智能電網控制系統的電網一體化控制方法研究

張 征，趙培培

（國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著電網規模的不斷擴大和發展，電力系統中在運設備數量大幅增加，設備老化、故障問題日益突出，將嚴重影響電網安全運行效率，降低電能質量。

輸配電系統由許多獨立設備組成，這些設備各自的投運時間、運行機時、老化程度等都不盡相同，需要制定適當的設備維護策略以確保輸配電系統的運行可靠性[1-2]。通常而言，輸配電系統的維護成本越高，其可靠性越強，隨著系統可靠性的提高，電氣設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備，以及進行長距離輸送時，電力損耗將升高，導致電力輸送成本增加，因此為了優化成本效率和電源質量之間的平衡，保證電網運行效率，基于設備運行狀態監測和診斷系統對設備當前運行狀況進行實時監測和評估，并預測設備未來的運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，導致絕緣材料可靠性降低的因素有很多，包括運行年限、材料種類、工藝、運行環境等[10-13]。顯然通過加大設備投資可有效提高電網運行效率和電能質量，但是實際工況中電網建設投資成本通常需要控制在可接受范圍之內，這些成本包括電網建設、設備維護、更換、人力等成本，因此電網建設投資、運行維護成本與電能質量之間的平衡，一直是研究人員關注的焦點，在保證電能質量最優的同時，盡量降低電網投資成本，對于保證電網可靠性具有重要意義。

為此，本文提出了一套IGMS（一體化智能電網管理系統），該系統是資產管理系統和智能電網的集成，其診斷系統和信息系統可獲取電力系統當前的性能以及設備運行和維護的歷史，并將所有數據收集在控制中心，通過評估設備的運行狀態，給出設備維護方法和時間表，提出最佳維護策略。IGMS 通過使用功率流控制和設備維護，可以將單個設備的絕緣老化問題對整個系統的影響降至最低。最后，通過仿真算例驗證了IGMS的有效性，實現了當前潮流和輸配電系統未來維護的最佳控制。研究成果可為電網一體化控制方法和設備維護策略研究提供參考。

1 輸配電系統模型

為了對IGMS 采用的核心潮流控制方法進行實驗測試，驗證潮流控制方法的有效性，本文從輸配電系統實際運行出發，通過一套輸配電系統模型對潮流控制方法進行實驗。

1.1 輸配電系統系統目標函數

輸配電系統系統成本的目標函數z 由許多成本組成，其表達式見式（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成本以及最佳的輸配電系統路線。

式中：z 為輸配電系統成本的目標函數；Xij為從變電站i 經過母線SSi和SSj到變電站j 的傳輸功率；Xm為設備m 中的電功率；Xn為負載n 的斷電功率；aij為輸配電系統正常運行期間損耗的成本；bij為輸配電系統過載運行期間損失的成本；cm為過載運行造成的系統壽命縮短損壞；dn為客戶的停機成本；en為供應商的停機成本；fm為維護成本；gm為電力設備的燃料成本；hm為故障設備的維修成本；Line 為傳輸線組；OverLine 為過載線組；OutLoad 為停機負載組；MentEquip 為輸配電系統中的設備組；FailedEquip 為輸配電系統中的故障設備組；PowerEquip 為發電設備組。

客戶的停電損失取決于客戶的類型，假定發生故障的設備維修成本為設備成本的1/3。在TR（變壓器）中，絕緣紙的電氣強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 輸配電系統模型

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

圖1 Billinton 測試系統

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備都是新的；不均勻老化條件意味著在特定地區隨機產生每種設備的制造年份，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，并不是簡化計算的診斷數據。

圖2 裝置故障率

2 IGMS 的潮流控制策略

IGMS 的核心功能是根據設備的狀態監測和診斷結果確定最佳維護策略和最佳潮流控制方式，本節重點介紹IGMS 采用的潮流控制策略，并利用第一節介紹的輸配電系統對該潮流控制策略的有效性進行驗證。

2.1 潮流計算

在操作電力系統時，穩定電壓是個十分重要的工作，因此在系統控制功能Fcontrol中使用了實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，從而獲得每個節點中的最佳電壓和系統中的潮流。控制函數Fcontrol的表達如下：

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載中的電源故障損壞量成比例。

發電廠中產生的電力通過輸電線和TR 發送給用戶，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 和負載電流I決定。

TR 的質量會隨著使用壽命的增加而降低。在計算中，通過TR 的退化特性，假設負載率增加到100%時溫度上升到40 ℃，當溫度再升高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用的增加，在計算中將設備的壽命減少估計為成本。客戶的電源故障損害會隨著客戶的行業不同而發生重要變化，因此使用了電源故障損壞的平均值。

2.2 新建設備的潮流優化

圖1 中所有電力設備都處于新安裝狀態下的最佳潮流控制，在這種情況下，設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 使輸配電系統系統損失最小化，因為當所有線路如圖3 所示進行連接時，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，證實模式32 是最佳的潮流控制。

表1 控制模式統計表

圖3 潮流分布示意

在每種控制模式的潮流中，所有電力系統中可能發生的輸配電損耗和設備故障都轉化為成本，在所有控制模式中成本最低的控制被認為是最佳的。每小時對圖1 測試系統中的每個斷路器（CB1—CB3）進行狀態監測，記錄局部放電診斷和控制電流診斷，并根據診斷結果進行潮流控制。

電力設備的診斷結果和故障率如表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 為最優控制模式，使輸配電系統損失最小化。

假定在線運行的傳感器在0 h 處檢測到CB3中發生諸如接地之類的故障，這一故障可能會影響整個系統，必須在最短時間內關閉CB3 周圍的所有CB。在這種狀態下，CB3 的故障風險變大，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，輸配電系統某些損失增加，但是由于可以防止涉及整個系統的事故，所以在總功率最優的情況下將總成本保持在最小。

隨著時間推移，在14 h 后，經診斷，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，關閉線路4），此時總成本為最低。

2.3 不均勻老化網絡的潮流優化

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

圖4 不均勻老化網絡的設備狀態

不均勻老化網絡的潮流控制模式及總成本如表4 所示。由于線路1 端點處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 不均勻老化網絡的潮流控制模式及總成本萬元

假定在0 h 之前，各CB 診斷狀態為正常，則模式40 是最佳的。假定在線運行的傳感器在0 h 處檢測到CB3 中的部分放電，并顯示警報為異常狀態，因為CB3 的故障風險增加，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，從而使故障導致的總成本得以最小化。假定在14 h 后，在CB2 中發現異常，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，含有劣化設備的電力系統可以通過相對應的控制模式進行控制，不僅可以降低輸配電系統損失的成本，還可以降低由于設備故障導致的損壞成本。

3 案例分析

本文以圖4 所示輸配電網系統為案例，同時采用TBM（基于時間的維護）方法和本文提出的智能一體化方法，計算分析電網中設備的總運維成本隨時間變化的規律。結果如圖5、圖6 所示，其中實線是采用本文方法得到的計算結果，虛線是采用傳統TBM 方法得到的結果。

圖5 新安裝網絡條件下累計輸配電系統成本的比較

圖6 不均勻老化網絡條件下累計輸配電系統成本對比

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

電氣設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所有可能的維護計劃，從而獲得最佳維護策略。而后，針對每個維護計劃，計算評估期內的總輸配電系統成本。最后，通過比較每個維護計劃的總輸配電系統成本，得出了使總輸配電系統成本最小化的最佳維護計劃。

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

圖7 維護效果

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

不論使用壽命是0 或20 年，IGMS 的成本都比TBM 的成本低。由于設備的評估期是60 年，因此IGMS 運行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成本，并在考慮可靠性優先級的情況下得出最佳維護計劃，從而驗證了IGMS 的有效性。

4 結論

電力成本效率和電能質量之間的平衡是輸配電系統運行和控制的基本問題，對于保證電網安全運行至關重要。為此，本文提出了一套IGMS來確定最佳維護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 可以對設備故障、輸配電系統損失、設備壽命估算、停機、維修和維護等工作的成本進行評估，并且給出最佳維護策略和解決方案，通過總輸配電系統成本最小化來預測最佳的潮流路徑，使用功率流控制和設備維護，將單個設備的可靠性對整個絕緣系統的影響降至最低。

（2）本文基于狀態監測和設備診斷結果，采用算例將IGMS 應用到實時潮流控制中，得出電力系統設備的最佳維護策略，運用CB 的維修策略模擬計算，驗證了本文提出的IGMS 的有效性。

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