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110kV配电网智能检修与安全校核管理系统

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110kV配电网智能检修与安全校核管理系统 DOI:10.7500/AEPS201111012 110kV配电网智能检修与安全校核管理系统 毛 田1,姚建刚1,辛 军2,康 童1,邓道福3,赵军毅3 (1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410082;2.郑州供电公司电力调度中心,河南省郑州市450006; 3.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司,湖南省长沙市410082) 摘要:针对设备检修信息量大、任务繁重和检修条件下运行方式依赖人工、主观性偏重的现状,将 电网检修计划编制与其运行方式选取进行联合分析。设计并开发了一套针对110kV配电网的智 能检...
110kV配电网智能检修与安全校核管理系统
DOI:10.7500/AEPS201111012 110kV配电网智能检修与安全校核管理系统 毛 田1,姚建刚1,辛 军2,康 童1,邓道福3,赵军毅3 (1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410082;2.郑州供电公司电力调度中心,河南省郑州市450006; 3.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司,湖南省长沙市410082) 摘要:针对设备检修信息量大、任务繁重和检修条件下运行方式依赖人工、主观性偏重的现状,将 电网检修编制与其运行方式选取进行联合。设计并开发了一套针对110kV配电网的智 能检修与安全校核管理系统。采用TWaver和计算机先进技术,形成完整的建模、管理与评价体 系,实现了电网数据可视化呈现和电网在线监测、预警;应用遗传聚类算法,实现了电网设备检修计 划智能编排和运行方式辅助分析。通过介绍系统功能和应用实例,表明了系统的有效性。 关键词:运行方式;检修优化;TWaver;遗传算法;聚类分析 收稿日期:2011-11-02;修回日期:2012-05-16。 0 引言 加强地区电网调度管理,实现检修计划及检修 路径智能编排,可有效提高电力企业工作效率,提升 地区电力调度管理的规范性、协作性,推进电网的智 能化建设[1-3]。目前,配电网检修正在由传统的经验 型向分析型转变,相应的理论和配套的系统都不够 成熟,而国内外大多数研究重点集中在检修编制上, 虽取得了一系列成果[4-12],但检修条件下的运行方 式并没有明确给出。在算法设计上,应用比较多的 是遗传算法和改进的相关算法[9-12]。其中,文献[9] 采用Grefenstette编码方法将检修计划问转变为 典型的旅行商问题,促使遗传操作在可行解中求解; 文献[10]采用十进制编码检修设备,并引入四复本 锦标赛选择机制,有效改善了遗传算法的早熟; 文献[11]基于网络拓扑建立了线路间的各种约束, 并引入自适应度函数,减少了求解空间,提高了算法 的收敛性;文献[12]在遗传迭代中引进复合形法,充 分发挥了各自优势,显著加快了算法的计算速度。 考虑到110kV配电网闭环设计、开环运行,其 结构一般呈辐射状,负荷为馈线式,在本文系统开发 过程中将聚类分析引入遗传算法。第1阶段用聚类 算法对配电网进行划分,定位停电区域,从而减少分 析对象,第2阶段则采用遗传算法对停电区域分析 校验,分析选取几种可行的负荷转移路径,并对得出 的电网运行方式进行评价。另外,引入TWaver技 术,实现了电网状态、检修计划和检修路径的图形化 呈现,使得调度人员可方便、直观地查看给出的各种 运行路径,为最终决策做出参考。 1 系统功能简介 本文系统主要利用现有的数据采集与监控 (SCADA)系统、能量管理系统(EMS)等采集的数 据,运用计算机技术和人工智能技术,完成电网动态 潮流分析、调度安全性分析、检修计划安全校核与编 排、运行方式智能分析。按照模块特点,该系统可分 为功能模块和基本模块两大类。其中,功能模块主 要包括设备管理、数据采集及预警、调度计划智能分 析及检修历史与指导等4个部分,完成系统核心功 能;基本模块包括我的工作和系统管理,实现文件管 理、用户设置等附属功能。本文重点介绍各核心功 能模块,系统整体框架见图1。 1)设备管理:主要指电网110kV主设备数据 库的建立,包括母线、输电线、变压器等的设备型号、 额定电流、额定电压等重要参数的录入及备注。结 合电网实际情况,以页面形式展示出电网各单元间 的联系,同时实现与SCADA系统、EMS等的数据 对接,并可供用户执行查询、编辑、添加等功能。 2)数据采集及预警:实现系统数据实时采集,取 样时间间隔为5min;构建电网潮流图,形成可视化 图形界面,显示电网实时潮流;实现电流和电压安全 预警等功能,并与可缩放矢量图形(SVG)相关联; 实现历史数据的页面查询、导出、打印等功能。 3)调度计划智能分析:实现年检修计划、月检修 计划、日检修计划辅助决策编排,并给出一种或几种 合理的检修路径。具有检修计划的管理和维护功 能,用户可以根据需要重新安排计划,可执行增加、 删除、导入、导出等操作。另外,系统将电网运行方 式与SVG相关联,方便用户查看。 —521— 第37卷 第2期 2013年1月25日 Vol.37 No.2 Jan.25,2013 图1 系统整体框架 Fig.1 System frame chart 4)检修历史与指导:包括检修历史库和经验库 两部分,检修历史库实现检修的存档、页面查 询、导出、打印等功能,经验库的设置主要是提供调 度运营的一些原则和要求,供电网调度人员自学习。 2 系统设计 2.1 系统结构 系统数据采集量大,执行效率和精度要求高,选 用Red Hat Linux 5作为操作系统,Oracle10g作为 数据库,主开发程序选用跨平台性能良好的Java, 以保证系统的可重用性。系统实时数据来源主要采 用ftp传输方式,通过数据接口从SCADA 系统/ EMS等中读取;检修计划则来自于下一级部门上 报,也可由计划处直接手工添加。系统基于网络数 据库,采用B/S和J2EE技术建立多层次架构体系, 实现数据集中化存储和信息共享,在技术上保证了 灵活的扩展能力、良好的可再升级性能和快速移植 的能力。图2所示为系统的结构图。 图2 系统结构图 Fig.2 Diagram of system structure 2.2 图形可视化 目前电网可视化在二维层面上较为成熟,在三 维层面上的数据综合与显示还停留在较浅层次[13]。 该系统以电网可视化作为辅助手段,显示电网潮流、 检修信息及推荐路径,对应要求并不苛刻,因此采用 二维显示。系统开发引入 TWaver,通过构造电力 图元创建电网结构的SVG。TWaver最初运用在电 信行业,其主要特点是精美、专业、高效,它提供了丰 富的图形元素和图元生成方式,可满足系统需求。 TWaver的绘图原理为:通过对 TWaver图形 和业务对象的重定制,建立设备通用模型库,将电网 物理数据转换成TWaver数据对象。同时,在绘图 过程中将设备元件静态参数和动态参数相关信息与 设备图元进行绑定,组合形成电网接线图,并自动生 成可扩展置标语言(XML)文件,保存至服务器中。 TWaver数据交互原理为:服务器中的XML文件及 后台数据库输出的数据由 DataBox(TWaver数据 箱组件)驱动装载,传输到前台进行SVG视图呈现, 前台进行的每次交互都重新从后台读取数据,实现 界面的刷新。TWaver处理机制如图3所示。 图3 TWaver处理机制 Fig.3 Handling mechanism of TWaver 电网潮流图采用3级模式,即:第1级,只显示 各个变电站,作为系统导航图;第2级,显示被选变 —621— 2013,37(2)   电站详细主接线;第3级,选定设备的细节完全显 示。系统采用不同颜色对设备状态加以区分,采用 闪烁对预警设备予以动态显示,最大程度地提高对 电网全局的感知和把握。 2.3 电网安全校核 本文提及的电网安全校核是指考虑电网拓扑、 实时潮流等约束,以电网安全性、可靠性、经济性为 基本出发点,采用遗传聚类算法,对下一级上报的检 修计划(设备类型初步设定为主变压器、母线、变压 器)进行编排。同时,针对给定的检修计划,通过校 验停电区域,分析各种方式下电网设备的运行状况, 以页面和SVG给出一种或几种合理的运行方式,实 现调度计划智能分析。调度运行人员可参考给出方 案,查看各对应图形呈现的具体信息,包括设备 负载率、路径等情况,再根据电网实际情况,来最终 制定合适的运行路径。它是本文系统的关键,在第 3节中给出了求解策略的详细描述。 3 系统核心算法 遗传算法是一种通过模拟自然进化过程的全局 优化搜索算法[14],遗传聚类[15]则是在遗传算法中 引入聚类思想,将配电网按相似度准则抽象分组成 为多个类或簇。假设某个设备需要检修,先定位至 对应聚类,分析计算与之关联的聚类中心,一旦满足 目标要求,则可终止线程。可见,该算法缩小了搜索 空间,使得数据挖掘更具目的性和针对性。110kV 配电 网 闭 环 设 计、开 环 运 行,初 始 化 时 选 取 各220kV站点作为原始聚类中心。 由于该算法综合了遗传算法的全局优化和聚类 分析的快速收敛性,在计算速度和节省内存方面具 有优势,同时也克服了初始划分和异常数据的 敏感性。 3.1 适应度函数 本系统选取适应度函数为: f(Kmax)= DINNER DINTRA (1) DINNER= 1 λ∑ λ i=1 min Ci,Cj∈Kmax,i≠j (D(Ci,Cj)) (2) DINTRA= 1 λ∑ λ i=1 min Ci∈Kmax,CkKmax (D(Ci,Ck))(3) 式中:DINNER 为合并聚类簇Kmax内初始聚类间最小 平均距离;DINTRA 为Kmax内聚类与其他聚类簇聚类 间最小平均距离;λ 为Kmax 内初始聚类个数;D (·)为聚类间的距离;Ck 为其他聚类簇中的聚类样 本。 不难看出,较好的聚类结果要求簇间距尽可能 大,而簇内距尽可能小。 3.2 目标函数 本文系统优化目标为在满足供电可靠性的前提下, 使售电损失、电网损耗、线路负载率综合指标最小,即 FAIM = minα1p∑ N i=1 PiDi+α2p∑ N i=1 ΔPiDi+α3fmax( ) (4) 式中:p为电价;N 为设备检修总数;Pi 为第i个设 备检修造成的停电负荷;ΔPi 为第i个设备检修时 的系统网损;Di 为第i个设备检修持续时间;fmax 为该方案所有涉及线路对应的最大负载率;α1,α2, α3 为根据电网实际情况分别赋予这些目标因素 的权重。 3.3 约束因子 配电网检修计划及路径制定必须遵循电力系统 运行准则,保障电网安全可靠稳定[4-8],本系统约束 条件如下。 1)潮流约束 Il ≤Il max (5) 式中:Il 为线路l的潮流;Il max为线路l允许的潮流 限值。 2)互斥约束 Xj >Xi+Di+1 (6) 式中:Xj 和Xi 分别为第j个和第i个设备开始检 修的时间。 此约束主要是为了避免环网供电及电气孤岛的 形成。 3)同时检修约束 Xi=Xj (7) 此约束主要是为了避免重复停电及具有同一逻 辑间隔的设备同时检修。 4)检修资源约束 ∑ N i=1 Uit ≤M (8) 式中:Uit 为t时段第i个设备的检修状况,取0表 示正常,取1表示检修;M 为可同时检修的设备个 数,根据检修人员和检修设备的能力合理设定。 5)不可变更约束 Xi ≤Bi (9) 式中:Bi 为上级调度下达的第i 个设备开始检 修时间。 4 实例展示 以某地区柳林 (220kV)—白庙—张砦—孟 砦—大桥(220kV)局部电网为例,其当前运行方式 见图4,图中,点线表示当前设备处于停运状态。 —721— ·工程应用· 毛 田,等 110kV配电网智能检修与安全校核管理系统 图4 局部电网运行图 Fig.4 Local power grid operation diagram 对应变压器最大负荷及供电情况如表1所示 (括号内为线路允许电流,单位为A)。 表1 负荷供带情况表 Table 1 Load supply table 变压器 编号 负荷/ MW 所连线路 上级线路 上级站点 白1号 31 Ⅰ柳白线(600) 柳林 白2号 33 Ⅱ柳白线(600) 柳林 张2号 30 Ⅱ白张线(510) Ⅱ柳白线(600) 柳林 孟1号 33 Ⅱ大孟线(600) 大桥 孟3号 32 Ⅱ大孟线(600) 大桥 孟2号 27 Ⅰ大孟线(600) 大桥 张1号 31 Ⅰ孟张线(510) Ⅰ大孟线(600) 大桥 表1中电流均为相电流,另外Ⅰ白张线、Ⅱ孟张 线当前停运,且最大允许电流均为600A。现Ⅰ大 孟线停修,根据分析可直接安排检修,需考虑负荷转 移的有孟2号和张1号变压器。取功率因数cosφ 为0.95,计算电压Un 为115kV,线路负载率简化 公式如下: fi= 1 000∑ k r=1 Tr 槡3IiUncosφ ×100% (10) 式中:∑ k r=1 Tr 为第i 条线路所带变压器对应负 荷;Ii 为第i条线路允许电流值。 执行决策分析,软件给出了以下3种合理方案, 如表2所示(括号内为负载率)。 在本系统对应网页上,双击单条记录可查看对 应线路的负载率,右键可查看每种方式的SVG。方 案3给出的运行方式见附录A图A1。 3种方案都能保证可靠供电,且线损相差不大, 但由表2可知,方案1操作简便,负载率指标最低, 系统评价其为最优方案,验证了本文算法的准确性。 表2 各方案详细情况 Table 2 Details of each proposal 方案 方案详情 路径 1 孟2号和张1号变压器 由柳林供电 Ⅰ孟张线(28.0%)—Ⅰ白张 线(51.1%)—Ⅰ 柳 白 线 (78.4%) 2 停Ⅰ孟张线,张1号变压 器由柳林供电;孟2号变 压器由柳林供电 Ⅰ白张线(27.3%)—Ⅰ柳白 线(54.6%); Ⅱ 孟 张 线(23.8%)—Ⅱ 白 张 线(50.2%)—Ⅱ 柳 白 线 (79.3%) 3 停Ⅰ孟张线,孟2号变压 器由大桥供电;张1号变 压器由柳林供电 Ⅱ大孟线(81.1%);Ⅰ白张 线(27.3%)—Ⅰ 柳 白 线 (54.6%) 5 结语 1)本文系统对检修计划及方式选取进行分析, 是对电网调度智能化目标的一次尝试,有助于调度 人员做出正确决策,具有减少运行值班人员工作量、 延长设备寿命、优化送输电方式等意义。该系统目 前正在某地区试点运行,并顺利通过验收,达到了预 期目的。 2)根据实际开发需求,本文系统还实现了电网 实时在线预警功能,通过跟踪电网各设备健康状况, 实时报告电网运行过程中的潜藏问题。同时,该系 统能够实时监测电网运营,可以将调度人员从紧张 的环境中解脱出来,具有良好的人机友好性和人性 化特色。 3)本文系统选用的遗传聚类算法基于两阶段启 发式思维,充分利用了国内110kV配电网特点,但 并未考虑检修预算。因此,下一步将对网络重构、负 荷转移、潮流校验等因素进行深入研究,建立更为完 善的评估体系,在程序中更加真实地还原电网运营 实际情况,以系统的真正智能化作为终极目标。 附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc. com.cn/aeps/ch/index.aspx)。 参 考 文 献 [1]孙欣,夏清.基于精细化管理模式的电网运行方式[J].电力系统 自动化,2008,32(21):14-17. 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Computer Engineering and Applications,2007,43(21):170-172. 毛 田(1989—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究 方向:电力系统规划、运行及相关软件。E-mail:649870690@ qq.com 姚建刚(1952—),男,教授,博士生导师,主要研究方向: 电力市场、智能电网与高压外绝缘。 辛 军(1970—),男,高级工程师,主要研究方向:电力 调度。 (编辑 万志超) Intelligent Overhaul and Safety Check Management System of 110kV Distribution Network MAO Tian1,YAO Jiangang1,XIN Jun2,KANG Tong1,DENG Daofu3,ZHAO Junyi3 (1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.Power Dispatching Center of Zhengzhou Power Supply Company,Zhengzhou 450006,China; 3.Hunan HDHL Electric and Information Technology Co.Ltd.,Changsha 410082,China) Abstract:In light of massive information and heavy task of equipment overhaul,and heavy reliance on manpower and strong subjectivity in overhaul operation mode,grid overhaul scheduling combined with operation mode selection are comprehensively analyzed.The design and development of an intelligent overhaul and safety check management system for 110kV distribution network are presented.By using TWaver and computer advanced technology,a complete set of modeling,management and evaluation system is formed,and the aim of grid data visualization,grid on-line monitoring and early warning is achieved. Based on genetic clustering algorithm,the overhaul scheduling intelligent compiling and operation mode assisted analysis of grid equipment are completed.The effectiveness of the system is demonstrated by introducing its system functions and application example. Key words:operation mode;maintenance optimization;TWaver;genetic algorithm;clustering analysis —921— ·工程应用· 毛 田,等 110kV配电网智能检修与安全校核管理系统
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