計及可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定方法研究

彭石明，鄧集，李欣，夏駿

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

計及可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定方法研究

彭石明1，鄧集1，李欣2，夏駿1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

本文研究了基于檢修計劃的電網(wǎng)可靠性評估，提出一種計及電網(wǎng)可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定方法。該方法根據(jù)傳統(tǒng)檢修計劃制定多個預(yù)選方案，針對各預(yù)選方案進行電網(wǎng)可靠性評估計算，將評估的可靠性指標(biāo)經(jīng)濟化得到經(jīng)濟指標(biāo)；并通過比較各預(yù)選方案的經(jīng)濟指標(biāo)來確定最優(yōu)方案，使得電網(wǎng)檢修兼顧可靠性和經(jīng)濟性。

可靠性；經(jīng)濟性；輸電網(wǎng)；檢修計劃

電力系統(tǒng)發(fā)輸電設(shè)備檢修計劃的任務(wù)是制定系統(tǒng)設(shè)備的檢修時間表，使得現(xiàn)有人力物力能夠按計劃完成檢修作業(yè)，同時又要滿足系統(tǒng)運行的所有或盡可能多的約束，使系統(tǒng)運行的可靠性水平可接受，檢修費用以及運行成本最小〔1〕。但是當(dāng)元件檢修處于退出運行的狀態(tài)時，會潛在地降低檢修期間系統(tǒng)運行的可靠性，帶來潛在的經(jīng)濟損失。因此，如何合理地制定檢修計劃至關(guān)重要。

現(xiàn)有電力系統(tǒng)計劃檢修安排問題的研究多集中在機組檢修上，對發(fā)電機組的計劃檢修安排采用拉平全年風(fēng)險，或是以生產(chǎn)成本和檢修費用之和最低，或是采用最大最小備用率為目標(biāo)〔2〕。隨著電網(wǎng)朝大電網(wǎng)、高電壓方向的發(fā)展，關(guān)于輸電系統(tǒng)檢修領(lǐng)域的研究也日益得到重視。文獻 〔3〕以可靠性指標(biāo)為目標(biāo)制定了輸電系統(tǒng)的檢修計劃。文獻〔2〕在此基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo模擬法與有限差分 (FD)方法相結(jié)合的混合方法計算各線路在不同負荷水平下檢修的風(fēng)險度，以檢修周期內(nèi)造成電量不足年期望值最小作為目標(biāo)，但該模型忽視了線路檢修對網(wǎng)絡(luò)拓撲的影響。文獻 〔4〕的檢修模型以系統(tǒng)在整個規(guī)劃周期內(nèi)因線路檢修引起的供電不足風(fēng)險增加量最小為目標(biāo)，給出了基于禁忌搜索的求解數(shù)學(xué)模型的算法，但此方法在考慮大規(guī)模電網(wǎng)的情況下還需進一步研究。文獻 〔5〕借鑒了發(fā)電機組檢修策略，基于等風(fēng)險思想建立了輸電系統(tǒng)優(yōu)化檢修模型，其目標(biāo)函數(shù)為檢修期內(nèi)系統(tǒng)切負荷風(fēng)險削減量最大。該模型考慮了檢修前后設(shè)備故障率的動態(tài)變化以及人力資源等約束，不足之處是未對檢修經(jīng)濟性加以考慮。

文中研究了基于檢修計劃的電網(wǎng)可靠性評估，并提出了一種計及電網(wǎng)可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定方法。該方法通過傳統(tǒng)檢修計劃制定方法制定出預(yù)選方案并形成系統(tǒng)的運行方式，針對此系統(tǒng)運行方式進行可靠性評估，得到可靠性指標(biāo)；將得到的可靠性指標(biāo)經(jīng)濟化，從經(jīng)濟角度進行定量地評價，從而確定最佳方案。文中所提方法是對傳統(tǒng)檢修方法的改進和加強，包括傳統(tǒng)檢修計劃的所有內(nèi)容，并克服了傳統(tǒng)檢修計劃不能保證電網(wǎng)高可靠性和經(jīng)濟效益的難題，在實際生產(chǎn)中具有良好地應(yīng)用前景。

1 計及可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定模型

文中的研究是對傳統(tǒng)維修規(guī)劃方法的一個擴展，對于如何制定檢修計劃方案不是本文重點，故不再贅述。

計及可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定方法即是對各種擬定的可能檢修計劃進行電網(wǎng)可靠性評估計算，兼顧其可靠性和經(jīng)濟性來確定最佳方案。具體模型如圖1所示。

圖1 計及可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃確定模型

模型分為以下模塊:

①基于檢修計劃的電網(wǎng)可靠性評估模塊。該模塊主要對檢修方案下電網(wǎng)的運行方式進行狀態(tài)分析，對存在可靠性問題的狀態(tài)，進行校正分析和可能的負荷削減分析。

②輸出可靠性評估指標(biāo)模塊。該模塊基于狀態(tài)分析結(jié)果及元件可靠性輸入?yún)?shù)進行電網(wǎng)可靠性指標(biāo)計算。

③計及可靠性的檢修計劃經(jīng)濟指標(biāo)計算模塊。該模塊是將檢修方案下的電網(wǎng)可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟指標(biāo)并結(jié)合其本身的經(jīng)濟參數(shù)，得到量化后的綜合經(jīng)濟指標(biāo)。

④確定檢修方案模塊。該模塊是將多種預(yù)檢修方案的綜合經(jīng)濟指標(biāo)進行對比，得到經(jīng)濟最優(yōu)的檢修計劃作為最終確定方案。

2 基于檢修計劃的輸電網(wǎng)可靠性評估計算

檢修活動往往在發(fā)電機組或輸電線路停運條件下進行，而機組與線路的停運會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性水平及輸電能力降低，因此有必要對檢修計劃下的電網(wǎng)進行可靠性進行評估，從而為計劃的制定提供決策支持。

目前電網(wǎng)可靠性評估被分為充裕性評估與安全性評估2個內(nèi)容，以下分別從這2個角度來分析。同時大電網(wǎng)的可靠性評估指標(biāo)通常使用概率與后果相結(jié)合來綜合反映故障發(fā)生的可能性與嚴(yán)重性，因此文中所提方法以電量不足的概率性指標(biāo)作為可靠性指標(biāo)的輸出。

2.1 系統(tǒng)充裕性指標(biāo)

電網(wǎng)充裕性指標(biāo)體系中電量不足期望EENS (Expected energy not supplied)表示給定時間區(qū)間內(nèi)因發(fā)電容量短缺或電網(wǎng)約束造成負荷需求電量削減的期望數(shù)，單位為MW·h/年，計算公式如下:

2.2 系統(tǒng)安全性指標(biāo)

借鑒充裕性評估中對電量不足指標(biāo)的定義，給出了對應(yīng)的動態(tài)電量不足期望值EDENS(Expecteddynamic energy not supplied)。該指標(biāo)表示為給定時間區(qū)間內(nèi)因系統(tǒng)失去穩(wěn)定而造成切負荷的期望值，單位通常為MW·h/年，計算公式如下:

式中 λi為元件i故障停運率 (次/年)；D是動態(tài)切負荷事件集合；DNS(Di)是動態(tài)切負荷事件Di的切負荷量 (MW)。

2.3 檢修計劃下的輸電網(wǎng)可靠性評估方法

現(xiàn)有大電網(wǎng)可靠性評估方法主要有狀態(tài)枚舉法和蒙特卡洛模擬法，2種方法的主要區(qū)別在于選擇系統(tǒng)狀態(tài)的方法不同。狀態(tài)枚舉法采用的是嚴(yán)格的數(shù)學(xué)手段，計算結(jié)果可信度高，但其計算量會隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而呈指數(shù)增長，因此對于大的電力系統(tǒng)，采用全狀態(tài)枚舉勢必會變得非常復(fù)雜。蒙特卡洛模擬法采樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關(guān)，彌補了這一不足。但為了獲得精度較高的結(jié)果，蒙特卡洛模擬法往往需要很長的計算時間。

為了結(jié)合電網(wǎng)可靠性管理實際以及工程實用化的需求，文中結(jié)合上述2種方法的優(yōu)缺點，針對檢修計劃下的電網(wǎng)形成了一套可靠性評估新方法。其方法如下:

1)根據(jù)檢修計劃中元件檢修停運的情況確定系統(tǒng)檢修情況下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)集合。例如:某一段時間內(nèi)，電網(wǎng)對1個元件進行停電檢修，則檢修情況下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)即為原電網(wǎng)的N－1；若電網(wǎng)對2個元件進行停電檢修，則檢修情況下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)即為原網(wǎng)架的N－2。

2)在檢修情況下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)集合中選取一種網(wǎng)架情況進行分析。通過該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)運行時的負荷數(shù)據(jù)獲得分級負荷及其各級負荷水平下的持續(xù)時間。

3)生成某一分級負荷水平下的檢修電網(wǎng)運行方式。某一負荷水平下檢修電網(wǎng)運行方式的生成應(yīng)考慮夏季和冬季水電與火電的不同開機特點，同時滿足潮流收斂、相關(guān)狀態(tài)參數(shù)不越限和電網(wǎng)有功損耗最小的要求。

4)對某一生成的運行方式進行 N，N－1，N－2，…，N－k狀態(tài)分析，分別計算該運行方式下的充裕性指標(biāo)和安全性指標(biāo)。

充裕性計算需對任意i(i＝1，2…k)個元件失效后的N－i狀態(tài)進行潮流計算，并判斷是否出現(xiàn)潮流越限。若出現(xiàn)潮流越限問題，可先通過調(diào)整電源有功或無功出力、無功補償設(shè)備和有載調(diào)壓變壓器分接頭等措施來試圖消除該問題。若調(diào)整過后依舊存在越限情況，則需要通過削減負荷來解決。當(dāng)評估電網(wǎng)有負荷削減方案時，遵照該負荷削減方案來執(zhí)行；若評估電網(wǎng)沒有負荷削減方案，則一般以負荷削減量最小為基本原則，同時考慮就近原則和負荷重要程度削減原則。

在該運行方式下完成元件失效的系統(tǒng)狀態(tài)分析后，可根據(jù)以下公式結(jié)合元件可靠性參數(shù)得到此運行方式下的電量不足期望值:

安全性評估方法需對任意N－i(i＝1，2，…，k)故障條件下進行穩(wěn)定分析，若出現(xiàn)穩(wěn)定問題，則按照穩(wěn)措配置情況動作穩(wěn)措，計算該運行方式下的動態(tài)切負荷量。

在該運行方式下完成故障狀態(tài)分析后，結(jié)合元件可靠性參數(shù)計算此運行方式下的動態(tài)電量不足期望值，具體公式如下:

對比公式 (1)，(3)與 (2)，(4)可以看出:系統(tǒng)運行條件不變時，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)是不同運行方式下對應(yīng)指標(biāo)的總和。

實際工程上，由于電網(wǎng)規(guī)模巨大，一般計算截至到N－3狀態(tài)即可，若N－3仍無可靠性問題出現(xiàn)，再計算N－4狀態(tài)直到出現(xiàn)可靠性問題為止。同時考慮到安全性計算的計算量大，可適當(dāng)減少運行方式簡化分析。

5)當(dāng)某一檢修網(wǎng)架的所有運行方式評估完成后，將對應(yīng)指標(biāo)進行求和即可得到該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下的可靠性指標(biāo)EENS和EDENS。

6)對檢修計劃中的所有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行步驟2)—5)分析，求和得到檢修計劃的最終可靠性指標(biāo)EENS總和EDENS總。

基于檢修計劃的輸電網(wǎng)可靠性評估方法可用圖2示意。該方法在原有大電網(wǎng)可靠性評估的方法上，考慮了檢修對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，并計及檢修期間不同負荷水平下的電網(wǎng)可靠性，使得評估結(jié)果更精準(zhǔn)。

圖2 基于檢修計劃的輸電網(wǎng)可靠性評估方法

3 計及可靠性的檢修計劃經(jīng)濟指標(biāo)計算方法

檢修的經(jīng)濟費用一般包括檢修費用和生產(chǎn)費用兩部分。其中生產(chǎn)費用是指檢修計劃已確定的情況下，因停電而損失的電量的費用以及因停電造成的其他損失的費用。因此，可以將檢修方案的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟指標(biāo)，結(jié)合合理的單位切負荷成本及檢修費用，定量地分析其經(jīng)濟性，從而為現(xiàn)場提供決策支持。

文中定義某檢修方案的經(jīng)濟指標(biāo)包括3個部分，分別是該方案的計劃檢修費用、該檢修方案下系統(tǒng)因缺電造成的損失費用和該方案下其它設(shè)備發(fā)生故障折算費用的風(fēng)險總值。其具體經(jīng)濟指標(biāo)如下:

式中 C是某檢修方案的計劃費用；EENS總是某檢修方案下的電量不足期望值；EDENS總是某檢修方案下的動態(tài)電量不足期望值；CkWh是單位失負荷成本，為計算方便假設(shè)充裕性和安全性失負荷成本相同；ECli是設(shè)備i維修單價的期望；Pi是某檢修方案下設(shè)備i的故障概率；n是系統(tǒng)中總的設(shè)備數(shù)。

公式 (5)中電量不足期望值、動態(tài)電量不足期望值和設(shè)備故障概率是模擬計算的結(jié)果；設(shè)備維修單價的期望值根據(jù)設(shè)備的電壓等級和設(shè)備類型，由經(jīng)驗給出；單位失負荷成本的計算則比較復(fù)雜，取決于很多非技術(shù)因素，一般使用宏觀經(jīng)濟方法〔6〕。

經(jīng)濟性和可靠性是電力系統(tǒng)運行的兩個相互矛盾的目標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮二者對檢修計劃下電網(wǎng)的影響，能有效找到一種在檢修期間保證電網(wǎng)高可靠性和經(jīng)濟性的檢修計劃。由于指標(biāo)的計算中采用了電網(wǎng)可靠性評估方法，不僅考慮了電網(wǎng)N－1安全性，而且能夠兼顧不確定帶來的連鎖故障和相繼故障，對近年來廣泛關(guān)注的由于微環(huán)境條件 (如覆冰、山火、暴雨、雷電等)帶來的電網(wǎng)安全問題具有適應(yīng)性。另一方面，該量化指標(biāo)避免了由于技術(shù)人員個人技能原因帶來的局限性，有利于確定安全經(jīng)濟的檢修方案。

4 算例

為更好地說明本方法的可行性和實用性，文中利用PSASP軟件對某省級500 kV電壓等級電網(wǎng)的多種檢修計劃進行評價，并選取其中最優(yōu)方案。其中計算條件如下:

1)截止到2013年底，該省電網(wǎng)共統(tǒng)調(diào)裝機容量為27 347.23 MW。其中火電裝機15 905 MW，占58.1%；水電裝機容量9 311.93 MW，占34.04%；風(fēng)電場、抽水蓄能電廠、生物質(zhì)電廠等其他裝機共2 130.3 MW，共占7.86%。全社會供電量1 146億kWh；最大供電負荷21 676 MW?，F(xiàn)有500 kV廠站17座，變壓器27臺，運行容量為 21 500 MVA，500 kV線路49條，線路總長度為3 940 km。

2)計劃檢修周期為12天，為方便計算，將周期劃分為4個時間段，每個時間段持續(xù)3天，表1給出了每個時間段系統(tǒng)的最大負荷?，F(xiàn)需要安排檢修的線路是線路1和線路2；根據(jù)線路的檢修項目確定檢修的持續(xù)時間分別為3天和9天。

表1 計劃檢修周期內(nèi)各時段的最大負荷 MW

通過傳統(tǒng)的檢修方法初步擬定3個待評估檢修方案，各方案具體的線路檢修安排見表2。

表2 輸電網(wǎng)的待評估檢修方案

假設(shè)檢修單位失負荷成本為80元/kWh，為簡化計算，認為該電網(wǎng)所有線路檢修單價的期望均為27.9萬元，故障概率為0.086。用PSASP軟件進行檢修運行方式下的可靠性評估分析，量化電網(wǎng)檢修方案下的電量不足期望及動態(tài)電量不足期望。

根據(jù)每個時段的負荷數(shù)據(jù)可獲得分級負荷及其各級負荷水平下的持續(xù)時間。在該時段內(nèi)設(shè)定6個具有代表性的負荷水平進行分析，結(jié)合公式 (3)，(4)得到不同負荷水平下的EENSn和EDENSn。并對該時段的不同負荷水平下的EENSn和EDENSn進行求和即可得到該時段的各檢修方案電量不足期望EENS和動態(tài)電量不足期望EDENS，見表3，4。

表3 電量不足期望EENS指標(biāo) MWh/年

表4 動態(tài)電量不足期望EDENS指標(biāo)MWh/年

將4個時段指標(biāo)求和即得到檢修計劃周期內(nèi)各檢修方案電量不足期望EENS總和動態(tài)電量不足期望EDENS總，見表5?？梢钥闯鲇捎谒憷秊槭〖壄h(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，安全性問題較充裕性問題突出。

表5 電網(wǎng)可靠性指標(biāo) MWh/年

結(jié)合經(jīng)濟參數(shù)與公式 (5)，可得到不同檢修方案的經(jīng)濟指標(biāo)，見表6。

由表2—6可以看出，如不考慮檢修方式下系統(tǒng)的可靠性，則選取方案3最為經(jīng)濟；若計及電網(wǎng)可靠性因素，方案2為最優(yōu)方案。通過算例可看出不同檢修方案下的系統(tǒng)可靠性不同，進而影響該方案的經(jīng)濟指標(biāo)和最終檢修計劃的選取。因此，文中所提經(jīng)濟指標(biāo)可有效找到保障電網(wǎng)可靠性的最經(jīng)濟檢修計劃。

表6 不同檢修方案的經(jīng)濟指標(biāo)R1″ 萬元

5 結(jié)論

文中提出了一種計及電網(wǎng)可靠性的輸電網(wǎng)檢修計劃的確定方法，在傳統(tǒng)維修方法的基礎(chǔ)上，對擬定的電氣設(shè)備檢修計劃進行電網(wǎng)可靠性評估計算，將可靠性指標(biāo)經(jīng)濟化。提出檢修計劃的經(jīng)濟指標(biāo)函數(shù)，使其兼顧電網(wǎng)檢修的可靠性和經(jīng)濟性來確定最佳方案。

相比于現(xiàn)有方法，該優(yōu)化方法重點考慮檢修運行方式的運行安全性，從經(jīng)濟方面進行定量評價，從而有效地為現(xiàn)場提供決策支持。同時該方法包括了傳統(tǒng)維修規(guī)劃的所有內(nèi)容，因而它是傳統(tǒng)維修規(guī)劃方法的一個擴展，具有較好的實用性。

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Reliability-based maintenance scheduling of transmission power network

PENG Shiming1，DENG Ji1，LI Xin2，XIA Jun1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper considers the reliability assessment based on maintenance scheduling，and proposes a method to determine the reliability-based maintenance scheduling.The method develops various schemes according to the traditional maintenance scheduling，assesses the reliability of each proposed maintenance plan，and gets the economic indicator through reliability index economization.Then by comparing economic indicators，the optimal scheme that makes power grid maintenance reliable and economic is determined.

reliability；economy；transmission power network；maintenance scheduling

TM712

A

1008-0198(2015)05-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.002

2015-03-19 改回日期:2015-06-18

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目 (SGHN0000AZJS1400288)