輸變電系統可靠性評價體系及應用研究

劉 莎，李林發，史小強，劉 媛，鄒 戈，王天華，郭 鵬

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

1998年原電力工業部頒布《輸變電設施可靠性評價規程（暫行）》，經2003、2012年兩次修訂形成現行的《DLT 837-2012輸變電設施可靠性評價規程》。該規程的實施實現了對全行業范圍內的輸變電設施可靠性統計評價工作的統一、規范管理，促進了電力安全生產和設備管理工作的深入開展，為輸變電系統[1]可靠性統計、分析工作奠定了基礎。

我國與美國、英國等國際先進電力企業在輸變電系統可靠性管理方面的差異[2][3]主要體現在以下幾個方面：一是評價指標種類繁多，指標使用率偏低，缺乏準確反映設備質量及健康狀況的綜合性指標；二是與國外同行相比，國內施行的輸變電系統可靠性管理體系主要側重于對設施水平的評價，而在網架能力、系統連續性方面較為薄弱；三是以特定的時間區段統計，不能對電網設備投產、運維、檢修直至退役這一全過程進行完整評估分析，無法形成對資產全生命周期管理在指標數據上的有力支撐。

由此，我國輸變電系統可靠性管理仍主要基于輸變電設施可靠性管理，在電力結構調整、管理升級以及企業信息化變革的新形勢下，在與國際先進電網企業管理水平接軌的需求下，制定與之適應的輸變電系統可靠性評價體系已勢在必行。本文構建適于我國電網及管理現狀的輸電網可靠性評價體系，并進一步研究輸變電可靠性評價指標體系在實際工作中的應用，以實現對可靠性管理、運維、規劃等相關工作的橫向輔助決策作用。

1 輸變電系統可靠性評價體系

輸變電系統可靠性評價對象應為由輸變電設施組成的輸電網整體[4]，為了能夠體現網架結構特點，同時便于統計分析，本文考慮建立回路、傳輸點模型。根據設備輸、變電功能的不同，將多個設備組成一個“回路”[5][6]，通過構建回路模型，實現以停電功能組為單元的指標統計，反映運維檢修策略合理性。模擬供電可靠性評價方法，構建傳輸點模型，實現輸變電系統的可靠性評價。

輸電網可以表征為以“傳輸點”為供電節點的多個“回路”的連接集合，如圖1所示。

圖1 輸變電系統模型圖Fig.1 Power transmission system model

1.1 回路模型

回路是連接兩個或更多的傳輸終端、變電站或者系統傳輸點的設備組，它的劃分與檢修運維單元一致。根據我國輸電系統可靠性管理工作實際情況，可以將回路分為三類：變電回路、輸電回路和母線回路。

1.1.1 變電回路

變電回路是以變壓器為主體，用以實現各電壓等級之間電能變換功能的回路。對于T接線（包括多個分支的T接線），如有一側變電站為線變組接線，則該回路整體都劃分為一個變電回路；由單相變壓器組成的三相變壓器組，三相作為一個變電回路統計；換流變壓器的交流側統計為一個變電回路。

1.1.2 輸電回路

輸電回路是以輸電線路為主體，用以實現不同站點（變電站、電廠、開關站或用戶）之間電能傳輸的回路。T型接線的輸電回路包括各分支輸電線本體以及輸電線所連接的變電站母線回路傳輸點以內的設備（不含母線傳輸點）。

1.1.3 母線回路

母線回路是以變壓器某側電壓等級母線為整體組成的回路，包含母線本體及與各側輸電回路、變電回路傳輸點以內的設備，包含直接與母線段相連的隔離開關和獨立連接到該段母線上的不單獨構成回路的設備（如避雷器、電壓互感器、電容式電壓互感器等）。由于母線故障概率極低，從簡化統計工作量角度出發，母線回路僅起到拓撲連接作用，指標可不統計。

1.2 傳輸點模型

輸電系統傳輸點為提供輸電服務的功能割集。輸電系統通過傳輸點為輸電系統用戶（這里是指廣義的用戶，包括發電系統、互聯輸電系統、用戶系統和配電系統）提供輸電服務。傳輸點一側是輸電系統回路，另一側是輸電系統用戶，電能只能通過傳輸點在輸電系統與輸電系統用戶之間進行交換。傳輸點按功能進行劃分，分為發電傳輸點、互聯傳輸點、用戶傳輸點和配電傳輸點四種，如圖2～圖5所示。

圖2 輸配傳輸點示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution delivery point

圖3 發電傳輸點示意圖Fig.3 Schematic diagram of generation delivery point

圖4 互聯傳輸點示意圖Fig.4 Schematic diagram of Interconnection delivery point

圖5 用戶傳輸點示意圖Fig.5 Schematic diagram of load delivery point

（1）輸配傳輸點：實現由輸電系統向配電系統傳輸電能作用的傳輸點，是輸電系統與配電系統的產權邊界，為輸電系統配電變電站10 kV配電母線組。

（2）發電傳輸點：實現發電系統向輸電系統傳輸電能作用的傳輸點，是輸電系統與發電系統的產權邊界，為輸電系統與發電變電站邊界的所有斷路器集合。

（3）互聯傳輸點：實現不同輸電系統之間交換電能作用的傳輸點，是輸電系統與其他輸電系統的產權邊界，為輸電系統互聯變電站邊界的所有斷路器集合。

（4）用戶傳輸點：實現輸電系統向用戶傳輸電能作用的傳輸點，是輸電系統與用戶系統的產權邊界，為輸電系統與用戶變電站邊界的所有斷路器集合。

1.3 評價指標

為了能夠反映變電系統的綜合可靠性水平，分別從回路、傳輸點、停電事件三個維度設置可靠性評價指標。回路分別從停運時間、停運頻率、停電范圍三個層次設置可靠性評價指標。回路主要評價指標見表1[7-8]。

表1 回路指標匯總表Tab.1 Circuit reliability index summary table

傳輸點作用輸變電系統的“用戶”點，可反映輸變電系統的綜合可靠性水平，傳輸點主要評價指標見表2。

表2 傳輸點指標匯總表Tab.2 Delivery point reliability index summary table

與供電可靠性統計相比輸變電系統可靠性統計會面臨到的問題是：輸電網網架一般要求滿足N-1校驗、甚至N-2校驗，并且為環網運行，若出現故障，不停電或通過下級電網快速倒供情況較為普遍，但并不等同于不同的停電事件對電網的危害程度是相同的（傳輸點統計指標難以反映此問題），因此本文提出設置停電事件嚴重性綜合指標，用以評價輸變電系統停電事件[9]（并非一定有負荷損失）的嚴重程度。

停電嚴重性評價綜合指標共包括4項子指標，分別為傳輸點失負荷嚴重性指標、回路停運嚴重性指標、電源停運（降額）嚴重性指標和停電嚴重性綜合指標。傳輸點失負荷嚴重性指標表示傳輸點損失電量比例，回路停運嚴重性指標表示回路停運容量比例，電源停運（降額）嚴重性指標表示電源停運（降額）比例的指標，停電嚴重性綜合指標是以上三個指標的加權值，是系統可靠性評價的綜合指標，綜合體現輸變電系統的風險情況。

2 關鍵回路辨識——回路可靠度矩陣

將輸變電系統可靠性評價指標應用于工作實際并起到一定的輔助決策作用，是輸變電可靠性評價體系建立的根本目的，也是決定輸變電可靠性評價指標是否能長久保持其生命力的關鍵所在。為了實現輸變電系統可靠性評價對可靠性管理、運行維護、規劃等橫向相關工作的指導作用，本文提出建立回路可靠度矩陣，如圖6所示，矩陣橫軸為回路健康度，矩陣縱軸為回路重要度。回路健康度由評價指標判定，回路重要度由評估指標判定。根據回路的重要和健康度劃分，確定回路的可靠度級別，回路可靠度級別從高到低分別為“Ⅰ級”、“Ⅱ級”、“Ⅲ級”、“Ⅳ級”。

圖6 回路可靠度矩陣Fig.6 Circuit reliability matrix

2.1 回路健康度

回路的健康度與組成設備的健康狀態直接相關，如設備緊急、重大缺陷（隱患）、潛在缺陷（隱患）或故障等狀態。按照設備狀態的不同給出健康層級的判定條件：

（1）回路出現故障停運或3次及以上預安排停運；

（2）回路無故障，但組成設備存在緊急狀態；

（3）回路無故障，但組成設備存在重大缺陷（隱患）或潛在缺陷。

若回路處于(1)狀態為A級健康度，處于(2)狀態為B級健康度，處于(3)狀態為C級健康度，除上述狀態外為D級健康度。

2.2 回路重要度

回路的重要度由回路停運嚴重性指標相關。按照回路停運嚴重性的范圍判定回路的關鍵等級。將回路停運嚴重性指標降序排列，分為4部分，前25%，前25%至50%，前50%至75%和其他。

（1）在正常運行方式下，回路故障存在引發一般及以上電力安全事故可能的或回路停運嚴重性指標前25%；

（2）在正常運行方式下，回路故障存在引發一級電力安全事件可能的或回路停運嚴重性指標前25%至50%；

（3）在正常運行方式下，回路故障存在引發二、三級電力安全事件可能的或回路停運嚴重性指標前50%至75%。

若回路處于(1)狀態為A級重要度，處于(2)狀態為B級重要度，處于(3)狀態為C級重要度，除上述狀態外為D級重要度。

2.3 回路管控級別確定

根據回路重要度和健康度，形成回路可靠度矩陣，確定回路管控級別。回路管控級別從高到低分為“Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級”。四級管控級別確定方式如下：

（1）Ⅰ級管控：A級健康度或A級重要度的回路，納入Ⅰ級管控；

（2）Ⅱ級管控：A級健康度且為C級或D級重要度，B級健康度且為B級或C級重要度，C級健康度且為A級或B級重要度，D級健康度且為A級重要度的回路，納入Ⅱ級管控；

（3）Ⅲ級管控：B級健康度且為D級重要度，C級健康度且為C級或D級重要度，D級健康度且為B級或C級重要度的回路，納入Ⅲ級管控；

（4）Ⅳ級管控：D級健康度且為D級重要度的回路，納入Ⅳ級管控。

Ⅰ級管控屬于高關注度回路，應于年度內加強狀態監測、運維，如果存在健康問題，盡快查明原因并解決。Ⅱ級管控回路，如果存在健康問題應盡快查明原因并加強監測和運維，在次年解決。Ⅲ級管控回路應加強完善，并在3年內解決。

3 影響因素分解——回路靈敏度分析

通過構建可靠度矩陣，可辨識出可靠性薄弱環節的關鍵回路，但該薄弱環節是停電時間、停電次數造成仍無從得知。為了能夠進一步輔助明確供電可靠性提升的具體措施，本節研究停電時間、停電次數對可靠性綜合指標的靈敏度分析，實現關鍵回路影響因素辨識。

停電嚴重性指標可以用回路的事件來表示，具體表示方法如下：

假設輸變電系統由N個回路組成，Si代表第i個回路的狀態，x=( )S1…Si…SN，由于Si是一個隨機變量，x是一個隨機矢量[10]。

假設每一個回路只有運行和停運兩種狀態，并且回路的停運是彼此獨立的事件，則Si是一個離散的隨機變量。Si=0表示運行狀態，Si=1表示停運狀態[12]。

X表示系統狀態空間，它是系統狀態矢量x可能出現的所有情況的集合；P()x表示回路狀態矢量x發生的概率，即x的概率分布函數[12]。當假定回路狀態是彼此獨立的隨機變量時

則回路i的傳輸點失負荷嚴重性指標為

回路i的回路停運嚴重性指標為

回路i的電源停運（降額）嚴重性指標為

回路i的停電嚴重性指標為

利用停電嚴重性指標對回路停運率和回路停運時間求導，求出回路對回路停運率和回路停運時間的靈敏度，對靈敏度排序，得出回路重要度。

停電嚴重性指標對回路i的平均停運率Oi的靈敏度為

停電嚴重性指標對回路i的平均故障停運時間Ti的靈敏度為

式中：N為回路數；LOLx為狀態x的失負荷量；Cx為狀態x停運回路容量；GOx為狀態x的電源停機（降額）出力；L為回路總負荷；C為回路總容量；GO為發電機總出力；Ti為回路i平均故障停運時間；T為統計期時間。

根據回路靈敏度指標，可以確定回路對平均停運事件或平均停運率的敏感程度，從而對靈敏度高的回路提出具體的可靠性提升措施。

4 算例

以某市2015年電網為例進行計算。計算電壓層級包括500 kV、220 kV和110 kV三個電壓等級，變電回路共622個，輸電回路共617個。回路、傳輸點和停電嚴重性評價指標分別見表3～5。

表3 輸變電系統可靠性回路評價指標Tab.3 Power transmission circuit reliability evaluation index table

根據回路管控級別確定方法，計算得出電網回路的管控級別如表6所示。

表4 輸變電系統可靠性傳輸點評價指標Tab.4 Power transmission delivery point reliability evaluation index table

表5 停電嚴重性評價指標Tab.5 Power outage severity index table

表6 各類回路管控級別統計Tab.6 four types of circuits control level statistics table

表7 Ⅰ級管控回路統計Tab.7 I control level circuits statistics table

考慮變電回路在“N-1”和“N-2”、輸電回路在“N-1”和路徑“N-1”方式，根據式（6）和（7）分別求出輸電回路和變電回路對故障停運率和故障停運時間的靈敏度，根據靈敏度排序情況，確定回路可靠性提升措施。表7對I級管控線路進行靈敏度分析。

通過計算輸變電系統可靠性指標，可以看出，輸變電系統傳輸點平均停電時間為0.16 h，該市2015年戶均停電小時數為1.32 h，僅占用戶平均停電時間的10%左右。說明供電可靠性進一步提升空間仍在配電網，應從合理劃分供電范圍、加快配網站點布置、提升可轉供率方面完善電網，需擴大配網建設改造投資。

通過計算回路管控級別，可以看出，該市共計7個回路為I級管控回路。5回I級管控輸電回路，分別為：500 kV鵬深甲線、220 kV深李乙線、220 kV白坪乙線、220 kV梅皇甲線和220 kV梅水線；2回I級管控變電回路，分別為：220 kV東湖站3號主變和220 kV奮進站2號主變。

通過對回路的靈敏度分析，可以看出，2015年電網I級管控回路對回路停運率的靈敏度明顯大于對回路停運時間的靈敏度，應重點關注停運次數管控。主要采取的措施有加強對輸電設施的狀態監測、加強綜合停電管理、加強老舊設備的健康度的評估等工作。也可根據各條回路的停電次數靈敏度明確該回路的關注度及相關措施的實施順序，進一步輔助制定輸電網供電可靠性最優化提升策略。

5 結論

本文構建輸變電可靠性評價體系，實現對輸變電系統的可靠性統計，并評估預警輸變電系統運行風險，與國際先進輸電網管理接軌。基于可靠性評價指標，構建可靠度矩陣，為指導可靠性管理、生產、運維提供決策依據，最大限度提升輸變電系統可靠性評價的應用性。以某市為例，對電網建模，計算評價指標，完成回路的重要度和健康度分級，進而形成回路可靠度通用矩陣，完成回路可靠度分級，為生產運維等工作決策提供必要依據。

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