張 征，趙培培

（國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和發(fā)展，電力系統(tǒng)中在運(yùn)設(shè)備數(shù)量大幅增加，設(shè)備老化、故障問題日益突出，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行效率，降低電能質(zhì)量。

輸配電系統(tǒng)由許多獨(dú)立設(shè)備組成，這些設(shè)備各自的投運(yùn)時間、運(yùn)行機(jī)時、老化程度等都不盡相同，需要制定適當(dāng)?shù)脑O(shè)備維護(hù)策略以確保輸配電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[1-2]。通常而言，輸配電系統(tǒng)的維護(hù)成本越高，其可靠性越強(qiáng)，隨著系統(tǒng)可靠性的提高，電氣設(shè)備故障的概率將會降低，停電事故的概率也會降低[3-6]。同時電流通過低效率用電設(shè)備，以及進(jìn)行長距離輸送時，電力損耗將升高，導(dǎo)致電力輸送成本增加，因此為了優(yōu)化成本效率和電源質(zhì)量之間的平衡，保證電網(wǎng)運(yùn)行效率，基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)對設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和評估，并預(yù)測設(shè)備未來的運(yùn)行性能就顯得十分重要[7-9]。從絕緣材料性能和老化的角度來看，導(dǎo)致絕緣材料可靠性降低的因素有很多，包括運(yùn)行年限、材料種類、工藝、運(yùn)行環(huán)境等[10-13]。顯然通過加大設(shè)備投資可有效提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和電能質(zhì)量，但是實(shí)際工況中電網(wǎng)建設(shè)投資成本通常需要控制在可接受范圍之內(nèi)，這些成本包括電網(wǎng)建設(shè)、設(shè)備維護(hù)、更換、人力等成本，因此電網(wǎng)建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)成本與電能質(zhì)量之間的平衡，一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，在保證電能質(zhì)量最優(yōu)的同時，盡量降低電網(wǎng)投資成本，對于保證電網(wǎng)可靠性具有重要意義。

為此，本文提出了一套IGMS（一體化智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)），該系統(tǒng)是資產(chǎn)管理系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的集成，其診斷系統(tǒng)和信息系統(tǒng)可獲取電力系統(tǒng)當(dāng)前的性能以及設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的歷史，并將所有數(shù)據(jù)收集在控制中心，通過評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給出設(shè)備維護(hù)方法和時間表，提出最佳維護(hù)策略。IGMS 通過使用功率流控制和設(shè)備維護(hù)，可以將單個設(shè)備的絕緣老化問題對整個系統(tǒng)的影響降至最低。最后，通過仿真算例驗(yàn)證了IGMS的有效性，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前潮流和輸配電系統(tǒng)未來維護(hù)的最佳控制。研究成果可為電網(wǎng)一體化控制方法和設(shè)備維護(hù)策略研究提供參考。

1 輸配電系統(tǒng)模型

為了對IGMS 采用的核心潮流控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證潮流控制方法的有效性，本文從輸配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行出發(fā)，通過一套輸配電系統(tǒng)模型對潮流控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1 輸配電系統(tǒng)系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)

輸配電系統(tǒng)系統(tǒng)成本的目標(biāo)函數(shù)z 由許多成本組成，其表達(dá)式見式（1）。通過使用非線性編程使z 最小化，可以估算出最小的輸配電系統(tǒng)成本以及最佳的輸配電系統(tǒng)路線。

式中：z 為輸配電系統(tǒng)成本的目標(biāo)函數(shù)；Xij為從變電站i 經(jīng)過母線SSi和SSj到變電站j 的傳輸功率；Xm為設(shè)備m 中的電功率；Xn為負(fù)載n 的斷電功率；aij為輸配電系統(tǒng)正常運(yùn)行期間損耗的成本；bij為輸配電系統(tǒng)過載運(yùn)行期間損失的成本；cm為過載運(yùn)行造成的系統(tǒng)壽命縮短損壞；dn為客戶的停機(jī)成本；en為供應(yīng)商的停機(jī)成本；fm為維護(hù)成本；gm為電力設(shè)備的燃料成本；hm為故障設(shè)備的維修成本；Line 為傳輸線組；OverLine 為過載線組；OutLoad 為停機(jī)負(fù)載組；MentEquip 為輸配電系統(tǒng)中的設(shè)備組；FailedEquip 為輸配電系統(tǒng)中的故障設(shè)備組；PowerEquip 為發(fā)電設(shè)備組。

客戶的停電損失取決于客戶的類型，假定發(fā)生故障的設(shè)備維修成本為設(shè)備成本的1/3。在TR（變壓器）中，絕緣紙的電氣強(qiáng)度會因油溫的升高而降低，因此過載操作會縮短TR 的使用壽命。

1.2 輸配電系統(tǒng)模型

本文選取220 kV/10 kV 輸配電系統(tǒng)作為測試模型，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)包含3 個發(fā)電廠和6 個變電站，總負(fù)荷為185 MW。變電站采用雙總線布置。與傳統(tǒng)可靠性測試系統(tǒng)相比，該測試系統(tǒng)可以十分方便地提供各個步驟所需的建模理解、系統(tǒng)所涉及的假設(shè)集、算法開發(fā)、用于評估系統(tǒng)可靠性的計(jì)算過程。該測試系統(tǒng)確定了額定容量和傳輸線的長度。

圖1 Billinton 測試系統(tǒng)

假定模型中的CB（斷路器）和TR 壽命適用于新安裝條件和不均勻老化條件。新安裝條件意味著每個設(shè)備都是新的；不均勻老化條件意味著在特定地區(qū)隨機(jī)產(chǎn)生每種設(shè)備的制造年份，并將最終的壽命分配給CB 和TR。不同儀器的使用年限下CB 和TR 的故障率如圖2 所示，并不是簡化計(jì)算的診斷數(shù)據(jù)。

圖2 裝置故障率

2 IGMS 的潮流控制策略

IGMS 的核心功能是根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和診斷結(jié)果確定最佳維護(hù)策略和最佳潮流控制方式，本節(jié)重點(diǎn)介紹IGMS 采用的潮流控制策略，并利用第一節(jié)介紹的輸配電系統(tǒng)對該潮流控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 潮流計(jì)算

在操作電力系統(tǒng)時，穩(wěn)定電壓是個十分重要的工作，因此在系統(tǒng)控制功能Fcontrol中使用了實(shí)際電壓和加到每條線上的額定電壓之間的總差。通過控制發(fā)電廠之間的電壓相位差，TR 抽頭的切換以及每臺CB 的通斷，可以最大程度地減少此控制功能，從而獲得每個節(jié)點(diǎn)中的最佳電壓和系統(tǒng)中的潮流?？刂坪瘮?shù)Fcontrol的表達(dá)如下：

式中：Line 為所有輸電線路的集合；A（i，j）為母線SSi和SSj之間線路感抗；V（i，j）為母線SSi和SSj之間線路電壓；Vn（i，j）為母線SSi和SSj之間線路額定電壓；感抗A（i，j）得出的值與直接連接負(fù)載中的電源故障損壞量成比例。

發(fā)電廠中產(chǎn)生的電力通過輸電線和TR 發(fā)送給用戶，在這種情況下，TR 繞組中的電阻以及TR 鐵芯磁滯會產(chǎn)生損耗。如果三相電壓平衡，則電力損失PLine由電力線的電阻R 和負(fù)載電流I決定。

TR 的質(zhì)量會隨著使用壽命的增加而降低。在計(jì)算中，通過TR 的退化特性，假設(shè)負(fù)載率增加到100%時溫度上升到40 ℃，當(dāng)溫度再升高7 ℃時，固體絕緣子的壽命將減少一半。另一方面，由于擊穿概率的增加和折舊費(fèi)用的增加，在計(jì)算中將設(shè)備的壽命減少估計(jì)為成本。客戶的電源故障損害會隨著客戶的行業(yè)不同而發(fā)生重要變化，因此使用了電源故障損壞的平均值。

2.2 新建設(shè)備的潮流優(yōu)化

圖1 中所有電力設(shè)備都處于新安裝狀態(tài)下的最佳潮流控制，在這種情況下，設(shè)備的故障率假定為恒定。在潮流控制中，所有連接方式均已編號，如表1 所示，電力線兩端的斷路器以各種方式工作。模式32 使輸配電系統(tǒng)系統(tǒng)損失最小化，因?yàn)楫?dāng)所有線路如圖3 所示進(jìn)行連接時，模式0中的線路3 具有65.6 MVA 的高無功功率流，此時，總成本相對較低，證實(shí)模式32 是最佳的潮流控制。

表1 控制模式統(tǒng)計(jì)表

圖3 潮流分布示意

在每種控制模式的潮流中，所有電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的輸配電損耗和設(shè)備故障都轉(zhuǎn)化為成本，在所有控制模式中成本最低的控制被認(rèn)為是最佳的。每小時對圖1 測試系統(tǒng)中的每個斷路器（CB1—CB3）進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，記錄局部放電診斷和控制電流診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行潮流控制。

電力設(shè)備的診斷結(jié)果和故障率如表2 所示，不同潮流控制模式下的總成本如表3 所示。

表2 儀器診斷結(jié)果及故障率

表3 潮流控制模式和總成本 萬元

如表2 所示，在0 h 之前，CB1，CB2 和CB3的狀態(tài)診斷為正常，故障率較小，均為0.005 3。在這種情況下，如表3 所示，模式32 為最優(yōu)控制模式，使輸配電系統(tǒng)損失最小化。

假定在線運(yùn)行的傳感器在0 h 處檢測到CB3中發(fā)生諸如接地之類的故障，這一故障可能會影響整個系統(tǒng)，必須在最短時間內(nèi)關(guān)閉CB3 周圍的所有CB。在這種狀態(tài)下，CB3 的故障風(fēng)險(xiǎn)變大，總成本增加，模式32 不再是最佳的潮流控制。將連接方式更改為模式160，斷開CB3 和CB5，使故障總成本降低。盡管與模式32 比較起來，輸配電系統(tǒng)某些損失增加，但是由于可以防止涉及整個系統(tǒng)的事故，所以在總功率最優(yōu)的情況下將總成本保持在最小。

隨著時間推移，在14 h 后，經(jīng)診斷，此時CB2 的故障率上升到0.50。在這種情況下，將模式32 更改為模式192（斷開線路3，關(guān)閉線路4），此時總成本為最低。

2.3 不均勻老化網(wǎng)絡(luò)的潮流優(yōu)化

考慮不均勻老化網(wǎng)絡(luò)的情況，本文選取老化狀態(tài)為55 年的線路1，以及整體平均老化時間約為20 年的設(shè)備進(jìn)行分析，如圖4 所示。在這種情況下，如表1 所示，模式40 是最優(yōu)潮流控制，即關(guān)閉具有高故障率設(shè)備的線路1，同時關(guān)閉線路3，可以避免因故障而造成的損壞。

圖4 不均勻老化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)

不均勻老化網(wǎng)絡(luò)的潮流控制模式及總成本如表4 所示。由于線路1 端點(diǎn)處CB 故障率較大，增加了故障損壞成本，因此，線路1 故障使總成本將增加。如果將控制方法更改為模式40，盡管輸配電系統(tǒng)損耗有所增加，但可以大大降低故障損壞成本，并使總成本最小化。

表4 不均勻老化網(wǎng)絡(luò)的潮流控制模式及總成本萬元

假定在0 h 之前，各CB 診斷狀態(tài)為正常，則模式40 是最佳的。假定在線運(yùn)行的傳感器在0 h 處檢測到CB3 中的部分放電，并顯示警報(bào)為異常狀態(tài)，因?yàn)镃B3 的故障風(fēng)險(xiǎn)增加，所以總成本增加，此時模式40 不再是最佳模式。將控制模式更改為模式200，斷開線路1，4，5，打開線路3，從而使故障導(dǎo)致的總成本得以最小化。假定在14 h 后，在CB2 中發(fā)現(xiàn)異常，則模式200 下總成本降至最低。通過使用如上所述的IGMS 潮流控制策略，含有劣化設(shè)備的電力系統(tǒng)可以通過相對應(yīng)的控制模式進(jìn)行控制，不僅可以降低輸配電系統(tǒng)損失的成本，還可以降低由于設(shè)備故障導(dǎo)致的損壞成本。

3 案例分析

本文以圖4 所示輸配電網(wǎng)系統(tǒng)為案例，同時采用TBM（基于時間的維護(hù)）方法和本文提出的智能一體化方法，計(jì)算分析電網(wǎng)中設(shè)備的總運(yùn)維成本隨時間變化的規(guī)律。結(jié)果如圖5、圖6 所示，其中實(shí)線是采用本文方法得到的計(jì)算結(jié)果，虛線是采用傳統(tǒng)TBM 方法得到的結(jié)果。

圖5 新安裝網(wǎng)絡(luò)條件下累計(jì)輸配電系統(tǒng)成本的比較

圖6 不均勻老化網(wǎng)絡(luò)條件下累計(jì)輸配電系統(tǒng)成本對比

設(shè)備的維護(hù)包括RM（常規(guī)維護(hù)）、OH（重大維修）和RP（設(shè)備更換）3 種方法，常規(guī)維護(hù)成本、重大維修成本和設(shè)備更換成本分別假定為設(shè)備價(jià)格的0.8%，20%和100%。為了評估IGMS 最佳維護(hù)策略，本文選擇3 臺故障成本較高的CB4，CB5，CB6 來評估最佳的維護(hù)方法和時機(jī)。

電氣設(shè)備的平均使用壽命為60 年，因此本文指定評估期固定為60 年，通過詳盡搜索來提取評估期內(nèi)所有可能的維護(hù)計(jì)劃，從而獲得最佳維護(hù)策略。而后，針對每個維護(hù)計(jì)劃，計(jì)算評估期內(nèi)的總輸配電系統(tǒng)成本。最后，通過比較每個維護(hù)計(jì)劃的總輸配電系統(tǒng)成本，得出了使總輸配電系統(tǒng)成本最小化的最佳維護(hù)計(jì)劃。

新安裝網(wǎng)絡(luò)條件下，模型中包括目標(biāo)設(shè)備的所有設(shè)備都是新安裝的，因此，設(shè)備最初的使用年限為零。每個計(jì)劃的詳細(xì)信息以及累計(jì)成本的過渡情況如圖7 所示，最佳的維護(hù)計(jì)劃在不同的負(fù)載能力之間有所不同，負(fù)載越大越需要更高的可靠性。當(dāng)CB6 連接到最大負(fù)載85 MW 時，它對設(shè)備的可靠性要求很高，需要盡早更換。因此，CB6 的最佳維護(hù)計(jì)劃是分別在2021 年和2041 年進(jìn)行設(shè)備更換。盡管在評估期間執(zhí)行了2 次RP，但與只進(jìn)行了1 次設(shè)備更換的TBM 相比，總的輸配電系統(tǒng)成本降低了。

圖7 維護(hù)效果

不均勻老化網(wǎng)絡(luò)條件下，設(shè)備平均老化時間為20 年，與所有新安裝的設(shè)備相比，舊設(shè)備占比很多，OH 的數(shù)量增加。CB6 老化時間為15 年，在3 臺CB 中的使用壽命最長，僅為設(shè)備設(shè)計(jì)壽命的一半，但這不會影響設(shè)備更換的數(shù)量。由于OH 的數(shù)量增加，延長了設(shè)備的壽命，因此在TBM 和IGMS 中，老化系統(tǒng)的成本比新安裝的系統(tǒng)高約20%。

不論使用壽命是0 或20 年，IGMS 的成本都比TBM 的成本低。由于設(shè)備的評估期是60 年，因此IGMS 運(yùn)行60 年的成本將降至最低。

與TBM 相比，IGMS 在任何情況下都可以通過最佳潮流控制策略來減少總輸配電系統(tǒng)成本，并在考慮可靠性優(yōu)先級的情況下得出最佳維護(hù)計(jì)劃，從而驗(yàn)證了IGMS 的有效性。

4 結(jié)論

電力成本效率和電能質(zhì)量之間的平衡是輸配電系統(tǒng)運(yùn)行和控制的基本問題，對于保證電網(wǎng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。為此，本文提出了一套IGMS來確定最佳維護(hù)策略和最佳潮流控制方式，并取得以下成果：

（1）本文提出的IGMS 可以對設(shè)備故障、輸配電系統(tǒng)損失、設(shè)備壽命估算、停機(jī)、維修和維護(hù)等工作的成本進(jìn)行評估，并且給出最佳維護(hù)策略和解決方案，通過總輸配電系統(tǒng)成本最小化來預(yù)測最佳的潮流路徑，使用功率流控制和設(shè)備維護(hù)，將單個設(shè)備的可靠性對整個絕緣系統(tǒng)的影響降至最低。

（2）本文基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備診斷結(jié)果，采用算例將IGMS 應(yīng)用到實(shí)時潮流控制中，得出電力系統(tǒng)設(shè)備的最佳維護(hù)策略，運(yùn)用CB 的維修策略模擬計(jì)算，驗(yàn)證了本文提出的IGMS 的有效性。

（3）本文提出的IGMS 可以給出最優(yōu)的設(shè)備維護(hù)頻率，從而降低輸配電系統(tǒng)總成本，相比于傳統(tǒng)TBM 方法，IGMS 最佳維護(hù)策略減少了輸配電系統(tǒng)損失，降低了維護(hù)成本。