大型城市配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘

方 健，徐 櫟，王 勇，季時(shí)宇，李盛楠，楊 鵬（.中國(guó)南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣州 50000；.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津30007）

大型城市配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備可靠性薄弱環(huán)節(jié)挖掘

方 健1，徐 櫟2，王 勇1，季時(shí)宇2，李盛楠1，楊 鵬1
（1.中國(guó)南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣州 510000；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津300072）

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)可靠性評(píng)估方法在挖掘配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性薄弱環(huán)節(jié)方面的不足，提出了基于大型城市配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正模型的配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)挖掘方法。利用饋線分區(qū)法簡(jiǎn)化了模型復(fù)雜度，通過(guò)構(gòu)造故障率修正模型分析故障因素權(quán)重以及故障率修正指數(shù)。將以歷史統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到的故障率與實(shí)際設(shè)備狀態(tài)結(jié)合，得到考慮配電網(wǎng)設(shè)備所處時(shí)期、環(huán)境以及外力因素等實(shí)際狀態(tài)的故障率模型。算例分析驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)矩陣；配電網(wǎng)；可靠性評(píng)估；薄弱環(huán)節(jié)

配電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的末端直接與用戶相連，對(duì)用戶的供電質(zhì)量及供電可靠性有著重要影響，因此，如何準(zhǔn)確全面地評(píng)估配電系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法的研究已取得很多成果，常用的方法總體上可分為模擬法［1-3］和解析法［4-5］；模擬法中的典型方法為蒙特卡羅模擬法［6-9］，該方法適用于求解復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，但在計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間之間存在較大矛盾；解析法模型準(zhǔn)確，便于分析多種元件對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，在配電網(wǎng)可靠性評(píng)估中應(yīng)用更加廣泛。然而，傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法只能得到網(wǎng)絡(luò)的總體可靠性水平，且多以設(shè)備故障歷史統(tǒng)計(jì)的常值結(jié)果作為可靠性參數(shù)，由于電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的變動(dòng)以及可靠性管理中的人為參與，使得歷史可靠性數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)配電網(wǎng)當(dāng)前的實(shí)際可靠性水平。針對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備可靠性參數(shù)獲得過(guò)程中的不確定性，文獻(xiàn)［10-12］提出了配電網(wǎng)可靠性區(qū)間評(píng)估方法，用區(qū)間數(shù)來(lái)表示設(shè)備可靠性參數(shù)，但區(qū)間值的合理確定仍是難題，若區(qū)間取值較大，計(jì)算所得的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)也會(huì)成倍增大。文獻(xiàn)［13］用未確知有理數(shù)來(lái)表示元件可靠性參數(shù)，但未確知有理數(shù)階數(shù)的確定及隸屬度函數(shù)模型的確定有很多主觀因素。文獻(xiàn)［14］用模糊數(shù)來(lái)表示元件可靠性參數(shù)，但模糊數(shù)的論域及隸屬度函數(shù)的界定也有一定難度。文獻(xiàn)［15］根據(jù)配電網(wǎng)中設(shè)備在不同運(yùn)行階段的故障率規(guī)律，給出了不同階段故障率的模型，但未對(duì)影響不同運(yùn)行階段的因素進(jìn)行針對(duì)性分析。文獻(xiàn)［16］雖從影響元件可靠性的原因進(jìn)行分析，但僅針對(duì)天氣因素和運(yùn)行年限的影響建立了元件可靠性參數(shù)修正模型。

本文針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法的不足，提出了基于配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正的大型城市配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)挖掘方法。將以歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的大型城市配電網(wǎng)設(shè)備故障率與配電網(wǎng)實(shí)際設(shè)備狀態(tài)結(jié)合，建立考慮配電網(wǎng)設(shè)備所處時(shí)期、環(huán)境以及外力因素等實(shí)際狀態(tài)的故障率模型，并結(jié)合配電網(wǎng)饋線分區(qū)法提出基于大型城市配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正的網(wǎng)絡(luò)薄弱環(huán)節(jié)挖掘方法。

1 網(wǎng)絡(luò)饋線分區(qū)法

作為電力系統(tǒng)中與用戶直接相連的部分，配電系統(tǒng)具有元件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)繁雜的特點(diǎn)。

如圖1所示，當(dāng)饋線區(qū)內(nèi)的某個(gè)元件失電時(shí)，同一饋線區(qū)中的其他元件也會(huì)失電，且這些元件的失電時(shí)間均相同，因此同一饋線區(qū)中所有用戶的可靠性水平相同。這樣以來(lái)，在建立系統(tǒng)的故障模式影響分析表時(shí)，某一元件預(yù)想事故的故障分析結(jié)果就可以直接復(fù)制到同一饋線區(qū)其他元件的故障分析結(jié)果當(dāng)中。換言之，應(yīng)用饋線區(qū)的概念對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行劃分之后，配電系統(tǒng)的故障模式影響分析過(guò)程就可以不再以某個(gè)具體元件為對(duì)象，而代之以饋線區(qū)為最小單元。以饋線區(qū)為對(duì)象，能夠大大減少故障模式影響分析的工作量，顯著提高配電系統(tǒng)可靠性分析的效率和計(jì)算速度。

圖1 饋線區(qū)概念的應(yīng)用Fig.1 Application of feeder partition concept

2 配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正模型

2.1 設(shè)備故障因素權(quán)重模型

記配電網(wǎng)中第 i類設(shè)備的故障率為 λ（i），1≤i≤5。根據(jù)配電網(wǎng)設(shè)備故障原因分析，可以得到配電網(wǎng)設(shè)備故障因素權(quán)重。設(shè)備故障因素與其權(quán)重名稱對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 設(shè)備故障因素與其權(quán)重對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence between equipment failure factors and their weights

構(gòu)造設(shè)備故障因素權(quán)重矩陣為

式中w（i）fj（1≤j≤6）表示對(duì)于第i類設(shè)備，第 j種故障因素的權(quán)重值。

引起第i類設(shè)備故障的電氣絕緣因素權(quán)重為w（i）f1，其貢獻(xiàn)的故障率記為

自然災(zāi)害貢獻(xiàn)的故障率記為

2.2 設(shè)備缺陷因素權(quán)重模型

從設(shè)備缺陷因素和設(shè)備狀態(tài)程度兩個(gè)角度建立設(shè)備實(shí)際狀態(tài)故障率模型。對(duì)于不同配電網(wǎng)設(shè)備，絕緣老化、設(shè)備質(zhì)量、施工質(zhì)量、重載、過(guò)載以及其他的設(shè)備狀態(tài)的故障影響程度不同。由故障設(shè)備情況分析，可以得到設(shè)備缺陷因素對(duì)于設(shè)備故障率的影響權(quán)重。設(shè)備缺陷因素與其權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 設(shè)備缺陷因素與其權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between the equipment defect factors and their weights

構(gòu)造設(shè)備缺陷因素權(quán)重矩陣為

式中，w（i）dk（1≤k≤5）表示對(duì)于第i類設(shè)備、第k種設(shè)備缺陷因素的權(quán)重值。

2.3 設(shè)備缺陷程度修正模型

結(jié)合設(shè)備缺陷狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，可以得到各個(gè)設(shè)備的絕緣老化程度、設(shè)備質(zhì)量、施工質(zhì)量、重載、過(guò)載以及其他的設(shè)備狀態(tài)程度。設(shè)備狀態(tài)程度與其符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 設(shè)備狀態(tài)程度與其符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Correspondence between the degrees of equipment states and their symbols

1）設(shè)備絕緣老化程度修正指數(shù)

設(shè)備的絕緣老化程度修正指數(shù)為設(shè)備絕緣老化程度的變化量，假設(shè)原設(shè)備絕緣老化比例為o1，目前設(shè)備絕緣老化比例變?yōu)閛2，則設(shè)備絕緣老化修正指數(shù)為

2）設(shè)備質(zhì)量修正指數(shù)

設(shè)備質(zhì)量修正指數(shù)計(jì)算公式為

式中：q1為原質(zhì)量差設(shè)備所占總設(shè)備比例；q2為目前質(zhì)量差設(shè)備所占總設(shè)備比例。

3）施工質(zhì)量修正指數(shù)

施工質(zhì)量修正指數(shù)計(jì)算公式為

式中：i1為原施工質(zhì)量差設(shè)備所占總設(shè)備比例；i2為目前施工質(zhì)量差設(shè)備所占總設(shè)備比例。

4）重載、過(guò)載修正指數(shù)

重載、過(guò)載修正指數(shù)計(jì)算公式為

式中：h1為原重載、過(guò)載設(shè)備占總設(shè)備比例；h2為目前重載、過(guò)載設(shè)備所占總設(shè)備比例。

5）設(shè)備缺陷程度修正矩陣

構(gòu)造設(shè)備缺陷程度修正矩陣為

式中，c（i）k（1≤k≤5）表示對(duì)于第i類設(shè)備、第k種設(shè)備狀態(tài)程度的取值。

依據(jù)設(shè)備缺陷因素權(quán)重矩陣以及設(shè)備狀態(tài)程度矩陣，可以得到設(shè)備缺陷狀態(tài)故障率修正計(jì)算公式為

2.4 氣候氣象影響因素權(quán)重模型

將天氣因素作為影響設(shè)備故障概率的外部環(huán)境不確定因素，建立設(shè)備氣象影響因素模型，包括設(shè)備故障率月氣候修正指數(shù)模型建立和設(shè)備故障率氣象修正模型建立兩部分內(nèi)容。

依據(jù)氣象部門(mén)幾年內(nèi)的月均降水量數(shù)據(jù)，可以擬合出配電網(wǎng)設(shè)備故障率月氣候修正指數(shù)，其計(jì)算公式為

式中：m表示月份；Hˉ（m）表示第m個(gè)月的月均降水量，其計(jì)算公式為

式中：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)年份為p年至p+n年；H（m）j表示第j年（p≤j≤p+n）的第m個(gè)月的月降水量。

由故障設(shè)備情況分析，可以得到氣象影響因素對(duì)于設(shè)備故障率的影響權(quán)重。設(shè)備故障率氣象因素與其權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 設(shè)備故障率氣象因素與其權(quán)重的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.4 Correspondence between meteorological factors related to equipment failure rate and their weights

構(gòu)建設(shè)備氣象因素影響權(quán)重矩陣為

設(shè)備故障率氣候影響因素修正計(jì)算公式為

式中：s1表示雷電氣象修正指數(shù)；s2表示大風(fēng)大雨氣象修正指數(shù)。其數(shù)值可依據(jù)配電網(wǎng)自然災(zāi)害故障原因比例分別進(jìn)行配置。

修正后的各設(shè)備的氣候氣象引起的故障率即為考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)刻氣候氣象影響因素的設(shè)備氣候氣象故障率值。

基于以上構(gòu)建的設(shè)備實(shí)際狀態(tài)故障率模型和氣候影響因素模型對(duì)λe（i）和λn（i）進(jìn)行修正，設(shè)備修正故障率結(jié)果為

通過(guò)結(jié)合實(shí)際設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正后的設(shè)備故障率計(jì)算配電網(wǎng)可靠性，可以得到反映實(shí)際設(shè)備狀態(tài)的可靠性評(píng)估結(jié)果。

2.5 薄弱環(huán)節(jié)挖掘

薄弱環(huán)節(jié)挖掘采用靈敏度分析方法，通過(guò)消除一種設(shè)備的故障率來(lái)觀察配電網(wǎng)的可靠性提升程度，以此確定配電網(wǎng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

3 算例分析

通過(guò)南方某大型城市配電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，分析圖2所示饋線網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)，包括1段母線、30條饋線段（20條架空線、10條電纜）、24個(gè)節(jié)點(diǎn)、23個(gè)配變、23個(gè)負(fù)荷點(diǎn)（LP1至LP23）、若干斷路器和開(kāi)關(guān)設(shè)備。饋線長(zhǎng)度如表5所示。負(fù)荷數(shù)據(jù)如表6所示。故障率及轉(zhuǎn)供時(shí)間如表7所示。

圖2 算例系統(tǒng)電氣接線圖Fig.2 Electric diagram of example system

3.1 設(shè)備狀態(tài)矩陣分析

南方某大型城市配電網(wǎng)的故障因素權(quán)重矩陣如表8所示。配電網(wǎng)電氣絕緣故障權(quán)重矩陣如表9所示。設(shè)備狀態(tài)程度矩陣如表10所示。該城市氣象影響因素權(quán)重矩陣如表11所示，該城市氣候修正指數(shù)矩陣如表12所示，氣象修正指數(shù)矩陣如表13所示。

表5 算例線路長(zhǎng)度Tab.5 Line length of the example

表6 算例負(fù)荷值Tab.6 Load values of the example

表7 算例故障參數(shù)Tab.7 Fault parameters of the example

表8 故障因素權(quán)重矩陣Tab.8 Weight matrix of failure factors

表9 電氣絕緣故障權(quán)重矩陣Tab.9 Weightmatrixofelectricalinsulationfailurefactors

表10 設(shè)備狀態(tài)程度矩陣Tab.10 Degree matrix of the equipment states

表11 氣象影響因素權(quán)重矩陣Tab.11 Weight matrix of meteorological factors

表12 氣候修正指數(shù)矩陣Tab.12 Matrix of climate modification index

表13 氣象修正指數(shù)矩陣Tab.13 Matrix of meteorological modification index

3.2 薄弱環(huán)節(jié)挖掘

通過(guò)第2節(jié)的實(shí)際設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正可以得到修正后的設(shè)備故障率結(jié)果。

選取1月和5月中的晴朗天氣、雷擊天氣和大風(fēng)大雨天氣時(shí)進(jìn)行算例的靈敏度分析，得到的結(jié)果如表14和表15所示。

由表14可以看到，1月份中電纜為配電網(wǎng)可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)，架空線其次，因此在制定設(shè)備的巡檢計(jì)劃時(shí)，應(yīng)把巡檢重點(diǎn)安排在電纜和架空線上。

由表15可以看到，5月份中架空線為配電網(wǎng)可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)，電纜其次，同時(shí)開(kāi)關(guān)可靠性薄弱程度較1月份也有明顯惡化，因此在制定設(shè)備的巡檢計(jì)劃時(shí)，應(yīng)該把巡檢重點(diǎn)安排在架空線上，同時(shí)也應(yīng)著重進(jìn)行電纜和開(kāi)關(guān)類設(shè)備的巡檢。

表14 1月設(shè)備可靠性靈敏度分析Tab.14 Sensitivity analysis of equipment reliability in January %

表15 5月設(shè)備可靠性靈敏度分析Tab.15 SensitivityanalysisofequipmentreliabilityinMay %

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于大型城市配電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)矩陣故障率修正的配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)挖掘方法，可以分析因不同時(shí)期不同設(shè)備狀態(tài)以及外界環(huán)節(jié)影響而導(dǎo)致的配電網(wǎng)可靠性變化，為配電公司檢修策略的制定提供了參考依據(jù)。

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方 健（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)技術(shù)監(jiān)督、配電網(wǎng)新技術(shù)推廣、應(yīng)用及管理。Email：fjenglish@ 163.com

徐 櫟（1987—），男，博士研究生，研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃和城市電網(wǎng)可靠性評(píng)估等。Email：xuligodfather@gmail.com

王 勇（1967—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)管理等。Email：wangy@gzpsc.com

中圖分類號(hào)：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-8930（2016）07-0057-06

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.011

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-02-09；修回日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司專項(xiàng)科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（K-GZM2014-020）

Weak Link Mining of the Reliability of Operation Equipment in Large Urban Distribution Network

FANG Jian1，XU Li2，WANG Yong1，JI Shiyu2，LI Shengnan1，YANG Peng1
（1.China Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Co.，Ltd，Guangzhou 510000，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education（Tianjin University），Tianjin 300072，China）

Abstract：To overcome the shortcomings of existing reliability assessment methods in analyzing the weak link of the equipment in distribution network，a weak link mining method based on a modified failure rate model with the equip?ment state matrix of large urban distribution network is adopted.Feeder division method is used to simplify the complexi?ty of the reliability evaluation model，and a failure rate correction model is constructed to analyze the failure factors and failure rate modification index.The failure rate model considering the operation period，environmental impact and exter?nal factors is a combination of historical statistics and practical equipment states.The results of a numerical example in?dicate the effectiveness of the proposed method.

Key words：equipment operation state matrix；distribution network；reliability assessment；weak link