輸電線路停運(yùn)時間模型及其在可靠性評估中的應(yīng)用

鄧奧攀，許宇翔，盧 海，胡 燃，吳 炅，曾曉暉，曾志武，曾杰中

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣州 510000)

0 引 言

電網(wǎng)可靠性指標(biāo)是電力部門制定電網(wǎng)規(guī)劃方案和調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要參考依據(jù)[1-3]。在電網(wǎng)規(guī)劃中，進(jìn)行電網(wǎng)可靠性評估可充分暴露網(wǎng)架薄弱點(diǎn)，為采取針對性投資規(guī)劃補(bǔ)強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)和構(gòu)建堅強(qiáng)電網(wǎng)提供支撐；此外，為降低極端天氣等因素導(dǎo)致的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險，調(diào)度部門須依據(jù)全面且準(zhǔn)確的可靠性數(shù)據(jù)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式。因此，對電網(wǎng)進(jìn)行可靠性分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

系統(tǒng)元件的故障率和修復(fù)時間作為元件可靠性關(guān)鍵參數(shù)，是建立精確元件停運(yùn)模型的基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)的精確性決定系統(tǒng)可靠性評估的準(zhǔn)確性[6]。傳統(tǒng)模型假設(shè)元件的停運(yùn)過程服從馬爾科夫雙狀態(tài)模型，即元件的修復(fù)時間服從指數(shù)分布且恒定不變，通常取元件長期運(yùn)行下的統(tǒng)計均值[7]。但實(shí)際中，諸如輸電線路等戶外設(shè)備，因其處于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同位置，并直接暴露在外部環(huán)境中，即便是同類型設(shè)備，其修復(fù)時間受設(shè)備參數(shù)差異和外部環(huán)境變化也存在差異，如文獻(xiàn)[8]統(tǒng)計分析某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)配電設(shè)備故障修復(fù)時間分布，指出設(shè)備的修復(fù)時間受多種因素影響在一定范圍內(nèi)波動，并非恒定不變。

為建立元件停運(yùn)時間模型，文獻(xiàn)[9]統(tǒng)計某市架空線路故障維修時間分布，指出元件的停運(yùn)時間為隨機(jī)變量，并利用參數(shù)擬合方法提出了一種元件停運(yùn)時間疊加指數(shù)模型。文獻(xiàn)[10]綜合考慮天氣強(qiáng)度、元件地理位置和人力資源等因素，提出了一種適用于極端天氣環(huán)境下的輸電線路停運(yùn)時間模型。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為設(shè)備停運(yùn)時間主要受雷電、覆冰和大雨等氣象因素影響，利用權(quán)重賦值法提出元件停運(yùn)時間簡化模型。上述模型主要研究外部環(huán)境對線路停運(yùn)時間的影響，并未綜合考慮輸電線路所處地形和塔身高度等設(shè)備參數(shù)對修復(fù)過程的影響，所建立的輸電線路停運(yùn)模型不夠全面，將導(dǎo)致整體評估結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[12]。

針對這一不足，提出了一種計及地形、天氣和桿塔參數(shù)的輸電線路停運(yùn)時間模型。該模型將輸電線路搶修作業(yè)拆分成各主要環(huán)節(jié)，統(tǒng)計分析各環(huán)節(jié)基準(zhǔn)作業(yè)時間，構(gòu)建綜合影響因子以表征各因素對各環(huán)節(jié)作業(yè)時間的影響大小。分別應(yīng)用傳統(tǒng)模型和該文模型對改進(jìn)的IEEE測試系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，通過對比分析驗證該模型的全面性和精確性。

1 線路停電時間模型

輸電線路因設(shè)備本體故障、外部隱患侵害和極端天氣影響易發(fā)生重合閘失敗的非計劃停運(yùn)，停運(yùn)時長為線路跳閘時刻起至線路復(fù)電時刻止。故障搶修是恢復(fù)線路供電的重要手段之一，其作業(yè)時長受線路所處地形、桿塔參數(shù)和外部環(huán)境等影響存在較大差異。為準(zhǔn)確預(yù)估輸電線路停運(yùn)時間，須定量分析各因素對搶修作業(yè)時間的影響。

1.1 基準(zhǔn)時間

輸電線路搶修作業(yè)環(huán)節(jié)可分為故障巡視、停電復(fù)電操作、趕赴故障現(xiàn)場、安裝拆卸接地線和故障部位修復(fù)5大環(huán)節(jié)，輸電線路停運(yùn)搶修時間計算式為

(1)

式中：T為輸電線路停運(yùn)搶修時間總和；tm為各個環(huán)節(jié)所需時間，其中t1為故障巡視時間，t2為故障線路開關(guān)刀閘和同塔架設(shè)線路重合閘裝置斷開與閉合操作時間，t3為趕赴現(xiàn)場所需時間，t4為安裝和拆卸接地線時間，t5為故障部位修復(fù)時間。

1.2 影響因素

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，地形條件、桿塔高度、同塔回路數(shù)、支線數(shù)量和天氣條件是影響輸電線路停運(yùn)搶修作業(yè)各環(huán)節(jié)的重要因素。

1)地形和天氣條件。部分輸電線路架設(shè)在孤島和山區(qū)等車輛不易到達(dá)地區(qū)，作業(yè)人員只能徒步進(jìn)行故障巡視和工器具搬運(yùn)；在惡劣天氣、過高或過低溫度環(huán)境下人員體力消耗較快，工作速率緩慢，且存在工作間斷的可能，因此復(fù)雜地形和惡劣天氣均會延長作業(yè)時間。

2)桿塔高度。作業(yè)人員攀爬塔身較高的桿塔過程中受體力限制需停頓進(jìn)行短暫休息，且桿塔高度越高，則作業(yè)位置的風(fēng)速越大，作業(yè)人員越恐懼，不利于搶修作業(yè)。因此桿塔高度對搶修時間有一定影響。

3)同塔回路數(shù)。根據(jù)安全規(guī)程規(guī)定，在多回路線路同塔架設(shè)的桿塔上作業(yè)時，須與檢修線路同塔架設(shè)的帶電線路重合閘裝置全部退出運(yùn)行后，線路檢修作業(yè)方可開始。因此，與檢修線路同塔架設(shè)的線路數(shù)量越多，則變電運(yùn)維人員操作線路重合閘的時間越長。因此輸電線路的同塔架設(shè)情況對搶修時間有較大影響。

4)支線數(shù)量。當(dāng)線路進(jìn)行停電檢修和恢復(fù)送電工作前，需要斷開或閉合所有主線和支線兩端的斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘，這將增加變電運(yùn)維人員操作時間。此外，為確保人身安全，工作地段各端以及可能送電至檢修線路工作地段的支線均須安裝接地線，支線越多則所需安裝的接地線數(shù)量越多，所需時間越長。因此線路的支線數(shù)量對搶修時間具有一定影響。

1.3 影響因子

為定量分析各影響因素對搶修作業(yè)時間的影響大小，通過引入影響因子表征各因素影響程度，以此建立輸電線路停電搶修時間的簡化模型。統(tǒng)計分析調(diào)度自動化系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，以線路搶修作業(yè)各環(huán)節(jié)時間的平均值作為該環(huán)節(jié)的作業(yè)基準(zhǔn)時間。采取控制變量法，選取某影響因素不同，而其他因素一致的數(shù)據(jù)樣本，以該影響因素下作業(yè)時間平均值與基準(zhǔn)作業(yè)時間的比值作為該因素的影響因子均值。通過分析華南某市近5年的數(shù)據(jù)，分別計算得到各影響因子K1、K2、K3、K4和K5均值如表1所示。

表1 影響因子Table 1 Impact factors

由表1可知：地形條件和天氣條件對搶修作業(yè)時間影響較大，表明外部環(huán)境是影響作業(yè)過程的關(guān)鍵因素；桿塔高度、同塔回路數(shù)和支線數(shù)量等內(nèi)部因素對搶修作業(yè)時間影響較小，但不可忽視。表1中計算得到的僅為各影響因子均值，為求取任一線路的各影響因子，需根據(jù)該線路實(shí)際參數(shù)對平均影響因子進(jìn)行修正，分別用ki1、ki2、ki3、ki4和ki5表征地形、塔身高度、同塔回路數(shù)、支線數(shù)量和天氣條件5個因素對線路i搶修時間的影響大小，其計算式為

(2)

(3)

ki3=aK3

(4)

ki4=bK4

(5)

(6)

式中：pi為線路i中架設(shè)在山地的桿塔數(shù)量比例；P為同電壓等級線路架設(shè)在山地的桿塔數(shù)量比例；hi為線路i中桿塔平均高度；H為同電壓等級線路的桿塔平均高度；a和b分別為K3和K4的調(diào)和系數(shù)。當(dāng)線路i的同塔回路數(shù)大于同電壓等級線路的同塔回路數(shù)時，a為1.1，否則為0.9；當(dāng)線路i的支線數(shù)量大于同電壓等級線路的支線數(shù)量時，b為1.2，否則為0.8。

搶修作業(yè)過程中，各環(huán)節(jié)受多個影響因素共同影響，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，統(tǒng)計分析得到各環(huán)節(jié)作業(yè)時間占比和綜合影響因子，如表2所示。

表2 時間占比和綜合影響因子Table 2 Time proportion and comprehensive impact factors

由表2可知，天氣條件對所有工作環(huán)節(jié)均有影響，地形因素對作業(yè)人員進(jìn)行故障巡視和攜帶工器具趕赴現(xiàn)場環(huán)節(jié)有影響，其余因素主要對塔上作業(yè)環(huán)節(jié)有影響。當(dāng)某因素對某作業(yè)環(huán)節(jié)無影響時，則該因素對該作業(yè)環(huán)節(jié)的影響因子取值為1，否則為上式計算值。綜合上述分析，在各影響因素下，線路i的搶修時間Ti為

(7)

2 算例計算

為驗證文中提出的輸電線路停運(yùn)時間模型的合理性和準(zhǔn)確性，分別采用該模型和傳統(tǒng)模型對改進(jìn)的IEEE-RBTS可靠性測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真[13]。該標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)發(fā)電側(cè)與輸電側(cè)充裕度相對平衡，能較好地體現(xiàn)輸電線路可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響。但原系統(tǒng)中元件參數(shù)設(shè)置過于簡化，僅將輸電線路搶修時間均值作為所有線路的停運(yùn)搶修時間，同時缺少輸電線路地形、桿塔高度、同塔回路數(shù)和支線數(shù)量等參數(shù)。為使得該系統(tǒng)更符合現(xiàn)場實(shí)際情況，同時體現(xiàn)各因素對搶修時間的影響，對該系統(tǒng)中輸電線路的部分參數(shù)和接線方式進(jìn)行補(bǔ)充，改進(jìn)后的系統(tǒng)接線圖和輸電線路參數(shù)如圖1和表3所示。

圖1 改進(jìn)后的IEEE-RBTS接線圖Fig.1 Wiring diagram of improved IEEE-RBTS

表3 輸電線路可靠性數(shù)據(jù)Table 3 Reliability data of transmission line

圖1中，線路L1～L9為IEEE-RBTS測試系統(tǒng)初始線路，L10和L11為該文增添線路，分別為L5和L8的支線，其電氣參數(shù)與主線保持一致，支路供應(yīng)的最大負(fù)荷按照線路最大傳輸容量的60%設(shè)置。將輸電線路所處地形分為山區(qū)和平原兩部分，各輸電線路桿塔的平均塔身高度和架設(shè)在山區(qū)的比例如表3所示。

為深入分析輸電線路停運(yùn)搶修時間對電網(wǎng)可靠性的影響，分別對以下幾種情況進(jìn)行討論：

情況1：不考慮影響因素，系統(tǒng)中各輸電線路停運(yùn)搶修時間恒定不變，為系統(tǒng)給定的初始值，如表3所示。

情況2：考慮輸電線路的地形條件、桿塔高度、同塔回路數(shù)和支路數(shù)量4個影響因素，其中L1、L2和L5分別與L6、L7和L8同塔雙回路架設(shè)。搶修各環(huán)節(jié)時間占比如表2所示，搶修基準(zhǔn)時間與情況1相同。

情況3：同時考慮天氣因素，假設(shè)當(dāng)天為大雨天氣，其他條件與情況2相同。

2.1 搶修停運(yùn)時間

為了分析各影響因素對線路停運(yùn)搶修時間的影響，對情況2中各線路分別進(jìn)行搶修時間計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 線路搶修時間Fig.2 Repair time of transmission line

由圖2可知：L1、L6、L2和L7搶修所需時間較長,其原因為這些線路均為同塔多回路架設(shè)，桿塔高度較高，且大部分架設(shè)在山地，交通不便；L3、L4和L9搶修所需時間較短，其原因為這些線路均為單回路架設(shè)，桿塔高度較低，且大部分架設(shè)在平地，交通便利。所有線路的實(shí)際搶修時間均與基準(zhǔn)時間存在一定偏差，如不考慮影響因素，假定所有線路的搶修時間為統(tǒng)計的基準(zhǔn)時間，則會產(chǎn)生較大誤差。

2.2 電網(wǎng)可靠性

為了分析各影響因素對電網(wǎng)可靠性的影響，以電量不足期望值(expected energy not supply，EENS)為指標(biāo)對情況1、情況2和情況3分別進(jìn)行可靠性計算，結(jié)果如表4所示。

表4 不同情形下的EENSTable 4 EENS for different case

由表4可知，情況2可靠性指標(biāo)高于情況1，表明若不考慮影響因素，僅用線路的搶修基準(zhǔn)時間表征所有線路的修復(fù)能力，計算得到的電網(wǎng)可靠性水平與電網(wǎng)真實(shí)可靠性水平存在較大誤差。進(jìn)一步分析可知:L1、L6、L2和L7為系統(tǒng)大容量電能傳輸關(guān)鍵通道，一旦其發(fā)生停運(yùn)，較長的搶修時間將降低電網(wǎng)可靠性水平；情況3的可靠性指標(biāo)顯著高于情況2，表明天氣因素是影響電網(wǎng)可靠性的重要因素，其原因為惡劣天氣將延長搶修所有環(huán)節(jié)作業(yè)時間，致使線路修復(fù)能力降低，進(jìn)而降低電網(wǎng)可靠性水平。

3 結(jié) 語

1) 輸電線路搶修過程由故障巡視、停電復(fù)電操作、趕赴故障現(xiàn)場、安裝拆卸接地線和故障部位修復(fù)等環(huán)節(jié)組成，各環(huán)節(jié)耗時受多種因素共同影響。

2) 以多回同塔方式架設(shè)在山區(qū)且塔身較高的桿塔故障搶修時間較長，應(yīng)在此類輸電線路附近常駐搶修力量。

3) 傳統(tǒng)模型不考慮各影響因素，僅采用輸電線路搶修時間均值作為輸電線路的實(shí)際停電時間進(jìn)行可靠性評估，其評估結(jié)果與電網(wǎng)真實(shí)可靠性水平存在較大誤差。