressiontheoryisintroduced,andtheinfluenceofmaintenanceonequipmentfailurerateisexplained.AndfocusontheestimationofWeibulldistributionparametersbasedonthefaultinstancedataofthetransformer,andestablishthecalculationmodelofthetransformerfailureratebasedonWeibull.Secondly,byanalyzingthevariousfactorsthatafeetthehealthstatusoftheactualpowerdistributionequipment,theAnalyticHierarchyProcess(AHP)methodisusedtogiveeachfactorareasonableweight;basedonthemappingrelationshipbetweentheequipmentfailurerateandthehealthindex,comprehensiveconsiderationofthemainpowerdistributionequipmentAfailureratecorrectionmodelwasestablishedforfactorssuchasoperatingtime,operatingstatus,andworkingenvironment;referringtothefunctionalrelationshipbetweenthepowerequipmenthealthindexandthefailurerate,apowerdistributionequipmenthealthindexevaluationmodelconsideringmultiplefactorswasconstructed,andanexamplewasadopted.Thehealthstatusofkeyequipmentintheactualdistributionnetworkisanalyzed,andthehealthindexoftheequipmentisgiven.Theresultsshowthatthepowerdistributionequipmentstateevaluationmodelproposedinthispaperhasintuitiveresultswhenevaluatingthehealthstateoftheequipment,whichisconducivetotheflexibleformulationofmaintenancestrategies.Finally,basedontheequipmenthealthindex,thenetworkequivalencemethodandthesuccessflowmethodareusedtoestablishadistributionnetworkhealthindexmodel,andtheimpactofchangesintheequipmenthealthindexatdifferentlevelsofthesystemonthehealthofthedistributionnetworkisanalyzed.Keywords:Equipmentstatusassessment;AnalyticHierarchyProcess(AHP);real-timefailurerate;healthindex(HI);serviceageregression。1、绪论1.1、研究背景与意义。随着我们国家电网的快速发展，很多关键技术都面临着史无前例的挑战。从输电经过来看，我们国家电网大致可分为发电、输电和配电系统三部分。在发电和输电侧采用了多源供电、多回路输电的方式，以保证较高的可靠性，且关键的发、输电设备大都应用在线监测、定期离线试验等监控方式，严格保证设备安全可靠运行，并采取了多种维护手段，减少了因系统停运造成的损失[2]。配电网作为智能电网建设的重要环节，承当着直接与终端用户、分布式电源、电动汽车等间歇性负荷相承接的责任，但因其运行条件复杂，设备水平错落不齐，网络构造复杂，无法构成类似发、输电系统的可靠构造。研究表示清楚，超过85%的电力故障发生在配电网侧[3]。因而，对配电设备和配电网健康状况进行健康状态评估，不仅有助于提高电力系统日常管理的效率，而且有助于智能电网的建设和当代配电技术的应用。英国电网科研人员将电网设备运行状况与人体健康进行比拟，利用人体健康指数〔HealthIndex，HI〕的相关理论识，类比电气设备劣化规律，提出了电气设备健康指数的概念[4]。这一概念主要针对电力系统中存在的大量如变压器、隔离开关、电缆等超期服役设备，恐因其超期服役而增加电网的故障率，毁坏系统供电可靠性，对用户产生不良影响，故需以之为基础制定更为可靠的电网设备检修计划。随后，供电可靠性、资产管理等众多领域的研究中都引入了这一概念[5-6]，这有助于电网的风险控制，避免设备盲目维护、检修过剩等缺陷。在一定程度上降低运行维护成本，优化资源配置，提高了电力系统运行的安全性和供电可靠性。当前，我们国家固然开展了配电设备健康状况评价的相关研究，但国内的研究大多集中在高压变压器[7-9]。当前，配电设备健康评估不仅缺乏系统的理论和工具，而且其研究还未从设备层面延伸到网络层面。当前的评价模型和评价指标都比拟简单，大多来自于现场经历体验，支持配电系统健康理论的数据平台亦尚未开发。同时，配电网是一个实时动态系统，设备的健康状况取决于其运行状况，并受外部环境变化和本身需求的影响。因而，怎样评价大量配电设备和复杂实时动态配电网的健康状况，不仅仅是当代电网发展中的一个新课题，也是当代智能电网发展进程中所面临的宏大挑战[10-11]。【由于本篇文章为硕士论文，如需全文请点击底部下载全文链接】1.2、配电设备状态评估的研究现在状况.1.2.1、国外研究现在状况1.2.2、国内研究现在状况1.3、检修策略的研究现在状况.1.4、主要研究内容2、配电系统状态评估理论.2.1、引言2.2、健康指数理论2.2.1、设备健康指数与状态的关系，2.2.2、设备健康指数与检修方式的关系2.2.3、设备健康指数与故障率的关系.2.3、配电设备故障率2.3.1、引言2.3.2、电气设备老化、劣化经过2.3.3、元件故障率曲线2.4、状态评估方式方法.2.4.1、层次分析法，2.4.2、模糊综合评判法2.4.3、熵值法.2.4.4、德尔菲法2.5、配电系统可靠性指标2.5.1、负荷点可靠性指标2.5.2、系统可靠性指标2.6、本章小结3、配电设备故障率模型3.1、设备故障率曲线3.2、设备故障率分布函数3.3、威布尔分布的参数计算3.4、改良的役龄回退模型3.5、算例分析.3.5.1、变压器故障率分析.3.5.2、故障率分布函数确实定3.5.3、威布尔分布参数估算3.5.4、役龄回退模型分析.3.6、本章小结.4、配电设备健康状态综合评估.4.1、影响配电设备故障因素4.1.1、设备故障因素4.1.2、层次分析法确定故障因素权重.4.2、配电设备故障率修正模型.4.3、设备健康指数模型的建立4.3.1、设备实时健康指数的计算.4.3.2、设备健康指数的预测4.3.3、算例分析.4.5、配电网络健康状态评估.4.5.1、网络等值法4.5.2、成功流法(GO法)4.5.3、评估流程.4.5.4、算例分析.4.6、本章小结.5、总结随着智能电网的日渐普及，准确评估配网设备健康状况，合理布置设备维修计划，防止发生大范围停电，有效预防偶尔事故，延长设备生命周期是当下需要紧急解决的问题。〔1〕由于配网设备数量冗杂、牵涉面广、造价较低，则若采用输电网设备的评估方式来评估配网设备，不仅性价比低且多不适配。故而，本文从配网系统中变压器、断路器、隔离开关、架空线路和电缆线路等五类关键设备入手，主要介绍了设备健康指数和故障率相关的理论，阐述了健康指数与故障率的关系，建立了具体的配网设备健康指数的等级划分标准，并与设备状态的相对应。〔2〕由于配电设备健康不仅与本身绝缘老化相关，还与其工作环境和运行条件密不可分。然而，在以往的配电设备状态评估研究中，通常以设备历史统计的故障次数或配网设备状态评价导则来人为的评判设备健康程度，无法具体表现出设备当下的真实状态。故而，本文通过统计历史设备故障率，并利用P-P图法分析其全生命周期内分布情况，选取符合设备故障率变化趋势的威布尔分布函数作为描绘叙述配电设备故障率的模型。以58台故障变压器的统计数据进行算例分析，运用IBMSPSS25软件拟合威布尔分布函数中的各参数，计算方式方法更为简单，得出的故障率更具客观性。〔3〕综合考虑不同检修方案下对设备故障率的影响，引入役龄回退理论，更准确地确定设备故障率分布规律。针对影响设备故障因素，如负载率、大风大雨、高温、雷击气象等因素，利用影响设备故障因素和修正系数矩阵对威布尔模型中得出的设备故障率进行修正，得到符合在运设备真实状况的故障率。其次，基于健康指数和故障率的映射关系给出设备健康指数的计算公式，通过实例分析了实际配电网中关键设备的健康状况，结果表示清楚，本文提出的配电设备状态评估模型，评估设备的健康状态，结果直观，有利于配电公司检修策略的灵敏制定。〔4〕最后，以计算得到的设备健康指数为基础，运用网络等值法和成功流法建立了配电网健康指数模型，分析了不同层次等级的设备健康指数变化对网络健康状态的影响，可知网络中层次等级越高的设备，其健康指数变化对整体网络的健康状况影响越大。以下为参考文献[1]敖蕾蕾,王慧芳,张弛,李--泉,何奔腾.基于D-S证据理论的输变电设备状态检修多目的群决策[J].电网技术,2020,38(06):1627-1633.[2]陈安伟.输变电设备状态检修的应用[J]电网技术,2018,3(20):215-218.[3]刘健,张小庆,张志华。继电保卫配合提高配电自动化故障处理性能[J].电力系统保卫与控制,2021,43(22):10-16.[4]BarnfatherP,HughesD,WellsR.Condition-basedriskmanagementofphysicalassetswithintheelectricalpowersector[C]IETIAMAssetManagementConference2012,2020:1-5.[5]秦继承,吴娟.基于电网状态评估的风险防备管理体系应用研究[J].中国电力,2007(04):90-92.[6]基于电网状态评估的风险防备管理体系研究[J].云南电业,2007(08):38.[7]廖瑞金，黄飞龙杨丽君，郑含博,巩晶.变压器状态评估指标权重计算的未确知有理数法[J].高电压技术,2018,36(09):2219-2224.[8]谭贵生,曹生现,赵波,魏宏建,刘丹丹.基于关联规则与变权重系数的变压器状态综合评估方式方法[J].电力系统保卫与控制,2020,48(01):88-95.[9]、卞建鹏,杨苏，高世闯,滑伟静.基于全寿命周期成本的电力变压器检修决策[J].电力系统及其自动化学报,2022,31(05):77-83.[10]张钧,何正友,谭熙静.-种基于ANFIS的配电网故障分类方式方法及其适应性分析[J]电力系统保卫与控制,2018,39(04):23-29.[11]张姝,谭熙静,何正友,臧天磊,赵静.基于层次分析法的复杂配电网健康诊断研究[J].电力系统保卫与控制,2020,41(13):7-13.[12]HughesD，DennisG，WalkerJ，etal.ConditionBasedRiskManagement(CBRM)-EnablingAssetConditionInformationtobeCentraltoCorporateDecisionMaking[].EngineeringAssetManagement,2008:1212-1217.[13]HughesD,PearsT,TianY.Linkingengineeringknowledgeandpracticalexperiencetoinvestmentplanningbymeansofconditionbasedriskmanagement[C].ConditionMonitoringandDiagnosis,CMD2008.InternationalConferenceonIEEE,2008:539-542.[14]HughesD,Pschierer-BarnfatherP,PearsT.Conditionbasedriskmanagement(CBRM):bringingexcellenceinassetmanagementintotheboardroom[C].ElectricityDistribution-Part1,2018.CIRED2018.20thInternationalConferenceandExhibitionon.IET,2018:1-4.[l5]马钊,周莉梅,盛万兴.国际资产管理标准ISO55000与PAS55的分析与比拟[J].供用电,2021,32(06):48-53+59.[16]周莉梅,马钊,盛万兴，当代配电网健康指数理论最新研究进展[J].供用电,2021,33(01):3-7+13.[17]鞠平,左英飞,文福拴,卫志农,马宏忠