CN115099646A - 基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法 - Google Patents

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CN115099646A CN202210768328.2A CN202210768328A CN115099646A CN 115099646 A CN115099646 A CN 115099646A CN 202210768328 A CN202210768328 A CN 202210768328A CN 115099646 A CN115099646 A CN 115099646A
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杨贺钧
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Abstract

本发明提供一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，以期能够通过对模糊区间范围分布和改进后的维修决策图进行分析，进一步细致划分并确定输电线路维修的优先级。根据不同的决策准则选择出最适宜的维修方案，以提高电力系统的稳定性与可靠性，避免不必要的资源浪费。本发明全面考虑到故障会造成对设备自身、人身、环境、系统、社会等多层次影响后果，利用风险评估的方式对这些影响后果进行统一与量化分析，并针对风险指标的模糊性，提出了基于设备经济风险最大、系统风险最大、综合风险最大准则的输电线路维修优先级模糊决策方法，有利于根据需求不同制定不同的维修策略。

Description

基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修 方法
技术领域
本发明涉及电力设备的可靠性评估技术领域，尤其是一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法。
背景技术
随着电力工业的发展，电网规模日益扩大，越来越多的输变电设备投入使用。然而，国民对电力供应的高质量需求却对电力设备的可靠稳定运行提出了更高的要求。在这种情况下，需要采取有力措施保证电力系统的可靠性和提高电网的运行性能。
在这种情况下，需要采取有力措施保证电力系统的可靠性和提高电网的运行性能，最直接的方法是加强电力网架拓扑建设，增加设备的冗余度，提高设备故障后彼此间的互济能力和设备的可用度。这种方法属于电力企业固定资产投入部分，是长期建设、投入的过程，主要受制于成本高、周期长、占用日益紧张的土地资源等问题。在充分利用现有电力资产的基础上，对电力设备开展维修决策则是能通过较短时间的一定程度的经济投入带来明显设备运行性能改善的有效手段。
传统的电力设备维修决策大多从从设备层面制定维修策略，更多关注设备自身的状态或役龄情况及设备的维修费用，而忽略了设备维修及故障对电网运行性能的影响。且按照传统恒定故障率模型所得到的维修决策图，其中的数据为精确点值，不利于进行更为详细的维修策略的制定和维修预算的计算。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足之处，提供一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，以期能够通过对模糊区间范围分布和改进后的维修决策图进行分析，进一步细致划分并确定输电线路维修的优先级。根据不同的决策准则选择出最适宜的维修方案，以提高电力系统的稳定性与可靠性，避免不必要的资源浪费。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，包括以下步骤：
步骤1：收集输电线路历史及当前状态监测数据、可靠性数据；
步骤2：利用基于状态检测的输变电设备模糊故障率模型，计算电力网络中输电线路的模糊故障率；
步骤3：以模糊故障率数据作为可靠性分析的输入，利用系统风险评估方法中状态枚举法进行系统状态选择，进一步进行最优化潮流计算分析，判断当前运行方式下每条输电线路故障是否会导致失负荷损失，记录需要维修的输电线路的模糊故障率；
步骤4：综合设备资产、设备资产损失程度和输电线路模糊故障率，计算输电线路经济风险，和由输电线路系统风险得到的线路重要性指标一起共同构成设备风险值计算；
步骤5：通过取风险指标模糊隶属度函数的不同隶属度水平下的风险值进行比较，基于维修决策图，确定各种设备维修排序准则下的输电线路维修优先级；
步骤6：以输电线路维修优先级确定输电线路维修次序后，判断设备顺次维修过程中的维修费用是否超过维修预算，若是，判断是否能增加预算，若是，增加预算后继续顺次维修，若否，进入步骤7；
步骤7：对设备按维修优先级开展维修决策后的设备经济风险、系统风险进行分析，确定机动预算，维修决策流程结束。
进一步地，所述步骤2中对应输电线路的健康状态隶属度和评语集对应的故障率序列利用式(1)和式(2)建立：
Figure BDA0003726472700000021
Figure BDA0003726472700000022
式(1)中，n为状态评语数；M为每条架空线路的段数；Rk为第k段线路占全部线路的比例；{c1,c2,…,cn}为每条健康线路与各评语对应的健康状态隶属度，{c1(k),c2(k),…cn(k)}为第k段线路与n个状态评语对应的健康状态隶属度；
式(2)中，g为第g个故障设备；g′为第g′个设备；Lj为线路j的长度；Ns为设备总数；{c1g′,c2g′,…,cng′}为第g′个设备的评语集的模糊隶属度；{c1g,c2g,…,cng}为第g个故障设备的评语集的模糊隶属度；{λ1g,λ2g,…,λng}为评语集对应的故障率序列。
进一步地，所述步骤4中的经济风险的计算利用式(3)-式(6)建立：
Figure BDA0003726472700000023
Figure BDA0003726472700000024
Figure BDA0003726472700000031
Figure BDA0003726472700000032
式(3)中，
Figure BDA0003726472700000033
表示经济类风险，
Figure BDA0003726472700000034
表示设备k的损失风险，
Figure BDA0003726472700000035
表示设备k的人身环境风险损失，
Figure BDA0003726472700000036
表示电网中设备k故障造成的社会损失；
式(4)中，
Figure BDA0003726472700000037
为设备k的模糊故障率，Xs表示设备维修等级，M(Xs)表示维修等级Xs下的维修费用。其中若维修费用为区间数，则上式运算性质变为模糊数区间运算；
式(5)中，
Figure BDA0003726472700000038
与
Figure BDA0003726472700000039
分别为设备k的人身损失风险和环境损失风险。M(Xp)表示Xp等级下设备k故障造成的人身伤害程度，M(Xe)表示Xe等级下设备故障造成的环境污染程度；
式(6)中，P表示当前电价水平，Lk load表示故障分析计算得到的负荷损失值，Tk表示设备恢复供电时间，G表示当前所在区域的产电比。
进一步地，所述步骤5中的不同维修排序准则为：
(1)选择经济风险较大的输电线路先进行维修；
(2)选择系统风险较大的输电线路先进行维修；
(3)综合考虑经济风险较大与系统风险较大的输电线路安排维修，基于风险矩阵，绘制风险决策图。
进一步地，所述步骤5中的确定各种设备维修排序准则下的输电线路维修优先级包括：取不同隶属度水平下的经济风险和系统风险指标各自的上下限值，得到基于风险矩阵的维修决策图中的数据形成一个长方形区域，所述长方形区域表示待维修设备故障可能导致的经济风险及系统风险损失区间区域，该区间区域处于一个风险等级，或者跨越两个及以上的风险等级，此时综合设备经济风险与系统重要度指标区域范围的跨界情况进一步细致划分并确定输电线路维修的优先级，对风险区域跨界分析时，进一步结合设备风险区域位于不同风险等级的比例相对大小判断。
进一步地，所述步骤6中的维修费用由维修隶属度函数式(7)确认：
Figure BDA00037264727000000310
式(7)中，
Figure BDA00037264727000000311
为不同隶属度水平下设备k实际的维修费用，
Figure BDA00037264727000000312
为设备k的模糊故障率，M(Xs)表示维修等级Xs下规定的维修费用。
进一步地，所述步骤7中，一个隶属度会对应两个不同的模糊故障率，机动预算即为取定隶属度下的维修费上限值减去其下限值再除以二。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明全面考虑到故障会造成对设备自身、人身、环境、系统、社会等多层次影响后果，利用风险评估的方式对这些影响后果进行统一与量化分析，并针对风险指标的模糊性，提出了基于设备经济风险最大、系统风险最大、综合风险最大准则的输电线路维修优先级模糊决策方法，有利于根据需求不同制定不同的维修策略。
(2)本发明基于模糊故障率模型对经济风险和系统风险进行计算，取不同隶属度水平下的经济风险和系统风险指标各自的上下界值，得到的维修决策图中的数据不再是传统意义上精确的点值表示，而主要是一个长方形区域。这个长方形区域表示待维修设备故障可能导致的经济风险及系统风险损失区间，该区间区域不一定处于一个风险等级，可能跨越两个及以上的风险等级，以此给出了更为详细的风险评估信息，使接下来制定的维修策略更具针对性与细节性。
(3)本发明提出机动预算的概率，以当年的维修费用为参考，结合机动预算，可以得到下一年度的维修预算，以完全保证维修方案的顺利实施。
附图说明
图1是本发明的一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法流程图；
图2是备选维修输电线路在选定隶属度水平下的各指标计算结果；
图3是隶属度为1时的输电线路维修决策图；
图4是隶属度为0.8时的输电线路维修决策图；
图5是隶属度为0.6时的输电线路维修决策图；
图6是输电线路维修排序结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以中国华东某区域电网网架作为分析算例，网络中的拓扑结构数据及运行数据由PSD-BPA软件中区域潮流文件.dat获得，忽略配电系统对电网系统可靠性的影响，将配电网的负荷直接归算到上级对应的110kV、35kV母线上。其有功负荷峰值水平为7829MW，共284节点，397条支路。算例中只考虑输电线路的故障停运分析，电网电价取0.5元/kWh，区域产电比取10元/kWh。
为了说明本发明的方法，主要选用接近受端的输电线路。
由图1所示，本发明的一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，具体包括以下步骤：
步骤1：收集输电线路历史及当前状态监测数据、可靠性数据。
步骤2：利用基于状态检测的输变电设备模糊故障率模型，计算电力网络中输电线路的模糊故障率。
具体实施中，输电线路的健康状态隶属度和评语集对应的故障率序列，需要利用式(1)和式(2)建立：
Figure BDA0003726472700000051
Figure BDA0003726472700000052
式(1)中，n为状态评语数；M为每条架空线路的段数；Rk为第k段线路占全部线路的比例；{c1,c2,…,cn}为每条健康线路与各评语对应的健康状态隶属度，{c1(k),c2(k),…cn(k)}为第k段线路与n个状态评语对应的健康状态隶属度；
式(2)中，g为第g个故障设备；g′为第g′个设备；Lj为线路j的长度；Ns为设备总数；{c1g′,c2g′,…,cng′}为第g′个设备的评语集的模糊隶属度；{c1g,c2g,…,cng}为第g个故障设备的评语集的模糊隶属度；{λ1g,λ2g,…,λng}为评语集对应的故障率序列。
步骤3：以模糊故障率数据作为可靠性分析的输入，利用系统风险评估方法中状态枚举法进行系统状态选择，进一步进行最优化潮流计算分析，判断当前运行方式下每条输电线路故障是否会导致失负荷损失，记录该输电线路模糊故障率等信息。
具体实施中，共有9台输电线路在注意值附近，这些输电线路通过系统故障分析产生失负荷，被选为备选维修输电线路，并分别以L1～L9来表示。
步骤4：综合设备资产、设备资产损失程度和输电线路模糊故障率，计算输电线路经济风险，和由输电线路系统风险得到的线路重要性指标一起共同构成设备风险值计算。
具体实施中，经济类风险的计算，需要利用式(3)-式(6)建立：
Figure BDA0003726472700000053
Figure BDA0003726472700000054
Figure BDA0003726472700000061
Figure BDA0003726472700000062
式(3)中，
Figure BDA0003726472700000063
表示经济类风险，
Figure BDA0003726472700000064
表示设备k的损失风险，
Figure BDA0003726472700000065
表示设备k的人身环境风险损失，
Figure BDA0003726472700000066
表示电网中设备k故障造成的社会损失。
式(4)中，
Figure BDA0003726472700000067
为设备k的模糊故障率，Xs表示设备维修等级，M(Xs)表示维修等级Xs下的维修费用。其中若维修费用为区间数，则上式运算性质变为模糊数区间运算。
式(5)中，
Figure BDA0003726472700000068
与
Figure BDA0003726472700000069
分别为设备k的人身损失风险和环境损失风险。M(Xp)表示Xp等级下设备k故障造成的人身伤害程度，M(Xe)表示Xe等级下设备故障造成的环境污染程度。
式(6)中，P表示当前电价水平，Lk load表示故障分析计算得到的负荷损失值，Tk表示设备恢复供电时间，G表示当前所在区域的产电比。
具体实施中，备选维修输电线路在选定隶属度水平下的各指标计算结果，如图2所示。
步骤5：通过取风险指标模糊隶属度函数不同隶属度水平下的风险值进行比较等方法，基于维修决策图，确定各种设备维修排序准则下的输电线路维修优先级。
具体实施中，不同维修排序准则为：(1)选择经济风险较大的输电线路先进行维修，对应一组维修费用，预期目的是尽可能降低输电线路总经济风险；(2)选择系统风险较大的输电线路先进行维修，对应一组维修费用，预期目的是尽可能降低输电线路总系统风险；(3)综合考虑经济风险较大与系统风险较大的输电线路安排维修，可采用基于风险矩阵的思想，绘制改进的风险决策图，确定维修排序后可得到一组累加的维修费用，预期目的是尽可能降低设备总风险，包括经济风险和系统风险。
具体实施中，取图2中的数据。在按第3条维修准则绘制基于风险矩阵思想的维修决策图时，需要根据维修指标的模糊性，采用不同隶属度水平下的经济风险与系统风险指标上下限值绘制风险区域图。可分别取隶属度为1、0.8、0.6下的风险数据，维修决策图结果分别如图3、图4、图5所示。在维修决策图中对风险矩阵划分风险等级，统一维修决策图横纵坐标的尺度，根据风险数据范围及经验阈值敏感性，以原点为圆心，用圆弧将风险等级划分为Ⅰ级～Ⅳ级，Ⅰ级～Ⅳ级维修优先级递减。
具体实施中，输电线路的优先级的确认中：由于计算得到的经济风险与系统风险指标具有模糊性，需要采到模糊数区间分析思想。取不同隶属度水平下的经济风险和系统风险指标各自的上下界值，得到的基于风险矩阵思想的维修决策图中的数据主要是一个长方形区域，这个长方形区域表示待维修设备故障可能导致的经济风险及系统风险损失区间，该区间区域不一定处于一个风险等级，可能跨越两个及以上的风险等级，此时可以综合设备经济风险与系统重要度指标区域范围的跨界情况进一步细致划分并确定输电线路维修的优先级，风险区域跨界分析时可进一步结合设备风险区域位于不同风险等级的比例相对大小判断。
具体实施中，L表示按给定隶属度下风险指标的下限值排序，H表示按给定隶属度下风险指标的上限值排序，图5中先给出L下的风险排序结果，再给出H下的排序结果。
步骤6：确定输电线路维修次序后，判断设备顺次维修过程中的维修费用是否超过维修预算，若是，判断是否能增加预算，若是，增加预算后继续顺次维修，若否，进入步骤7。
具体实施中，设备k的实际维修费用，由维修隶属度函数式(7)确认：
Figure BDA0003726472700000071
式(7)中，
Figure BDA0003726472700000072
为不同隶属度水平下设备k实际的维修费用，
Figure BDA0003726472700000073
为设备k的模糊故障率，M(Xs)表示维修等级Xs下规定的维修费用。
步骤7：对设备按维修优先级开展维修决策后的设备经济风险、系统风险进行分析，确定机动预算，维修决策流程结束。
具体实施中，其中根据本发明算法，一个隶属度会对应两个不同的模糊故障率。机动预算即为取定隶属度下的维修费上限值减去其下限值再除以二。隶属度水平的选取决定了机动预算的多少。隶属度取值越大，机动预算越少；隶属度取值越小，机动预算越大，当隶属度取0时，机动预算最大，此时基本可以完全保证维修方案的顺利实施。所以，下一年度的维修预算＝确定的维修预算+机动预算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：收集输电线路历史及当前状态监测数据、可靠性数据；
步骤2：利用基于状态检测的输变电设备模糊故障率模型，计算电力网络中输电线路的模糊故障率；
步骤3：以模糊故障率数据作为可靠性分析的输入，利用系统风险评估方法中状态枚举法进行系统状态选择，进一步进行最优化潮流计算分析，判断当前运行方式下每条输电线路故障是否会导致失负荷损失，记录需要维修的输电线路的模糊故障率；
步骤4：综合设备资产、设备资产损失程度和输电线路模糊故障率，计算输电线路经济风险，和由输电线路系统风险得到的线路重要性指标一起共同构成设备风险值计算；
步骤5：通过取风险指标模糊隶属度函数的不同隶属度水平下的风险值进行比较，基于维修决策图，确定各种设备维修排序准则下的输电线路维修优先级；
步骤6：以输电线路维修优先级确定输电线路维修次序后，判断设备顺次维修过程中的维修费用是否超过维修预算，若是，判断是否能增加预算，若是，增加预算后继续顺次维修，若否，进入步骤7；
步骤7：对设备按维修优先级开展维修决策后的设备经济风险、系统风险进行分析，确定机动预算，维修决策流程结束。
2.根据权利要求1所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤2中对应输电线路的健康状态隶属度和评语集对应的故障率序列利用式(1)和式(2)建立：
Figure FDA0003726472690000011
Figure FDA0003726472690000012
式(1)中，n为状态评语数；M为每条架空线路的段数；Rk为第k段线路占全部线路的比例；{c1,c2,…,cn}为每条线路与各评语对应的健康状态隶属度，{c1(k),c2(k),…cn(k)}为第k段线路与n个状态评语对应的健康状态隶属度；
式(2)中，g为第g个故障设备；g′为第g′个设备；Lj为线路j的长度；Ns为设备总数；{c1g′,c2g′,…,cng′}为第g′个设备的评语集的模糊隶属度；{c1g,c2g,…,cng}为第g个故障设备的评语集的模糊隶属度；{λ1g,λ2g,…,λng}为评语集对应的故障率序列。
3.根据权利要求2所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤4中的经济风险的计算利用式(3)-式(6)建立：
Figure FDA0003726472690000021
Figure FDA0003726472690000022
Figure FDA0003726472690000023
Figure FDA0003726472690000024
式(3)中，
Figure FDA0003726472690000025
表示经济类风险，
Figure FDA0003726472690000026
表示设备k的损失风险，
Figure FDA0003726472690000027
表示设备k的人身环境风险损失，
Figure FDA0003726472690000028
表示电网中设备k故障造成的社会损失；
式(4)中，
Figure FDA0003726472690000029
为设备k的模糊故障率，Xs表示设备维修等级，M(Xs)表示维修等级Xs下的维修费用。其中若维修费用为区间数，则上式运算性质变为模糊数区间运算；
式(5)中，
Figure FDA00037264726900000210
与
Figure FDA00037264726900000211
分别为设备k的人身损失风险和环境损失风险。M(Xp)表示Xp等级下设备k故障造成的人身伤害程度，M(Xe)表示Xe等级下设备故障造成的环境污染程度；
式(6)中，P表示当前电价水平，Lk load表示故障分析计算得到的负荷损失值，Tk表示设备恢复供电时间，G表示当前所在区域的产电比。
4.根据权利要求3所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤5中的不同维修排序准则为：
(1)选择经济风险较大的输电线路先进行维修；
(2)选择系统风险较大的输电线路先进行维修；
(3)综合考虑经济风险较大与系统风险较大的输电线路安排维修，基于风险矩阵，绘制风险决策图。
5.根据权利要求4所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤5中的确定各种设备维修排序准则下的输电线路维修优先级包括：
取不同隶属度水平下的经济风险和系统风险指标各自的上下限值，得到基于风险矩阵的维修决策图中的数据形成一个长方形区域，所述长方形区域表示待维修设备故障可能导致的经济风险及系统风险损失区间区域，该区间区域处于一个风险等级，或者跨越两个及以上的风险等级，此时综合设备经济风险与系统重要度指标区域范围的跨界情况进一步细致划分并确定输电线路维修的优先级，对风险区域跨界分析时，进一步结合设备风险区域位于不同风险等级的比例相对大小判断。
6.根据权利要求5所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤6中的维修费用由维修隶属度函数式(7)确认：
Figure FDA0003726472690000031
式(7)中，
Figure FDA0003726472690000032
为不同隶属度水平下设备k实际的维修费用，
Figure FDA0003726472690000033
为设备k的模糊故障率，M(Xs)表示维修等级Xs下规定的维修费用。
7.根据权利要求6所述的基于模糊概率混合可靠性评估与风险分析的输电线路维修方法，其特征在于：所述步骤7中，一个隶属度会对应两个不同的模糊故障率，机动预算即为取定隶属度下的维修费上限值减去其下限值再除以二。
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