輸變電工程啟動調試現狀分析與研究

栗向鑫，羅亞洲，賈 琳，趙冬雯，侯喆瑞

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國家電網華北電力調控分中心，北京 100053；3.國網北京石景山供電公司，北京 100043；4.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100000)

0 引言

近年來電網建設規模不斷擴大，以華北電網為例，2014 年新增 220 kV 及以上線路 4 426 km， 220 kV 及以上變電規模 50 996 MVA；2015 年新增220 kV 及以上線路 7 185 km，220 kV 及以上變電規模 55 691 MVA；2016 年、2017 年 220 kV 及以上線路長度及變電規模較之前又進一步提升。

新建輸變電設備在正式運行之前，需要進行一系列的啟動調試試驗，以驗證新建設備是否具備接入電網運行的條件。

以下在闡述輸變電工程啟動調試工作意義、作用及相關問題的基礎上，以電力系統運行安全為目標，結合輸變電工程啟動調試工作現狀，將系統科學研究領域中的復雜巨系統研究方法、復雜關聯情景風險識別法及WSR(物理-事理-人理)系統方法論的綜合評價法等，探索性地應用到輸變電工程啟動調試工作實踐中，以完善輸變電工程啟動調試內容。

1 輸變電工程啟動調試意義與內容

1.1 輸變電工程啟動調試意義

電力系統是一個開放的復雜巨系統，啟動調試則是在輸變電系統工程投運前，為掌握系統運行特性而進行的系統性試驗工作。該項工作的完成意味著建設階段的全面結束，標志著運行階段的開始。

按照結構化生命周期法，輸變電系統的結構化生命周期由系統規劃、系統可研、系統初設、系統建設、系統啟動調試、系統運行和維護、系統退運等階段組成，如圖1所示。

系統規劃、系統可研、系統初設及系統建設均屬于系統開發建設期，其主要任務是根據能源整體目標、發展戰略及電網規劃確定輸變電工程建設計劃、接入系統安全穩定性和現場安裝施工等工作。系統運行期則是新建輸變電工程經試驗評估、驗收合格后正式交付使用，進入長期運行維護至系統退運的階段。

圖1 輸變電系統結構化生命周期

由此可見，輸變電工程啟動調試是銜接電力系統結構化生命周期的重要環節，是實現系統規劃、設計功能和建設目標以及系統運行安全性、可靠性最佳化的關鍵。

1.2 輸變電工程啟動調試內容

輸變電工程啟動調試具有規模大、結構關聯緊密、技術要求高、知識面涉及廣、對電力系統安全穩定運行影響較大等特點，其工作涉及電力系統通信、保護、自動化、運行方式、計劃、調度、基建等多專業，不僅包含針對安穩控制系統、保護系統、自動化及通信系統等電力系統二次設備的單系統調試，還有電力系統一次設備的打耐壓、測微水等常規試驗，以及對輸變電工程整體系統、功能和一、二次設備接口配合關系進行的系統整體啟動調試。輸變電工程啟動調試主要流程節點如圖2所示。

輸變電工程啟動調試具體工作內容如下。

(1) 測試和驗證新建輸變電系統設備在工作電壓下，相關設備及各接口系統設計和建設的合理性；對新建輸變電系統各子系統之間的匹配能力進行充分的調試、檢驗和優化，對整體工程質量進行綜合評估。

(2) 測試和驗證新建輸變電設備在工作電壓下，輸變電系統一次設備運行的安全性和適應性，二次設備系統相序、相位的正確性；檢驗繼電保護裝置、通信及遠動裝置系統的穩定性及接線的正確性；檢驗通信、遠動裝置能否正常運行；測量新建輸變電設備參數，為設備交付運行提供技術支持。

(3) 在工作電壓下，驗證系統仿真計算結果，對新建輸變電系統進行動態運行檢測，掌握系統運行規律及設備運行特性，對系統功能和安全運行狀況進行評估，對能否交付運行做出評價。

(4) 對新建輸變電設備啟動調度執行及其他調試相關計算方案的完備性、科學性進行檢驗；提高現場運行人員及調控人員對新建輸變電設備操作、運行特性掌控的熟練度，并從安全、可行性角度補充和完善相關調度運行管理規程。

圖2 輸變電工程啟動調試主要流程節點

2 輸變電工程啟動調試特點

從華北電網近年來啟動調試的500 kV輸變電工程情況來看，輸變電工程啟動調試工作具有以下特點。

(1) 涉及單位多。涵蓋建設、設計、監理、咨詢、運行、調度控制、系統集成、設備廠商等眾多單位。

(2) 持續時間長。從輸變電工程啟動調試準備階段到實施完成，一般歷時3—6個月。

(3) 工作各環節、各節點相互依賴、相互交叉。輸變電工程啟動調試是由一個或者若干個具有相互關聯的工作組合而成的工作。要使輸變電工程在啟動調試期間安全開展各項調試工作，各個組合環節就需要通力合作、相互配合。例如，輸變電工程啟動調試需進行通信通道先行調試、開通，并且承攬調試和在運設備調度電話、保護通道、自動化通道等業務，這之后其涉及的新建安控系統、自動化和保護系統才具備安全調試的條件。由此可見，輸變電工程啟動調試工作是各個組合環節之間相互依賴、關聯影響的有機整體。

(4) 安全風險高。基建施工、運行設備停電切改、單系統調試、系統整體調試等工作項目交叉進行，輸變電工程啟動調試時并未完全達到新建輸變電設備正式運行的條件，需要在運設備停電配合基建施工，整體工作需要工程啟動驗收委員會統一調度指揮。存在參建單位多、交叉作業多、突發事件多等問題，這給輸變電工程啟動調試期間的電力系統安全運行帶來一定的風險。

(5) 質量責任大。在輸變電工程啟動調試期間，新建輸變電設備均處于建成驗收初期，設備遺留問題多。隨著接入運行系統常規調試工作的開展，設備的質量特性對啟動調試順利開展和在運電力系統的安全運行具有較大影響。

(6) 啟動調試高時限性。輸變電工程啟動調試通常需要一、二次運行設備以及通信設備停電配合，這降低了電力系統運行可靠性。部分電力工程還是民生工程，對啟動調試的時限要求較為嚴格，如果啟動調試期內風險無法預控，導致不能按期完成啟動調試，將會給電力系統安全運行帶來危害，也會導致民生問題無法按時解決。

由此可見，輸變電工程啟動調試是電力系統運行的一個特殊階段，把控輸變電工程啟動調試工作流程、分析輸變電工程啟動調試風險是保障調試順利開展和電力系統安全運行不可或缺的環節。

3 輸變電工程啟動調試工作存在的問題

3.1 調控部門組織形式待改進

通常由輸變電工程所屬電力公司成立啟動驗收委員會。啟動驗收委員會代表公司全面負責組織工程竣工驗收、啟動調試、試運行工作。

對于輸變電工程啟動調試調控部門的機構設置，有以下2種方案。

(1) 方案1。在啟動調試之初，選拔調度中心既有各個專業處、室人員組成啟動調試工作臨時辦公室，制定臨時辦公室工作細則，合理配置臨時辦公室相關崗位并明確崗位職責，配合調度指揮設備的安裝和調試，及時整理和收集相關技術資料。臨時辦公室負責啟動期各項工作的集中統一指揮，審核、編制、下達調度工作計劃，并加強與調試單位、建設單位以及專業廠家的工作聯系。臨時辦公室的建立，使得專業人員可以集中精力及早著手全面熟悉工程設計文件，參與啟動調試調度方案及運行方式研究、技術資料的收集等工作中，并按照啟動期日計劃，協調各建設、設備管理單位的施工作業，確保啟動調試及試運行任務及時完成。

這種啟動調試管理模式的優點是臨時辦公室與調控中心、建設單位可以直接溝通，使管理機構可以統一接管啟動調試整體工作；同時在不改變現有調度中心管理模式的前提下，能較好地完成新建輸變電設備啟動調試及調度權的過渡接管工作。

(2) 方案2。不成立任何臨時機構，由調度各個專業處、室分別負責對應專業的接管和設計工作，并根據本處、室的專業需求進行管理。

這種啟動調試管理模式是目前較為常用的模式，但是由于專業管理分散，若沒有調控中心層面的領導統一進行協調和管理，會造成各專業僅從本專業管理角度考慮工作進度和技術要求，導致專業間存在技術壁壘，使啟動調試工作無法有效協調。同時，由于對負責啟動調試的各專業人員沒有有效的管理和激勵措施，將導致工作目標不統一，啟動調試工作進度緩慢。這種模式對輸變電工程啟動調試各項工作開展、調度管理和電力系統安全運行均不利。

3.2 安全風險識別方法缺失

輸變電工程啟動調試的主要目的是檢驗新建設備在系統電壓下能否安全、穩定運行。作為基建設備向運行設備的過渡階段，輸變電工程啟動調試具有物理變化過程復雜、關聯性強、運行方式控制及倒閘操作復雜等特點。隨著特高壓交直流及其配套工程、遠距離和大規模風電送出系統、電網補強工程等輸變電工程投產速度加快，啟動調試期間，電力系統運行面臨很多不確定性因素，承受著異于常規運行的潛在風險。如何研判輸變電工程啟動調試期間的風險根源，明晰風險因素本質，保障電力系統安全運行，越來越引起電力工作者的重視。

輸變電工程啟動調試作為電力系統運行的特殊階段，新設備相互關聯出現故障的概率高于正常運行設備，影響電網穩定運行的風險較高。

(1) 在新建一、二次設備的啟動調試期間，若系統運行方式某一環節出現問題，可能誘發與之關聯的環節失調。

(2) 新建一、二次設備和系統運行方式的風險因素之間存在關聯，可能導致電力系統面臨直接風險和間接風險的疊加，造成雙重破壞。

3.3 啟動調試整體評價缺失

參與輸變電工程啟動調試的部門通常為電力調控中心、電科院及工程建設管理單位。電科院受工程建設單位委托，進行新設備現場啟動調試試驗工作，并在啟動調試工作前期開展系統過電壓、潮流調試、啟動調試大綱等技術報告計算、編制工作。負責新設備調度運行的調控中心，根據電科院編寫的調試大綱編制調度執行方案。

新建輸變電工程啟動調試的本質是對正式投運前的輸變電設備進行調試，并對該新建工程運行方式的計算報告開展相關試驗和評價。

然而，在相關計算報告編制以及在新建輸變電設備啟動調試過程中，對新建輸變電工程系統調試狀態、與大電網運行特性匹配度以及啟動調試試驗是否科學完備等的評價，大部分是基于定性分析的，定量評價仍是一個難點。該評價將直接影響啟動調試及電網運行安全評價的客觀性、準確性和權威性。因此，引入具有專業性、獨立性的第三方評估機構是必要的，其作用不僅在于為電網調控中心能否采用電科院相關計算報告提供指導意見，還能為啟動調試過程是否科學合理、新建設備能否交付運行提供評估檢驗。

3.4 其他問題

如表1所示，根據實踐統計，500 kV輸變電工程啟動調試平均約為30天，而500 kV某電廠送出工程輸變電部分啟動調試只有19天。由于部分工程工期較緊，在輸電線組塔架線施工結束前，通信、自動化等部分子系統就已利用臨時通道或迂回通道開始調試。啟動調試周期短，一方面難以全面暴露新建系統各子系統中存在的問題；另一方面難以達到開關、刀閘等一次設備及二次設備系統磨合所需時間要求。按照系統可靠性理論中的失效率曲線效應(見圖3)，新建輸變電工程各子系統內部和彼此之間需要一定時間跨度的磨合，才會從失效率較高的早期階段進入失效率較低的隨機失效階段。在隨機失效階段，新建輸變電系統設備的安全性顯著提升，才適合正式投入運行。與此同時，由于遠距離送電的需求，輸電線路多經過雷電、颶風、雨霧等極端小氣候地區，氣候也成為影響輸變電線路運行的因素之一。因此，輸變電工程啟動調試需要較長時間，以驗證或模擬驗證不同故障或因素影響下新建設備運行的穩定性和安全性。

表1 啟動調試時間 天

圖3 失效率曲線

4 輸變電工程啟動調試管理工作要點

4.1 輸變電工程啟動調試流程優化

圍繞新建工程投運這一最終目標，協調相關部門的步調，國家電力調控中心下發了《新設備啟動調度管理流程及標準操作程序》，以規范流程各節點工作內容及操作程序，實現對新設備調度啟動業務的標準化、規范化管理。該流程涉及180余項流程節點，其中任一節點調試工作出現問題均可能導致工程啟動調試工作的整體推遲。基于本級電網運行特性及實際情況，進行啟動調試流程及調試計劃優化，可以較好解決出現的不確定問題，在保證調試試驗驗證和效果的前提下縮短調試時間。

4.2 啟動調試案例庫的構建

在啟動調試期間，在故障模式、影響及危害性分析 (failure mode effects and criticality analysis，FMECA)方法中，按照故障及缺陷的嚴重程度，將其分為4類：I類(災難性故障)、II類(致命性故障)、III類(嚴重故障)、IV類(輕度故障)；按照故障出現概率，將其分為5級：A級(經常發生)、B級(很可能發生)、C級(偶然發生)、D級(很少發生)、E級(極少發生)；按照故障危害水平，故障模式可分為無條件接受、補償措施下可接受、很難接受、不可接受等4類(見圖4)。

圖4 風險判別矩陣

電力系統的集成度高，一、二次系統的功能需求和數據應用復雜，自動化、通信、保護或安控系統等二次設備彼此之間以及與電網一次設備相互依存度較高。在啟動調試期間，一旦發生不可接受故障或連鎖缺陷事件，對電網造成的后果的嚴重程度可能會超出調控運行人員的控制范圍。而調控運行部門決策，尤其是調度命令，大都是根據各種監測儀器對故障設備的監測結果，由調控運行部門憑借調度規程和多年積累的電網運行經驗分析判斷，從而下達的。這種決策方法的有效性取決于調控運行部門的業務水平，受主觀因素影響較大。為了克服傳統方法的弊端，需要建立分析-改進-分析動態過程，將不可接受風險轉變為能夠接受的風險可控模式，建立案例庫，豐富并完善各級、各類案例庫工作樣本，并評估案例庫對被檢系統安全的保障程度，以達到風險可控的目的。

4.3 啟動調試風險因素識別

電網運行安全以系統一次設備、通信系統、保護系統、自動化系統運行安全為基礎，關聯性強。輸變電工程啟動調試正是為上述新建設備及系統接入大電網而進行的。定性、定量地分析各子系統調試特性，預防電網啟動調試期間多系統、多風險因素形成的復雜關聯事故，是一個亟待研究的問題。

4.4 系統生命周期的綜合評價

輸變電工程啟動調試只是眾多試驗流程中的一環，構建系統生命周期“V”模型的輸變電工程綜合評價體系(見圖5)，并在各子系統與系統生命周期的各個階段內引入可靠性、可用性、可維護性和安全性 (reliability availability maintainability safety，RAMS)評價，以相關標準、規范及技術條件為基礎，前瞻性地對系統進行RAMS評估；從產品需求和設計階段及早找出問題所在并進行優化，減少系統后期變更的時間與經濟成本，從而提升系統在啟動調試時的表現，降低運營階段的檢測與維護成本，整體提高系統的RAMS性能。

圖5 系統生命周期"V"模型

對系統實施全生命周期的檢測與評價，可將管理者在運營階段中對安全監管的高度重視前推至系統的設計、生產、調試階段中，進而提高系統的穩定性、可維護性，使系統的后期隨機失效率維持在一個較低的水平。

5 結束語

綜上所述，在輸變電工程啟動調試工作中，除了要繼續加強測試技術與設備的研發外，更應深入研究組織計劃的統籌編制與流程優化、啟動調試案例的合理選取、系統狀態的風險評價等問題，在各子系統、接口的設計與生產階段進行RAMS評價，制定準入標準以減少系統風險。當前階段需加強各項規范的制定、完善，科學地確定測試所需的最短時間周期并強制加以保證。試驗中加強與調控部門的配合，強化對人員的演練，增加獨立第三方的安全評估作為驗收條件。