基于事故樹的供配電網(wǎng)電能異常損失因素分析

張 巖蓋祥虎李琳媛孫會琴王昭雷

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司,河北 石家莊 050071)

0 引言

近年來,供配電網(wǎng)安全遭受人為因素、外力破壞、設(shè)備穩(wěn)定性等多種風(fēng)險因素影響,低壓臺區(qū)用電量不斷增加,電能異常損失現(xiàn)象頻繁發(fā)生[1],電力部門主要關(guān)注電能異常損失后的稽查和有效補償追回,但實際影響電能異常損失的風(fēng)險因素貫穿于整個供配電環(huán)節(jié)[2],例如檢測設(shè)備精度低,設(shè)備頻繁故障和稽查方法的不正確,電力人員的疏忽包庇等都會導(dǎo)致電能異常損失[3-4]。

造成供配電網(wǎng)電能異常損失的原因多種多樣且相互影響,針對供配電網(wǎng)電能異常損失的檢測方法各有不同,目前供配電網(wǎng)電能異常損失的監(jiān)測、分析方法主要有皮爾遜相關(guān)系數(shù)法(PCCs)[5]、離群點算法[6]、事故樹分析法(FTA)[1]、基于傅里葉理論電能異常監(jiān)測法[7]以及基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(BPNN)[8]。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)法所需數(shù)據(jù)量要足夠大且須成對出現(xiàn),應(yīng)用受到限制;基于離群點算法缺點是時間復(fù)雜度較高且難以挖掘局部離群點;基于傅里葉理論電能異常監(jiān)測法能準(zhǔn)確完成電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的用戶電網(wǎng)參數(shù)的計量,但計算過程較為繁瑣,耗時長;基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法所需訓(xùn)練時間較長且數(shù)據(jù)較龐大;事故樹分析法可對導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)系做出全面、簡潔、形象的描述,可以確定各基本事件對導(dǎo)致事故發(fā)生的影響程度,既可以定性分析,又可定量分析并對系統(tǒng)進(jìn)行評價[9]。

本文將事故樹分析法應(yīng)用于供配電網(wǎng)電能異常損失因素分析,通過構(gòu)建各種風(fēng)險因素導(dǎo)致事故發(fā)生的事故樹模型,列出事故樹模型的結(jié)構(gòu)函數(shù)式,并通過算法對基本事件發(fā)生/不發(fā)生的各種組合情況進(jìn)行構(gòu)建,得出不同組合方式下基本事件的變化導(dǎo)致頂上事件發(fā)生/不發(fā)生的個數(shù),最后將數(shù)值代入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)計算公式,求解出供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(Structure Importance Coefficient,SIC),根據(jù)系數(shù)大小確定各風(fēng)險因素的影響程度。

1 電能損失因素

電能損失即電能在供配電網(wǎng)傳輸中損失的電量,其發(fā)生存在于電能輸、運、售等各個環(huán)節(jié),只有對各個環(huán)節(jié)發(fā)生竊電的可能性進(jìn)行綜合分析,才能相對有效地降低電能損失。對電能損失進(jìn)行有效控制的側(cè)重點在于對供配電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生電能損耗進(jìn)行綜合的定量定性評估,從而找出導(dǎo)致電能損失發(fā)生的原因,再針對這些原因進(jìn)行分析,提出有效的治理策略。

構(gòu)建電能損失事故樹的關(guān)鍵在于確定基本事件,即導(dǎo)致電能損失發(fā)生的基本因素。供配電網(wǎng)是一個龐大且復(fù)雜的系統(tǒng),在供配電系統(tǒng)里,由于人為因素的影響,使得整體復(fù)雜程度大大增加,每項因素都有可能導(dǎo)致電能損失發(fā)生。以下歸列出供配電網(wǎng)系統(tǒng)中導(dǎo)致電能異常損失的影響因素,如表1所示,將各種可能造成電能異常損失的風(fēng)險因素分為5類[13]。

表1 電能異常損失類別

2 事故樹分析法

事故樹分析又稱故障樹分析,是安全系統(tǒng)工程中重要的分析方法,探尋導(dǎo)致事故發(fā)生的事件之間的相互作用關(guān)系,從現(xiàn)象、原因、結(jié)果進(jìn)行全面分析,用于驗證系統(tǒng)工程的可靠性。事故樹模型呈現(xiàn)出一種類似樹狀的結(jié)構(gòu)[10],根據(jù)事故發(fā)生的過程,由代表事故結(jié)果的頂上事件、代表導(dǎo)致事故發(fā)生的中間事件和基本事件構(gòu)成,并通過各基本事件之間、中間事件與事故結(jié)果之間的依存關(guān)系,以基本事件發(fā)生的不同組合個數(shù),計算結(jié)構(gòu)性重要系數(shù),從而判斷基本事件對頂上事件的影響程度,是一種自上而下的推理分析方法[11]。

2.1 事故樹模型建立

在任何時間、系統(tǒng),取事故發(fā)生與不發(fā)生2種狀態(tài)為變量,1代表事故發(fā)生,0代表事故不發(fā)生,X與A均為變量,分別代表基本事件與頂上事件:

事故原因與結(jié)果之間的關(guān)系用表達(dá)式A=φ(X)表示,表示為頂上事件隨基本事件發(fā)生變化的數(shù)學(xué)函數(shù),X1,X2,X3,…Xn表示1-n個基本事件,邏輯與門與邏輯或門所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)如下:

邏輯與門結(jié)構(gòu)函數(shù)

邏輯或門結(jié)構(gòu)函數(shù)

簡易事故樹模型如圖1所示,A為頂上事件,即所研究的對象,B1-B4為中間事件,X1-X6為基本事件,每一項事件均有2種狀態(tài),頂上事件與中間事件為邏輯與門連接,中間事件B1-B4同時發(fā)生頂上事件A才會發(fā)生,中間事件與基本事件之間通過邏輯或門連接,X1-X6至少一個基本事件發(fā)生時所對應(yīng)的中間事件就會發(fā)生。

圖1 簡易事故樹模型

通過簡易事故樹模型及邏輯符號的連接方式可推導(dǎo)出基本事件導(dǎo)致的頂上事件發(fā)生的結(jié)構(gòu)式

2.2 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)計算

結(jié)構(gòu)重要度分析是從結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要程度,不考慮事件的發(fā)生概率或認(rèn)為基本事件發(fā)生概率相等的情況下各基本事件對頂上事件的影響程度,能夠精確求解結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),以系數(shù)的大小排列各基本事件順序,可分析出各基本事件對頂上事件的影響程度。假設(shè)導(dǎo)致頂上事件發(fā)生事故的各基本因素共n個,則影響因子之間的邏輯組合為2n個,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的精確計算公式為

式中:Xi為i項基本事件;Iφ(i)為基本事件Xi的結(jié)構(gòu)性重要系數(shù);φ(1,Xi)為第i項基本事件發(fā)生時導(dǎo)致頂上事件A發(fā)生的邏輯組合個數(shù);φ(0,Xi)為第i項基本事件不發(fā)生時,頂上事件A不會發(fā)生的邏輯組合個數(shù);∑[φ(1,Xi)-φ(0,Xi)]為當(dāng)其余基本事件不發(fā)生改變的情況下,基本事件Xi由0(不發(fā)生)變?yōu)?(發(fā)生)時,使得頂上事件也由0(不發(fā)生)變?yōu)?(發(fā)生)的更變次數(shù)總和,事件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)越大表明該事件對系統(tǒng)的影響愈大,反之影響愈小。

根據(jù)上述簡易事故樹模型及計算公式可求解出簡易事故樹模型的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),在簡易事故樹模型中共有6項基本事件,6項基本事件在模型中獨立存在且相互作用共同影響頂上事件A的發(fā)生與不發(fā)生,6項基本事件共有26種組合方式,即64種邏輯組合。將基本事件組合而成的64種組合方式帶入公式(7)中,并對基本事件發(fā)生/不發(fā)生的各種組合情況進(jìn)行構(gòu)建,得出不同組合方式下基本事件的變化導(dǎo)致頂上事件A發(fā)生/不發(fā)生的個數(shù),最后將不同組合方式下的基本事件導(dǎo)致頂上事件A發(fā)生與不發(fā)生的個數(shù)帶入公式(8)中進(jìn)行計算,求解簡易事故樹模型的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。以基本事件X3為例,首先求解出當(dāng)其余基本事件不發(fā)生變化僅X3由0變?yōu)?時導(dǎo)致頂上事件也由0變?yōu)?的邏輯組合數(shù),由X1-X6為順序進(jìn)行排列,第37種組合方式為100100,對應(yīng)帶入公式(7)可求解出頂上事件A未發(fā)生事故(結(jié)果為0);第45種組合方式為101100,再次按順序帶入公式(7)中求解出頂上事件A此時發(fā)生了事故(結(jié)果為1)。由此可見其余基本事件均未發(fā)生變化僅X3發(fā)生變化即影響了頂上事件A隨之發(fā)生改變。同理第49種組合方式與第57種組合方式為一組對比數(shù)據(jù)、第53種組合方式與第61種組合方式為一組對比數(shù)據(jù),均為僅有X3發(fā)生事故時導(dǎo)致頂上事件A發(fā)生事故,共計邏輯組合個數(shù)為3,即∑[φ(1,Xi)-φ(0,Xi)]為3,進(jìn)而帶入公式(8)進(jìn)行求解,計算出基本事件X3的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.094?；臼录M合方式、頂上事件A發(fā)生與不發(fā)生的個數(shù)及簡易事故樹結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)如表2所示,結(jié)果均保留3位小數(shù)。

表2 基本事件組合方式及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

3 供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹分析

3.1 模型建立

將石家莊地區(qū)供配電網(wǎng)電能異常損失事故較為嚴(yán)重的某臺區(qū)作為分析對象,通過調(diào)查該臺區(qū)近2年來供配電網(wǎng)電能異常損失事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及相關(guān)資料,采用事故樹分析法對供配電網(wǎng)電能異常損失因果結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先確定導(dǎo)致供配電網(wǎng)電能異常損失的基本事件,分析出基本事件與中間事件及頂上事件之間的關(guān)系,再建立供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹模型,根據(jù)模型計算出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),最后通過系數(shù)大小分析影響供配電網(wǎng)電能異常損失的因素。供配電網(wǎng)電能異常損失具體事件的符號及其詳細(xì)說明見表3。

表3 供配電網(wǎng)電能異常損失事件符號說明

由表3可知,各基本事件之間共同作用相互影響,通過分析基本事件之間作用機理,對各事件進(jìn)行與或門連接,構(gòu)建出供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹模型,如圖2所示。頂上事件A(供配電網(wǎng)電能異常損失)是所研究的對象事件,其發(fā)生的條件需同時滿足中間事件B1(電能異常損失現(xiàn)象發(fā)生)及中間事件B2(供電部門未查處電能異常損失行為),中間事件B1與B2的發(fā)生又需各自對應(yīng)的基本事件所導(dǎo)致。

圖2 供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹模型

根據(jù)電能異常損失事故樹模型得知,共有8項電能異常損失的基本事件X1—X8,9項中間事件,分別為B1與B2、C1—C5以及D1與D2,若頂上事件A發(fā)生事故,導(dǎo)致電能異常損失,需事件B1與事件B2同時發(fā)生事故。中間事件C1—C3、C4與C5至少一項發(fā)生事故時均會導(dǎo)致所對應(yīng)事件B1或B2發(fā)生事故。而事件C1—C3則需各自對應(yīng)的2項基本事件同時發(fā)生才會導(dǎo)致事件C1—C3發(fā)生事故。事件D1、D2任一項發(fā)生時均會導(dǎo)致中間事件C4,同理事件C5與事件D1、D2的事故發(fā)生需其所對應(yīng)的各自基本事件至少一項發(fā)生。根據(jù)電能異常損失事故樹模型、邏輯表達(dá)式及邏輯符號的連接方式可推導(dǎo)出基本事件導(dǎo)致的頂上事件發(fā)生的公式

3.2 事故樹結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

供配電網(wǎng)事故樹結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的求解與評估是對結(jié)果的總結(jié)分析,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的大小反映的是供配電網(wǎng)中各影響因素對電能異常損失的影響程度,可對整體的供配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的分析描述,把握供配電網(wǎng)降低電能異常損失的工作側(cè)重點。在供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹模型中,8項基本事件共同組成256種組合方式,8項基本事件相互獨立存在但又相互影響共同作用,不同組合模式下對頂上事件的影響結(jié)果各有不同。

首先將8項基本事件組合而成的256種組合方式帶入公式(9),依據(jù)函數(shù)對基本事件發(fā)生/不發(fā)生的各種組合情況進(jìn)行構(gòu)建,得出不同組合方式下基本事件的變化導(dǎo)致電能異常損失發(fā)生/不發(fā)生的組合個數(shù),供配電網(wǎng)電能異常損失的基本事件組合方式及電能異常損失事故發(fā)生與不發(fā)生組合個數(shù)如表4所示。最后將不同組合方式下的基本事件導(dǎo)致電能異常損失事故發(fā)生與不發(fā)生的組合個數(shù)帶入公式(8)中進(jìn)行計算,即可求解出供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),結(jié)果如表5所示。

表4 供配電網(wǎng)電能異常損失基本事件組合關(guān)系分析

表5 供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

依據(jù)結(jié)果對供配電網(wǎng)電能異常損失因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)排序:X2>X1>X3=X4>X5=X6=X7=X8。根據(jù)計算得到的供配電網(wǎng)電能損失事故樹結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),可得出各影響因素對供配電網(wǎng)電能異常損失的影響程度,呈現(xiàn)出3個不同的分布帶,其中毀壞計量裝置的基本事件X1與發(fā)生竊電行為的基本事件X2可歸為一類,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)最大,對供配電網(wǎng)電能異常損失的影響程度也最大;其次為供配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理的基本事件X3與計量裝置水平不足的基本事件X4,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)較小,對供配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度較小;基本事件X5、X6、X7、X8的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)相同且值最小,表明對供配電網(wǎng)電能異常損失的影響程度微弱,造成電能異常損失的風(fēng)險低。

4 結(jié)論

本文采用事故樹分析法對供配電網(wǎng)電能異常損失進(jìn)行研究,建立供配電網(wǎng)電能異常損失事故樹模型,求解各基本事件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);分析表明,在供配電網(wǎng)電能異常損失因素中,人為因素、監(jiān)管稽查因素及設(shè)備因素為主要因素,對電能異常損失影響大;器具類、信息類及環(huán)境類的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)較低,對電能異常損失影響程度較小。電力部門應(yīng)著重從用戶安全教育、工作人員素質(zhì)、監(jiān)管稽查三方面加強電力安全建設(shè),可定期開展用戶安全教育、定期對工作人員培訓(xùn)、完善監(jiān)督舉報機制并有效利用大數(shù)據(jù)信息,提升稽查準(zhǔn)確率、對計量裝置定期檢查維護(hù)并合理裝配設(shè)備,降低供配電網(wǎng)電能異常損失。在后面的工作中,可在算法研究的基礎(chǔ)上通過研制智能采集、計量、分析設(shè)備對電能異常損失事故進(jìn)行精準(zhǔn)判斷,準(zhǔn)確鑒別出運行異常的用電裝置和用電用戶,提高反電損工作的高效化、智能化以及規(guī)范化,遏制竊電行為等事件的發(fā)生。