基于故障率分級的輸電設備檢修優化方法

肖輔盛 羅艷 王庭剛 周智海

關鍵詞：輸電設備;檢修計劃;故障率;設備自身風險;電網運行風險

所謂輸電設備檢修優化是指根據設備檢修風險等優化目標，決策確定輸電設備檢修項目與檢修周期，以降低設備故障風險，提升系統運行可靠性。近年來，隨著電網風險管控要求不斷提升，輸電設備檢修優化中的風險評估與優化降級已成為該領域研究的重點。

按照風險來源，輸電設備檢修優化問題中共有兩類需要考慮的風險類型，分別為設備自身風險、電網運行風險。設備自身風險是指輸電設備運行過程中發生故障跳閘造成自身損傷，而產生的設備風險。基于全生命周期理論構建了一種考慮設備剩余價值的檢修經濟性評價指標。該指標可作為檢修計劃重要性的參考依據，以實現輸電設備檢修計劃優化編制，從而降低設備自身風險，提高運行效益。引入檢修市場窗概念，提出了一種市場化下的設備檢修優化模式。其核心理念在于通過市場競價方式，確定設備檢修計劃的經濟價值，作為設備檢修優化的依據。進一步完善了設備自身風險指標的計算方法，通過綜合考慮設備運行成本、檢修費用等，提出一項輸電設備檢修綜合成本指標，作為設備自身風險的評價標準。而電網運行風險則側重于評價設備故障跳閘后電網所存在的運行風險，包括損失負荷、重要客戶停電等。基于輸電設備故障跳閘掃描提出了一種基于數據驅動的電網運行風險評價方法，可將其作為不同檢修方案的評價依據，實現設備檢修優化。提出了一種內嵌電網運行風險的輸電設備檢修優化方法，通過動態調整檢修項目，降低電網運行風險。

實際上，設備自身風險和電網運行風險是檢修計劃編制中并存的兩類風險因素。在輸電設備檢修優化中更宜于統籌考慮兩類風險因素，降低電網運行整體風險水平。近年來也有部分專家開展了輸電設備檢修優化綜合風險相關研究，其主要思路是通過設置權重系數整合上述兩類風險。然而，該整合方法存在兩方面難以解決的問題：一是難以科學設置權重系數;二是加權整合后的綜合風險可能掩蓋部分關鍵信息，造成設備自身風險高而電網運行風險低或設備自身風險低而電網運行風險高的檢修項目長期得不到合理安排。

造成上述問題的原因在于加權整合方法是以風險作為驅動因素，忽視了設備故障率這一根本評價要素。為此，將提出一種基于設備故障率分級的綜合風險評價方法，對不同故障率等級的設備檢修項目，更為細致的考慮設備自身風險、電網運行風險的重要性，實現輸電設備檢修優化。最后基于IEEE30節點系統構造算例，驗證該方法的有效性。

1輸電設備檢修綜合風險分析

1.1設備自身風險分析

影響設備自身風險的因素包括設備故障率及設備故障損失兩個方面，可表示為：

式中，Ri為輸電設備i自身風險，r、EI分別為其故障率及故障損失。故障率為不同運行狀態下輸電設備故障跳閘的發生概率，可通過運行狀態監測系統獲取;故障損失則反映了輸電設備故障發生后可能的綜合損失，包括維修成本、設備折損等，可根據運行狀態監測發現的缺陷類型測算得到。

1.2電網運行風險分析

輸電設備檢修問題中，電網運行風險是指在輸電設備檢修狀態下再次發生輸電設備故障跳閘可能導致的最大失負荷風險，可表示為：

1.3綜合風險分析

可以看出，設備自身風險和電網運行風險存在本質差別。設備自身風險側重于設備故障損失，而電網運行風險則是設備故障跳閘所引起的電網運行損失。傳統綜合風險分析中所采用的加權綜合方法，難以完整的揭示兩類風險的影響程度，可能造成檢修計劃編制不盡合理。

為此，提出一種基于設備故障率分級的綜合風險評價方法。與上述加權綜合方法相比，設備故障率分級的特點在于以故障率為標準，對設備進行分級，確定不同層級中設備主導性風險，從而避免簡單加權所導致的關鍵風險信息掩蓋問題。

現有研究表明不同故障率水平下，設備運行可靠性差異較大，特別是對于輸電設備，由于其運行于室外，其故障率水平受外界環境影響較大，較高故障率的輸電設備在惡劣條件下其故障率增長幅度顯著高于低故障率設備。據此，如表1所示，本文將參考現有設備可靠性的研究，將根據故障率將輸由設備劃分為三級。

2基于設備故障率分級的檢修優化

2.1實施流程

提出的基于設備故障率分級的綜合風險表明，輸電設備不同故障率水平下其設備自身風險、電網運行風險的影響不同。延續該思路，所提出的基于設備故障率分級的設備檢修優化編制流程如圖1所示。其實施思路可表述為：根據設備故障率分級依次編制緊急、重要、一般三個類型的輸電設備檢修計劃，以保證緊急、重要類型輸電設備檢修計劃優先安排;同一級里則根據設備自身風險、電網運行風險的影響程度，實現優化安排，提升整體運行效益。

2.2緊急類設備檢修計劃編制

緊急類輸電設備故障率高，因此對其檢修計劃應以盡早開展檢修以降低設備故障跳閘風險為首要目標，并考慮電網運行風險不超過限值等約束條件，可表示為：

該優化模型以緊急類設備盡早檢修為目標，所考慮的約束條件依次為檢修狀態約束、檢修資源約束和電網運行風險約束。求解上述模型，若存在某緊急類設備檢修項目未確定檢修周期，表明電網運行風險或投入檢修資源不足，則檢修計劃編制完畢;否則轉入重要類輸電設備檢修環節。

2.3重要類設備檢修計劃優化

設備自身風險是重要類設備檢修計劃中的主導性風險，應以設備自身風險最小化為目標編制檢修計劃，可表示為：

與緊急類輸電設備相比，重要類輸電設備檢修優化模型目標調整為設備自身風險最小化，更有利于降低設備跳閘所造成的故障損失。求解式（4），若存在重要類設備檢修任務未安排，表明電網運行風險已超過限值或檢修資源投入量不足，則檢修計劃編制完畢;否則繼續編制一般類設備檢修計劃。

2.4一般類設備檢修計劃優化

一般類設備故障率較低，然而數量龐大，電網運行風險為其主導風險。其優化模型以電網運行風險最小化為目標，可表示為：

式（7）中，N為一般類輸電設備檢修集合;N為該集合中檢修設備總數;Ri;為第t天全網運行風險。一般類設備檢修計劃以電網運行風險最小化為目標，以避免檢修設備過多導致電網運行風險激增的問題。

3算例分析

3.1基礎數據

如圖2所示，將在IEEE30節點系統基礎上構造算例，以驗證所提出方法的有效性，算例中各節點及機組的基本參數。

如表2所示，算例中共設置8項檢修任務，其中緊急類型2項、重要類型3項、一般類型3項。算例中以投人人工為資源投入的標準，并規定全網每天資源投入量不超過100人。除上述8項檢修任務涉及的輸電設備外，剩余輸電線路的故障率統一規定設置為0.1‰。

3.2結果分析

為驗證所提出方法的有效性，算例中將對比本文方法與傳統加權方法的優化結果。傳統方法借鑒所提出的加權整合檢修優化方法，并規定設備自身風險、電網運行風險的權重系數均為1。

如圖3所示，為兩種方法優化結果。圖3（a）為本文所提出方法的優化結果。優化結果顯示緊急類設備檢修任務均得到了優先安排，線路6-9和線路24-25均安排在第一天開始檢修;重要類設備檢修任務在緊急類之后安排，并優先安排了線路18-19的檢修任務，其原因是該設備故障損失較高，設備自身風險較高，因此在重要類設備中排序靠前;最后安排一般類設備檢修任務。圖3（b）為傳統加權方法的優化結果。該方法并不考慮設備故障率的差異，以設備自身風險與電網運行風險的加權平均結果作為檢修任務重要性排序依據。因此，盡管線路6-9故障率較高，設備自身風險較高，而因加權后綜合風險低于線路18-19，優化結果仍優先安排線路18-19的檢修任務，造成整個優化結果與本文所提出方法有較大差別。

圖4中進一步展示了兩種檢修結果所對應的風險變化。考慮到兩種優化結果在15日后均未安排檢修任務，因此圖4中僅展示前15天的檢修風險。其中設備自身風險為當天剩余檢修任務的最大設備自身風險;電網運行風險為在當前檢修計劃基礎上進一步考慮任一輸電線路故障跳閘的最大失負荷風險。可以看出由于線路6-9對應電網運行風險較低，其在傳統加權方法中排序靠后，導致相比于本文所提出的方法，該線路檢修任務安排較滯后，在前五天電網將存在更高的設備自身風險。同時，按照傳統方法優化結果，在前5天線路2424及線路18-19檢修期間，由于線路6-9及線路4-12均存在較高故障概，因此這段時間上述設備發生相繼故障的概率較高，可能導致整個電網解列全停。而優先安排兩項緊急類輸電設備檢修任務，則能夠大幅降低連鎖故障的發生概率，提升電網運行的可靠性。

因此，相較于傳統加權整合方法，所提出的基于設備故障率分級的輸電設備檢修優化方法具有兩方面顯著優勢：

（1）避免簡單加權所造成的關鍵信息淹沒，能夠最大幅度提高電網運行設備的可靠性;

（2）降低高故障率設備由于風險較低導致檢修任務滯后引發電網連鎖故障的風險，避免潛在的極端電網事故發生。

4結論

從輸電設備檢修綜合風險問題出發，提出了以故障率分級為主線的設備檢修優化方法，該方法能夠保證緊急類設備盡早安排檢修，重要類設備以設備自身風險最小為目標優化編制，一般類設備則根據電網剩余空間綜合考慮安排，實現了電網運行風險與設備自身風險的有機協調，對提升檢修計劃效益具有顯著作用。

后續可基于本研究成果，進一步完善優化算法，提升所提出方法在大規模復雜電網檢修優化中的計算效率，提升其工程實用性。