TSC提升的配電網(wǎng)區(qū)域機會維修模型

徐 旭

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江 大慶 163714）

電力系統(tǒng)可靠性是指電力系統(tǒng)按照供電標(biāo)準(zhǔn)和供電量需求向用戶持續(xù)供應(yīng)穩(wěn)定電力的能力，包括電量裕度和供電安全2大因素。在電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)是連接供電企業(yè)與用戶的線路，其可靠性決定著供電系統(tǒng)的可靠性，對用電安全產(chǎn)生決定性的影響，因電網(wǎng)故障而導(dǎo)致的低電量和斷電問題已經(jīng)成為困擾用戶的主要問題，因此，配電網(wǎng)的檢修與維護工作是保障電力系統(tǒng)可靠性的主要措施［1］。

現(xiàn)階段制定設(shè)備檢修計劃時大多以設(shè)備數(shù)量、型號和使用時間做參考，以設(shè)備故障風(fēng)險點為依據(jù)。其理論研究也基于上述內(nèi)容進行，王玉磊等介紹了基于故障模型變壓器維護策略，將時間作為變量進行求解得到更換變壓器的合理時間［2］。潘樂珍等介紹了基于設(shè)備狀態(tài)模型確定檢修時間與方式的方法，將設(shè)備運行時間與運行狀態(tài)作為輸入數(shù)據(jù)，將運行成本作為變量求解，采用代算法提出了1種優(yōu)化維修方案的辦法［3］。袁野等建立了1套設(shè)備綜合評價體系，通過合理設(shè)置設(shè)備能效指標(biāo)，尋求能效與維護成本之間的平衡，提供了1種基于能效與成本的設(shè)備維護分析模型［4］。

上述文獻中對設(shè)備的運行狀態(tài)、能效、故障和成本進行了考慮，但都沒有脫離設(shè)備運行風(fēng)險的思維模式，很多學(xué)者依然通過設(shè)備故障與經(jīng)濟指標(biāo)來評價維護方案，并未開展設(shè)備運行穩(wěn)定性、設(shè)備能力優(yōu)化、設(shè)備故障的影響等因素的分析，沒有建立起設(shè)備可靠性與負荷之間的聯(lián)系。

配電網(wǎng)是包含多種設(shè)備的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備之間相互協(xié)作，具有高度的關(guān)聯(lián)性，因此，進行配電網(wǎng)檢修決策研究時，必須考慮設(shè)備性能與可靠性之間的關(guān)系，找到能夠同時滿足設(shè)備可靠性與性能需求的平衡方案。

供電設(shè)備維護方案不同，對電力系統(tǒng)供電能力的影響也不同，文中引入供電能力閥值（TSC）作為供電系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)，用來考察配電網(wǎng)的供電能力，也能間接反映出工業(yè)設(shè)備維護方案對供電系統(tǒng)的影響。為了將此評價指標(biāo)代入評價模型，文中從區(qū)域機會維修的角度出發(fā)建立了評價模型，該模型綜合考慮系統(tǒng)的性能、可靠性、內(nèi)部聯(lián)系、結(jié)構(gòu)影響、維護方案之間的關(guān)系，從上述因素相互影響的角度出發(fā)確定檢修位置，在此基礎(chǔ)上引入供電能力閥值（TSC）建立負荷與可靠性關(guān)系模型，該模型采用NDE編碼技術(shù)和GA算法，目的是得到最優(yōu)解。

1 考慮TSC提升的區(qū)域機會維修模型

1.1 設(shè)備要求與系統(tǒng)可靠性需求

狀態(tài)檢修是1種根據(jù)當(dāng)前設(shè)備健康情況設(shè)定檢修計劃的方法，設(shè)備當(dāng)前健康情況達到檢修指標(biāo)后才開始檢修，一般基于個體設(shè)備制定，但系統(tǒng)中擁有多臺設(shè)備，并且設(shè)備之間具有內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致檢修與運行間存在矛盾，系統(tǒng)的可靠性取決于設(shè)備的健康狀態(tài)，而設(shè)備健康狀態(tài)取決于維修閥值的設(shè)定，主要體現(xiàn)在4個方面。

（1）對于個體設(shè)備來說，及時檢修是保障設(shè)備穩(wěn)定運行的唯一途徑，不僅可以減少設(shè)備故障，還能延長設(shè)備使用壽命，但對整個系統(tǒng)來說，即需要保持系統(tǒng)的可靠性，又需要控制維修成本；

（2）設(shè)備故障的產(chǎn)生主要有內(nèi)因和外因2部分，內(nèi)因是指零件老化、零件失效等因素，外因是指天氣、負荷等因素，通過檢修可以加強對內(nèi)因與外因的控制，但檢修意味著停機，使系統(tǒng)無法正常運行；

（3）系統(tǒng)內(nèi)部的所有設(shè)備存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，具有功能聯(lián)系，也有電路聯(lián)系，設(shè)備的可靠性決定著系統(tǒng)檢修策略，解決方案不同，獲得的系統(tǒng)穩(wěn)定性也不同，好的方案應(yīng)平衡性能與可靠性；

（4）設(shè)備的檢修時間不同對系統(tǒng)運行可靠性能夠產(chǎn)生不同的影響。

綜合4方面因素，設(shè)備可靠性與成本存在矛盾，需要制定檢修計劃時有所側(cè)重。

1.2 設(shè)備健康狀態(tài)值的求取

國家規(guī)定電力系統(tǒng)應(yīng)定期進行狀態(tài)評估，在檢修期內(nèi)統(tǒng)計所有設(shè)備的健康指數(shù)，綜合考慮零件老化、時間等因素，通過下面的公式計算設(shè)備健康指數(shù)。

式中HI—設(shè)備上次評估的健康指數(shù)；HI0—設(shè)備健康指數(shù)；ΔT—檢修時間；B—設(shè)備老化程度指標(biāo)；a—老化系數(shù)。

系統(tǒng)進入檢修期后，按照公式（1）、（2）計算健康指數(shù)，為了平衡設(shè)備檢修成本與運行可靠性，按照經(jīng)驗老化系數(shù)a取值為0.7，系統(tǒng)因故障提前進入檢修階段，老化系數(shù)a取值為1。

近年來，電力系統(tǒng)全面鋪開智能監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備老化狀態(tài)和運行情況均可監(jiān)測，還能自動分析設(shè)備故障，無需更換設(shè)備的全部零件，設(shè)備檢修時大多采取備件更換或維修的方法，此次研究利用設(shè)備運行狀態(tài)指標(biāo)來確定設(shè)備是否參與檢修，設(shè)備部件的健康指數(shù)將作為檢修機會的判斷依據(jù)。

1.3 考慮TSC提升的區(qū)域機會維修模型

機會維修是預(yù)防性維修措施，運用此方法時需在檢修期內(nèi)排除設(shè)備故障，并將無故障設(shè)備做一定的維護，它結(jié)合故障后維修與預(yù)防性維修于一身，但供電系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備數(shù)量眾多，設(shè)備間的聯(lián)系復(fù)雜，同時進行電網(wǎng)的整體維修不現(xiàn)實。因此，在機會維修中應(yīng)采取檢修組合的辦法，不但可以節(jié)約資源、提高維修效率，也保障了供電系統(tǒng)的可靠性。由于供電系統(tǒng)的可靠性與維修存在矛盾，文中引入TSC指標(biāo)來評價2者的關(guān)系，建立機會維修模型。

1.3.1 區(qū)域機會維修模型引入TSC指標(biāo)后，需要進一步確定檢修區(qū)域，實現(xiàn)性能與可靠性的平衡，最大化合理利用資源。根據(jù)國家電力系統(tǒng)運行標(biāo)準(zhǔn)確定設(shè)備健康指數(shù)指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)評價設(shè)備的運行狀態(tài)，找出主要維護設(shè)備與次要維護設(shè)備，結(jié)合系統(tǒng)的可靠性要求確定主要維護設(shè)備的集合，此時需綜合考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、可靠性指標(biāo)、性能指標(biāo)、人員因素與設(shè)備的內(nèi)在聯(lián)系，最終得出檢修區(qū)域的方案。方案的確定原則有5點。

（1）按照健康指數(shù)指標(biāo)判斷某設(shè)備雖然符合主要維護設(shè)備的條件，但該設(shè)備在供電系統(tǒng)中承擔(dān)重要角色，對其開展維修會嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)運行，需要將設(shè)備劃分為單獨維修的行列，與其它設(shè)備區(qū)別對待；

（2）檢修范圍內(nèi)的設(shè)備進行檢修時，應(yīng)將與之關(guān)聯(lián)的設(shè)備同時劃入范圍；

（3）雖然設(shè)備已經(jīng)進入檢修范圍，但其健康指數(shù)指標(biāo)不滿足主要維護設(shè)備的條件，可對其進行部分維修；

（4）劃分檢修區(qū)域應(yīng)盡量縮短供電系統(tǒng)停機時間，設(shè)備的檢修數(shù)量應(yīng)在檢修能力之內(nèi)；

（5）檢修區(qū)域應(yīng)按時間劃分，不要在同一時間內(nèi)進行并列檢修，若檢修能力仍有富余，可將提升檢修區(qū)域可靠性的工作同時開展。

按照上述原則設(shè)計了開關(guān)集KAI，并通過下面的公式確定檢修區(qū)域F，將檢修區(qū)域N等價為設(shè)備健康閥值K、設(shè)備數(shù)量S、系統(tǒng)停機造成的損失L的函數(shù)，在公式中加入可靠性、成本、設(shè)備內(nèi)部關(guān)聯(lián)等約束。

式中F—檢修區(qū)域；Px—第x臺設(shè)備出現(xiàn)故障所能引起的損失，萬元；Tx—停機維修時間，h。

約束條件為：

式中HIx—第x臺設(shè)備的健康指數(shù)指標(biāo)；K—設(shè)備健康閥值。

式中Nt—需要維修的設(shè)備數(shù)量，臺；Mt—當(dāng)前維修能力所能承擔(dān)的設(shè)備數(shù)量，臺。

1.3.2 考慮TSC提升的區(qū)域機會維修模型按照前文建立的維修模型，同一時間內(nèi)完成檢修和電力系統(tǒng)運行可靠性的保障，還可通過網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提高供電系統(tǒng)的性能，保障供電能力。文中采取供電網(wǎng)絡(luò)主動優(yōu)化的辦法，以設(shè)備狀態(tài)為主要參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓撲為途徑，建立了負荷轉(zhuǎn)移模型，該轉(zhuǎn)移模型與前文建立的維修模型能夠形成很好的互補，最大限度實現(xiàn)供電系統(tǒng)性能與可靠性的平衡。

2 基于NDE-GA算法的TSC提升負荷轉(zhuǎn)移模型

TSC是指供電系統(tǒng)在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和可靠性的前提下滿足供電負荷的能力，主要與供電系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)、拓撲結(jié)構(gòu)和用戶容量等因素相關(guān)，可以通過改變電網(wǎng)線路和開關(guān)狀態(tài)來提高系統(tǒng)容量。

考慮電網(wǎng)檢修時，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和約束條件的限制代替GA操作，使檢修方案可以最大限度提升供電系統(tǒng)的TSC，改善供電結(jié)構(gòu)，使負荷的分配更加合理。

2.1 TSC模型

TSC模型將TSC作為求解對象，設(shè)定檢修時的各項參數(shù)，例如設(shè)備性能設(shè)備集約束、饋線極限容量約束、主變?nèi)萘考s束、節(jié)點電壓約束、潮流約束、網(wǎng)絡(luò)拓撲約束、支路容量約束以及聯(lián)絡(luò)極限容量約束等，形成求解公式（6）。

由于主要檢修區(qū)域內(nèi)的設(shè)備按照電網(wǎng)結(jié)構(gòu)承擔(dān)相應(yīng)的負荷，為了保障系統(tǒng)的可靠性，此部分設(shè)備不在優(yōu)化范圍之內(nèi)。

式中TP—TSC時主變的實際負荷；j—負荷點設(shè)備編號；n—區(qū)域T1內(nèi)的設(shè)備總數(shù)；Lj—TSC時的各個負荷點的負荷；trfhk—線路h轉(zhuǎn)移到線路k的負荷量；Fk—饋線k的實際帶負荷量；RFk—饋線k的極限容量；RFp—聯(lián)絡(luò)線p的極限容量；Umax、Umin—節(jié)點電壓的上、下限；A—節(jié)點/支路關(guān)聯(lián)矩陣；i—所有支路的復(fù)電流矢量；I—所有節(jié)點的復(fù)電流注入矢量；ik、ik max—各支路流過的電流和允許的最大載流量。

2.2 NDE-GA算法

供電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化智能分析方法在機會維修優(yōu)化中被廣泛使用，但優(yōu)化過程需要對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行繁瑣的計算，參數(shù)設(shè)置較多，還需隨機斷開支路進行網(wǎng)絡(luò)驗證，以保障供電網(wǎng)絡(luò)可以穩(wěn)定運行，不僅消耗大量時間，也對電網(wǎng)運行造成很大的擾動。

為了提高優(yōu)化效率，減少對電網(wǎng)的擾動，文中采取信息節(jié)點深度優(yōu)化的辦法，將斷開支路環(huán)節(jié)用數(shù)據(jù)矩陣進行模擬，建立供電系統(tǒng)信息化樹模型，對拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，不僅可以保障電網(wǎng)正常在線進行，還能自動記錄初始節(jié)點的各項數(shù)據(jù)和操作，例如PAO與CAO等。

在優(yōu)化過程中，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和約束條件的限制代替GA操作，既能保障各項參數(shù)與實際運行工況相符，又能實現(xiàn)NDE技術(shù)的合理應(yīng)用，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)化。

3 模型求解流程

采取NDE-GA算法，通過區(qū)域機會維修模型進行供電負荷能力提升的最終求解，分8個步驟。

（1）獲取當(dāng)前供電系統(tǒng)的設(shè)備健康指標(biāo)數(shù)據(jù)；

（2）對照設(shè)備檢修指標(biāo)確定需要檢修的設(shè)備范圍，將其納入檢修區(qū)域，形成開關(guān)集KAI；

（3）按照（2）確定的開關(guān)集建立GA搜索，擬搜索結(jié)果作為初始項R1；

（4）利用前文提到的TSC計算公式算出目標(biāo)值R，與系統(tǒng)的約束條件范圍相比較，若不在范圍內(nèi)則重復(fù)步驟（3），若在范圍內(nèi)繼續(xù)進行下一步驟。

（5）采取最優(yōu)解原則，生成最優(yōu)群R2；

（6）在最優(yōu)群R2中任意選擇2個個體，執(zhí)行NDE操作，得到下1代種群S；

（7）通過區(qū)域機會維修模型代入R2和S，得到新的R；

（8）與終止條件進行對比，滿足條件則輸出最優(yōu)解，不滿足條件則重復(fù)步驟（4），直至產(chǎn)生滿足條件的最優(yōu)解出現(xiàn)。

4 算例分析

選擇電網(wǎng)系統(tǒng)中的33節(jié)點配電系統(tǒng)作為優(yōu)化對象，該節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1，最優(yōu)解見圖2。

圖1 IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)

圖2 IEEE 33節(jié)點TSC最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

33節(jié)點配電系統(tǒng)的額定電壓為12.66 kV，整個結(jié)構(gòu)中含有37條線路和5個網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，線路通暢，主線路電流最大值為595 A。依據(jù)文中列出的區(qū)域機會維修模型，對該節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，依然將TSC作為求解對象，輸入各項約束條件后，GA種群初始數(shù)量設(shè)置為50，迭代次數(shù)設(shè)置為50。

5 結(jié)束語

從供電系統(tǒng)的負荷性能與可靠性相平衡的方向出發(fā)，提出1種建立區(qū)域機會維修模型實現(xiàn)最優(yōu)求解的辦法，文中所研究的模型將供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能指標(biāo)、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系與維修成本作為主要參考因素，通過一定的算法確定檢修區(qū)域，能夠保證計算效率與計算準(zhǔn)確性。

該模型還具有提升系統(tǒng)TSC的功能，在模型中引入NDE-GA算法求出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，能夠有效提升供電網(wǎng)絡(luò)的性能，此算法在不必擾動電網(wǎng)正常運行的同時，能夠模擬出真實工況下的電網(wǎng)運行，其優(yōu)勢在于設(shè)備健康指數(shù)的使用，能夠區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)備故障模型，對科學(xué)進行供電網(wǎng)絡(luò)檢修具有重要意義。

此次研究中使用的設(shè)備健康指數(shù)均參考傳統(tǒng)模式下的評價結(jié)果得出，在后續(xù)研究中，將采取跟蹤設(shè)備運行，進行重新評估的方式，獲得最新的設(shè)備健康指數(shù)，使研究結(jié)果更加符合實際工況，為科學(xué)制定檢修計劃提供支撐。此外，研究所采用的一些約束條件是參考文獻資料制定的，在后續(xù)研究中，將依據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)運行的實際數(shù)據(jù)，結(jié)合供電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的內(nèi)在聯(lián)系制定約束條件，還要結(jié)合實際擁有的檢修資源對模型進行修改，使研究結(jié)果真正達到與實際工況相一致的程度。