供電可靠性提升措施優(yōu)選的量化評價方法

吳 涵，陳 彬，管 霖，王 樂

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

供電可靠性是衡量供電企業(yè)運行管理水平和服務(wù)質(zhì)量的核心指標(biāo)之一。對供電可靠性的提升需要從規(guī)劃建設(shè)、運行維護、工程管理等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)采取措施［1-4］。

在供電可靠性管理的技術(shù)方法層面，可靠性統(tǒng)計分析信息系統(tǒng)［5-8］為分析配電網(wǎng)停電事件的構(gòu)成和原因、找出可靠性薄弱環(huán)節(jié)提供了數(shù)據(jù)支持?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性理論評估算法研究［9-15］已經(jīng)較為深入，為電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)方案的可靠性評估提供了有效的技術(shù)手段。但我國的用戶停電原因分布與發(fā)達國家存在顯著差異［8］，主要表現(xiàn)在配電網(wǎng)建設(shè)施工等因素造成的計劃停運在用戶年均停電時間中的占比極高，普遍高達70%以上。而配電網(wǎng)可靠性的理論評估算法只適合處理具有客觀性和統(tǒng)計平穩(wěn)性的故障停電事件，不適宜處理預(yù)安排停電事件，因而在供電企業(yè)可靠性提升措施的選擇和評估中難以起到核心支撐作用。

綜合來看，在現(xiàn)有可靠性管理體系中還存在著一個重要的缺失環(huán)節(jié)，即如何針對可靠性薄弱環(huán)節(jié)，找出技術(shù)上有效、經(jīng)濟上可行的可靠性提升措施？如何評價這些措施的實施效果？

盡管近年來許多供電企業(yè)嘗試開展了供電可靠性規(guī)劃工作［16］，但在可靠性規(guī)劃中普遍存在著現(xiàn)狀問題和薄弱環(huán)節(jié)分析與可靠性提升的規(guī)劃措施脫節(jié)的現(xiàn)象，使得無論是可靠性提升目標(biāo)的制定，還是可靠性提升措施的選擇和資金投入均比較盲目和低效。

本文首次提出了一套基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和決策分析的可靠性提升措施評估和優(yōu)選方法，建立了可靠性提升措施與可靠性降低因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣，提出了評價可靠性提升措施有效性的影響度和可控度指標(biāo)及其計算方法。通過廈門電網(wǎng)應(yīng)用實例驗證了所提方法的有效性。研究工作為供電企業(yè)構(gòu)造完整的可靠性管理和規(guī)劃流程、實現(xiàn)可靠性提升措施的量化評價和選擇提供了技術(shù)支持。

1 供電可靠性規(guī)劃和評估的實施流程

開展供電可靠性規(guī)劃有助于供電企業(yè)從用戶供電可靠性這一宏觀控制指標(biāo)出發(fā)，全面梳理電網(wǎng)規(guī)劃、工程建設(shè)、運行管理、設(shè)備維護等各主營業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)存在的不足，并指導(dǎo)建設(shè)資金的有效安排和技術(shù)管理水平的持續(xù)改進。

目前已開展的供電可靠性規(guī)劃尚未形成完整的規(guī)劃框架和流程，規(guī)劃中部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)也缺乏有效的技術(shù)方法支持。本文提出供電可靠性規(guī)劃的完整實施流程如圖1所示，由4個串行規(guī)劃環(huán)節(jié)構(gòu)成。

圖1 可靠性規(guī)劃實施流程圖Fig.1 Flowchart of reliability planning

a.可靠性現(xiàn)狀評估環(huán)節(jié)。

該環(huán)節(jié)不僅應(yīng)該分析供電可靠性指標(biāo)現(xiàn)狀和引起用戶停電的原因分布，而且需要分析引起停電的事件是否是可預(yù)防和可規(guī)避的，并明確相關(guān)的責(zé)任部門。

b.規(guī)劃期間可靠性降低的影響因素預(yù)測環(huán)節(jié)。

該環(huán)節(jié)在現(xiàn)有可靠性規(guī)劃中普遍缺失。由于規(guī)劃期電網(wǎng)發(fā)展、一次網(wǎng)架建設(shè)和二次系統(tǒng)的建設(shè)改造規(guī)模直接影響到當(dāng)年的預(yù)安排停電時間，因此需要結(jié)合規(guī)劃期間電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃，對可預(yù)計的工程建設(shè)停電進行預(yù)測分析。對其他影響可靠性的責(zé)任原因，也需分析能否通過現(xiàn)有技術(shù)和管理手段進行控制。

c.可靠性提升措施優(yōu)選環(huán)節(jié)。

該環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方式是本文研究的重點，其工作包括：建模和描述各種可靠性提升的技術(shù)和管理措施與可靠性降低影響因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系；根據(jù)規(guī)劃地區(qū)的可靠性降低影響因素分布，進行可靠性提升措施的排序；結(jié)合可靠性提升措施的投資需求和提升效益進行措施選擇。

d.可靠性提升措施規(guī)劃與投資效益分析環(huán)節(jié)。

該環(huán)節(jié)根據(jù)優(yōu)選出的可靠性提升措施，具體規(guī)劃其實施范圍并測算投資需求。對實施后的可靠性指標(biāo)值進行評估和預(yù)測。

2 可靠性提升措施與降低因素的關(guān)聯(lián)分析

可靠性管理信息系統(tǒng)記錄了每次停電的責(zé)任原因以及停電時戶數(shù)信息。由于責(zé)任原因按停電事件的管理歸屬進行劃分，容易與可靠性提升措施之間建立對應(yīng)關(guān)系，因此推薦采用停電責(zé)任原因構(gòu)成可靠性降低的影響因素集合。

可靠性降低的影響因素按管理歸屬可劃分為外部影響和內(nèi)部影響兩大類。由于可靠性提升措施一般僅能在企業(yè)管轄范圍內(nèi)部實施，可靠性提升措施優(yōu)選中更關(guān)注的是可靠性降低的內(nèi)部影響因素。用列向量 D=｛Di，i=1，2，…，M｝表示可靠性降低影響因素。D由以下15項因素構(gòu)成：D1，交通車輛破壞影響；D2，盜竊破壞影響；D3，其他外力破壞影響；D4，自然災(zāi)害破壞影響；D5，非電網(wǎng)原因施工影響；D6，因用戶原因申請停電，連帶影響其他用戶；D7，設(shè)備檢修影響；D8，電網(wǎng)建設(shè)施工影響；D9，用戶業(yè)擴施工停電；D10，架空線路故障影響；D11，電纜線路故障影響；D12，變壓器故障影響；D13，柱上開關(guān)故障影響；D14，開關(guān)柜故障影響；D15，其他設(shè)備故障影響。

定義影響度指標(biāo)δIMD描述不同可靠性降低因素對供電可靠性影響程度，具體如下。

定義 統(tǒng)計期內(nèi)因可靠性降低影響因素Di造成的用戶停電時戶數(shù)NSH（Di）在總用戶停電時戶數(shù)中所占的百分比，記為影響度δIMDi：

在可靠性規(guī)劃中可取統(tǒng)計期間為1～3 a。

綜合分析目前配電網(wǎng)可以采取的可靠性提升措施，可以將之歸納為網(wǎng)架工程建設(shè)及改造措施、設(shè)備選型及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提升措施、運行維護技術(shù)措施和運行管理措施四大類。隨著技術(shù)發(fā)展，可靠性提升措施會不斷增加，內(nèi)容也會發(fā)生變化。本文用列向量Y=｛yi，i=1，2，…，N｝表示可靠性提升措施。以下列出了16項具有一定代表性和可操作性的可靠性提升措施：y1，10 kV單輻射線路增加聯(lián)絡(luò)線；y2，架空線路增設(shè)分段、分支開關(guān)；y3，架空裸導(dǎo)線實行絕緣化改造；y4，架空線路增加線路避雷器等防雷措施；y5，提高桿塔和臺架的抗風(fēng)強度和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；y6，公用電房配置2臺及以上配電變壓器；y7，殘舊開關(guān)設(shè)備和線路更換；y8，配網(wǎng)自動化建設(shè)；y9，加強用戶帶電接火作業(yè)；y10，配變檢修和施工期間由發(fā)電車臨時供電；y11，加強警示和巡視，預(yù)防外力破壞；y12，檢修試驗嚴(yán)格按停電時間定額作業(yè)；y13，對架空、電纜混架線路投入重合閘；y14，對技術(shù)允許的線路實施合環(huán)轉(zhuǎn)供電；y15，實施和優(yōu)化綜合停電管理；y16，加強用戶電房開關(guān)設(shè)備監(jiān)管。

由于D和Y均為非量化的語義描述，因此本文將表1第2列語言描述的可靠性提升措施yj對可靠性降低因素Di的影響程度，轉(zhuǎn)化為第1列對應(yīng)的0～1間的5級量化標(biāo)度，進而形成可靠性降低因素與可靠性提升措施的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣RM×N。

表1 關(guān)系矩陣R的量化標(biāo)度Table 1 Quantitative scaling of relationship matrix R

當(dāng)影響程度為上述相鄰描述的中間值時，量化標(biāo)度也取中間值。由于可靠性提升措施均經(jīng)過篩選，原則上不存在可靠性提升措施的長期實施反而降低電網(wǎng)可靠性的情況。

當(dāng)然，對可靠性提升措施的影響程度一般需要通過專家評分或調(diào)研獲取。為了降低專家評分的主觀偏差，在設(shè)計中，一方面，應(yīng)該對可靠性提升措施和可靠性降低因素賦予比較明確的定義以幫助專家準(zhǔn)確理解和判斷；另一方面，也應(yīng)該保證一定的參與評價專家數(shù)量，通過取中值等方式降低主觀偏差的干擾。此外，對一些可靠性提升措施在其他區(qū)域或者有限范圍內(nèi)試點實施的效果客觀評價也可以逐步納入評價體系，協(xié)助降低主觀偏差。

3 可靠性提升措施的實施度評估

盡管上節(jié)定義的關(guān)聯(lián)矩陣R可以描述任一種可靠性提升措施消除不同可靠性降低因素的能力強弱，但這種描述側(cè)重于從機理上評估措施的作用，并沒有考慮可靠性提升措施在不同配電系統(tǒng)中的可能實施范圍和能夠獲得的實施效果上的差異。

以可靠性提升措施y1為例，通過單輻射線路增加聯(lián)絡(luò)，對各種原因引起的饋線跳閘都能通過及時的轉(zhuǎn)供電起到減少停電時戶數(shù)的作用，因此關(guān)聯(lián)矩陣第1列的所有元素ri1≠0。但是，具體對某個供電區(qū)域，如果已經(jīng)沒有單輻射線路存在，則y1措施在該區(qū)域?qū)嶋H上已沒有實施空間。本文定義可靠性提升措施的實施度指標(biāo)來描述這一方面的影響。

記可靠性措施yi在給定區(qū)域的可實施范圍與區(qū)域總范圍之比為Ai，實施效果與理想效果之比為Ei，則yi在給定區(qū)域的實施度Ii=AiEi。

對y1—y16，A的計算公式說明如下：A1，單幅射線路回數(shù)/饋線總回數(shù)；A2，分段數(shù)小于3或者有長架空線路為裝設(shè)分支開關(guān)的線路回數(shù)/饋線總回數(shù)；A3，架空裸導(dǎo)線長度/線路總長度；A4，未裝設(shè)架空線路避雷器等防雷措施的線路長度/架空線路總長度；A5，未達到當(dāng)?shù)乜癸L(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的桿塔和臺架數(shù)/桿塔和臺架總數(shù)；A6，具備空間條件但未配置2臺及以上配電變壓器的電房數(shù)/電房總數(shù)；A7，（殘舊開關(guān)設(shè)備臺數(shù)/總開關(guān)臺數(shù)+殘舊線路長度/線路總長度）/2；A8，具備條件實施配網(wǎng)自動化的饋線回數(shù)/饋線總回數(shù)；A9，可實施但未實施帶電接火作業(yè)的用戶數(shù)/總用戶數(shù)；A10，可用發(fā)電車臨時供電的用戶數(shù)/總用戶數(shù)；A11，可納入警示巡視范圍的線路長度/線路總長度；A12，未按停電時間定額作業(yè)的作業(yè)量/總作業(yè)量；A13，未投入重合閘的架空、電纜混架線路回數(shù)/饋線總回數(shù)；A14，技術(shù)允許但未實施合環(huán)轉(zhuǎn)供電的線路回數(shù)/饋線總回數(shù)；A15，未納入綜合停電管理的饋線回數(shù)/饋線總回數(shù)；A16，具備條件加強監(jiān)管的用戶電房數(shù)/用戶電房總數(shù)。

關(guān)于實施效果比，對于大多數(shù)不受主觀因素影響的措施均可取Ei=1；對于受主觀因素影響的措施，Ei≤1。例如，對措施y1，E1可用單輻射線路建立聯(lián)絡(luò)后的可轉(zhuǎn)供率表示，如果全線可轉(zhuǎn)供，則E1=1。又如，對措施y12，E12則可按下式計算：

4 可靠性提升措施對指定區(qū)域影響度的評價和優(yōu)選

通過前述步驟計算出給定區(qū)域可靠性降低因素的影響度δIMD和可靠性提升措施的實施度I后，可以結(jié)合可靠性降低因素與可靠性提升措施的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣R，完成可靠性提升措施對給定區(qū)域可靠性影響度的計算。

可靠性提升措施yj對給定區(qū)域可靠性的影響度δIMy（j）可由下式計算：

較大的δIMy（j）值表明在給定區(qū)域?qū)嵤┛煽啃蕴嵘胧﹜j對可靠性指標(biāo)的提升成效較大。因此，通過 δIMy指標(biāo)從高到低排序，可以得出技術(shù)層面推薦的可靠性提升措施優(yōu)選排序情況。進一步結(jié)合可靠性提升措施的投資估算和對比，就能實現(xiàn)給定區(qū)域的可靠性提升措施決策。

用列向量 C= ［C1，C2，…，CN］T表示對可靠性提升措施的選擇結(jié)果：

則采取選定的可靠性提升措施后，用停電時戶數(shù)的減少比例描述的綜合可靠性提升成效可由下式估算：

基于上述流程即可實現(xiàn)對指定區(qū)域的可靠性提升措施的量化優(yōu)選，也可以對措施實施后可靠性指標(biāo)提升成效進行評估。

5 廈門島可靠性提升措施優(yōu)選應(yīng)用

廈門島是廈門市中心城區(qū)，其中壓配電線路以電纜為主，電纜化率約91%。由于地處沿海，易受熱帶風(fēng)暴及雷擊等自然災(zāi)害影響，廈門島架空線路基本采用架空絕緣線，絕緣化率高達99%。

廈門島配電網(wǎng)以電纜單環(huán)網(wǎng)為主，部分地區(qū)還采用了高可靠性的雙環(huán)網(wǎng)接線方式。全島僅有3回單輻射線路，且所接用戶少、線路短，可靠性較高。

由于一次設(shè)備狀態(tài)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)良、運行管理較好，2012 年廈門島 RS（Reliability on Service）指標(biāo)接近99.99%，供電可靠性一直位于國內(nèi)領(lǐng)先水平。對這樣一個電網(wǎng)，需要依靠更加嚴(yán)謹(jǐn)和量化的分析手段，才能合理選擇可靠性提升措施，進一步提高其供電可靠性水平。

采用本文提出的可靠性提升措施優(yōu)選評估方法進行分析。首先基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得廈門島配電網(wǎng)可靠性降低因素的影響度指標(biāo)，見表2。

對影響度進行排序可以看出，引起廈門島用戶停電的主要原因依次是：電網(wǎng)建設(shè)施工停電、外力破壞停電、設(shè)備檢修停電、用戶業(yè)擴施工和用戶原因停電。此外，配網(wǎng)設(shè)備故障直接引起的停電總占比僅為8.37%。

對候選可靠性提升措施，首先按第3節(jié)的方法進行措施的實施度分析。分析中應(yīng)結(jié)合廈門配電網(wǎng)設(shè)備和運行管理現(xiàn)狀，計算每項措施的實施范圍比和實施效果比，并篩除部分實施度低的措施。對第2節(jié)列舉的16項措施，在廈門島實施度低的包括y1—y5、y7、y14、y15共 8 項，實施度相對較高的 8 項措施的實施度如表3所示。

表2 廈門島可靠性影響度Table 2 Reliability influencing factors of Xiamen island grid

表3 廈門島可靠性提升措施的實施度Table 3 Reliability enhancement measure enforceable factors of Xiamen island grid

對篩選獲得的實施度相對較高的8項措施，建立其與可靠性降低因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣R。通過專家調(diào)查數(shù)據(jù)分析，并按照表1轉(zhuǎn)化成量化標(biāo)度，得到廈門島可靠性降低因素與候選可靠性提升措施的關(guān)聯(lián)矩陣如表4所示。

根據(jù)式（2）計算8項可靠性提升候選措施對廈門島配電網(wǎng)可靠性的影響度為：δIMy=［2.2%，3.9%，2.7%，2.7%，0.9%，0.6%，1.2%，0.1%］T。

根據(jù)可靠性提升措施從高到低排序，推薦廈門島可靠性提升措施如下：

a.加強配網(wǎng)自動化建設(shè)，提高配網(wǎng)自動化覆蓋面；

b.加強用戶帶電接火作業(yè)推廣力度；

c.在配變檢修和施工期間，推行發(fā)電車臨時供電措施；

d.對有條件的公用電房配置2臺及以上配電變壓器，實現(xiàn)相互備自投，隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)完善，可考慮構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)供電。

根據(jù)式（3）計算可得J=14.4%。這表明采取上述措施后，廈門島電網(wǎng)的用戶年平均停電時間還可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減少14.4%。

表4 廈門島配網(wǎng)的關(guān)系矩陣RTable 4 Relationship matrix R of Xiamen island grid

應(yīng)該看到，廈門島配電網(wǎng)的可靠性提升空間并不大，一方面是因為廈門島配電網(wǎng)整體可靠性已經(jīng)居于一個較高的水平，且實施空間的可靠性提升技術(shù)和管理措施不多；另一方面的原因是廈門島配電網(wǎng)停電影響因素中電網(wǎng)施工和其他外力破壞（與城市建設(shè)施工關(guān)聯(lián)很大）造成的停電時間占比很高，而面對快速發(fā)展的電網(wǎng)和城市，無論電網(wǎng)建設(shè)工程量還是城市建設(shè)步伐均不可能人為控制和降低。

采用本文提出的可靠性提升措施優(yōu)選方法能夠有效地結(jié)合和利用配電網(wǎng)實際可靠性統(tǒng)計信息、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和可靠性管理現(xiàn)狀信息、可靠性提升手段的技術(shù)評估等多方面信息，形成相對客觀和量化的可靠性提升措施優(yōu)選方法。所提方法同時也能為配電網(wǎng)可靠性提升空間的測算和可靠性規(guī)劃目標(biāo)的制定提供依據(jù)。

6 結(jié)論

本文提出了一套完整的配電網(wǎng)可靠性提升措施評估和優(yōu)選算法。定義了配電網(wǎng)可靠性降低因素的影響度指標(biāo)、可靠性提升措施的可實施度指標(biāo)，并研究了可實施指標(biāo)的計算方法。提出了可靠性降低因素與可靠性提升措施關(guān)聯(lián)矩陣的定義和量化標(biāo)度方法。在此基礎(chǔ)上提出了可靠性提升措施對區(qū)域配電網(wǎng)可靠性的影響度指標(biāo)，定義了其計算公式。最后，基于可靠性提升措施的影響度，可以有效估算可靠性措施實施后用戶停電時戶數(shù)降低程度。通過廈門島配電網(wǎng)的應(yīng)用表明所提算法能有針對性地實現(xiàn)可靠性提升措施優(yōu)選和可靠性規(guī)劃目標(biāo)制定。

進一步的研究應(yīng)納入可靠性提升措施的經(jīng)濟性評價，與本文的技術(shù)評價相結(jié)合，完善可靠性提升措施的優(yōu)化規(guī)劃。