變電站操作過程的人為可靠性分析

陳博文,檀青松,薛 寧

(國網河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

變電站操作過程的人為可靠性分析

陳博文,檀青松,薛 寧

(國網河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

從工程應用的角度出發,對變電站操作過程中的人為因素進行建模分析,將人為因素分為靜態影響因素和動態影響因素,根據操作任務的特點,將操作場景分為常規類型操作、長時間持續操作和應急操作三類,針對容易發生人為失誤的后兩種操作情景,分別提出了相應的人為操作可靠性分析方法,并以變電站實際操作為例,對所提出的方法進行驗證。算例分析表明,人為因素模型和人為可靠性分析方法能夠充分考慮操作過程中的人為因素,能對操作風險進行事前評估,為操作風險預控和操作規范的制定提供參考。

變電站操作;人為因素建模;可靠性分析;風險預控

1 概述

隨著變電站智能化水平的不斷提高,變電站趨于無人值守或少人值守。但是到目前為止,變電站很多操作還離不開人的參與,因此對人員的業務素質和實際操作能力提出了更高的要求。

由于變電站運行中設備較多、線路復雜,設備操作過程中因人為因素導致的事故時有發生,嚴重時會導致大面積停電、設備損壞,甚至造成人員傷亡,嚴重威脅電網的安全運行。由于運行人員誤操作導致遼寧電網220 k V凌源變電站全停。通過分析電網事故可以發現,人為因素對變電站操作可靠性有很大影響。因此,對影響變電站操作的人為因素進行建模,操作前對人為因素可能造成的風險進行評估和預控具有重要意義[1]。

電力系統領域人為可靠性方面研究較少,主要通過制定安全操作規程、采取考核管理制度來預防人為操作和失誤的發生。盡管電氣操作的規則和步驟已非常細化和完善,但人為失誤依舊是影響電力系統穩定運行的風險源。在近些年發生的大停電事故分析過程中,人們逐漸認識到在電力系統可靠性研究中引入人為可靠性和人為因素量化分析的必要性,也有學者開始了這方面的研究。文獻[2]通過對貴州電網人為因素事故進行統計分析,總結出一般不安全行為和事故原因;文獻[3]采用事故因果繼承原則研究了變電站誤操作發生的直接和間接原因;文獻[4]結合電力系統中倒閘操作的流程和電網公司的操作規范,提出一種基于SLIM的電網人為因素可靠性量化分析方法。以下從實際應用的角度出發,對影響變電站操作的人為因素進行分析。

2 變電站典型操作分析

變電站運維人員的職責主要分為值班監視和運行操作兩部分。值班監視包括遙測、遙信的監視和接收、執行調度中心下發的遙控遙調指令以及定期巡視和檢查。運行操作主要包括一次部分(如斷路器、隔離開關的分合控制等)和二次部分: (保護裝置的裝置壓板投退、定值區切換等)。變電運行操作涉及設備較多,操作步驟順序比較復雜,出錯風險較高,是一個專業性較強、安全責任較大的工種。

根據操作任務的類型,本文以操作時間為標準將操作分為3類。

a.常規類型操作。變電站大部分操作都屬于常規類型操作,操作員任務明確、對操作步驟程序熟悉、有足夠的時間完成操作。一般來說,操作人員參加過足夠多的培訓,在完成常規類型操作時發生操作失誤概率很低。

b.長時間持續操作。長時間持續操作是指需要操作人員長時間持續工作,例如全站停電、新設備投運等,在長時間工作中會出現操作員疲勞狀態。我國電力部門有關事故統計資料表明,由于疲勞而發生的事故在人為事故中占有很大的比重[]。

c.應急場景下操作。電網發生突發故障或事故時,需要變電運行人員迅速做出準確的判斷,并正確處理,避免事故范圍擴大及給設備造成進一步的損壞。在應急場景下,時間緊急、操作人員壓力大,發生人為操作失誤的概率也會大大增加。

3 影響變電站操作的人為因素分析

變電站中容易發生人為失誤有長時間持續操作和應急場景下操作2種情景,對影響運行人員操作的因素進行建模,并提出相應的人為操作失誤概率的量化方法。

變電站運行人員需要根據變電站當前運行狀態,結合系統的要求而采取操作,這一過程可以表述為人與系統的交互過程,如圖1所示[6]。變電站運行人員對變電站當前運行狀態進行感知,包含對運行狀態的認知、對系統運行要求的理解,根據狀態感知的結果進行判斷和決策,將判斷決策的結果付諸于實際行動,作用于變電站和電力系統。

圖1 變電站中人與系統的交互過程

圖1所示的變電站運行人員和系統的交互過程受到很多因素的影響,如變電站環境條件、運行人員知識水平、變電站的運行規程等。當這些影響因素都為負面效應時,很可能發生人為失誤。該文把所有對運行人員操作產生影響的因素定義為人為因素,并根據人為因素的特點將其分為靜態影響因素和動態人為因素。

靜態影響因素主要用來描述和操作人員有關的因素,如工作經驗、技能水平、責任心和歷史失誤率等。靜態影響因素也可以表述為非實時因素,在一定時間內這些因素的水平不會發生改變。動態影響因素主要用來描述和當前操作相關的因素,如任務強度、操作時間段、心理情緒和操作工況等。動態影響因素也可表述為實時因素,在完成不同操作任務時,這些因素的水平可能會有很大差異。各因素的描述如表1所示。

表1影響變電站操作的因素

當各人為因素處于不同水平時,對操作人員行為的影響也是不同的。該文采用綜合影響指數表示人為因素的影響效應。

式中:IFSIF、IFDIF分別為靜態影響因素、動態影響因素影響系數;IFHF為人為因素綜合影響系數;α、β、γ為各個系數的權重。IFSIFi、IFDIFi分別為各人為因素的影響效應,其取值范圍為[-1,1]。

4 人為可靠性分析

變電站中操作類型繁多,不同類型操作任務中發生人為失誤的主要原因不同,各影響因素的影響程度也有差異,合理區分操作類型是準確量化人為可靠性的關鍵。

4.1 長時間持續操作場景下人為可靠性分析

長時間持續操作場景下影響人為失誤的主要因素是持續工作時間,任務開始時操作員狀態較好,操作員人為失誤率維持一個較低的水平,隨著連續工作時間的增加,人為失誤率不斷增大。采用比例故障模型(PH M)[7]來分析長時間持續操作場景下的人為操作失誤情況。

PHM模型中故障率函數包含基準故障率函數和連接函數,前者可用來表征人為失誤概率隨工作時間的變化,后者可用來表示人為因素的影響,如公式(4)所示。

式中:h0(t)為基準故障率函數,用來表示持續工作時間的影響,一般采用威布爾分布。連接函數ψ(Z)反映處于不同狀態下人為因素的影響。

假設操作任務開始時刻為t=0,那么發生人為失誤的概率為:

4.2 應急操作場景下人為可靠性分析

應急操作場景中,變電站內發生突發故障,需要操作人員在允許時間內排除故障,恢復系統穩定。在這種情景下,操作時間短、面臨壓力大,很容易發生操作失誤。據統計,應急操作中發生人為失誤概率和允許操作時間相關,可以用三參數威布爾分布表述[7]。

式中:t為操作允許時間,由系統特性決定的;T1/2為執行時間;σ、μ、τ分別為分布尺度參數、形狀參數和位置參數,與具體操作有關。根據Rasmussen J提出的SRK框架,操作行為分為技能型、規則型和知識型3類[9],對于每種操作行為σ、μ、τ的取值也不同。

式中:T1/2,n為一般情況下完成操作所需時間(如統計平均值);f(IFHF)為人為因素的調整系數,對于不同操作人員完成操作所需的時間有差異。

5 算例分析

結合變電站實際操作,選取了2個案例進行分析,對所提出的方法進行驗證。

5.1 長時間持續操作場景

變電站中有很多情景需要操作人員長時間持續操作,例如變電站進行全站停電下的主變壓器年檢工作,工作票上批準的檢修期為2天,期間要對2臺主變壓器進行年檢工作,工作涉及檢修、保護、高壓試驗等多個專業的班組,項目復雜,工作時間緊。在該類型人為操作可靠性分析中采用比例故障模型進行建模,其中失誤率基準函數選用兩參數威布爾分布,連接函數選用指數分布。比例概率模型中的基準函數如下:

由公式(5)可知,發生人為操作失誤的概率可表述為:

模型的參數可以通過歷史數據評估得到[8],不做詳細討論。假設β=3,α=200 h,當人為因素處于不同水平時,人為操作失誤概率隨持續工作時間的變化如圖2所示。

圖2 人為失誤概率隨時間的變化曲線

由圖2可知,人為因素對變電站人員操作可靠性有很大影響,并且隨著持續工作時間的增加,發生人為失誤的概率不斷增大。

例如,某新建500 k V變電站投運工作,調度批復時間為:2015年09月17日8:00至2015年09月18日18:00。2天期間,需要對全站一、二次設備進行操作,時間緊,需要持續作業,并按時完工。對于經驗豐富的操作員(A)和新員工(B)來說,隨著持續工作時間增加,發生人為操作失誤的概率如下表所示表2所示。

表2不同時刻時發生人為操作失誤的概率

從表2可以看出,隨著持續工作時間的增加,無論對于經驗豐富的操作員還是新員工,發生人為操作失誤的概率都會大大增加。當工作時間為48 h,發生人為失誤概率分別達到0.020 8和0.075 0。為提高人員操作可靠性,應盡量將工作時間維持在合理范圍內,避免長時間疲勞操作。另外,在同樣的工作強度下,通過有效措施改善操作人員心理狀態和身體狀態、提高操作人員技能經驗、優化環境因素可以降低發生人為失誤概率。

5.2 應急操作場景

當變電站出現突發故障或事故時,需要操作人員根據調度指令及時采取措施,恢復系統穩定。例如,變電站發生二次直流接地時,運行人員應通過“拉路法”對全站各間隔直流電源進行排查,確定接地間隔,并通知維護人員快速到現場進行檢修,以防出現保護誤動或拒動的情況。在故障處理過程中,人為操作的可靠性對于系統故障恢復有重要影響。在上述事故處理中,根據系統運行特性,假設需要操作人員在10 min內完成此操作。

對于不同操作人員,由于知識經驗、心理水平等因素的差別,其完成操作的可靠性也是有差別的。例如,操作員A經驗豐富,處理過類似情況;而操作員B屬于新手,經驗匱乏。

對于操作員A和B,利用應急操作場景下人為可靠性分析的參數如表3所示,那么根據分析可以得到操作員發生人為失誤的概率,如表3最后一列所示。

表3應急操作場景下人為失誤概率

從表3可以看出,操作員B在完成該應急操作的失誤概率遠大于A。在面臨突發事件時,操作的經驗對結果有很大的影響,經驗豐富操作員往往能夠及時發現問題所在,并將故障排除。

5.3 結果分析通過2個算例分析可知,無論對于長時間持續操作還是應急操作,人為因素都有很大影響。

為降低人為操作失誤概率,應采取恰當的管控措施,提高人為操作的水平。對于靜態影響因素,可通過加強培訓和操作班組間的交流提高操作人員經驗和技能水平;通過加強安全責任教育、營造安全意識,提高操作人員責任心。對于動態影響因素,需要合理安排操作任務,盡量避免長時間、高強度的工作;改善變電站操作環境、制定完善的事故預案,有助于提穩定操作人員在常規操作和應急操作時的心理情緒。

6 結論

變電站是電力系統中承擔電壓變換、電能傳輸和電能分配任務的重要節點,變電站的安全穩定運行是電力公司向用戶提供連續、高質量電能的前提。人為因素是影響變電站操作可靠性的重要因素之一,在很多情況下人為失誤或人員不安全行為會導致停電事故,因此,對人為因素進行建模分析具有重要意義。

該文從工程應用的角度出發,對將人為因素分為靜態影響因素和動態影響因素,并提出了長時間持續操作和應急操作情景下的人為操作可靠性分析方法。通過對變電站實際操作的分析,證明所提出方法的適用性。從分析結果可以看出人為因素對操作可靠性的影響,可根據定量分析結果,制定恰當的安全管控措施。通過加強技能培訓和安全責任教育、合理安排操作任務、制定完善事故預案等,提高人為因素水平,降低人為操作失誤概率,以保證變電站和系統安全穩定運行。

[1] 國家電網調度通信中心.電網典型事故分析(1999-2007年)[M].北京:中國電力出版社,2008.

[2] 林 杰.安全行為科學理論在電力生產中的應用研究[D].貴州:貴州大學,2006.

[3] 凌 毅,張勇軍,李 哲,等.基于事故因果繼承原則的變電站電氣誤操作事故分析[J].繼電器.2007(16):5558.

[4] Yingkai Bao,Junxi Tang,Yifei Wang,et al.Quantification of Human Error Probability in Power System based on SLIM[R]..IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(IEEE APPEEC),Dec,2014, Kowloon,Hong Kong. [5] 郭夏言.電力企業集控運行員工疲勞問題研究[D].北京:北京交通大學,2007.

[6] Panteli M,Peter A,Daneil S,et al.Assessing the impact of insufficient situation awareness on power system operation [J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):

[7] 王洪德,高 瑋.基于人的認知可靠性(HCR)模型的人因操作失誤研究[J].中國安全科學學報,2006,16(7)

[8] Dhillon B S.Human Reliability and Error in Transportation Systems[M].New York:Springer,2007.

本文責任編輯:王洪娟

Reliability Analysis of Human Errors in Substation Operation

Chen Bowen,Tan Qingsong,Xue Ning
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China)

Based on field investigation,this paper analyzes and model human factors in power system substation operation.Human factors are classified into two types,static factors and dynamic factors.According to the characteristics of operation tasks, divides 3 categories,namely regular operation,long-time lasting operation,and emergency operation.Statistics show that human error is more likely to occur in the last two conditions.So we mainly consider the last two conditions,and propose realistic analysis methods to quantify human error probability.Practical case study shows that the proposed methods could be used for human operation reliability assessment in substations.

substation operation;human error modeling;reliability analysis;risk pre-control

TM732

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陳博文(1989-),男,助理工程師,主要從事繼電保護工作。