نگاه سیستمی در اعمال روش RCM بر سیستم حفاظت دیستانس خطوط

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی - دانشگاه شهرکرد - شهرکرد - ایران

2 دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی - دانشگاه شهرکرد - شهرکرد - ایران

چکیده

سیستم حفاظت دیستانس به‌عنوان حفاظت اصلی خطوط، نقش اساسی در قابلیت اطمینان شبکه دارد؛ بنابراین، یک برنامة نگهداری و تعمیرات بهینه برای حفاظت دیستانس، تأثیر بسزایی بر قابلیت اطمینان و هزینه‌های شبکه دارد. ماهیت عملکرد نهان در سیستم‌های حفاظتی مشکلاتی را در راستای اعمال روش نگهداری و تعمیرات مبتنی بر قابلیت اطمینان (RCM) به‌عنوان یکی از مؤثرترین روش‌های برنامه‌ریزی ایجاد می‌کند. در این مقاله مفهوم نگاه سیستمی در مسئلة RCM به‌جای نگاه تجهیز محور برای حل این مشکل ارائه شده است. مفهوم ارائه‌شده به‌خوبی رفتار یک سیستم دارای ماهیت عملکرد نهان را مدل می‌کند. در این مقاله از فرایند مارکوف و الگوریتم بهینه‌سازی میگو برای محاسبات قابلیت اطمینان و یافتن فواصل زمانی بهینه بین وظایف نگهداری و تعمیرات استفاده شده است. افزایش قابلیت اطمینان سیستم و کاهش هزینه، اهداف بهینه‌سازی در نظر گرفته شده‌اند. روش پیشنهادی با بهره‌گیری از داده‌های حقیقی دو سیستم حفاظتی دیستانس پیاده‌سازی و تست شده است. نتایج خروجی، توانایی روش پیشنهادی در تأمین قابلیت اطمینان بالاتر و تحمیل هزینة کمتر نسبت به سایر روش‌ها را نشان می‌دهند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Systematic Look at the Application of RCM Method to Lines Distance Protection System

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hossein Nasri 1
  • Sayyed Yaser Derakhshandeh 2
  • Abbas Kargar 2
1 PhD Candidate of Power Electrical Engineering, Dept. of Technical Science and Engineering, University of Shahrekord, Shahrekord, Iran
2 Associate Professor, Dept. of Technical Science and Engineering, University of Shahrekord, Shahrekord, Iran
چکیده [English]

Distance protection system as the main lines’ protection, has an essential role in networks’ reliability. Thus an optimized maintenance plan for distance protection can influence on network reliability and costs. Intrinsic hidden function of the protection systems cause some problem in the way of applying reliability-centered maintenance technique (RCM) as an effective planning method. In this study, the concept of systematic solution view in RCM is proposed instead of equipment-based solution view. The presented concept can well model the behavior of a hidden performance system. Also, Markov process and krill optimization algorithm is used for calculating the reliability and finding optimal time intervals between maintenance tasks. Increasing system reliability and decreasing costs are considered as optimization aims. The proposed method has been implemented and tested using real data of two distance protection systems. The output results show that the proposed method is capable of providing higher reliability and lower cost than other methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Krill Optimization Algorithm
  • Distance Protection
  • Markov Process
  • Reliability Centered Maintenance Technique (RCM)

1- مقدمه[1]

با توجه به اهمیت روزافزون انرژی الکتریکی در زندگی امروزه و وابستگی بالای مصرف‌کنندگان به آن، انتظار دسترسی به انرژی با قابلیت اطمینان بالا درحال افزایش است؛ درنتیجه، بهره‌برداران شبکة برق تلاش و هزینة فراوانی در راستای افزایش قابلیت اطمینان انجام می‌دهند. یکی از موارد تأثیرگذار در این راستا برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات است که تأثیر بسیار زیادی بر قابلیت اطمینان می‌گذارد. همچنین، تعمیرات و نگهداری هزینه‌های بسیاری را به سیستم تحمیل می‌کند که به دست آوردن نقطة بهینه همواره یکی از اهداف بهره‌برداران بوده است؛ به‌گونه‌ای‌که با صرف کمترین هزینه، قابلیت اطمینان مدنظر سیستم به دست آید.

به‌منظور بهبود روش‌های برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات، همواره روش‌های جدیدی در این راستا معرفی می‌شوند. در ابتدا، روش نگهداری و تعمیرات زمان محور (TBM[1]) مطرح شد که در آن، زمان‌بندی‌های نگهداری و تعمیرات بدون در نظر گرفتن اهمیت یا شرایط تجهیز صورت می‌گیرد [1]. در ادامه، روش نگهداری و تعمیرات شرایط محور ([2]CBM) مطرح شد که برنامه‌ریزی در آن براساس شرایط تجهیز و اهمیت آن صورت می‌گیرد [2]. این دو دسته روش روی بیشتر تجهیزات شبکة برق اعمال شده‌اند [1-4].

پس از این دو روش، روش برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات مبتنی بر قابلیت اطمینان (RCM) پیشنهاد شد. این روش با توجه به سوابق تجهیزات، اهمیت و شرایط آنها و ارتباط آنها با یکدیگر، برنامه‌ای را ارائه می‌دهد که سعی دارد قابلیت اطمینان سیستم را حداکثر و هزینة عمر تجهیزات را حداقل کند [5]. این روش با ارائه نتایج پذیرفتنی روی تجهیزات بسیاری در سیستم‌های انتقال مانند ترانسفورماتورها، خطوط انتقال، مدارشکن‌ها و ... پیاده‌سازی شده است [6-18]؛ اما به‌صورت بسیار محدود برای سیستم‌های حفاظتی استفاده شده که علت این امر خاصیت عملکرد نهان این سیستم‌ها است. همچنین، در بیشتر پژوهش‌های انجام‌شده در زمینة حفاظت، فقط به رله‌ها توجه شده است [19-22].

سیستم با ماهیت عملکرد نهان به سیستمی گفته می‌شود که اگر خرابی در برخی تجهیزات سیستم موجود باشد، مشکل در لحظة رخداد خرابی مشخص نمی‌شود و تا زمانی نهان می‌ماند که خطایی در سیستم رخ ندهد یا تجهیز تست نشود [23].

یک مدل چندهدفه برای حل مسئلة برنامه‌ریزی بهینه‌سازی نگهداری و تعمیرات در یک سیستم توزیع توان الکتریکی در مرجع [9] پیشنهاد شده که اهداف اصلی آن، بیشینه‌سازی شاخص قابلیت اطمینان کلی سیستم و کمینه‌سازی هزینه‌های نگهداری پیشگیرانه است. در این روش، شاخص‌های میانگین مدت وقفة سیستم و شاخص میانگین وقفة فرکانسی سیستم (SAIDI[3] و[4]SAIFI ) در نظر گرفته شده‌اند و از الگوریتم بهینه‌سازی ژنتیک
NSGA-II برای حل مسئلة بهینه‌سازی چندهدفه استفاده شده است. روش پیشنهادی، توانایی در نظر گرفتن فاکتورهای مختلف را دارد که تأثیر در قابلیت اطمینان اجزا و بهبود شاخص‌های کلی قابلیت اطمینان را موجب می‌شود.

پژوهشگران در [10]، یک روش بهینه به‌منظور تعیین میزان اهمیت واحدهای تولید برای اعمال RCM پیشنهاد کرده‌اند که از تئوری بازی برای بررسی سهم هر واحد تولید در قابلیت اطمینان سیستم استفاده می‌کند. در [14] نیز روشی برای اعمال RCM بر مدارشکن‌ها پیشنهاد شده است که اهمیت و شرایط تکنیکی آنها را در نظر می‌گیرد. این روش بر یک شبکة انتقال 400 کیلوولت پیاده‌سازی شده است.

یک روش بهینة نگهداری و تعمیرات براساس روش‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی با استفاده از به‌کارگیری روش RCM مبتنی بر آنالیزهای فرمولی و غیرفرمولی در [18] ارائه شده است. سپس با تحلیل نتایج کاربردهای عملی و شبیه‌سازی‌های مختلف دیده شده که با روش پیشنهادی، قابلیت اطمینان و دسترسی‌پذیری سیستم بهبود و هزینة کلی بهره‌برداری، نگهداری و تعمیرات کاهش یافته است. به‌منظور تعیین تجهیزات با اهمیت بالا، روشی روی ترکیب واحدهای تولید توان و شبکه‌های انتقال در [11] پیشنهاد شده که اهمیت تجهیزات با توجه به تأثیر آنها در خاموشی و هزینه‌های مرتبط با آن محاسبه شده است.

برای زمان‌بندی فعالیت‌های نگهداری و تعمیرات مدارشکن‌ها و رله‌های حفاظت در سیستم، روشی برای سنجش اهمیت آنها در [19] ارائه شده است. با توجه به اینکه در این مرجع، دو تجهیز به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شده‌اند، تأثیر آنها بر یکدیگر و تأثیر دیگر تجهیزات موجود در سیستم حفاظت بر قابلیت اطمینان سیستم در نظر گرفته نشده است.

در [20]، برای دسته‌بندی حالات عملکردی قابل رخداد مربوط به یک خط انتقال محافظت‌شده با یک رله در یک محیط آلوده به هارمونیک، یک مدل قابلیت اطمینان مارکوف به کار گرفته شده است. سپس تأثیر برنامة نگهداری و تعمیرات بر قابلیت اطمینان بررسی شده و نتیجه گرفته شده است که بسیاری از ضرایب مارکوف به حفاظت سیستم وابسته است؛ اما در این پژوهش فقط اثر رله دیده شده است.

در مرجع [24]، متد RCM بر سیستم حفاظت موجود در یک شبکة هوشمند پیاده‌سازی شده است. در این مرجع، توانایی متد پیشنهادی در اعمال تأثیر مواردی همچون تفاوت‌های آب‌وهوایی و اهمیت سیستم در شبکه بر برنامة نگهداری و تعمیرات بررسی نشده است. همچنین، در مدل‌سازی رفتار سیستم با فرایند مارکوف، رفتارهایی همچون تأثیر خرابی یک تجهیز بر دیگر تجهیزات، روند تست تجهیزات در هنگام رخداد خطا در سیستم و تفاوت عملکرد و ماهیت بخش‌های AC و DC در نظر گرفته نشده‌اند.

دو ایراد اساسی در اعمال RCM بر رله‌ها به تنهایی و مستقل از کل سیستم حفاظتی وجود دارد. نخست، با توجه به سوابق خطاهای سیستم‌های حفاظتی، رله‌ها و به‌ویژه رله‌های دیجیتال، درصد بسیار پایینی از خرابی را نسبت به دیگر تجهیزات موجود در سیستم حفاظتی مانند وایرینگ، ترمینال‌ها و کویل تریپ به خود اختصاص داده‌اند [23]. دوم، با توجه به ماهیت عملکرد نهان تجهیزات سیستم‌های حفاظتی به‌عنوان مشکل اساسی در سد راه اعمال RCM روی این سیستم‌ها، نمی‌توان به هنگام محاسبة قابلیت اطمینان مسیر مستقیمی بین حالت کار عادی تجهیز و خرابی آن در نظر گرفت؛ زیرا همان‌گونه که گفته شد، مشکل در لحظة رخداد خرابی مشخص نمی‌شود و تا زمانی نهان می‌ماند که خطایی در سیستم رخ ندهد یا تجهیز تست نشود [23]. به‌منظور رفع این ایرادها و موانع، روشی در این مقاله ارائه شده است تا بتوان از مزایای این روش استفاده کرد. در این روش، به‌جای نگاه به یک تجهیز در هنگام اعمال RCM، کل سیستم حفاظتی به‌صورت یکجا بررسی می‌شود. این نگاه سیستمی به مسئلة RCM علاوه بر در نظر گرفتن تأثیر کلیة تجهیزات سیستم حفاظتی بر قابلیت اطمینان سیستم، موجب می‌شود بتوان تمامی مسیرهای موجود به حالت خرابی سیستم را مدنظر گرفت. این مسیرها شامل «مسیر تست تجهیز به خرابی آن» و «مسیر خطای کلی سیستم حفاظتی به خرابی تجهیز» هستند.

نگاه تجهیزی در RCM، بخش‌های مختلف یک تجهیز را مشخص و مدهای خرابی آنها را بررسی می‌کند و درنهایت، برای هر بخش یک یا مجموعه‌ای از وظایف نگهداری و تعمیرات را ارائه می‌دهد؛ درحالی‌که در نگاه سیستمی، تجهیزات مختلف یک سیستم مشخص شده‌اند و مدهای خرابی آنها بررسی می‌شوند؛ درنتیجه، خروجی این روش شامل یک یا مجموعه‌ای از وظایف نگهداری و تعمیرات برای هر تجهیز خواهد بود.

در روش پیشنهادی در این مقاله، پس از تعیین وظایف نگهداری و تعمیرات هر تجهیز موجود در سیستم حفاظت دیستانس، از مدل مارکوف و الگوریتم بهینه‌سازی میگو برای یافتن فواصل بهینه میان زمان انجام‌دادن وظایف نگهداری و تعمیرات آنها استفاده شده است. دو هدف بیشینه‌سازی قابلیت اطمینان سیستم حفاظت دیستانس و کمینه‌سازی هزینه، اهداف این بهینه‌سازی در نظر گرفته شده‌اند؛ بنابراین، نوآوری‌های موجود در این مقاله به‌صورت زیر بیان می‌شود:

1- بیان مفهوم جدید نگاه سیستمی در اعمال RCM بر سیستم‌های با عملکرد نهان؛ 2- استفاده از مفهوم نگاه سیستمی در اعمال RCM بر یک سیستم حفاظت دیستانس؛ 3- ایجاد مدل مارکوف برای یک سیستم حفاظتی کامل به‌منظور محاسبة قابلیت اطمینان کل سیستم؛ 4- استفاده از الگوریتم چندهدفة میگو برای تعیین ضرایب بهینة مدل مارکوف.

در ادامة این مقاله ابتدا در قسمت 2، ابزارهای استفاده‌شده برای تعیین وظایف نگهداری، تعمیرات تجهیزات و مدل‌سازی آن و نیز ابزار بهینه‌سازی به‌کارگرفته‌شده معرفی و به‌اختصار شرح داده شده است. سپس در قسمت 3 روش پیشنهادی و پیاده‌سازی آن بر سیستم حفاظت دیستانس شرح داده شده است. در قسمت 4 روش پیشنهادی ارائه‌شده روی دو پست فوق توزیع با استفاده از داده‌های واقعی اعمال شده و نتایج عددی عملکرد روش پیشنهادی بررسی شده است. درنهایت، در قسمت 5 نتیجه‌گیری کلی مقاله ارائه شده است.

2- ابزارشناسی

سه ابزار استفاده‌شده در این مقاله، RCM، مدل مارکوف و الگوریتم بهینه‌سازی‌اند که در ادامه به‌اختصار شرح داده شده‌اند.

2-1- نگهداری و تعمیرات مبتنی بر قابلیت اطمینان (RCM)

در ابتدا باید کلیة تجهیزات موجود در سیستم مطالعه‌شده، شکست‌های عملکردی آنها و تأثیرات این شکست‌ها، تحلیل و بررسی و برای هر تجهیز موجود، نوع وظیفة نگهداری و تعمیرات مناسب تعیین شود. این تصمیم‌گیری با استفاده از فلوچارت تصمیم‌گیری RCM [5] صورت می‌گیرد. گفتنی است افراد خبره و آگاه به سیستم مطالعه‌شده باید این فرایند تصمیم‌گیری را اتخاذ کنند و انجام آن فقط با استفاده از کامپیوتر و داده‌های ثبت‌شده صحیح نیست [5].

با توجه به فلوچارت تصمیم‌گیری RCM [5]، وظایف مختلف نگهداری و تعمیرات قابل انتخاب برای هر تجهیز به شرح زیر است:

  • · فعالیت اقتضایی زمان‌بندی‌شده
  • · فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده
  • · فعالیت از رده خارج‌کردن زمان‌بندی‌شده
  • · فعالیت جستجوی شکست زمان‌بندی‌شده
  • · ترکیبی از فعالیت‌ها
  • · بازطراحی
  • · نیازنداشتن به فعالیت زمان‌بندی‌شده

2-2- مدل مارکوف

فرایند مارکوف، ابزاری کارآمد برای محاسبة قابلیت اطمینان سیستم‌های غیرخطی و پیچیده است که براساس حالات کاری ممکن و مسیرهای گذر بین این حالات عمل می‌کند و تاکنون با ارائة نتایج پذیرفتنی در پژوهش‌های مختلفی استفاده شده است [25-27]. با توجه به سیستم حفاظت دیستانس که ماهیتی پیوسته در زمان دارد، فرایند پیوستة مارکوف در این پژوهش استفاده می‌شود. به‌منظور سنجش قابلیت اطمینان نیز از شاخص میانگین زمان تا خرابی ([5]MTTF) استفاده می‌شود که مقدار بزرگ‌تر آن نشان‌دهندة قابلیت اطمینان بالاتر است.

نخستین گام در راستای تشکیل مدل مارکوف برای یک سیستم شناخت کلیة حالات عملکردی است که امکان ورود سیستم به آنها موجود است. پس از آن، کلیة مسیرهای قابل رخداد بین تمامی حالات برای این سیستم باید مشخص شود. مقادیر این ضرایب با استفاده از داده‌های پیشین و روابط زیر تعیین می‌شوند:

(1)

 

(2)

 

در روابط بالا، λ و µ به‌ترتیب نشان‌دهندة آهنگ وقوع خطا و آهنگ تعمیرند.

در این مرحله، ماتریس تغییر حالت (P) با استفاده از ضرایب مدل مارکوف تشکیل داده می‌شود. در این ماتریس درایة سطر mام و ستون nام برابر با ضریب مسیر گذر از حالت m به حالت n است. اگر هیچ مسیری از حالت m به حالت n موجود نباشد، درایة مرتبط با آن برابر صفر خواهد بود. همچنین، درایه‌های قطر اصلی به‌گونه‌ای‌اند که مجموع درایه‌های هر سطر برابر 1 می‌شود. دیده می‌شود که با فرض وجود k حالت در مدل مارکوف، ماتریس P به‌صورت k*k خواهد بود. سپس با حذف سطر و ستون‌های مرتبط به حالات عملکردنداشتن سیستم، ماتریس Q سیستم تشکیل می‌شود. در گام بعد، ماتریس M با استفاده از رابطة زیر ایجاد می‌شود:

(3)

 

با فرض وجود k حالت در مدل مارکوف و وجود l حالت معرف عملکردنداشتن سیستم، ماتریس M یک ماتریس (k-l)*(k-l) خواهد بود و شاخص MTTF با فرض شروع از حالت i با استفاده از رابطة زیر به دست می‌آید:

(4)

 

mij نشان‌دهندة عنصر سطر iام و ستون jام ماتریس M است.

 

 

 

2-3- الگوریتم بهینه‌سازی

در این مقاله الگوریتم میگو برای بهینه‌سازی مدل ریاضی ارائه شده است [28-29] که جزء الگوریتم‌های هوش ازدحامی دسته‌بندی می‌شود و مبتنی بر شبیه‌سازی حرکات و رفتار دسته‌ای میگو‌ها برای یافتن غذا است. با استفاده از این الگوریتم، مسائلی حل می‌شوند که حل دقیق در زمان منطقی ندارند و جوابی موجه و نزدیک به بهینه برای آنها می‌توان یافت. در الگوریتم میگو کمترین فاصله بین هر میگو تا غذا و فاصله تا جمعیت متمرکز دستة میگو‌ها، تابع هدف برای حرکت میگو‌ها در نظر گرفته می‌شود. حرکت هر میگو در این الگوریتم با سه فاکتور فرمول‌بندی می‌شود:

۱- حرکت القایی توسط دیگر میگو‌ها

۲- کاوش برای پیداکردن غذا

۳- حرکت تصادفی

دو محرک ابتدایی، هر دو شامل بهینه‌ساز جهانی و محلی‌اند. این دو استراتژی جهانی و دو استراتژی محلی به‌صورت موازی کار می‌کنند که نتیجة آن، بهره‌وری درخور توجه الگوریتم است. برای جستجوی تصادفی نیز محرک سوم استفاده شده است.

در هر الگوریتم بهینه‌سازی، یکی از مهم‌ترین بخش‌ها تنظیم پارامترها است. یکی از ویژگی‌های جالب الگوریتم پیشنهادی این است که رفتار کریل را به دقت شبیه‌سازی می‌کند و برای به دست آوردن ضرایب، از روش‌های تجربی دنیای واقعی استفاده می‌کند. به‌دلیل این واقعیت، فقط باید فاصلة زمانی در الگوریتم تنظیم شود.

سایر ویژگی‌ها و مزایای روش پیشنهادی به شرح زیرند:

  • · هر عامل با توجه به تابع هدف خود در فرایند حرکت سهیم است.
  • · هریک از همسایگان، تأثیر جاذبه - دافعه بر حرکت هر میگو دارد؛ بنابراین، این تأثیرات می‌توانند به‌عنوان جستجوی محلی برای هر میگو عمل کنند.
  • · مرکز غذای تعیین‌شده با تابع هدف تمامی میگوها، تخمینی برای بهترین جواب کلی در نظر گرفته می‌شود.

این متد تاکنون در مسائل مختلفی همچون بهینه‌سازی سیستم کنترلی توربین‌های بادی، پخش بار اقتصادی، بهینه‌سازی استراتژی قیمت دهی در بازار برق و ... استفاده شده است [29-31].

به‌منظور تقلید رفتار میگو‌ها، دسته‌ای از میگو‌ها تولید و موقعیت آنها براساس رابطه‌های (5) و (6) به‌روزرسانی می‌شوند:

(5)

 

(6)

 

،  و  به‌ترتیب بیان‌کنندة موقعیت هر میگو، حد بالا و پایین هر متغیر کنترلی‌اند. همچنین، ، و  به‌ترتیب نشان‌دهندة سرعت‌های ناشی از‌ حرکت القایی، کاوش برای پیداکردن غذا و حرکت تصادفی‌اند که بیان ریاضی آنها در زیر آمده است.

  • · سرعت مبتنی بر حرکت القایی

در این بخش، تأثیر میگو‌های همسایه بر هر فرد مدل‌سازی می‌شود. سرعت هر میگو مبتنی بر تأثیر محلی، تأثیر هدف و تأثیر دافعه تنظیم می‌شود که به‌صورت روابط (7) و (8) فرمول‌بندی می‌شود:

(7)

 

(8)

 

تأثیر محلی و تأثیر هدف با  در سرعت القایی مدل‌سازی شده‌اند.  وزن اینرسی سرعت القایی و بین [0،1] است. ،  و به‌ترتیب تابع برازندگی iامین میگو، بدترین و بهترین میگو دیده‌شده در جمعیت‌اند. و  تکرار فعلی و حداکثر تکرار را نشان می‌دهند. انتخاب همسایه برای هر میگو براساس قلمرو شناخت و موقعیت هر میگو در فضای جستجو تعیین می‌شود. هر میگو نزدیک‌ترین افراد واقع در قلمرو شناخت را به‌عنوان همسایه انتخاب می‌کند. فاصلة بین میگو‌ها ( ) با رابطة (9) معین می‌شود:

(9)

 
  • · سرعت مبتنی بر جستجوی غذا

ایدة به‌روزرسانی سرعت مبتنی بر جستجوی غذا براساس حافظة میگو‌ها در پیداکردن غذا است که در آن هر میگو سرعت خود را مطابق غذای فعلی و قبلی به‌صورت آورده‌شده در رابطة (10) به‌روزرسانی می‌کند.

(10)

 
  • · سرعت مبتنی بر حرکت تصادفی

تنوع جمعیت در طول فرایند بهینه‌سازی با حرکت به‌صورت تصادفی تضمین می‌شود. مدل‌سازی این قسمت به‌صورت رابطة (11) است.

(11)

 

 حداکثر سرعت پراکندگی است که در محدودة [001/0 ، 002/0] قرار دارد.  بیان‌کنندة بردار جهت تصادفی است که در بازة [1،1-] است.

به‌منظور دستیابی به بهینة سراسری و افزایش سرعت همگرایی، از اپراتورهای الگوریتم ژنتیک (تلفیق و جهش) در الگوریتم میگو استفاده شده است.

3- روش پیشنهادی و پیاده‌سازی آن

در این مقاله برای استفاده از مفهوم نگاه سیستمی در اعمال RCM بر سیستم حفاظت دیستانس استفاده‌شده روی خطوط فوق توزیع موجود در شبکه‌های انتقال و دستیابی به برنامه بهینة نگهداری و تعمیرات برای سیستم مذکور دارای عملکرد نهان، روند کلی زیر انجام شده است:

گام 1: شناخت و تحلیل تجهیزات موجود در سیستم حفاظت دیستانس و مدهای خرابی هر تجهیز.

گام 2: تعیین نوع وظیفة نگهداری و تعمیرات مناسب برای هر تجهیز موجود در سیستم حفاظت دیستانس با استفاده از فلوچارت تصمیم‌گیری RCM و نظرات افراد خبره و آگاه به سیستم حفاظت دیستانس.

گام 3: تشکیل مدل مارکوف برای کل سیستم حفاظت دیستانس برای محاسبة قابلیت اطمینان با توجه به گام‌های پیشین.

گام 4: استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی به‌منظور یافتن برنامة نگهداری و تعمیرات با قابلیت اطمینان بالا و هزینة کم با تعیین ضرایب بهینة مدل مارکوف.

برای شناخت تمامی تجهیزات موجود در سیستم حفاظت دیستانس، مدار مذکور در شکل (1) آمده است. این مدار به یک سیستم حفاظت دیستانس خط فوق توزیع مربوط است که در یک پست20/63 کیلوولت استفاده ‌شده است. کمپانی ABB، طراحی و پیاده‌سازی این پست را انجام داده است.

با بررسی سوابق خرابی تجهیزات و با استفاده از دانش افراد خبره، مدهای خرابی هر تجهیز و اثرات این خرابی‌ها بر سیستم شناسایی و استخراج شدند. این مدها و اثرات خرابی و همچنین، نوع وظیفة نگهداری و تعمیرات مناسب برای هر مد خرابی در جدول (1) آمده است. نوع وظیفة نگهداری و تعمیرات لازم با استفاده از نمودار تصمیم‌گیری RCM به دست آمده است.

در مرحلة بعد، با توجه به تصمیمات گرفته‌شده دربارة نوع وظایف نگهداری و تعمیرات و با استفاده از دانش افراد خبره، کلیة حالات ممکن سیستم و مسیرهای آن شناسایی شدند و بر مبنای آن، مدل مارکوف سیستم حفاظت دیستانس تهیه شد؛ این مدل برای سیستم حفاظت دیستانس در شکل (2) نشان داده ‌شده است.

دیده می‌شود مدل مارکوف به‌دست‌آمده برای سیستم حفاظت دیستانس، 31 حالت کاری دارد. حالت 1 و 2 به‌ترتیب حالت عملکرد عادی سیستم و حالت خطای سیستم‌اند. با توجه به اینکه حالت 2 فقط حالت عملکردنداشتن سیستم است و با توجه به مطالب بیان‌شده در بخش 2-2، هنگام تبدیل ماتریس P به ماتریس Q، سطر و ستون دوم آن باید حذف شود.

همان‌گونه که در شکل (2) مشاهده می‌شود، هیچ مسیری بین حالت کار عادی سیستم (حالت N) به حالات خرابی (تعمیر یا تعویض) تجهیزات موجود نیست که بیان‌کنندة مفهوم سیستم با «عملکرد نهان» است؛ درنتیجه، مسیرهای منتهی به خرابی تجهیزات از «حالت کار عادی» سیستم، شروع و پس از «تست یا نت تجهیز» به «خرابی تجهیز» منتهی می‌شود یا از «حالت کار عادی» سیستم شروع می‌شود و پس از «خطای سیستم» به «تست تجهیز» و سپس به «خرابی تجهیز» می‌رسد.

 

 

 

شکل (1): مدار سیستم حفاظت دیستانس خطوط فوق توزیع در شبکة انتقال

 

 

تجهیزات از «حالت کار عادی» سیستم، شروع و پس از «تست یا نت تجهیز» به «خرابی تجهیز» منتهی می‌شود یا از «حالت کار عادی» سیستم شروع می‌شود و پس از «خطای سیستم» به «تست تجهیز» و سپس به «خرابی تجهیز» می‌رسد.

از بین تمامی ضرایب انتقال موجود در مدل مارکوف ارائه‌شده برای سیستم حفاظت دیستانس، فقط مقادیر 10 پارامتر به‌صورت مستقل‌اند و آنها را پارامترهای بهینه‌سازی در مسئلة برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات می‌توان در نظر گرفت. این 10 پارامتر و تعریف آنها به‌صورت زیرند:

x1:  (نرخ انتقال به فعالیت بازسازی ترمینال‌های AC)

x2: (نرخ انتقال به فعالیت بازسازی مدارشکن‌های مینیاتوری)

x3:  (نرخ انتقال به فعالیت اقتضائی تست بلاک)

x4:  (نرخ انتقال به فعالیت اقتضائی رله دیستانس)

x5:  (نرخ انتقال به فعالیت جستجوی شکست رله دیستانس)

x6:  (نرخ انتقال به فعالیت بازسازی ترمینال‌های DC)

x7:  (نرخ انتقال به فعالیت جستجوی شکست رله lockout)

x8:  (نرخ انتقال به فعالیت بازسازی کویل تریپ)

x9:  (نرخ انتقال به فعالیت نگهداری و تعمیرات وایرینگهای AC)

x10:  (نرخ انتقال به فعالیت نگهداری و تعمیرات وایرینگهای DC)


جدول (1): مدها و تأثیرات خرابی تجهیزات سیستم حفاظت دیستانس

تجهیزات سیستم حفاظتی (Eq)

مدهای خرابی (FM)

اثرات خرابی

نتیجة خرابی

وظیفة نگهداری

و تعمیرات (نت)

عملکرد

نداشتن

عملکرد کاذب

عملکرد غیرایمن

1

ترمینال AC

ثانویه CT

[أ‌] اشکال در اتصال به ترمینال

عملکرد کاذب انفجار CT

*

*

*

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[ب‌] اشکال در ترمینال ثانویه

انفجار CT

*

 

*

نیازنداشتن به نت زمان‌بندی‌شده

ثانویه PT

[ت‌] اشکال در اتصال به ترمینال

عملکرد کاذب

*

*

*

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

تست بلاک و رله

[ث‌] اشکال در وایر شو

معیوب‌شدن تست بلاک

معیوب‌شدن رله

انفجار CT

*

*

*

نیازنداشتن به نت زمان‌بندی‌شده

دیگر ترمینال‌ها

[ج‌] شل‌شدن وایر در ترمینال

سوختن ترمینال

انفجار CT

*

*

*

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[ح‌] اشکال در لینک وسط ترمینال

سوختن ترمینال

انفجار CT

*

*

*

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[خ‌] اتصال کوتاه ترمینال

عملکردنداشتن رله در فالت

*

*

*

عدم نیاز به نت زمان‌بندی‌شده

2

ترمینال DC

رینگ + و -

[أ‌] شل‌شدن وایر در ترمینال

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[ب‌] اشکال در ترمینال

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

کنتاکتها

[ت‌] شل‌شدن وایر در ترمینال

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[ث‌] اشکال در لینک وسط ترمینال

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

[ج‌] اشکال در وایرشو

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

کویل تریپ‌ها

[ح‌] قطعی وایر در اتصال سوکت

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

3

Miniature Circuit Breaker

[أ‌] از دست دادن حساسیت

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت بازسازی زمان‌بندی‌شده

4

تست بلاک

[أ‌] اشکال در اتصالات تست بلاک

معیوب‌شدن تست بلاک

انفجار CT

*

*

*

فعالیت اقتضایی زمان‌بندی‌شده

5

رله دیستانس

[أ‌] اشکال در کارت

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت جستجوی شکست زمان‌بندی‌شده

[ب‌] اشکال در تغذیة رله (کانورتر)

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت اقتضایی زمان‌بندی‌شده

[ت‌] اشکال در خروجی

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت جستجوی شکست زمان‌بندی‌شده

6

کابل‌ها و وایرهای AC

[أ‌] اشکال در عایق کابل و قطعی وایر

عملکردنداشتن رله

عملکرد کاذب رله

انفجار CT

*

*

*

نیازنداشتن به نت زمان‌بندی‌شده

7

وایرهای DC

[أ‌] اشکال در عایق وایر

بازشدن کاذب کلید

*

*

 

نیازنداشتن به نت زمان‌بندی‌شده

[ب‌] قطعی وایر

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

نیازنداشتن به نت زمان‌بندی‌شده

8

رله Lockout

[أ‌] اشکال در خروجی

عملکردنداشتن رله در فالت

*

 

 

فعالیت جستجوی شکست زمان‌بندی‌شده

9

کویل تریپ

[أ‌] سوختن کویل تریپ

بازنشدن کلید در فالت

*

 

 

فعالیت جستجوی شکست زمان‌بندی‌شده

 

 

شکل (2): مدل مارکوف سیستم حفاظت دیستانس

 

 

دیگر ضرایب انتقال موجود در مدل مارکوف به این پارامترها وابسته است و مقادیر آنها با توجه به مقادیر این 10 پارامتر، دانش افراد خبره و سوابق سیستم محاسبه می‌شوند. با توجه به اینکه «منحنی عمر یکنواخت»، منحنی عمر تجهیزات حفاظتی شناخته می‌شود، دیگر ضرایب به‌صورت خطی نسبت به ضرایب بهینه‌سازی تغییر می‌کنند.

در ادامه، نمونه‌ای از نحوة تغییر دیگر پارامترها با توجه به پارامترهای بهینه‌سازی ارائه شده است. همان‌گونه که در شکل (2) دیده می‌شود، روند بررسی تجهیزات بخش AC برای یافتن تجهیز خراب در هنگام رخداد خرابی به این صورت است:

مدارشکن‌های مینیاتوری (mc) ← رله دیستانس (dr) ← ترمینال‌های AC (at) ← تست بلاک (tb)

برای مثال، با تغییر برنامة نگهداری و تعمیرات مربوط به تست بلاک و با توجه به تأثیر این تغییر بر خرابی تست بلاک، پارامتر lat-tb (نرخ انتقال از تست at به تست tb) به‌صورت رابطة زیر تغییر می‌کند:

(12)

 

باید در نظر گرفت با تغییر برنامة نگهداری و تعمیرات تست بلاک و درنتیجة آن، تغییر تعداد خرابی این تجهیز، تعداد دفعات ورود به تست at نیز تغییر می‌کند؛ درنتیجه، با توجه به روابط (1) و (2)، این تغییر در تعداد دفعات ورود به این حالت بر مقادیر نرخ انتقال خروجی‌های این حالت ( ،  و ) نیز تأثیر می‌گذارد. برای محاسبة این تغییرات از روابط زیر استفاده می شود:

(13)

 

(14)

 

(15)

 

(16)

 

(17)

 

s2 برابر مجموع نرخ‌های انتقال خروجی از حالت تست at هستند.

برای دیگر تجهیزات نیز این محاسبات به همین صورت است و برای هر تجهیز، تأثیر تغییرات خرابی تجهیزاتی که پس از تجهیز مدنظر تست می‌شوند، در ضرایب مربوطه در نظر گرفته شده است.

با توجه به اینکه در جدول (1) برای وایرینگهای AC و DC، نیازنداشتن به نگهداری و تعمیرات زمان‌بندی‌شده انتخاب شد، دو ضریب انتقال مربوط به آنها (x9 و x10) برابر صفر بوده است و جزء پارامترهای بهینه‌سازی نخواهند بود؛ درنتیجه، 8 پارامتر به‌عنوان پارامترهای بهینه‌سازی در مسئلة برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات انتخاب می‌شوند. رابطة (18) نشان‌دهندة بردار پارامترهای بهینه‌سازی خواهد بود:

(18)

 
 

با استفاده از نظر افراد خبره، حداقل و حداکثر زمان برای انجام وظایف نگهداری و تعمیرات یک سال و پنج سال است؛ بر این مبنا و با توجه به اینکه واحد پارامترهای بهینه‌سازی 1 بر سال است، قید (19) در ساختار مسئلة بهینه‌سازی به‌منظور کنترل حداقل و حداکثر زمان انجام وظایف نت اعمال می‌شود:

(19)

 

همان‌گونه که گفته شد، بیشینه‌کردن قابلیت اطمینان و کمینه‌کردن هزینه، دو هدف انتخابی در راستای بهینه‌سازی برنامة تعمیرات و نگهداری سیستم حفاظت دیستانس در این مقاله‌اند. پس با ضرب شاخص قابلیت اطمینان در (1-)، مسئلة بهینه‌سازی موجود در اینجا یک مسئلة دو هدفة مینیممسازی خواهد بود که اهداف آن به‌صورت روابط (20) و (21) بیان می‌شوند:

(20)

 

(21)

 

هزینة خاموشی (outage_cost) و هزینة تعمیرات و نگهداری (maintenance_cost) به فرم روابط (22) و (23) نشان داده می‌شوند:

(22)

 

(23)

 

که پارامترهای آن به‌صورت زیر تعریف می‌شوند:

o1: میانگین هزینة قطعی به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس در شبکة توزیع

o2: میانگین هزینة قطعی به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس در شبکة انتقال

o3: میانگین هزینة تغییر پخشبار به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس در شبکة توزیع

o4: میانگین هزینة تغییر پخشبار به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس در شبکة انتقال

o5: میانگین هزینة خسارت تجهیزات به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس

و

c1:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری ترمینال‌های AC)

c2:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری مدارشکن‌های مینیاتوری)

c3:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری تست بلاک)

c4:  (هزینة فعالیت اقتضائی رله دیستانس)

c5:  (هزینة فعالیت جستجوی شکست رله دیستانس)

c6:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری ترمینال‌های DC)

c7:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری رله lockout)

c8:  (هزینة فعالیت تعمیرات و نگهداری کویل تریپ)

هزینه‌های قطعی (o1 و o2) با مجموع هزینه‌های عدم‌تأمین توان مصرف‌کننده و هزینه‌های وارده بر تولیدکنندگان به‌علت نبود تولید توان برابر می‌شود.

هزینه‌های تغییر پخشبار (o3 و o4) برابر هزینه‌های پخشبار جدید سیستم به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس، مانند هزینه‌های سوئیچ‌زنی، هزینه‌های تلفات و ... است. با توجه به خروج ناخواستة تجهیزات از شبکه، بار تجهیزات باقی‌مانده، ازجمله ترانسفورماتورها و خطوط افزایش می‌یابد و لازم است تغییراتی در آرایش شبکه ایجاد شود تا بتوان در بهترین حالت ممکن و با بیشترین قابلیت اطمینان از شبکه بهره‌برداری کرد. این امر، تغییر بار تجهیزات موجود و ورود تجهیزات جدید در بخش فوق توزیع و انتقال را موجب می‌شود؛ بنابراین، با انجام پخش‌بار جدید و مقایسه با پخش‌بار قبل از خطا، محاسبة تغییر تلفات شبکه و همچنین، هزینة تجهیزات در مدار آورده‌شده، o3 و o4 محاسبه می‌شوند.

به‌علت طولانی‌شدن زمان خطا، به‌دلیل خرابی سیستم حفاظت دیستانس، جریان اتصال کوتاه به مدت بیشتری از تجهیزات عبور می‌کند که این موضوع ممکن است به برخی از تجهیزات، مانند ترانسفورماتورهای قدرت و ترانسفورماتورهای جریان آسیب بزند. این هزینه در میانگین هزینة خسارت تجهیزات به‌علت خرابی سیستم حفاظت دیستانس (o5) در نظر گرفته شده است.

هزینه‌های فعالیت‌های مرتبط با نگهداری و تعمیرات (c1 تا c8) شامل هزینة پرسنل و ابزار نگهداری و تعمیرات‌اند. شایان ذکر است وجود رابطة غیرخطی (3) در روند محاسبة قابلیت اطمینان سیستم حفاظت دیستانس، دلیل استفاده از الگوریتم تکاملی به‌جای روش‌های ریاضی در یافتن جواب بهینه است. همچنین، با توجه به اینکه دو هدف ذکرشده در راستای بهینه‌سازی در یک راستا نیستند، بهینه‌سازی چندهدفه (Multi Objection) استفاده شده است.

4- نتایج عددی

در این بخش، اعمال روش پیشنهادی بر دو پست فوق توزیع با استفاده از داده‌های واقعی (به‌دست‌آمده از شرکت سهامی مدیریت تولید، انتقال و توزیع نیروی برق ایران ”توانیر“)، ارائه و عملکرد روش پیشنهادی بررسی شده است. تفاوت این دو پست از نظرات مختلف، دلایلی است که موجب می‌شود ضمن شباهت مدارها و استفاده از یک روش برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات، برنامه‌های متفاوتی برای آنها نتیجه شود. این تفاوت‌ها عبارت‌اند از:

1) جایگاه آنها در شبکة برق (مؤثر بر قابلیت اطمینان مدنظر و ضرایب انتقال مربوطه)؛

2)  وضعیت آب‌وهوایی متفاوت (مؤثر بر ضرایب انتقال مرتبط با نرخ خرابی [32])؛

3)  برنامة نگهداری و تعمیرات پیشین متفاوت (مؤثر بر محاسبة ضرایب انتقال).

گفتنی است بار تغذیه‌شده با پست دوم، یک بار صنعتی است و در مقایسه با پست اول که یک بار ترکیبی کشاورزی - خانگی را تغذیه می‌کند، میزان قابلیت اطمینان پذیرفتنی برای مشترک بالاتر بوده است [33]؛ درنتیجه، باید نقطه کار با قابلیت اطمینان بالاتر انتخاب شود.

جدول (2)، مقادیر فعلی برنامة نگهداری و تعمیرات را در این دو پست نشان می‌دهد. برنامة نگهداری و تعمیرات در پست اول، مبتنی بر TBM و در پست دوم مبتنی بر CBM است.


جدول (2): پارامترهای فعلی دو پست مطالعه‌شده

نرخ

انتقال به فعالیتِ

پارامتر

پست اول (1/year)

پست دوم (1/year)

بازسازی ترمینال‌های AC

 

-

-

بازسازی مدارشکن‌های مینیاتوری

 

5/0

25/0

اقتضائی تست بلاک

 

5/0

1

اقتضائی رله دیستانس

 

25/0

1

جستجوی شکست رله دیستانس

 

5/0

25/0

بازسازی ترمینال‌های DC

 

25/0

1

جستجوی شکست رله lockout

 

5/0

1

بازسازی کویل تریپ

 

-

-

 

 

در ابتدا باید ضرایب زنجیرة مارکوف برای این دو سیستم محاسبه شود که در این راستا از سوابق نگهداری و تعمیرات و خرابی تجهیزات استفاده می‌شود. سپس شاخص MTTF فعلی این دو سیستم با استفاده از روابط مارکوف محاسبه می‌شود.

در ادامه، مقادیر هزینة فعلی شامل هزینة خاموشی و هزینة نگهداری و تعمیرات به‌صورت میانگین سالانه محاسبه می‌شوند. سپس با استفاده از الگوریتم تکاملی برنامة بهینة نگهداری و تعمیرات برای هر پست به دست می‌آید. به این منظور، برای هر سیستم الگوریتم تکاملی میگو اعمال شده است و نتایج خروجی به دست آمده که در شکل (3) آورده شده‌اند.

همان‌گونه که در این شکل دیده می‌شود، با توجه به دو هدفه بودن بهینه‌سازی، نتایج به‌صورت پارتو هستند و محورهای افقی و عمودی به‌ترتیب نشان‌دهندة دو تابع بهینه‌سازی (هزینه و شاخص قابلیت اطمینان) هستند. این شکل‌ها شامل مجموعه نقاط پارتو، نقطه کار فعلی و نقطه انتخابی بهینه‌اند.

 (الف)

 

(ب)

شکل (3): پارتو خروجی بهینه‌سازی؛ الف) سیستم اول،
ب) سیستم
دوم

با توجه به تفاوت اهمیت بارهای تغذیه‌شده با پست‌ها و قابلیت اطمینان متفاوت مورد انتظار مشترک برای هر پست، نقطه انتخابی از مجموعه نقاط پارتو انتخاب می‌شود. مطابق شکل، با توجه به دو هدفه بودن بهینه‌سازی، نتایج به‌صورت پارتو هستند و محورهای افقی و عمودی به‌ترتیب دو تابع بهینه‌سازی هزینه و شاخص قابلیت اطمینان را نشان می‌دهند. این شکل‌ها شامل مجموعه نقاط پارتو، نقطه کار فعلی و نقطه انتخابی بهینه‌اند. با توجه به تفاوت اهمیت بارهای تغذیه‌شده با پست‌ها و قابلیت اطمینان متفاوت مورد انتظار مشترک برای هر پست، نقطه انتخابی از مجموعه نقاط پارتو انتخاب می‌شود.

جدول (3): مقادیر فعلی و بهینة پارامترها و اهداف بهینه‌سازی برای پست شماره 1

پارامتر

برنامه

فعلی

نقطه

کار 1

نقطه

کار 2

نقطه

کار 3

برنامه بهینة اصلاح‌شده

   (1/year)

-

2/0

2/0

22/0

2/0

 (1/year)

5/0

1

1

1

1

   (1/year)

5/0

95/0

66/0

1

1

 (1/year)

25/0

43/0

21/0

38/0

4/0

 (1/year)

5/0

47/0

27/0

42/0

4/0

   (1/year)

25/0

8/0

54/0

7/0

66/0

   (1/year)

5/0

57/0

34/0

51/0

5/0

   (1/year)

-

46/0

21/0

43/0

4/0

هزینة سالیانه ($/year)

1/2349

8/2348

8/1926

9/2216

5/2184

MTTF (year)

98/4

92/8

93/5

35/8

18/8

 

به‌منظور تحلیل عملکرد روش پیشنهادی، حالت فعلی پست‌ها با سه نقطه کار از مجموعه پارتو مقایسه شده‌اند. این سه نقطه کار به‌صورت زیر مشخص می‌شوند:

1- نقطه کار 1: نقطه کار با نزدیک‌ترین هزینه به حالت کار فعلی؛

2- نقطه کار 2: نقطه کار با نزدیک‌ترین قابلیت اطمینان به حالت کار فعلی؛

3- نقطه کار 3: نقطه بهینة نهایی (مصالحه‌ای بین هزینه و قابلیت اطمینان مورد انتظار مشترک).

نقطه کار 1، به این دلیل انتخاب شده است که بررسی شود با صرف هزینة یکسان، آیا روش پیشنهادی می‌تواند قابلیت اطمینان بالاتری در سیستم را تضمین کند یا خیر.

نقطه کار 2، مقادیر قابلیت اطمینان در روش فعلی و نقطه انتخابی برابر است و هدف، بررسی این است که آیا می‌توان با روش پیشنهادی با هزینة کمتر، به این سطح از قابلیت اطمینان رسید یا خیر.

نقطه کار 3، بر مبنای انتخاب فرد خبرة سیستم انتخاب می‌شود. به عبارت بهتر، بهره‌بردار سیستم این انتخاب را از میان نقاط موجود در پرتو و با در نظر گرفتن اهمیت بارهای تغذیه‌شونده توسط هر پست و قابلیت اطمینان مورد انتظار مشترکان متصل به پست انجام می‌دهد. بهره‌بردار از این نقطه به‌عنوان جواب نهایی مسئله استفاده می‌کند.

نتایج این بهینه‌سازی‌ها شامل ضرایب بهینه‌سازی و مقادیر هدف برای دو سیستم حفاظت دیستانس در جدول‌های (3) و (4) آمده‌اند. با توجه به اینکه مقادیر بهینة فواصل نگهداری و تعمیرات به‌دست‌آمده در بهینه‌سازی به‌صورت اعشار بوده است و اعمال آنها به‌صورت دقیق منطقی و امکان‌پذیر نیست، باید مقادیر اصلاحی با آنها جایگزین [5] و هزینه و قابلیت اطمینان متناظر با این مقادیر اصلاحی محاسبه شود؛ برای مثال، با توجه به جدول (3)، نرخ انتقال به فعالیت اقتضائی رله دیستانس  در نقطه کار 3، برابر 38/0 به دست آمده است؛ یعنی این فعالیت تعمیر و نگهداری در دوره‌های 63/2 ساله باید انجام شود که نزدیک‌ترین دوره‌های زمانی برای انجام این فعالیت دورة 5/2 ساله یا دورة 3 ساله است. حاصل انتخاب دورة 5/2 ساله، قابلیت اطمینان بالاتر و هزینة بیشتر و حاصل انتخاب دورة 3 ساله، قابلیت اطمینان پایین‌تر و هزینة کمتر است؛ بنابراین، دورة 5/2 ساله برای این فعالیت انتخاب شد و درنتیجه،  به 4/0 تغییر یافت.

با توجه به جدول‌های (3) و (4)، تحلیل‌های زیر بیان می‌شوند:

- سیستم حفاظت دیستانس در پست اول

مطابق جدول (3)، برنامة نگهداری و تعمیرات فعلی استفاده‌شده در این پست یک برنامة TBM است که وظایف نگهداری و تعمیراتی برای ترمینال‌های AC و تریپ کویل در نظر گرفته نشده است. با توجه به TBMبودن برنامة فعلی، اهمیت تجهیزات در برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات دیده نشده است و انتظار می‌رود برنامة بهینة به‌دست‌آمده از روش پیشنهادی به‌صورت بسیار محسوسی قابلیت اطمینان بهتری را ارائه دهد. برتری تمامی نقاط پارتو در
شکل (3- الف) نسبت به نقطة فعلی نشان‌دهندة این موضوع است. با توجه به نتایج جدول (3)، در ستون نقطه کار 1 مشاهده می‌شود روش پیشنهادی یک برنامة نگهداری و تعمیرات با هزینة برابر حالت فعلی و با بهبود 8/1 برابری در قابلیت اطمینان ارائه کرده است. همچنین، نقطه کار 2 نشان‌دهندة یک برنامة نگهداری و تعمیرات با نزدیک‌ترین قابلیت اطمینان به برنامة فعلی است که مطابق با اطلاعات مربوط به نقطه کار 2، هزینة سالانة آن بیش از 17% کاهش داشته است. درنهایت، دیده می‌شود برنامة بهینة پیشنهادی این مقاله و حالت اصلاح‌شدة آن، قابلیت اطمینان و هزینة سالانه را بهبود بخشیده است.

جدول (4): مقادیر فعلی و بهینة پارامترها و اهداف بهینه‌سازی برای پست شماره 2

پارامتر

برنامه فعلی

نقطه کار 1

نقطه کار 2

نقطه کار 3

برنامه بهینة اصلاح‌شده

 (1/year)

-

69/0

23/0

51/0

5/0

 (1/year)

25/0

1

1

1

1

 (1/year)

1

1

76/0

1

1

 (1/year)

1

1

68/0

1

1

 (1/year)

25/0

57/0

22/0

48/0

5/0

 (1/year)

1

1

89/0

1

1

 (1/year)

1

73/0

27/0

62/0

66/0

 (1/year)

-

95/0

38/0

72/0

66/0

هزینة سالیانه ($/year)

1/3238

9/3238

8/2217

4/2959

8/3009

MTTF (year)

01/6

39/9

01/6

9

1/9

 

- سیستم حفاظت دیستانس در پست دوم

برنامة نگهداری و تعمیرات فعلی استفاده‌شده برای این پست، یک برنامة CBM است که برای فعالیت بازسازی مدارشکن مینیاتوری و فعالیت جستجوی شکست رله دیستانس اهمیت کمتری تشخیص داده است. این برنامه فاصلة زمانی چهار سال را برای وظایف نگهداری و تعمیرات آنها پیشنهاد کرده و برای بقیه تجهیزات بازة یک سال انتخاب شده است. با توجه به نتایج جدول (4)، در ستون نقطه کار 1 مشاهده می‌شود روش پیشنهادی یک برنامة نگهداری و تعمیرات با هزینة تقریباً برابر حالت فعلی و با بهبود 56/1 برابری در قابلیت اطمینان ارائه کرده است. همچنین، نقطه کار 2 نشان‌دهندة یک برنامة نگهداری و تعمیرات با قابلیت اطمینان برابر برنامة فعلی است که هزینة سالانة آن بیش از 30% کاهش داشته است. درنهایت، برنامة بهینة پیشنهادی با روش ارائه‌شده و حالت اصلاح‌شدة آن، قابلیت اطمینان و هزینة سالانه را بهبود بخشیده است.

با توجه به نتایج، در برنامة نگهداری و تعمیرات جدید، تعداد دفعات نگهداری و تعمیرات برخی تجهیزات افزایش یافته است که تأثیر بالای این تجهیزات در قابلیت اطمینان را نشان می‌دهد. همچنین، تعداد دفعات نگهداری و تعمیرات برخی دیگر کاهش یافته است که تأثیر کم آنها در قابلیت اطمینان سیستم حفاظتی پست مربوطه  را نشان می‌دهد؛ در نتیجه، روش پیشنهادی در این مقاله، در مقایسه با اعمال RCM فقط روی رله، تأثیر سایر تجهیزات در قابلیت اطمینان را نیز به‌خوبی مدل کرده است و با بهینه‌سازی برنامة نگهداری و تعمیرات آنها قابلیت اطمینان و هزینة کل را بهبود بخشده است.

گفتنی است روش پیشنهادی، کلیة حالات خرابی هر تجهیز در بخش‌های مختلف آنها را در نظر گرفته است. پس این روش ضمن بررسی قابلیت اطمینان و هزینة کل سیستم حفاظتی، نوع برنامة نگهداری و تعمیرات هر تجهیز را متناسب با بخش‌های مختلف آنها ارائه کرده است.

درنتیجه، روش پیشنهادی ضمن پوشش کامل هر تجهیز، ازجمله رله، دیگر تجهیزات را مدنظر گرفته و همچنین، این نگاه سیستمی، روند محاسبة قابلیت اطمینان را به‌صورت صحیحی مدل کرده است.

در پایان، کاربرگ RCM به‌عنوان خروجی نهایی این روش برای برنامة نگهداری و تعمیرات بهینة سیستم حفاظت دیستانس در دو پست مطالعه‌شده، در
جدول (5) ارائه شده است. دو ستون اول مطابق با جدول (1) هستند. ستون‌های 3 تا 12 مربوط به سؤالات موجود در فلوچارت تصمیم‌گیری  RCMبا توجه به نمادهای این سؤالات‌اند و حروف Y (بله) و N (خیر)، با پاسخ به آنها برای هر تجهیز متناظرند. فعالیت پیشنهادی با جزئیات در ستون بعدی آمده است. مواقعی که «-» به‌عنوان فعالیت پیشنهادی آورده‌شده، نشان‌دهندة مدهای خرابی است که برای آنها «نیازنداشتن به فعالیت زمان‌بندی‌شده» انتخاب شده است. دو ستون آخر نیز بیان‌کنندة فواصل بهینة نهایی وظایف نگهداری و تعمیرات دو سیستم مطالعه‌شده است؛ به‌طور مثال، برای رله دیستانس و دومین مد خرابی آن (5 در ستون اول و ب در ستون دوم)، فعالیت اقتضائی زمان‌بندی‌شده (با توجه به جدول 1) انتخاب شده و فعالیت پیشنهادی شامل تست الکتریکی رله است. این فعالیت برای پست اول باید هر دو سال و نیم، یک بار و برای پست دوم، هر یک سال، یک بار صورت گیرد. اطلاعات تکمیلی دربارة این کاربرگ در [5] موجود است.

5- نتیجه‌گیری

با توجه به تأثیر بالای سیستم حفاظت دیستانس خطوط در قابلیت اطمینان، هزینه‌های شبکة انتقال قدرت و کارایی بالای روش RCM نسبت به دیگر روش‌های برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات، در این مقاله روش جدیدی برای تعیین برنامة نگهداری و تعمیرات حفاظت دیستانس خطوط ارائه شد. ماهیت عملکرد نهان سیستم‌های حفاظتی، مهم‌ترین مشکل در پیاده‌سازی RCM در این گونه سیستم‌ها است که مقالة حاضر توانسته است ضمن رفع این مشکل، ماهیت رفتاری عملکرد نهان در سیستم‌های حفاظتی را مدل کند. به این منظور در این مقاله، مفهوم نگاه سیستمی به‌جای نگاه تجهیزی در فرایند اعمال RCM پیشنهاد شد. با استفاده از این مفهوم، ماهیت عملکرد نهان سیستم حفاظتی مدنظر گرفته شده و همچنین، تأثیر کلیة تجهیزات موجود در سیستم حفاظتی در کنار یکدیگر بر قابلیت اطمینان مشاهده شده و برای هر تجهیز برنامة نگهداری و تعمیرات ارائه شده است. اعمال روش پیشنهادی بر داده‌های واقعی دو سیستم حفاظت دیستانس خط در دو پست مختلف و مقایسة برنامة نگهداری و تعمیرات به‌دست‌آمده با سوابق پیشین شبکه، نشان داد روش پیشنهادی به‌خوبی تأثیر تجهیزات بر قابلیت اطمینان را در نظر گرفته و برنامه‌ای با قابلیت اطمینان بالا و هزینة کمتر ارائه کرده است که قابلیت بالای روش پیشنهادی در کاربردهای واقعی شبکة برق را نشان می‌دهد.


جدول (5): کاربرگ RCM برای سیستم حفاظت دیستانس در دو پست

تجهیز

مد خرابی

ارزیابی پیامد

H1*

S1

O1

N1

H2

S2

O2

N2

H3

S3

O3

N3

اقدامات پیش‌فرض

فعالیت پیشنهادی

فواصل اولیه

H

S

E

O

H4

H5

S4

پست اول

پست دوم

1

آ

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5

2

ب

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

ت

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5

2

ث

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

ج

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5

2

ح

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5

2

خ

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

2

آ

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

ب

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

ت

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

ث

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

ج

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

ح

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

5/1

1

3

آ

N

 

 

 

N

Y

 

 

 

 

بررسی اتصالات ترمینال

1

1

4

آ

N

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

تست الکتریکال – تست تحت بار

1

1

5

آ

N

 

 

 

N

N

N

Y

 

 

تست الکتریکال**

5/2

2

ب

N

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

تست الکتریکال

5/2

1

ت

N

 

 

 

N

N

N

Y

 

 

تست الکتریکال – تست مخصوص***

5/2

2

6

آ

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

7

آ

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

ب

N

 

 

 

N

N

N

N

N

 

-

-

-

8

آ

N

 

 

 

N

N

N

Y

 

 

تست الکتریکال – تست مخصوص

2

5/1

9

آ

N

 

 

 

N

N

N

Y

 

 

سرویس و تست سوییچ

5/2

5/1

 

H1 *، S1، O1، N1، H2، S2، O2، N2، H3، S3، O3، N3، H4، H5 و S4 در مرجع [5] تعریف شده‌اند.

** این تست شامل تست فانکشن‌های اصلی رله است.

*** این تست شامل تست ورودی‌ها و خروجی‌های رله و همچنین پیکره‌بندی رله است.

                               

 




[1] تاریخ ارسال مقاله: 10/01/1398

تاریخ پذیرش مقاله: 15/07/1398

نام نویسندۀ مسئول: سید یاسر درخشنده

نشانی نویسندۀ مسئول: ایران، شهرکرد، دانشگاه شهرکرد، دانشکده فنی و مهندسی



[1] TBM: Time Based Maintenance

[2] CBM: Condition Based Maintenance

[3] SAIDI: System Average Interruption Duration Index

[4] SAIFI: System Average Interruption Frequency Index

[5] Mean Time To Failure

 

R. Ahmad and S. Kamaruddin, "An overview of time-based and condition-based maintenance in industrial application," Computers & Industrial Engineering, Vol. 63, pp. 135-149, 2012.
[2] M. Yildirim, X. A. Sun, and N. Z. Gebraeel, "Sensor-driven condition-based generator maintenance scheduling—Part I: Maintenance problem," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 31, pp. 4253-4262, 2016.
[3] K. Sabri-Laghaie and R. Noorossana, "Reliability and Maintenance Models for a Competing-Risk System Subjected to Random Usage," IEEE Transactions on Reliability, Vol. 65, pp. 1271-1283, 2016.
[4] M. Zhang and M. Revie, "Continuous-observation partially observable semi-Markov decision processes for machine maintenance," IEEE Transactions on Reliability, Vol. 66, pp. 202-218, 2017.
[5] J. Moubray, Reliability-centered maintenance: Industrial Press Inc., 1997.
[6] A. Koksal and A. Ozdemir, "Improved transformer maintenance plan for reliability centred asset management of power transmission system," IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 10, pp. 1976-1983, 2016.
[7] C. Zhang, W. Gao, S. Guo, Y. Li, and T. Yang, "Opportunistic maintenance for wind turbines considering imperfect, reliability-based maintenance," Renewable Energy, Vol. 103, pp. 606-612, 2017.
[8] A. R. S. Queiroz, E. C. Senger, L. C. L. Queiroz, E. Rangel, and V. S. de Paula, "Maintenance Strategy for Electrical Equipment Based on Integrated Operations," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 53, pp. 3189-3197, 2017.
[9] D. Piasson, A. A. Bíscaro, F. B. Leão, and J. R. S. Mantovani, "A new approach for reliability-centered maintenance programs in electric power distribution systems based on a multiobjective genetic algorithm," Electric Power Systems Research, Vol. 137, pp. 41-50, 2016.
[10] F. Pourahmadi, M. Fotuhi-Firuzabad, and P. Dehghanian, "Identification of critical generating units for maintenance: A game theory approach," IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 10, pp. 2942-2952, 2016.
[11] R. Ghorani, M. Fotuhi-Firuzabad, P. Dehghanian, and W. Li, "Identifying critical components for reliability centred maintenance management of deregulated power systems," IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 9, pp. 828-837, 2015.
[12] L. Belak, R. Marusa, R. Ferlic, and J. Pihler, "Strategic maintenance of 400-kV switching substations," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 28, pp. 394-401, 2013.
[13] H. A. Aldhubaib and M. M. Salama, "A novel approach to investigate the effect of maintenance on the replacement time for transformers," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 29, pp. 1603-1612, 2014.
[14] M. Abbasghorbani, H. R. Mashhadi, and Y. Damchi, "Reliability-centred maintenance for circuit breakers in transmission networks," IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 8, pp. 1583-1590, 2014.
[15] F. Pourahmadi, M. Fotuhi-Firuzabad, and P. Dehghanian, "Application of Game Theory in Reliability-Centered Maintenance of Electric Power Systems," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 53, pp. 936-946, 2017.
[16] J.-H. Heo, M.-K. Kim, G.-P. Park, Y. T. Yoon, J. K. Park, S.-S. Lee, et al., "A reliability-centered approach to an optimal maintenance strategy in transmission systems using a genetic algorithm," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 26, pp. 2171-2179, 2011.
[17] J. Heo, M. Kim, and J. Lyu, "Implementation of reliability-centered maintenance for transmission components using particle swarm optimization," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 55, pp. 238-245, 2014.
[18] B. Yssaad and A. Abene, "Rational reliability centered maintenance optimization for power distribution systems," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 73, pp. 350-360, 2015.
[19] D. R. Doan, "Prioritizing Circuit Breaker and Protective Relay Maintenance Using an Arc Flash Hazard Assessment," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 49, pp. 799-802, 2013.
[20] J. Jedrzejczak, G. Anders, M. Fotuhi-Firuzabad, H. Farzin, and F. Aminifar, "Reliability Assessment of Protective Relays in Harmonic-Polluted Power Systems," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 32, pp. 556-564, 2017.
[21] M. D. Berrade, P. A. Scarf, and C. A. Cavalcante, "Some insights into the effect of maintenance quality for a protection system," IEEE Transactions on Reliability, Vol. 64, pp. 661-672, 2015.
[22] H. Leite, B. Soares, and S. Costa, "Condition-based maintenance: A forward step on the power system protection maintenance at the Portuguese transmission system operator," 2016.
[23] "PRC-005-2 Protection — System Maintenance Supplementary Reference (Draft 1)," Protection System Maintenance and Testing Standard Drafting Team, ed: North American Electric Reliability Corporation (NERC), 2009.
[24] M. Rafiei, M. Khooban, M. Afshari-Igder, J. Boudjadar. "A Novel Approach to Overcome the Limitations of Reliability Centered Maintenance Implementation on the Smart Grid Distance Protection System." IEEE Transactions on Circuits and Systems Ii: Express Briefs, 2019.
[25] S. Li and Y. Hua, "Short-term reliability evaluation of protection systems in smart substations based on equivalent state spaces following semi-Markov process," IET Generation, Transmission & Distribution, Vol. 10, pp. 2225-2230, 2016.
[26] K. Hou, H. Jia, X. Xu, Z. Liu, and Y. Jiang, "A continuous time Markov chain based sequential analytical approach for composite power system reliability assessment," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 31, pp. 738-748, 2016.
[27] J. Dong, F. Gao, X. Guan, Q. Zhai, and J. Wu, "Storage Sizing With Peak-Shaving Policy for Wind Farm Based on Cyclic Markov Chain Model," IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol. 8, pp. 978-989, 2017.
[28] A. H. Gandomi and A. H. Alavi, "Krill herd: a new bio-inspired optimization algorithm," Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol. 17, No. 12, pp. 4831-4845, 2012.
[29] H. Ahmadi, A. Rajaei, M. Nayeripour, and M. Ghani, "A Hybrid Control Method to Improve LVRT and FRT in DFIG by Using the Multi-Objective Algorithm of Krill and the Fuzzy Logic," (in eng), Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2018.
[30] G. Uğur, and E. Kaymaz, "Economic Dispatch Integrated Wind Power Using Coyote Optimization Algorithm." 2019 7th International Istanbul Smart Grids and Cities Congress and Fair (ICSG). IEEE, 2019.
[31] K. Chandram, D. Rajababu, and K. Raghuram, "Optimal Bidding Strategy in Deregulated Power Market Using Krill Herd Algorithm." Applications of Artificial Intelligence Techniques in Engineering. Springer, Singapore, 2019.
[32] R. Billinton and R. N. Allan, Reliability evaluation of engineering systems: Springer, 1992.
[33] R. Subramaniam, R. Billinton, and G. Wacker, "Factors affecting the development of an industrial customer damage function," IEEE transactions on power apparatus and systems, pp. 3209-3215, 1985.