基于輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)研究

高 翔，羅 俊，楊能武

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 連云港供電公司電力調(diào)度中心，江蘇 連云港 222004)

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基于輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)研究

高 翔，羅 俊，楊能武

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 連云港供電公司電力調(diào)度中心，江蘇 連云港 222004)

利用當(dāng)前狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)建立基于風(fēng)險(xiǎn)的電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，針對(duì)調(diào)控人員關(guān)心的輸變電設(shè)備狀態(tài)問題，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)情開發(fā)了基于輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)，將變壓器、斷路器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論算法植入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，將輔助決策系統(tǒng)與多套現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)無縫連接，幫助調(diào)控人員在擬票發(fā)令時(shí)規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；狀態(tài)評(píng)價(jià)；調(diào)控輔助決策系統(tǒng)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要針對(duì)單一設(shè)備故障導(dǎo)致區(qū)域性電力供應(yīng)中斷的嚴(yán)重事件，此類事件具有發(fā)生概率小后果嚴(yán)峻的特點(diǎn)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)大，調(diào)控人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸變電設(shè)備狀態(tài)預(yù)先分析，在事故處理時(shí)規(guī)避可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，引入風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，提出了基于風(fēng)險(xiǎn)的輸變電狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在衡量設(shè)備自身狀態(tài)及設(shè)備故障帶來的影響的同時(shí)，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，能夠?yàn)檎{(diào)控人員決策提供可靠的輔助信息。

結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用開展實(shí)用化研究，利用這些風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)開發(fā)具備操作性的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)，將變壓器、斷路器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論算法植入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)與多套現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。

1 基于風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及決策是風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的核心內(nèi)容，但作為完整的應(yīng)用指標(biāo)體系，必須實(shí)現(xiàn)從指標(biāo)數(shù)據(jù)采集到分析和應(yīng)用決策的完整過程。基于風(fēng)險(xiǎn)的輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系包含3層內(nèi)容：基礎(chǔ)層、核心層和應(yīng)用層[1-2]。具體包括以下模塊：技術(shù)原理模塊、軟件支撐模塊、信息支持模塊、狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊及調(diào)控輔助決策模塊，具體關(guān)系見圖1。

圖1 基于風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

2 系統(tǒng)描述

2.1 技術(shù)原理模塊

輸變電設(shè)備缺陷在一定外界條件作用下可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，損傷設(shè)備本身以及設(shè)備周邊人員，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行，造成社會(huì)不良影響。各類風(fēng)險(xiǎn)的表現(xiàn)形式不同，不良影響難以量化，并且存在相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。假設(shè)可將各類風(fēng)險(xiǎn)影響效果完全獨(dú)立時(shí)，由某一缺陷引起設(shè)備總風(fēng)險(xiǎn)可表示為[3]：

R(t)=K(t)×∑[Wi×Oi(t)×Pi(t)]

(1)

式中K(t)——設(shè)備缺陷引起設(shè)備故障發(fā)生的可能性；O(t)——設(shè)備故障引起的不同后果；W——與各類風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；P(t)——設(shè)備故障引起各類風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

2.2 軟件支撐模塊

軟件支撐模塊是將基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的狀態(tài)評(píng)價(jià)理論實(shí)用化的必需手段。圖2給出了基于風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖，外部輸入數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備基本信息、系統(tǒng)信息以及設(shè)備檢修相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。

圖2 輔助決策系統(tǒng)核心算法實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)調(diào)控人員的工作需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2種不同的任務(wù)模式：設(shè)備狀態(tài)預(yù)評(píng)估模式和事故處理模式。

(1)設(shè)備狀態(tài)預(yù)評(píng)估模式

系統(tǒng)使用人員可以根據(jù)某一設(shè)備歷史狀態(tài)信息發(fā)起一個(gè)評(píng)估任務(wù),系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備類型對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)規(guī)范控制評(píng)估流程的完成。由此得到的設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果隨時(shí)間變動(dòng)的曲線圖，預(yù)測(cè)未來的風(fēng)險(xiǎn)，可以指導(dǎo)制定檢修計(jì)劃，也可以加深調(diào)控人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的了解，在方式安排上規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。

(2)事故處理模式

在事故發(fā)生的情況下，系統(tǒng)的潮流分布發(fā)生變化，輸變電設(shè)備的負(fù)荷變化會(huì)影響當(dāng)時(shí)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)水平。一般而言，系統(tǒng)的負(fù)荷越大，設(shè)備對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)也就越大。EMS系統(tǒng)每隔幾分鐘便會(huì)導(dǎo)出一次系統(tǒng)的潮流斷面，根據(jù)故障前后設(shè)備負(fù)荷水平變動(dòng)幅度通過潮流演算選擇優(yōu)化的處理通路。

2.3 信息支撐模塊

信息支撐模塊為整個(gè)評(píng)估體系提供所需的數(shù)據(jù)支持。狀態(tài)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)據(jù)需求涉及OMS系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理，SCADA系統(tǒng)，輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。“輔助決策系統(tǒng)”通過與這4個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，提取出狀態(tài)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需要的數(shù)據(jù)。其中，設(shè)備的缺陷等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從OMS獲取，家族性缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)從標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理獲取，設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)從在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑦\(yùn)行工況及系統(tǒng)負(fù)荷斷面等數(shù)據(jù)從SCADA系統(tǒng)獲取，在一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)評(píng)價(jià)及輔助決策。

輔助決策系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)的關(guān)系見圖3。

圖3 輔助決策系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)的關(guān)系

2.4 狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊

狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是設(shè)備缺陷情況。通過擬合往年設(shè)備缺陷指數(shù)與故障數(shù)據(jù)曲線，得到設(shè)備故障概率與設(shè)備缺陷指數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

設(shè)備缺陷指數(shù)d的計(jì)算公式為：

(2)

式中Si——輸變電設(shè)備的狀態(tài)指數(shù)；Si——取值根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)不同而改變，正常狀態(tài)下為0，注意狀態(tài)下為1，異常狀態(tài)下為2，嚴(yán)重狀態(tài)下為3；M——設(shè)備的實(shí)際總扣分值；Mi——該類設(shè)備下該等級(jí)最大的扣分值，Mi取值根據(jù)國(guó)網(wǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則統(tǒng)計(jì)得到[5]。

設(shè)備故障概率pf與其缺陷指數(shù)之間服從指數(shù)分布規(guī)律：

pf=AeBd+C

(3)

式中A，B，C——系數(shù)，與具體的設(shè)備類型和設(shè)備品質(zhì)有關(guān)。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊

2.5.1 自身損失風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)備的自身損失風(fēng)險(xiǎn)可計(jì)算為

Rp=pf×CM

(4)

式中Rp——設(shè)備的自身損失風(fēng)險(xiǎn)；pf——設(shè)備的故障概率；CM——設(shè)備故障后的維修費(fèi)用。

2.5.2 人身環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

借鑒中國(guó)關(guān)于人身傷亡的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備人身風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式為：

RB=pf×LB

(5)

RE=pf×LE

(6)

式中RB，RE——設(shè)備人身風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；pf——設(shè)備故障概率；LB，LE——設(shè)備故障的人身損失與環(huán)境損失，分別由設(shè)備故障的人身損失等級(jí)和環(huán)境損失等級(jí)決定。

2.5.3 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

(1)通風(fēng)管道。口部的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)管道穿過臨空墻、密閉墻時(shí)應(yīng)預(yù)埋通風(fēng)穿墻短管，該處墻體開孔處的鋼筋須進(jìn)行加固處理；穿墻管與混凝土接觸部分不得刷油漆。穿墻短管中間應(yīng)設(shè)置密閉肋，密閉肋的厚度為5 mm、寬度為50 mm，該密閉肋與管材外側(cè)應(yīng)雙面滿焊，焊縫應(yīng)嚴(yán)密。管道內(nèi)部、外部除與混凝土接觸部位外，均應(yīng)刷兩道防銹漆。密閉短管穿墻時(shí)，兩端伸出墻面的長(zhǎng)度應(yīng)>100 mm。

(1)潮流越限嚴(yán)重度。定義變壓器(線路)負(fù)載比RL為實(shí)際輸送功率與功率限額之比。考慮系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定要求和繼電保護(hù)裝置整定要求規(guī)定潮流越限嚴(yán)重度：

(7)

(2)電壓越限嚴(yán)重度。定義電壓比Rv為節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓與其額定電壓之比。結(jié)合電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓偏移的要求以及考慮電壓保護(hù)整定值的要求，規(guī)定電壓越限嚴(yán)重度可計(jì)算為

(8)

(3)電壓失穩(wěn)嚴(yán)重度。定義負(fù)荷裕度為：

(9)

式中RM——系統(tǒng)負(fù)荷裕度；LA——系統(tǒng)能夠承載的最大負(fù)荷,由潮流計(jì)算得到；LF——系統(tǒng)預(yù)測(cè)負(fù)荷。

電壓失穩(wěn)發(fā)生概率由式(10)確定：

(10)

假定電壓崩潰將導(dǎo)致系統(tǒng)失去全部負(fù)荷，此時(shí)電壓失穩(wěn)的后果等同于系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)崩潰嚴(yán)重度與負(fù)荷量成正相關(guān)，即

SC=PC×ks×LT

(11)

式中SC——電壓失穩(wěn)的嚴(yán)重度；PC——電壓失穩(wěn)概率。

由式(10)計(jì)算得到：ks——負(fù)荷嚴(yán)重度轉(zhuǎn)換系數(shù)，假定一個(gè)1 000 MW的系統(tǒng)發(fā)生全網(wǎng)崩潰后的嚴(yán)重度為100，則轉(zhuǎn)換因子的嚴(yán)重度為0.1 MW；LT——系統(tǒng)崩潰時(shí)失去的總負(fù)荷。

(4)系統(tǒng)損失風(fēng)險(xiǎn)。基于以上3類嚴(yán)重度的分析，可以得到式(14)的系統(tǒng)嚴(yán)重度：

ST=SL+SV+SC

(12)

式中ST——系統(tǒng)嚴(yán)重度；SL，SV，SC——潮流越限、電壓越限、電壓失穩(wěn)的嚴(yán)重度，其值分別由式(7)、式(8)、式(11)求得。

設(shè)備故障造成的損失應(yīng)該包含兩個(gè)方面：一方面系統(tǒng)安全程度的降低，用以上嚴(yán)重度指標(biāo)表示；另一方面設(shè)備故障可能造成負(fù)荷的丟失，帶來停電損失。

RS=pfT[kR(SF-SN)]+PP×LL

(13)

式中RS——系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；pf——設(shè)備故障概率；T——風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)時(shí)間；kR——嚴(yán)重度指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)損失系數(shù)，萬元/(嚴(yán)重度·小時(shí))；SF——故障后嚴(yán)重度；SN——故障前嚴(yán)重度，這兩個(gè)值均利用式(13)計(jì)算得到；PP——當(dāng)?shù)仉妰r(jià)；LL——負(fù)荷丟失量。

2.5.4 社會(huì)損失風(fēng)險(xiǎn)

社會(huì)損失風(fēng)險(xiǎn)描述設(shè)備故障導(dǎo)致負(fù)荷丟失后對(duì)電網(wǎng)用戶造成的損失。如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)社會(huì)損失是國(guó)內(nèi)外研究的難題，在研究已有方法的基礎(chǔ)上，選擇了從經(jīng)濟(jì)角度更為合理的產(chǎn)電比法[6]。設(shè)備故障的社會(huì)損失計(jì)算式為：

RC=pf×PG×LL×T

(14)

式中RC——設(shè)備故障停運(yùn)導(dǎo)致的社會(huì)損失；pf——設(shè)備故障概率；PG——該區(qū)域現(xiàn)階段產(chǎn)電比；T——某一時(shí)期某一地區(qū)內(nèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與電能消耗量之比，元/kW·h；LL——總的負(fù)荷丟失量；T——設(shè)備的故障維修停運(yùn)時(shí)間。

2.5 輔助決策模塊

輔助決策包含兩項(xiàng)內(nèi)容：第一是預(yù)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，把握風(fēng)險(xiǎn)情況；第二是在事故處理時(shí)規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，以風(fēng)險(xiǎn)最低為優(yōu)化目標(biāo)搜尋可靠通路。

實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)排序中采用的準(zhǔn)則主要有4種：以設(shè)備故障概率pf大小；以設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)RT大小；以設(shè)備維修凈收益BN大小和以設(shè)備維修凈收益率BR大小為排序準(zhǔn)則。

當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)考慮兩種及以上的準(zhǔn)則時(shí)，問題將由單目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄繕?biāo)歸一化復(fù)合決策。

(15)

式中TC——?dú)w一化的復(fù)合指標(biāo)；N——排序準(zhǔn)則種數(shù)；Ti——該設(shè)備第i種排序準(zhǔn)則的指標(biāo)值；Tm——所有設(shè)備中第i種排序準(zhǔn)則的最大指標(biāo)值；ωi——決策者對(duì)第i種排序準(zhǔn)則的主觀權(quán)重系數(shù)。

3 結(jié)語

通過輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)基于調(diào)控人員必要的數(shù)據(jù)支持，建立了基于輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的調(diào)控輔助決策系統(tǒng)。總結(jié)基于風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的體系組成，使基于風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)從純粹的理論轉(zhuǎn)化為具備很強(qiáng)操作性的工程體系。和其他類似成果相比，該研究具有以下幾方面的特點(diǎn)：

(1)建立了全面的輸變電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系，考慮了輸變電設(shè)備自身損失及其對(duì)電網(wǎng)安全、人身環(huán)境、社會(huì)方面的影響，以貨幣形式對(duì)輸變電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的可視化評(píng)估。

(2)開發(fā)輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)調(diào)控輔助決策系統(tǒng)，通過整合OMS等4大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中狀態(tài)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需要的參數(shù)和數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)評(píng)價(jià)及輔助事故處理等功能，將輸變電設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論算法植入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并應(yīng)用于輔助決策系統(tǒng)。

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[6]郭永基. 可靠性工程原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

(本文編輯：趙艷粉)

Research on Regulation Auxiliary Decision-Making System Based on Power Transmission and Transformation Equipment State Evaluation

GAO Xiang, LUO Jun, YANG Neng-wu

(Lianyungang Power Supply Company, Jiangsu Electric Power Corporation, Lianyungang 222004, China)

This research establishes risk-based power transmission and transformation equipment condition evaluation system by using current condition evaluation technology. As for the equipment condition concern, combined with the grid status, the regulation auxiliary decision-making system was developed based on power transmission and transformation equipment condition evaluation. This system embeds transformer and circuit breaker risk assessment theory algorithm into the risk assessment model, achieves the seamless connection between the auxiliary decision system and multiple sets of existing production system, helping regulation personnel avoid risks of on-site equipment when starting to issue an order.

risk assessment; state evaluation; regulation auxiliary decision-making system

10.11973/dlyny201506014

高 翔(1986)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行分析等工作。

TM73

A

2095-1256(2015)06-0803-04

2015-09-01