劉澤坤，于虹，郭鐵橋，徐成龍，程志萬

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，保定 071000)

電網(wǎng)狀態(tài)評估防范體系在輸電線路中的應(yīng)用

劉澤坤1，于虹2，郭鐵橋3，徐成龍1，程志萬2

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，保定 071000)

對云南電網(wǎng)64條輸電線路的基礎(chǔ)臺賬、運行工況、試驗記錄、故障及缺陷記錄等信息進行了收集和分析，運用CBRM方法評估輸電線路桿塔、架空導(dǎo)地線及其附屬設(shè)施在當(dāng)前和未來一定時間內(nèi)的健康指數(shù)、故障發(fā)生概率和風(fēng)險，從而為輸電線路的檢修、維護和技改等工作提。

CBRM；輸電線路；狀態(tài)評估；風(fēng)險評估；技術(shù)改造

0 前言

長期以來，國內(nèi)電力企業(yè)針對輸電線路仍執(zhí)行以周期性計劃檢修為主的預(yù)防性檢修策略[1-3]。檢修中就會遇到一些不可避免的問題，如工作量較大，檢修資源相對不足，不同線路或同一線路不同區(qū)段的設(shè)備在性能和工藝等方面都有明顯差異，而導(dǎo)致過修或少修等。如何準(zhǔn)確評估輸電線路的健康狀態(tài)和風(fēng)險，并建立一套科學(xué)、完整、可靠的輸電線路評估管理體系，已經(jīng)成為各供電企業(yè)亟需解決的問題。

1 CBRM評估方法概述

“基于電網(wǎng)狀態(tài)評估的風(fēng)險防范管理體系(簡稱CBRM)”包括狀態(tài)評估和風(fēng)險評估兩個部分。它是以老化理論的工程化應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合輸電線路的技術(shù)信息和實踐經(jīng)驗，不僅可以對輸電線路的當(dāng)前狀態(tài)、風(fēng)險進行評估，還能夠以對線路老化進程的數(shù)學(xué)模型的分析技術(shù)來評估和預(yù)測設(shè)備未來狀態(tài)和風(fēng)險的變化情況，最終能夠以數(shù)字量化設(shè)備當(dāng)前和未來的狀態(tài)、性能和風(fēng)險，并能夠模擬設(shè)備更換或大修計劃并對效果進行驗證。從而為制定優(yōu)化的檢修策略、技改及投資規(guī)劃提供有效的技術(shù)支持。

2 狀態(tài)評估

狀態(tài)評估是通過對影響線路健康狀態(tài)的各類技術(shù)參數(shù)、試驗數(shù)據(jù)、負(fù)載、環(huán)境、外觀、故障、缺陷等信息進行定量分析，按照預(yù)定的量化標(biāo)準(zhǔn)對各種信息進行數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換，計算得出輸電線路當(dāng)前及未來的健康指數(shù) (HI)和故障發(fā)生概率(POF)。

健康指數(shù)是一個在0～10之間連續(xù)變化并與時間相關(guān)的單一數(shù)值，用于表征桿塔、架空導(dǎo)地線及其附屬設(shè)施的健康程度，HI值越高表明狀態(tài)越差。故障發(fā)生概率指輸電線路設(shè)備發(fā)生故障的可能性，POF值越高則線路越趨向于發(fā)生故障。

2.1 健康指數(shù)的計算方法

健康指數(shù)HI的計算方法如下：

公式 (1)中：HI1為老化健康指數(shù)，HIb為狀態(tài)健康指數(shù)，f為綜合修正系數(shù)，F(xiàn)為三個狀態(tài)指數(shù)的邏輯判斷關(guān)系。

公式 (1)中老化健康指數(shù)HI1計算公式為：

公式 (2)中：HI0為初始健康指數(shù)，一般取值0.5，當(dāng)ΔT=0時，HI1=HI0=0.5。而當(dāng)線路設(shè)備在額定狀態(tài)下 (額定負(fù)荷情況及正常的運行環(huán)境)到達其設(shè)計使用壽命時，其老化健康指數(shù)值為5.5。即在老化模型當(dāng)中，理論老化健康指數(shù)值將介于0.5到5.5之間。

B為老化常數(shù)。當(dāng)線路設(shè)備從全新到壽命終止時 (ΔT=Texp=預(yù)期使用壽命)，分別有HI1= 5.5，HI0=0.5，ΔT=Texp，分別代入公式 (1)，可以推導(dǎo)出老化常數(shù)B的計算公式為：

fE為環(huán)境修正系數(shù)，用來修正老化常數(shù)。環(huán)境修正系數(shù)由污穢修正系數(shù)fWH以及氣象區(qū)修正系數(shù)fQX組成。公式為：

2.2 故障發(fā)生概率的計算方法

故障發(fā)生概率POF的計算方法如下：

公式 (5)中K為比例系數(shù)，C為曲率系數(shù)。C值可以通過兩個健康指數(shù)對應(yīng)的相對故障發(fā)生概率來計算 (通常這兩個健康指數(shù)設(shè)為10和HIlim)，C取1.335；K值是通過匹配健康指數(shù)柱狀圖和實際故障率得到的。

對于架空線路來說，其運行安全除受自身狀態(tài)影響之外，還與外界環(huán)境密切相關(guān)，因此其故障發(fā)生概率主要由兩部分構(gòu)成：外力因素引起的故障發(fā)生概率和自身狀態(tài)引起的故障發(fā)生概率，如圖1所示。

圖1 架空線路HI與POF關(guān)系

因此架空線路故障發(fā)生概率公式如下：

公式 (6)中，POFC表示自身狀態(tài)引起的故障發(fā)生概率 (由狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率)；POFE表示外部因素引起的故障發(fā)生概率 (由非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率)。

當(dāng)架空輸電線路設(shè)備健康指數(shù)小于HILim時，其對應(yīng)的故障發(fā)生概率為0。本次項目中，HILim設(shè)定為4。

公式 (8)中，n為設(shè)備數(shù)量，fPOF為非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率修正系數(shù)。

3 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估是通過對故障發(fā)生概率和故障后果的定義和定量分析計算得到的，架空輸電線路設(shè)備的風(fēng)險包括狀態(tài)風(fēng)險和非狀態(tài)風(fēng)險。每種風(fēng)險的子風(fēng)險值要從電網(wǎng)性能、修復(fù)成本、人身安全、環(huán)境影響四個方面計算。且每一子風(fēng)險均可用如下計算公式進行計算：

公式 (9)中，Risk為所要計算的風(fēng)險值，POF為故障發(fā)生概率，COF為平均故障后果，COA為電網(wǎng)單元的相對重要等級。其中因為各故障后果類別的量化單元并不一樣，所以有必要將他們統(tǒng)一成貨幣值，以便計算或?qū)Ρ取?/p>

所以某一類設(shè)備的風(fēng)險計算公式如下：j=1

其中，n為設(shè)備數(shù)量；m為故障后果分類數(shù)量，為4(即電網(wǎng)性能、人身安全、修復(fù)成本和環(huán)境影響)；Loadi，j為設(shè)備負(fù)荷 (僅用于電網(wǎng)性能故障后果計算，其他類別時都為1)；criticalityi，j為設(shè)備重要等級，其計算公式如下：

式中，n為設(shè)備數(shù)量；j為故障后果類型；critj為故障后果中的重要程度，其計算公式如下：

其中，wfj，k為j類故障后果中第 k個影響因素，p為影響因素的個數(shù)。

4 應(yīng)用實例

圖2 架空地線當(dāng)前年及未來第10年健康指數(shù)柱狀圖

運用CBRM方法對云南電網(wǎng)64條線路進行了狀態(tài)和風(fēng)險評估。得到了線路桿塔、金具、架空導(dǎo)線、地線、地線金具的當(dāng)前、未來狀態(tài)和風(fēng)險以及變化情況。下面例舉介紹了部分評估結(jié)果。

4.1 健康指數(shù)評估結(jié)果

以架空地線為例，其當(dāng)前年及未來第10年健康指數(shù)柱狀圖如圖2所示。

從上圖中可以看到，有800多個檔距地線的健康指數(shù)大于6，其中大部分是等于7。這些線路主要分布在110 kV晉撫呈鋪線、110 kV普馬線、110 kV普上黑線等線路上。這些線路的地線類型大部分都是GJ類型，且運行年限超過其平均壽命20年。對比架空地線當(dāng)前年和未來第10年健康指數(shù)可以明顯看到，有很多架空地線的健康指數(shù)往較大的區(qū)域移動。并且隨著健康指數(shù)的增大，其故障發(fā)生概率也將增大。

4.2 故障發(fā)生概率

架空輸電線路故障發(fā)生概率包括非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率和狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率。非狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率是一個恒定值，而狀態(tài)因素引起的故障發(fā)生概率是基于健康指數(shù)的計算結(jié)果得到的。當(dāng)前年和沒有采取任何維護措施的未來第10年故障變化情況如下表1所示

表1 當(dāng)前年和未來第10年故障率變化情況

4.3 風(fēng)險評估結(jié)果

架空輸電線路設(shè)備的風(fēng)險包括電網(wǎng)性能、修復(fù)資金、人身安全和環(huán)境影響四個子風(fēng)險，對于每一類風(fēng)險都能夠計算出相應(yīng)的風(fēng)險值，總風(fēng)險等于四個子風(fēng)險之和。當(dāng)前年架空輸電線路各設(shè)備風(fēng)險柱狀圖和未來第10年架空輸電線路各設(shè)備狀態(tài)與非狀態(tài)風(fēng)險柱狀圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 當(dāng)前年架空輸電線路各設(shè)備風(fēng)險柱狀圖

從圖3中可以看到，電網(wǎng)性能風(fēng)險是各設(shè)備總風(fēng)險的主要組成部分。另外，導(dǎo)線的風(fēng)險最高。這主要是由于導(dǎo)線由非狀態(tài)因素引起的故障率比其他輸電線路設(shè)備的高。

圖4 未來第10年架空輸電線路各設(shè)備狀態(tài)與非狀態(tài)風(fēng)險柱狀圖

從圖4中可以看到，在未來第10年，架空輸電線路的非狀態(tài)風(fēng)險保持恒定，而狀態(tài)風(fēng)險都有所增加，這主要是由于設(shè)備的狀態(tài)變差引起的。由于云南電網(wǎng)公司對桿塔的有效維護，使得桿塔的狀態(tài)良好，狀態(tài)風(fēng)險很低。

4.4 評估結(jié)果分析實例

110 kV普馬線架空地線當(dāng)前年及未來第10年健康指數(shù)及風(fēng)險分布情況如圖5所示。

圖5 架空地線健康指數(shù)分布情況

從圖5可以看到，當(dāng)前年架空地線的健康指數(shù)都為7，這主要是由于其運行年限超過平均壽命引起的。110 kV普馬線地線都為GJ類型，其平均壽命僅為20年。在采取更換措施前，建議先對地線進行詳細(xì)的狀態(tài)評估，比如通過采樣試驗分析。若實際情況與評估模型評估出來的狀態(tài)類似，那么就可以對架空地線進行大修技改。如果不對架空地線進行大修技改的話，那么未來第10年其健康指數(shù)將大于10。從圖4、圖5可以看出，如果對架空地線進行了更換，那么其健康指數(shù)將回到非常低的水平。

架空地線當(dāng)前年、未來第10年以及采取技改措施后的風(fēng)險分布情況如圖6所示。

圖6 架空地線風(fēng)險分布

5 結(jié)束語

通過CBRM方法對云南電網(wǎng)架空輸電線路評估中的應(yīng)用實施，直觀地了解到了每一基桿塔、對應(yīng)檔距內(nèi)架空導(dǎo)地線及其附屬設(shè)施當(dāng)前所處的健康狀態(tài)、故障發(fā)生概率和風(fēng)險，并依據(jù)當(dāng)前評估結(jié)果預(yù)測了輸電線路在未來的狀態(tài)和風(fēng)險變化趨勢。此次CBRM方法在線路評估中的應(yīng)用符合電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的要求，對提高電網(wǎng)的可靠性有巨大推動作用，為投資規(guī)劃和技改戰(zhàn)略提供了科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)，為電力公司有效的提高了經(jīng)濟效益。

[1] QGDW 173—2008.架空輸電線路狀態(tài)評價導(dǎo)則 [S].

[2] Q/CSG1 0010—2004.輸變電設(shè)備狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn) [S].

[3] Q/CSR 1 0007—2004.電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程 [S].

[4] 韓富春，董邦洲，賈雷亮，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路運行狀態(tài)評估 [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008，20(1)：101-104.

[5] 李紅艷.輸電線路狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀分析及建議 [J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30(5)：45-48.

[6] 田豐，盛四清，李燕青，等.灰靶理論在CBRM狀態(tài)評估中的應(yīng)用 [J].電力科學(xué)與工程，2011，27(5)：1-4.

于虹，女，博士，高級工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事在線監(jiān)測與故障診斷、狀態(tài)評估方向的研究；

郭鐵橋，男，副教授，華北電力大學(xué)，從事在線監(jiān)測與故障診斷方向的研究 (e-mail)gtq1958＠163.com。

Application of CBRM Transmission Lines Evaluation in Yunnan

LIU Zekun1，YU Hong2，GUO Tieqiao3，XU Chenglong1，CHENG Zhiwan2
(1.North China Electric Power University，Yunnan Power Grid Corporation Graduate Workstation，Kunming 650217；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.North China Electric Power University，Department of Mechanical Engineering，Baoding，Hebei 071003)

many information of 64 electric transmission lines was collected and analyzed in Yunnan power grid，such as basic parameter，operation condition，the test record，faults and defects record.The health index and failure probability and risk of transmission line tower，overhead ground wire and affiliated facilities have been evaluated By the CBRM within a certain time in the current and future.So that it can provide effective support for technical innovation，overhaul，maintenance of electric transmission line.

CBRM；transmission lines；state evaluation；risk assessment；technical transformation

TM76

B

1006-7345(2014)04-0049-05

2014-04-15

劉澤坤，男，碩士研究生，華北電力大學(xué)云南電科院研究生工作站，從事在線監(jiān)測與故障診斷、狀態(tài)評估方向的研究 (email)598128554＠qq.com；