計及可靠性的輸電網檢修計劃確定方法研究

彭石明，鄧集，李欣，夏駿

(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電力科學研究院，湖南長沙410007)

計及可靠性的輸電網檢修計劃確定方法研究

彭石明1，鄧集1，李欣2，夏駿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電力科學研究院，湖南長沙410007)

本文研究了基于檢修計劃的電網可靠性評估，提出一種計及電網可靠性的輸電網檢修計劃確定方法。該方法根據傳統檢修計劃制定多個預選方案，針對各預選方案進行電網可靠性評估計算，將評估的可靠性指標經濟化得到經濟指標；并通過比較各預選方案的經濟指標來確定最優方案，使得電網檢修兼顧可靠性和經濟性。

可靠性；經濟性；輸電網；檢修計劃

電力系統發輸電設備檢修計劃的任務是制定系統設備的檢修時間表，使得現有人力物力能夠按計劃完成檢修作業，同時又要滿足系統運行的所有或盡可能多的約束，使系統運行的可靠性水平可接受，檢修費用以及運行成本最小〔1〕。但是當元件檢修處于退出運行的狀態時，會潛在地降低檢修期間系統運行的可靠性，帶來潛在的經濟損失。因此，如何合理地制定檢修計劃至關重要。

現有電力系統計劃檢修安排問題的研究多集中在機組檢修上，對發電機組的計劃檢修安排采用拉平全年風險，或是以生產成本和檢修費用之和最低，或是采用最大最小備用率為目標〔2〕。隨著電網朝大電網、高電壓方向的發展，關于輸電系統檢修領域的研究也日益得到重視。文獻 〔3〕以可靠性指標為目標制定了輸電系統的檢修計劃。文獻〔2〕在此基礎上，利用Monte Carlo模擬法與有限差分 (FD)方法相結合的混合方法計算各線路在不同負荷水平下檢修的風險度，以檢修周期內造成電量不足年期望值最小作為目標，但該模型忽視了線路檢修對網絡拓撲的影響。文獻 〔4〕的檢修模型以系統在整個規劃周期內因線路檢修引起的供電不足風險增加量最小為目標，給出了基于禁忌搜索的求解數學模型的算法，但此方法在考慮大規模電網的情況下還需進一步研究。文獻 〔5〕借鑒了發電機組檢修策略，基于等風險思想建立了輸電系統優化檢修模型，其目標函數為檢修期內系統切負荷風險削減量最大。該模型考慮了檢修前后設備故障率的動態變化以及人力資源等約束，不足之處是未對檢修經濟性加以考慮。

文中研究了基于檢修計劃的電網可靠性評估，并提出了一種計及電網可靠性的輸電網檢修計劃確定方法。該方法通過傳統檢修計劃制定方法制定出預選方案并形成系統的運行方式，針對此系統運行方式進行可靠性評估，得到可靠性指標；將得到的可靠性指標經濟化，從經濟角度進行定量地評價，從而確定最佳方案。文中所提方法是對傳統檢修方法的改進和加強，包括傳統檢修計劃的所有內容，并克服了傳統檢修計劃不能保證電網高可靠性和經濟效益的難題，在實際生產中具有良好地應用前景。

1 計及可靠性的輸電網檢修計劃確定模型

文中的研究是對傳統維修規劃方法的一個擴展，對于如何制定檢修計劃方案不是本文重點，故不再贅述。

計及可靠性的輸電網檢修計劃確定方法即是對各種擬定的可能檢修計劃進行電網可靠性評估計算，兼顧其可靠性和經濟性來確定最佳方案。具體模型如圖1所示。

圖1 計及可靠性的輸電網檢修計劃確定模型

模型分為以下模塊:

①基于檢修計劃的電網可靠性評估模塊。該模塊主要對檢修方案下電網的運行方式進行狀態分析，對存在可靠性問題的狀態，進行校正分析和可能的負荷削減分析。

②輸出可靠性評估指標模塊。該模塊基于狀態分析結果及元件可靠性輸入參數進行電網可靠性指標計算。

③計及可靠性的檢修計劃經濟指標計算模塊。該模塊是將檢修方案下的電網可靠性指標轉化為經濟指標并結合其本身的經濟參數，得到量化后的綜合經濟指標。

④確定檢修方案模塊。該模塊是將多種預檢修方案的綜合經濟指標進行對比，得到經濟最優的檢修計劃作為最終確定方案。

2 基于檢修計劃的輸電網可靠性評估計算

檢修活動往往在發電機組或輸電線路停運條件下進行，而機組與線路的停運會導致系統可靠性水平及輸電能力降低，因此有必要對檢修計劃下的電網進行可靠性進行評估，從而為計劃的制定提供決策支持。

目前電網可靠性評估被分為充裕性評估與安全性評估2個內容，以下分別從這2個角度來分析。同時大電網的可靠性評估指標通常使用概率與后果相結合來綜合反映故障發生的可能性與嚴重性，因此文中所提方法以電量不足的概率性指標作為可靠性指標的輸出。

2.1 系統充裕性指標

電網充裕性指標體系中電量不足期望EENS (Expected energy not supplied)表示給定時間區間內因發電容量短缺或電網約束造成負荷需求電量削減的期望數，單位為MW·h/年，計算公式如下:

2.2 系統安全性指標

借鑒充裕性評估中對電量不足指標的定義，給出了對應的動態電量不足期望值EDENS(Expecteddynamic energy not supplied)。該指標表示為給定時間區間內因系統失去穩定而造成切負荷的期望值，單位通常為MW·h/年，計算公式如下:

式中 λi為元件i故障停運率 (次/年)；D是動態切負荷事件集合；DNS(Di)是動態切負荷事件Di的切負荷量 (MW)。

2.3 檢修計劃下的輸電網可靠性評估方法

現有大電網可靠性評估方法主要有狀態枚舉法和蒙特卡洛模擬法，2種方法的主要區別在于選擇系統狀態的方法不同。狀態枚舉法采用的是嚴格的數學手段，計算結果可信度高，但其計算量會隨著系統規模的增大而呈指數增長，因此對于大的電力系統，采用全狀態枚舉勢必會變得非常復雜。蒙特卡洛模擬法采樣次數與系統的規模無關，彌補了這一不足。但為了獲得精度較高的結果，蒙特卡洛模擬法往往需要很長的計算時間。

為了結合電網可靠性管理實際以及工程實用化的需求，文中結合上述2種方法的優缺點，針對檢修計劃下的電網形成了一套可靠性評估新方法。其方法如下:

1)根據檢修計劃中元件檢修停運的情況確定系統檢修情況下的網架結構集合。例如:某一段時間內，電網對1個元件進行停電檢修，則檢修情況下的網架結構即為原電網的N－1；若電網對2個元件進行停電檢修，則檢修情況下網架結構即為原網架的N－2。

2)在檢修情況下的網架結構集合中選取一種網架情況進行分析。通過該網架結構運行時的負荷數據獲得分級負荷及其各級負荷水平下的持續時間。

3)生成某一分級負荷水平下的檢修電網運行方式。某一負荷水平下檢修電網運行方式的生成應考慮夏季和冬季水電與火電的不同開機特點，同時滿足潮流收斂、相關狀態參數不越限和電網有功損耗最小的要求。

4)對某一生成的運行方式進行 N，N－1，N－2，…，N－k狀態分析，分別計算該運行方式下的充裕性指標和安全性指標。

充裕性計算需對任意i(i＝1，2…k)個元件失效后的N－i狀態進行潮流計算，并判斷是否出現潮流越限。若出現潮流越限問題，可先通過調整電源有功或無功出力、無功補償設備和有載調壓變壓器分接頭等措施來試圖消除該問題。若調整過后依舊存在越限情況，則需要通過削減負荷來解決。當評估電網有負荷削減方案時，遵照該負荷削減方案來執行；若評估電網沒有負荷削減方案，則一般以負荷削減量最小為基本原則，同時考慮就近原則和負荷重要程度削減原則。

在該運行方式下完成元件失效的系統狀態分析后，可根據以下公式結合元件可靠性參數得到此運行方式下的電量不足期望值:

安全性評估方法需對任意N－i(i＝1，2，…，k)故障條件下進行穩定分析，若出現穩定問題，則按照穩措配置情況動作穩措，計算該運行方式下的動態切負荷量。

在該運行方式下完成故障狀態分析后，結合元件可靠性參數計算此運行方式下的動態電量不足期望值，具體公式如下:

對比公式 (1)，(3)與 (2)，(4)可以看出:系統運行條件不變時，系統可靠性指標是不同運行方式下對應指標的總和。

實際工程上，由于電網規模巨大，一般計算截至到N－3狀態即可，若N－3仍無可靠性問題出現，再計算N－4狀態直到出現可靠性問題為止。同時考慮到安全性計算的計算量大，可適當減少運行方式簡化分析。

5)當某一檢修網架的所有運行方式評估完成后，將對應指標進行求和即可得到該網架結構下的可靠性指標EENS和EDENS。

6)對檢修計劃中的所有網架結構進行步驟2)—5)分析，求和得到檢修計劃的最終可靠性指標EENS總和EDENS總。

基于檢修計劃的輸電網可靠性評估方法可用圖2示意。該方法在原有大電網可靠性評估的方法上，考慮了檢修對電網結構的改變，并計及檢修期間不同負荷水平下的電網可靠性，使得評估結果更精準。

圖2 基于檢修計劃的輸電網可靠性評估方法

3 計及可靠性的檢修計劃經濟指標計算方法

檢修的經濟費用一般包括檢修費用和生產費用兩部分。其中生產費用是指檢修計劃已確定的情況下，因停電而損失的電量的費用以及因停電造成的其他損失的費用。因此，可以將檢修方案的可靠性指標轉化為經濟指標，結合合理的單位切負荷成本及檢修費用，定量地分析其經濟性，從而為現場提供決策支持。

文中定義某檢修方案的經濟指標包括3個部分，分別是該方案的計劃檢修費用、該檢修方案下系統因缺電造成的損失費用和該方案下其它設備發生故障折算費用的風險總值。其具體經濟指標如下:

式中 C是某檢修方案的計劃費用；EENS總是某檢修方案下的電量不足期望值；EDENS總是某檢修方案下的動態電量不足期望值；CkWh是單位失負荷成本，為計算方便假設充裕性和安全性失負荷成本相同；ECli是設備i維修單價的期望；Pi是某檢修方案下設備i的故障概率；n是系統中總的設備數。

公式 (5)中電量不足期望值、動態電量不足期望值和設備故障概率是模擬計算的結果；設備維修單價的期望值根據設備的電壓等級和設備類型，由經驗給出；單位失負荷成本的計算則比較復雜，取決于很多非技術因素，一般使用宏觀經濟方法〔6〕。

經濟性和可靠性是電力系統運行的兩個相互矛盾的目標。該指標綜合考慮二者對檢修計劃下電網的影響，能有效找到一種在檢修期間保證電網高可靠性和經濟性的檢修計劃。由于指標的計算中采用了電網可靠性評估方法，不僅考慮了電網N－1安全性，而且能夠兼顧不確定帶來的連鎖故障和相繼故障，對近年來廣泛關注的由于微環境條件 (如覆冰、山火、暴雨、雷電等)帶來的電網安全問題具有適應性。另一方面，該量化指標避免了由于技術人員個人技能原因帶來的局限性，有利于確定安全經濟的檢修方案。

4 算例

為更好地說明本方法的可行性和實用性，文中利用PSASP軟件對某省級500 kV電壓等級電網的多種檢修計劃進行評價，并選取其中最優方案。其中計算條件如下:

1)截止到2013年底，該省電網共統調裝機容量為27 347.23 MW。其中火電裝機15 905 MW，占58.1%；水電裝機容量9 311.93 MW，占34.04%；風電場、抽水蓄能電廠、生物質電廠等其他裝機共2 130.3 MW，共占7.86%。全社會供電量1 146億kWh；最大供電負荷21 676 MW。現有500 kV廠站17座，變壓器27臺，運行容量為 21 500 MVA，500 kV線路49條，線路總長度為3 940 km。

2)計劃檢修周期為12天，為方便計算，將周期劃分為4個時間段，每個時間段持續3天，表1給出了每個時間段系統的最大負荷。現需要安排檢修的線路是線路1和線路2；根據線路的檢修項目確定檢修的持續時間分別為3天和9天。

表1 計劃檢修周期內各時段的最大負荷 MW

通過傳統的檢修方法初步擬定3個待評估檢修方案，各方案具體的線路檢修安排見表2。

表2 輸電網的待評估檢修方案

假設檢修單位失負荷成本為80元/kWh，為簡化計算，認為該電網所有線路檢修單價的期望均為27.9萬元，故障概率為0.086。用PSASP軟件進行檢修運行方式下的可靠性評估分析，量化電網檢修方案下的電量不足期望及動態電量不足期望。

根據每個時段的負荷數據可獲得分級負荷及其各級負荷水平下的持續時間。在該時段內設定6個具有代表性的負荷水平進行分析，結合公式 (3)，(4)得到不同負荷水平下的EENSn和EDENSn。并對該時段的不同負荷水平下的EENSn和EDENSn進行求和即可得到該時段的各檢修方案電量不足期望EENS和動態電量不足期望EDENS，見表3，4。

表3 電量不足期望EENS指標 MWh/年

表4 動態電量不足期望EDENS指標MWh/年

將4個時段指標求和即得到檢修計劃周期內各檢修方案電量不足期望EENS總和動態電量不足期望EDENS總，見表5。可以看出由于算例為省級環狀網絡結構，安全性問題較充裕性問題突出。

表5 電網可靠性指標 MWh/年

結合經濟參數與公式 (5)，可得到不同檢修方案的經濟指標，見表6。

由表2—6可以看出，如不考慮檢修方式下系統的可靠性，則選取方案3最為經濟；若計及電網可靠性因素，方案2為最優方案。通過算例可看出不同檢修方案下的系統可靠性不同，進而影響該方案的經濟指標和最終檢修計劃的選取。因此，文中所提經濟指標可有效找到保障電網可靠性的最經濟檢修計劃。

表6 不同檢修方案的經濟指標R1″ 萬元

5 結論

文中提出了一種計及電網可靠性的輸電網檢修計劃的確定方法，在傳統維修方法的基礎上，對擬定的電氣設備檢修計劃進行電網可靠性評估計算，將可靠性指標經濟化。提出檢修計劃的經濟指標函數，使其兼顧電網檢修的可靠性和經濟性來確定最佳方案。

相比于現有方法，該優化方法重點考慮檢修運行方式的運行安全性，從經濟方面進行定量評價，從而有效地為現場提供決策支持。同時該方法包括了傳統維修規劃的所有內容，因而它是傳統維修規劃方法的一個擴展，具有較好的實用性。

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Reliability-based maintenance scheduling of transmission power network

PENG Shiming1，DENG Ji1，LI Xin2，XIA Jun1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper considers the reliability assessment based on maintenance scheduling，and proposes a method to determine the reliability-based maintenance scheduling.The method develops various schemes according to the traditional maintenance scheduling，assesses the reliability of each proposed maintenance plan，and gets the economic indicator through reliability index economization.Then by comparing economic indicators，the optimal scheme that makes power grid maintenance reliable and economic is determined.

reliability；economy；transmission power network；maintenance scheduling

TM712

A

1008-0198(2015)05-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.002

2015-03-19 改回日期:2015-06-18

國網湖南省電力公司科技項目 (SGHN0000AZJS1400288)