Индексы состояния и риска трансформаторов, а также управление качеством данных.
MISCHA VERMEER, JOS WETZER
DNV GL Консультанты по энергетике
Нидерланды
Mischa. *****@***com
Введение
Управление трансформаторами, требует четкой ответственности от сетевых операторов. Табло с вспомогательными средствами для принятия решений оказывают помощь персоналу в выборе правильного решения по сохранению или улучшению надежности и безопасности сети.
Этот доклад описывает метод индексации состояния трансформатора и модель для разработки средств помощи в принятии решений, которая согласована с Общедоступной спецификацией 55 и новым стандартом ISO 55000.
Модель индекса состояния, описанная в этом докладе, будучи основой средств помощи, принятия решения, разработана с использованием оценочных функций состояния трансформатора в сочетании с оценочными и статистическими приближениями, используя метод моделирования Монте-Карло. Результаты в цветовой кодировке имеют два значения. Сам цвет представляет индикатор периода эксплуатации или дополнительных рекомендаций по обслуживанию, а интенсивность цвета дает оценку надежности, таким образом, обеспечиваю ясную и легко читаемую инфопанель для персонала.
Индекс состояния это часть показателя риска, базирующийся на приближениях для дальнейшей помощи в обслуживании. Состояние трансформатора описывается приближением, включающим в себя классификацию, демонстрацию и систему приоритетов, а также поддерживает выбор оптимальных настроек для минимизации влияния на управление рисками, связанными с состоянием трансформатора.
Ключевые слова
Индекс состояния-Поддержание жизни-Состояние Трансформатора-Управление трансформатором-Монте Карло-Силовой трансформатор-Система помощи принятия решений-Риск на основе определения приоритетов-Матрица Рисков.
Mischa. *****@***com
1 Введение
На сегодняшний день сталкиваются с множеством проблем при обслуживании сети, перечислим некоторые из них:
• Генерирующие компании повышают требования касательно безопасности, надежности, влияния на окружающую среду и экономичности.
• Трансформаторы, работающие в энергосистеме, либо отработали свой срок эксплуатации, либо приближаются к нему, таким образом, неся опасность аварии, и, как результат, снижение уровня надежности и безопасности.
При планировании замены или ремонта, среди огромного числа трансформаторов персоналу необходимо знать какие трансформаторы требуют внимания, какие действия лучше принять и в какое время. Выбор усложняется тем, что у каждого трансформатора свои неполадки, и каждая неполадка по-разному сказывается на работе сети. Оценка ожидаемого сбоя работы помогает персоналу в создании программы по замене и ремонту оборудования. В данном докладе мы опишем Индекс состояния и Коэффициент риска, разработанные DNV GL и внедренные на нескольких энергосетях по всему миру, которые дают возможность оператору следить за состояние всех установленных трансформаторов, оценивать требуется ли дополнительный ремонт или замена для каждого трансформатора и предоставить результаты в виде временной функции. Модель сочетает в себе Индексацию состояния и Анализ Рисков, таким образом, обеспечивая полную поддержку в решениях касаемо вмешательства в процесс управления энергосетью.
2 Инструмент индекса состояния
Индекс состояния это особый индикатор, который представляет состояние трансформатора в соответствии с его мощностью и сроком эксплуатации, а также обеспечивает информацией оператора о статусе всех главных трансформаторов.
Методика индексирования состояния дает оценку настолько точно, насколько позволяют доступные данные в понятной форме, давая возможность пользователю моментально истолковать результаты. Простая цветовая схема была выбрана, чтобы показать категории состояния трансформатора, каждый цвет напрямую показывает, обязательна ли замена или дополнительные эксплуатационный и капитальный ремонт. Отчетный период определяется пользователем как анализируемый диапазон (обычно 10-15 лет). Дальнейший критический период используется для проведения различий между критическими и регулярными заменами, это обычно 1-3 года. Основываясь на данных временных рамках, мы определил классификацию состояния как индикатор на 1 иллюстрации, обозначенный зеленым, оранжевым, красным и фиолетовым.
Рис.1 Классификационная схема индекса состояния
Зеленый, состояние хорошее: эксплуатацию можно продолжать без дополнительного вмешательства, следую графику обслуживания в рамках отсчетного периода.
Оранжевый, эксплуатационный ремонт: Эксплуатацию можно продолжать, если ремонт и осмотр были проведены в соответствии с графиком ремонта в рамках отчетного периода.
Красный, замена оборудования в рамках отчетного периода: окончание срока эксплуатации или значительная вероятность аварии, эксплуатационный ремонт не эффективен для продления работы между отчетными периодами.
Фиолетовый, экстренная замена: состояние установки критическое, требуются экстренные действия.
Перевод данных о трансформаторе в индекс состояния осуществляется посредством, так называемой оценочной функции. Для каждого типа трансформатора, функция оставшегося срока эксплуатации разрабатывается на основе полученных данных о состоянии. Проблема для многих установок это наличие этих самых данных. Большинство баз данных страдает от потери информации, по этой причине у модели есть альтернатива вывода определенных данных для оценочной функции из любых доступных данных по средством, так называемой функции переноса, которая дает возможность оценивать входящие данные, используя физические и статические модели. Уровень точности индекса зависит от качества и доступности информации. Каждая оценка состояния индикатора сопровождается погрешностью. Для специалиста очень важно знать уровень точности результатов, прежде чем сделать обоснованно правильное решение.
Таким образом, модель предоставляет уровень погрешности в виде интенсивности цвета, которую получают по анализу чувствительности методом Монте-Карло.
На рис. 2 показан пример цветового кода и интенсивности цветовых оттенков, которые используются в индексе состояния. Интенсивность увеличивается с увеличением точности результатов.
Рис.2 Используемые цветовой код и код интенсивности
3 Оценочные функции
Основой модели индекса состояния являются оценочные функции, которые оценивают оставшийся срок эксплуатации на основе доступных данных. Эта оценка основа на критическом ухудшении состояния установок, анализируемое с использованием информации о сбоях в работе и широко известных способов анализа состояния.
Приближение основывается на трех разных типах оценочных функций:
- Статистическая функция оставшегося срока эксплуатации
- Функция снижения срока службы
- Функция оценки оставшегося срока эксплуатации
На рисунке 3 представлена модель индекса, используя три типа оценочных функций.
3.1 Статистическая функция оставшегося срока эксплуатации
Основой для данной функции является распределение неполадок в работе каждого трансформатора. Из этого распределения с помощью математических анализов работоспособности, получают действительное распределение аварий.
Для истинного распределения используют распределение Weibull, так как оно наиболее подходящее. Используя данные об авариях, и безаварийные, параметры распределения получают путем подгонки кривой распределения. Анализ данных об авариях требует тщательного исполнения, принимая во внимание аварийные случаи, связанные с окончанием срока эксплуатации. Очень часто данные недостаточно точны или подробно изложены для анализирования. В этих случаях необходима помощь специалиста для построения точного распределения.
Как только наиболее вероятное распределение аварий для определенного типа трансформатора выведено, статистическое распределение оставшегося срока работы оценивается перераспределением аварий как показано на рисунке 4, используя вероятность Байеса.
Рис.4(а)(верхний) Пример аварийного типового распределения трансформаторов.
4(б) ( нижний) Пример перераспределения аварий для конкретного трансформатора.
3.2 Функция сокращения срока службы
Эта функция используется для определения примерного срока службы трансформатора под влиянием избыточных нагрузок, оценивая состояние конкретного трансформатора. Например, нагрузка на масляно-бумажную изоляцию трансформатора, означает снижение качества бумажной изоляции. Если трансформатор чрезмерно перегружен, его срок службы короче, чем у менее перегруженного трансформатора. Знаю нагрузку и окружающую температуру, можно оценить оставшийся срок службы посредством модели нагрузки в совокупности с фарфулярными анализами.
3.3 Функция состояния оставшегося срока службы
Данная функция используется для оценки оставшегося срока службы по оцененному реальному состоянию. Этой функции требуется информация конкретной оценки состояния, полученная из программ технического обслуживания и экспертиз, диагностическим измерений и тому подобное. Данная функция предоставляет самую актуальную информацию о состоянии трансформатора и оказывает огромное влияние на индекс состояния.
Большинство оценочных методов не могут предоставить достоверных данных для оставшегося времени, но предоставляют дополнительную информацию. По этой причине в современных устройствах, информация по оценке состояния используется для точной регулировки ожидаемого остатка времени увеличивая его ( в случае хорошего состояния) или уменьшая его ( в случае плохого состояния) согласно схеме на рисунке 5.
Рис. 5 Графическая презентация функции состояния оставшегося времени.
4. Функция переноса
На практике во многих случаях известно, какая требуется информация для осуществления оценки жизни, но это информация не доступна на прямую. В этом случае недостающая информация может быть восполнена или с помощью дедукции или статистическим переносом, в зависимости от того какая информация отсутствует.
Рис.6 Функция переноса
1. перенос дедукцией
2. перенос с помощью статистических выводов
4.1 Перенос дедукцией
Для определенных типов трансформаторов доступной может быть только часть информации, недостаток ее можно восполнить дедукцией. В качестве примера мы рассмотрели образование ржавчины как показатель оставшегося срока службы для бака трансформатора. Если информация о ржавчине не доступна, но мы знаем, что образованию ржавчины способствуют влажность и химические воздействия, то степень образования ржавчины может быть вычислена, например: местонахождение (возле моря или загрязняющей промышленности), размещение ( внутри / снаружи), выполнение очисток, и др. Это называется переносом с помощью дедукции.
4.2 Статистический перенос
Если вся необходимая информация доступна только для определенного типа трансформаторов, эту часть можно считать статистическим образцом для всего многообразия трансформаторов и недостающая часть может быть оценена на основе статистических выводов. Тот же способ можно применять, если информация отсутствует вовсе. Тогда мы можем собрать данные для одного образца из всего многообразия, и получить информацию для всех видов на основе статистических данных.
Для данного метода требуется особая аккуратность, так как образец можно взять только из квази-однородного множества. Выбор произвольного образца из полной группы трансформаторов ведет к неверным результатам из-за того, что у некоторых трансформаторов условия работы отличаются.
5 Преобразование в ИС
После того как функции оценки и переноса были выполнены, следующим шагом будет определение индекса состояния для каждого трансформатора в отдельности. Результаты функции оценки будут предполагать остаток работоспособности или время необходимое технического обслуживания (ВТО). Диаграмма решений используется для определения цветового кода индекса состояния.
5.1 Схема решений
На рис.7 показана диаграмма решений индекса состояния. Основываясь на оставшемся времени работы и времени технического обслуживания выбирается цветовой код, чтобы показать результаты индекса для конкретного трансформатора.
Дополнительное техническое обслуживание (оранжевый цвет) выбирается, когда задачей обслуживания, кроме регулярного технического осмотра, является улучшение состояния трансформатора таким образом, что его оставшийся срок работы увеличиться за отчетный срок. Примером дополнительного обслуживания являются капитальный ремонт и замена деталей. Однако такое обслуживание возможно, если трансформатор ремонтопригоден.
При определении ремонтопригодности, должны учитываться следующие пункты: наличие запасных деталей; знания и опыт, а также экономические возможности.
Если поломки трансформатора определены как неремонтопригодные, а оставшийся срок работы меньше чем отчетный период, трансформатор следует заменить. Цветовой код индекса меняется на красный или фиолетовый в зависимости от оставшегося срока по сравнению с критическим сроком. Фиолетовый– замена в соответствии с критическим периодом, а красный-с отчетным периодом.
Рис. 7 Диаграмма определения индекса состояния
5.2 Анализ чувствительности
В модели индекса состояния все точки данных и параметры заданы с использованием ввода распределений, которые независимо устанавливаются в зависимости от типа исходных данных и уровня достоверности данных. Моделирование Индекса Состояния методом Монте-Карло проходит заданное число итераций, обычно 1000 или 10000, которые обеспечивают вывод распределения результатов индекса состояния. Это выходное распределение анализируется, и средняя оценка будет определять цветовой код индекса, а вероятность непригодности определяет интенсивность цвета или уровень недостоверности. Рисунок 8 показывает принцип моделирования высоко уровня Монте-Карло использующийся в модели Индекса Состояния.
Рис. 8 Принцип моделирования высокого уровня методом Монте-Карло
6 Индекс Риска
Владельцы современных сетей используют систему управления рисками для помощи в принятии решений при управлении энергосетью. Для управления моделью помощи принятия решений на основе риска трансформаторов, требуется оценивать эти риски, с которыми сталкивается сеть. В идеале они должны оценивать риск для каждого отдельного трансформатора, считая приоритетными все трансформаторы требующие внимания.
Индекс Состояния, оценивающий остаток срока работы трансформаторов основанный на вероятности поломок, связывают с критическим или аварийным воздействием трансформаторов, таким образом, предоставляя возможность для составления диаграммы всех трансформаторов в виде матрицы риска, приспособленной для особых ключевых ценностей и деталей бизнеса компании.
6.1 Матрица риска и ее получение
Рисунок 9 показывает пример матрицы риска созданной для Индекса Состояния. В этом случае, вместо использования вероятности, используется оцененный остаток времени в качестве индикатора вероятности. Для других осей критичность используется как индикатор уровня воздействия. В данном случае критичность является индикатором влияния неисправных трансформаторов на систему или цепи. Как пример рисунок 9 показывает только 4 категории критичности, однако в зависимости от разного числа критичностей и остатков времени категории могут определяться для ключевых требований бизнеса.
Чтобы соответствовать лучшим процессам управления трансформаторов эта матрица определяется для всех значимых требований и ключевых показателей эффективности (КПЭ). Например:
- Надежность ( Средний индекс длительности прерываний в работе системы/Средний индекс частоты прерываний в работе системы или время потерянное потребителями)
- Безопасность ( Несчастные случаи / пострадавшие люди)
- Экономичность ( потери / затраты)
Чтобы оценить надежность при воздействии неисправностей, разработаны определенные функции, учитывая нагрузку и количество потребителей подключенных к данному трансформатору, и топология системы с ее характерной загрузкой.
Чтобы оценить безопасность, для каждого типа трансформаторов анализируется вероятность воспламенения и взрыва, в совокупности с внешней защитой трансформатора, типом подстанции и удаленностью от общественных зон.
Рис. 9 Матрица риска для Индекса Состояния
6.2 Конкретизированные анализы риска
Имея в наличии матрицу рисков, а также доступные индексы состояния и критичности, становиться возможным занести все трансформаторы в матрицу и определить, какие требуют срочного и безотлагательного осмотра. Любой может стать предпочтительно требующим внимания, например, ранжируя самые опасные трансформаторы одновременно по безопасности и надежности.
Рис. 10 Сфокусированный глубокий анализ рисков
Как только такой трансформатор найден, может быть проведен индивидуальный глубокий анализ для выбранного трансформатора, если таковой требуется. Имеем две меры, цвет и интенсивность, обе присутствующих в Индексе Состояния. Трансформаторы под фиолетовой категорией требуют немедленной замены, однако в случае высокого уровня погрешности, трансформатор требует более детального анализа перед решением о замене. Трансформаторы с низким уровнем погрешности могут быть заменены с минимальным их изучением.
Для трансформаторов под красной категорией допустимы временные рамки побольше, для более детального изучения и оценки состояния. Это позволяет провести глубокие анализы для принятия лучшего решения.
7 Примеры
Представленный индекс состояния был успешно внедрен на нескольких установках по всему миру, в таких странах как Нидерланды, Португалия, Оман, Бразилия и Сингапур. Характерные результаты индекса показывают 3D график, диаграммы волн замен, диаграммы матрицы риска, другие презентации также могут быть показаны. Рисунки 11, 12 и 13 дают примеры таких представлений.
- 1, Красный, Замена по истечении 5 лет
-2, Оранжевый, Замена по истечении 15 лет
-3, Желтый, Дополнительный ремонт через 15 лет
-4, Зеленый, Хороший, Срок работы более 15 лет
-5, Синий, Хороший как новый, Срок работы более 15 лет, трансформатор
Рис. 11 Результаты Индекса Состояния моложе 5 лет
примерного проекта
Рисунок 11 показывает окончательный результат применения Индекса, где цвет и интенсивность представлены для целого вида трансформаторов. Здесь цветовая схема была слегка изменена; следующая цветовая система используется в Индексе Состояния:
Рис.12 Замена со временем дополнительного Рис.13 Матрица риска: схема маркеров
ремонта для трансформаторов
Рисунок 12 показывает ожидаемую волну замен, основанную на ожидаемом времени поломок. Этот пример показывает пробный проект с ограниченным числом трансформаторов. Синие линии представляют год ввода в работу трансформаторов, красные - время замены и зеленые – время до дополнительного ремонта.
Рисунок 13 показывает результаты данных отраженных в матрице риска. Прибор разработан таким образом, что может предоставлять до 5 рабочих значений с 3 разными ключевыми показателями эффективности. Все эти показатели затем сводятся в одну общую матрицу риска, в которой каждый шарик представляет собой один трансформатор.
8 Заключение
Управляющие компании должны иметь долгосрочные показания о сроке работы трансформаторов, показывающие время замены или требования по дополнительному ремонту. Прибор, для помощи принятия решений представленный в этой работе вполне подходит для поддержки управленцев в определении приоритетов, предоставляя информационную панель о состоянии и работе трансформатора. Сочетание Индекса Состояния с рисками для компании дает возможность основываться на приоритете рисков. Примеры проектов показывают результат индекса, позволяя персоналу составлять приоритетные решения по замене и улучшать программы ремонта, отнесенные к тем областям, которые требуют большего внимания. С минимальными усилиями персонал мог бы оценить текущий статус трансформаторов и выбрать нужные действия. Подход с учетом рисков, как упоминалось в этой статье, полностью поддерживает PAS 55 по управлению трансформаторами.
Источники
[1] IEC, “IEC 62539:2007 – Руководство по статистическому анализу данных о пробоях электрический изоляции,” 2007
[2] Geoffrey Grimmett, Dominic Welsh, Введение в вероятность, Научное Издательство Оксфорда. 1991
[3] R. A. Jongen, P. H. F. Morshuis, E. Gulski, J. J. Smit, J. Maksymiuk, A. L.J. Janssen, Применение Статистических Методов при Выборе Решений по Ремонту Силовых Установок, IEEE Журнал ЭлектроИзоляция Ноябрь/Декабрь 2006, Издание 22, номер 6, ISSN 0883-7554
[4] IEC 60076-7, “Силовые Трансформаторы - Часть 7: Руководство по загрузке масляных силовых трансформаторов ”
[5] IEEE C57.91-1995. IEEE руководство по загрузке минерально-маслянных траснсформаторов, 1996
[6] “Моделирование оставшегося времени для замены силовых трансформаторов”, A. van
Schijndel e. a., 2008 Международная Конференция по Диагностике и Мониторингу Состояния, Бэйжин, Китай
