基于遺傳算法的輸電系統(tǒng)可靠性最優(yōu)維修策略

張 恒，劉 卉，萬 斌，劉宗政

山東電力集團公司泰安供電公司，山東泰安 271000

0 引言

隨著電力市場管制放松，電力傳輸需要通過減小電力輸送過程所產(chǎn)生的費用來獲得電價的競爭力。同時，維持電網(wǎng)運行的可靠性也越來越受到關(guān)注。利用以可靠性為中心的維修策略是降低費用提高電網(wǎng)可靠性的一種方法[1，-2]。以可靠性為中心的維修方法是提供最優(yōu)維修策略的關(guān)鍵，它考慮了前期維修費用和失負荷導(dǎo)致的潛在維修費用之間的折衷問題[3]。

輸電系統(tǒng)是由許多不同種類的輸電設(shè)備組成，這些設(shè)備有不同的壽命期限，在運行一段時期后，會出現(xiàn)不同程度的老化[4]。即使相同設(shè)備的壽命也會隨著不同的運行條件而改變，因而很難按照一種設(shè)備的維修策略來定其他設(shè)備的檢修策略。本文提出以可靠性為中心的輸電系統(tǒng)維修方法[5-7]，提出考慮系統(tǒng)中設(shè)備的差異性，并有序處理設(shè)備老化、故障和維修的改進的半馬爾科夫鏈的設(shè)備狀態(tài)模型。由于維修設(shè)備的數(shù)量與對計算機內(nèi)存的需求呈指數(shù)增長關(guān)系，這將限制仿真輸電系統(tǒng)的大小。因而本文使用遺傳算法來找到一種接近最優(yōu)解決方案的可行方案。

1 設(shè)備狀態(tài)模型

本文應(yīng)用了設(shè)備狀態(tài)模型來給輸電系統(tǒng)中各種不同的設(shè)備建立一種合適的維修策略。分別使用幾個狀態(tài)來表征設(shè)備的老化、故障和維修狀態(tài)，通過調(diào)整狀態(tài)的數(shù)量來使不同的設(shè)備或系統(tǒng)具有一定的通用性。

圖1 改進的半馬爾科夫鏈基本設(shè)備狀態(tài)模型

2 基于遺傳算法的最優(yōu)維修策略

運用遺傳算法尋找最優(yōu)維修策略步驟如下：

步驟1：產(chǎn)生群及設(shè)備的維修決議向量

本文選擇架空線，絕緣子和鋼塔三種設(shè)備為研究對象，架空線有三個巡檢特征，絕緣子和鋼塔都有兩個巡檢特征，每個巡檢特征表示一個劣化狀態(tài)，如上文所述。例如一個決議向量為0010001，前三位表示架空線垂度出現(xiàn)了故障，中間兩位表示絕緣子處于正常狀態(tài)，末兩位表示鋼塔檢測到污閃點。

步驟2：設(shè)置循環(huán)，評估適應(yīng)度函數(shù)

遺傳算法中適應(yīng)度函數(shù)是使總維修費用最小，其公式如下：

式中，θ為維修決議相量，Θ為搜索空間的染色體，J=[MC+RC+GC+OC]，J為總期望費用，MC為維修費用，RC為修復(fù)費用，GC為發(fā)電費用，OC為停電費用。

適應(yīng)度函數(shù)的評估過程如下：

1）設(shè)定決議相量的計數(shù)器；

2）指定所有設(shè)備的初始狀態(tài)。在本研究中，所有設(shè)備的初始狀態(tài)均為正常狀態(tài)；

3）估計故障形式，用序貫蒙特卡洛按時間的前后順序模擬設(shè)備處在當前狀態(tài)的持續(xù)時間；

4）傳輸由基于故障形式得到的設(shè)備狀態(tài)及狀態(tài)的轉(zhuǎn)移時間；

5）檢查設(shè)備故障或修復(fù)完成是否帶來系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)改變。這些改變可能是負荷削減、整個系統(tǒng)停電或者發(fā)電費用的改變。表達式如下：

此處，發(fā)電費用是以每臺發(fā)電機的電力輸出功能來衡量，停電費用是通過負荷削減總量。PGk是第k個發(fā)電機的出力，LGi是第i個負荷的負荷削減量。公式（3）是電力平衡約束方程。式（4）和（5）分別是發(fā)電機出力限制和負荷削減量限制。在（6）式中，LF（Sj）是第j個系統(tǒng)狀態(tài)Sj的線流相量，這個等式表明了輸電線路的載流量限制。故障設(shè)備的RC通過查詢實際工程數(shù)據(jù)得到。

6）通過決議相量來檢查維修順序。如果產(chǎn)生了任意的維修決定，MC（維修費用）就被加到總期望費用中，維修費用是由惡化狀態(tài)決定的。在一段給定的維修時間之后，設(shè)備維修后將進入正常狀態(tài)N，回到第（4）步。

7）按給定的時限內(nèi)重復(fù)步驟（4）～（6）。

8）更新決議向量計數(shù)器Dec=Dec+1，根據(jù)群的大小重復(fù)步驟（2）～（7）。

步驟3，找到最優(yōu)維修策略，結(jié)束循環(huán)。

3 算例分析

通過IEEE-118節(jié)點測試系統(tǒng)驗證本文提出的確定維修策略方法的實用性，并與傳統(tǒng)的基于時間的維修策略作對比得出結(jié)論。

表1 不同維修策略的總期望費用

IEEE-118節(jié)點系統(tǒng)有54臺發(fā)電機、186條線路、91個負荷、5條架空線、10個絕緣子和15基輸電桿塔。因此，決議向量有95（3×15+2×15+2×10）位，搜索空間為295。根據(jù)本文所提出方法獲得的最優(yōu)維修策略，表1給出了本文提出方法的總期望費用和基于時間傳統(tǒng)維修方法的費用對比。

由表1可見，本文提出的以可靠性為中心的最優(yōu)維修策略所需的總維修費用明顯小于傳統(tǒng)的基于時間的維修方法。

4 結(jié)論

本文提出使用以可靠性為中心，通過遺傳算法為各種不同的輸電設(shè)備提出最優(yōu)維修策略。通過與傳統(tǒng)的基于時間的維修策略對比，證明了本文提出的維修策略更高效。此外，本文應(yīng)用改進馬爾科夫鏈確定設(shè)備狀態(tài)模型，通過調(diào)整設(shè)備的狀態(tài)數(shù)量可使本模型具有復(fù)雜系統(tǒng)的通用性。

[1]李文沅.電力系統(tǒng)風險評估模型、方法和應(yīng)用[M].科學出版社，2006.

[2]束洪春.電力系統(tǒng)以可靠性為中心的維修[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[3]簡根妹.基于RCM的設(shè)備維修方式?jīng)Q策[J].甘肅科技，2010，26(16)：94-95.

[4]徐淑文，李志剛，等.輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)研究[J].山東電力技術(shù)，2010，6：14-17.

[5]雍新萍.淺析以可靠性為中心的狀態(tài)檢修[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2006，24（增刊）：150-151.

[6]徐習東，朱俊永，等.一種改進的RCM方法——精簡型RCM（SRCM）[J].華北電力技術(shù)，2006，3：40-42.

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