蒙特卡罗法在输电线路状态管理的应用

徐辉，于虹，刘冠辰，卢中西，徐成龙，刘荣海，王璋奇

(1.华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650000；2.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071000；3.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000；4.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

蒙特卡罗法在输电线路状态管理的应用

徐辉1，2，于虹4，刘冠辰1，2，卢中西1，3，徐成龙1，2，刘荣海4，王璋奇2

(1.华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650000；2.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071000；3.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000；4.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

针对目前对输电线路的状态分析、风险评估过程，不能对线路的整体健康状态和运行风险进行有效的评估、量化和预测的现状，将蒙特卡罗法应用于CBRM研究方法，以定量的形式给出了设备的状态评估和风险评估。结合输电线路状态评估和风险评估实际案例，验证了此系统的有效性。

CBRM；状态评估；风险评估；蒙特卡罗法

0 前言

蒙特卡罗方法 (Monte Carlo Methods)，又称随机抽样技巧法，是一种采用随机抽样 (Random Sampling)统计来估算结果的计算方法。其基本思想是当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种方法得到这种事件出现的频率，并用它们作为问题的解。CBRM即 “基于输电线路状态评估的风险防范管理体系”以蒙特卡罗方法为基础，结合输电线路的技术信息和实践经验，不仅可以对输电线路的当前状态、风险进行评估，还能够以独有的对线路老化进程的数学模型的分析技术来评估和预测设备未来状态和风险的变化情况，实现其它同类体系无法达到的功能，从而为制定优化的检修策略、技改及投资规划提供有效的技术支持。

1 CBRM研究方法

CBRM研究方法是通过结合设备基础信息、工程学知识以及实践经验来确定电网设备的当前及未来状态、性能和风险，不仅可以对输电线路的当前状态和风险进行评估，还能够以独有的对输电线路老化进程的数学模型的分析技术来评估设备未来状态和风险的变化情况，从而为制定优化的检修策略、技改及投资规划提供有效的技术支持。CBRM研究方法可以总结为以下几个步骤：

定义设备状态。根据不同的设备种类对每一台设备都计算一个 “健康指数”。设备当前的健康指数用0到10之间的数值表示，0表示最好的状态，10表示最差的状态。

匹配设备当前状态和性能。根据健康指数计算 “相对故障概率”，再通过健康指数分布与近期统计的故障率的匹配建立健康指数和故障概率之间的关系。

预测设备未来状态和性能。利用老化理论获取设备的老化健康指数。设备的老化率取决于设备的初始健康指数和运行状态。利用老化健康指数模型和先前计算的健康指数和故障概率之间的关系可以计算得到未来故障率。

根据POF和故障率评估潜在的检修措施。模拟实施更换、大修的效果，计算实施技改后未来健康指数分布情况和故障率。

定义和量化故障后果。定义和构建一致的框架，分类评估和划分故障后果，如电网性能、人身安全、修复成本、环境影响等。将故障后果类别用统一的货币单位来表示。

建立风险模型。单台设备的风险是结合故障概率和故障后果来量化。而每一类设备的总风险是通过单台设备风险的求和获取。

依据风险对可能采取的潜在措施进行评估。模拟更换、大修的效果，计算实施不同的技改方案后风险的减少量。

回顾和提炼信息收集和评估过程。建立和管理一个基于设备特有信息的风险体系不是一个一次性的过程。项目初始应用的主要成果不仅仅在于基于当前可用的信息给出的结果，更重要的是提供了一个从现在开始就建立并不断改进资产信息系统框架的机会。

2 蒙特卡罗法在CBRM中的应用

蒙特卡罗法在CBRM中的应用，主要体现在状态评估和风险评估等方面。CBRM进行状态评估时，基本步骤是通过输入设备的基本信息作为样本，利用相关统计原理得到设备的健康指数，通过样本中设备的故障次数及其故障类型，经过概率计算得到该线路的故障发生概率；利用CBRM进行风险评估时，基本步骤是通过样本中设备的故障发生概率、故障后果和重要程度等级等样本信息，对电网性能、修复成本、人身安全、环境影响等方面进行概率统计计算，从而得到线路当前及未来所面临的运行风险。其基本步骤如图1所示：

图1 蒙特卡罗法在CBRM中应用基本步骤

2.1 状态评估方法

2.1.1 状态评估

状态评估的目的是得出输电线路的健康指数和故障发生概率。

2.1.1.1 杆塔健康指数

杆塔的健康指数包括涂层健康指数和本体老化健康指数两个部分。

1)杆塔涂层健康指数，杆塔涂层健康指数包括老化健康指数和状态健康指数两个部分，根据各子健康指数之间不同的限制条件进行综合计算得到的。杆塔涂层健康指数计算公式如下：

其中，

HIa、HIb涂层状态健康指数。

HIc涂层老化健康指数。

2)杆塔本体老化健康指数，杆塔老化健康指数是通过计算得出初始老化健康指数之后，再由其他系数诸如缺陷系数等进行修正后得到的。杆塔老化健康指数计算公式如下：

其中，

HI1初始老化健康指数；

fcom综合修正系数。

2.1.1.2 架空导地线健康指数

架空导地线的健康指数是通过计算得出初始老化健康指数之后，再由其他系数诸如缺陷系数等进行修正后得到的。架空导地线综合健康指数如下：

其中，

HI1初始老化健康指数；

fcom综合修正系数。

2.1.1.3 架空导地线金具健康指数

架空导地线金具健康指数包括老化健康指数和状态健康指数两个部分，根据各子健康指数之间不同的限制条件进行综合计算得到的。架空导地线金具综合健康指数如下：

HIa、HIb状态健康指数

HIc老化健康指数。

fD缺陷修正系数。

2.1.1.4 故障发生概率

架空输电线路的故障发生概率包括由非状态因素引起的故障发生概率和由状态因素引起的故障发生概率。其计算公式如下：

其中，

POFC由状态因素引起的故障发生概率；

POFE由非状态因素引起的故障发生概率。

2.1.2 基础信息

架空输电线路基础信息是项目实施的基础，研究过程中，采集数据的方式包括两种，其一从生产管理信息系统中直接获取，其二人工录入方式。所需数据信息如下：

1)线路及杆塔的基础信息。包括线路及杆塔所用的材料、结构、安装投运日期、杆塔的维护及防腐记录等。

2)线路及杆塔的状态参数。包括线路及杆塔的外观、金具和绝缘子的外观、机械电气特性等。

3)缺陷/故障记录。包括线路及其附属设施的缺陷和故障记录。

2.1.3 评估模型的建立

在充分获取了架空输电线路的可用信息后，项目组建立了架空输电线状态评估模型，包括对信息的量化、计算框架的搭建、参数设置等工作。

图2 故障概率计算结构框图

2.2 风险评估方法

2.2.1 风险评估

风险评估的目的是从电网性能、修复成本、人身安全、环境影响四个方面计算输电线路当前及未来所面临的运行风险。架空输电线路风险包括状态风险和非状态风险。

风险是线路故障发生概率和故障后果的综合体现，计算公式如下：

POF—故障发生概率

COF—平均故障后果

COA—相对重要等级

其考虑的因素及量化的依据如下。

1)电网性能——从电网故障或事故对电网供电持续性和负荷损失数影响的角度来衡量事件的后果。

2)修复成本——从电网发生故障后修复该故障所需投入的资金量进行考虑，具体包括修复故障时所需的材料成本和人工成本。

3)人身安全——从人身安全的角度出发，评估发生故障或事故后可能造成的人身伤亡事故。

4)环境影响——从电网发生故障或事故后对环境可能造成的各方面影响角度出发，评估可能造成的各类损失，如火灾事故、产生固体垃圾、其它环境干扰等

2.2.2 基础信息

架空输电线路风险信息包括线路的相对重要等级、负载情况、线路通道的环境及其它风险相关信息等。

输电线路设备风险评估由故障发生概率、故障后果和重要程度等级三个方面组成，因此在研究过程中，首先要收集这三方面的信息。

2.2.3 评估模型的建立

电网性能风险是各设备总风险的主要组成部分。另外，导线的风险最高。主要是由于导线由非状态因素引起的故障率比其他输电线路设备的高。

3 结束语

蒙特卡罗法在CBRM中的应用，可以依据输电线路的基础技术参数、巡检数据、缺陷等信息，以定量的形式给出了设备的健康指数，故障概率等，通过状态评估和风险评估，以数值的形式直观的得出输电线路在当前、未来一定时间内健康状态和风险的大小及变化趋势，对输电线路的检修、维护和技改工作以及提高输电线路的合理资源配置具有重要的指导意义。

表1 风险评估计算模型展示表

[1] David Hughes，Paul Barnfather.Condition Based Risk Management(CBRM)：Bringing Excellence in Asset Management into the Boardroom[C].20th International Conference on Electricity Distribution，June 2009，Paper 0145.

[2] Tracy Pears，Paul Barnfather，Neil Brand.Using Condition Based Risk Management(CBRM)to Demonstrate the Benefits of different Asset Replacement Strategies[J].Energy 21C，September，2009.

[3] E Hamilton and D Hughes.‘CBRM，the practical application of intelligent asset management to United Utilities distribution network’[J].Distribution Europe 2004，April 2004.

[4] 田丰，盛四清，李艳青，等.灰靶理论在CBRM状态评估中的应用 [J].电力科学与工程，2011，27(5)：1-4.

[5] 秦继承，吴娟.基于电网状态评估的风险防范管理体系应用研究 [J].中国电力，2007，40(4)：90-92.

[6] 郑玲峰.基于信息融合的变压器故障诊断与状态评价的研究 [D].东北电力大学，2010.

[7] 漆铭钧，汤美云，李喜桂，等.状态检修现状分析及发展趋势预测 [J].湖南电力，2011(S1).

[8] 喇元，王红斌，董明，等.风险评估在电力系统中的应用[J].广东电力，2011(06).

[9] 郭创新，高振兴，张健，等.油浸式电力变压器状态评估模型及方法 [J].控制工程，2011(06).

[10] 宋人杰，王晓东.输变电设备状态检修评估分析系统的研究 [J].继电器，2008(09).

Application of Monte Carlo Method in the CBRM

XU Hui1，2，YU Hong4，LIU Guanchen1，2，LU Zhongxi1，3，LIU Ronghai4，WANG Zhangqi2
(1.North China Electric Power University Graduate workstation，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650000，China；2.Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；3.Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000，China；4.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

The current state of the transmission lines for the analysis of the risk assessment process，can not be effectively assess the overall health status and run the risk of the line，quantification and prediction of the status quo，this article will be applied to the Monte Carlo method CBRM research methods to quantify the form gives the state assessment and risk assessment device.Yunnan Power Grid Corporation transmission line combines condition assessment and risk assessment of actual cases.

CBRM；status assessment；risk assessment；Monte Carlo method

TM75

B

1006-7345(2015)03-0013-04

2014-11-22

徐辉 (1989)，男，硕士研究生，华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，从事架空输电线路设计、模式识别与智能诊断方面研究工作 (e-mail)xuhui2132224047＠163.com。

于虹 (1978)，女，博士后，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，主要从事电力系统及其自动化、模式识别与智能诊断方面工作 (e-mail)yuhong2388245＠163.com。

刘冠辰 (1990)，男，硕士研究生，华北电力大学云南电网有限责任公司研究生工作站，从事架空输电线路设计、带电作业工具力学研究方面工作 (e-mail)417030221＠qq.com。