دانلود مقاله شناسایی المانهای بحرانی شبکه های توزیع از دید تعمیرات و نگهداری قابلیت اطمینان محور

بخشی از مقاله

چکیده

با خصوصی سازی شرکت های توزیع، هدفمندی یارانه ها و جایگزینی اهداف اقتصادی به جای اهداف فنی، مدیریت دارایـی جایگاه ویژه ای در این شرکت ها پیدا کرده است. از جمله وظایف مدیر دارایی، برنامـه ریـزی عملیـات تعمیـرات و نگهـداری پیشگیرانه به منظور به حداقل رساندن هزینه خاموشی و هزینه نگهداری سیستم است. برای رسیدن به هدف فوق و با توجه به محدود بودن سرمایه، اولویت بندی تجهیزات برای انجام عملیات تعمیرات و نگهداری ضروری می نمایـد. گسـترش روزافـزون شبکههای توزیع موجب شده تا دیگر استفاده از روشهای سنتی تعمیرات و نگهداریشبکه اصلاً توجیه اقتصادی نداشته باشـد و لذا بایستی تلاش را بر شناسایی المان هایی گذاشت که بیشترین تأثیر را بر قابلیت اطمینان شـبکه مـی گذارنـد. ایـن روش تعمیرات و نگهداری قابلیت اطمینان محور نام دارد که در این مقاله مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. در این مقالـه روشـی بـا استفاده از آنالیز قابلیت اطمینان شبکه توزیع انرژی الکتریکی برای درک اهمیت و نقش المان های مختلف شـبکه معرفـی مـی گردد. روش پیشنهادی بر روی یک شبکه نمونه مورد بررسی قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: تولیدات تعمیرات و نگهداری قابلیت اطمینان محور (RCM)، قابلیت اطمینان و شبکه های توزیع انرژی الکتریکی

-1 مقدمه

ایجاد تجدید ساختار در شبکههای قـدرت و خصوصـی سـازی بخشهای مختلف صنعت برق اهمیت حفـظ سـطح مشخصـی از قابلیت اطمینان و بهبود آن را دو چندان نموده است. لذا، روش ها و راهکارهـای نـوینی را بـرای حفــظ سـلامت و قابلیـت اطمینــان شبکههای قدرت به اقتصادی ترین نحو ممکن فراخوانی می کنـد. با توجه به اینکه مصرف کنندگان انرژی الکتریسته در سطح توزیع به سیستم قدرت متصل میباشـند بنـابراین میـزان آمـادگی ایـن

بخش از صنعت برق بصورت کاملا ملموس بر میزان بهـره وری آن تاثیر میگذارد. بنابراین اینگونه میتوان نتیجه گرفـت کـه امـروزه خاموشـیهـای طـولانی مـدت و زیـانهـای ناشـی از آن یکـی از دغدغههای مهم صنعت برق کشور در قسمت توزیع انـرژی اسـت که توجه تمامی مسوؤلین و کارشناسـان را بـه خـود جلـب نمـوده است. علاوه بر این، آمـار خطاهـای اتفـاق افتـاده در شـبکه هـای قدرت، آشکار می سازد که شبکه های توزیع انرژی الکتریکی خود به تنهایی بزرگترین ریسک در قطعی مشـترکین مـی باشـند. بـه منظــور کــاهش درصــد و شــدت ایــن خاموشــیهــا، بهبــود فنــی

زذتل خغ1سکطغکطکسغپه

ههت شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

فیدرهای توزیع اجتناب ناپذیر به نظر میرسد که مسـتلزم صـرف هزینه در بحث برنامه ریزی شبکههای توزیع میباشد. ایجـاد یـک نظام هماهنگ تعمیراتی هدفمند که بتواند همزمـان نـرخ خرابـی المانهای مختلف فیدرهای توزیع را کاهش داده و کمترین هزینـه را بر شرکت مربوطه تحمیـل نمایـد یکـی از اصـلیتـرین اهـداف تعریف شده برای شرکتهای توزیـع بـه شـمار مـیرود. راهکـاری اساسی و تأثیرگذار بر این مشکلات در یک شبکه توزیع بـا حضـور انواع مختلف المـان هـا، اولویـت بنـدی آنهـا بـرای انجـام فرآینـد تعمیرات و نگهـداری پیشـگیرانه و اصـلاحی و یـافتن روش هـای بهینه سازی و مصالحه بین هزینه های این دوست. لذا، همان طور که اخیراً تجربه شده است، تغییر نگرش توسط شرکت های توزیع برای مؤثر تر شدن و پربازده تر شدن استراتژی هـای تعمیـرات و

نگهداری شبکه های توزیع انرژی الکتریکی اجتناب ناپذیر به نظـر می رسداین. نیاز عمدتاً به علـت اسـتفاده از تجهیـزات و قطعـات گران قیمت در شبکه، هزینه های کلان قطعی برق و هزینـه هـای گزاف تعمیرات و نگهداری شبکه می باشد که بعضاً این هزینـههـا در مقیاس میلیون دلار میباشـد. بـا گسـترش و پیشـرفت شـبکه های قدرت، نگهداری و تعمیرات اجزای آنها نیز به مراتـب مشـکل تر می شود. لذا، تقاضا برای انجام تعمیرات و نگهـداری پیشـگیرانه
از یک طرف و فشـار بـرای کـاهش هزینـه هـای بهـره بـرداری و تعمیرات از طرف دیگر، ما را بر آن مـی دارد روش هـای جدیـد و جامع تری را استفاده کنیم. تعمیرات و نگهداری قابلیـت اطمینـان محور قصد دارد با اسـتفاده از یـک چـارچوب منطقـی و سـاختار یافته، استراتژی تعمیرات المانهای شبکه را برمبنای میـزان تـاثیر آنها بر قابلیت اطمینان شبکه لحاظ کرده و پیچیـدگی تعمیـرات و نگهــداری در شــبکه هــای امــروزه را بــا تکامــل اســتراتژی هــای تعمیراتی قدیمی کاهش دهد.

در این راستا، بهره برداران شرکت های توزیع اولویت ها را برای انجام تعمیرات و نگهداری بر برخی المـان هـای خـاص و بحرانـی قرار داده تا بدین ترتیب بیشترین تاثیر را با کمترین هزینه ممکـن ســازند. بــدین منظــور، اولــین و ضــروری تــرین گــام تعمیــرات و نگهداری قابلیت اطمینان محور، اولویت بندی المـان هـای شـبکه توزیع انرژی الکتریکی برای انجام تعمیرات بهینه می باشد. در این مقاله قصد داریم با ارائه روشی بر مبنـای آنـالیز قابلیـت اطمینـان شبکه های توزیع انرژی الکتریکی، دسته المان های بحرانی شـبکه را که بیشترین تأثیر بر قابلیت اطمینان آن دارند شناسایی و بـرای انجام عملیات تعمیرات و نگهداری اولویت بندی کنیم.

-2 تعمیرات و نگهداری قابلیت اطمینان محور1

در طــول 20 ســال گذشــته، فرآینــد تعمیــرات و نگهــداری و استراتژی های مربوطه تغییرات گستردهای داشتند. ایـن تغییـرات بیشتر به علت افزایش نوع و تعداد سـرمایههـای فیزیکـی و المـان ها2، طراحی های پیچیده، روشهـای نـوین تعمیـرات و نگهـداری پیشگیرانه و تغییر دیدگاه های مرتبط با تعمیـرات صـورت گرفتـه است. لذا دیدگاه عمومی به سـمت شناسـایی المـان هـای مهـم و تأثیرگــذار سیســتم بــر امنیــت و اطمینــان آن، فهــم ارتبــاط و پیوستگی تعمیرات و نگهـداری پیشـگیرانه و کیفیـت محصـول و توجه بیشتر به دسترس پذیری تجهیزات با در نظر گرفتن هزینـه های مربوطه3 تغییر مسیر داده است.

در این مقاله، توجه ما بیشـتر بـر تعمیـرات پیشـگیرانه(PM) 4 بوده است تا بدین ترتیب با بهبود شرایط یک المان و یـا تجهیـز و در نتیجه افزایش طول عمر آن بتوان سطح قابلیت اطمینان شبکه قــدرت را بــا صــرف هزینــه کمتــر و منطقــی بهبــود داد. در واقــع عملیات PM میتواند با جلوگیری از بروز خطاهای متداول در یک سیستم بر تعداد خطا5 به صورت مستقیم تأثیرگذار باشد. اما نکتـه قابل تأمل در این باره آن اسـت کـه همگـام بـا انجـام فرآینـدهای PM، بایستی هزینه ها نیز در یک مسیر معقـول و بهینـه هـدایت شوند. لذا بایستی عملیات تعمیرات پیشگیرانه بـه گونـه ای جهـت یابی شود تا علاوه بر تأمین نیازمندی های قابلیت اطمینان شـبکه، هزینه های مختلف اعـم از هزینـه هـای تعمیـرات و هزینـه هـای قطعی برق مشترکین ناشی از بروز خطاهـا در یـک حالـت بهینـه قرار گیرند. لذا مبحث RCM متولد می شود.

RCM (تعمیــرات و نگهــداری پیشــگیرانه بــر پایــه معیارهــای قابلیت اطمینان) یک روش سیستماتیک و هدفمند می باشـد کـه انجام عملیات تعمیرات یک سیستم را به بهبـود وضـعیت قابلیـت اطمینــان آن مــرتبط مــی ســازد. ایــن هــدف بــا اولویــت دادن فرآیندهای تعمیرات و نگهداری پیشگیرانه به المان (های) اصلی و بحرانی6 سیستم عملی می شود.

همان طور که می دانیم روش هایی مثل RCM بـرای سیسـتم های تکنیکی و پیشرفته ای که نیـاز اساسـی آن هـا تـوازن میـان هزینه ها و سطح مطلوب قابلیت اطمینـان مـی باشـد بـه صـورت بسیار سیستماتیک به کار گرفته شده است. از طرف دیگـر شـبکه

1 Reliability Centered Maintenance 2 Physical Assets 3 As low as reasonable and achievable 4 Preventive Maintenance 5 Failure Frequency 6 Critical Component

شهت زذتل خغ1سکطغکطکسغپه
شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

های توزیع انرژی الکتریکی به علت پراکندگی و واگرایـی بـیش از حد آن نسبت به سطوح تولید و انتقال در این زمینه عقـب مانـده تر اند. هم چنین از دیدگاه دیگری می توان به قضـیه نگـاه کـرد و آن اینکه روش های اعمالی پیشین با شبکه هـای قـدرت سـازگار نبودند و به همین دلیل در این شبکه ها کمتر اسـتفاده شـده انـد. هم چنین روش های موجود و استفاده شده به وضوح قابلیت هـا و منافعی که از تعمیرات پیشگیرانه عایـد مـی شـود را نشـان نمـی دهند و مدلسازی آن ها بسیار سخت و دشوار می باشد .[9]

-3 مطالعات شناسایی تجهیزات بحرانـی در شـبکه هـای

توزیع انرژی الکتریکی

برای درک اهمیت و نقش المان های مختلف شبکه های توزیع انرژی الکتریکی، طی مطالعات انجـام شـده در مقـالات و مجـلات علمی و پژوهشی، روش هایی به شرح زیـر قابـل بحـث و بررسـی است. علاوه بر روش معرفی شده در ایـن مقالـه، تعـداد محـدودی روش های بررسی اهیمت المان هـای شـبکه هـای توزیـع انـرژی الکتریکی وجود دارند که ذیلاً به صورت مختصر معرفی می شـوند. تحقیقاتی برای تعیین مهمترین المانهای شبکههای الکتریکی در مرجع [5] انجام شده است؛ بدین ترتیـب کـه شـاخص هـایی بـر مبنای مطالعات هزینه/فایده المان ها و نقش هر المـان بـر هزینـه قطعی سالیانه شبکه معرفی شده و این المان ها به ترتیب اهیمـت اولویت بندی مـی شـوند. در ادامـه، بـه اختصـار بـه معرفـی ایـن شاخص ها می پردازیم:
(1 شاخص اهمیت بر مبنای هزینه قطعی مشترکین1
(1) Cs IiH 
i

که در آن Cs بر حسب هزینه بر سـال و نشـان دهنـده هزینـه قطعی سالیانه مشترکین شبکه و λi بـر حسـب تعـداد خرابـی در سال و نشان دهنده نرخ خرابی تجهیز i ام می باشد. ایـن شـاخص در واقع ارتباط دهنده هزینه قطعی مشـترکین و در واقـع قابلیـت اطمینان المان ها با نرخ خرابـی آنهاسـت. عملکـرد ایـن شـاخص شاید شبیه به نوعی آنالیز حساسیت است و نشان دهنده آن اسـت که هزینه ریسک سیستم چگونه با ایجاد تغییر در وضعیت قابلیـت اطمینان المان ها دستخوش تغییر می گردد.

(2 شاخص پتانسیل تعمیرات 2 شاخص دیگری که در مرجع [5] معرفی شده است بـه صـورت
زیر تعریف می گردد:

1 Interruption Cost Based Importance Index 2 Maintenance Potential Index

IiMP  Cs (li ,i ) Cs () (2)

که در آن Cs کل هزینه قطعی سیسـتم و λi بـر حسـب تعـداد خرابی در سال و نشان دهنده نرخ خرابی تجهیز i ام میباشد. ایـن شاخص در واقع بیـان کننـده متوسـط میـزان کـاهش هزینـه در حالتی است که المان را کاملاً قابل اطمینان فرض کنیم. بـه بیـانی دیگر، این شاخص بیان کننده متوسط میـزان کـل هزینـه قطعـی مشترکین ناشی از بروز خطاهـای مختلـف در المـان هـای شـبکه مورد مطالعه در طول یک سال می باشد. رابطه میـان دو شـاخص بیان شده رامی توان به صورت زیر نوشت:

(3) I MP  I H  
i i i
که پارامترهای آن در روابط بالا معرفی شده اند. این معادلـه بـا فرض وجود یک رابطه خطی میان Cs و λi بیان شده است. فـرض این رابطه خطی تا حدودی منطقی است و در سایر منابع نیز ایـن رابطه به صورت تقریبی میان نرخ خرابی المان ها و هزینه سیستم خطی فرض می شود.

(3 شاخص هزینه قطعی رخ داده شده3 این شاخص بر مبنای دو شاخص پیشنهاد شده قبلی و در واقع

ترکیبی از آن دو است. این شاخص برای استفاده در شبیه سـازی های نرم افزاری با در نظر گرفتن تعداد نسبتاً کم رخدادهای خطـا
æ متعاقباً هزینه نسبت داده شده به آنها طراحی شـده اسـت. ایـن شاخص با نسبت دادن کل هزینـه قطعـی مشـترکین بـر آخـرین المان مؤثر بر وقوع خطا محاسبه و شبیه سازی می گردد..
(4) Ki  I iM
T

که Ki مجموع هزینه قطعی مشترکین در کل مدت زمان مـورد مطالعه T برای المان i ام می باشد. اگر المان مـورد نظـر، آخـرین علت قطع بار باشد، این المان به عنوان مسوول اصلی تمـام هزینـه قطعی در نظر گرفته می شود. ایـن شـاخص بـه صـورت مجمـوع هزینه های به دست آمده برای این المان تقسـیم بـر مـدت زمـان مطالعه (یک سال) تعریـف مـی گـردد. بـدین ترتیـب المـانی کـه بیشترین تأثیر را بر هزینه های قطعی شبکه دارد تعیین می گردد و لذا مشخص می شود کدام المان در اولویت بالاتری بـرای انجـام عملیات تعمیرات و نگهداری قرار می گیرد. هم چنـین مـی تـوان گفت مجموع این شاخص برای المان های مختلف شبکه برابر کل هزینه قطعی سالیانه شبکه می باشد.

به طور خلاصه می توان گفت سه شاخص مذکور دیـدی کلـی از تأثیر المان های یک شبکه بر وضعیت کلی شبکه و نه نقاط بـار

3 Caused Interruption Cost Index

حمت زذتل خغ1سکطغکطکسغپه
شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

مختلف شبکه به دست می دهند و هـم چنـین عملکـرد شـبکه و المان های آن را بر مبنای هزینـه هـای قطعـی مشـترکین مـورد بررسی قرار می دهند.

یکی دیگر از کارامدترین روش ها، بررسی اهمیـت المـان هـای مختلف شبکه و در نهایت تعیین المان های بحرانی بـا اسـتفاده از روش تصمیم گیری سلسله مراتبی1 می باشـد. تمـام فاکتورهـا و معیارهای مهم کمی و کیفی در ارتباط با اهمیت المان ها بررسـی و تحت مطالعه قرار می گیرند. در نهایت با استفاده از تکنیک های کمی برای معیارهای کمی و همچنین با استفاده از تکنیـک هـای کیفی و بهره گیری از خرد جمعی و نظر کارشناسـان خبـره بهـره برداری شرکت های توزیع برای معیارهای کیفی، این معیارهـا وزن دهی شده و المان های بحرانی شبکه حاصل می گردند.

-4 شناسایی المان های بحرانی شـبکه بـا آنـالیز قابلیـت

اطمینان

در یک شبکه توزیع با حضـور انـواع مختلـف المـان هـا، بـرای شناسایی مهـمتـرین و اثـر گـذارترین آنهـا از نقطـه نظـر قابلیـت اطمینان شبکه، می توان روشی را به صورت زیر پـی ریـزی کـرد. بدین ترتیب که در مورد هر نوع المان، مثلاً کابل های زیرزمینـی، خطوط هوایی، ترانسفورماتورها، کلیدها و ادوات حفاظتی جـداولی به صورت زیر تکمیل می شوند و در نهایت شـاخص هـای قابلیـت

اطمینان مربوط به هر نقطه بار و هـم چنـین کـل سیسـتم مـورد مطالعه از دید آن نوع المان، محاسبه می شوند. در بررسی هر نـوع المان، در گام اول حضور یک نوع المانمـثلاً(خطـوط هـوایی ) را همگام با سایر انواع المان ها در شرایط عادی عملکـرد (منظـور بـا نرخ خرابی واقعی) فرض می کنیم و سپس آن نوع المان خـاص را با نرخ خرابی بسـیار کـم ( در بهتـرین وضـعیت ممکـن) در نظـر گرفته و بقیه انواع المان ها را در شرایط عادی عملکرد فـرض مـی کنیم.

جدول (1) معرف آنـالیز قابلیـت اطمینـان شـبکههـای توزیـع انرژی الکتریکی میباشد. این جدول برای هر نوع المان موجـود در شبکه (مانند ترانسفورماتور، خطوط هوایی، کابل هـای زیرزمینـی، ترانسفورماتورها و....) بایستی تکمیـل گـردد. سـتون اول از سـمت چپ، نشان دهنده المان هـای موجـود از یـک نـوع مـثلاً( همـه ترانسفورماتورهای شـبکه کـه بـا T1، T2، T3 و... نشـان داده مـی شوند) میباشد.

Analytical Hierarchical Process (AHP)

برای هر نقطه بار شبکه، زیر جدولی با 3 ستون شکل می گیرد که به ترتیب بیان گر نرخ خرابی تجهیزات (بر حسب تعـداد خطـا در سال)، متوسط زمان تعمیر المان (بر حسـب سـاعت) و میـزان متوسط در دسترس نبودن المان های شبکه (بر حسب سـاعت در سال) می باشند. به منظور محاسبه خانههای مختلف ایـن جـدول، که ابتدا متناظر با هر المان ستون اول، مقدار نـرخ خرابـی متنـاظر در ستون دوم و مقدار متوسط زمان تعمیر متناظر در ستون سـوم قرار می گیرند. سپس از حاصل ضرب اعـداد سـتون اول و سـتون دوم طبق رابطه زیر میزان عدم دسترس پذیری المان ها به دسـت می آیند.

Ui  i ri (5) در مورد نقاط بار مختلف شبکه، اعداد مطـابق آنچـه توضـیح داده

شد در جدول قرار داده می شوند تا تمام خانـه هـای جـدول جـز ردیف آخر تکمیل شوند. برای پر کـردن ردیـف آخـر جـدول، بـا توجه به سری بودن المان های موجود در شبکه هـای توزیـع و بـا استفاده از رابطه زیر، مقدار متناظر با متوسط نرخ خرابی تجهیزات در هر نقطه بار در خانه مربوط به ستون دوم در سطر آخر جـدول 4 چنین به دست می آید: