基于可靠性分析的20kV配電網故障處理策略

國家電網公司浙江省電力公司溫州供電公司 陳發棋 陳 騰 潘靈榮 武漢理工大學自動化學院 胡 勝 唐金銳

引言

配電網是電力系統中將電能分配給終端用戶的關鍵環節。近年來，我國在配電網建設方面的投資力度不斷加大，也取得了顯著成績，但與發達國家相比仍存在一定差距，城鄉區域發展不平衡，供電能力和供電質量亟待進一步改善以滿足經濟社會快速發展的需求。對于配電網是否先進，一個重要的判斷標準就是供電可靠性。與發達國家相比，我國在表征配電網可靠性的故障率、供電可靠率、平均停電時間和平均修復時間等指標方面還存在較大差距，因此我國供電可靠性還具有較大提升空間。造成上述差距的原因主要包括兩個方面：一方面我國的配電網規劃建設起步晚、底子薄，另一方面我國經濟增長速度較快，對于電力的消費需求較高，負荷增長很快。而發達國家電力消費增長平緩、負荷己逐步呈現飽和狀態。

與發達國家相比，我國的配電網建設始終處在一個動態平衡的狀態下，對配電網的規劃、建設和運營在一定程度上增加了難度。為縮小與發達國家的差距，面對新形勢與新環境，國家電網公司提出了建設世界一流城市配電網的發展目標，堅持以客戶為中心，以提升供電可靠性為主線，強化標準化建設、精益化運維、智能化管控，打造結構好、設備好、技術好、管理好、服務好的一流現代化配電網。按照國網公司的上述要求，提高供電公司運營效率、縮短用戶停電時間,從而提高供電可靠性和服務質量是配電網未來發展的必然趨勢[1]。

配電網的供電可靠性與諸多因素相關，其中配電網故障處理是配電網運行維護的重要環節，故障搶修效率直接影響著供電可靠性，影響經濟社會穩定和居民生活質量。目前很多供電公司早期配網建設根據各區、村鎮分布獨立設計，缺乏系統性規劃、也缺乏統一的設備維護管理，因而基礎薄弱，纜化率與設備自動化水平較低。此外，地處沿海地區的供電公司又受臺風登陸、雷暴天氣影響較大，架空線路安全運行的影響因素較多，這些因素均會對配電網的供電可靠性帶來負面影響，因而配電網故障發生率和搶修率也比較高[2]。

然而，目前很多供電公司缺乏對配電網設備的可靠性進行有效的監測、分析與評估，也沒有建立配網設備的缺陷庫和檢修方法庫，從而缺乏結合配電網可靠性分析的歷史數據來指導配電網的故障處理工作，導致配網出現故障后盲目被動檢修，故障查找困難大，故障搶修處理時間較長，搶修效率低，進而造成供電公司供電質量差、供電可靠性降低。因此，為更好地提升配網故障搶修效率、降低停電時間和停電成本、提高供電質量和供電可靠性，研究配電網的故障處理策略，縮短故障查找范圍和故障檢修時間十分重要。

針對上述問題，本文提出一種基于可靠性分析的20kV配電網故障處理策略，該策略首先采用概率統計分析理論對20kV配電網的可靠性進行評估，然后根據可靠性評估的結果，建立20kV配電網設備典型缺陷庫并提前制定好相應的維修措施。當20kV配電網出現故障需要處理時,可利用典型缺陷庫和相應的維修措施來指導檢修工作，從而可實現配網故障后的主動檢修，使得故障查找范圍和難度大大降低，故障搶修處理時間短，檢修人員作業負擔輕、搶修效率高，從而降低了供電公司停電成本、提高了供電質量和供電可靠性。此外，針對在搶修過程中所出現新的故障缺陷定期對配電網進行可靠性再評估，對典型故障缺陷庫及其維修措施進行持續更新，形成閉環控制，從而使得配網故障搶修效率、停電成本、供電質量和供電可靠性得到持續改進。

1 20kV配電網可靠性分析

一般中壓配電網采用相對較高的電壓都會更加經濟，但該電壓也不宜選得過高，過高的電壓會增加設備成本，而且由于絕緣和環保的要求，所占用的空間資源也必將增大。目前國際上大部分發達國家選擇20kV電壓等級作為中壓配電網電壓。運行實踐證明，20kV配電網相比10kV配電網在經濟和技術上都具有比較明顯的優勢[2]：

提升線路的輸送容量，節約有色金屬用量。在導線截面和通過電流一定的情況下，電壓越高，輸送容量越大；提高中壓網絡的供電傳輸距離。電壓越高，傳輸相同功率時線路損耗越小，傳輸距離越大；短路容量增大，對分布式發電接入、干擾和諧波等污染負荷接入的承受能力更強；降低線路的功率損耗。輸送相同功率時，導線截面不變，電壓越大、線路電流越小、功率損耗越小；減少電壓損耗，提高電能質量。輸送相同功率時，導線截面不變，電壓越大，線路電流越小，電壓損耗越小；減少變壓器的損耗。額定運行時，電網的空載損耗主要決定于線路中變壓器的空載損耗，而對于同容量不同電壓等級的變壓器，其空載損耗的數值是很接近的。電網電壓由10kV升至20kV后，相同容量的變壓器其空載損耗基本不變而負載損耗的數值大大減少，即總損耗降低，符合經濟合理的原則，利于降損節能和電網的經濟運行。

基于上述優勢，在規劃負荷密度大、負荷增長迅速的地區，20kV配電網值得推廣使用。20kV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，從而造成供電不足或中斷，影響供電可靠性。配電網故障對用戶供電可靠性的影響很大，統計表明大部分用戶停電是由配電網故障引起的[3]。

為科學地分析配電網的可靠性，一方面需要掌握配電網設備故障的歷史數據和設備的可靠性數據，另一方面需要利用數理統計和概率理論對歷史數據進行分析，建立配電網的故障概率和可靠性的模型，計算配電網的故障率、修復率、可靠性以及平均無故障工作時間等技術指標并對配電網的可靠性進行評估。

對于電網中的每一臺設備，如果長期使用，最終都會發生故障，因此每一臺設備都有一個對應的故障率，故障率λ定義為在給定的時間內每單位元件期望的故障數，可以表示為λ=故障數/元件運行總時間，運行設備由于故障進入停運狀態，停運設備可以經過修復重新進入運行狀態。因此每一臺設備也都有一個對應的修復率，修復率μ定義為在給定的時間內每單位元件期望的修復次數，可以表示為μ=修復次數/元件停運總時間。

一個設備的壽命期通常可分為初始損壞期、有效壽命期和衰耗期三個階段。初始損壞期故障率較高，如不合格產品等。有效壽命期故障率較低，故障發生具有隨機性和偶然性，當設備進入磨損期時，設備的故障率由于老化而顯著上升。在分析設備可靠性時，大多都假設設備處于有效壽命期，此時故障率近似為常數，故障概率符合指數分布，即在時間t內發生故障的概率為：P(t)=1-e-λt（1）在時間t內發生n次故障的概率為：P(n)=(λt)ne-λt/n!（2）。

與之對應的，設備的可靠性可以定義為即在時間t內設備殘留的概率，因此根據式(1)設備的可靠性R(t)可以表示為R(t)=e-λt，根據式(2)可以得到設備的平均無故障工作時間MTTF(Mean time to failure)：MTTF=∫0∞R(t)dt=1/λ。

20kV配電網設備主要有電纜、架空裸導線、架空絕緣導線、配電變壓器、絕緣子、桿塔、開關柜、斷路器、隔離開關、母線等。在進行可靠性評估時，需要利用各種配電設備的歷史數據計算其故障率、修復率、可靠性，以及平均無故障工作時間等技術指標以對各配電設備的可靠性評估，還可以根據配電網系統各設備的故障概率以及各設備間的拓撲聯系，計算負荷側的故障率、修復時間和強迫停運時間的參數來對負荷側的可靠性進行評估。

2 20kV配電網故障處理策略

電網的可靠性是電網規劃、運行的重要基礎數據。研究配電網設備運行安全狀態或故障概率，不但可以為系統的運行風險評估提供支撐，而且可以指導設備的在線預警，規避預警設備，安排低風險運行方式，這些都可有效減少配電網故障次數，提高配電網供電可靠性。在電網設備運行維護方面，可根據電網故障概率及其對電網安全的影響程度，確定最優的設備運行維護策略。然而由于數據收集等方面的原因，國內對故障概率的研究和應用仍不廣泛。

配電網故障處理是配電網運行維護的重要環節，故障搶修效率直接影響著供電可靠性，影響經濟社會穩定和居民生活質量。然而，目前很多供電公司缺乏對配電網設備的可靠性進行有效的監測、分析與評估，沒有建立配網設備的故障缺陷庫和相應的檢修方法庫，更沒有結合配電網可靠性分析的歷史數據來指導配電網的檢修工作，導致配網出現故障后盲目被動檢修，故障查找困難大，故障搶修處理時間較長，檢修人員作業負擔重，搶修效率低、資源重復浪費和無用消耗大，進而造成供電公司供電質量差、供電可靠性降低、停電成本大。

針對上述問題，本文提出一種基于可靠性分析的20kV配電網故障處理策略，首先采用文中所提的分析方法對20kV配電網的可靠性進行評估，然后根據可靠性評估的結果，建立20kV配電網設備典型缺陷庫并提前制定好相應的維修措施。當20kV配電網出現故障需要處理時，可利用典型缺陷庫和相應的維修措施來指導檢修工作，從而可實現配網故障后的主動檢修，使得故障查找范圍和難度大大降低，故障搶修處理時間短，檢修人員作業負擔輕、搶修效率高，從而降低了供電公司停電成本、提高了供電質量和供電可靠性。

此外，針對在搶修過程中所出現新的故障缺陷定期對配電網進行可靠性再評估，對典型故障缺陷庫及其維修措施進行持續更新，形成閉環控制，從而使得配網故障搶修效率、停電成本、供電質量和供電可靠性得到持續改進。圖1為本文所提的故障處理策略的示意圖，具體包括如下內容：

圖1 故障處理策略

對20kV配電網的年度歷史故障數據按照供電線路和事故成因進行分類，利用數理統計和概率理論對配電網事故進行統計分析，同時結合配電網的結構和可靠性原理，對各配電網設備（包括斷路器、變壓器、隔離開關、母線、架空線路、電纜等）的故障概率、修復率、可靠性、平均無故障工作時間及年度強迫停運時間進行計算；根據各配電網設備的故障概率及年度強迫停運時間的計算結果，按照故障率和年度強迫停運時間進行排名。根據排名順序，建立影響20kV配電網可靠性的典型缺陷庫。

根據所建立的20kV配電網的典型缺陷庫，逐一對配電設備典型缺陷成因進行分析，確定影響配電設備可靠性的相關因素（如設備質量問題、使用維護不當、短路故障、設備老化、自然災害、外力破壞等）。然后根據配電設備典型缺陷成因和可靠性影響因素的分析結果，制定20kV配電網的維修和防護措施來指導配電網的檢修工作。

根據所建立的20kV配電網的典型缺陷庫和制定好的維修和措施來指導配電網的檢修工作，對故障處理中的故障查找和故障搶修環節進行改進，如圖1；如果在故障處理過程中未出現新的故障缺陷，則完成檢修。如果在故障處理過程中出現新的故障缺陷，則定期對配電網進行可靠性再評估，對典型故障缺陷庫及其維修措施進行持續更新，形成閉環控制。