基于可靠性評估的配電系統長期檢修策略研究

路建明，危瑾，陳遠揚

(1.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015)

基于可靠性評估的配電系統長期檢修策略研究

Long-term maintenance scheduling of distribution system based on reliability estimation

路建明1，危瑾2，陳遠揚1

(1.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015)

本文從設備老化特性入手，從系統角度建立了配電系統長期檢修優化模型。算例結果表明，該檢修模型可有效降低系統失負荷風險、提高系統的可靠性水平和經濟性水平。

配電系統；系統可靠性；經濟性；檢修規劃

相比輸電系統而言，配電系統中設備類型更多且網絡結構復雜，影響運行的因素很多，且直接與電力用戶相連，因此其安全穩定運行直接關系著電力用戶的用電可靠性〔1－2〕。合理的檢修計劃不僅可以提高檢修的效率，而且可以延長設備壽命，減少其故障概率及停電時間，提高系統可靠性以及系統收益〔3〕。

目前國內配電系統的檢修方式主要為定期檢修模式，檢修時間間隔和檢修內容主要根據設備制造商或專家的經驗進行確定，容易造成檢修過剩或不足。隨著電力行業的市場化改革以及配電系統網絡的發展與升級、配電系統自動化設備的增加以及用戶對用電可靠性要求的增高，定期檢修方式越來越不適應電網的發展，迫切需要形成新的檢修模式，以提高檢修的效率和針對性。

隨著電力行業檢修理論和水平不斷提高，對發輸電系統檢修的研究已經形成體系，但是作為電力系統中最復雜的網絡，目前關于配電系統檢修的理論則相對較少。基于此，文中針對配電系統的特點，分析了配電設備的老化過程，并基于設備時變故障率給出了合理制定長期檢修計劃的模型，以達到系統經濟性和可靠性綜合效益最佳為目的，并使用實際算例進行了驗證。

1 配電系統的檢修特性

配電網絡結構復雜，運行中的不確定因素很多，因此是電力系統中的一個薄弱環節。對配電設備進行合理的檢修是提高整個配電系統可靠性的有效措施，但由于配電系統的復雜性，檢修工作需要大量的人力和物力資源。由于配電系統直接連接負荷，因此合理的配電系統檢修計劃需要考慮負荷波動和用戶用電可靠性的影響。

1.1 配電系統直接連接電力用戶

配電系統作為直接連接電力系統和用戶的橋梁，因此配電設備的運行直接影響到用戶的用電可靠性；電力用戶的多樣性要求配電系統有相應的可靠性指標，同時負荷的變化對配電設備的可靠性指標如故障率有著直接的影響。因此，與發、輸電系統檢修不同，配電系統檢修要以檢修經濟性、系統可靠性和電力用戶的用電指標為基礎，來制定配電系統檢修模型。

1.2 配電設備種類繁多數目龐大

配電設備的型號規格、容量和數目均隨著電力負荷的不同而變化，同一類設備由于安裝位置和使用情況的不同其故障率等可靠性指標也不盡相同。因此，對于配電系統而言，使用不變的設備故障率來分析系統可靠性是不合理的，其原始參數和特性數據應該通過長期連續的統計才能反映設備的真實規律。

2 配電系統可靠性模型

2.1 配電網系統可靠性基本理論

配電網是一個由眾多不同類型的元件組成的復雜網絡，實際運行中的不確定因素很多，無論是設備故障停運還是設備檢修停運，均會造成系統網架結構和運行方式的改變，引起系統可靠性水平的降低甚至引起系統切負荷風險的提高。因此，在配電系統檢修安排過程中要時刻保證系統的可靠性水平在允許的范圍內。

目前國內電力系統主要是進行高、中壓用戶供電可靠性的管理工作，而低壓用戶供電可靠性僅處于理論研究階段。而配電系統的可靠性指標是系統檢修的基本依據，通過合理的檢修安排不僅可以減少由于設備故障造成的系統切負荷風險，同時可避免由于設備檢修停運造成的系統可靠性水平下降。因此，配電系統可靠性評估是文中所提檢修模型的核心。配電系統檢修安排中需要考慮的可靠性指標如下〔4〕:

1)系統平均停電頻率指標 (SAIFI):在給定時間內電力用戶的平均停電次數，即

2)系統平均停電時間指標 (SAIDI):在給定時間內電力用戶經受的平均停電時間，即

3)用戶平均停電頻率指標 (CAIFI):在給定時間內受停電影響的電力用戶經受的平均停電次數，即

4)用戶平均停電時間指標 (CAIDI):在給定時間內受停電影響的電力用戶經受的平均停電時間，即

5)電量不足期望值 (EENS):在給定時間內由于設備停運造成的系統向用戶供電的電量缺額。

配電系統可靠性評估〔5〕就是利用系統拓撲信息和元件可靠性參數，采用解析法或模擬法評估配電系統的各項可靠性指標〔1－3〕。

2.2 配電設備檢修的可靠性模型

一般認為電力系統設備投入運行初期，由于工藝缺陷和裝配水平的差異等，設備故障率較高但呈下降趨勢；隨著設備的運行，設備逐漸達到一個穩定期，此時設備故障率基本維持不變或變化很小，是配電網各設備運行的最佳工作時間；而隨著運行時間過長，老化、磨損和疲勞等原因將導致設備性能逐漸惡化、故障率迅速增加，此時極易發生設備損壞，從而影響配電網的正常運行、造成較大經濟損失。

當前，不同模型用來模擬不同設備的故障率變化情況，如經常用到的各種 Weibull分布〔6－7〕，其中參數的個數差異及取值不同決定了失效曲線形狀及變化趨勢，對于一般 “2參數”模型不能同時完整地呈現整個設備運行過程中失效曲線。這里采用文獻 〔7〕中的 “5參數”Weibull函數建立數學模型，具體如式 (1):

文中基于認為配電設備的故障率是隨運行時間的變化而變化的，根據設備的失效原因，如配電線路可能由于植被影響、絕緣子或配套設備損壞以及桿塔損壞等原因而發生故障，認為這些影響設備故障率的因素彼此是獨立的，據此將設備故障率分解成相互獨立的不同分量k。由于不同分量的故障率是獨立的，則設備的故障率對系統的影響可以等效成各分量對系統的影響之和，則文中配電設備故障率如式 (2):

2.3 檢修對設備故障率的影響分析

根據電力系統實際檢修情況分析，文中認為對不同類型的設備狀態采取不同類型的檢修，各類型的檢修只對其對應的故障率有削減的作用，認為各設備各類型的故障曲線都有一個初始值，經過檢修后，故障率會返回到該初始值，并不認為設備經過檢修后會返回到全新狀態，這更符合設備運行實際情況。對文獻 〔8〕中檢修對設備故障率的影響公式進行改進，形成本文的檢修后設備故障率計算公式如式 (3):

3 配電系統長期檢修模型

3.1 目標函數

配電設備檢修停運一方面提高了以后時段設備可用度水平，減少了設備發生故障后修復或更換設備的費用，同時改善了系統可靠性水平；另一方面也降低了檢修時段的系統可用容量，為維持一定的可靠性水平，甚至需要切除部分負荷，增大了該時段系統的可靠性成本。因此，文中建立以規劃周期內的總成本最小為目標函數的檢修模型:

配電設備檢修停運與故障停運均會導致系統有一定的失負荷電量，造成相應經濟損失，這部分也可以視為系統的可靠性成本。

3.2 約束條件

3.2.1 檢修策略約束

配電系統檢修策略約束主要考慮檢修策略安排過程中的組合問題，常見約束有檢修時間約束、檢修區間約束、連續檢修約束、檢修人力約束和檢修費用約束等。由于本檢修模型考慮的是長期檢修安排，檢修時段一般以年或月為單位，而配電設備的檢修持續時間一般為幾個小時，因此本檢修模型中檢修時間約束、連續檢修約束不需要考慮。

3.2.2 系統運行約束

在檢修周期內，不同的設備檢修決策形成的系統結構、潮流方式也不同。檢修安排需要考慮系統運行情況，滿足潮流約束、可靠性要求和系統運行約束等，約束條件較為復雜，非線性、離散且隨機，需要分析系統運行條件才能驗證。

1.配送線路的選擇無序。嘉興A配送中心的產品主要是家電產品，其銷售具有非常明顯的季節性特點，進入銷售旺季時公司的物流配送就沒有了系統的調配與管理，中心站點既缺乏了合理的路線選擇，也沒有了合理的時間安排，出現了物流配送路線選擇與車輛搭配的無序性問題。

4 算例分析

4.1 系統參數

文中采用IEEE RBTS母線6系統〔9〕作為算例。算例系統共包括26條線路、13個熔斷器、13個配電變壓器、13個隔離開關、2個斷路器和13個負荷節點，研究周期為5年，即60個月。

由表1可以發現，未檢修時系統沒有檢修成本，即檢修成本為0，則系統總成本只由故障后修復成本和可靠性成本組成，其中可靠性成本的比例比較大，達到系統總運行成本的84.96%。

表1 未安排檢修時的系統運行成本

4.2 檢修結果分析

檢修結果顯示，文中所提檢修模型將大部分設備安排在低負荷時段，而在負荷較高的時段安排檢修的設備很少，甚至沒有安排設備檢修。因此基于文中提出的檢修模型所得出的系統檢修安排，可避免在高負荷時段進行設備檢修帶來的失負荷風險，符合系統檢修安排的實際情況。檢修成本比較見表2。

表2 檢修安排成本比較

系統優化檢修之后，系統在 60個月內總的EENS為 571.728 MWh，比未檢修時減少了205.136 MWh；系統在 60個月內總的 SAIFI和SAIDI分別為25.315 7次、147.841 5 h，而未檢修時系統的 SAIFI和 SAIDI分別為 11.977 0次、187.408 1 h。由于設備檢修會造成負荷短時停電，因此合理的檢修安排可能會增加整個檢修周期內的停電次數，但可以減少整個周期內的停電時間，并對系統供電不足期望值EENS起到優化的作用。

5 結論

文中首先研究了配電設備的多狀態時變故障率模型，然后從系統角度綜合考慮系統可靠性和經濟性指標，建立了考慮設備老化特性的配電系統長期檢修優化模型；利用RBTS系統作為算例系統對檢修模型進行分析計算，結果顯示本檢修模型得出的檢修安排符合系統實際情況，優化了系統在規劃周期內的運行總成本，使系統經濟性指標得到提高，同時大大提高了系統運行的可靠性。

〔1〕王守相，王成山.現代配電系統分析 〔M〕.北京:高等教育出版社，2007.

〔2〕郭永基.電力系統可靠性分析 〔M〕.北京:清華大學出版社，2003.

〔3〕 T.Nakagawa.Maintenance theory of reliability〔M〕.London: Springer，2005.

〔4〕國家電網公司.用戶供電可靠性管理工作手冊 (第二版)〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔5〕別朝紅，王秀麗，王錫凡.復雜配電系統的可靠性評估 〔J〕.西安交通大學學報，2000，34(8):9-13.

〔6〕 Xie M，Tang Y，Goh.TN.A modified weibull extension with bathtub－shaped failure rate function〔J〕.Reliability Engineering and System Safety，2002，76:279-285.

〔7〕Feng CY，Wang XF.A competitive mechanism of unit maintenance scheduling in a deregulated environment〔J〕.IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(1):351-359.

〔8〕 Jahromi AA，Firuzabad M.F，E.Abbasi.An efficient mixedinteger linear formulation for long-term overhead lines maintenance scheduling in power distribution systems〔J〕.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(4):2 043-2 053.

〔9〕Billinton R，Jonnavithula S.A test system for teaching overall power system reliability assessment〔J〕.IEEE Transactions on Power Systems，1996，11(4):1 670-1 676.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.014

TM732

B

1008-0198(2015)04-0056-04

路建明 (1987)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力調度運行。

2015-06-16