一种基于重大紧急缺陷率的主变压器置换策略制定方法

摘要

本发明公开了一种基于重大紧急缺陷率的主变压器置换策略制定方法，包括以下步骤：获取作为研究对象的全部主变压器的关键属性数据；计算每个主变压器在各投运年限的重大紧急缺陷率对每个主变压器重的大紧急缺陷率与投运年限进行回归分析，建立重大紧急缺限率与投运年限的回归模型，采用最小二乘法原理确定模型参数；根据“主变压器受损度降低程度/置换费用”最大化原则，建立目标函数及约束条件；采用隐枚举法求解目标函数，得到主变压器置换策略。本发明通过建立主变重大紧急缺陷率预测模型，并按照设备受损降低程度成本比最优方式，保障主变风险在可接受范围内，获得较高资金利用效率，有效辅助电网企业开展技改投资决策。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主变压器置换策略制定方法，特别是一种基于重大紧急缺陷率的 主变压器置换策略制定方法。

背景技术

随着电网信息化建设的推进，电网生产运行过程产生了海量数据，这些数据蕴藏 着许多与安全生产和设备管理等领域密切相关的规律和特征，利用技术手段对这些数据进 行分析挖掘，从中获得有用的数据，能够辅助企业把握电网生产运行的内在特征，掌握管理 规律，提炼业务模式，辅助管理决策，开拓管理创新，从而提升企业的管理精益化水平，推进 企业管理方式由粗放型向集约型、精细化转变。

在电网资产生命周期管理中，设备运维是其中时间最长的一个环节。在这一过程 中，产生了缺陷记录、事故事件记录、试验数据、在线监测数据等大量生产数据，这些数据不 但对安全生产管理本身具有重要意义，还对前期规划、设计、建设与后期的退役报废等各阶 段工作的辅助决策与后评估具有重要参考价值。

现有设备置换策略制定方法大部分仅考虑设备的劣化程度，而未考虑设备置换对 电网整体风险的影响，同时，对整体的资金利用效率考虑也较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可获得较高的资金利用效率、降低设备置换对电网整 体风险影响的基于重大紧急缺陷率的主变压器置换策略制定方法，可有效辅助电网企业开 展技改投资决策，有助于促进资产全生命周期管理横向协同，提升企业的管理精益化水平。

本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种基于重大紧急缺陷率的主变 压器置换策略制定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S101，获取作为研究对象的全部主变压器的关键属性数据；

步骤S102，计算每个主变压器在各投运年限的重大紧急缺陷率：

步骤S103，对每个主变压器重的大紧急缺陷率与投运年限进行回归分析，建立重 大紧急缺限率与投运年限的回归模型，采用最小二乘法原理确定模型参数；

步骤S104，根据“主变压器受损度降低程度/置换费用”最大化原则，建立目标函数 及约束条件；

步骤S105，采用隐枚举法求解目标函数，得到主变压器置换策略。

本发明所述“主变压器受损度降低程度/置换费用”最大化原则是指即使用相同置 换费用，主变压器受损程度能够降低的程度为最大，说明资金利用效率最高。

本发明通过建立主变重大紧急缺陷率预测模型，并按照设备受损降低程度成本比 最优的方式，在保障主变风险在可接受的范围内，获得较高的资金利用效率，从而有效辅助 电网企业开展技改投资决策。本发明充分利用了主变在运维过程中所积累的量化数据，通 过设备运维过程数据支撑资产全生命管理过程的退役报废环节，有助于促进资产全生命周 期管理横向协同，提升企业的管理精益化水平。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S101中，所述关键属性数据包括电压等 级、投运年份和历史缺陷记录。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S102中，采用以下公式计算重大紧急缺 陷率：

$DR\left(t\right)=\frac{{\Sigma }_{i=y_0}^{y_{\max }}{D}_t\left(i\right)}{{\Sigma }_{i=y_0}^{y_{\max }}{S}_t\left(i\right)\times (y_{\max }-y_0+1)}$公式⑴

式中：DR(t)为投运年限t的主变压器的重大紧急缺陷率，y₀、y_max分别为统计缺陷 的初始年份和结束年份，D_t(i)为年份i投运年限t的缺陷数量，S_t(i)为年份i投运年限t的设 备数量，i为年份。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S103中，回归模型为：

$y=\hat{b}{e}^{\widehat{ax}}$公式⑵

式中，表示重大紧急缺陷率随投运年限的增长速度，表示主变投运第一年(x＝ 0)时的总体缺陷率，e为自然对数；

采用最小二乘法原理确定模型参数，即：

$\min {\Sigma }_{i=1}^n{(y_i-\hat{b}{e}^{\hat{a}{x}_i})}^2$公式⑶

式中：x_i、y_i为观测值，i为观测数。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S104中，建立目标函数及约束条件包括 以下步骤：

S104-1设定不同电压等级重大紧急缺陷率权重，记电压等级U_K的主变重大紧急缺 陷率为ω(U_K)；

S104-2设定评价周期为N年，即求解主变压器在当前年份之后的第1、2……N年时 的置换策略，判断的标准为第N+1年重大紧急缺陷率的降低程度与评价周期N年间因主变压 器置换投入的资金情况；

S104-3统计所有主变压器在第1、2……N年时的投运年限t,各电压等级的主变数 量分别为：C＝｛C₁，...，C_k，...C_K｝，电压等级的类别数量为K，各电压等级主变的平均价格：f ＝｛f₁，...，f_k...，f_K｝；

S104-4记主变压器Z的集合为｛z(n，k，i)｝，z(n，k，i，)为在第n年第k个电压等级的 第i个主变压器，该主变压器的投运年限为t(n，k，i)，该主变压器是否置换记为事件E(n，k， i)，若更换该台主变压器，则E(n，k，i)＝1；若不更换该台主变压器，则E(n，k，i)＝0；

S104-5按照以下公式计算“主变压器受损度降低程度/置换费用”的比值：

$\frac{\Delta DR}{F}=\frac{{\Sigma }_{n=1}^{N+1}{\Sigma }_{k=1}^K{\Sigma }_{i=1}^{C_k}(a_k{e}^{b_{k}t(N+1,k,i)}-a_k{e}^{b_k(N-n)})\times \omega \left(U_K\right)\times E(n,k,i)}{{\Sigma }_{n=1}^{N+1}{\Sigma }_{k=1}^K{\Sigma }_{i=1}^{C_k}{f}_k\times E(n,k,i)}$

S104-6建立目标函数和约束条件如下：

公式⑷

公式⑸

式中，u表示“主变压器受损度降低程度/置换费用”的比值，n为年数，k为电压等级 排序的序号，i为主变压器排序序号，ΔDR表示主变压器受损度降低程度，F表示主变置换费 用，t(n，k，i)为在第n年第k个电压等级的第i个主变压器的投运年限，E(n，k，i)表示第n年 第k个电压等级的第i个主变压器是否置换，如置换，则E(n，k，i)＝1，反之记为0；a_k为电压 等级为U_k的主变压器重大紧急缺陷率主变投运第一年时的总体缺陷率，b_k表示重大紧急缺 陷率随投运年限的增长速度，ω(U_k)为电压等级为U_k的主变重大紧急缺陷率。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S105中，采用隐枚举法求解目标函数具 体包括以下步骤：

步骤S105-1先试探求解，当所有主变压器均在达到最大重大紧急缺陷率要求max dr的那年置换满足约束条件，故为一个解，可得到u′；

步骤S105-2将u′作为新增的约束条件：

若目标值u＜u′，目标值u＜u′的解不用于检验是否满足约束条件即可剔除；

若目标值u＞u′，将该目标值作为新的约束条件，原新增约束条件废除；

步骤S105-3重复步骤S105-2，不断改进过滤条件；

步骤S105-4枚举所有可能的解，得到主变压器置换策略的最优方案。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

本发明通过建立主变重大紧急缺陷率预测模型，并按照设备受损降低程度成本比 最优的方式，在保障主变风险在可接受的范围内，获得较高的资金利用效率。从而有效辅助 电网企业开展技改投资决策。本发明充分利用了主变在运维过程中所积累的量化数据，通 过设备运维过程数据支撑资产全生命管理过程的退役报废环节，有助于促进资产全生命周 期管理横向协同，提升企业的管理精益化水平。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明不同投运年限各电压等级主变压器统计情况；

图3为本发明220kV主变压器重大紧急缺陷率与投运年限拟合结果；

图4为本发明不同技改策略资金需求对比表。

具体实施方式

如图1～4所示，是本发明一种基于重大紧急缺陷率的主变压器置换策略制定方 法，包括以下步骤：

步骤S101，获取作为研究对象的全部主变压器的关键属性数据，在本实施例中，研 究对象为某省级电网公司的主变压器置换策略，因此，所收集的数据包括某省级电网公司 全部主变压器数据的设备台账，具体的关键属性数据包括主变压器的设备ID、投运年份、电 压等级、容量、价格以及2007～2014年的历史缺陷数据，具体的属性包括发生缺陷的主变压 器ID、缺陷描述、缺陷发现时间、缺陷级别。

步骤S102，根据收集的主变设备台账，该电网公司的主变电压等级的分布情况如 图2所示。统计缺陷的初始年份为2007年，结束年份为2014年，计算得到各投运年限的重大 紧急缺陷率(由于投运年限20年之后设备数量太少，不具备统计意义，故暂不计算投运年限 20年之后的重大紧急缺陷率)；

采用以下公式，计算每个主变压器在各投运年限的重大紧急缺陷率：

$DR\left(t\right)=\frac{{\Sigma }_{i=y_0}^{y_{\max }}{D}_t\left(i\right)}{{\Sigma }_{i=y_0}^{y_{\max }}{S}_t\left(i\right)\times (y_{\max }-y_0+1)}$公式⑴

式中：DR(t)为投运年限t的主变压器的重大紧急缺陷率，y₀、y_max分别为统计缺陷 的初始年份和结束年份，D_t(i)为年份i投运年限t的缺陷数量，S_t(i)为年份i投运年限t的设 备数量，i为年份。

步骤S103，对每个主变压器重的大紧急缺陷率与投运年限进行回归分析，建立重 大紧急缺限率与投运年限的回归模型，如图3所示，经过拟合，220kV主变压器重大紧急缺陷 率与投运年限的回归模型为：y＝0.020401e^0.072x(本实例前期在计算重大紧急缺陷率时，单 位为项/(百台·年)，在这里需进一步转化为项/(台·年))。其中，R²＝0.839，拟合程度较 好。按照前述方法，分别拟合其它电压等级重大紧急缺陷率与投运年限的回归模型为：

$y=\hat{b}{e}^{\widehat{ax}}$公式⑵

式中，表示重大紧急缺陷率随投运年限的增长速度，表示主变投运第一年(x＝ 0)时的总体缺陷率，e为自然对数；

采用最小二乘法原理确定模型参数，即：

$\min {\Sigma }_{i=1}^n{(y_i-\hat{b}{e}^{\hat{a}{x}_i})}^2$公式⑶

式中：x_i、y_i为观测值，i为观测数。通过考核判定R²与标准残差RMSE的数值大小，确 定回归模型与实际数据之间的一致程度。

步骤S104，根据“主变压器受损度降低程度/置换费用”最大化原则，建立目标函数 及约束条件：

在本实施案例中，不同电压等级重大紧急缺陷率权重的设定根据主变容量均值的 比值确定，具体结果如下：

电压等级 500kV 220kV 110kV 35kV 数量(台) 224 563 2565 414 总容量(MVA) 62656 103089.5 117226.5 2210.29 平均容量(MVA/台) 279.714 183.107 45.702 5.339 电网损失系数 52.39 34.296 8.56 1

(表1)

各电压等级主变的价格如下(仅提供不同电压等级的主变压器价格的相对值数 据)：

电压等级 500kV 220kV 110kV 35kV 相对价格 20.066 15.182 4.733 1.0

(表2)

建立目标函数及约束条件如下：

S104-1设定不同电压等级重大紧急缺陷率权重，记电压等级U_k的主变重大紧急缺 陷率为ω(U_k)；

S104-2设定评价周期为N年，即求解主变压器在当前年份之后的第1、2……N年时 的置换策略，判断的标准为第N+1年重大紧急缺陷率的降低程度与评价周期N年间因主变压 器置换投入的资金情况；

S104-3统计所有主变压器在第1、2……N年时的投运年限t,各电压等级的主变数 量分别为：C＝｛C₁，...，C_k，...C_K｝，电压等级的类别数量为K，各电压等级主变的平均价格：f ＝｛f₁，...，f_k...，f_K｝；

S104-4记主变压器Z的集合为｛z(n，k，i)｝，z(n，k，i)为在第n年第k个电压等级的 第i个主变压器，该主变压器的投运年限为t(n，k，i)，该主变压器是否置换记为事件E(n，k， i)，若更换该台主变压器，则E(n，k，i)＝1；若不更换该台主变压器，则E(n，k，i)＝0；

S104-5按照以下公式计算“主变压器受损度降低程度/置换费用”的比值：

$\frac{\Delta DR}{F}=\frac{{\Sigma }_{n=1}^{N+1}{\Sigma }_{k=1}^K{\Sigma }_{i=1}^{C_k}(a_k{e}^{b_{k}t(N+1,k,i)}-a_k{e}^{b_k(N-n)})\times \omega \left(U_K\right)\times E(n,k,i)}{{\Sigma }_{n=1}^{N+1}{\Sigma }_{k=1}^K{\Sigma }_{i=1}^{C_k}{f}_k\times E(n,k,i)}$

S104-6建立目标函数和约束条件如下：

目标函数：公式⑷

约束条件：公式⑸

式中，u表示“主变压器受损度降低程度/置换费用”的比值，n为年数，k为电压等级 排序的序号，i为主变压器排序序号，ΔDR表示主变压器受损度降低程度，F表示主变置换费 用，t(n，k，i)为在第n年第k个电压等级的第i个主变压器的投运年限，E(n，k，i)表示第n年 第k个电压等级的第i个主变压器是否置换，如置换，则E(n，k，i)＝1，反之记为0；a_k为电压 等级为U_k的主变压器重大紧急缺陷率主变投运第一年时的总体缺陷率，b_k表示重大紧急缺 陷率随投运年限的增长速度，ω(U_k)为电压等级为U_k的主变重大紧急缺陷率。

步骤S105，采用隐枚举法求解上述目标函数，得到主变压器置换策略，具体包括以 下步骤：

步骤S105-1先试探求解，易看出，当所有主变压器均在达到最大重大紧急缺陷率 要求maxdr的那年置换满足约束条件，故为一个解，可得到u′；

步骤S105-2将u′作为新增的约束条件(目标值下界)，因目标函数为求极大值，故 求最优解时，目标值u＜u′的解不必检验是否满足约束条件即可剔除；

步骤S105-3当目标值u＞u′时，将该目标值作为新的约束条件，原新增约束条件废 除；

步骤S105-4重复步骤S105-2、S105-3，不断改进过滤条件；

步骤S105-5枚举所有可能的解，得到主变压器置换策略的最优方案。

如下表所示，下表为该省级电网公司2015～2027置换的主变压器数量：

年份 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027

500kV 0 0 0 3 4 1 0 3 3 9 3 11 13 220kV 3 2 3 0 8 19 13 11 9 8 20 15 24 110kV 0 0 8 1 4 22 38 35 29 30 23 94 29 35kV 5 0 0 0 3 2 2 0 3 2 0 3 7

(表3)

图4为本实施例中采用其他的技改策略与采用本发明的资金需求比较。通过比较 可以看出，按照设备劣化降低程度成本比最优的方式，可以在保障主变压器风险在可接受 的范围内，实现较高的利用效率。利用本方法制定主变压器置换策略，有效地利用了设备运 维过程的历史数据，且兼顾了风险与效益平衡。以量化计算的方式实现资产全生命周期管 理决策优化，有助于促进资产全生命周期管理横向协同，提升企业的管理精益化水平。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知 识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形 式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。