计及风险损失的配电设备差异化运维策略优化_罗凤章.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.35 No.4Apr.2023计及风险损失的配电设备差异化运维策略优化罗凤章1，王之睿1，杨漾2，李学龄2，柴雁欣2，王林波3（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072：2.南方电网数字电网研究院有限公司，广州 510670；3.南方电网贵阳供电局，贵阳 550000）摘要：针对定期检修运维模式存在的运维资源分配不合理问题，提出了一种计及风险损失的配电设备差异化运维策略优化模型。首先以多源信息为输入，采用分层加权综合方法计算配电设备健康指数；然后利用故障后果模式分析法分析设备故障损失，以设备故障率和故障损失的乘积量化设备的风险水平；最后以检修成本和检修后系统风险损失加权和最小为目标，考虑有限运维资源约束，采用遗传算法求解配电设备的差异化运维策略。结合算例验证了模型有效性。关键词：配电设备；差异化运维；状态感知；风险评估；运维决策中图分类号：TM721文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）04-0001-08DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001049Optimization of Differentiated Operation and Maintenance Strategy for PowerDistribution Equipment Considering Risk LossLUO Fengzhang1，WANG Zhirui1，YANG Yang2，LI Xueling2，CHAI Yanxin2，WANG Linbo3（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Digital Grid Research Institute，China Southern Power Grid，Guangzhou 510670，China；3.Guiyang PowerSupply Bureau，China Southern Power Grid，Guiyang 550000，China）Abstract:Aimed at the problem of unreasonable allocation of operation and maintenance resources in a regular maintenance mode，an optimization model of differentiated operation and maintenance strategy for power distribution equipment is proposed，which takes into account risk loss.First，the multi-source information is taken as input，and thehealth index of power distribution equipment is calculated using the method of hierarchical weighted synthesis.Then，the failure loss of equipment is analyzed by the method of failure consequence mode analysis，and the product of equipment failure rate and failure loss is used to quantify the risk level of equipment.Finally，the minimum weighted sum ofmaintenance cost and system risk loss after maintenance is taken as the objective，and the genetic algorithm is used tosolve the differentiated operation and maintenance strategy for power distribution equipment considering the constraintsof limited operation and maintenance resources.The effectiveness of the proposed model is verified by a numerical example.Keywords:distribution equipment；differentiated operation and maintenance；state awareness；risk assessment；operation and maintenance decision-making配电网承担着连接电网并向用户直接供电的重要任务，配电设备的持续良好运行关乎广大电力用户的连续可靠供电和电网的安全可靠运行。配电设备种类繁多，规模庞大，具有沿地域空间广泛分布的特点，设备运维工作量大，而基层运维单位人力物力资源配备往往有限，例如：国网某供电公司某配电班组仅13名成员，需要负责供电面积达40.64 km2配电设备的运维检修工作，涉及10 kV架空线路与电缆线路 210 条，总长度 868 km，杆塔1 768基，变压器2 422台，开关柜10 899台。随着社会经济的发展，配网设备规模呈快速增长趋势，同时用户对配网供电可靠性要求不断提升，对配网运维工作提出了越来越高的要求，巨量配网运维需求与有限运维资源之间的矛盾日益突出。为了适应新材料、新设备、新技术和新方法的不断应用与企业内外部环境的发展，近年来各级电网公司纷纷开展了对标世界一流水平的配电网建设，提出并开展集成新能源与灵活负荷的智能配电网，集成冷热收稿日期：2022-03-28；修回日期：2022-07-01网络出版时间：2022-07-22 15：28：11基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB0906000）罗凤章等：计及风险损失的配电设备差异化运维策略优化电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报2第 4 期电气系统的能源互联网，支撑“碳达峰，碳中和”的新型电力系统建设。这些都对当前配电设备的运维工作提出了更加严格的要求。如何平衡配网运维资源与运维需求之间的供需矛盾，同时保障配电网的安全可靠运行，是现阶段配网设备运维工作所需要解决的核心问题之一。受限于有限人力物力，国内外目前普遍采用基于定期检修的传统运维模式1。该模式按照相对固定的周期开展设备的日常检修维护，当设备出现故障时对设备开展抢修2。这种运维模式无法计及设备性能的全生命周期发展特性，不可避免的会出现过运维或欠运维的情况，造成运维资源的浪费或增加设备故障风险3。随着在线监测、信息处理和故障诊断等技术的发展，基于设备状态评价的运维模式逐渐受到广泛关注4。该运维模式基于设备服役性能的浴盆曲线模型3，结合设备运行状态、历史维护数据等信息对设备的健康状态开展评价5-6，进而依据状态评价结果对存在故障隐患的设备开展预防性维护。这种运维模式在减少运维工作量和提高配电设备可靠性等方面取得了明显的成效。基于定期检修的运维模式和基于状态评价的运维模式主要关注设备整体水平的好坏，在当前运维资源有限的情况下，往往不能同时满足所有设备的运维需求。实际上，对于相同健康状态的设备，考虑其在电网中位置，所服务负荷的重要等级与可靠性需求的不同，其对运维资源的需求和优先级也不同。需要综合考虑设备健康状态、电网拓扑结构和设备故障引起的停电损失等因素，统筹分配有限运维资源，分别制定针对性的运维检修方案，即差异化运维方案。差异化运维是解决基层单位有限运维人力物力资源与巨量配网运维需求矛盾的有效方式，如何设计合理的差异化运维策略，实现配电系统安全可靠运行，同时降低运维工作量与检修成本，是本文的研究重点。差异化运维策略优化问题可以分解为顺次开展的状态感知、风险评估和运维决策三个子问题分别进行研究。第一个子问题状态感知。设备的状态感知是指在融合设备运行巡视、维护、检修、预防性试验和在线监测等方面数据的基础上，对反映设备健康状态的各状态量指标进行详尽的分析测算，综合感知设备的健康状态并评价其状态等级7。配电设备的状态感知通常以历史数据8、试验数据9-11和监测装置采集的数据12等为输入，采用层次分析法5、模糊综合评价法6等方法计算能够代表设备运行状态的健康指数并评价其状态等级。尽管上述研究已分析了多方数据，但依旧缺乏考虑红外测温数据、环境数据和故障录波数据等能够表征设备实时运行状态的关键数据。实际工作中，从每个设备获得的数据种类各不相同，为尽可能多的融合上述数据，需采用综合评价的思路对设备状态进行综合的感知。第二个子问题风险评估。风险是对可能发生事故后果的量化，普遍被定义为“设备故障发生的概率与所造成后果的乘积”12。针对故障概率的计算，通常采用基于历史统计数据的平均故障率模型13；针对事件后果的计算，主要考虑设备的抢修费用和设备故障导致的负荷失电损失14。上述研究主要侧重于从设备的角度量化故障后果的严重程度，而忽略了网架结构和设备所连负荷的差异性。为了支撑实现差异化运维，需要从电网安全可靠运行的角度，详尽分析设备故障对电网以及所涉及负荷的影响。为此，需要遍历每个受影响的负荷，对其负荷受影响的方式、范围、大小及转供情况等展开细致的分析。第三个子问题运维决策。运维决策是指基于配电设备的状态感知和风险评估结果，预判设备的故障趋势，根据设备所处位置、所服务负荷的类型等因素有针对性地制定设备运维策略。已有研究制定配电设备运维方式的主要依据是设备自身运行状态14-16。实际工作中，有限运维资源通常无法同时满足所有设备的运维需求，为实现有限运维资源的高价值化利用，需要综合考虑设备运行状态、电网拓扑结构和故障风险等因素，制定差异化的运维方案。为此，本文提出以下的解决思路：针对设备状态感知，提出基于多源信息的配电设备状态感知模型，该模型以多源信息为输入，通过加权综合评价的方法感知设备的健康指数与健康状态；针对风险评估，基于配网拓扑结构，采用故障后果模式分析法遍历配电设备故障对所有负荷的影响，以设备的故障率和设备故障损失的乘积来量化配电设备的风险水平；针对运维决策，提出计及设备风险损失、检修成本和运维资源约束的差异化运维策略优化模型，以检修成本和检修后系统风险损失的加权和最小为目标，以有限运维资源为约束，采用遗传算罗凤章等：计及风险损失的配电设备差异化运维策略优化3第 35 卷法求解。最后结合算例说明本文提出的差异化运维策略优化模型的有效性。1配电设备状态感知采用健康指数H15表达设备状态感知结果，这是衡量设备健康状态的指标。健康指数H的计算方法为H=i=1nwimi（1）式中：H为检修实施前配电设备的健康指数，用百分制表示；n为部件的个数；mi为第i个部件的评价结果；wi为第i个部件所占的权重。部件的划分和各部件的权重根据相关状态评价导则7，17或专家经验确定。通过加权综合评价的方法，融合多源数据，从指标-部件-设备自下而上，逐级合成的思路计算设备的健康指数，如图1所示。其中，部件的评价方法为mi=100-k=1Ki(100-xk)（2）式中：mi为第i个部件的评价结果；Ki为第i个部件中指标的个数；xk为第k个指标的评价结果，各指标的评价方法由相关状态评价导则7，17或专家经验确定。配电设备健康指数的计算依赖于实时运行状态信息的采集。以架空线路为例，本文考虑需要采集的实时信息包括电流、电压、线路温度、环境温度、故障录波数据等。由于现场条件的限制，实时信息里可能