一種面向風(fēng)險評估的輸變電設(shè)備故障概率模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸變電設(shè)備可靠性評估領(lǐng)域，具體設(shè)及一種面向風(fēng)險評估的輸變電設(shè) 備故障概率模型的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)風(fēng)險評估的目的是在多時空維度下給出綜合反映電網(wǎng)運(yùn)行狀況和失效 后果的多種風(fēng)險量化指標(biāo)。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，輸變電設(shè)備停運(yùn)是電力系統(tǒng)失 效的根本原因，建立設(shè)備故障概率模型是進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險評估的核屯、問題。
[0003] 輸變電設(shè)備故障是內(nèi)部因素(老化失效、健康狀態(tài)）、外部因素(天氣、環(huán)境狀況）W 及電網(wǎng)因素(負(fù)載水平、電網(wǎng)狀況)共同作用的結(jié)果。相比指標(biāo)型的可靠性評估，設(shè)備故障概 率模型能根據(jù)歷史運(yùn)行狀況和內(nèi)外部運(yùn)行條件，將除二次系統(tǒng)外的風(fēng)險因素對設(shè)備的影響 落實到設(shè)備故障概率上，對于實時了解潛伏性故障的發(fā)展趨勢，幫助調(diào)度人員做出正確決 策意義重大。
[0004] 現(xiàn)今使用較為廣泛的設(shè)備故障概率模型基本都是采用基于回歸模型、貝葉斯模型 等的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型，雖然能在一定程度上體現(xiàn)設(shè)備可靠度的變化規(guī)律，但是忽略了設(shè) 備實際運(yùn)行狀況的影響，無法體現(xiàn)個體的差異性，因此難W為系統(tǒng)風(fēng)險評估提供依據(jù)。部分 文獻(xiàn)從線路自身狀況和實時天氣情況出發(fā)進(jìn)行建模，如溫度相依的老化失效模型、基于健 康狀態(tài)的故障概率模型、考慮天氣情況的故障概率模型等。運(yùn)類模型考慮因素單一，無法響 應(yīng)其他眾多未建模風(fēng)險因素對故障概率的影響，應(yīng)用于風(fēng)險評估較為片面。而且此類模型 較為粗略，如考慮天氣狀況的故障概率模型均采用兩態(tài)或多態(tài)模型來模擬天氣情況，界定 范圍模糊，普適性差，精度也相對較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出了一種面向風(fēng)險評 估的輸變電設(shè)備故障概率模型的建模方法。
[0006] 通過深入分析輸變電設(shè)備的老化失效機(jī)理和缺陷劣化機(jī)理，基于設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān) 測、微氣象(溫度、風(fēng)速、濕度、落雷密度等)及自然災(zāi)害預(yù)報信息，針對不同設(shè)備個體分析其 健康狀態(tài)的物理表征、老化狀態(tài)、健康指數(shù)等全壽命周期信息W及微氣象、自然災(zāi)害、負(fù)載 狀況等非周期隨機(jī)信息，利用大數(shù)據(jù)篩選分析方法，將各項風(fēng)險因素整合為幾項風(fēng)險指標(biāo) 作為基于比例風(fēng)險模型（Propodional化zard Model，P歷）的輸變電設(shè)備故障概率模型的 輸入，進(jìn)而量化各風(fēng)險因素對故障趨勢的影響，掲示風(fēng)險因素與故障停運(yùn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是通過風(fēng)險因素分析與風(fēng)險指標(biāo)篩選、模型基礎(chǔ)分析、模型建 立、參數(shù)估計、故障概率計算等手段，確立了一種能綜合響應(yīng)相關(guān)風(fēng)險因素對設(shè)備故障概率 的影響，為電網(wǎng)的風(fēng)險評估提供理論基礎(chǔ)的綜合故障概率模型。
[000引本發(fā)明的解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0009]步驟(1).輸變電設(shè)備風(fēng)險因素分析與風(fēng)險指標(biāo)篩選，具體如下：
[0010] 1-1.輸變電設(shè)備風(fēng)險因素分析
[0011] 通過深入分析輸變電設(shè)備的老化失效機(jī)理和缺陷劣化機(jī)理，基于設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān) 測、微氣象(溫度、風(fēng)速、濕度、落雷密度等)及自然災(zāi)害預(yù)報信息，針對不同設(shè)備個體分析全 壽命周期信息和非周期隨機(jī)信息，進(jìn)而分析運(yùn)行風(fēng)險因素與設(shè)備故障停運(yùn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
[0012] 所述的全壽命周期信息包括物理表征、老化狀態(tài)、健康指數(shù)等信息；
[0013] 所述的非周期隨機(jī)信息包括微氣象、自然災(zāi)害、負(fù)載狀況等信息；
[0014] 1-2.風(fēng)險指標(biāo)篩選
[0015] 利用大數(shù)據(jù)平臺W及大數(shù)據(jù)篩選分析方法，將各項風(fēng)險因素整合為幾項風(fēng)險指 標(biāo)，整合后的風(fēng)險指標(biāo)包括老化失效指標(biāo)、健康狀態(tài)指標(biāo)、天氣狀況指標(biāo)W及包括負(fù)載狀況 指標(biāo)在內(nèi)的設(shè)備相關(guān)運(yùn)行工況指標(biāo)。
[0016] 步驟(2).模型基礎(chǔ)分析
[0017] 2-1.比例風(fēng)險模型建模
[0018] PHM在電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備的可靠性評估和檢修計劃中有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)模型 定義可知故障概率函數(shù)為：
[0019] h(t；Z) =ho(t)exp( γΖ)公式 1
[0020] 公式1中，t為當(dāng)前時刻，ho(t)為基準(zhǔn)故障概率函數(shù)，Ζ為反映設(shè)備不同狀態(tài)的協(xié)變 量向量，丫為協(xié)變量向量參數(shù)，exp(丫 Ζ)為協(xié)變量連接函數(shù)。
[0021] PHM認(rèn)為狀態(tài)指標(biāo)（即為步驟1中整合后的風(fēng)險指標(biāo))與設(shè)備風(fēng)險之間具有乘法效 應(yīng)。通過該模型能有效建立設(shè)備各類狀態(tài)指標(biāo)和故障概率之間的聯(lián)系，從而獲得設(shè)備的實 時故障概率。
[0022] 2-2.溫度-負(fù)載狀況相依模型建模
[0023] 設(shè)備負(fù)載狀況對故障概率的影響十分顯著。同時變壓器、輸電線路等輸變電設(shè)備 時刻與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，需建立相應(yīng)溫度-負(fù)載狀況相依模型，如變壓器的熱點溫度計 算模型、輸電線路的導(dǎo)體溫度模型等。
[0024] 步驟(3).故障概率模型建模
[0025] 3-1.基準(zhǔn)故障概率函數(shù)ho(t)的建模
[0026] ho(t)作為基準(zhǔn)故障概率函數(shù)，可用來表征輸變電設(shè)備的老化失效情況。威布爾分 布充分契合浴盆曲線變化趨勢，已廣泛應(yīng)用于輸變電設(shè)備的失效建模中，因此本模型的基 準(zhǔn)故障概率函數(shù)采用威布爾分布：
[0027]
[0028] 公式2中，β為形狀參數(shù)，η為比例參數(shù)。若忽略浴盆曲線中后期偶然故障的影響，可 認(rèn)為於0,此時故障概率隨時間的增長而上升。
[0029] 3-1-1.比例參數(shù)η的推導(dǎo)
[0030] η在威布爾分布中表征壽命期望，可通過分析設(shè)備老化失效機(jī)理推導(dǎo)。
[0031] 3-1-2.等效運(yùn)行時間Teq的推導(dǎo)
[0032] 公式2中的t值為恒定基準(zhǔn)溫度Θη下的等效運(yùn)行時間Teq。需要將波動的設(shè)備溫度曲 線對應(yīng)的役齡時間折算為恒定Θη下的等效運(yùn)行時間。可按導(dǎo)體溫度值將運(yùn)行時間劃分成η 個小區(qū)間ti，每個小區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)體溫度Θηι恒定，累加可得等效服役時間。
[0033] 3-1-3.結(jié)合η與Teq推導(dǎo)基準(zhǔn)故障概率函數(shù)ho(t)表達(dá)式。
[0034] 3-2.協(xié)變量連接函數(shù)日邱（丫 Z)的建模
[0035] e邱（丫 Z)是協(xié)變量連接函數(shù)，在PHM中反映不同狀態(tài)協(xié)變量對設(shè)備故障概率的影 響。當(dāng)協(xié)變量個數(shù)為P時，對應(yīng)的協(xié)變量連接函數(shù)為：
[0036]
[0037] 除老化失效外，影響輸變電設(shè)備故障停運(yùn)的因素還有很多，歸結(jié)起來主要有Ξ類： 設(shè)備自身的健康狀態(tài)指標(biāo)、天氣狀況指標(biāo)W及負(fù)載狀況指標(biāo)。同時不同的設(shè)備可能受除運(yùn) Ξ類風(fēng)險因素外的其他風(fēng)險因素的影響，所述的負(fù)載狀況指標(biāo)是設(shè)備相關(guān)運(yùn)行工況指標(biāo)的 一個因素。因此協(xié)變量連接函數(shù)中協(xié)變量應(yīng)包含運(yùn)幾方面風(fēng)險因素影響，則協(xié)變量連接函 數(shù)為：
[00；3 引
[0039] 公式4中，Zl、Z2、Z3、丫 1、丫 2、丫 3分別表示健康狀態(tài)、天氣狀況、負(fù)載狀況W及相應(yīng) 的協(xié)變量參數(shù)。Zk、丫 k分別表示其他風(fēng)險因素 W及相應(yīng)的協(xié)變量參數(shù)。
[0040] 3-2-1.設(shè)備自身的健康狀態(tài)建模
[0041] 國內(nèi)外輸變電設(shè)備的健康狀態(tài)評研究較為成熟，如油浸式變壓器可根據(jù)油中溶解 氣體分析進(jìn)行狀態(tài)分級，架空輸電線路可根據(jù)國家電網(wǎng)于2008年頒布的《架空輸電線路狀 態(tài)評價導(dǎo)則》進(jìn)行狀態(tài)分級等，設(shè)備狀態(tài)可分為正常、注意、異常、嚴(yán)重四類。
[0042] 3-2-2.設(shè)備所處天氣狀況建模
[0043] 仿照健康狀態(tài)的建模標(biāo)準(zhǔn)對天氣狀態(tài)進(jìn)行建模，根據(jù)國家氣象局規(guī)定的臺風(fēng)、暴 雨、暴雪、寒潮、大風(fēng)、高溫、雷電、霜凍、大霧、道路結(jié)冰、冰富、干旱、靈等13項天氣預(yù)警信號 中選取對輸變電設(shè)備故障概率影響較大的雷電、覆冰、降雨、大風(fēng)、氣溫、臺風(fēng)、冰富、降雪等 8項天氣風(fēng)險因素，根據(jù)氣象信息，將天氣狀況分為正常天氣、惡劣天氣、災(zāi)變天氣Ξ類。
[0044] (3)設(shè)備負(fù)載狀況建模
[0045] 設(shè)備負(fù)載狀況通過設(shè)備實時溫度落實到故障概率上。設(shè)備實時溫度能夠通過溫 度-負(fù)載狀況相依模型W及微氣象信息計算而得?；鶞?zhǔn)故障概率函數(shù)W及協(xié)變量連接函數(shù) 均為設(shè)備實時溫度的因變量，因此協(xié)變量連接函數(shù)中設(shè)備負(fù)載狀況無法像健康狀態(tài)和天氣 狀況一樣進(jìn)行簡單建模，需進(jìn)行單獨(dú)分析。根據(jù)PHM的定義，狀態(tài)變量與設(shè)備風(fēng)險之間具有 乘法效應(yīng)，此外，在一定環(huán)境條件下可引入溫度影響函數(shù)g(0)來代替負(fù)載狀況協(xié)變量的作 用函數(shù)，則協(xié)變量連接函數(shù)為：
[0046]
[0047] 3-2-4.其他風(fēng)險因素建模
[0048] 仿照設(shè)備健康狀態(tài)和天氣狀況的