配電網故障風險綜合評估方法

葛少云，朱振環，劉 洪，馬 康，劉 軍

（1.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072；2.中國電力科學研究院，北京100192）

電網安全性是指電網對故障等擾動事件的抵御能力，直接反映了電網的堅強程度和對用戶的不間斷供電能力。配電網的安全運行是整個電網安全運行的重要一環，是目前提高供電系統運行水平的關鍵環節。統計資料表明[1]：大約有80%的停電事故是由配電系統故障造成的。因此，準確評估配電網的故障停電風險，找出薄弱環節加以改進，提高供電安全性，已成為目前亟待解決的問題。

目前，電力系統風險評估的研究主要集中在主網的范疇，配網方面的研究較少。在主網方面，應用風險評估的方法解決不同問題取得了諸多成果，如區域電網安全風險評價體系[2]、對電網進行自然災害風險評估的方法[3]、評估電力系統脆弱性的風險指標[4-5]、復雜電力系統連鎖故障的風險評估方法[6-7]、綜合暫態穩定指標[8]。然而，上述方法并不能直接應用于配電網。這是因為配電網網絡結構復雜，設備種類多、數量大、分散廣，運行方式多變，容易受到各種外部因素的影響，故障風險評估涉及的因素眾多，而評估既要從整體上得到技術評價結果，又要在關鍵點上得到細致的量化，上述方法難以滿足這些要求；在配電網方面，風險研究多數偏重于經濟風險，往往是對配電網規劃[9]和改造方案[10]進行評估，考慮的是預測負荷和電價等變動因素。也有文獻運用模糊數學的方法建立了配電網運行風險評估模型[11]，或者歸納出配電網運行風險因素，建立風險損失值的計算公式[12]。以上研究的不足是：①研究主要集中在經濟風險方面，沒有對故障停電風險進行有針對性的研究；②沒有嚴格區分故障停電事件和預安排停電事件所造成的風險；③沒有提出一套能夠綜合反映配電網的整體故障風險與技術管理等薄弱之處的評估方法。

本文構建了一套科學的配電網故障停電風險綜合評估方法，以指導實際配電網規劃和建設。首先，以故障基準風險為基礎，并考慮各種因素的影響，提出了故障風險綜合評估的計算方法；其次，從風險的角度建立了全面評估故障基準風險的指標體系；最后，對綜合故障發生概率和故障影響后果這兩方面的故障風險進行量化評估。

1 配電網故障風險綜合評估方法

1.1 配電網故障風險評估的概念

風險是指潛在損失的變化范圍與變動幅度，對于電網來說是故障發生概率和影響后果的綜合。電力系統風險的根源在于其行為的概率特征。Vittal 等[13]給出了電力系統風險評估的基本定義，即綜合度量電力系統面臨的不確定性因素的可能性與嚴重性，其數學表達式為

式中：Xf為系統運行方式；Ei為第i 個故障；pr（Ei）為故障Ei發生的概率；Sev（Ei，Xf）為在Xf的運行方式下發生第i 個故障后系統的損失嚴重程度；Risk（Xf）為系統在Xf運行方式下的運行風險指標。

電力系統風險評估的目的是評估擾動事件對電力系統的潛在影響程度，評估的內容主要包括擾動事件發生的可能性與嚴重性兩個方面。

本研究定義的配電網故障風險評估是指對配電網中各種故障風險發生的概率、產生的影響后果進行量化評估，從而確定風險等級的過程。

1.2 配電網故障風險綜合評估方法整體結構

本評估方法的評估依據是綜合故障概率值和綜合故障后果值。根據配電網故障風險評估的概念確定的配電網故障風險值，即

故障風險=綜合故障概率×綜合故障后果

其中，綜合故障概率值、綜合故障后果值分別由故障風險評估指標體系中計算出的基準故障概率值、基準故障后果值和有關影響因數計算得到。

配電網故障風險具有隨機性和動態性，故障風險不僅取決于電網本身，而且和天氣狀況、負荷結構以及故障發生的時刻等隨機因素有關。在配電網故障風險量化評估中將綜合故障概率值和綜合故障后果值的乘積大小作為風險定級的依據，有利于評估大概率小損失故障事件和小概率大損失故障事件的影響，能夠兼顧安全性和經濟性。

1.3 綜合故障概率值

綜合故障概率值的計算公式為

綜合故障概率=基準故障概率×氣象影響因數

其中，基準故障概率值由故障風險評估指標體系中的基準故障概率指標經運算得到。

在惡劣天氣條件下，配電網的運行將會承受多方面的壓力，故障發生的可能性顯著上升。為了表征氣象因素對配電網故障發生概率的放大作用，引入氣象影響因數。氣象影響因數依據不同的天氣類型確定，本文依據氣象災害預警信號，僅選取其較為嚴重的黃色、橙色和紅色預警等級，如表1 所示。

1.4 綜合故障后果值

綜合故障后果值的計算公式為

綜合故障后果=基準故障后果值×時間因數×負荷重要因數

其中，基準故障后果值由故障風險評估指標體系中的基準故障后果指標經運算得到。

對于有著不同重要等級負荷的配電網來說，重要負荷所占的比重越大，發生故障的后果越嚴重；另外，不同時間發生故障造成的損失也是不同的，因此，引入負荷重要因數和時間因數，如表2所示。負荷重要因數將依據Ⅰ、Ⅱ級負荷的比重確定。在無法獲得負荷比重數據時，也可以依據負荷分布的地域特征，經過換算獲得負荷重要因數。

表1 氣象影響因數Tab.1 Weather factors

表2 負荷重要因數Tab.2 Load factors

時間因數考慮一般工作日、節假日、特殊保供電時期3 種情況，如表3 所示。

表3 時間因數Tab.3 Time factors

2 配電網故障風險評估指標體系

2.1 基準故障概率指標

配電網在運行中受到外部和內部多種因素的影響，容易發生短路、斷線、絕緣擊穿和閃絡等故障。配電網中故障發生的概率難以用解析方法描述，結合層次分析法用指標體系來反映配電網故障發生概率水平。在正常天氣下，配電網故障發生概率的影響因素有裝備水平、運行維護水平和外力破壞3 大方面，由此建立的指標集如圖1 所示。裝備水平反映架空線和電纜的防護水平以及電力設備的技術先進可靠程度；運行維護水平反映設備整體服役年限、運行狀態和維護管理水平；外力破壞專指人為、樹木、鳥獸的破壞，反映這幾種外部因素對配電網的影響。

圖1 基準故障概率指標Fig.1 Benchmarking fault probability indexes

基準故障概率指標考慮影響故障概率的內部因素和外部因素，利用電網的現狀數據和歷史數據，有效反應配電網故障發生概率的水平。

2.2 基準故障后果指標

配電網故障發生后造成的損失大小是由電網的反應能力決定的。有著良好故障控制能力的電網能夠迅速地隔離故障，轉移負荷，并盡快處理故障恢復供電，符合以上條件的配電網中故障后果嚴重程度較低。

基準故障后果指標主要包括電源控制能力、配網控制能力、用戶控制能力和自動化水平4 個方面，由此建立的指標集如圖2 所示。電源控制能力表現在配網中每條饋線均具備多路可供獲取的上級電源，并且可以靈活地在多個電源之間進行切換；配網的控制能力包含3 部分內容：負荷的隔離（縮小故障的影響范圍）、負荷的轉移（在不同線路間轉移負荷）和開關的控制（控制故障隔離及負荷轉移的速度）；用戶控制能力體現在發生停電時，電網中重要用戶的供電保障能力；自動化水平對故障風險后果的影響是多方面的，如通過故障指示加快了故障定位速度、通過設備監控加強了對設備運行的管理、通過對主要開關設備的遠程控制和更高層次的故障自動隔離技術加強了對停電的控制能力。

圖2 基準故障后果指標Fig.2 Benchmarking fault severity indexes

圖2指標中，站間聯絡線比例反映的是在配電網不同變電站間進行負荷轉移的可能性；中壓線路聯絡率反映的是配電網中壓饋線間進行負荷轉移的可能性；主變“N-1”平均失負荷比例是指配電網失去1 臺上級主變時，通過負荷轉移處理后的配電網失電負荷對總負荷比值的平均值；線路“N-1”平均失負荷比例是指配電網中有聯絡的線路，在失去電源經轉電處理后，損失的負荷對線路總負荷比的平均值。

2.3 指標定義和計算方法

指標體系中的每個指標均有明確的定義和方便的計算方法。建立指標體系時考慮了計算所需基礎數據的易獲得性和指標計算的可操作性。由于篇幅限制，僅以GIS 設備使用率和線路平均分段數為例進行說明。GIS 設備使用率是指110/35 kV 氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）所占高壓開關總數的比例（按間隔計算），用于反映先進高壓開關設備的使用情況。線路平均分段數是指中壓線路分段總個數與中壓線路條數的比值，用于反映中壓配電網供電靈活性與停電影響范圍。

2.4 指標權重

指標權重是對各評價指標間相對重要性的度量，權重大小反映該指標相對其他指標重要性的高低。德爾菲法具有能夠充分利用專家的知識和經驗的優點，本研究中采用該方法確定指標權重。

綜合多位電力系統專家的意見，最終獲得各項評價指標的權重。由于篇幅限制，僅在表4 中給出設備裝備水平的4 個指標的權重設定結果，基準故障概率指標中設備裝備水平的權重是0.357 5。

表4 部分指標權重Tab.4 Part of index weights

2.5 評分標準

評分標準是指標值和指標得分間的對應關系。采用德爾菲法獲得離散的指標評分標準，部分評分標準如表5 所示。

評分標準是離散的，不能夠很好地反映指標得分的變化情況，利用Matlab 軟件中的curve fitting tool 工具對離散的評分標準進行曲線擬合，得到指標評分函數，據此計算各個評價指標的得分。依據層次分析法逐層向上計算，分別得到基準故障概率值得分和基準故障后果值得分，計算公式為

表5 部分評分標準Tab.5 Part of index evaluation criteria %

式中：Sk為層次結構中任一非底層指標的評分；n為指標Sk的下層指標個數為下層指標j為下層指標j 的權重。

3 故障風險量化評估

3.1 綜合故障概率量化評估

根據配電網綜合故障概率值的大小，故障可能性分為可能性很大、可能性較大、可能性一般、可能性較小和可能性很小5 個等級，如表6 所示。綜合故障概率值是考慮到各種影響因素的綜合分值，反映配電網整體的故障發生概率水平，并不代表故障發生的百分比可能性。

表6 綜合故障概率量化分級Tab.6 Quantitive classification for comprehensive fault probability

3.2 綜合故障后果量化評估

根據配電網綜合故障后果值的大小，故障后果嚴重程度分為特大損失、重大損失、較大損失、一般損失和輕微損失5 個等級，如表7 所示。

表7 綜合故障后果量化分級Tab.7 Quantitive classification for comprehensive fault severity

3.3 故障風險量化評估

根據配電網故障風險值大小，配電網故障風險分為5 級：Ⅰ級（特大風險）、Ⅱ級（重大風險）、Ⅲ級（較大風險）、Ⅳ級（一般風險）和Ⅴ級（輕微風險），如表8 所示。基準故障概率值和基準故障后果值的取值范圍均為0～100，考慮最嚴重的情況，即氣象因數取20、負荷重要因數取1.2 和時間因數取1.5，此時可能的最大風險值為27 000。

各個風險等級對應風險值的取值區間由表6和表7 中量化分級區間決定，如Ⅲ級（較大風險）對應的風險值區間[400，1600）是由表6 中“可能性一般”（20～40）和表7 中“較大損失”（20～40）區間兩端數值相乘得到。這種處理方式與分別以故障可能性和故障后果嚴重程度為坐標軸建立二維風險決策矩陣是等價的，但是考慮到本方法獲得的風險值具有數值連續性，所以采用數值區間的處理方式。故障風險量化分級對于配電網的管理評估具有重要的現實意義。

表8 配電網故障風險量化分級Tab.8 Quantitive classification for distribution network fault risk

4 某配電網故障風險評估

應用本評估方法對某配電網進行故障風險評估，在進行基礎數據收集和基層指標計算后，利用所設定的評價標準和權重進行計算。選取的配電網工作條件為正常天氣（氣象影響因數取1）、一般工作日（時間因數取1）、重要負荷比例為60%（負荷重要因數取1）。評估指標值和得分如表9 所示。

評估的結果為：配電網的故障風險值為820.8，風險等級為“較大風險”。其中，綜合故障概率值為24.0，等級為“可能性一般”；綜合故障后果值為34.2，等級為“較大損失”。可以看出故障影響后果得分較高，是造成故障風險的主要方面。

故障影響后果方面自動化水平和用戶控制能力是薄弱環節。經分析發現，自動化水平中配網自動化覆蓋率偏低，該指標得分為67.1；用戶控制能力不足，兩個下級指標得分分別為40.0 和49.7。另外，負荷隔離能力中線路平均分段數指標得分較高（60.0），負荷轉移能力中線路“N-1”平均失負荷比例指標得分較高（55.3）。

表9 評估指標值及得分Tab.9 Value of index and score

故障發生概率方面外力破壞是薄弱環節，其中，電纜線路警告牌比例和樹線矛盾線路治理比例指標得分偏高，分別為44.1 和55.0。裝備水平方面架空線絕緣化率偏低和電纜直埋比例偏高，這兩個指標的得分為56.5 和54.9。

以上指標得分越高，表示該環節越薄弱，建議針對該配電網的上述方面采取改進措施。

5 結語

本文從風險的角度出發，提出了科學合理的配電網故障風險綜合評估方法。該方法能夠綜合評估多因素影響下的配電網故障停電風險，適用于我國各地區配電網的評價和對比，對于配電網的規劃和建設均有很好的指導作用。隨著智能電網研究和建設的推進，可在本評估方法的基礎上增加分布式能源、微網運行、高級保護與控制等方面的評價內容，以期對配電網故障停電風險進行有效評估。

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