供配电安全技术.doc

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1、电网状态检修摘要：随着电力事业和科学技术的快速发展，传感技术、计算机技术微电子技术综合智能系统等技术日益科学与规范，使得多功能、多状态的在线监测技术和离线监测技术得到了广泛的推广和应用。在状态检修背景下，为解决电网运行整体与输变电设备个体之间的矛盾和冲突，在已有研究成果基础上，提出电网状态检修的概念，在输变电设备状态检修决策过程中，给出电网故障风险和电网检修风险的定义以及相应的量化表达式。依据设备状态预测，以电网故障风险和电网检修风险的和最小为目标，将设备检修、运行以及电网整体性能在概率引导下相互牵制，形成电网状态检修的数学模型，并给出相应的解决方法。关键词：输变电设备；状态检修；故障风险；检

2、修风险1 引言电力关系到国民经济的可持续发展。随着现代社会和经济的发展, 对能源的巨大需求促进了电力工业的飞速发展,使得电力系统向大容量、超高压和跨区域方向发展。然而, 随着系统容量的增大和电力网规模的扩大，电力设备故障给人们的生产和现代生活所带来的影响也越来越大, 因此对系统的稳定经济运行也提出了越来越高的要求, 而保证系统经济性和稳定性的一个强有力措施就是在提高电力设备使用率的同时保障其正常运行。目前的设备检修体制, 即计划检修，并不能满足要求。在高速发展的科学技术带动下, 为适应电力部门向市场化现代企业模式的转变,出现了一种新的检修策略, 这就是电力设备状态检修。所谓状态检修就是根据设备

3、的运行状态和健康状况而执行检修的预知性作业。以设备当前的实际工作状况为依据，通过先进的状态监测和诊断手段、可靠性评价手段以及寿命预测手段来判断设备的健康状态，识别故障的早期征兆，对故障部位的严重程度故障发展趋势做出判断，并根据分析诊断结果，在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前主动实施维修。实施状态检修主要有以下两个优点：其一，实施设备检修可以 防止设备过检修或欠检修，并利用经济性分析手段，确定设备是否检修 ，以延长设备运行时间和检修时间间隔，减少检修项目，降低设备维修成本 ，能够克服计划检修的种种弊端，避免大量的人力 物力和财力的重复浪费，延长设备的稳定运行时间和使用寿命。另外，实施状态

4、检修可以 减少现场的工作任务和工作量，减少设备的停电次数和倒闸操作次数，减少发生电气误操作事故的几率，对确保人身安全和设备安全十分有利，因而使供电的可靠性得以明显提高，降低了检修成本 ，提高了经济效益 ，大大提高了设备运行水平和管理水平。2 电网状态检修的引出2.1 设备检修与电网运行的关系在电网运行过程中，设备检修和故障是一对矛盾，处理这一矛盾的实质就是检修与运行的协调，各种检修体制都是在不同程度上对这一矛盾进行的协调。其中的事后检修(即在设备故障后进行的检修)减少了设备监测和检修费用，但面临较大故障风险的威胁，在现代电网运行中是不可取的；而定期计划检修根据检修周期安排的合理性程度，对二者间

5、的处理不可避免的存在着保守或冒进的情况。状态检修以设备当前的实际性能为依据对检修时机进行决策，相比定期计划检修，提高了对检修时机把握的精确性，有效地协调了检修与故障间的矛盾，但已有的研究大多只考了设备的个体性能，缺乏对设备间关联和电网运行风险的考虑。其次，在电网运行过程中设备检修与运行策略之间充满关联性，主要体现在：一是内在的关联，不同的检修与运行策略，设备运行中显现的效能不同，如设备的可靠性和载荷能力与检修、运行交替的规律关系密切，恰当的检修与维护可提高运行的可靠性和载荷能力，而所谓恰当是指检修也需要付出代价，就设备个体而言，其检修与运行就是一个折中决策的问题；二是外部的关联，待检修设备不同

6、的安排方式，对电网运行质量(安全、可靠、经济)至关重要，如待检修的设备集内元素间有功能(串联与并联，同时受制于基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律)上的关联，也有捆绑式的经济利益上的关联，同时从不确定性角度看，该集内元素不同的组合，抵御随机不确定性问题的能力也随之变化，显现出随机性的关联。2.2 设备故障率评价及其预测定期计划检修模型中，通常使用平均故障率来代表所有同类型设备的故障率，因而检修时难以与设备性能进行关联。为了实现电网状态检修，需要跟踪设备的故障率及其发展趋势，以及预测或估计检修后设备的故障率变化。 根据输变电设备监测及状态评价结果，利用国家电网公司输变电设备状态检修试验规程以及相关

7、设备的状态评价导则，可以求取各设备状态的评价分值，然后根据输变电设备故障率与设备状态之间的关系，便可求取设备的故障率。设备故障率与设备状态之间的关系可描述为： (1)式中：为设备故障率；K为比例系数；C为曲率系数；H1为设备状态评价分值。由此，利用设备可靠度与其故障率间关系，可以求取待检修设备在研究周期内各时段的可靠度。在研究周期内，设备上一次检修至研究周期内时刻t 之间的累计故障率为： （2）式中：为设备当前的等效役龄，该值可以根据设备当前对应的故障率在其对应的故障率曲线(本文采用威布尔分布曲线对设备故障率曲线进行拟合，其尺度参数、形状参数分别用、表示)上查得；T为距离上一次检修设备已运行的

8、时间。研究周期内设备在时刻t的可靠度R（t）为： （3） 运用役龄回退因子概念描述检修对设备性能的改善效果，建立检修前后设备故障率间的关系如下： （4）式中：为检修后设备等效役龄；为役龄回退因 子；为研究周期内设备对应的检修时刻；为设备上一次检修对应的等效役龄；、分别为设备在研究周期内检修前后的时刻t对应的故障率。2.3 电网状态检修的概念假设设备性能监测、状态估计、故障诊断以及未来设备故障率预测等技术完备有效，在此基础上本文提出电网状态检修的概念。所谓电网状态检修，就是在设备性能在线跟踪及预测的前提下，对应一定的研究周期内，从电网运行的角度，综合考虑设备个体性能、设备间的关联性以及电网运行方

9、式等，依据运行条件下电网检修风险与故障风险对应的损失价值和最小所实施的检修策略制定。2.4 电网故障风险及其表达电网故障风险为研究周期内，由于输变电设备故障而引起的设备个体及电网的损失。这种损失不仅仅只是故障发生的概率，而是概率与后果的综合。具体表达如下所示： （5）其中： ，式中：为研究周期内对应时段t的电网的故障风险；为研究周期内所划分的时段数；S (t )为电网在时段t所对应的事故集合；Ps(t)为时段t事故s发生的概率；为时段t事故s所引起的电网损失；为时段t事故s所引起的设备个体损失；为时段t计及设备检修，事故s引起的电网非计划失负荷量；为需求侧非计划失负荷单位赔付费用；为事故s 对

10、应的故障设备集合；为设备故障后引起的维修或更换费用。本文基于状态枚举的方法确定事故集及其发生的概率，事故集通过如下的二项式乘积展开来求取： (6)式中：Pi 和Qi 分别为设备i 工作和故障的概率；N为电网中设备的数目。事故s 在时段t发生的概率计算如下： (7)式中和分别为事故s中故障和工作的设备数量。2.5 电网检修风险及其表达电网检修风险为研究周期内，由于输变电设备检修而引起的设备个体及电网的损失。这是由于状态检修作为一种预防性检修，是在设备故障前实施检修，在降低设备故障损失的同时，不可避免的伴随着另外一种损失，这种损失是由于在设备故障前实施检修而不能使其充分利用造成的，因此检修风险不仅

11、与检修引起的设备检修费用和电网损失有关，而且与该设备仍然能够正常运行的概率有关，同电网故障风险类似，是概率与后果的综合。具体表达式为 (8)其中： ，式中：为时段t电网的检修风险；为时段t设备检修场景的集合(当同一时段有多个设备进行检修时，设备间运行状态(可靠、不可靠)将有多种组合，这里用检修场景表示)；、分别为在时段t，检修场景对应的电网损失、设备个体损失；、分别为时段t计及检修、不考虑检修时，电网所对应事故集；为时段t检修场景，检修引起的计划失负荷量；为时段t计及检修场景中对应检修停运设备，故障状态s所引起的非计划失负荷量；为时段t 不考虑设备检修停运，故障状态s所引起的非计划失负荷量；为

12、需求侧计划失负荷单位赔付费用；为检修场景中可靠的设备集合；为设备检修需要的费用。式(8) 为研究周期内t时段检修场景对应检修所引起的电网损失，其中：第 1 部分表示检修引起的计划失负荷所导致的赔付费用；第 2 部分表示检修所引起的非计划失负荷的赔付费用增量。在计算过程中，时段t检修场景对应待检修的设备中，可靠的设备置为停运状态，不可靠的设备置为运行状态，依此显现检修引起的损失。换言之，一旦决策设备检修，就意味其可靠工作水平的丧失，由此引发的损失，即为检修风险的本质涵义。 检修场景可通过以下二项式乘积展开来求取: (9) 式中：Ri 和Fi分别为时段t设备i的可靠度和不可靠度；M为电网在时段t同

13、时进行检修的设备数目，由此检修场景的个数为。时段t检修场景的概率计算如下： (10)式中、分别为时段t 检修场景对应检修设备中的可靠工作和不可靠工作设备数量。2.6检修风险与故障风险的关系电网检修风险与故障风险是对立的，电网检修风险反映电网检修过剩，由于检修而引起的损失，对设备的使用过于保守；电网故障风险反映由于电网检修不足，设备发生故障而引起的损失，对设备的使用过于冒进。 电网检修风险与故障风险是统一的，二者统一于电网的安全经济运行水平。3 电网状态检修的数学模型在给定的研究周期内，针对设备状态监测及预测技术，对需检修的设备集，电网状态检修决策的目标函数为检修风险与故障风险的和最小，即 (1

14、1)由式(11)可知，在满足设备检修、电网运行等相关约束的前提下，决策研究周期内设备检修的安排。 因此，电网状态检修是复杂的决策问题，体现在电网运行中的不确定性因素的概率处理、设备检修的可行性以及多场景下的诸多约束。3.1 相关设备检修的约束条件在研究周期内，做出设备检修或运行的决策，必须满足如下约束： 1 ）检修时间约束为: （12）2 ）检修资源的约束为: （13） （14）式中：为设备k在时段t时的状态变量，=1表示设备k在时段t处于检修状态，=0表示设备k在时段t处于运行状态，并认为设备检修期间退出运行，在研究周期内设备仅检修一次；、分别为设备k检修开始时间和检修持续时间；为设备k进行

15、检修对资源i的需求量；时段t资源i的可用量；为研究周期内资源i的总量。满足上述约束条件的检修方案，下文称为可行检修方案，实际上一定存在若干个可行检修方案，因此电网状态检修决策是组合的优化问题。3.2 设备故障率的获取研究周期内，对应某一可行检修方案，设备障前后的故障率可以通过式(4)进行获取。只有各时段设备的状态及其故障率确定后，才可实现某一场景下目标函数的解析。3.3 电网检修风险的获取研究周期内，对应某一可行检修方案，若某时段没有设备安排检修，则该时段检修风险为0 ；当该时段有设备检修，则首先根据式(2)、(3)计算设备的可靠度，然后根据式(13) 、(14) 计算该时段对应的检修场景个数

16、及其概率，对任一检修场景计算其对应的电网损失和设备检修费用，最后根据式(10) (12) 便可求解出电网检修风险。3.3 电网故障风险的获取研究周期内，对应某一可行检修方案，某时段没有设备安排检修，利用式(8)(9)计算该时段的事故集及对应的发生概率，对事故集中每一事故利用式(6)(7)计算其对应的电网损失和设备故障后维修或更换费用；当该时段有设备检修，在检修对应的电网损失计算基础上，计及检修设备停运，计算事故集中每一事故对应电网损失和设备故障后维修费用，最后根据式(5)便可求解电网故障风险。3.3 电网运行损失的计算电网运行损失借用电网供电不足引起损失的概念(本文阐述限定在失负荷量的损失)。

17、 在电网状态检修决策过程中，电网运行损失由2 部分构成：一是检修直接引起的损失(本文限定为计划的失负荷损失)；二是故障引起的非计划失负荷损失。当然，二者的意义不同，损失的价值也不同，因此要分别求解。前者只考虑设备检修停运，后者在检修引起的计划失负荷基础上，计及设备检修停运和设备故障，求取了随机失负荷。尽管如此，二者都可统一在如下直流优化潮流模型中，因此，其求解方法相同。研究周期内，对应某一可行检修方案，针对某一电网运行状态(计及设备检修的电网状态、计及设备检修和故障的电网状态)，统一的直流优化潮流模型可表示如下：1 ）目标函数为： （15）2 ）约束条件。发电与负荷平衡约束为 ： （16） 输

18、变电设备有功传输约束为： ， （17）机组输出有功功率限制约束为： （18）失负荷量限制约束为： （19）式中：Pg、Pc、Pd分别为机组有功输出、节点负荷、失负荷向量；Ng、Nd分别对应机组集合、负荷集合；T、Tmax 分别为输电设备的有功传输、最大允许有功传输向量；A为输变电设备传输的有功功率和节点注入的有功功率间的关联矩阵；Pg,max、Pg,min 为机组的有功出力的上限、下限向量。该模型中，决策量为Pg、Pc、Pd、T，除T外，其余均为非负量，目标函数是关于决策量的线性函数，对T进行非负处理后，通过对不等式约束引入松弛量，可得标准的线性规划模型进行求解。4 小结实施状态检修的目的就是

19、科学保养设备，在保障设备安全经济可靠的前提下，最大限度地提高设备的利用率，降低检修时造成的人力财力物力的浪费，提高企业经济效益。本文提出了电网状态检修的概念，并就电网状态检修决策的基础理论进行较深入的研究，提出相应的模型和方法。在设备检修决策过程中，综合考虑设备个体的性能、电网运行方式及设备间的关联性是有必要的；电网状态检修概念及其模型可以有效地协调设备的检修、运行与电网整体运行性能之间的关系；状态检修与运行决策的融合，扩展了输变电设备状态检修的概念，提高了状态检修的效益，有良好的应用前景。参考文献1许进华，吴玉红电力设备状态检修的必要性科技情报开发与经济，20102李明，韩学山，杨明等电网状态检修概念与理论基础研究中国电机工程学报，20113张怀宇，朱松林，张扬等输变电设备状态检修技术体系研究与实施电网技术，20094陈安伟输变电设备状态检修的应用电网技术，20095潘乐真，鲁国起，张焰等基于风险综合评判的设备状态检修决策优化电力自动化设备，2010