变电站运行状态评估模型的设计与实现

引言

在电力生产中,调控部门依靠在线监测系统（sCADA）实现对变电站运行工况的监测和控制,同时检修部门依赖生产管理系统（PMs）对变电站设备进行维护管理,两个部门共同协作,为变电站的安全、稳定运行保驾护航。目前变电站的维保工作主要有两种方式:一是对变电站进行设备巡检或更换:二是发生故障后通知检修人员进行设备维修。这两种运维方式都不利于电力的安全与稳定生产,能否在设备发生故障前发现问题所在,为检修部门争取先机,缩小巡检范围或提前维护问题设备,是当前电力行业需要解决的难题之一。在这种情况下,供电公司调控中心提出,通过对变电站的运行工况数据、告警信息及变电站设备参数信息深度融合,借助大数据平台技术构建变电站监控数据分析平台,结合运行工况和历史数据两方面对变电站间隔运行状况进行共性分类、统计分析,对变电设备运行状态进行量化分析、评分定级,预先发现变电站运行中存在的问题,为设备检修策略的制定提供数据依据。

1变电站安全运行评价模型

本文将变电站的综合评价体系结构主要分为3层:变电站层(目标层）、准则层和指标层。

评分思路:根据指标层中各项指标所占权重计算出相应准则层（设备项、停电计划与检修申请项、异常项）各项的综合得分,结合准则层各项得分及其对应的权重,给出目标层（变电站）的综合评分。

掌握变电站内各设备及其性能指标的重要程度,对于变电站综合评分的合理性和准确性尤为关键。为此,由电力工程师组成的专家组将根据自身的学术水平、运行维护经验以及系统运行的实际需求,对比设备之间、性能指标之间的重要性,确定各设备和各性能指标的等级。本文将设备及其性能指标均划分为9个等级,分别用数字1～9来表示（最低等级是1,最高等级是9,级别越高表示越重要）。

2准则层评分准则

2.1设备项评分

在设备项中,设备健康状况评价以其相应的遥测信号和遥信信号性能指标为基础,其中遥信信号类数据包括事故、变位、异常、越线和告知5个等级:遥测信号类数据包括过载、重载、正常负荷和轻载4个等级,且警报程度均逐层递减。本文默认各设备均为100分,当遥信信号类数据出现上述5个等级时对应扣除100、80、60、40、20:当遥测信号类数据出现上述4个等级时,对应扣除100、50、0、0。

由于设备在出厂时本身的某些性能就存在一定的设计缺陷,从而导致设备在变电站中的运行状态不理想,且设备的运行状态也与设备的投运时长相关。由此可知,在评价变电站的健康运行体系中需综合考虑各方面因素。因此,在同样出现事故的设备中,若其中一台设备投运时间很长而另一台设备投运时间较短,则两台设备扣分程度不应相同,需酌情考虑。引入参数8,具体的8取值由行业专家依据设备的具体投运时长与设备的家族缺陷史来给定,在此将设备的家族缺陷分5个等级,级别越高代表设备缺陷越大,每个等级对应8评分。

综上考虑,该类设备的评分计算式为:

式中,sm表示设备m的综合得分:xm,i表示设备m的第i个指标信号的打分情况（0～100）:8m表示设备m的家族缺陷所对应的等级评分:wm,i表示设备m的第i个指标信号的归一化权重,采用层次分析法确定各权重。

2.2设备项综合评分

由（1）式可得各设备评分,可直接给出设备项评分计算式:

式中,ss为设备项的综合得分:wi为设备i的归一化权重,利用层次分析法得出:si为第i个设备的得分:m为设备的个数。

2.3停电计划与检修申请项评分

由于变电站运行健康状态的评价也与停电计划与检修申请相关,因此,本文统计一个时间周期7内的停电数l1与检修数j1,给出如下计算式:

式中,st代表停电计划与检修申请的综合得分:wl1,wj1分别代表停电计划与检修申请的归一化权重:xl1,xj1分别为一个时间周期7内的停电数与检修数。

2.4异常项评分

变电站中可能会出现跳闸和接地等异常情况,同样统计在一个时间周期7内的跳闸数l2与接地数j2,并给出如下计算式:

式中,s+为异常项的综合评分:wl2,wj2分别为跳闸与接地的归一化权重:xl2,xj2分别为一个时间周期7内的跳闸数与检修数。

2.5变电站评分

由式（2）e式（4）可知,变电站的综合评分式为:

式中,Ws,Wt,We分别代表设备项、停电计划与检修申请项和异常项的归一化权重:ss,st,se分别代表设备项、停电计划与检修申请项和异常项的综合得分。

在准则层和变电站层(目标层）均按百分制评分。根据变电站综合评分结果,将其分为4个等级进行警示:若得分低于60分,提示"严重":在60～80分(不含80分）,提示"异常":在80～90分(不含90分）,提示"注意":在90～100分,提示"正常"。

3层次分析法确定权重值

虽然各指标因素之间的关系在层次结构模型中得到了具体体现,但是同一层次中各指标因素在衡量最终的智能变电站成熟度时所占的比重并不是平均分配,以M表示目标,mi,j(i,j=1,2,…,n）表示因素。ai,j表示mi对mj的相对重要程度ai,j的取值参考。根据评审专家打分得出判断矩阵A:

(1）权重值计算:根据判断矩阵A可求其最大特征值Amax及特征向量w:

将w归一化后,所得即为同一层次中各因素相对重要性的排序权重值。

(2）一致性检验:矩阵A中的元素满足下列条件才有意义:

如果不满足上述关系,则说明矩阵A不满足一致性。判断矩阵A只有满足一致性才说明所求得的权重分配是合理的,是具有实用意义的,才可以进行下一步评价。

一致性检验主要分3步完成:

第一步:计算一致性指标CI(ConsistencyIndex）:

式中,n是判断矩阵A的阶数。

第二步:查找相应的平均随机一致性指标RI(RandomIndex）,RI与矩阵阶数n的取值有关。

第三步:计算一致性比例CR(ConsistencyRatio）:

只有判断矩阵A的一致性比例满足CR<0.1或者Amax=n,即CI=0时,则证明判断矩阵A的一致性是具有实用意义的,否则必须对A中的元素进行修正,以满足一致性要求。

4变电站健康运行综合评价体系的应用效果

在电力系统中,变电站关联大量的一次设备和二次设备,这些设备的运行状态很大程度上体现了该变电站的运行健康状态,乃至决定整个电网的运行状态。而在变电站运行状态评估模型中,当某设备的评分低于初始设定阈值时就会发出警告,设备维护相关人员能在变电站出现问题前就及时发现并处理潜在的问题设备,保证变电站的平稳安全运行,全面提升了调控业务的安全风险辨识、防范和控制水平。因此,该模型系统的提出对整个电网的安全健康运行起到了很好的保障作用,具有一定的实用性。