劉定勇

(重慶市電力公司萬州供電局，重慶 404000)

1 考慮設(shè)備健康狀態(tài)的意義

結(jié)合設(shè)備健康狀態(tài)的智能調(diào)度是發(fā)展智能電網(wǎng)的潛在要求。理想中的智能電網(wǎng)將具有自愈、資產(chǎn)設(shè)備高利用率、用戶積極參與、防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和抵御自然災(zāi)害、電能質(zhì)量更好、協(xié)調(diào)分布式發(fā)電與儲能選擇、使電力市場進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)等特征。從基本特征分析來看，電力系統(tǒng)的發(fā)展方向已經(jīng)從傳統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的基本目標(biāo)升級為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化的高級目標(biāo)。

2 設(shè)備健康狀態(tài)評估

圖1概括了設(shè)備健康狀態(tài)的獲取流程以及在此基礎(chǔ)上的調(diào)度優(yōu)化。健康狀態(tài)的計(jì)算主要依賴在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修結(jié)果，而調(diào)度策略則根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)和負(fù)載率制定。

圖1 設(shè)備健康狀態(tài)評估與優(yōu)化概念圖

狀態(tài)檢修指的是根據(jù)在線監(jiān)測、巡檢記錄、診斷技術(shù)、可靠性評價(jià)等的結(jié)果安排檢修計(jì)劃，實(shí)施主動檢修。狀態(tài)檢修的主要意義是以監(jiān)測代替大部分的檢修工作可以提高設(shè)備的安全性與可靠性。狀態(tài)檢修結(jié)果可以用來評價(jià)設(shè)備狀態(tài)并制定檢修計(jì)劃，本文主要引入了健康指數(shù)（HealthIndex，HI）的概念來描述狀態(tài)檢修扣分值，并通過HI計(jì)算設(shè)備的健康狀態(tài)。雖然HI在一些文章中出現(xiàn)過，但其定義與計(jì)算方法各異。本文采用在中國國內(nèi)最新推行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行該指標(biāo)的計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各地的具體操作情況，對電網(wǎng)中的主要設(shè)備（斷路器、線路、變壓器）的狀態(tài)檢修方式以及打分細(xì)節(jié)已經(jīng)做出了總結(jié)，并且對主要設(shè)備的狀態(tài)與得分關(guān)系有了明確的規(guī)定。相比于國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)，它給出了更詳細(xì)的設(shè)備評判指標(biāo)，除了基本的傳統(tǒng)指標(biāo)外，還包括更為細(xì)致的組成元件的健康狀態(tài)情況，所以評價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確。這里，分值的計(jì)算與國外的分值計(jì)算不同，標(biāo)準(zhǔn)中采用扣分制，即每一項(xiàng)指標(biāo)的扣分值從0到10不等，權(quán)重從1到4不等。狀態(tài)量扣分值由狀態(tài)量劣化程度和權(quán)重共同決定，即狀態(tài)量應(yīng)扣分值等于該狀態(tài)量的基本扣分值乘以權(quán)重系數(shù)。最終的設(shè)備狀態(tài)取決于最嚴(yán)重的部件狀態(tài)。

部件扣分max表示最嚴(yán)重的部件扣分值。變壓器、斷路器、輸電線路的狀態(tài)量分值的計(jì)算方法都是一致的。本文所提及的健康指數(shù)（HI）即為該扣分值。

健康程度與故障率是此消彼長的互補(bǔ)關(guān)系，所以欲求得健康狀態(tài)，要先求得故障率。故障率與設(shè)備健康狀態(tài)分值通常呈指數(shù)關(guān)系，計(jì)算公式主要有如下兩種。

利用式（2）和復(fù)雜的后期處理得到了很好的故障率計(jì)算結(jié)果，但是其設(shè)備狀態(tài)檢修結(jié)果僅粗略地當(dāng)做0，0.5，1來計(jì)算，不能很好地利用狀態(tài)檢修結(jié)果。所以這里主要采用式（3）作為故障率計(jì)算公式。這里，λ為故障率，HI為健康指數(shù)，取值范圍一般為0到30。比例系數(shù)K與曲率系數(shù)C的求取可以應(yīng)用同類設(shè)備歷史數(shù)據(jù)得到，由年故障設(shè)備臺數(shù)與設(shè)備總臺數(shù)的比值確定年故障的發(fā)生率。

式中：N為設(shè)備總臺數(shù)，HIi為第i臺設(shè)備扣分值。得到K、C值之后，即可求得各臺設(shè)備在各種狀態(tài)下的故障率。根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行某區(qū)變壓器設(shè)備數(shù)據(jù)擬合，得K=0.011,C=0.045。進(jìn)一步計(jì)算設(shè)備健康狀態(tài)如式（5）所示。

設(shè)備健康狀態(tài)=1-設(shè)備故障率（λ）（5）

這里將健康狀態(tài)的值定義為取故障率的補(bǔ)值，間接建立起與健康指數(shù)的關(guān)系，是計(jì)算后文指標(biāo)的基礎(chǔ)。

3 調(diào)度策略

智能電網(wǎng)時(shí)代，設(shè)備的利用效率已經(jīng)不再是單純以提高設(shè)備負(fù)載率為目標(biāo)，而是要同時(shí)考慮設(shè)備實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)。由此，本文定義了一個(gè)新的能夠反應(yīng)新要求下設(shè)備使用效率的指標(biāo)，即健康負(fù)載指數(shù)。表達(dá)形式如下：

式中的H是設(shè)備的健康狀態(tài)，由式（5）求得，當(dāng)有多臺同類設(shè)備時(shí)候，需要進(jìn)行歸一化處理。L為設(shè)備負(fù)載率，這里需要將其取值范圍映射在健康狀態(tài)取值范圍之內(nèi)。HLI取值大于等于1，當(dāng)且僅當(dāng)H=L時(shí)取1。HLI與健康狀態(tài)/負(fù)載率的關(guān)系如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為健康狀態(tài)與負(fù)載率的比值，縱坐標(biāo)為健康負(fù)載指數(shù)，在H≈L時(shí)，HLI取最小值。

圖2 HLI指數(shù)與健康狀態(tài)/負(fù)載率的關(guān)系

HLI反應(yīng)了當(dāng)健康程度高的設(shè)備具有更好的負(fù)載率時(shí)，該指數(shù)小；當(dāng)健康程度低的設(shè)備具有與其相符的較低負(fù)載率時(shí)，該指數(shù)也小。也就是說，當(dāng)某設(shè)備的HLI越小的時(shí)候，該設(shè)備健康狀態(tài)與負(fù)載率的匹配越好，這也就實(shí)現(xiàn)了本文的核心目標(biāo)，即設(shè)備按其健康程度的不同帶有與其適合的負(fù)載率。

式（6）反應(yīng)了單一設(shè)備的健康負(fù)載指數(shù)。對于整個(gè)系統(tǒng)而言，希望同類設(shè)備具有近似的指數(shù)，所以系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)設(shè)為：

這里字母S表示系統(tǒng)（System）。下標(biāo)i表示第i類設(shè)備，下標(biāo)j表示負(fù)載率不為零的i類設(shè)備的第j臺設(shè)備。式（7）是針對系統(tǒng)中某一類設(shè)備的HLI的目標(biāo)函數(shù)，而式（8）是針對多種類設(shè)備HLI的考慮結(jié)果。wi是第i類設(shè)備的權(quán)重值，主要針對不同種類設(shè)備的一般的故障概率比重設(shè)定。故障概率高的設(shè)備賦予更大的權(quán)重，具體操作時(shí)還可以根據(jù)預(yù)想結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來對比修正。在實(shí)際運(yùn)行中，還要考慮傳統(tǒng)的如網(wǎng)損（NetworkLoss，NL）等重要指標(biāo)，由于同取最小值，所以可制定目標(biāo)函數(shù)如下：

目標(biāo)函數(shù)還可以擴(kuò)展到更多。此外，還可以考慮負(fù)荷的重要程度，反應(yīng)在負(fù)載率權(quán)重上，這樣可以使HLIS更合理。例如，饋線上有三類負(fù)荷，重要程度分別為a1,a2,a3,那么某一設(shè)備負(fù)載率L的值將是負(fù)載率與重要度的積。不難發(fā)現(xiàn)，重要程度高的負(fù)荷將使其所對應(yīng)的設(shè)備的負(fù)載率比原來更高，從而使得其健康狀態(tài)（H）也要相對更高，這就可以使重要負(fù)荷對應(yīng)更高的設(shè)備健康狀態(tài)。當(dāng)考慮設(shè)備健康狀態(tài)后所帶來的提高供電可靠性的經(jīng)濟(jì)

效益和設(shè)備檢修費(fèi)用改善之和大于線損時(shí)，那么采用考慮設(shè)備健康情況的智能調(diào)度就有價(jià)值。

其中，gk為重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若要求為輻射狀配電網(wǎng)，則G為所有可行的輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的集合。

潮流約束

系統(tǒng)各項(xiàng)有功功率和無功功率在各時(shí)刻必須供需平衡。向量x表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量（包括各節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角等）。

運(yùn)行約束

運(yùn)行約束主要包括母線電壓的幅值約束和線路允許最大電流約束以及設(shè)備的運(yùn)行的容量約束。與傳統(tǒng)約束略有不同的地方是向量中增加了設(shè)備健康狀態(tài)元素，并要求其值大于其對應(yīng)的需要進(jìn)行檢修的最低數(shù)值。對于這樣一個(gè)帶有約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化問題，有許多方法可以解決，例如多目標(biāo)進(jìn)化算法、多目標(biāo)粒子群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方法。

結(jié)語

調(diào)度策略改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行中針對設(shè)備的粗放型處理方式，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)備實(shí)際健康狀態(tài)進(jìn)行負(fù)載率的合理分配，不僅從傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)層面考慮，并且進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)備的使用效率。最后通過一個(gè)包含變壓器設(shè)備健康狀態(tài)的事例驗(yàn)證了健康負(fù)載指數(shù)對智能調(diào)度的有效性?？紤]設(shè)備健康狀態(tài)的智能調(diào)度符合智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，對于未來的智能調(diào)度具有重要意義。

[1] 俞漢生 .電力設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)度管理系統(tǒng),2009.

[2] 鄭勇. 探究電力調(diào)度管理的加強(qiáng),2012.