一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化领域，具体涉及一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化方法。

背景技术

电气设备的安全关乎国计民生，其可靠性是性能的重要指标，对电网系统的经济性和安全性产生深远影响。电气设备的性能取决于电气设备关键组件的可靠性，关键组件的可靠性与使用寿命和所应用的维修策略有着密切关系，通常随着关键组件的劣化而减少。为了将电气设备的可靠性保持在期望的水平，必须执行适当的维修措施。

根据检修方式，电气设备维修可分为两大类：纠正性维修和预防性维修。通常在电气设备故障后进行纠正性维修，预防性维修对应于电气设备仍在运行计划内的操作，它旨在通过改善关键组件的状态来使电气设备保持一定的可靠性。通常，预防性维修更具优势，因为它可以防止电气设备由于意外故障而造成的严重损失，通常在预定的时间点进行预防性维修，以将电气设备的可靠性保持在期望的水平。

发明内容

本发明目的是提供一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化方法，使得电气设备在约束条件内，选择合理的维修方式，尽可能的降低维修成本，确保电力系统安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化方法，所述的优化方法包括以下步骤：

步骤一、定义预防性维修类型以及计算出对电气设备可靠性的相应影响；

步骤二、根据非均匀泊松过程对电气设备的故障过程进行建模；

步骤三、以最小的总维修相关成本为目标，以电气设备可靠性为约束，构建电气设备预防性维修优化模型；

步骤四、基于模拟退火算法求该电气设备预防性维修优化模型的最优解，输出维修方案。

本发明还提供一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述优化方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现上述优化方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明将电气设备可用资源和最低可靠性要求作为决策变量，以设备维修的总维修成本最小化为优化目标建立电气设备预防性维修优化模型，所述变量中包含了维修成本和资源约束，与实际情况更为相符，此方法考虑了资源和成本，提高了准确性，从而提升了电气设备利用率。

2、本发明的电气设备维修方案选择涉及多个非线性决策变量，采用了模拟退火算法，能够不限于设备的大小和结构，在合理的搜索时间内提供良好的解决方案。

附图说明

图1是本发明的电气设备预防性维修优化方法的流程图。

图2是本发明的基于模拟退火算法求电气设备预防性维修优化方法最优解的流程图。

图3是示例的换流阀冷却设备结构示意图。

图4是模拟退火算法优化过程中的收敛曲线示意图。

图5是在初始及最优预防性维修下换流阀冷却设备的可靠性水平示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于可靠性的电气设备预防性维修优化方法，包括以下步骤：

步骤一、定义预防性维修类型以及计算出对电气设备可靠性的相应影响，具体包括以下几个子步骤：

(1)在相等时间间隔内检查电气设备关键组件，在每次检查中，基于组件退化状态及其在电气设备可靠性中的作用，进行预防性维修，本发明中将预防性维修分为以下三种维修类型：

1)检查：此维修类型一般检查电气设备的不同组件时，仅会执行简单的服务，例如润滑，调整/校准，拧紧松动的部分等，它通常需要较少的资源和工具，且不会提高电气设备的可靠性；

2)低水平维修：此维修类型主要用于更换一些简单的零件，例如弹簧，密封件，皮带和轴承等，低水平维修通常会提高电气设备可靠性，但不会使其达到“与新电气设备一样好”的水平；

3)高级别维修(更换)：此维修类型是最高级别的维修类型，主要涉及用新的电气设备关键组件替换，通常采用这种方法，以避免由于此类组件的随机故障而对整个电气设备造成严重损害，高级别维修能使组件达到完美状态。

(2)电气设备组件任务开始时的可靠性等于该组件在前一个期间结束时的可靠性加上由于当前期间的维护而提高的可靠性，由以下公式求得：

其中，R

(3)将第n个周期开始时的第i个组件的可靠性代入式(2)从而得出第n个周期中第i个组件的可靠性函数：

其中，R

根据可靠性与故障率之间的关系，组件的故障率函数可表示为：

其中，h

结合公式(2)和(3)，第n周期组件的故障率可以表示为：

其中，h

步骤二、根据非均匀泊松过程对电气设备的故障过程进行建模，具体包括以下几个子步骤：

(1)根据强度函数和随机变量建立非均匀泊松过程的数学模型：

其中，{N(t),t≥0}为非均匀泊松过程且N(0)＝0，h(t)是强度函数；当τ→0时，P{N(t+τ)-N(t)≥2}＝o(τ)，P{N(t+τ)-N(t)＝1}＝h(t)τ+o(τ)；H(t+s)-H(t)服从泊松分布且

(2)根据电气设备的寿命和相关概率密度函数，利用累计分布函数建立电气设备的故障过程模型：

N(t+s)-N(t)的泊松过程的平均值为：

H(t+s)-H(t)＝-logR(t+s)-logR(t) (6)

其中，N(t)为[0,t]内出现的故障数，且强度函数h(t)＝f(t)/{1-F(t)}；当t≥0时，R(t)＝1-F(t)；

其中，f(t)为电气设备相关概率密度函数，F(t)为电气设备累积分布函数，R(t)为电气设备可靠性函数。

步骤三、以最小的总维修相关成本为目标，以电气设备可靠性为约束，构建电气设备预防性维修优化模型，具体包括以下几个子步骤：

(1)根据各组件的维修费用、更换成本、电气设备随机故障成本、电气设备停机成本建立电气设备总维修成本的目标函数：

其中，决策变量X

(2)根据组件维修所需资源、更换所需资源、电气设备可靠性建立约束函数：

其中，

步骤四：基于模拟退火算法求该电气设备预防性维修优化模型的最优解，通过温度参数进行模拟，利用生成的解决方案的样本，从当前解决方案开始移动来生成新的试验解决方案，并根据指定的冷却时间表降低温度，如果新解决方案有所改进，则采用新的方案，如图2所示，具体包括以下几个子步骤：

(1)随机生成初始解，计算目标函数；

(2)扰动产生新解，计算目标函数；

(3)计算两目标函数的差值，如果小于0，则采用新解，反之，则采用Metropolis准则生成的新解，表达式如下：

T

其中，p

(4)重复(2)和(3)，使迭代次数达到预定值；

(5)判断输出是否满足约束条件，若满足，则为最优解，若不满足，则缓慢降低温度，重置迭代次数。

下面以换流站的换流阀冷却设备为例，对本发明的优化方法做进一步说明：

换流站的换流阀冷却设备由原水泵、原水罐、补水泵、离子交换器、过滤器一、膨胀罐、氮气瓶、脱气罐、主循环泵、空气冷却器、过滤器二共11个关键组件组成，代号为别为1-11，其结构示意图如图3所示。

为了实现该设备的最优的预防性维修方案，本发明在matlab软件下利用模拟退火算法进行仿真。

假设由11个独立组件的串并联组成的换流阀冷却设备在一个时期内至少发生两次故障的可能性忽略不计，设计了以每月检查间隔(k＝24)的两年计划期间，表1中提供了用于预防性维修的输入参数，对于所有n个时间间隔，可用资源E

表1换流阀冷却设备中预防性维修的输入参数

图4示出了模拟退火算法优化过程中的收敛曲线示意图。根据图4所示，开始的振荡是由于高温所致，表明该此阶段需要进一步优化收敛，随着搜索的进行和逐渐降低温度，模拟退火算法算法收敛，曲线趋于平稳。经过约1000s的搜索时间，该算法收敛到最终解，此后未任何优化改进。证明了给定足够的运行时间，该算法能为每个组件确定最佳的维修类型，以最大程度地减少总预防性维修成本。

图5是在初始及最优预防性维修下换流阀冷却设备的可靠性水平示意图。根据图5所示，换流阀冷却设备的可靠性确定最优的预防性维修的约束条件是为了使换流阀冷却设备可靠性始终大于要求的90％水平。这证明了该预防性维修能在尽可能降低换流阀冷却设备总维修成本的基础下保证换流阀冷却设备安全稳定的运行。

仿真结果验证了换流阀冷却设备在采用模拟退火算法模拟获得最优的预防性维修方案能在电气设备维修方案选择涉及多个非线性决策变量，不限于设备的大小和结构，在合理的搜索时间内提供良好的解决方案，在尽可能降低电气设备总维修成本的基础下保证系统安全稳定的运行。

另外，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)等。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。