输变电设备检修计划决策技术评述

崔晓丹，李威，李碧君，方勇杰，宋晓芳，王正风

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京　211006；2.中国电力科学研究院，北京　100192；3.国网安徽省电力公司，安徽合肥　230022）

输变电设备检修计划决策技术评述

崔晓丹1，2，李威1，李碧君1，方勇杰1，2，宋晓芳1，王正风3

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211006；2.中国电力科学研究院，北京100192；3.国网安徽省电力公司，安徽合肥230022）

电网和技术的发展给输变电设备检修计划决策带来了新的机遇和挑战。分析了输变电设备检修计划决策关联技术，提出了新形势下检修计划决策研究及应用技术面临的主要问题和挑战，对输变电设备风险评估、计划方式下电网安全校核及风险评估、检修计划协调优化算法、系统研发等关联技术的发展现状进行了评述，并从输变电设备风险评估、检修计划优化决策、研发自动化系统方面提出了建议和技术展望。

输变电设备；检修计划；风险评估；优化决策

输变电设备安全可靠运行是电力系统安全稳定运行的基础。随着电力系统向多电压等级、跨区大容量互联发展，输变电设备检修造成系统一次结构改变后，系统安全运行裕度变小，故障导致的系统安全风险增大，输变电设备检修计划的安排越发困难。因此，对检修计划形成符合调度运行客观实际的运行方式，并进行滚动的安全稳定校核，优化检修计划安排，研发相关的自动化辅助系统，势在必行。

电网检修计划优化问题是一个以设备检修开始时间为优化变量的多目标多约束优化问题。本文在讨论其关联技术的基础上，讨论了当前输变电设备检修计划决策技术面临的机遇和挑战。从输变电设备检修计划优化决策过程中涉及的计划方式的自动生成技术、计划方式的安全稳定校核技术、运行方式的安全稳定评估技术、检修计划的优化决策算法等方面评述国内外的研究进展，并对今后该领域研究和应用方面的发展进行了展望，提出了相关建议。

1　输变电设备检修计划决策技术面临的机遇和挑战

发达国家在工业化的进程中，提出了各种设备管理理论和模式来开展设备检修管理工作［1-4］：如前苏联的定期检修制，英国的设备综合工程学，日本的全员生产检修，美国的后勤工程学等。1970年，美国杜邦公司I.D.Quinn首先提出了状态检修的检修模式。随着传感技术、数字信号处理技术、人工智能等在状态监测及故障诊断中应用，使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修研究得到发展，并已广泛应用于美国、法国等发达国家电力系统的锅炉、发电机、变压器等大型电器设备的检修实践中。目前，我国现行电力设备的检修模式逐渐从故障检修和预防性计划检修为主向状态检修模式转变。

1.1关联技术分析

输变电设备检修下系统一次结构将发生重大改变，因此，除了要根据设备本身状态的紧急程度考虑检修时序外，还应计及检修给电网运行带来的安全稳定风险。由此角度，可将输变电设备检修计划决策方法归结为2类：

1）将检修导致的系统风险、检修的经济性评估与设备状态评价分开进行，其技术路线示意图如图1所示。该方法将检修计划决策过程分为几个不同的阶段，每个阶段独立进行，属于基于经验的启发式方法。这种方法被电网运行部门普遍采用：首先由输变电设备管理部门申报待修设备的检修时段（从设备自身可靠性和设备管理的经济性角度），调度中心根据申报结果制定检修计划（从系统可靠性和调度运行角度）。

图1　检修计划决策的技术路线示意图Fig.1　Sketch map of the technical route of maintenance plan decision-making

2）将检修导致的系统风险、经济性评估与设备状态评价建立在同一数学模型中，部分因素作为模型的目标函数，部分作为约束条件，并选择相关优化决策算法进行求解。这里作为目标函数的主导因素和作为约束条件的目标函数一般是可以相互转化的。

1.2面临的机遇和挑战

随着电网快速发展，其规模越来越大，复杂性越来越高，检修计划安排时受到的制约条件也越多越复杂，给电力系统生产运行部门带来新的挑战。当前的检修决策方式和相关技术已经不能完全满足电网发展新形势下的诸多要求。电网生产运行部门检修计划决策的模式仍较为粗放，检修计划决策设计部门和人员多，工作量大。校核计算主要依赖人工离线进行，缺乏有效的自动化辅助软件和系统。

同时，技术的发展和推广应用为解决上述矛盾提供了机遇。一方面设备状态风险评估和电网风险评估方法、检修计划优化决策算法、电网安全校核技术等理论和技术研究得到发展；另一方面电网设备状态监测、电网智能调度决策支持、电网设备管理等自动化系统得到研发和应用，为实现输变电设备检修计划优化决策水平的精细化和自动化发展提供了基础。随着信息通信、大数据、并行计算、优化决策等技术［5-11］的研究与应用，更为电网检修计划优化决策技术提供了发展条件。

2　关键技术现状

2.1输变电设备状态评价与风险评估

设备运行状态评价是电网风险评估、设备检修决策的前提，其代表性方法包括：人工智能算法［8-9］、基于Petri网模拟设备的故障树［13］、设备健康指数概念［14-16］。就设备健康指数概念而言，国内电网公司也颁布了有关规程和评价导则［17-18］，对各类设备状态的影响因素进行较详细地划分，并给出相应的扣分标准。设备故障与设备状态、电网运行工况及外部环境等多个因素相关。除了电力系统内部因素外，有时外部因素也可能成为输变电设备发生故障的主导因素，如温度、湿度、自然灾害等。

目前在设备故障概率模型及风险评估方面，主要集中在考虑设备自身健康状况信息建立各类设备故障的概率模型，还没充分综合协调多类因素对设备故障概率影响。有必要研究电网内外部因素共同作用引起设备故障的机理，提出计及电网安全稳定性的融合输变电设备健康状态监测信息、外部环境信息、电网实时工况信息的输变电关键设备识别及预警技术。

2.2检修计划下的电网安全风险评估

电网运行可靠性是输变电设备状态、电网运行工况和外部环境信息等的综合作用结果。基于设备自身状态的设备检修计划安排，同时要规避设备检修对电网安全稳定性的不良影响。因此，检修计划下电网安全风险评估是进行输变电设备检修计划优化决策的重要基础。而检修计划下运行方式是进行电网安全风险评估的基础。本节从检修计划下运行方式自动生成技术及电网安全校核、风险评估分别论述。

2.2.1检修计划下运行方式自动生成技术

输变电设备检修计划的系统运行方式要考虑同时段设备检修计划、发电计划、负荷预测等一种或多种计划的安排，将这些计划数据作用到基础运行方式。不同时间尺度的计划方式对精度的要求也不尽相同，但其方法也有所不同，但总体上是一致的或相通的。该问题可以细化为3个方面的内涵或步骤：

1）根据检修计划，以及相应的发电计划、负荷预测等硬约束在基础数据基础上生成初始计划方式；

2）初始方式基础上提升初始方式收敛性；

3）考虑其他约束条件，进一步提升方式的合理性，生成最终符合电网运行合理性的计划方式。

当然，这3个步骤可以在1个或2个过程中同时完成。

基础数据的获取一般有2种途径，一种是根据系统的结构、模型、参数数据库，将检修计划更新到数据库，根据数据库和基础方式生成规则，形成电网检修计划下的运行方式；另一种是基于已有的全接线的基础运行方式数据文件，通过简单修改计及检修计划生成检修计划下的运行方式数据。一般情况下，第一种方式需要进行系统的数据库建模，建立方式生成规则，然后基于计算机程序自动化生成。其优点是自动化好，缺点是需要事先具备数据库基础，否则一次性重建过程相当复杂，且需要定时进行维护。第二种方式需要根据人工经验或一定的规则选取最接近的全接线的基础运行方式，优点是操作方便，实现简单。

总体上，目前检修计划下运行方式生成方法包括基于类似灵敏度指标调整的启发式算法和基于数学模型求解的优化算法两类，而考虑的目标或/和约束有所侧重。文献［19］将复杂的日计划优化问题划分为两步：首先将电网潮流调整为相应的日计划负荷水平，然后对自流线路的输电计划进行优化计算。文献［20］将电网模型数据、计划数据、历史数据整合，通过调整有功平衡、无功平衡得到收敛且满足运行约束的潮流。文献［21］基于多数据源进行参数拟合，初步形成日前预报潮流计算模型，并通过自动潮流调整实现潮流收敛，形成日前预报潮流。文献［22］根据发电机组计划、检修计划、母线负荷预测和联络线交换计划，按照潮流计算中有功、无功弱耦合的特点，将问题分解为有功子问题和无功子问题分别求解。2个子问题都构建为满足约束的最优化模型，并采用内点法进行求解。文献［23］采用时序优化方式解决月度机组组合问题，针对电力市场和节能调度模式，建立了优化数学模型。利用拉格朗日松弛算法进行月度720时段机组组合优化。文献［24］开发了一套日发电计划安全校核及最优调整系统的应用软件，利用降阶基方程线性规划法实现发电计划的最优调整。

然而，目前的方法在生成计划方式时，只考虑了基础潮流和静态安全约束，基本未考虑暂态稳定约束。实际上对电网生产运行部门而言，一个合理的计划方式应该能满足一般单一故障下（部分特殊情况除外）的暂态稳定性。另外，目前虽然利用了历史信息［20］，但对于历史信息的利用还不充分，例如与检修计划同期的负荷预测下的电力电量的分配，可以根据同一电网下不同时间尺度的负荷曲线变化规律进行合理分配，从而生成计划方式数据。已有的技术对于输变电设备检修计划、机组停运计划、系统备用约束、系统实际网损等影响，均只考虑其中部分因素，综合协调考虑不足，导致了成果的实用性欠缺。另外，对于计划方式生成过程中潮流不收敛的情况研究成果较多，不再详述。

2.2.2检修计划下的电网安全校核及风险评估

1）检修计划下的电网安全校核技术。检修计划的校核技术主要是通过负荷建模、潮流建模、数据复用以及并行技术等对检修计划进行自动优化和校核，以证明检修计划的合理性与实用性，从而降低运行调度人员的劳动强度。文献［23］利用非线性内点最优潮流算法进行电网安全校核。文献［24］建立了考虑负荷转移的检修计划安全校核优化模型。文献［25］研究了大电网调度计划静态安全校核中的并行计算技术和基于预测—校正的网损估计技术，以提高准确性和计算速度。文献［26］提出了基于直流潮流筛选的快速扫描技术，面向多时段断面的多进程并行计算技术，基于拓扑特征关联性分析的数据复用技术和面向单时段断面的多线程并行计算技术等4种快速计算技术。

2）检修计划下的电网风险评估技术。文献［27］最早提出了电网运行风险的正式定义。有关电网运行风险的研究主要围绕风险指标、扰动概率建模和风险分析方法等方面［28］。文献［29］指出采用使系统稳定的最小控制代价来反映故障后果，不但可避免估计停电范围和停电时间的困难，也更符合实际情况。已有较多研究采用最优控制措施的费用来反映不安全现象的经济代价［30-31］。对于风险评估方法及其指标研究的文献很多，在此不一一列举。这些方法和指标均可应用到输变电设备检修计划决策中来。其形式可以是进行检修计划下风险程度的比较，也可以是应用到优化决策数学模型的目标函数或约束条件中去。

2.3输变电设备检修计划优化决策模型和算法

2.3.1数学模型

输变电设备检修计划优化本质上是一个多目标多约束混合整数优化问题，不确定因素多，非线性强。优化目标主要有可靠性、经济性、实用性及其三者的组合。

可靠性目标主要有停电损失负荷［32-33］、系统可靠性指标最大［34-37］、电量不足期望值最小［38］、供电不足风险增加量最小、风险度增加量最小［34］，等等。文献［39］在设备间关联概念［40］基础上将设备检修的概念拓展到电网，提出了电网状态检修的概念，将电网检修风险和故障风险作为目标，实现设备状态检修与电网运行间的协调优化决策。文献［41］从提高系统整体运行的可靠性和经济性出发，依据设备间功能关联，给出了给定系统关联集的概念、分解方法及其状态概率计算方法，建立了基于风险的系统状态检修模型。

经济性目标包括检修费用、停电损失、故障下再调度费用及其组合，等等。文献［42］以设备检修期间其他设备发生故障后发电机组有功再调度的费用增量作为风险指标。文献［43］基于可信性理论建立了输电线路短期检修计划的混合整数随机模糊双重不确定性优化模型，其目标函数是检修费用与停电损失费用之和的随机模糊期望值最小。文献［44］建立了协调市场各方利益的发输电一体化检修计划优化的数学模型，综合考虑电力系统安全经济性和电力市场公平性。目标函数是发电机组等备用率、等单位电量收益损失以及输电系统可用输电能力、输电设备检修费用的加权叠加值。

实用性目标含义主要有设备应尽可能做到“到期检修”，尽量减少检修停电电量，检修工作量分布均匀等。文献［45-46］的目标函数为设备检修时间偏离检修周期的时间最少。文献［47］提出以检修停电电量最小为目标，根据待检修线路段的重要性合理安排检修计划。文献［48-49］以偏离到期应检修时间最少为目标。

检修优化模型中包含大量约束条件，目前国内外已有的数学模型所遵循的约束条件基本相同，包括检修允许时间范围约束、同时检修约束、顺序检修约束、互斥检修约束、检修资源约束，以及安全约束、线路有功容量限制等。按约束性质的不同可分为检修技术约束、检修资源约束和系统运行约束3种类型［50］。

2.3.2求解算法

在检修计划优化决策算法方面，主要包括数学优化方法、智能算法及启发式算法3类。数学规划方法包括Bender分解法、整数规划、线性规划等。

文献［32］用枚举法求解检修优化问题，文献［51-52］在Benders分解法基础上，用分支定界法求解整数规划主问题、用传输模型求解运行子问题。文献［43，53］采用隐枚举法求解主问题。文献［37，42］将检修优化问题的整数性进行松弛，采用松弛线性规划法和动态规划法相结合对其求解，但动态规划可能有“维数灾”问题。

智能算法主要有禁忌搜索算法、遗传算法、进化规划、蚁群算法、粒子群优化算法、免疫算法等。文献［34，37］在遗传算法流程中加入了用模拟退火算子，充分发挥了遗传算法的快速全局搜索性能和模拟退火算法的局部搜索能力。文献［44］采用了基于遗传算法和粒子群优化算法的协同进化算法。文献［54］提出一种应用于发输电检修计划的模糊进化算法，并介绍一种基于进化规划和爬山搜索的检修计划寻优方法。文献［55］提出一种基于小生境的改进多目标粒子群算法。

文献［56］基于等风险度制定检修策略，通过迭代，做到影响电量最大的设备安排在系统可靠性最高的时段。文献［57］以系统停电损失和检修成本之和最小为目标函数，基于系统总成本对计划检修率的灵敏度，采用启发式迭代方式对系统各电力设备的计划检修率进行优化。

综上，当前研究确定最佳检修方案时要么对设备状态、外部环境、系统安全风险、工程实施等多种因素考虑不足，要么求解算法过于复杂，从而工程应用性不强，亟需寻找既综合考虑多种因素影响，又具有工程应用前景的实用算法。这里建议对于不同时间尺度的输变电检修规划问题，突出其特点，在满足工程合理性的基础上尽量考虑其主导因素。

2.4系统研发方面的现状

国内大多电力部门已应用了电网生产管理系统和设备状态监测系统［58-60］支撑输变电设备运行维护决策：基于现有生产信息管理系统，采用状态检修管理思路，构建设备状态数据中心，运用专家系统等算法实现对设备的状态评价与检修决策建议，有效地将电网地理信息、设备接线图信息、运行维护信息、实时监测信息等数据有机结合起来，实现业务系统间的应用集成和跨部门、跨地域的数据共享。电力部门依靠类似系统实现了设备运行监测管理功能，然而系统可靠性和计算结果的准确性还难以保障，且还未见到或有效实现对设备状态监测结果的延伸应用。例如，综合不同业务对于设备管理需求，结合设备自身和检修计划下电网安全风险评估，将检修计划优化算法应用到生产实际，研发并应用有关的输变电设备检修计划决策支持系统。

3　建议及展望

3.1基于大数据技术开展设备状态风险评估

具有数据挖掘、快速计算、信息通信等特征的大数据技术为输变电设备的风险评估提供了技术支撑。应进一步完善当前设备状态评估的影响因素研究，基于设备外部环境、自身运行工况、历史状态等多源信息开展导致输变电设备故障的途径研究，建立融合多源信息的输变电设备综合故障概率评估模型，提出输变电关键设备识别指标和评估体系，完善当前相关输变电设备评价导则和规范，为输变电设备检修计划决策提供可靠的数据信息。

3.2计及多目标多约束的发输电协调检修计划安排

输变电设备检修计划安排时要协调考虑发、输电检修需求；检修计划优化决策中需同时考虑设备状态安全风险和电网安全风险、检修的经济性、便利性等多个目标；用于检修计划安全校核的运行方式（包括机组组合、负荷分配等）既要符合理论上的合理性，又要尽量符合电网调控运行实际操作习惯，尽量准确地预测检修周期内的电力电量，特别是大规模间隙式电源的接入还给系统带入了电源侧的不确定性。在运行方式安排应综合考虑主辅设备陪停、系统备用等硬性约束。另外，检修计划的安全校核或优化决策算法应计及单一故障下的系统暂态和动态安全稳定性要求。

3.3研发输变电设备检修计划优化决策软件和系统

整合现有相关自动化资源，研发输变电设备检修优化决策软件或系统。例如，引入已有的设备状态在线监测系统（CMS）的设备状态检测和评价信息，引入智能调度决策支持系统（D5000）的电网实时和历史运行工况信息、调度管理信息系统（DMIS）设备管理相关应用功能的信息，进一步整合完善，设计输变电设备检修计划优化决策算法，开发输变电设备检修计划优化决策软件和系统，提出输变电设备计划辅助决策或既定计划下的应急处置预案，并通过先进的实验验证手段充分考核项目成果的适用性、有效性和可靠性。

4　结语

电网和科技发展给输变电设备检修决策技术带来了新的挑战，与此同时，相关理论和技术的发展为输变电设备检修决策技术的提升带来了新的基础和新的机遇。在分析输变电设备检修决策的关联技术基础上，评述了涉及的关键技术研究和应用现状。建议利用新技术进一步深化输变电设备风险评估研究和检修优化决策研究，研发输变电设备检修计划优化决策系统，从而提升输变电设备运维管理的精细化和自动化水平。

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（编辑冯露）

Review on Transmission Equipment Maintenance Planning Decision-Making

CUI Xiaodan1，2，LI Wei1，LI Bijun1，FANG Yongjie1，2，SONG Xiaofang1，WANG Zhengfeng3
（1.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；3.State Grid Anhui Electric Power Company，Hefei 230022，Anhui，China）

The development of power grid and technology has brought new opportunities and challenges to decisionmaking of power transmission equipment maintenance planning.In this paper the related technologies of power transmission equipment maintenance planning decision-making are analyzed，and the main problems and challenges under the new situation are proposed.The main related technologies，such as power transmission equipment risk assessment，power grid security checking and risk assessment of maintenance planning，the optimization algorithm of maintenance planning，system development，are reviewed.The prospect and some technical suggestions are proposed accordingly.

transmission equipment；maintenance planning；risk assessment；optimized decision

1674-3814（2015）12-0018-09

TM755

A

2015-04-28。

崔晓丹（1981—），男，博士研究生，高级工程师，从事电力系统分析规划、安全稳定控制方面的工作；

李威（1976—），男，博士，研究员级高工，从事电力系统分析规划、安全稳定控制方面的工作；

李碧君（1966—），男，博士，研究员级高工，从事电力系统分析规划、安全稳定控制方面的工作。

国家电网公司科技项目“计及电网安全稳定性的输变电设备风险评估与运维管理决策技术研究与应用”。

Project Supported by State Grid Corporation of China：Research and Application on Risk Assessment and Operations Management Decision-Making Technology of Power Transmission and Transformation Equipment with Security and Stability Constrain of Power Grid Considered.