國(guó)家電網(wǎng)公司浙江省電力公司溫州供電公司 陳發(fā)棋 陳 騰 潘靈榮 武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 胡 勝 唐金銳

引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中將電能分配給終端用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，我國(guó)在配電網(wǎng)建設(shè)方面的投資力度不斷加大，也取得了顯著成績(jī)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距，城鄉(xiāng)區(qū)域發(fā)展不平衡，供電能力和供電質(zhì)量亟待進(jìn)一步改善以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的需求。對(duì)于配電網(wǎng)是否先進(jìn)，一個(gè)重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)就是供電可靠性。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在表征配電網(wǎng)可靠性的故障率、供電可靠率、平均停電時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間等指標(biāo)方面還存在較大差距，因此我國(guó)供電可靠性還具有較大提升空間。造成上述差距的原因主要包括兩個(gè)方面：一方面我國(guó)的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)起步晚、底子薄，另一方面我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，對(duì)于電力的消費(fèi)需求較高，負(fù)荷增長(zhǎng)很快。而發(fā)達(dá)國(guó)家電力消費(fèi)增長(zhǎng)平緩、負(fù)荷己逐步呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的配電網(wǎng)建設(shè)始終處在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)下，對(duì)配電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)在一定程度上增加了難度。為縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，面對(duì)新形勢(shì)與新環(huán)境，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)世界一流城市配電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，堅(jiān)持以客戶為中心，以提升供電可靠性為主線，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、精益化運(yùn)維、智能化管控，打造結(jié)構(gòu)好、設(shè)備好、技術(shù)好、管理好、服務(wù)好的一流現(xiàn)代化配電網(wǎng)。按照國(guó)網(wǎng)公司的上述要求，提高供電公司運(yùn)營(yíng)效率、縮短用戶停電時(shí)間,從而提高供電可靠性和服務(wù)質(zhì)量是配電網(wǎng)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

配電網(wǎng)的供電可靠性與諸多因素相關(guān)，其中配電網(wǎng)故障處理是配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，故障搶修效率直接影響著供電可靠性，影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和居民生活質(zhì)量。目前很多供電公司早期配網(wǎng)建設(shè)根據(jù)各區(qū)、村鎮(zhèn)分布獨(dú)立設(shè)計(jì)，缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃、也缺乏統(tǒng)一的設(shè)備維護(hù)管理，因而基礎(chǔ)薄弱，纜化率與設(shè)備自動(dòng)化水平較低。此外，地處沿海地區(qū)的供電公司又受臺(tái)風(fēng)登陸、雷暴天氣影響較大，架空線路安全運(yùn)行的影響因素較多，這些因素均會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性帶來負(fù)面影響，因而配電網(wǎng)故障發(fā)生率和搶修率也比較高[2]。

然而，目前很多供電公司缺乏對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)、分析與評(píng)估，也沒有建立配網(wǎng)設(shè)備的缺陷庫(kù)和檢修方法庫(kù)，從而缺乏結(jié)合配電網(wǎng)可靠性分析的歷史數(shù)據(jù)來指導(dǎo)配電網(wǎng)的故障處理工作，導(dǎo)致配網(wǎng)出現(xiàn)故障后盲目被動(dòng)檢修，故障查找困難大，故障搶修處理時(shí)間較長(zhǎng)，搶修效率低，進(jìn)而造成供電公司供電質(zhì)量差、供電可靠性降低。因此，為更好地提升配網(wǎng)故障搶修效率、降低停電時(shí)間和停電成本、提高供電質(zhì)量和供電可靠性，研究配電網(wǎng)的故障處理策略，縮短故障查找范圍和故障檢修時(shí)間十分重要。

針對(duì)上述問題，本文提出一種基于可靠性分析的20kV配電網(wǎng)故障處理策略，該策略首先采用概率統(tǒng)計(jì)分析理論對(duì)20kV配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)可靠性評(píng)估的結(jié)果，建立20kV配電網(wǎng)設(shè)備典型缺陷庫(kù)并提前制定好相應(yīng)的維修措施。當(dāng)20kV配電網(wǎng)出現(xiàn)故障需要處理時(shí),可利用典型缺陷庫(kù)和相應(yīng)的維修措施來指導(dǎo)檢修工作，從而可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障后的主動(dòng)檢修，使得故障查找范圍和難度大大降低，故障搶修處理時(shí)間短，檢修人員作業(yè)負(fù)擔(dān)輕、搶修效率高，從而降低了供電公司停電成本、提高了供電質(zhì)量和供電可靠性。此外，針對(duì)在搶修過程中所出現(xiàn)新的故障缺陷定期對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性再評(píng)估，對(duì)典型故障缺陷庫(kù)及其維修措施進(jìn)行持續(xù)更新，形成閉環(huán)控制，從而使得配網(wǎng)故障搶修效率、停電成本、供電質(zhì)量和供電可靠性得到持續(xù)改進(jìn)。

1 20kV配電網(wǎng)可靠性分析

一般中壓配電網(wǎng)采用相對(duì)較高的電壓都會(huì)更加經(jīng)濟(jì)，但該電壓也不宜選得過高，過高的電壓會(huì)增加設(shè)備成本，而且由于絕緣和環(huán)保的要求，所占用的空間資源也必將增大。目前國(guó)際上大部分發(fā)達(dá)國(guó)家選擇20kV電壓等級(jí)作為中壓配電網(wǎng)電壓。運(yùn)行實(shí)踐證明，20kV配電網(wǎng)相比10kV配電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)[2]：

提升線路的輸送容量，節(jié)約有色金屬用量。在導(dǎo)線截面和通過電流一定的情況下，電壓越高，輸送容量越大；提高中壓網(wǎng)絡(luò)的供電傳輸距離。電壓越高，傳輸相同功率時(shí)線路損耗越小，傳輸距離越大；短路容量增大，對(duì)分布式發(fā)電接入、干擾和諧波等污染負(fù)荷接入的承受能力更強(qiáng)；降低線路的功率損耗。輸送相同功率時(shí)，導(dǎo)線截面不變，電壓越大、線路電流越小、功率損耗越?。粶p少電壓損耗，提高電能質(zhì)量。輸送相同功率時(shí)，導(dǎo)線截面不變，電壓越大，線路電流越小，電壓損耗越小；減少變壓器的損耗。額定運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)的空載損耗主要決定于線路中變壓器的空載損耗，而對(duì)于同容量不同電壓等級(jí)的變壓器，其空載損耗的數(shù)值是很接近的。電網(wǎng)電壓由10kV升至20kV后，相同容量的變壓器其空載損耗基本不變而負(fù)載損耗的數(shù)值大大減少，即總損耗降低，符合經(jīng)濟(jì)合理的原則，利于降損節(jié)能和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

基于上述優(yōu)勢(shì)，在規(guī)劃負(fù)荷密度大、負(fù)荷增長(zhǎng)迅速的地區(qū)，20kV配電網(wǎng)值得推廣使用。20kV配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類多、數(shù)量大、分散廣，運(yùn)行方式多變，容易受到各種外部因素的影響，從而造成供電不足或中斷，影響供電可靠性。配電網(wǎng)故障對(duì)用戶供電可靠性的影響很大，統(tǒng)計(jì)表明大部分用戶停電是由配電網(wǎng)故障引起的[3]。

為科學(xué)地分析配電網(wǎng)的可靠性，一方面需要掌握配電網(wǎng)設(shè)備故障的歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)，另一方面需要利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率理論對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立配電網(wǎng)的故障概率和可靠性的模型，計(jì)算配電網(wǎng)的故障率、修復(fù)率、可靠性以及平均無故障工作時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)并對(duì)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)于電網(wǎng)中的每一臺(tái)設(shè)備，如果長(zhǎng)期使用，最終都會(huì)發(fā)生故障，因此每一臺(tái)設(shè)備都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的故障率，故障率λ定義為在給定的時(shí)間內(nèi)每單位元件期望的故障數(shù)，可以表示為λ=故障數(shù)/元件運(yùn)行總時(shí)間，運(yùn)行設(shè)備由于故障進(jìn)入停運(yùn)狀態(tài)，停運(yùn)設(shè)備可以經(jīng)過修復(fù)重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。因此每一臺(tái)設(shè)備也都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的修復(fù)率，修復(fù)率μ定義為在給定的時(shí)間內(nèi)每單位元件期望的修復(fù)次數(shù)，可以表示為μ=修復(fù)次數(shù)/元件停運(yùn)總時(shí)間。

一個(gè)設(shè)備的壽命期通?？煞譃槌跏紦p壞期、有效壽命期和衰耗期三個(gè)階段。初始損壞期故障率較高，如不合格產(chǎn)品等。有效壽命期故障率較低，故障發(fā)生具有隨機(jī)性和偶然性，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入磨損期時(shí)，設(shè)備的故障率由于老化而顯著上升。在分析設(shè)備可靠性時(shí)，大多都假設(shè)設(shè)備處于有效壽命期，此時(shí)故障率近似為常數(shù)，故障概率符合指數(shù)分布，即在時(shí)間t內(nèi)發(fā)生故障的概率為：P(t)=1-e-λt（1）在時(shí)間t內(nèi)發(fā)生n次故障的概率為：P(n)=(λt)ne-λt/n!（2）。

與之對(duì)應(yīng)的，設(shè)備的可靠性可以定義為即在時(shí)間t內(nèi)設(shè)備殘留的概率，因此根據(jù)式(1)設(shè)備的可靠性R(t)可以表示為R(t)=e-λt，根據(jù)式(2)可以得到設(shè)備的平均無故障工作時(shí)間MTTF(Mean time to failure)：MTTF=∫0∞R(t)dt=1/λ。

20kV配電網(wǎng)設(shè)備主要有電纜、架空裸導(dǎo)線、架空絕緣導(dǎo)線、配電變壓器、絕緣子、桿塔、開關(guān)柜、斷路器、隔離開關(guān)、母線等。在進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，需要利用各種配電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)計(jì)算其故障率、修復(fù)率、可靠性，以及平均無故障工作時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)以對(duì)各配電設(shè)備的可靠性評(píng)估，還可以根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)各設(shè)備的故障概率以及各設(shè)備間的拓?fù)渎?lián)系，計(jì)算負(fù)荷側(cè)的故障率、修復(fù)時(shí)間和強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間的參數(shù)來對(duì)負(fù)荷側(cè)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

2 20kV配電網(wǎng)故障處理策略

電網(wǎng)的可靠性是電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全狀態(tài)或故障概率，不但可以為系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供支撐，而且可以指導(dǎo)設(shè)備的在線預(yù)警，規(guī)避預(yù)警設(shè)備，安排低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行方式，這些都可有效減少配電網(wǎng)故障次數(shù)，提高配電網(wǎng)供電可靠性。在電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方面，可根據(jù)電網(wǎng)故障概率及其對(duì)電網(wǎng)安全的影響程度，確定最優(yōu)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)策略。然而由于數(shù)據(jù)收集等方面的原因，國(guó)內(nèi)對(duì)故障概率的研究和應(yīng)用仍不廣泛。

配電網(wǎng)故障處理是配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，故障搶修效率直接影響著供電可靠性，影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和居民生活質(zhì)量。然而，目前很多供電公司缺乏對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)、分析與評(píng)估，沒有建立配網(wǎng)設(shè)備的故障缺陷庫(kù)和相應(yīng)的檢修方法庫(kù)，更沒有結(jié)合配電網(wǎng)可靠性分析的歷史數(shù)據(jù)來指導(dǎo)配電網(wǎng)的檢修工作，導(dǎo)致配網(wǎng)出現(xiàn)故障后盲目被動(dòng)檢修，故障查找困難大，故障搶修處理時(shí)間較長(zhǎng)，檢修人員作業(yè)負(fù)擔(dān)重，搶修效率低、資源重復(fù)浪費(fèi)和無用消耗大，進(jìn)而造成供電公司供電質(zhì)量差、供電可靠性降低、停電成本大。

針對(duì)上述問題，本文提出一種基于可靠性分析的20kV配電網(wǎng)故障處理策略，首先采用文中所提的分析方法對(duì)20kV配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)可靠性評(píng)估的結(jié)果，建立20kV配電網(wǎng)設(shè)備典型缺陷庫(kù)并提前制定好相應(yīng)的維修措施。當(dāng)20kV配電網(wǎng)出現(xiàn)故障需要處理時(shí)，可利用典型缺陷庫(kù)和相應(yīng)的維修措施來指導(dǎo)檢修工作，從而可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障后的主動(dòng)檢修，使得故障查找范圍和難度大大降低，故障搶修處理時(shí)間短，檢修人員作業(yè)負(fù)擔(dān)輕、搶修效率高，從而降低了供電公司停電成本、提高了供電質(zhì)量和供電可靠性。

此外，針對(duì)在搶修過程中所出現(xiàn)新的故障缺陷定期對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性再評(píng)估，對(duì)典型故障缺陷庫(kù)及其維修措施進(jìn)行持續(xù)更新，形成閉環(huán)控制，從而使得配網(wǎng)故障搶修效率、停電成本、供電質(zhì)量和供電可靠性得到持續(xù)改進(jìn)。圖1為本文所提的故障處理策略的示意圖，具體包括如下內(nèi)容：

圖1 故障處理策略

對(duì)20kV配電網(wǎng)的年度歷史故障數(shù)據(jù)按照供電線路和事故成因進(jìn)行分類，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率理論對(duì)配電網(wǎng)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)結(jié)合配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和可靠性原理，對(duì)各配電網(wǎng)設(shè)備（包括斷路器、變壓器、隔離開關(guān)、母線、架空線路、電纜等）的故障概率、修復(fù)率、可靠性、平均無故障工作時(shí)間及年度強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)各配電網(wǎng)設(shè)備的故障概率及年度強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，按照故障率和年度強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間進(jìn)行排名。根據(jù)排名順序，建立影響20kV配電網(wǎng)可靠性的典型缺陷庫(kù)。

根據(jù)所建立的20kV配電網(wǎng)的典型缺陷庫(kù)，逐一對(duì)配電設(shè)備典型缺陷成因進(jìn)行分析，確定影響配電設(shè)備可靠性的相關(guān)因素（如設(shè)備質(zhì)量問題、使用維護(hù)不當(dāng)、短路故障、設(shè)備老化、自然災(zāi)害、外力破壞等）。然后根據(jù)配電設(shè)備典型缺陷成因和可靠性影響因素的分析結(jié)果，制定20kV配電網(wǎng)的維修和防護(hù)措施來指導(dǎo)配電網(wǎng)的檢修工作。

根據(jù)所建立的20kV配電網(wǎng)的典型缺陷庫(kù)和制定好的維修和措施來指導(dǎo)配電網(wǎng)的檢修工作，對(duì)故障處理中的故障查找和故障搶修環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1；如果在故障處理過程中未出現(xiàn)新的故障缺陷，則完成檢修。如果在故障處理過程中出現(xiàn)新的故障缺陷，則定期對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性再評(píng)估，對(duì)典型故障缺陷庫(kù)及其維修措施進(jìn)行持續(xù)更新，形成閉環(huán)控制。