（电力系统及其自动化专业论文）配电网检修计划优化问题的研究.pdf

摘要 a b s t 哺c t p r s e n t l y ，m o s tr e s e a c h e so nm a i n t e n a n c es c h e d u l i n gp r o b l 锄a r ef o c u s e do n u n i tm a i n t e n a n c es c h e d u “n g ，h o w e v e r ，t h es t u d yo nd i s t f i b u t i o nm a i n t e n a l l c e s c h e d u l i n gi s s t i l li nt h ee a r l ys t a g e t h i sp a p e rs u m m 撕z e dt h et h e o r ya n d a c h i e v e i i l e n to fm a i n t e n a n c es c h e d u l i n gp r o b l e m ，a i l d 粕a l y z e dm ea c t u a l i t yo f m a i n t e n a n c es c h e d u l i n gw o r k o nt h eb a s i so ft h e s ea n a l y s i s ，t h i sp a p c ra c q u i r e d f b u ri n n o v a t i v er e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 )e s t a b l i s h e do p t i m a lm o d e lo fd i s t r i b u t i o nm a i n t e n a n c es c h e d u l i n g p r o b l e m o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fp r a t i c a lw o r k ，m i sp a p e rd i v i d e dt h e o p t i m a lp r o b l e mi n t ot w or e l a t i v ep r o b l e m sw h i c hi sm a i n t e n a n c et i m eo p t i m a l p r o b l 锄a n dl o a dt r a n s f b 仃i n go p t i m a lp r o b l e m b yt h ei t e r a t i v eo p “m a i z i n go f t h e t w op r o b l 锄s ，i tc a ng e tab e s tp l a l l ( 2 ) a p p l i e da ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et i m eo p t i m a lp f o b l 锄 t h ei m p r o v e m e n t si n c l u d e ：b ys e l e c t i n gp r o p c rf r e ev a r i a b l et og e tf i do ft h e e q u a t i o nc o n s t r a i n t si n f l u e n c e ；b yc o n s t m c t i n gam o r er e a s o n a b l ef i t n e s sf l l n c t i o n t os u r v i v eap a no fi n f b a s i b i ei n d i v i d u a lw h i c hh a v ee x c e l i e n t2 e n e st oi m p r o v e t h ep e r f o 肿a n c eo fg e n t i ca l g o r i t h m ；c o n s t r u c ta na d a p t i v em u t e xs t r a t e g ew h i c h 印p l i e dt a b us e a r c h i n gt og c tm u t e xi n d i v i d u a lw h e nt h ep o p u l a t i o ni sd i v e r s i f o 珊 e n o u g ha n dc h a n g e di n t ou n i f o 劬m u t e xw h e nt h ed i v e r s i t yo fp o p u l a t i o nl o w e r d o w n t oal i m i t ( 3 )a p p l i e da ni m p r o v e dh e u r i s t i ca l g o r i t l l i i lt os o l v el o a dt r a n s f b n g p r o b l e m t h ei m p r o v e da l g o r i t h i i lc o m b i n e dt h eh e u r j s t i c 邝1 e sa n dt h e “r e s t o r i n g t r e ec u t t i n g ”w i t ht h e s en l l e s ，i tc o u l do n l yg e n c r a t eo n er e s t o r i n gt r e ea n d a c c e l e r a t ec a l c u l a t i n gs p e e d a tm es a m et i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e da “l o s s c o m p a r e ”t a c h ei nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，w h i c hc o u l eo v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo f h e u r i s t i cr u l e st h a tc o u l dn o tr e a l i z et h eg o a lo fd e c f e a s i n gn e t w o r kl o s s ( 4 )d e s i g n e d t h em a i n向n c t i o nm o d u l eo fd i s t r i b u t i o nm a i n t e n a n c e s c h e d u l i n gs i m u l a t i o ns y s t e m t h et w oc o r e 允n c t i o n sw e r c ：a p p l y i n gt h em o d e l a n da l g o r i t h mp r e s e n t e di nt h i sp a p t h es i m u l a t i o ns y s t e mo f 诧r e da no p t i m a l p l a nt oa s s i s tu s e rm a k i n gd e c i s i o n ；p r o v i d i n ga 掣a p h i ci n t e r f a c et ou s e fw i t h w h i c hu s e rc a ns i m u l a t e dn e t w o r kt o p o l o 西co fm a i n t e n a n c e ，t h e ns y s t e mg a v ea c o m p l e t ei n f o m a t i o nw h i c hc o n t a i n e ds h i e l d i n gl o a d ，e q u i p m e n tc u r r e n t ，n o d e v o l t a g ea n ds oo n k e ”o 一： d i s t 曲u t i o nm a i n t e n a n c e s c h e d u l i n g ， l o a d t r a n s f b r r i n g p a t h ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，h e u r i s t i ca l g o r i t h m ，s i m u l a t i o ns y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文配电网检修计划优化问 题的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文 所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 签名：j 量旌矍 日 期：坞毕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位 论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文； 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部 分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鼍阻 日期。如陴 导师签名： 日期： 雄箜孙 珥：f 2 华北电力大学博上学位论文 第一章绪论 1 1 配电网检修计划优化的意义 电力是人类社会活动中应用最广、对人们生活质量影响最大的能源。随着我国 国民经济的持续发展，高度的社会信息化和生产自动化，人们对电力的依赖也在日 益增加，这也促使作为公共事业的电力行业加大对电力系统可靠性的管理力度，力 求为用户提供更加充裕、持续、安全可靠的电力供应。 电力系统是一个超大规模系统，为了便于分析，通常把它分成三个子系统：发 电系统、输电系统和配电系统。配电系统处于电网末端，是连接发电系统、输电系 统和用户的中间环节。随着电力市场化改革的不断深入，为保证电网企业的可持续 发展，提高企业内在竞争力，一方面要求电网公司必须提高其服务质量，也即是向 用户提供更加充足、可靠、优质的电能，另一方面则要求电网企业在保证电网运行 安全性的同时提高其经济性。长期以来，我国的电力系统重电源建设、轻电网建设， 而配电网建设更是未能引起足够的重视，这使得我国配电系统的网架结构十分薄 弱，运行管理水平相对落后，因此配电网经济运行问题的研究将具有重要的理论意 义和现实意义。目前，配电网经济运行主要包括以下几个方面：无功优化“1 ，变压 器经济运行”1 ”和配电网重构1 5 1 等。 所谓无功优化，就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过对某些控制变 量的优化，所能找到的在满足所有指定约束条件的前提下，使系统的某一个或多个 性能指标达到最优时的无功调节手段。早在六十年代，无功优化问题就受到了国内 外学者的关注，经过多年的研究已经取得了大量成果。人们对它研究的不同之处主 要表现在以下几个方面：目标函数不同、优化时段不同。在目标函数上，主要有以 下几种：系统有功损耗最小；保证最优的电压质量，使电压与额定电压值相差最小； 无功补偿设备投资最小；变压器分接头和电容器投切次数最少；或者综合考虑以上 几种目标的多目标无功优化等。按照优化时段的不同，无功优化可分为无功规划优 化和无功运行优化两种。无功规划优化主要指以今后的5 1 0 年的电力系统规划为 依据，在保证满足各种典型方式安全约束的前提下，确定最优无功补偿地点、容量 及无功调节设备的最佳运行状态，从而达到提高电压稳定性，改善电压质量，降低 网损的目的。无功运行优化则是在现有的无功补偿设备配置的基础上，根据系统典 型的负荷变化，确定无功设备的投切和调节方案，已达到系统网损最小( 或电压质 量最好、无功控制设备的调节次数最少等，或同时考虑两个以上目标函数) 的优化 第一章绪论 目标。 变压器是电力生产中的一种非常重要的电器设备。一般来说，从发电、供电到 用电，需要经过三至四次变压器的变压过程。变压器在变压和传递电功率的过程中， 其自身要产生有功功率损失和无功功率损耗。由于变压器总台数多，总容量大，故 在发、供、用电过程中变压器的总的电能损失约占整个电力系统电能损失的3 0 左 右。所以全面开展变压器经济运行是实现电力系统经济运行的重要环节，也是节约 电能的一个重要手段。变压器经济运行是指在输电量相同的条件下，通过择优选取 最佳的运行方式和调整各台变压器的负载，使变压器电能损失最低。由于变电所内 变压器的容量大小不一，技术特性存在差异，以及变压器的有功损耗和无功损耗随 负载呈非线性变化，因此当变电所变压器台数较多时，可以通过择优选取技术参数 好的变压器和最佳运行方式来实现变压器的经济运行。而当变压器运行方式已经固 定时，则可以通过合理调整负载，使变压器在经济运行区运行，使变压器间负载经 济分配，以降低系统的网络损耗。变压器经济运行就是充分发挥变压器的效能，合 理的选择运行方式，从而降低变压器用电损耗。故，变压器经济运行不用投资( 或 者仅用很少的投资，但是很快就能收回) ，只要加强供、用电科学管理，充分利用 现有的设备条件，即可达到节电和提高功率因数的目的。 降低配电网线损一直是电力企业努力的方向。西方主要工业国家的线损率大致 在5 8 ，我国为9 左右，与发达国家相比尚有差距。3 5 k v 1 1 0 k v 配电网线损 是地区线损的重要组成部分，降低配电网线损是降损工作的关键问题之一。早在 1 9 7 5 年，m e r l i n 和b a c k 就指出配电网络重构是降低配电网线损的有效途径【1 6 】。一 般情况下，配电网络是闭环设计而开环运行，配电系统中装有大量的常闭开关和少 量的常开开关。网络重构就是通过操作这些开关，即通过调整网络中分段开关和联 络开关的分合状态，重新组织网络的运行方式，使之处于一个更有利的运行状态。 一般情况下，配电网重构具有以下三个作用： ( 1 ) 降低配电网的网损，提高配电网运行的经济性； ( 2 ) 平衡各馈线的负荷，消除过载。 ( 3 ) 在故障情况下恢复供电，提高供电的可靠性。 配电网设备计划检修是配电网日常运行中一项十分重要的内容，检修计划安排 的好坏，直接关系到供电企业和用户的利益，对电力系统乃至整个社会的安全性和 经济性都有着很大的影响，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 检修计划有利于阻断事故形成链，保证设备健康运行 有计划地安排检修，能够发现平常常规试验及外观观察无法发现设备存在的内 部问题，在该问题未扩大到危及系统安全运行前及时给予消除从而破坏了事故发展 华北电力大学博士学位论文 链，延长了设备平均故障间隔期，减少了因设备缺陷造成的临时检修停电和故障停 电。检修工作有计划地实施也有利于检修质量的管理，真正做到“应修必修，修必 修好”的原则，使无效停电得到了有效控制，尽量避免临检事件的发生，提高系统 的供电质量，使客户的损失降到最低。 ( 2 ) 检修计划有利于电力系统安全运行 电力系统是一个整体，电网调度管理部门按照电力系统安全稳定导则中“ 一j 情况下系统必须保持稳定”的要求编制年度运行方式及安全技术措施，以期在 设备进行计划检修过程中确保电网的安全。因此，对于设备的定期检修工作，必须 在事前制订周密的检修计划，严格按计划执行，同时根据电网安全约束条件进行过 程控制、偏差管理，防止发生在非计划检修时因安全措施的不周密不完备而造成电 网稳定破坏。 ( 3 ) 检修计划能够解决检修与运行之间的矛盾问题 一方面计划检修是为了保证设备的安全运行，为设备可靠性提供保障，而另一 方面供电设备的检修将可能产生停电或造成备用电源设备失去“肛j ”安全准则， 影响了供电的可靠性。供电设备的停电检修与提高供电可靠性既相互矛盾又相互联 系，两者之间有着内在的必然的联系。供电企业在电力生产过程中只有处理好这两 者之间的关系，才能保证电网安全、可靠运行，保证供电企业的经济效益和社会效 益。组织制定合理的检修计划并有效实施是解决两者关系的重要手段。 ( 4 ) 实行计划停电检修有利于实现设备检修的宏观调控与微观调节。 计划检修能够从宏观上建立维修体制、维修标准、维修流程，并能够明确检修 内容、何时修( 时间) 、修什么( 项目) 、怎么修( 方案) 、谁来修( 队伍) 、采取何 种技术手段修( 实施) 等一系列检修中必须考虑的条件，使整个检修过程处在可控 状态，确保检修过程的安全。其次，从微观上计划检修可以对维修的基础工艺、维 修操作规程、针对某一类设备的特殊工艺、维修中使用的新材料、新工艺、维修工 作实践经验的提炼总结等内容进行控制，特别是对一些临时性增补检修工作，可以 对照检修计划予以增补、扩充，有了调整、调节回旋余地。 ( 5 ) 实行计划检修有利于实现设备“一停多用” 计划检修保证了统一计划停电管理的实施，最大限度的避免重复停电。实行统 一计划停电管理有利于各个专业停电计划的优化和合并，即作为联合检修计划，使 输变配电各专业的检修、改造和缺陷处理工作得到充分准备，综合检修得以有序开 展，有效减少重复停电，最大限度地减少对客户的停电。， ( 6 ) 实行检修计划有利于提高电力可靠性管理水平。 第一章绪论 电力设施的可靠性表现为特定的设备在规定的运行条件下，在预定的时间内完 成规定功能的能力。通过计划检修，可以加强协调好大型工程旌工、线路检修等与 变电站检修时间同步进行，缩短计划检修时间。实行计划检修，可以提高设备运行 质量，降低强迫停运率与非计划停运率，提高设备的平均连续可用小时与可用系数， 提高供电可靠性。另外，计划检修能够为可靠性管理积累大量的运行、技术数据， 为可靠性管理提供了统计、分析的依据与工作定量评价标准，并借此改进计划检修 的各个环节，提高可靠性管理水平。 目前，配电网设备检修计划基本上还是依靠检修人员的经验人工编制而成，在 人工编制计划中，存在着以下几个主要问题： ( 1 ) 可靠性得不到保证 由于人工编制，对设备停电的频率及停电时间的控制不是很精确，导致重复停 电；静态安全分析不准确，存在潮流、电压越限等问题。 ( 2 ) 经济性得不到保证 人工编制计划没有优化过程，制定的计划只能说是可行计划，而不是优化计划。 ( 3 ) 工作量大，效率低下 由于配电网设备繁杂、检修任务多，而制定检修计划时不仅要考虑检修任务的 合理性、不同检修任务之间的互斥性与协调性、电网的安全约束以及检修公司的检 修能力，还要考虑优化设备检修时间和优化检修时负荷转移等问题，这就造成检修 计划编制人员工作量很大，工作效率低下。 ( 4 ) 工作量安排不合理 人工编制计划不尽合理，工作量安排不适当，造成检修人员工作有时应接不暇， 增大了工作中出错的几率；有时又几天没有工作，浪费了人力资源和检修时间，对 供电可靠性形成了很大的威胁。 ( 5 ) 人员因素的影响 人员因素对计划编制有重要的影响，计划编制人员的专业技术能力、工作经验、 对工作的责任心及事业心直接关系到计划编制的优劣。 因此，根据我国配电网网架结构薄弱的实际情况，在保证系统安全运行的前提 下，以最大限度提高系统的供电可靠性、减少对用户的停电、降低电网企业由于设 备检修而引起的售电损失和检修成本为目标，对配电网检修计划进行优化，无疑将 是在不增加配电网投资的条件下，提高电网供电可靠性和运营效益的有效途径，本 论文研究具有重要的理论价值和实际意义。 华北电力大学博士学位论文 1 2 设备检修方式的发展 电力系统中包含大量的发电机组、变压器、输电线路、负荷元件以及其他一些 元件，比如断路器、电抗器、电容器和各种f a c t s 元件，这些元件的安全可靠运 行与否决定了整个系统运行的可靠性。这些元件随着使用时间的增长，会出现不同 程度的老化现象，大大缩短了元件的使用寿命。 系统元件的寿命可以从三个角度来理解【l7 】：物理寿命，是指元件从投入运行开 始到不能再正常工作退役结束所持续时间；技术寿命，是指尽管元件仍可以运行， 但由于技术原因而不得不被新元件所替代，这主要是由于技术革新所导致的；经济 寿命，是指虽然元件仍可以正常运行，但是本身已经不具备任何的经济价值。其中 元件的物理寿命，可用如图1 1 所示浴盆曲线来描述。 i 需上挣科精 夕 碍掰辫洲 图l 一1 元件使用寿命曲线 f i g 1 一ll i f ec u r v eo f c o m p o n e n t 曩 从图1 1 可看出，在元件投入运行初期失效率较高，但随使用时间增加迅速下 降，主要是由于设计和制造工艺上的缺陷所导致的，这基本上可通过加强对原材料 和工艺的检验来避免，由于电力元件的特殊性，这种情况基本不会出现；元件在正 常使用期间，产品失效率低，几乎为常数，失效主要由偶然因素导致；元件使用后 期，由于元件老化、疲劳、耗损使得失效率较高，并且快速增长，直至元件彻底被 淘汰。 电力设备检修是设备管理的重要方面，合理及时地检修可以确保元件的安全和 系统的可靠运行。与其他方法相比，比如说增加系统备用容量、提高系统充裕度或 者使用可靠性更高的元件，设备检修更可以节约成本，并挖掘现有设备的使用潜力， 达到物尽其材的效果。 在电力系统中，为保证系统持续可靠地向用户供电，必须对设备进行检修。检 修方式的发展经历了故障检修，定期检修( 计划检修) ，状态检修到现在的主动检 第一章绪论 修这四个主要阶段【18 1 。 1 2 1 故障检修 故障检修又称事后检修。故障检修是让设备一直运行，仅在设备故障后才进行 检修或改造。在事故损失小、影响面小、设备价值低的前提下，这种检修方式是一 种经济的方式，在低压配电设备中采用较多。但对电网公司的高压电气设备，要保 持电气设备的健康状态，确保输电网安全稳定输送电，应最大可能地限制故障的出 现，一般不采用故障检修方式。 1 2 2 定期检修 根据经验及统计数据，在掌握设备平均寿命及故障率的基础上，按照预定时间 或检修周期进行的检修称为定期检修。它包含了电气设备的定期预防性试验内容。 长期以来，对电气设备采取定期检修的方式，获得了大量的经验，为预防设备故障 发生和保证电网安全运行发挥了重大作用，这种方式使电网运行方式能较早、较充 分地进行安排。但定期检修带有较大的习惯性，比较保守、盲目，且有以下弊州”】： ( 1 ) 事故有可能发生在两次检修的间隔时间内。 ( 2 ) 由图卜1 可知，设备在投产初期有一个磨合期，故障较多，寿命末期故障 也较多，但中间却有一个较可靠的稳定期。定期检修在项目和周期安排上 不顾电气设备运行的实际工况，到期必修，可能造成设备“过度检修”， 造成人、财、物的浪费，而且不必要的大拆大装或检修的不慎，可能造成 故障“从无到有”。 ( 3 ) 绝缘预防性试验的耐压试验，电压远远高于设备的额定电压，易对设备绝 缘造成不可恢复的损伤，长此以往会缩短设备使用寿命。规程的制定依据 是以往的设备检修经验及设备使用情况。 1 2 3 状态检修 状态检修是以设备状态为基础，以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。 它是基于可靠性和预防性为中心的检修技术，根据对潜伏性故障进行离线测量和在 线监测的结果，结合巡视数据、历史可靠性数据和人工智能技术等，对设备进行状 态评估，并以此来指导安排设备的检修。它能有效地避免定期检修带来的过度检修 的弊端，可以提高检修的质量和效率，增强检修的针对性，节省大量的人力物力， 同时可以延长检修周期，提高设备可用系数，延长设备的使用寿命，是较为理想的 检修方式，也是今后发展的趋势。但目前由于以下问题的存在，在一定程度上阻碍 了状态检修的推广应用和经验积累【2 0 l ： 华北电力大学博上学位论文 ( 1 ) 作为电气设备状态检修的重要手段对设备运行状态评估所需的检测 技术，还达不到较为完善的水平，特别是在线监测的技术和装置等，还远 未达到实用化水平，尚处于试点、探索、积累经验的阶段； ( 2 ) 故障机理的研究和设备诊断方法不成熟：各种设备工作机理和内部复杂故 障的深入分析研究对状态诊断十分关键，往往难度也较大，必须综合运用 多种分析方法和技术工具，充分收集和分析各种资料和事例，才有可能取 得成效； ( 3 ) 判据的形成和完善工作不充分：人们在进行状态分析和故障诊断时，需要 一个定量化的判断标准和依据，以判别设备状态是否正常，如果存在故障 或缺陷，则需要进一步评价其性质和严重程度，并分等定级给出准确的结 论，科学的判据应当建立在有关技术标准和大量的数据、事实、经验之上。 往往需要根据工程实际进行多次的调整和完善，才能得到比较准确、合理 的结果； ( 4 ) 状态检修还不能综合考虑整个系统的状况：状态诊断是以单台设备为目标 进行的，而设备的停电涉及到整个输电或变电系统设备运行安排，特别是 大电网的停电检修还涉及整个区域的运行方式和电力供求关系的调整，故 不能完全按某台设备的状态确定检修时间状态检修是以设备状态为基础， 以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。 1 2 4 主动检修 主动检修实质是结合了定期检修和状态检修的优点而发展起来的，直至现在的 以可靠性为中心的检修( r c m ) 。r c m 的目的在于研究优化检修计划的方法，确 定采用何种方式来实现和保持设备的运行能力。它在考证设备的“技术状态”的同 时还考虑了“可靠性”，并基于这两个方面，通过审计与成本有关的、提高或是降 低可靠性水平的不同方案来确定最佳的检修策略，即对不问的设备分别采用计划检 修策略、状态检修策略或不检修直至故障等策略【2 1 1 ，从而实现最大限度维持设备可 靠性并优化检修资源。 用r c m 改造目前的检修方式一般要采用两个步骤。首先要根据r c m 方法来 对目前的检修方法进行评估，确定针对主要设备故障模式可实施的并具有较好成本 效益的预防性任务，保留现有的合理的成分，去除无效的检修任务，还会增加一些 目前没有但是必要的检修任务。这个过程一般称之为“r c m 分析”。然后按照r c m 分析的结果更新检修策略，并严格执行。r c m 分析的结果是一个包含对于当前检 修策略及其改进建议的一览表。 r c m 基本思路如图1 2 所示： 第一章绪论 功能故障 运行时检查等辅助工作是否有效减少该故障? 否 是含能用在线监控检查出异常情况? 否 是否能用状态检修分析有效查j ：异常情况? 否 是否能通过定期修复1 毒i 伤部件有效降低故障率? 否 否 组合使用各种检修措施 图l - 2 检修方式选取逻辑图 f j g 1 _ 2l o g i cf n m eo f c h o i i i gm a i n t e n 4 眦es t r a t e g y 由前面的论述可知，定期检修虽然存在诸多缺点与不足，但设备检修的趋势表 明定期检修仍然是现代检修方式的重要组成部分。国家电网公司在防止电力生产 重大事故的二十五项重点要求中，仍然强调定期检修工作是防止设备事故的重点 措施之一。因此，搞好定期检修工作，符合中国国情，是目前国产设备现状的需要， 是防止发生设备事故的重要手段。 1 3 检修计划优化问题的国内外研究现状 检修计划属于长期运行计划范畴，即预先安排好检修时间、任务、人力、资源 等，使电力系统预防性检修的效果为最优。检修的目的或必要性可以从三个方面来 理解，即内部( 技术) 原因，电力系统原因和外部( 宏观社会和经济) 原因。 首先，从技术要求的观点来看，检修的基本目的是使电力系统中的设备工作特 性保持在允许的极限范围内；增加设备的可靠性，即减少其因故障造成强迫停电的 概率；改善设备效率；延长工作寿命； 其次，从电力系统计划人员的观点来看，检修目的是使电力系统运行和检修费 用最小，年效益最大；减少期望电量和功率损失；满足系统可靠性要求： 最后，从外部观点来看，检修目的是满足用户对供电可靠性的要求，推迟电力 系统的投资。 黑 华北电力大学博士学位论文 上述各种目的以适当形式与检修计划模型中的约束和优化目标对应。国内外的 学者和专家在检修计划优化工作上做了许多工作，取得了丰富的理论和应用成果。 以下将从分别从机组检修计划，输电网检修计划以及配电网检修计划这三个方面进 行介绍。 1 3 。1 机组检修计划 机组检修与电力系统可靠性密切相关，给电力系统运行带来重大影响。就经济 方面而言，机组检修将影响机组的发电能力，为保证系统供电可靠性而必须增加检 修备用容量，从而增加了投资费用；就系统可靠性而言，机组检修不仅可能增大系 统供电不足的风险，而且还直接影响到机组组合计划，水电计划等。 1 3 1 1 市场化前的研究成果 机组检修计划优化问题已经得到了广泛的重视和深入的研究。总的说来，机组 检修计划优化目标包括有可靠性目标和经济性目标两种2 2 1 ，约束条件包括管理层面 的约束【2 3 】和运行层面的约束【2 4 1 。 ( 1 ) 目标函数 1 ) 可靠性目标 可靠性目标分为确定型和随机型两大类。确定型可靠性目标函数是以机组检修 停运后的系统净备用或净备用率最大为目标，这种概念简单且方便实现，在实际中 经常使用。但确定的可靠性目标函数忽略了机组可用率及负荷的不确定性，因此具 有相同净备用或净备用率的不同时段，其可靠性却不一定相同，这是它的主要缺点。 随机型可靠性目标函数由于考虑了发电机机组的随机强迫停运的影响可弥补上述 缺陷，一般用l o l p 和e e n s 等可靠性指标作为目标值。 2 ) 经济性目标 经济性目标函数主要包括检修费用和生产费用这两个部分。从发电公司来讲， 检修费用主要由两个部分组成：一部分是固定检修费用，它与机组是否经常处于 运行状态无关，通常对给定的机组为一常量；另一部分与机组的使用状态有关， 包括由于频繁启停或长期运行和人员维修运行水平不同导致的磨损和损坏引起的 费用。此外，当允许检修持续时间变化时，意味着需要加班工作或雇用额外的人 员。 生产费用是生产一定电能所需的燃料费用，有一部分学者认为生产费用对不 同的检修计划方案反应不灵引2 5 1 ，但另一部分学者认为生产费用是一个十分有效 的优化目标2 6 1 ，之所以认为它是非有效优化目标是因为所举算例系统的特殊性以 第一章绪论 及在计算过程中进行了假设和简化所致。 ( 2 ) 约束条件 1 ) 管理层面的检修约束 检修窗口约束：机组检修需按照检修规程所规定的检修周期进行，有最 早允许开工时间和最迟必须开工时间的限制； 检修连续进行约束：检修工作需连续进行，中间不允许有中断； 在同一发电公司中，由于不同机组的属性及在公司中的作用不同，其检 修的优先权也不同； 检修资源约束：受检修工具和检修人力的限制，同一电厂同时进行检修 的机组需低于某个限值。 2 ) 运行层面的检修约束 系统备用约束：系统备用需达到最小备用的要求； 发电机出力约束：发电机出力应当在其功率上限和下限之间，不能越界； 设备潮流约束：系统中各个设备所通过的潮流不能超过其额定值； 燃料约束：机组所需的燃料不能超过其计划量。 以上的研究均是基于传统的垂直一体化的管理体系，电厂完全接受调度部门所 制定的检修计划。电力市场化改革后，发电公司成为独立的经济实体，发电公司与 调度中心在机组检修安排问题上的矛盾日益凸显出来。一方面发电公司将以其利润 最大化为目标分别制定各自的检修计划，而另一方面调度中心需要对机组检修进行 统一调度安排，以保证系统在任何时刻都有着充足的备用，确保系统安全。因此， 势必需要对以往的机组检修计划优化模型甚至检修计划制定机制进行改进才能适 应电力市场环境。 1 3 1 2 市场化后的研究成果 在电力市场中，厂网分离，各个发电公司作为独立的经济实体出现在电力市场 中，它们必然以公司利益的最大化来安排公司中机组运行策略。作为公司机组运行 策略的一部分，各公司在确定机组的检修时段时必然会从公司的整体利益出发，根 据电价的高低确定检修时段，在电价水平较高时，各公司必然会维持机组最大出力 运行，不会将机组停运检修；而电价水平较低时，各公司却会安排机组的检修，这 样必然会造成一段时间内系统备用不足，而且机组失效的概率也会增大，从而降低 了系统可靠性，给系统的安全运行增添了隐患。此时，系统调度机构或 i s o ( i n d e p e n d e n ts y s t e mo p e r a t o r ) 应该根据系统可靠性要求协调安排各发电公司提 供的各机组的检修策略，确保检修的经济性和公平性。目前国内外许多学者就此问 华北电力人学博士学位论文 题作了深入研究，提出了很多建设性的方案。 ( 1 ) 检修计划优化模型的改进 “厂网分开”后，发电公司成为独立的经济实体，追求自身利益最大化是客观 规律。因此在机组检修计划问题上，文献【2 7 】建立了以检修费用损失、电价收益损 失以及由发电量不足风险概率指标所转化的风险损失之和最小的目标函数。其中发 电量不足风险概率可通过建立发电厂可用容量概率模型和发电量任务的概率模型 求出，然后通过一个“风险系数”转化为风险损失。文献 2 8 】以发电公司全年的收 益最大化为目标函数。全年收益定义为全年的发电收入与全年的运行费用和检修费 用之差，其中发电收入、运行费用以及检修费用都是机组检修时间的函数。在以上 两个模型中，均假定电价预测值已知。文献【2 9 给出了电价预测的方法。首先基于 历史数据，模拟市场电价与发电容量充裕度之间的函数关系，然后根据负荷预测结 果和对其他发电公司检修开始时间的概率估计求取系统发电容量充裕度，进而得到 预测电价。 文献 3 0 】和 3 1 】认为发电公司在制定机组检修策略时因信息的不确定性还需要 进行风险管理。针对所研究的发电公司为价格接受者和非价格接受者这两种情况， 以预测的市场电价为基础，提出了计及风险约束的优化模型，并提出了转化为确定 性等价类和蒙特卡罗仿真的求解方法。 以上给出的是电力市场环境下发电公司的检修策略，文献【3 2 】和【3 3 则探讨了 市场情况下调度中心应如何制定检修计划，提出调度中心在制定检修计划时应兼顾 电网与电厂双方的经济利益和社会效益。所建立的优化模型考虑了系统可靠性和发 电公司公平性两个目标，其中可靠性目标均以等备用体现，而在公平性上，【3 2 】认 为公平性体现在各个电厂所执行的检修计划的时间与它所申报的检修计划的偏差 尽可能保证相同。很明显，这种考虑忽视了电价在不同时段是不相同的，因此虽然 偏差的时问相同但对电厂所造成的经济损失却不相同。于是f 3 3 】提出应该通过尽量 保证各个电厂的电量收益损失相同来体现公平性。 ( 2 ) 机组检修计划制定机制的改进 针对完全开放的发电侧市场环境，文献 3 4 4 1 】采用竞争检修的方法建立了一整 套完整的发电机组检修机制。竞争检修的引入，改变了以往调度中心作为检修计划 安排者的角色，检修计划的制定完全是公开的透明的。在这种机制下，检修容量成 为一种商品，进入市场进行交易。电力交易中心在保证系统安全可靠性的前提下， 计算出下个检修周期每个时段的最大可检修容量，并发布此信息。据此，各个发电 公司在规定的时间范围内，根据自身的检修策略对想要进行检修的时段分别进行报 价。报价结束后，交易中心按照一定的原则如：最大化整个检修周期内的效益1 3 4 。3 5 】 第一章绪论 或价高者获取所投标的检修时段【3 6 】制定出机组检修计划。最后，交易中心将所收取 的费用要么返回给用户1 3 4 ”，要么按照一种类似并联电路的分摊原则返回给发电公 司p6 j 以保持交易中心的非盈利性。 3 7 】和【3 8 认为交易中心应尽可能不对发电公司申报的检修计划进行调整，除 非系统的可靠性得不到保证。王健等人提出了“意愿支付”的概念，也就是发电公 司愿意出多少钱以保证所申报的检修计划不被调整。当发电公司申报的检修计划不 能满足系统可靠性要求时，调度机构将根据各发电公司申报的“意愿支付”，按从 低到高的顺序对所相应的检修计划进行调整使其满足系统可靠性的要求。交易中心 所收取的费用将按照发电公司上一检修周期内因为检修计划调整所引起的损失比 例【3 卅返回给发电公司。 文献【3 4 3 9 所建立的机制中，发电公司虽然有了一定的检修计划自主权，但最 终还是要服从交易中心从系统可靠性角度考虑的调整。【4 0 】和【4 l 】则给与了发电公 司更多的自主权，调度机构完全靠市场的手段来保证系统的可靠性。首先，调度机 构以检修期间系统可靠性最大为目标，发电公司以其利润最大化为目标分别制定各 自最优的检修计划。若后者的系统可靠性与前者相当，调度中心接受发电公司申报 的检修计划；否则，调度中心给出每个检修时段的奖励惩罚价格，发电公司据此调 整自身的检修计划再次申报直至最终满足系统可靠性的要求。由此可见，在调度中 心给出的激励机制的引导下，每个发电公司对自身利益的追逐共同实现了系统可靠 性的要求。 1 3 2 输电网检修计划 文献 4 2 】所建立的输电网检修计划的目标函数包括以下三个部分：降低输电设 备检修成本，降低因输电设备检修而导致的输电损失，降低辅助服务费用。需要说 明的是，由于电网公司的目标是最大化收益，因此成本最低的检修计划可能会断开 某些线路的潮流从而引起系统潮流或电压越限。为解决这个问题电网公司可以有两 种选择，一个是中断无功合同，另一个是从辅助服务市场购买无功。这两个选择的 费用也就是目标函数中的辅助服务费用。 发电机组与输电线路的检修计划密切相关，随着电网的不断扩大和电力市场化 的发展，制定合理的发输电设备联合检修计划已成为一个急需解决的问题。发电公 司和电网公司按照各自的最优检修策略所分别申报的检修计划，无论在经济上还是 安全上都不一定是最优的，有时甚至相互冲突，因此需要调度机构根据可靠性和经 济性统一的原则来协调最终的发输电设备检修计划。文献 4 3 ，4 4 】建立了市场条件下 发输电联合检修的数学模型，目标函数中考虑检修费用和生产成本，其中机组的生 产费用包括燃料成本和停电损失成本。而在约束条件中考虑系统可靠性，混淆了交 华北电力大学博士学位论文 易中心和发电公司的利益，没有体现出市场条件下各个市场主体分离的特点。文献 4 5 】深入分析了交易中心所关心的目标和约束，分别从发电机组检修、输电设备检 修以及设备协调检修三个层次分析并建立相应的数学模型，最后综合成一个较为完 善的确定型发输电协调检修计划数学模型，其目标函数包括了等备用率、等单位电 量收益损失、系统可用输电能力最大以及输电设备的检修费用最小这四个目标。通 过赋予不同的权重最终获得一个协调最优的结果。 1 3 3 配电网检修计划 目前国内外对配电网检修计划优化问题的研究尚处于初步阶段，相关文献较 少。配电网检修计划问题是一个多目标多约束的优化问题，优化的目标包括有可靠 性优化目标4 7 1 ，经济优化目标4 8 ，4 9 1 和管理优化目标5 ，而所包含的约束不仅有 系统安全运行约束，检修管理约束，还涉及到检修项目之间的协调约束。 ( 1 ) 目标函数 1 ) 可靠性目标 降低系统平均停电频率( s a i f i ) ； 降低系统平均停电持续时间( s a i d i ) 。 2 ) 经济性目标 协调各个检修项目的开工时间，尽量减少检修工人的往返时间和费用； 尽量将检修工作安排在工作时间，以减少加班费用的支出，从而降低检 修的人工成本； 尽量将导致负荷停电的检修安排在负荷低谷期以降低供电企业的售电 损失。 3 ) 管理性目标 合理安排检修工作量尽量避免将检修项目拖延到下一个检修时段； 在满足约束条件的情况下，尽量减少对申报检修时间的调整。 ( 2 ) 约束条件 1 ) 系统运行约束 设备潮流约束：线路，变压器等设备所通过的潮流在限值范围内； 节点电压约束：节点电压应在其规定的偏差范围内； 2 ) 检修管理约束 检修资源约束：检修工作量应在人力、物力所能满足的范围内； 第一章绪论 检修开始时间约束：机组检修需按照检修规程所规定的检修周期进行； 检修连续进行约束：检修工作需连续进行，中间不允许有反复； 不可变更的检修约束：上级调度部门下达的检修计划中设备检修时间是 不可变更的。 3 ) 协调检修约束 同时检修约束：导致同一设备、同一负荷停电的设备检修应同时进行； 互斥检修约束：会造成电气孤岛的检修项目应错开检修时间。 1 4 本文主要研究工作 本课题是国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 7 0 2 2 ) 。本论文主要研究了配电网检 修计划的优化问题，包括配电网检修计划优化模型和优化算法的研究。 第二章主要研究的是配电网检修计划的优化模型。在分析和提炼当前制定配电 网检修计划的基本原则、所考虑的各方面因素等研究工作的基础上，建立起适合配 电网检修计划工作的优化模型，指出配电网检修计划优化问题是检修时间优化问题 和负荷转移路径优化问题的协调优化的综合。 第三章将简单介绍遗传算法和禁忌搜索算法的特点以及重要参数的选择标准； 给出混合算法的基本结构和遗传禁忌混合智能算法中t s m 算子的计算流程。 第四章主要研究的是配电网检修时间优化算法。借鉴国内外对机组检修计划优 化算法的研究成果，选择遗传算法作为求解配电网检修时问优化问题的主算法。通 过对约束条件的分析和处理大大减少了约束条件的个数；通过改进“直接比较法” 构造更为合理的适应值函数，改善了算法的寻优性能；通过将禁忌搜索算法引入到 简单遗传算法的变异算子中，并根据种群信息熵自适应的选择常规变异算子或改进 变异算子，既提高了算法的寻优速度又充分保持了种群的多样性以避免算法陷入 “早熟”陷阱。 第五章主要研究的是配电网检修时负荷转移路径的优化算法。通过借鉴配电网 故障时负荷恢复问题的研究成果，在比较各个算法的优劣后，确定改进启发式算法 中的“待恢复树切割算法”进行求解。由于不同的联络开关选择顺序将导致不同的 优化结果，因此运用“待恢复树切割算法”时需将联络开关进行全排列生成所有可 能的“待恢复树”，逐一“切割”计算后才能得到最优解，所需计算时间很长。本 文通过应用启发规则只生成一个最有效的“待恢复树”。同时考虑到常规启发规则 中仅包括降低切负荷量和联络开关操作次数这两个优化目标，而不包含对网络损耗 的优化，因此在“切割”过程中引入