一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法及系統與流程
2023-05-30 08:08:11
本發明涉及換流閥檢修領域，更具體地，涉及一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法及系統。
背景技術：
換流閥在使用過程中，經常會面臨狀態監測及故障檢修等問題。相比事故後檢修、定期檢修等檢修方式，檢修效率低，人力成本投入高。因此，實施設備的狀態檢修可提高檢修效率。如今，在智能電網理念前提下，智能化變電站技術得到實施，變電站設備狀態檢修的實施條件日益成熟，也推進了電網全面實施設備狀態檢修的進程。就換流閥而言，圍繞狀態檢修，在具備監測技術的基礎上，現有還沒有將研究方向的狀態檢修策略由定性向定量化方向發展的技術。
因此，需要一種技術，以解決換流閥狀態監測和檢修決策的優化的問題。
技術實現要素：
本發明提供了一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法及系統，以解決如何對換流閥狀態監測和檢修決策的優化的問題。
為了解決上述問題，本發明提供了一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和狀態檢修決策的方法，所述方法包括：
確定描述換流閥的不同的劣化狀態，根據所述不同的劣化狀態，確定與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應的狀態檢修決策；
根據歷史數據，獲取所述換流閥的不同的劣化狀態的轉移率，確定所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益；
確定基於馬爾科夫過程的所述換流閥停留在所述不同的劣化狀態的狀態頻率和在所述不同的劣化狀態的平均持續時間；
根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的可用時間，以所述換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率；
根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以所述換流閥的所述期望收益總和最高為目標建立狀態檢修決策模型，確定最優的狀態檢修決策。
優選地，所述換流閥的所述不同的劣化狀態的期望收益為維持所述劣化狀態所取得的運營收益；
所述與劣化狀態對應的狀態監測的期望收益為實施所述狀態監測的資金；
所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益為實施所述檢修決策的資金。
優選地，確定基於馬爾科夫過程的所述換流閥停留在所述不同的劣化狀態的狀態頻率和在所述不同的劣化狀態的平均持續時間，包括：
根據馬爾科夫隨機過程模型描述所述換流閥的劣化過程，所述換流閥的劣化狀態經過n步轉以後進入的極限狀態，是所述換流閥的劣化狀態的平穩狀態，進入劣化狀態後的平穩狀態概率是一個常數，所述平穩狀態概率與所述換流閥的初始狀態無關；
馬爾科夫隨機過程的線性微分方程組為：
其中，λij為轉移率，p(t)為馬爾科夫通用方程，t為時間；
通過求解以下線性方程組，獲取所述平穩狀態概率：
所述換流閥劣化過程達到所述平穩狀態時，每單位時間裡停留在所述劣化狀態i的平均次數為所述換流閥在狀態i的狀態頻率fi,狀態i的持續時間ti是指所述換流閥劣化過程達到平穩狀態時，停留在狀態i的平均持續時間，fij為j個轉移到狀態i的頻率，其中
優選地，所述根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的可用時間，以所述換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率，包括：
以所述換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型的目標函數為max{b},其中b為監測頻率γ的函數，b＝f(γ)，f(γ)為是表徵換流閥檢測頻率和換流閥可用時間的函數關係，監測頻率是變量，可用時間是應變量，最優監測頻率γ滿足：
γmin≤γ≤γmax，其中γmax、γmin分別為監測頻率的最大值和最小值。
優選地，所述根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以所述換流閥的所述期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策，包括：
以所述換流閥的所述期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策模型的目標函數是：max{g}，其中g是所述換流閥在整個壽命周期內，所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和。
優選地，所述換流閥的所述不同的劣化狀態之間轉換的時間服從指數分布，所述不同的劣化狀態之間轉換的概率恆定。
基於本發明的另一方面，本發明提供一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和狀態檢修決策的系統，所述系統包括：
初始化單元，所述初始化單元用於確定描述換流閥的不同的劣化狀態，根據所述不同的劣化狀態，確定與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應的狀態檢修決策；
獲取單元，所述獲取單元根據歷史數據，獲取所述換流閥的不同的劣化狀態的轉移率，確定所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益；
第一計算單元，所述第一計算單元用於確定基於馬爾科夫過程的所述換流閥停留在所述不同的劣化狀態的狀態頻率和在所述不同的劣化狀態的平均持續時間；
第二計算單元，所述第二計算單元用於根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的可用時間，以所述換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率；
第三計算單元，所述第三計算單元用於根據所述不同的劣化狀態的平均持續時間確定所述換流閥的所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以所述換流閥的所述期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策。
優選地，所述換流閥的所述不同的劣化狀態的期望收益為維持所述劣化狀態所取得的運營收益；
所述與劣化狀態對應的狀態監測的期望收益為實施所述狀態監測的資金；
所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益為實施所述檢修決策的資金。
優選地，所述第一計算單元還用於：
根據馬爾科夫隨機過程模型描述所述換流閥的劣化過程，所述換流閥的劣化狀態經過n步轉以後進入的極限狀態，是所述換流閥的劣化狀態的平穩狀態，進入劣化狀態後的平穩狀態概率是一個常數，所述平穩狀態概率與所述換流閥的初始狀態無關；
馬爾科夫隨機過程的線性微分方程組為：
其中，λij為轉移率，p(t)為馬爾科夫通用方程，t為時間；
通過求解以下線性方程組，獲取所述平穩狀態概率：
所述換流閥劣化過程達到所述平穩狀態時，每單位時間裡停留在所述劣化狀態i的平均次數為所述換流閥在狀態i的狀態頻率fi,狀態i的持續時間ti是指所述換流閥劣化過程達到平穩狀態時，停留在狀態i的平均持續時間，fij為j個轉移到狀態i的頻率，其中
優選地，所述第二計算單元還用於：
以所述換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型的目標函數為max{b},其中b為監測頻率γ的函數，b＝f(γ)，f(γ)為是表徵換流閥檢測頻率和換流閥可用時間的函數關係，監測頻率是變量，可用時間是應變量，最優監測頻率γ滿足：
γmin≤γ≤γmax，其中γmax、γmin分別為監測頻率的最大值和最小值。
優選地，所述第三計算單元還用於：
以所述換流閥的所述期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策模型的目標函數是：max{g}，其中g是所述換流閥在整個壽命周期內，所述不同的劣化狀態、所述與劣化狀態對應的狀態監測和所述與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和。
優選地，所述換流閥的所述不同的劣化狀態之間轉換的時間服從指數分布，所述不同的劣化狀態之間轉換的概率恆定。
本發明技術方案以換流閥為對象，提出換流閥狀態監測、狀態檢修的模型和求解方法。本發明技術方案針對換流閥這一對象，在換流閥全壽命周期管理、設備狀態檢修技術及相關概念引導下，給出計及檢修策略的基於馬爾科夫隨機過程的換流閥狀態轉移模型，並基於馬爾科夫過程方程計算相關指標參數，可以方便定量分析換流閥的可靠性，具有較強的可操作性。
附圖說明
通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：
圖1為根據本發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法流程圖；
圖2為根據本發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態轉移模型圖；以及
圖3為根據本發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的系統結構圖。
具體實施方式
現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，並且不局限於此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，並且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的範圍。對於表示在附圖中的示例性實施方式中的術語並不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。
除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過於正式的意義。
圖1為根據本發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法流程圖。本發明的實施方案以換流閥為對象，提出換流閥狀態監測、狀態檢修決策的模型和求解方法。本發明實施方式針對換流閥這一對象，在換流閥全壽命周期管理、狀態監測以及狀態檢修決策及相關概念引導下，給出基於馬爾科夫隨機過程的換流閥狀態轉移模型，並基於馬爾科夫過程方程計算相關指標參數，可以定量分析換流閥的可靠性，具有較強的可操作性。本發明的實施方式提供了一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和狀態檢修決策的方法，方法包括：
確定描述換流閥的不同的劣化狀態，根據不同的劣化狀態，確定與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應的狀態檢修決策。
在可靠性分析中，換流閥的劣化過程可表示為換流閥不斷的劣化損耗，直至最終發生故障。本發明的實施方式以劣化狀態1、劣化狀態2和劣化狀態3描述換流閥劣化過程中的不同階段，如果不進行維修，換流閥會從劣化狀態1一直發展到劣化狀態3，最後發展到故障狀態。換流閥故障後，經過更換或者維修後又可以恢復到劣化狀態1。在每個劣化狀態，都有相應的狀態監測，檢修人員會根據狀態監測的情況確定不同的檢修決策，即採取不同的檢修手段。在進行檢修之後，設備也會恢復到不同的狀態。
根據歷史數據，獲取換流閥的不同的劣化狀態的轉移率，確定不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益。換流閥的不同的劣化狀態的期望收益為維持劣化狀態所取得的運營收益；與劣化狀態對應的狀態監測的期望收益為實施狀態監測的資金；與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益為實施檢修決策的資金。
換流閥不同的劣化狀態之間的轉移率由歷史統計數據得到，單位是/年。不同的劣化狀態的期望收益是指換流閥維持該劣化狀態可取得的運營收益，劣化狀態監測的期望收益是指實施劣化狀態監測消耗的資金，檢修的期望收益是指實施不同檢修手段消耗的資金。
確定基於馬爾科夫過程的換流閥停留在不同的劣化狀態的狀態頻率和在不同的劣化狀態的平均持續時間。優選地，確定基於馬爾科夫過程的換流閥停留在不同的劣化狀態的狀態頻率和在不同的劣化狀態的平均持續時間，包括：
根據馬爾科夫隨機過程模型描述換流閥的劣化過程，換流閥的劣化狀態經過n步轉以後進入的極限狀態，是換流閥的劣化狀態的平穩狀態，進入劣化狀態後的平穩狀態概率是一個常數，平穩狀態概率與換流閥的初始狀態無關；
馬爾科夫隨機過程的線性微分方程組為：
其中，λij為轉移率，p(t)為馬爾科夫通用方程，t為時間；
通過求解以下線性方程組，獲取平穩狀態概率：
換流閥劣化過程達到平穩狀態時，每單位時間裡停留在劣化狀態i的平均次數為換流閥在狀態i的狀態頻率fi,狀態i的持續時間ti是指換流閥劣化過程達到平穩狀態時，停留在狀態i的平均持續時間，fij為j個轉移到狀態i的頻率，其中
根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的可用時間，以換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率。優選地，根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的可用時間，以換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率，包括：
以換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型的目標函數為max{b},其中b為監測頻率γ的函數，b＝f(γ)，f(γ)為是表徵換流閥檢測頻率和換流閥可用時間的函數關係，監測頻率是變量，可用時間是應變量，最優監測頻率γ滿足：
γmin≤γ≤γmax，其中γmax、γmin分別為監測頻率的最大值和最小值。
根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以換流閥的期望收益總和最高為目標建立狀態檢修決策模型，確定最優的狀態檢修決策。優選地，根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以換流閥的期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策，包括：
以換流閥的期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策模型的目標函數是：max{g}，其中g是換流閥在整個壽命周期內，不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和。
函數求解的步驟如下：(1)首先給定迭代的初始決策，為減少迭代次數，簡化迭代過程，本發明實施方式以每個劣化狀態期望收益最大為原則給定初始檢修策略；(2)改變檢修策略並計算全壽命周期期望收益；(3)判斷改變檢修策略後換流閥劣化狀態過程全壽命周期的期望收益是否最大，若不滿足則重複第(2)步，如果迭代過程中出現前後兩次的策略相同，則表明當前策略為最優檢修策略，可以停止迭代。此時獲得的檢修策略即為換流閥劣化狀態檢修的最優策略。
優選地，換流閥的不同的劣化狀態之間轉換的時間服從指數分布，不同的劣化狀態之間轉換的概率恆定。
以下對本發明實施方式進一步舉例說明：
圖1為發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法流程圖。本發明實施方式將換流閥的劣化狀態過程等效成一個隨機過程，建立如圖2所示的換流閥劣化過程狀態轉移模型。模型中包括換流閥劣化過程的不同劣化階段和故障狀態，以及換流閥壽命周期中的劣化狀態監測和檢修決策。假定換流閥從當前劣化狀態可以過渡到其它的狀態，且各個劣化狀態之間轉換的時間滿足指數分布，即劣化狀態轉移的概率是恆定的，那麼換流閥下一個劣化狀態僅與當前狀態相關。指數分布是概率論和統計學中的一種連續概率分布，可以用來表示獨立隨機事件發生的時間間隔，其一個重要特性是無記憶性。
例如，劣化狀態2發展到劣化狀態3的狀態轉移概率是恆定的，劣化狀態3僅與劣化狀態2相關，與劣化狀態1無關。
圖2中以三個分離的劣化狀態來表示換流閥的劣化過程，最終換流閥進入故障狀態，故障後可更換新換流閥或維修恢復到最早的劣化狀態。每個劣化狀態對應有狀態監測，通過監測可確定檢修策略，經過檢修後可使換流閥恢復到前一階段的劣化狀態。
劣化狀態2對應進行狀態監測2，經過監測後，檢修人員決定採用檢修手段2，通過檢修的實施，使換流閥的狀態從劣化狀態2恢復到劣化狀態1。
λn、δn、γn和μn分別表示不同狀態之間的轉移概率，其中，λn是指換流閥從劣化狀態n發展到劣化狀態n+1的轉移概率。
δn是指對換流閥進行狀態監測n後實施檢修手段n的轉移概率。
γn是指對換流閥的劣化狀態n實施狀態監測n的轉移概率。
μn是指對換流閥實施檢修手段n後換流閥恢復劣化狀態n-1的轉移概率。
由於對處於不同劣化狀態下的換流閥進行狀態監測後，會有不同的檢修決策，採取不同的檢修手段對換流閥運行的經濟性有不同的影響，因此對不同狀態給出期望收益來描述換流閥檢修的經濟性。
以劣化狀態2為例，假如換流閥在劣化狀態2下未採取狀態監測2，則檢修人員無法發現換流閥已處於劣化狀態2，採用不同的狀態監測需要的費用不相同。同樣，假如採取了狀態監測2，發現換流閥已處於劣化狀態2，但檢修人員並未決定實施檢修手段2，那換流閥無法恢復到劣化狀態1，不同的檢修手段需要的費用也是不相同的。最終會引起期望收益不相同。
在建立換流閥劣化過程狀態轉移模型，確定各狀態期望收益。及各劣化狀態間的轉移率之後，可求取換流閥劣化過程的平穩狀態概率以及各劣化狀態的平均持續時間。平穩狀態概率表徵換流閥劣化過程進入平穩狀態後，即使再發生狀態轉移，換流閥劣化過程的各個狀態的轉移概率也不再發生變化。
在獲得上述參數後，即各劣化狀態的期望收益、各劣化狀態的平均持續時間和劣化狀態轉移概率，可建立換流閥例行狀態監測頻率的優化模型，以換流閥可用時間最長為目標方程，應用優化方法求取最優例行狀態監測頻率。在確定例行檢查頻率後可建立換流閥狀態檢修優化決策模型並應用迭代法獲得最優檢修策略，其步驟如下：(1)首先給定迭代的初始決策，為減少迭代次數，簡化迭代過程，本發明實施方式以每個劣化狀態期望收益最大為原則給定初始檢修策略；(2)改變檢修策略並計算全壽命周期期望收益；(3)判斷改變檢修策略後換流閥劣化過程全壽命周期的期望收益是否最大，若不滿足則重複第(2)步，如果迭代過程中出現前後兩次的策略相同，則表明當前策略為最優檢修策略，可以停止迭代。此時獲得的檢修策略即為換流閥狀態檢修的最優策略。
本發明提供的換流閥狀態檢修優化決策方法，在電力設備全壽命周期管理的背景下，用馬爾科夫過程來描述換流閥的劣化過程，能夠更為準確的對換流閥進行可靠性的量化評估，在進行檢修策略優化時，綜合考慮換流閥運行的可靠性和經濟性，可以使檢修效果更佳。
圖3為根據本發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的系統結構圖。如圖3所示，系統300包括：
初始化單元301，初始化單元301用於確定描述換流閥的不同的劣化狀態，根據不同的劣化狀態，確定與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應的狀態檢修決策；
獲取單元302，獲取單元302根據歷史數據，獲取換流閥的不同的劣化狀態的轉移率，確定不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益；
第一計算單元303，第一計算單元303用於確定基於馬爾科夫過程的換流閥停留在不同的劣化狀態的狀態頻率和在不同的劣化狀態的平均持續時間；
第二計算單元304，第二計算單元304用於根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的可用時間，以換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型，確定最優的狀態監測頻率；
第三計算單元305，第三計算單元305用於根據不同的劣化狀態的平均持續時間確定換流閥的不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和，以換流閥的期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策。
優選地，系統300的換流閥的不同的劣化狀態的期望收益為維持劣化狀態所取得的運營收益；
與劣化狀態對應的狀態監測的期望收益為實施狀態監測的資金；
與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益為實施檢修決策的資金。
優選地，第一計算單元303還用於：
根據馬爾科夫隨機過程模型描述換流閥的劣化過程，換流閥的劣化狀態經過n步轉以後進入的極限狀態，是換流閥的劣化狀態的平穩狀態，進入劣化狀態後的平穩狀態概率是一個常數，平穩狀態概率與換流閥的初始狀態無關；
馬爾科夫隨機過程的線性微分方程組為：
其中，λij為轉移率，p(t)為馬爾科夫通用方程，t為時間；
通過求解以下線性方程組，獲取平穩狀態概率：
換流閥劣化過程達到平穩狀態時，每單位時間裡停留在劣化狀態i的平均次數為換流閥在狀態i的狀態頻率fi,狀態i的持續時間ti是指換流閥劣化過程達到平穩狀態時，停留在狀態i的平均持續時間，fij為j個轉移到狀態i的頻率，其中
優選地，第二計算單元304還用於：
以換流閥可用時間最長為目標建立狀態監測頻率模型的目標函數為max{b},其中b為監測頻率γ的函數，b＝f(γ)，f(γ)為是表徵換流閥檢測頻率和換流閥可用時間的函數關係，監測頻率是變量，可用時間是應變量，最優監測頻率γ滿足：
γmin≤γ≤γmax，其中γmax、γmin分別為監測頻率的最大值和最小值。
優選地，第三計算單元305還用於：
以換流閥的期望收益總和最高為目標，確定最優狀態檢修決策模型的目標函數是：max{g}，其中g是換流閥在整個壽命周期內，不同的劣化狀態、與劣化狀態對應的狀態監測和與劣化狀態對應狀態檢修決策的期望收益總和。
優選地，系統300的換流閥的不同的劣化狀態之間轉換的時間服從指數分布，不同的劣化狀態之間轉換的概率恆定。
發明一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的系統300與本發明另一實施方式的一種基於馬爾科夫過程的換流閥狀態監測和檢修決策的方法100相對應，在此不再進行贅述。
已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的範圍內。
通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考「一個/所述/該[裝置、組件等]」都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這裡公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。