變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價模型與方法

劉世丹，陳橋平,李一泉,劉琨，王育學，江鏈濤，梁遠升，李海鋒

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司RTDS繼電保護仿真重點實驗室(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心)，廣東 廣州 510600；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641)

繼電保護是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，運維檢修是確保繼電保護裝置及回路正確性、可靠性的必要手段[1-3]。當前，運維工作主要依靠人工進站開展，受執(zhí)行人技能水平、工作效率影響很大，運維質(zhì)量無法保障。此外，在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大與智能電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級的背景下，繼電保護運維人員和專業(yè)管理人員工作量激增[4-5]。

在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的同時，對于風險較低、運行狀態(tài)良好或具備在線狀態(tài)監(jiān)測手段的部分變電站或部分間隔逐步試點、推行實施差異化運維策略，是改善繼保運維質(zhì)量與現(xiàn)狀的有效措施[6]。廣東電網(wǎng)由于受臺風氣候災(zāi)害頻發(fā)等客觀因素的制約，全面升級智能變電站的難度大、周期長；目前正處于智能變電站與常規(guī)變電站并存的階段，同時還有部分存量常規(guī)變電站的繼保設(shè)備老舊；各變電站的智能化程度水平參差不齊，能夠?qū)嵤┑倪\維策略也有所差異。因此，需要構(gòu)建一個變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價體系，作為實施差異化運維策略的前提和依據(jù)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于變電站的評價主要集中在繼保設(shè)備狀態(tài)評價[7-8]、運行風險評估[9-10]與變電站的智能化程度[11-12]等單個因素評價領(lǐng)域。文獻[13]將設(shè)備運行維護作為一個重要的指標維度，從而構(gòu)建了智能變電站成熟度評價體系。文獻[14] 從生產(chǎn)運行管理指標和設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計管理指標兩方面分析智能站的基本運行管理模式。而對于變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價，需要綜合考慮變電站智能化水平、繼保設(shè)備狀態(tài)、廠站風險等多個因素，且基于專家決策的定性指標較多，以上研究所建立的評價體系與方法無法適用。隨著科學理論不斷地創(chuàng)新和實踐的深入，綜合評價方法越來越多地在電力領(lǐng)域得到運用，主要包括層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)、熵權(quán)法、模糊綜合評價法[15]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[16]等。其中，AHP[17-18]由于將人們的實踐經(jīng)驗和直覺等轉(zhuǎn)化為對各因素的定量分析，從而將復雜的決策問題轉(zhuǎn)化為簡單的數(shù)學問題，具有簡單易行、可進行一致性檢驗等優(yōu)點，從而得到更為廣泛的應(yīng)用。但AHP具有主觀性強的缺點，通過熵權(quán)法對AHP得到的權(quán)重進行修正，可消除主觀性的影響，從而避免單一權(quán)重賦值的弊端[19]。

為此，從運維設(shè)備技術(shù)、需求、效益、繼保設(shè)備風險狀態(tài)、廠站風險狀態(tài)和人員6個維度構(gòu)建變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價指標體系與數(shù)學模型，采取AHP和熵權(quán)法確定指標權(quán)重，提出一種變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價方法?；谠撛u價模型與方法對多個典型變電站進行能力評價，通過對評價結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)各變電站的薄弱環(huán)節(jié)，為差異化智能運維策略的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導工具。

1 變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價指標體系

構(gòu)建變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價指標體系是綜合評價的基礎(chǔ)，應(yīng)能客觀、全面、科學地反映變電站實行繼保設(shè)備智能運維策略的能力。對于繼電保護運維策略來說，滿足廠站需求、性能完備、經(jīng)濟高效的運維設(shè)備技術(shù)，數(shù)量充足、經(jīng)驗豐富的運維人員，以及狀態(tài)健康良好、事故風險損失小的繼保設(shè)備均是推動能力達標的重要因素。綜合考慮運維作業(yè)、設(shè)備和運維人員3個方面的廠站基礎(chǔ)條件，經(jīng)過咨詢電力專家及變電站運行、管理、設(shè)計人員，通過對比、分析、篩選，建立變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價體系，見表1。

表1 變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價體系Tab.1 Evaluation system of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substation

該評價體系從變電站的運維設(shè)備技術(shù)、需求、效益、繼保設(shè)備風險狀態(tài)、廠站風險狀態(tài)和人員共6個維度、17個具體指標綜合分析變電站繼保設(shè)備的智能運檢能力。

1.1 運維作業(yè)因素

運維作業(yè)因素包括運維設(shè)備技術(shù)、廠站運維需求以及運維策略優(yōu)化可能帶來的效益提升3個指標維度。

1.1.1 運維設(shè)備技術(shù)維度

變電站是否具備數(shù)量充足、狀態(tài)可靠、功能完備的智能運維設(shè)備技術(shù)，決定變電站所能實施的運維策略智能化水平的上限。為了衡量廠站運維設(shè)備技術(shù)的智能化水平，需獲取包括運維設(shè)備性質(zhì)、運維設(shè)備技術(shù)覆蓋率、運維設(shè)備功能配置、運維設(shè)備狀態(tài)、通信通道狀態(tài)等指標數(shù)據(jù)。

a)運維設(shè)備性質(zhì)指標K：主要反映變電站運維設(shè)備技術(shù)的智能化程度。運維設(shè)備性質(zhì)直接影響運維策略的制訂，且運維設(shè)備技術(shù)指標維度中其余具體指標都是在運維設(shè)備性質(zhì)的基礎(chǔ)上進行評分，因此將K作為不同的運維設(shè)備性質(zhì)等級的分級系數(shù)。針對智能站與常規(guī)站共存的現(xiàn)狀，將運維設(shè)備性質(zhì)劃分為3個等級：①二級，具備智能錄波器和智能運維主站，滿足當前遠方設(shè)備運檢能力的最高技術(shù)要求，K=1.0；②一級，具備滿足在線監(jiān)測要求的103規(guī)約主站與站端檢測設(shè)備，滿足當前遠方設(shè)備運檢的基本技術(shù)要求，K=0.6～0.9；③零級，不具備上述設(shè)備，不滿足遠方設(shè)備運檢的基本要求，K=0～0.5。

b)運維設(shè)備技術(shù)覆蓋率指標U11：主要反映可以通過具備的運維設(shè)備技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)運維功能的繼保設(shè)備比例。

c)運維設(shè)備功能配置指標U12：反映變電站運維設(shè)備是否配備完備的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、二次系統(tǒng)可視化、智能定檢和不停電傳動等功能。

d)運維設(shè)備狀態(tài)指標U13：主要反映運維設(shè)備的軟、硬件的健康狀態(tài)，可通過軟、硬件設(shè)備故障率來評價。

e)通信通道狀態(tài)指標U14：主要反映變電站的信息開放程度和信息共享程度，可通過通信通行率和主子站通信中斷時間等定量指標進行評價。

1.1.2 需求維度

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，面對數(shù)量與日俱增的二次設(shè)備、繁瑣復雜的工作流程和費時費力的進站路程，缺員嚴重的繼電保護運維班組承擔著更重的工作壓力。

a)進站運維難度指標U21：主要反映進站往返路程耗時和交通路況等情況。

b)人員勞動強度指標U22：可通過人均維護設(shè)備數(shù)量的定量指標來評價。

1.1.3 效益維度

調(diào)整設(shè)備運檢策略帶來的效益主要體現(xiàn)在：

a)減少停電損失指標U31：主要針對優(yōu)化運維策略實施可能造成的設(shè)備計劃檢修、故障消缺停電時間降低與經(jīng)濟損失減少等方面進行評價。

b)節(jié)約人力成本指標U32：主要針對優(yōu)化運維策略實施可能帶來的人員工作效率提升、工作量降低、人員需求量減少等方面進行評價。

1.2 設(shè)備因素

設(shè)備因素包括繼保設(shè)備風險狀態(tài)和廠站風險狀態(tài)2個指標維度。設(shè)備狀態(tài)是風險評估的基礎(chǔ)，間接反映著廠站事故發(fā)生的風險概率，結(jié)合廠站風險事故可能造成的損失程度，可以客觀反映變電站的風險管控難度。風險管控難度越大，評價得分應(yīng)越低，新的運維策略的制訂需更加保守。

1.2.1 繼保設(shè)備風險狀態(tài)維度

為了綜合評價繼保設(shè)備的風險狀態(tài)，需獲取包括間隔全檢情況和繼保設(shè)備狀態(tài)在內(nèi)的具體指標數(shù)據(jù)。

a)間隔全檢情況指標U41：主要反映上一評價周期內(nèi)變電站的間隔全檢開展情況。

b)繼保設(shè)備狀態(tài)指標U42：旨在反映繼保設(shè)備的運行狀態(tài)及其發(fā)生故障的概率，該指標主要對處于非正常運行狀態(tài)的繼保設(shè)備數(shù)量進行評價。

1.2.2 廠站風險狀態(tài)維度

為了科學衡量因繼保設(shè)備的不正確動作而造成的廠站風險事件影響，需獲取反映風險事件損失程度的指標數(shù)據(jù)，包括廠站電壓等級、電力安全事件等級、一次設(shè)備狀態(tài)。

a)廠站電壓等級指標U51：廠站主保護的電壓等級越高，除繼電保護設(shè)備自身的價值損失之外，故障可能造成一次設(shè)備價值損失更加嚴重，因而風險等級更高。

b)電力安全事件等級指標U52：電力安全事件等級主要對變電站因為繼保設(shè)備不正確動作所引起最高的電力安全事件等級進行評價。

c)一次設(shè)備狀態(tài)指標U53：主要對上一個評估周期內(nèi)變電站一次設(shè)備發(fā)生的故障次數(shù)進行評價。

1.3 運維人員因素

為了衡量人員素質(zhì)水平，需要獲取包括智能運維經(jīng)驗水平和學習創(chuàng)新能力的具體指標數(shù)據(jù)；考慮到部分變電站根據(jù)自身發(fā)展規(guī)劃以及對新技術(shù)的掌握應(yīng)用，還應(yīng)包含智能運維人才儲備情況。

a)智能運維經(jīng)驗水平指標U61：通過變電站具備智能運維經(jīng)驗的人員比例進行評價。

b)學習創(chuàng)新能力指標U62：可通過本科及以上文化程度的人員比例這一定量指標來評價。

c)智能運維人才儲備情況指標U63：反映變電站的人員培訓與儲備機制的建設(shè)與實施情況。

2 變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價方法

2.1 變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價模型

在評價體系中，運維設(shè)備性質(zhì)指標K作為運維設(shè)備技術(shù)指標維度總分的分級系數(shù)，取值在0～1.0之間，根據(jù)運維設(shè)備性質(zhì)等級選取。除了運維設(shè)備性質(zhì)外，其余每項具體指標的評分區(qū)間為0～10分，0表示最差，10表示最優(yōu)。對于定量指標進行量化評分，對于定性指標，采用評議分級打分的評分方法。根據(jù)變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價體系，構(gòu)建設(shè)備智能運檢能力評價的數(shù)學模型

式中：Wi為指標維度Ui的權(quán)重；mi為指標維度Ui中的具體指標數(shù)量；wij為具體指標Uij的權(quán)重；Pij為具體指標Uij的評分；S為變電站繼保設(shè)備智能運檢能力的評價結(jié)果。

2.2 指標權(quán)重計算

通過對變電站繼保設(shè)備運維人員、電力專家以及科研工作者進行問卷調(diào)查，基于AHP對各指標進行重要性比較，從而建立判斷矩陣，將人的主觀判斷以定量形式表示和處理，并檢驗判斷矩陣的一致性，一致性校驗通過后計算得到指標權(quán)重。然后通過熵權(quán)法對AHP法得到的權(quán)重進行修正[19]，從而得到綜合指標權(quán)重，見表2。

表2 各指標的權(quán)重Tab.2 The weight of each index

2.3 變電站繼保設(shè)備差異化運維策略集合

設(shè)備智能運檢能力評價除能輸出評價總分外，還應(yīng)能支持決策廠站差異化的設(shè)備運檢策略，需預先制訂與變電站運檢能力相匹配的運維策略集合。在運維設(shè)備性質(zhì)分級基礎(chǔ)上，制訂差異化運維策略集合：

a)對于滿足運維設(shè)備技術(shù)覆蓋率高、運維設(shè)備狀態(tài)良好、功能配置完備、廠站風險等級低、人員素質(zhì)高等要求的變電站，實施站端設(shè)備在線運檢策略。

b)對于運維設(shè)備技術(shù)不夠完備，但廠站風險較低、繼保設(shè)備狀態(tài)良好的變電站，可以適當延長定檢周期，簡化定檢內(nèi)容，如實施“免三年部檢”策略。

c)對于配置條件較差的變電站，不改變原有的“巡視+定檢”傳統(tǒng)運檢策略。

不同等級的運維策略對應(yīng)的分數(shù)區(qū)間不同，需要劃分分數(shù)線。根據(jù)各個運維策略的不同要求，將要實施運維策略必須滿足的硬性指標要求視為必備條件指標，包括二次設(shè)備在線監(jiān)測功能、通道在線率、繼保設(shè)備狀態(tài)等。必備條件對應(yīng)的指標按其滿分計算，其余非必備條件按其指標的期望分數(shù)值計算，然后可以得到各個運維策略的評估總分期望值?！霸诰€運檢”策略的非必備條件指標評分期望值取8～10分，“免三年部檢”取6～8分，“傳統(tǒng)運檢”取0～6分，代入式(1)，可得不同等級運維設(shè)備各個具體策略的期望值，然后以各期望值為參考，選定分值區(qū)間，見表3。

表3 差異化運維策略集合Tab.3 Set of differentiated operation and maintenance strategies

最后，根據(jù)變電站的運維設(shè)備技術(shù)等級以及變電站繼保設(shè)備智能運檢能力的評價總分，確定變電站的運維策略。另外，通過雷達圖的方式展現(xiàn)各指標維度的評價值，以便發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，指導智能運檢能力的提升。

3 算例分析

以某5個具有代表性的變電站為例進行算例分析。其中，A站和B站為智能變電站，配備智能錄波器和智能運維主站；C站和D站為常規(guī)變電站，配備滿足在線監(jiān)測要求的103規(guī)約主站與站端檢測設(shè)備；E站為不具備相關(guān)運維設(shè)備技術(shù)的常規(guī)變電站。針對這些變電站建立繼保設(shè)備智能運檢能力評價指標體系，根據(jù)各站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由相關(guān)運維人員組成專家組評估得出各個具體指標的得分，并根據(jù)式(1)求得各站繼保設(shè)備智能運檢能力評估值，并輸出運維策略,見表4，各指標維度雷達圖如圖1所示。

表4 變電站各指標的分值Tab.4 The score of each index of substations

圖1 變電站繼保設(shè)備智能運檢能力綜合評價雷達圖Fig.1 Radar chart of comprehensive evaluation of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substations

由圖1可知，5個變電站在需求和效益這2個指標維度的得分都較高，由此可見它們對于實施優(yōu)化運維策略的迫切程度以及所能帶來的預期效益提升較為顯著。

A站在各個維度的得分均衡，且達到較高水平，可實施最高等級的運維策略。B站雖然也同為智能站，但其運維設(shè)備功能配備不完備，且通信通道的狀態(tài)較差，使得運維設(shè)備技術(shù)維度的得分較低，總分明顯低于A站，只能實施較低一級的運維策略。該變電站需加強運維設(shè)備技術(shù)這一薄弱環(huán)節(jié)。

C站和D站雖然具備在線監(jiān)測要求的103規(guī)約主站與站端檢測設(shè)備，但是由于運維設(shè)備狀態(tài)較差、覆蓋率不高，以及功能配置不完備等，運維設(shè)備技術(shù)維度的得分較低，且人員素質(zhì)較低，無法支持在線運檢策略?？傮w而言，C站較D站的運維設(shè)備更完善，總分明顯高于D站，可實施“免三年部檢”的策略。另外D站的繼保設(shè)備狀態(tài)較差，存在較大安全隱患，必須實施傳統(tǒng)定檢策略，確保設(shè)備穩(wěn)定運行，規(guī)避故障隱患問題的發(fā)生。這2個變電站需加快對運維設(shè)備技術(shù)的升級改進，加強人員培訓、提高人員素質(zhì)，從而提高智能運檢能力。

E站雖然不具備滿足要求的運維設(shè)備，但其繼保設(shè)備狀態(tài)良好，且事故發(fā)生導致的可能損失較低，因此可以適當簡化定檢內(nèi)容，并延長定檢周期，實施“免三年部檢”的運維策略。

4 結(jié)束語

構(gòu)建變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價指標體系與數(shù)學模型，結(jié)合AHP與熵權(quán)法確定指標權(quán)重，提出一種變電站繼保設(shè)備智能運檢能力評價方法。通過算例分析驗證方法的有效性，所構(gòu)建的評價模型與方法不僅能夠反映變電站繼保設(shè)備智能運檢能力的整體情況，為變電站實施差異化運維策略提供選擇依據(jù)，還能夠反映變電站各屬性的發(fā)展情況，找出運檢能力的薄弱環(huán)節(jié)，為差異化智能運維策略的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導工具。