基于状态评估的输电线路巡视周期优化研究

张林华 李仕林 赵明 杨勇

摘  要：输电线路巡视是保障电网安全的重要措施，在有限人力、物力资源的条件限制下，为保证输电线路的高可靠性，需要更加注意巡视周期的合理优化安排。相较于传统巡视模式，通过引入输电线路状态估计模型，对輸电线路故障概率进行刻画，然后综合考虑巡视要求及各类成本限制，并对现有巡视模式进行优化，具有很强的实际研究意义。文章通过建立计及输电线路状态评估、物力、人力资源消耗的多目标优化模型，并设计可行多目标求解方法对该模型进行求解，以获得优化后的输电线路巡视周期。通过文章研究为输电线路工作安全稳定高效运行提供有效的保障。

关键词：输电线路;巡视周期;多目标优化;状态估计

中图分类号：TM755        文献标志码：A         文章编号：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

输电线路由于其通道长，所处环境复杂，受自然条件影响较大，导致线路故障在整个电力系统故障中占有较大比例，线路故障比设备故障导致的不良影响和危害更大[1]。输电线路故障不仅影响着电力企业的安全经济运行，也同样给社会造成较大损失[2]。合理的输电线路巡视模式和周期是有效避免输电线路缺陷故障的有效措施[3]。

在输电巡维优化方面，文献[4]将线路划分为4类，综合考虑输电线路的正常运维和各种特殊运维，制定不同类别设备的巡视周期，基于线路的巡维评价，得到全线的运维策略。考虑了多类运维约束条件，以输电线路巡视经济性作为目标函数，建立输电线路差异化运维模型，利用遗传算法得到各线路优化的差异化运维计划。文献[5]基于实际调研获得输电网络的加权网络图，考虑输电网络巡视消耗成本、机会成本、风险成本，以实际巡航问题的约束条件和效用最大化的目标函数建立模型，提出基于输电网络巡视路线优化的遗传算法设计。文献[6]提出一种基于差分纵横交叉算法的输电线路巡检路径优化方法，在解决同时考虑杆塔风险概率和路径最短的多目标输电线路巡检路径问题时，同时具备良好的全局逼近能力和快速的收敛性能。

为确保输电线路巡视效果，保证输电线路的安全可靠，本文建立了输电线路的状态评估模型，通过巡视输电线路的状态评估，搭建基于输电线路巡维状态评估的巡视周期优化模型，通过模型优化结果指导决策者制定合适的巡视周期开展巡视工作。实现输电线路巡视周期的合理优化安排，保障输电线路的安全可靠。

1 输电线路巡维方式及状态评估模型

1.1 输电线路巡视方式及缺陷管理

对于输电线路缺陷，按照严重程度分类，输电线路缺陷可分为一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷三类[7]。其具体含义如见表1。

通过对电网公司输电线路缺陷管理方法的调研得到国内电网公式对输电线路状态评估的运营方式，其流程如图1所示[8]。

1.2 输电线路状态评估模型

针对输电线路的状态评估，本文利用线路上各元件的状态进行建模刻画，给定设备零件的初始状态，考虑状态的时间转移，构建输电线路的状态评估模型。通过对元件状态评估的数据分析，选择不同的输电线路，可以确定不同线路的各元件的状态评分，在状态评估过程中考虑输电线路标准，可从设备参数数据、电网数据和环境数据等进行综合评价[9]。

输电线路的一般巡视是对整个输电线路状态进行评价，各个元件的状态都将被计算到输电线路的综合评分中。通过对输电线路中的各类元件赋予合理的权重，加权计算该输电线路的综合评分[10]。

其中Hi（t）为元件i的可靠性评分，t为持续时间，βi是元件i所对应的权重。

为了评估线路状态，需要对线路中元件的故障概率进行建模。本文建立与元件状态和寿命两个变量相关的统计分布模型。首先建立故障函数：

式中？姿（t）表示故障率的时间函数;？酌为系数，表示其他因素对状态的影响。基于上述故障率函数，进一步考虑时间t和设备的初始状态S0，得到如下的线路状态评分模型。

式中：     为考虑持续时间t和设备所处状态是S的概率密度函数;？姿（S0，t）为与设备的初始状态S0和设备运行时间t相关的故障率函数;K（t）为设备状态衰减系数。

在设备状态不变的情况下，故障率？姿（S0，t）可认作为常数，故障率就只受设备状态的影响。及在一个巡视周期[t0，t0+t]内，故障率用t？姿（S0，t）进行表示，根据输电线路运维经验，国内输电线路的元件普遍具有较好的可靠性，原件的衰减周期较长。因此，可近似认为在一个巡视周期内的设备状态及设备故障率均为常数。因此，将设备故障率

经过输电线路的巡视，当巡视员工发现并处理了相应的设备设施缺陷，其状态评分就会变化，假设所有缺陷被巡视发现的概率是？琢0（t）。巡视过后，设备的状态评分更新公式为：

将输电线路看作由各主要巡视元件组成的系统，上述元件状态评估公式即可转化为输电线路状态评估公式。

2 输电线路巡视周期多目标优化模型

2.1 目标函数

实际中，巡视周期的确定是一个需要同时考虑资源限制、人力成本和巡视要求的多目标优化问题，其目标包括保证输电线路正常运行状态、人力资源的合理安排和工具等资源的要求。通过上述分析，本文设定三方面的目标：

其中F1表示为不同巡维周期下输电线路的出现缺陷的概率，F2表示输电线路巡维的人力资源的消耗，F3为输电线路巡维物资消耗，这三个目标均为巡视周期t的函数，分别为：

其中：待优化的t表示巡视周期，为模型的决策变量，F（t）为输电线路的状态评分;t/T为单位巡视周期的所耗人力资源，T为设定的巡视周期;t？茁为单位巡视周期的所耗物力资源。

2.2 约束条件

该模型的约束包括人力约束、物力约束和输电线路状态约束，具体如下所示：

2.2.1 人力条件约束

时间以年为单位，每年巡视次数为N/t，总人力为M，假设每次巡视需要人力为Ne，班组其他工作需要的人力为Na，则人力条件约束可表示为：

根据日常运行维护经验，N为输电线路巡视的有效人力，由各相关部门的实际情况决定，Na为输电线路当前非巡视工作所需要的人力，由输电线路当前运行的实际情况决定。

2.2.2 巡视周期规定约束

巡视周期需满足基本的输电线路运行标准要求。则巡视周期规定约束可表示为：

2.2.3 输电线路状态评分约束

为保证输电线路的良好运行，使得站内设备能够良好运行，输电线路的状态评分需在正常的评分范围内，输电线路状态评分约束可表示为：

依据对输电线路状态评估的定义和要求，可以设定输电线路运行的最低标准。

3 输电线路巡视周期多目标优化模型求解方法

3.1 基于层次分析方法的目标权重分析

层次分析法整个计算过程包括以下四个部分。

（1）层次结构模型的建立

递阶层次的结构通常分为：目标层、准则层、方案层三个基本层次。

（2）判断矩阵的构造及赋值

构造判断矩阵是把所有因素采用相对尺度两两比较，得到重要性关系。

（3）一致性检验

通过求出最大特征根？姿max的特征向量，计算一致性指标CI，查找出平均随机一致性指标RI，并计算出一致比例CR。

（4）权重确定

根据排序结果，确定多目标函数的权重。

3.2 优化模型指标权重计算结果

以我国某区域的110kV输电线路为例，使用层次分析法确定目标函数各目标间的权重系数。经过15名专家对这3个权重指标进行打分，建立如下比较矩阵：

通过几何平均法求得模型的指标权重：？着1=0.71;？着2=0.18;？着3=0.11。

3.3 算例分析

之前章节建立了优化模型如下：

其中，子目标F1表示t时间下输电线路的状态评分，子目标F2表示巡视时人力资源消耗，子目标F3表示巡视时物力资源消耗。

该模型属于非线性整数优化模型，可以利用穷举算法求解，取K=5，β=-0.1。当Hmin=0.8945，λ=0.1，α0=0.95。针对区域内多个输电线路的优化问题，可采用多目标非线性整数优化方法进行求解。本文利用Matlab求解。经过程序计算，获得巡视周期的较优值，其结果如表2所示。

通過图2可以看出，输电线路巡视周期优化结果符合差异化巡视特点，不同的输电线路根据其不同的运行年限、故障缺陷率等的特点，最优的巡视周期也各不相同。

4 结束语

本文建立了基于状态评估的多目标输电线路巡视周期优化模型，构建了输电线路状态评估模型，以输电线路状态、巡视人力、物力消耗为模型的多目标，并采用层次分析法确定模型的各目标权重，从而构建输电线路巡视周期的多目标优化模型，最终利用Matlab求解该模型，获得不同输电线路的最优巡视周期。通过算例分析，不同的输电线路对应的巡视周期各不相同，这主要取决于线路的自身状态和巡视目标要求，针对区域输电线路进行总体优化可以看出，输电线路巡维需要进行差异化运维，通过合理设定输电线路巡视周期，将有限的人力和物力资源进行高效配置。

参考文献：

[1]彭业.引入状态评估分析的输电线路设备巡视优化策略的研究[D].华南理工大学，2012.

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[3]杨晓东.输电线路工程管理的提升及改进分析[J].国际公关，2019（12）：230.

[4]刘跃雷.基于精益化思想的输电线路运行管理研究[D].华北电力大学，2013.

[5]姜格敏，丁慧娟.输电线路状态巡视方法探讨[C]//第四届全国架空输电线路技术交流研讨会论文集，2013.

[6]李艳飞.架空输电线路无人机人工联合巡检模式初探[J].科学与财富，2017（033）：27-27.

[7]徐平，闻建中，马承志，等.基于遗传算法的输电线路差异化运维优化方法的研究[J].陕西电力，2014，42（05）：6-10.

[8]何冰，季建华，刘新平，等.基于遗传算法的城市输电网络巡视路径优化选择问题[J].计算机应用研究，2013，30（08）：2276-2279.

[9]李铭钧，甘团杰，赖奎，等.考虑杆塔风险概率的输电线路巡检路径优化方法[J].电网与清洁能源，2016，32（10）：61-67+78.

[10]薛志成.变电站巡视模式的优化研究[D].华南理工大学，2014.