基于遺傳算法的輸電系統可靠性最優維修策略

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生的費用來獲得電價的競爭力。同時，維持電網運行的可靠性也越來越受到關注。利用以可靠性為中心的維修策略是降低費用提高電網可靠性的一種方法[1，-2]。以可靠性為中心的維修方法是提供最優維修策略的關鍵，它考慮了前期維修費用和失負荷導致的潛在維修費用之間的折衷問題[3]。

輸電系統是由許多不同種類的輸電設備組成，這些設備有不同的壽命期限，在運行一段時期后，會出現不同程度的老化[4]。即使相同設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備的維修策略來定其他設備的檢修策略。本文提出以可靠性為中心的輸電系統維修方法[5-7]，提出考慮系統中設備的差異性，并有序處理設備老化、故障和維修的改進的半馬爾科夫鏈的設備狀態模型。由于維修設備的數量與對計算機內存的需求呈指數增長關系，這將限制仿真輸電系統的大小。因而本文使用遺傳算法來找到一種接近最優解決方案的可行方案。

1 設備狀態模型

本文應用了設備狀態模型來給輸電系統中各種不同的設備建立一種合適的維修策略。分別使用幾個狀態來表征設備的老化、故障和維修狀態，通過調整狀態的數量來使不同的設備或系統具有一定的通用性。

圖1 改進的半馬爾科夫鏈基本設備狀態模型

2 基于遺傳算法的最優維修策略

運用遺傳算法尋找最優維修策略步驟如下：

步驟1：產生群及設備的維修決議向量

本文選擇架空線，絕緣子和鋼塔三種設備為研究對象，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，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了故障，中間兩位表示絕緣子處于正常狀態，末兩位表示鋼塔檢測到污閃點。

步驟2：設置循環，評估適應度函數

遺傳算法中適應度函數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為修復費用，GC為發電費用，OC為停電費用。

適應度函數的評估過程如下：

1）設定決議相量的計數器；

2）指定所有設備的初始狀態。在本研究中，所有設備的初始狀態均為正常狀態；

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備處在當前狀態的持續時間；

4）傳輸由基于故障形式得到的設備狀態及狀態的轉移時間；

5）檢查設備故障或修復完成是否帶來系統拓撲結構改變。這些改變可能是負荷削減、整個系統停電或者發電費用的改變。表達式如下：

此處，發電費用是以每臺發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個系統狀態Sj的線流相量，這個等式表明了輸電線路的載流量限制。故障設備的RC通過查詢實際工程數據得到。

6）通過決議相量來檢查維修順序。如果產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決定的。在一段給定的維修時間之后，設備維修后將進入正常狀態N，回到第（4）步。

7）按給定的時限內重復步驟（4）～（6）。

8）更新決議向量計數器Dec=Dec+1，根據群的大小重復步驟（2）～（7）。

步驟3，找到最優維修策略，結束循環。

3 算例分析

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

表1 不同維修策略的總期望費用

IEEE-118節點系統有54臺發電機、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。根據本文所提出方法獲得的最優維修策略，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維修策略所需的總維修費用明顯小于傳統的基于時間的維修方法。

4 結論

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備提出最優維修策略。通過與傳統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，本文應用改進馬爾科夫鏈確定設備狀態模型，通過調整設備的狀態數量可使本模型具有復雜系統的通用性。

[1]李文沅.電力系統風險評估模型、方法和應用[M].科學出版社，2006.

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

[3]簡根妹.基于RCM的設備維修方式決策[J].甘肅科技，2010，26(16)：94-95.

[4]徐淑文，李志剛，等.輸變電設備狀態檢修輔助決策系統研究[J].山東電力技術，2010，6：14-17.

[5]雍新萍.淺析以可靠性為中心的狀態檢修[J].內蒙古電力技術，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，2006，3：40-42.

[7]Endrenyi J.The present status of maintenance strategies and the impact of maintenance on reliability.IEEE Transaction on power systems，2001，16(4)：638-646.