智能电网控制系统的电网一体化控制方法研究

张 征，赵培培

（国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

随着电网规模的不断扩大和发展，电力系统中在运设备数量大幅增加，设备老化、故障问题日益突出，将严重影响电网安全运行效率，降低电能质量。

输配电系统由许多独立设备组成，这些设备各自的投运时间、运行机时、老化程度等都不尽相同，需要制定适当的设备维护策略以确保输配电系统的运行可靠性[1-2]。通常而言，输配电系统的维护成本越高，其可靠性越强，随着系统可靠性的提高，电气设备故障的概率将会降低，停电事故的概率也会降低[3-6]。同时电流通过低效率用电设备，以及进行长距离输送时，电力损耗将升高，导致电力输送成本增加，因此为了优化成本效率和电源质量之间的平衡，保证电网运行效率，基于设备运行状态监测和诊断系统对设备当前运行状况进行实时监测和评估，并预测设备未来的运行性能就显得十分重要[7-9]。从绝缘材料性能和老化的角度来看，导致绝缘材料可靠性降低的因素有很多，包括运行年限、材料种类、工艺、运行环境等[10-13]。显然通过加大设备投资可有效提高电网运行效率和电能质量，但是实际工况中电网建设投资成本通常需要控制在可接受范围之内，这些成本包括电网建设、设备维护、更换、人力等成本，因此电网建设投资、运行维护成本与电能质量之间的平衡，一直是研究人员关注的焦点，在保证电能质量最优的同时，尽量降低电网投资成本，对于保证电网可靠性具有重要意义。

为此，本文提出了一套IGMS（一体化智能电网管理系统），该系统是资产管理系统和智能电网的集成，其诊断系统和信息系统可获取电力系统当前的性能以及设备运行和维护的历史，并将所有数据收集在控制中心，通过评估设备的运行状态，给出设备维护方法和时间表，提出最佳维护策略。IGMS 通过使用功率流控制和设备维护，可以将单个设备的绝缘老化问题对整个系统的影响降至最低。最后，通过仿真算例验证了IGMS的有效性，实现了当前潮流和输配电系统未来维护的最佳控制。研究成果可为电网一体化控制方法和设备维护策略研究提供参考。

1 输配电系统模型

为了对IGMS 采用的核心潮流控制方法进行实验测试，验证潮流控制方法的有效性，本文从输配电系统实际运行出发，通过一套输配电系统模型对潮流控制方法进行实验。

1.1 输配电系统系统目标函数

输配电系统系统成本的目标函数z 由许多成本组成，其表达式见式（1）。通过使用非线性编程使z 最小化，可以估算出最小的输配电系统成本以及最佳的输配电系统路线。

式中：z 为输配电系统成本的目标函数；Xij为从变电站i 经过母线SSi和SSj到变电站j 的传输功率；Xm为设备m 中的电功率；Xn为负载n 的断电功率；aij为输配电系统正常运行期间损耗的成本；bij为输配电系统过载运行期间损失的成本；cm为过载运行造成的系统寿命缩短损坏；dn为客户的停机成本；en为供应商的停机成本；fm为维护成本；gm为电力设备的燃料成本；hm为故障设备的维修成本；Line 为传输线组；OverLine 为过载线组；OutLoad 为停机负载组；MentEquip 为输配电系统中的设备组；FailedEquip 为输配电系统中的故障设备组；PowerEquip 为发电设备组。

客户的停电损失取决于客户的类型，假定发生故障的设备维修成本为设备成本的1/3。在TR（变压器）中，绝缘纸的电气强度会因油温的升高而降低，因此过载操作会缩短TR 的使用寿命。

1.2 输配电系统模型

本文选取220 kV/10 kV 输配电系统作为测试模型，其结构如图1 所示。该系统包含3 个发电厂和6 个变电站，总负荷为185 MW。变电站采用双总线布置。与传统可靠性测试系统相比，该测试系统可以十分方便地提供各个步骤所需的建模理解、系统所涉及的假设集、算法开发、用于评估系统可靠性的计算过程。该测试系统确定了额定容量和传输线的长度。

图1 Billinton 测试系统

假定模型中的CB（断路器）和TR 寿命适用于新安装条件和不均匀老化条件。新安装条件意味着每个设备都是新的；不均匀老化条件意味着在特定地区随机产生每种设备的制造年份，并将最终的寿命分配给CB 和TR。不同仪器的使用年限下CB 和TR 的故障率如图2 所示，并不是简化计算的诊断数据。

图2 装置故障率

2 IGMS 的潮流控制策略

IGMS 的核心功能是根据设备的状态监测和诊断结果确定最佳维护策略和最佳潮流控制方式，本节重点介绍IGMS 采用的潮流控制策略，并利用第一节介绍的输配电系统对该潮流控制策略的有效性进行验证。

2.1 潮流计算

在操作电力系统时，稳定电压是个十分重要的工作，因此在系统控制功能Fcontrol中使用了实际电压和加到每条线上的额定电压之间的总差。通过控制发电厂之间的电压相位差，TR 抽头的切换以及每台CB 的通断，可以最大程度地减少此控制功能，从而获得每个节点中的最佳电压和系统中的潮流。控制函数Fcontrol的表达如下：

式中：Line 为所有输电线路的集合；A（i，j）为母线SSi和SSj之间线路感抗；V（i，j）为母线SSi和SSj之间线路电压；Vn（i，j）为母线SSi和SSj之间线路额定电压；感抗A（i，j）得出的值与直接连接负载中的电源故障损坏量成比例。

发电厂中产生的电力通过输电线和TR 发送给用户，在这种情况下，TR 绕组中的电阻以及TR 铁芯磁滞会产生损耗。如果三相电压平衡，则电力损失PLine由电力线的电阻R 和负载电流I决定。

TR 的质量会随着使用寿命的增加而降低。在计算中，通过TR 的退化特性，假设负载率增加到100%时温度上升到40 ℃，当温度再升高7 ℃时，固体绝缘子的寿命将减少一半。另一方面，由于击穿概率的增加和折旧费用的增加，在计算中将设备的寿命减少估计为成本。客户的电源故障损害会随着客户的行业不同而发生重要变化，因此使用了电源故障损坏的平均值。

2.2 新建设备的潮流优化

图1 中所有电力设备都处于新安装状态下的最佳潮流控制，在这种情况下，设备的故障率假定为恒定。在潮流控制中，所有连接方式均已编号，如表1 所示，电力线两端的断路器以各种方式工作。模式32 使输配电系统系统损失最小化，因为当所有线路如图3 所示进行连接时，模式0中的线路3 具有65.6 MVA 的高无功功率流，此时，总成本相对较低，证实模式32 是最佳的潮流控制。

表1 控制模式统计表

图3 潮流分布示意

在每种控制模式的潮流中，所有电力系统中可能发生的输配电损耗和设备故障都转化为成本，在所有控制模式中成本最低的控制被认为是最佳的。每小时对图1 测试系统中的每个断路器（CB1—CB3）进行状态监测，记录局部放电诊断和控制电流诊断，并根据诊断结果进行潮流控制。

电力设备的诊断结果和故障率如表2 所示，不同潮流控制模式下的总成本如表3 所示。

表2 仪器诊断结果及故障率

表3 潮流控制模式和总成本 万元

如表2 所示，在0 h 之前，CB1，CB2 和CB3的状态诊断为正常，故障率较小，均为0.005 3。在这种情况下，如表3 所示，模式32 为最优控制模式，使输配电系统损失最小化。

假定在线运行的传感器在0 h 处检测到CB3中发生诸如接地之类的故障，这一故障可能会影响整个系统，必须在最短时间内关闭CB3 周围的所有CB。在这种状态下，CB3 的故障风险变大，总成本增加，模式32 不再是最佳的潮流控制。将连接方式更改为模式160，断开CB3 和CB5，使故障总成本降低。尽管与模式32 比较起来，输配电系统某些损失增加，但是由于可以防止涉及整个系统的事故，所以在总功率最优的情况下将总成本保持在最小。

随着时间推移，在14 h 后，经诊断，此时CB2 的故障率上升到0.50。在这种情况下，将模式32 更改为模式192（断开线路3，关闭线路4），此时总成本为最低。

2.3 不均匀老化网络的潮流优化

考虑不均匀老化网络的情况，本文选取老化状态为55 年的线路1，以及整体平均老化时间约为20 年的设备进行分析，如图4 所示。在这种情况下，如表1 所示，模式40 是最优潮流控制，即关闭具有高故障率设备的线路1，同时关闭线路3，可以避免因故障而造成的损坏。

图4 不均匀老化网络的设备状态

不均匀老化网络的潮流控制模式及总成本如表4 所示。由于线路1 端点处CB 故障率较大，增加了故障损坏成本，因此，线路1 故障使总成本将增加。如果将控制方法更改为模式40，尽管输配电系统损耗有所增加，但可以大大降低故障损坏成本，并使总成本最小化。

表4 不均匀老化网络的潮流控制模式及总成本万元

假定在0 h 之前，各CB 诊断状态为正常，则模式40 是最佳的。假定在线运行的传感器在0 h 处检测到CB3 中的部分放电，并显示警报为异常状态，因为CB3 的故障风险增加，所以总成本增加，此时模式40 不再是最佳模式。将控制模式更改为模式200，断开线路1，4，5，打开线路3，从而使故障导致的总成本得以最小化。假定在14 h 后，在CB2 中发现异常，则模式200 下总成本降至最低。通过使用如上所述的IGMS 潮流控制策略，含有劣化设备的电力系统可以通过相对应的控制模式进行控制，不仅可以降低输配电系统损失的成本，还可以降低由于设备故障导致的损坏成本。

3 案例分析

本文以图4 所示输配电网系统为案例，同时采用TBM（基于时间的维护）方法和本文提出的智能一体化方法，计算分析电网中设备的总运维成本随时间变化的规律。结果如图5、图6 所示，其中实线是采用本文方法得到的计算结果，虚线是采用传统TBM 方法得到的结果。

图5 新安装网络条件下累计输配电系统成本的比较

图6 不均匀老化网络条件下累计输配电系统成本对比

设备的维护包括RM（常规维护）、OH（重大维修）和RP（设备更换）3 种方法，常规维护成本、重大维修成本和设备更换成本分别假定为设备价格的0.8%，20%和100%。为了评估IGMS 最佳维护策略，本文选择3 台故障成本较高的CB4，CB5，CB6 来评估最佳的维护方法和时机。

电气设备的平均使用寿命为60 年，因此本文指定评估期固定为60 年，通过详尽搜索来提取评估期内所有可能的维护计划，从而获得最佳维护策略。而后，针对每个维护计划，计算评估期内的总输配电系统成本。最后，通过比较每个维护计划的总输配电系统成本，得出了使总输配电系统成本最小化的最佳维护计划。

新安装网络条件下，模型中包括目标设备的所有设备都是新安装的，因此，设备最初的使用年限为零。每个计划的详细信息以及累计成本的过渡情况如图7 所示，最佳的维护计划在不同的负载能力之间有所不同，负载越大越需要更高的可靠性。当CB6 连接到最大负载85 MW 时，它对设备的可靠性要求很高，需要尽早更换。因此，CB6 的最佳维护计划是分别在2021 年和2041 年进行设备更换。尽管在评估期间执行了2 次RP，但与只进行了1 次设备更换的TBM 相比，总的输配电系统成本降低了。

图7 维护效果

不均匀老化网络条件下，设备平均老化时间为20 年，与所有新安装的设备相比，旧设备占比很多，OH 的数量增加。CB6 老化时间为15 年，在3 台CB 中的使用寿命最长，仅为设备设计寿命的一半，但这不会影响设备更换的数量。由于OH 的数量增加，延长了设备的寿命，因此在TBM 和IGMS 中，老化系统的成本比新安装的系统高约20%。

不论使用寿命是0 或20 年，IGMS 的成本都比TBM 的成本低。由于设备的评估期是60 年，因此IGMS 运行60 年的成本将降至最低。

与TBM 相比，IGMS 在任何情况下都可以通过最佳潮流控制策略来减少总输配电系统成本，并在考虑可靠性优先级的情况下得出最佳维护计划，从而验证了IGMS 的有效性。

4 结论

电力成本效率和电能质量之间的平衡是输配电系统运行和控制的基本问题，对于保证电网安全运行至关重要。为此，本文提出了一套IGMS来确定最佳维护策略和最佳潮流控制方式，并取得以下成果：

（1）本文提出的IGMS 可以对设备故障、输配电系统损失、设备寿命估算、停机、维修和维护等工作的成本进行评估，并且给出最佳维护策略和解决方案，通过总输配电系统成本最小化来预测最佳的潮流路径，使用功率流控制和设备维护，将单个设备的可靠性对整个绝缘系统的影响降至最低。

（2）本文基于状态监测和设备诊断结果，采用算例将IGMS 应用到实时潮流控制中，得出电力系统设备的最佳维护策略，运用CB 的维修策略模拟计算，验证了本文提出的IGMS 的有效性。

（3）本文提出的IGMS 可以给出最优的设备维护频率，从而降低输配电系统总成本，相比于传统TBM 方法，IGMS 最佳维护策略减少了输配电系统损失，降低了维护成本。