现代配电网健康指数理论最新研究进展

 引言

电网资产管理是一项复杂的工作，既涉及电力系统和设备的可靠性，又与系统规划、在线监测、故障诊断技术和运行、调度、检修、资产全寿命周期管理等有关，直接影响到电网公司的运营和管理，在电力市场环境下还会影响到电网公司的收益。因此，电力企业的资产管理不是单纯简单的管理工作，而是一门集成多种理论、技术和经验，统筹技术、经济、管理的系统性综合学科，是一门平衡成本、绩效和风险三方面的艺术。正因为如此，电力企业的资产管理目前在国内外已引起了广泛的关注，正在成为当前电力发展的一个主要特征。

智能配电网的物理载体是所有新旧技术、新老设备和网络的集成，而设备和网络的健康水平是所有其他工作的重要基础和支撑，是智能电网建设必不可少的基石。因此，全面系统地掌握现有配电网设备和网络的健康水平，对现有配电网资产实现精益化高效管理应该是智能配电网建设的出发点。如何高效规划设计、运行维护不断增加的庞大资产设备不仅是提高电网企业经营绩效的关键问题之一，而且也是智能电网建设的基础和必不可少的重要组成部分。因此，在电网企业资产管理中引入健康指数理论和风险分析技术，建立健全必要的资产数据库，不仅可为电网风险控制和设备管理策略提供重要信息，而且能够保证电力系统的整体可靠性，降低运维费用，提高投资回报率，为智能电网建设夯实基础。

1.配电网健康指数概念

1.1 设备健康指数

1998年，本文作者马钊博士开始参与创建英国中部电力公司设备数据库，研究变压器和高压开关(GIS)的故障诊断及监测、可靠性、状态评估、辅助决策、运行优化方法及全寿命周期管理技术，并参与完善以设备健康指数为指标的配电系统数据库工作。2000年，针对大量超期服役的设备急需制定更换计划的需要，由马钊博士及合作伙伴共同提出了输配电力设备健康指数(HI)理念，试图使用健康指数指标体系表征电力设备的功能和效能。2004年，英国中部电力公司运行成本下降约30%，设备利用率提高20%以上。

电力设备健康指数不是工程专业知识和判断的一种简单替代，是一种相对复杂的信息组合，具有逻辑性和连续性的特点;是在对设备各种信息数字转化的基础上，结合现场设备的运行工况，计算出的一个0～10之间的单一数值，其中特征参量主要包括服役年龄(age)、使用能力(capability)、家族病史(family history)、潜在缺陷/事故(potential defect/failure)、外部因素、实验数据和负载信息等。

自2010年，英国行业监管机构天然气电力市场办公室(OFGEM)已将健康指数(health index，HI)作为监管指标之一，与风险管理挂钩，即用健康指数替代设备故障率，进而计算风险，每个配电网运营商(DNO)必须依据HI上报年度资产计划。现在10kV及以上电压等级每一台设备均有相应的健康指数，但高压设备HI相对准确，配电设备HI基本以经验为主，比较粗放，且单个设备HI尚不能与检修计划挂钩。电力设备健康指数，基于状态、风险和全寿命资产管理的配电资产管理体系已为英国电力行业采纳和推广，英国标准PAS 55和2014年1月颁布的国际资产管理标准ISO 55000也采纳了以上研究成果。

综上所述，设备健康指数是衡量和表征被研究对象(单个设备)健康状态的一个数值，可基于对象的特征参量经过复杂的逻辑和数学运算获得。健康指数具有逻辑性强、时间上连续的特点;可用于判定被研究对象是否需要干预(维修);可估算被研究对象的剩余寿命(remaining life)。设备健康指数概念随后逐步发展为一种理念并被应用于供电可靠性、资产管理等多个领域。

1.2 配电网健康指数

复杂配电网是一个实时动态平衡、离散和连续量相结合的复杂动态系统，系统中某一设备或子系统故障征兆会反映到其他设备或子系统，有众多关联信息可供利用。它的运行状况与人体健康有许多相似之处，单个设备健康指数的概念已经使用，而且积累了一定的经验，特别是在高压设备方面。这为提出适用于群体配电设备和网络的健康指数理论，深入开展配电网健康指数的定义、内涵、模型及方法的研究奠定了一定的基础。

目前，国内外在配电网健康指数理论方面的研究都处于空白状态。2004年鞠平教授等首次提出了电力系统健康诊断的概念与框架以及可诊断性的概念，同时提出了健康诊断的思想方法，即建立“健康档案”、实施动态跟踪，根据其特征量的变化诊断其“健康”程度，及时发现“病灶”并报警。他提出，电力系统健康诊断是通过对设备、网络与系统的状态实时进行扫描，建立其健康档案、实施动态跟踪，根据其特征量的变化，诊断其健康程度，及时发现病灶并报警，必要时加以消除。显然，健康诊断涵盖了故障诊断、故障预测的概念，但在内容和时间上都有了进一步的延伸;在内容上，相当于从“大病”延伸到“小病”;在时间上，则从故障时延伸到平时。健康诊断可以掌握电力系统的“健康”状况，做到防患于未然，消除电力系统的潜伏性故障，防止突发性事故发生，减少事故损失。健康诊断概念与状态监测概念相近，但适合的范围更广，比较形象、直观。

文献[2]指出在电力系统中，有故障诊断、故障预报、状态监测等几个在内容上相关、方法上相近但又存在差别的概念，并对它们进行了区分：故障诊断是根据故障特征，对已经发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断;故障预报是根据故障征兆，对可能发生故障的时间、位置和程度进行预测;状态监测是对设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提供监测。故障诊断、故障预报要到电力设备已经发生或即将发生故障时才能够判断出来。状态监测的概念对于电力设备比较合适，对于网络或系统则不太合适，而且容易与状态估计等概念相混淆。在文献[3]中，孙宏斌等提出利用“分诊”和“会诊”的思想给出电网安全预警报告，设计了电网实时安全预警系统的功能框架和体系结构。文献[4]给出基于潮流指纹特征的电网健康状态诊断与安全预警思路。文献[5-6]采用数字建模与统计诊断技术对地下配电系统的早期检测进行了研究。

综上所述，虽然已有参考文献对电力系统健康诊断的概念进行了探讨，但尚未明确提出配电网健康指数的概念。配电网健康指数是衡量和表征被研究对象(单个设备、群体设备或网络)健康状态的一个数值，可综合衡量配电网设备(尤其是群体设备)和配电网络的能力、性能表现(绩效)、潜在风险等，可基于对象的特征参量经过复杂的逻辑和数学运算获得，可用于判定被研究对象是否需要干预(维修)，可为配电网资产管理、规划、检修和运行以及分布式能源接入提供一个新视角和新维度。

2.国外健康指数理论研究现状

2.1 欧洲

自1990年，欧洲等发达国家针对电力设备资产管理相继开展了大量研究，但主要是管理体系方面，如1996年IEC 公布了IEC 60300-3-3;2004年国际大电网会议(CIGRE)的B3/C2-14工作组提出了资产管理的决策流程;同年，英国资产管理协会(Instituteof Asset Management，IAM)和英国国家标准委员会(BritishStandards Institution，BSI)颁布了PAS 55，旨在指导有形实物资产的管理优化和可持续发展，2008年重新修订并再次发布;2014年第一部国际资产管理标准ISO 55000正式颁布。

在设备健康指数评价方面，目前的主流技术是英国EA公司提出的“基于状态评估的风险管理体系(condition based risk management，CBRM)”。现在该体系已广泛应用于英国的所有电力公司以及加拿大、美国、澳大利亚等国家。目前EA公司还与许多国家的电力部门、研究机构等进行合作，不断修正该体系。CBRM是一套针对电力设备状态进行管理和风险评估的体系，它总结和使用工程知识和经验，以此量化资产/设备的信息，以确定和定义当前和未来的资产/设备的状况、性能，以及在有干预(维修)及无干预条件下的风险。CBRM形成了一整套适合于各种电力设备(如线路、变压器等)状态分析和风险评估的科学体系，在评估过程中涉及健康指数HI、故障发生概率(probabilityof failure，POF)、剩余使用寿命(remaining service life)等几个技术指标，用于协助电力企业应对在当前管理体制下电网运行管理方面日益增多的挑战。

CBRM是基于对电力设备技术参数、试验数据、负载、环境、外观、故障、缺陷等信息的分析，按照预定的量化标准对各种信息进行数字代码转换，以设备技术参数、环境、试验数据、负载等信息计算出设备健康指数，并以外观、故障、缺陷等信息进行修正，同时运用设备、材料老化后，其设计使用寿命会随着投运年限的增长而有所减少的工程学原理，结合现场工程师对设备实际运行情况的了解，综合分析各种可能影响设备实际运行状态的因素，最终得出一个单一量化的数值来表征每台设备当前和未来的健康状况，继而得到设备剩余使用寿命和故障发生概率。另一方面，CBRM对设备在电网运行中可能存在的风险进行统计分类，定义风险类别及风险的平均后果、量化发生风险的可能性、利用设备风险的量化标准、风险平均后果、发生风险的可能性，结合设备重要等级，最终得到以货币形式量化的设备单一的风险值及总风险值。得到设备未来年限风险值的变化趋势。

2.2 美国等其他国家

在美国，1999年6月美国总统克林顿签署了政府命令，各州政府所需的装备及工程项目要求必须有全寿命周期成本(life cycle cost，LCC)报告;美国电力科学研究院(EPRI)从1998年开始核电厂生命周期管理实施指南研究;2005年总结出“三级评估法”，并制定了较完整的“综合寿命管理程序”作为美国电力企业设备寿命管理工作的通用导则;2008年研究电力系统资产管理架构，并开展一系列案例分析，如地下电缆的资产管理策略等。此外，美国EPRI 提出了智能资产管理(smart asset management，SAM)理念。2013年，埃森哲提出新一代企业资产管理(enterprise asset management，EAM)，运用先进的输配电资产分析方法，改进决策，建立并整合数据库，形成汇总数据的强大分析功能与易于理解的图形显示，最终实现资产投资和运维的决策支持。

澳大利亚越网公司采用的是一种半定量分析的扩展风险矩阵图法。

3.国内健康指数理论研究现状

3.1 研究现状

国内在健康诊断相关方面的研究起步比较晚，在电力系统中，针对高压设备的状态诊断研究较多，如发电机、变压器、断路器等重要一次设备，而针对中、低压设备和电网系统级的健康诊断研究较少。目前国内已经引入了健康指数理念，并已开展了与资产管理相关的研究，但还只是停留于名词概念，针对单一设备，大多研究局限于电力变压器的剩余寿命，对健康指数的定义、内涵外延都没有开展深入研究，尚未形成一套变配电设备与网络健康指数理论的评价方法。

自2008年，国家电网公司和南方电网公司相继开展了资产全寿命周期管理体系工作，但未进行健康指数理论的相关研究。自2011年7月，国家电网公司颁布了一系列状态检修文件，开展配电网状态检修试点工作，状态检修逐步从超高压和高压向配电领域扩展。2013年，上海、福建和青海开展资产全寿命周期体系试点，管理水平均达到成熟级水平;2014年全寿命周期管理体系在国家电网公司系统内全面展开。自2009年开始，中国南方电网公司积极推进输变电设备状态监测和状态检修工作。2014年，南方电网公司以全面推进资产全生命周期管理为主线，通过“3+1计划”，进一步实现设备资产利用效率、健康水平及供电可靠率全面提升。

从已有研究来看，文献[12]分析了电力系统规划和资产管理的主要内容和研究方法，提出了电网资产老化评估模型;文献[13-15]针对固定资产管理现状中存在的不足，提出了改进管理方式的对策，但对指导实际工作意义不明显。文献[16-17]提出信息化对企业资产管理的重要支撑作用，讨论了资产数据库设计、资产分类与编码设计的信息建模;文献[18-20]根据电网企业资产管理的特点，就电网资产管理方法及如何提高资产管理的质量和效率开展了一定的探讨;其中借鉴了在生物系统中较为全面的应用[21]。

综上所述，现有研究主要针对输电网，而配电网不需要考虑暂态，其拓扑结构和安全供电能力的检验也不同，在网络级对配电网进行健康指数的研究目前几乎是空白。由于复杂配电网具有其自身的特色，因此，从配电网健康诊断的角度，系统地研究和发现复杂配电网的“病灶”，对监测评估复杂配电网健康程度并及时预警有着重要的理论和实用价值。

3.2 应用现状

目前，国内正在积极推进资产全寿命周期管理，制定了资产全寿命周期管理框架体系，在确保电网安全可靠的同时，提高电网资产的使用效率，降低全寿命周期成本，以期实现电网资产精益化、全过程、全方位管理，目前在输电网领域已经取得了可喜的成绩。然而在配电领域，虽经过近年来城网改造、新型城镇化配网和农网建设，取得了可喜的成绩，但因为配电网基础薄弱，加之迅速发展的分布式可再生能源、储能和不断增长的负荷，如电动汽车、热泵等直接接入配电网，导致配电网结构复杂，传统的技术与管理方式已不再适应新形势的发展需要。与国外发达国家相比，我国在配电网结构、标准化建设、配电自动化和智能化水平等方面均存在较大差距;与输电网相比，配电设备量大面广、品种繁杂、制造门槛低且制造厂家众多，存在基础数据积累不足，信息化程度与精益化管理程度不高以及自动化程度低等问题。因此，配电网无论是在基础理论研究、新技术应用与资产管理方面，还是在人员技术素质方面都相对落后，主要瓶颈表现在：

1)配电网历史数据不完整、数据积累和挖掘不足，信息化手段难以全面支撑科学化决策。配电资产的设备台账、运行维护、预试、在线监测、管理数据等信息不全、历史不长，因此缺乏底层数据积累和数据挖掘。资产管理系统多为分散开发，与业务结合不够紧密，不同部门、不同业务流程间的信息资源共享不足，难以全面有效支撑电网公司资产的科学决策。

2)健康状况评价方面，仅限于设备，对网络健康状况的研究几乎是空白。由于配电设备量大面广、个体造价相对较低，输电网采用的设备监测评价、状态检修标准和决策方法不适用于配电网;目前配电网的设备评价和状态检修标准缺乏理论指导，评价标准与缺陷不统一，扣分量无法一一对应，未考虑历史数据，不能发现隐藏的缺陷，评价结果不能真实反应实际情况，评价与检修不能紧密结合。

3)关键业务节点缺乏科学量化的决策方法。配电网的规划方案、工程方案设计、检修策略优化、技术改造方案优选、设备退役等关键环节，缺乏综合考虑经济、安全、环保等方面，缺少覆盖资产寿命全过程的定量决策方法，不能为配电网智能化和可再生能源接入提供有效技术支撑。

4.结语

国内外的研究实践表明，应用并扩展健康指数理论已成为未来配电资产管理的发展趋势，对进一步提升配电网规划与检修水平将起到指导和支撑作用。虽然健康指数概念已提出十几年并在国外发达国家广泛应用，例如英国现在10kV及以上电压等级的每一设备均有相应的HI，但健康指数理论研究仍存在以下主要问题或亟待改进的方面：

1)健康指数仍停留在概念和单个设备元件阶段，关注重点在超期服役的设备、自身故障模型、单个层次的故障诊断方法。

2)健康指数评价还只是用简单量化的分析方法和简单的健康指数评价指标。

3)高压设备因为安装有必要的在线或离线监测设备，故其健康指数准确度相对高;对于量大面广的配电设备，基本上是以经验为基础，采用专家系统定性评估，相对粗放。

4)健康指数理论还没有扩展至对整个系统的健康诊断和深入地信息挖掘，尚未建立起一套能系统地统领这些工作的健康指数理论体系，因而不能直接用于状态检修等应用，配电资产管理很难真正实现从定性到定量、从粗放到精益的升华。

5)电网设备故障不仅与自身健康状态有关，还与其工作环境及工作条件有关。然而，在以往的研究中，通常以历史统计信息作为设备的健康程度诊断的参数，忽略了实际的工作环境影响，电网健康状态诊断也是单一的反应设备自身故障、网架结构影响、外界环境影响、运维和管理等要素中的一个侧面，缺乏整体性和多元化。

6)电力系统涉及设备种类、数量繁多，如何有效地收集整理各类设备与运行条件相依的健康指标，构建电网健康状态诊断的模型，区分健康分级和病症程度，并通过尽量少的健康状态指标体系，多维度、多层面科学、客观、完整的展现电网健康状况，及时对已造成或可能发生的病症异常及早响应有待进一步研究。