［關(guān)鍵詞］變電站；繼電保護(hù)裝置；風(fēng)險評估；全生命周期成本；檢修

繼電保護(hù)裝置（Relayprotectiondevice，RPD）是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是快速隔絕事故，發(fā)送警示，維持電網(wǎng)穩(wěn)定。然而，由于長期運(yùn)行和受環(huán)境因素的影響，繼電保護(hù)裝置的性能可能會下降，從而增加電力系統(tǒng)故障的風(fēng)險[1]。電力系統(tǒng)可靠性研究分為3個階段，即確定性評估、概率評估和風(fēng)險評估。其中，風(fēng)險評估同時考慮事故概率和后果，提供更全面的安全分析。為此，研究基于效用理論，對其風(fēng)險因素進(jìn)行深入分析，提出了裝置檢修策略，旨在提高智能變電站繼電保護(hù)裝置的可靠性和維護(hù)效率。

1 智能變電站繼電保護(hù)裝置風(fēng)險評估方法

風(fēng)險評估是發(fā)現(xiàn)運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)維的有效途徑，也是對裝置可靠性分析的進(jìn)一步完善與補(bǔ)充。對于繼電保護(hù)裝置而言，其風(fēng)險來源主要包括設(shè)備因素、信息因素、人為因素3個方面?；贗EEE對風(fēng)險的定義，某電力系統(tǒng)元件裝置在i時刻的風(fēng)險值可用式（1）進(jìn)行計算。

為確保智慧型變電站的安全，需要選擇能反映保護(hù)設(shè)備缺陷的電氣量指標(biāo)。這些指標(biāo)涵蓋了電壓異常、部件過熱及負(fù)載損耗。對每個保護(hù)設(shè)備進(jìn)行評估，評價其失效可能帶來的影響，以便準(zhǔn)確地衡量風(fēng)險水平。蒙特卡羅法也稱統(tǒng)計模擬法，是把概率現(xiàn)象作為研究對象的數(shù)值模擬方法。該方法分為兩類，涉及時間因素時采用序列形式，若與時間無關(guān)，則用非序列形式。由于繼電保護(hù)裝置風(fēng)險評估無需考慮時間因素，因此采用非序列蒙特卡羅法進(jìn)行元件的變化過程模擬。假定元件僅有故障與正常兩種狀態(tài)，則元件狀態(tài)的判斷方式如下：

研究使用分段效用函數(shù)模型量化后果的嚴(yán)重度，并融入風(fēng)險評估指標(biāo)中。并引入效用函數(shù)理論進(jìn)行模型優(yōu)化，效用反映了決策者對可能損失的主觀態(tài)度，以更準(zhǔn)確衡量風(fēng)險。設(shè)全部設(shè)備數(shù)量為n，每個設(shè)備i的風(fēng)險評分為Si。系統(tǒng)受事故影響的單項風(fēng)險指標(biāo)計算過程如下：

式中，O和?均為權(quán)重系數(shù)，二者之和為1；為S的1范數(shù)，即失效情況下所有風(fēng)險指數(shù)的總和；為S的∞范數(shù)，此數(shù)值突顯出在失效情況下的最大風(fēng)險評分。

通過令?的權(quán)重略高，能減少風(fēng)險遮蓋效應(yīng)，突出重大風(fēng)險。研究結(jié)合了層次分析和變異系數(shù)的混合權(quán)重計算方法。通過層次分析，以電氣安全指標(biāo)總體嚴(yán)重性為目標(biāo)層，電氣參數(shù)嚴(yán)重性則作為準(zhǔn)則層的評價指標(biāo)。綜合指標(biāo)的計算過程如下：

當(dāng)電力設(shè)備出現(xiàn)問題，繼電保護(hù)可能未能正確響應(yīng)，原因是內(nèi)部故障未激活或外部故障錯誤觸發(fā)。即使是系統(tǒng)負(fù)荷波動或其他區(qū)域電網(wǎng)的變動，亦可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)的誤操作。繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險評估流程如圖1所示。

圖1中，先確定與一個保護(hù)系統(tǒng)直接相連的保護(hù)裝置為潛在故障源，即“準(zhǔn)事故集”。隨后隨機(jī)生成數(shù)值檢驗(yàn)這些設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，若隨機(jī)數(shù)大于設(shè)備的可靠性則視為失效。計算故障概率后，通過多次模擬平均后，獲得各電氣參數(shù)嚴(yán)重指標(biāo)。綜合這些指標(biāo)確定權(quán)重，進(jìn)而評估保護(hù)系統(tǒng)的整體風(fēng)險。

2 基于全生命周期成本的保護(hù)裝置檢修方法

繼電保護(hù)裝置由多個部分構(gòu)成，通過嚴(yán)密的邏輯判斷保障電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。繼電保護(hù)單元檢修工作一般要對設(shè)備加速老化和檢修意外損耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地分析，獲得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。為此，研究引入了故障率遞增因子β，檢修前后的故障率模型的表達(dá)式如下：

對于電力企業(yè)而言，從眾多設(shè)備中準(zhǔn)確找出需要檢修的目標(biāo)裝置是后續(xù)檢修的必要條件。檢修目標(biāo)的確定方法包括矩陣法、收益評估法、盡可能低但仍可接受的風(fēng)險（AsLowAsReasonablyPracticable，以下簡稱“ALARP”）原則等，用于確定和評估風(fēng)險水平。研究采用ALARP方法對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行風(fēng)險等級判斷。對于高風(fēng)險事件，無論成本必須降低至安全水平，而中等風(fēng)險應(yīng)在成本或技術(shù)允許的范圍內(nèi)進(jìn)行管理。低風(fēng)險則無需額外措施。研究以電網(wǎng)為例，認(rèn)為減供超過40%為高風(fēng)險，10kV電壓故障為低風(fēng)險，其余情況為中風(fēng)險。主要圍繞發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)、10kV線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器、主變壓器保護(hù)這幾類設(shè)備進(jìn)行檢測。在確定需要檢修的相關(guān)設(shè)備后，需按照繼電保護(hù)裝置的檢修規(guī)程進(jìn)行檢修。研究基于經(jīng)濟(jì)效益，先對檢修成本C、凈收益B、收益率P進(jìn)行分析，其計算公式如下：

式中，Cm為維修活動中的人員資源消耗；R+為必需品的花費(fèi)；Cr為維修可能帶來的危險性費(fèi)用，包括由維修引起的停機(jī)代價；R_為修理前的危險水平；kr為經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)的折算系數(shù)；Co為其他成本，可能包括檢修過程中發(fā)生的額外費(fèi)用。

因此，可確定的檢修排序規(guī)則如下：采用系統(tǒng)安全作為衡量標(biāo)準(zhǔn)時，檢修排名注重降低設(shè)備風(fēng)險以保障穩(wěn)定運(yùn)行。若以檢修凈利為標(biāo)準(zhǔn)，則不限制成本，在資金充裕和高風(fēng)險容忍度下優(yōu)先選擇。而基于收益率的排名時，需將成本考慮在內(nèi)，更適用于預(yù)算有限和低風(fēng)險偏好的情況。同時考慮多個決策目標(biāo)時，可用式（7）進(jìn)行確定目標(biāo)的檢修排序。

式中，Z為設(shè)備全面維修優(yōu)先級指數(shù)；zi為設(shè)備的各獨(dú)立評估因素；f為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理；ωi為第i個檢修選項的權(quán)重，表示該選項在總決策中的相對重要性或概率。

保護(hù)裝置的失效風(fēng)險隨時間而增加，設(shè)備在多次維修后，維修效益與成本比會變化。研究采用全生命周期成本來評估設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命。全壽命周期成本的計算公式如下：

綜上，研究考慮了運(yùn)營風(fēng)險和維護(hù)效益，采用多目標(biāo)優(yōu)化先確定合理的保護(hù)裝置維護(hù)計劃。然后，基于生命周期成本理論對裝置從整個生命周期進(jìn)行詳細(xì)的成本評估。通過這種方法，以最小化年度平均成本為目標(biāo)，確定保護(hù)裝置的最佳淘汰時間點(diǎn)，進(jìn)而提升維護(hù)方案的合理性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)以220kV電網(wǎng)系統(tǒng)為對象，該系統(tǒng)使用雙母線結(jié)構(gòu)，110kV、35kV、10kV均為單母線分段式。運(yùn)用Matlab中的Matpower工具包進(jìn)行仿真，對某一時刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行13000次抽樣，直至方差系數(shù)達(dá)到5%即終止。各設(shè)備嚴(yán)重度與風(fēng)險值及其誤差結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，風(fēng)險值最大的保護(hù)裝置為編號1。這是因?yàn)楫?dāng)雙母線110kV故障時，可能引起其他設(shè)備超負(fù)荷或需減負(fù)載。研究測量結(jié)果與實(shí)際相符。研究方法對各設(shè)備的嚴(yán)重度與風(fēng)險值進(jìn)行計算的誤差均值為0.272，且最高誤差僅為0.332，表明了研究方法的準(zhǔn)確度較高。

文獻(xiàn)[2]中提出了結(jié)合麻雀優(yōu)化算法與支持向量機(jī)對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行狀態(tài)評估的方法。文獻(xiàn)[3]中采用了模糊機(jī)會約束，對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)測。

文獻(xiàn)[4]中分別向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)引入注意力模型，來對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)測。將研究模型與各方法進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，研究模型的ROC曲線始終高于其他模型，并且其AUC面積最大，為0.95。由圖3（b）可知，采用研究方法的檢修時間與檢修成本均少于其他方法，其檢修年均成本與時間分別為4.8萬元、8.7h。

4 結(jié)束語

為了提高繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險評估準(zhǔn)確性與精細(xì)化管理水平，文章提出了一種繼電保護(hù)裝置風(fēng)險評估方法與維修策略。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了文章提出的繼電保護(hù)裝置檢修方法的優(yōu)越性。今后，研究將進(jìn)一步細(xì)化保護(hù)裝置的失效情景，為提高繼電保護(hù)裝置的可靠性作出更大貢獻(xiàn)。