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现代配电网健康指数理论与工程实现体系研究及示范应用

2017-11-16

为解决量大面广的配电设备和复杂多变的配网状态检测及健康预测的世界难题,高效规划设计、运行维护不断增加的庞大资产设备,及早应对全球电力行业人才青黄不接和知识传承危机,“现代配电网健康指数理论与工程实现体系研究及示范应用”项目从基础理论、应用方法、数据平台和示范应用四个方面开展研究,结合我国配电系统的实际情况,建立了配电网的健康指数理论,提出了内嵌专业知识和经验的引导学习方法,开发了统一、全面、可共享的配电网健康指数评估数据平台,提出了基于健康指数理论的现代配电网规划方法与检修策略,并在北京、南京供电公司开展了工程验证与示范应用。

一、创新成果

1.建立了配电网健康指数理论,为解决配电网状态检测和健康预测难题奠定了基础。(1)定义了设备和网络的健康指数及其划分标准,将健康指数理念从单一设备扩展到群体设备和网络;(2)提出了表征健康指数的最小关键特征量集,全面考虑了内外部影响因素,综合反映了安全、可靠、经济、环保多元目标;(3)提出了自下而上的配电设备和自上而下的配电网络健康指数计算方法,建立了融合模糊集理论、证据理论和层次分析法的配电网健康指数计算模型和基于分组logistic回归方法的同类群体设备健康指数评价模型,可实现设备和网络健康的实时评估与预测;(4)提出了随机性和确定性相结合的蒙特卡洛小样本抽样方法,解决了“最大程度逼近量大面广配电设备真实状况所需最小样本”的问题。

2. 提出了内嵌专业知识和经验的引导学习方法,开拓了人工智能在“知识资产”传承与管理领域应用的新方法。(1)提出了一种嵌入“知识函数单元”机器学习方法,采用专家知识与经验引导学习,提高了机器学习的速度和精度;(2)提出了融合数据驱动和知识经验的学习范式,解决了开放、动态、随机环境下的多模态非线性分类问题;(3)建立了结合专业知识和经验的自适应改进学习模型,修正传统机器学习算法中的代价函数为知识函数,解决了传统机器学习过程中的欠学习、过学习和泛化能力不高的问题;(4)提出了引导学习的算法架构,采用“单元”模块和“拼图(jigsaw)”方式,便于不同领域专家独立、并行地完成相关任务,从微观到宏观、从定性到定量,全面提升机器学习的效益。

3.开发了统一、全面、可共享的配电网健康指数评估数据平台,为配电网有形资产与无形资产的协同管理和知识自动传承提供了有力工具。(1)设计开发了配电设备与网络健康指数计算平台,融合了理论模型评价模块和专家在线综合研讨模块,有机结合了机理分析、数据驱动和专家经验,实现了理论知识和专家经验的获取、沉淀、共享、推理、分析及系统性存储;(2)提出了基于独立分量分析的配电网健康状态信息的有效数据筛选与辨识技术,解决了数据的不确定性、不完整性、模糊性和冗余性问题;(3)编制了配电网健康指数评价规范和数据规范,促进了配电网资产管理向更加科学化、精益化、系统化的方向发展。

4.提出了基于健康指数的配电网优化规划方法和综合检修策略,提高了配电网规划、检修技术的科学性、经济性、精准性和实用性。(1)探索了基于健康指数的配电网规划方法,建立了以安全、可靠、经济、绿色为目标的配电网多目标优化规划模型及遗传算法与生成树算法相结合的求解方法,解决了现有规划方法未考虑设备健康状况和规划目标单一的问题;(2)提出了基于全寿命周期健康指数的设备故障率模型及全状态集成法的模型参数求解方法,提高了设备可靠性评价精度;(3)提出了计及健康指数和运行风险的配电网优化检修策略,实现了配电网的精准检修;(4)开发了基于健康指数理论的配电网规划、检修辅助决策系统,实现了健康状态评价与配电网规划、检修的紧密结合。

二、推广应用

项目研究成果和相关软硬件平台已于2016年在北京、南京示范区进行了实际应用。通过示范区收资、平台部署和装置安装,对两个示范区的配电设备与网络健康状态进行了评价分析,找出了其中的薄弱环节,并制定了试点区域配电网的优化检修策略,证明了项目研究成果能够有效降低配电网运维费用,提高供电可靠性和设备利用率,延缓配电网固定资产投资用,具有显著的经济社会效益。

该项目研究成果实用性强,为量大面广的配电设备以及网络健康状态诊断难题提供了有效分析方法和支持工具,为配电网规划、建设、运维管理等工作提供了科学决策依据,探索了知识资产的获取、共享、推理分析与系统性存储,促进了配电数据的采集、积累与共享,进一步健全、完善了全寿命资产管理系统,能够适应我国智能配电网的发展要求,可在全国范围内逐步实施和分期分批推广,具有广阔的应用前景。

三、未来发展趋势

国内外的研究实践表明,应用健康指数理论并将其扩展到风险管控领域已成为未来配电资产管理的发展趋势,对进一步提升配电网规划、检修水平将起到指导和支撑作用。然而配电网是一个实时平衡、离散和连续量相结合的复杂动态系统,且配电设备大多长期暴露在大自然之中,不仅承受正常机械载荷和电力负荷的作用,还经受污秽、雷击、强风、高低温和鸟害等外力侵害,其健康状态与设备自身健康状态、网架结构、外界环境、运维和管理等多源要素耦合关联。同时,由于配电网规划、检修和资产管理属于理论与实践结合的知识密集型工作,对工程师的专业知识和实际经验依赖性极强、要求很高,一旦有经验的工程师、技师退休,将造成知识经验断层,人才青黄不接,对电力公司造成重大损失。因此,如何全面评估,精准预测配电网的健康状态,如何系统开发与有效管理“知识资产”将是未来的重要研究方向。

专家简介

马钊,博士,国家“千人计划”特聘专家,中国电力科学研究院智能配电首席专家,英国特许注册电力工程师(CEng)、国际工程与技术学会会士(FIET),兼任CIGRE SC6(配电系统及分布式发电)专委会中国委员,CIGRE中国和亚太区SC6主席,中国科学院电工研究所客座研究员,西安交通大学兼职教授,国家下一代互联网联盟技术专家委员会委员。主要研究方向为智能配电网规划和资产管理、风险管控、智能电器设计研发及技术咨询、中低压直流配电网、能源信息物理系统和能源互联网等。