基于狀態(tài)評(píng)估的輸電線路巡視周期優(yōu)化研究

張林華 李仕林 趙明 楊勇

摘? 要：輸電線路巡視是保障電網(wǎng)安全的重要措施，在有限人力、物力資源的條件限制下，為保證輸電線路的高可靠性，需要更加注意巡視周期的合理優(yōu)化安排。相較于傳統(tǒng)巡視模式，通過(guò)引入輸電線路狀態(tài)估計(jì)模型，對(duì)輸電線路故障概率進(jìn)行刻畫(huà)，然后綜合考慮巡視要求及各類(lèi)成本限制，并對(duì)現(xiàn)有巡視模式進(jìn)行優(yōu)化，具有很強(qiáng)的實(shí)際研究意義。文章通過(guò)建立計(jì)及輸電線路狀態(tài)評(píng)估、物力、人力資源消耗的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)可行多目標(biāo)求解方法對(duì)該模型進(jìn)行求解，以獲得優(yōu)化后的輸電線路巡視周期。通過(guò)文章研究為輸電線路工作安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供有效的保障。

關(guān)鍵詞：輸電線路;巡視周期;多目標(biāo)優(yōu)化;狀態(tài)估計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM755? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）29-0080-04

Abstract： In the current high reliability of transmission lines and limited human and material resources， more attention should be paid to the reasonable optimization of inspection cycle. On the traditional inspection mode， this paper introduces the transmission line fault probability model， describes the probability of transmission line fault， and then optimizes the existing inspection mode by taking inspection requirements and various cost constraints into consideration. In this paper， a multi-objective optimization model with fault probability， human resource and material resource consumption is established， and a feasible multi-objective solution method for this model is designed to obtain the periodic calculation results of transmission line inspection. This paper provides an effective guarantee for the safe， stable and efficient operation of transmission lines.

Keywords： transmission line; inspection cycle; multi-objective optimization; state estimation

引言

輸電線路由于其通道長(zhǎng)，所處環(huán)境復(fù)雜，受自然條件影響較大，導(dǎo)致線路故障在整個(gè)電力系統(tǒng)故障中占有較大比例，線路故障比設(shè)備故障導(dǎo)致的不良影響和危害更大[1]。輸電線路故障不僅影響著電力企業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也同樣給社會(huì)造成較大損失[2]。合理的輸電線路巡視模式和周期是有效避免輸電線路缺陷故障的有效措施[3]。

在輸電巡維優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[4]將線路劃分為4類(lèi)，綜合考慮輸電線路的正常運(yùn)維和各種特殊運(yùn)維，制定不同類(lèi)別設(shè)備的巡視周期，基于線路的巡維評(píng)價(jià)，得到全線的運(yùn)維策略。考慮了多類(lèi)運(yùn)維約束條件，以輸電線路巡視經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)函數(shù)，建立輸電線路差異化運(yùn)維模型，利用遺傳算法得到各線路優(yōu)化的差異化運(yùn)維計(jì)劃。文獻(xiàn)[5]基于實(shí)際調(diào)研獲得輸電網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖，考慮輸電網(wǎng)絡(luò)巡視消耗成本、機(jī)會(huì)成本、風(fēng)險(xiǎn)成本，以實(shí)際巡航問(wèn)題的約束條件和效用最大化的目標(biāo)函數(shù)建立模型，提出基于輸電網(wǎng)絡(luò)巡視路線優(yōu)化的遺傳算法設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]提出一種基于差分縱橫交叉算法的輸電線路巡檢路徑優(yōu)化方法，在解決同時(shí)考慮桿塔風(fēng)險(xiǎn)概率和路徑最短的多目標(biāo)輸電線路巡檢路徑問(wèn)題時(shí)，同時(shí)具備良好的全局逼近能力和快速的收斂性能。

為確保輸電線路巡視效果，保證輸電線路的安全可靠，本文建立了輸電線路的狀態(tài)評(píng)估模型，通過(guò)巡視輸電線路的狀態(tài)評(píng)估，搭建基于輸電線路巡維狀態(tài)評(píng)估的巡視周期優(yōu)化模型，通過(guò)模型優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)決策者制定合適的巡視周期開(kāi)展巡視工作。實(shí)現(xiàn)輸電線路巡視周期的合理優(yōu)化安排，保障輸電線路的安全可靠。

1 輸電線路巡維方式及狀態(tài)評(píng)估模型

1.1 輸電線路巡視方式及缺陷管理

對(duì)于輸電線路缺陷，按照嚴(yán)重程度分類(lèi)，輸電線路缺陷可分為一般缺陷、重大缺陷、緊急缺陷三類(lèi)[7]。其具體含義如見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)電網(wǎng)公司輸電線路缺陷管理方法的調(diào)研得到國(guó)內(nèi)電網(wǎng)公式對(duì)輸電線路狀態(tài)評(píng)估的運(yùn)營(yíng)方式，其流程如圖1所示[8]。

1.2 輸電線路狀態(tài)評(píng)估模型

針對(duì)輸電線路的狀態(tài)評(píng)估，本文利用線路上各元件的狀態(tài)進(jìn)行建模刻畫(huà)，給定設(shè)備零件的初始狀態(tài)，考慮狀態(tài)的時(shí)間轉(zhuǎn)移，構(gòu)建輸電線路的狀態(tài)評(píng)估模型。通過(guò)對(duì)元件狀態(tài)評(píng)估的數(shù)據(jù)分析，選擇不同的輸電線路，可以確定不同線路的各元件的狀態(tài)評(píng)分，在狀態(tài)評(píng)估過(guò)程中考慮輸電線路標(biāo)準(zhǔn)，可從設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[9]。

輸電線路的一般巡視是對(duì)整個(gè)輸電線路狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各個(gè)元件的狀態(tài)都將被計(jì)算到輸電線路的綜合評(píng)分中。通過(guò)對(duì)輸電線路中的各類(lèi)元件賦予合理的權(quán)重，加權(quán)計(jì)算該輸電線路的綜合評(píng)分[10]。

其中Hi（t）為元件i的可靠性評(píng)分，t為持續(xù)時(shí)間，βi是元件i所對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

為了評(píng)估線路狀態(tài)，需要對(duì)線路中元件的故障概率進(jìn)行建模。本文建立與元件狀態(tài)和壽命兩個(gè)變量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分布模型。首先建立故障函數(shù)：

式中？姿（t）表示故障率的時(shí)間函數(shù);？酌為系數(shù)，表示其他因素對(duì)狀態(tài)的影響。基于上述故障率函數(shù)，進(jìn)一步考慮時(shí)間t和設(shè)備的初始狀態(tài)S0，得到如下的線路狀態(tài)評(píng)分模型。

式中：? ? ?為考慮持續(xù)時(shí)間t和設(shè)備所處狀態(tài)是S的概率密度函數(shù);？姿（S0，t）為與設(shè)備的初始狀態(tài)S0和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間t相關(guān)的故障率函數(shù);K（t）為設(shè)備狀態(tài)衰減系數(shù)。

在設(shè)備狀態(tài)不變的情況下，故障率？姿（S0，t）可認(rèn)作為常數(shù)，故障率就只受設(shè)備狀態(tài)的影響。及在一個(gè)巡視周期[t0，t0+t]內(nèi)，故障率用t？姿（S0，t）進(jìn)行表示，根據(jù)輸電線路運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)輸電線路的元件普遍具有較好的可靠性，原件的衰減周期較長(zhǎng)。因此，可近似認(rèn)為在一個(gè)巡視周期內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)及設(shè)備故障率均為常數(shù)。因此，將設(shè)備故障率

經(jīng)過(guò)輸電線路的巡視，當(dāng)巡視員工發(fā)現(xiàn)并處理了相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施缺陷，其狀態(tài)評(píng)分就會(huì)變化，假設(shè)所有缺陷被巡視發(fā)現(xiàn)的概率是？琢0（t）。巡視過(guò)后，設(shè)備的狀態(tài)評(píng)分更新公式為：

將輸電線路看作由各主要巡視元件組成的系統(tǒng)，上述元件狀態(tài)評(píng)估公式即可轉(zhuǎn)化為輸電線路狀態(tài)評(píng)估公式。

2 輸電線路巡視周期多目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

實(shí)際中，巡視周期的確定是一個(gè)需要同時(shí)考慮資源限制、人力成本和巡視要求的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其目標(biāo)包括保證輸電線路正常運(yùn)行狀態(tài)、人力資源的合理安排和工具等資源的要求。通過(guò)上述分析，本文設(shè)定三方面的目標(biāo)：

其中F1表示為不同巡維周期下輸電線路的出現(xiàn)缺陷的概率，F(xiàn)2表示輸電線路巡維的人力資源的消耗，F(xiàn)3為輸電線路巡維物資消耗，這三個(gè)目標(biāo)均為巡視周期t的函數(shù)，分別為：

其中：待優(yōu)化的t表示巡視周期，為模型的決策變量，F(xiàn)（t）為輸電線路的狀態(tài)評(píng)分;t/T為單位巡視周期的所耗人力資源，T為設(shè)定的巡視周期;t？茁為單位巡視周期的所耗物力資源。

2.2 約束條件

該模型的約束包括人力約束、物力約束和輸電線路狀態(tài)約束，具體如下所示：

2.2.1 人力條件約束

時(shí)間以年為單位，每年巡視次數(shù)為N/t，總?cè)肆镸，假設(shè)每次巡視需要人力為Ne，班組其他工作需要的人力為Na，則人力條件約束可表示為：

根據(jù)日常運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，N為輸電線路巡視的有效人力，由各相關(guān)部門(mén)的實(shí)際情況決定，Na為輸電線路當(dāng)前非巡視工作所需要的人力，由輸電線路當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)際情況決定。

2.2.2 巡視周期規(guī)定約束

巡視周期需滿足基本的輸電線路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。則巡視周期規(guī)定約束可表示為：

2.2.3 輸電線路狀態(tài)評(píng)分約束

為保證輸電線路的良好運(yùn)行，使得站內(nèi)設(shè)備能夠良好運(yùn)行，輸電線路的狀態(tài)評(píng)分需在正常的評(píng)分范圍內(nèi)，輸電線路狀態(tài)評(píng)分約束可表示為：

依據(jù)對(duì)輸電線路狀態(tài)評(píng)估的定義和要求，可以設(shè)定輸電線路運(yùn)行的最低標(biāo)準(zhǔn)。

3 輸電線路巡視周期多目標(biāo)優(yōu)化模型求解方法

3.1 基于層次分析方法的目標(biāo)權(quán)重分析

層次分析法整個(gè)計(jì)算過(guò)程包括以下四個(gè)部分。

（1）層次結(jié)構(gòu)模型的建立

遞階層次的結(jié)構(gòu)通常分為：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層三個(gè)基本層次。

（2）判斷矩陣的構(gòu)造及賦值

構(gòu)造判斷矩陣是把所有因素采用相對(duì)尺度兩兩比較，得到重要性關(guān)系。

（3）一致性檢驗(yàn)

通過(guò)求出最大特征根？姿max的特征向量，計(jì)算一致性指標(biāo)CI，查找出平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，并計(jì)算出一致比例CR。

（4）權(quán)重確定

根據(jù)排序結(jié)果，確定多目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。

3.2 優(yōu)化模型指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

以我國(guó)某區(qū)域的110kV輸電線路為例，使用層次分析法確定目標(biāo)函數(shù)各目標(biāo)間的權(quán)重系數(shù)。經(jīng)過(guò)15名專(zhuān)家對(duì)這3個(gè)權(quán)重指標(biāo)進(jìn)行打分，建立如下比較矩陣：

通過(guò)幾何平均法求得模型的指標(biāo)權(quán)重：？著1=0.71;？著2=0.18;？著3=0.11。

3.3 算例分析

之前章節(jié)建立了優(yōu)化模型如下：

其中，子目標(biāo)F1表示t時(shí)間下輸電線路的狀態(tài)評(píng)分，子目標(biāo)F2表示巡視時(shí)人力資源消耗，子目標(biāo)F3表示巡視時(shí)物力資源消耗。

該模型屬于非線性整數(shù)優(yōu)化模型，可以利用窮舉算法求解，取K=5，β=-0.1。當(dāng)Hmin=0.8945，λ=0.1，α0=0.95。針對(duì)區(qū)域內(nèi)多個(gè)輸電線路的優(yōu)化問(wèn)題，可采用多目標(biāo)非線性整數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行求解。本文利用Matlab求解。經(jīng)過(guò)程序計(jì)算，獲得巡視周期的較優(yōu)值，其結(jié)果如表2所示。

通過(guò)圖2可以看出，輸電線路巡視周期優(yōu)化結(jié)果符合差異化巡視特點(diǎn)，不同的輸電線路根據(jù)其不同的運(yùn)行年限、故障缺陷率等的特點(diǎn)，最優(yōu)的巡視周期也各不相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了基于狀態(tài)評(píng)估的多目標(biāo)輸電線路巡視周期優(yōu)化模型，構(gòu)建了輸電線路狀態(tài)評(píng)估模型，以輸電線路狀態(tài)、巡視人力、物力消耗為模型的多目標(biāo)，并采用層次分析法確定模型的各目標(biāo)權(quán)重，從而構(gòu)建輸電線路巡視周期的多目標(biāo)優(yōu)化模型，最終利用Matlab求解該模型，獲得不同輸電線路的最優(yōu)巡視周期。通過(guò)算例分析，不同的輸電線路對(duì)應(yīng)的巡視周期各不相同，這主要取決于線路的自身狀態(tài)和巡視目標(biāo)要求，針對(duì)區(qū)域輸電線路進(jìn)行總體優(yōu)化可以看出，輸電線路巡維需要進(jìn)行差異化運(yùn)維，通過(guò)合理設(shè)定輸電線路巡視周期，將有限的人力和物力資源進(jìn)行高效配置。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭業(yè).引入狀態(tài)評(píng)估分析的輸電線路設(shè)備巡視優(yōu)化策略的研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[2]呂志寧.輸電線路常見(jiàn)故障分析與檢測(cè)方法綜述[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020（01）：161-164+168.

[3]楊曉東.輸電線路工程管理的提升及改進(jìn)分析[J].國(guó)際公關(guān)，2019（12）：230.

[4]劉躍雷.基于精益化思想的輸電線路運(yùn)行管理研究[D].華北電力大學(xué)，2013.

[5]姜格敏，丁慧娟.輸電線路狀態(tài)巡視方法探討[C]//第四屆全國(guó)架空輸電線路技術(shù)交流研討會(huì)論文集，2013.

[6]李艷飛.架空輸電線路無(wú)人機(jī)人工聯(lián)合巡檢模式初探[J].科學(xué)與財(cái)富，2017（033）：27-27.

[7]徐平，聞建中，馬承志，等.基于遺傳算法的輸電線路差異化運(yùn)維優(yōu)化方法的研究[J].陜西電力，2014，42（05）：6-10.

[8]何冰，季建華，劉新平，等.基于遺傳算法的城市輸電網(wǎng)絡(luò)巡視路徑優(yōu)化選擇問(wèn)題[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（08）：2276-2279.

[9]李銘鈞，甘團(tuán)杰，賴奎，等.考慮桿塔風(fēng)險(xiǎn)概率的輸電線路巡檢路徑優(yōu)化方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（10）：61-67+78.

[10]薛志成.變電站巡視模式的優(yōu)化研究[D].華南理工大學(xué)，2014.