劉 莎,李林發(fā),史小強(qiáng),劉 媛,鄒 戈,王天華,郭 鵬
(1.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518048;2.天地電研(北京)科技有限公司,北京 102206)
1998年原電力工業(yè)部頒布《輸變電設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)規(guī)程(暫行)》,經(jīng)2003、2012年兩次修訂形成現(xiàn)行的《DLT 837-2012輸變電設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)規(guī)程》。該規(guī)程的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了對(duì)全行業(yè)范圍內(nèi)的輸變電設(shè)施可靠性統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)工作的統(tǒng)一、規(guī)范管理,促進(jìn)了電力安全生產(chǎn)和設(shè)備管理工作的深入開(kāi)展,為輸變電系統(tǒng)[1]可靠性統(tǒng)計(jì)、分析工作奠定了基礎(chǔ)。
我國(guó)與美國(guó)、英國(guó)等國(guó)際先進(jìn)電力企業(yè)在輸變電系統(tǒng)可靠性管理方面的差異[2][3]主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是評(píng)價(jià)指標(biāo)種類繁多,指標(biāo)使用率偏低,缺乏準(zhǔn)確反映設(shè)備質(zhì)量及健康狀況的綜合性指標(biāo);二是與國(guó)外同行相比,國(guó)內(nèi)施行的輸變電系統(tǒng)可靠性管理體系主要側(cè)重于對(duì)設(shè)施水平的評(píng)價(jià),而在網(wǎng)架能力、系統(tǒng)連續(xù)性方面較為薄弱;三是以特定的時(shí)間區(qū)段統(tǒng)計(jì),不能對(duì)電網(wǎng)設(shè)備投產(chǎn)、運(yùn)維、檢修直至退役這一全過(guò)程進(jìn)行完整評(píng)估分析,無(wú)法形成對(duì)資產(chǎn)全生命周期管理在指標(biāo)數(shù)據(jù)上的有力支撐。
由此,我國(guó)輸變電系統(tǒng)可靠性管理仍主要基于輸變電設(shè)施可靠性管理,在電力結(jié)構(gòu)調(diào)整、管理升級(jí)以及企業(yè)信息化變革的新形勢(shì)下,在與國(guó)際先進(jìn)電網(wǎng)企業(yè)管理水平接軌的需求下,制定與之適應(yīng)的輸變電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系已勢(shì)在必行。本文構(gòu)建適于我國(guó)電網(wǎng)及管理現(xiàn)狀的輸電網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)體系,并進(jìn)一步研究輸變電可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在實(shí)際工作中的應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性管理、運(yùn)維、規(guī)劃等相關(guān)工作的橫向輔助決策作用。
輸變電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)對(duì)象應(yīng)為由輸變電設(shè)施組成的輸電網(wǎng)整體[4],為了能夠體現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)便于統(tǒng)計(jì)分析,本文考慮建立回路、傳輸點(diǎn)模型。根據(jù)設(shè)備輸、變電功能的不同,將多個(gè)設(shè)備組成一個(gè)“回路”[5][6],通過(guò)構(gòu)建回路模型,實(shí)現(xiàn)以停電功能組為單元的指標(biāo)統(tǒng)計(jì),反映運(yùn)維檢修策略合理性。模擬供電可靠性評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建傳輸點(diǎn)模型,實(shí)現(xiàn)輸變電系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)。
輸電網(wǎng)可以表征為以“傳輸點(diǎn)”為供電節(jié)點(diǎn)的多個(gè)“回路”的連接集合,如圖1所示。
圖1 輸變電系統(tǒng)模型圖Fig.1 Power transmission system model
回路是連接兩個(gè)或更多的傳輸終端、變電站或者系統(tǒng)傳輸點(diǎn)的設(shè)備組,它的劃分與檢修運(yùn)維單元一致。根據(jù)我國(guó)輸電系統(tǒng)可靠性管理工作實(shí)際情況,可以將回路分為三類:變電回路、輸電回路和母線回路。
變電回路是以變壓器為主體,用以實(shí)現(xiàn)各電壓等級(jí)之間電能變換功能的回路。對(duì)于T接線(包括多個(gè)分支的T接線),如有一側(cè)變電站為線變組接線,則該回路整體都劃分為一個(gè)變電回路;由單相變壓器組成的三相變壓器組,三相作為一個(gè)變電回路統(tǒng)計(jì);換流變壓器的交流側(cè)統(tǒng)計(jì)為一個(gè)變電回路。
輸電回路是以輸電線路為主體,用以實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)(變電站、電廠、開(kāi)關(guān)站或用戶)之間電能傳輸?shù)幕芈?。T型接線的輸電回路包括各分支輸電線本體以及輸電線所連接的變電站母線回路傳輸點(diǎn)以內(nèi)的設(shè)備(不含母線傳輸點(diǎn))。
母線回路是以變壓器某側(cè)電壓等級(jí)母線為整體組成的回路,包含母線本體及與各側(cè)輸電回路、變電回路傳輸點(diǎn)以內(nèi)的設(shè)備,包含直接與母線段相連的隔離開(kāi)關(guān)和獨(dú)立連接到該段母線上的不單獨(dú)構(gòu)成回路的設(shè)備(如避雷器、電壓互感器、電容式電壓互感器等)。由于母線故障概率極低,從簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)工作量角度出發(fā),母線回路僅起到拓?fù)溥B接作用,指標(biāo)可不統(tǒng)計(jì)。
輸電系統(tǒng)傳輸點(diǎn)為提供輸電服務(wù)的功能割集。輸電系統(tǒng)通過(guò)傳輸點(diǎn)為輸電系統(tǒng)用戶(這里是指廣義的用戶,包括發(fā)電系統(tǒng)、互聯(lián)輸電系統(tǒng)、用戶系統(tǒng)和配電系統(tǒng))提供輸電服務(wù)。傳輸點(diǎn)一側(cè)是輸電系統(tǒng)回路,另一側(cè)是輸電系統(tǒng)用戶,電能只能通過(guò)傳輸點(diǎn)在輸電系統(tǒng)與輸電系統(tǒng)用戶之間進(jìn)行交換。傳輸點(diǎn)按功能進(jìn)行劃分,分為發(fā)電傳輸點(diǎn)、互聯(lián)傳輸點(diǎn)、用戶傳輸點(diǎn)和配電傳輸點(diǎn)四種,如圖2~圖5所示。
圖2 輸配傳輸點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution delivery point
圖3 發(fā)電傳輸點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of generation delivery point
圖4 互聯(lián)傳輸點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of Interconnection delivery point
圖5 用戶傳輸點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of load delivery point
(1)輸配傳輸點(diǎn):實(shí)現(xiàn)由輸電系統(tǒng)向配電系統(tǒng)傳輸電能作用的傳輸點(diǎn),是輸電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)邊界,為輸電系統(tǒng)配電變電站10 kV配電母線組。
(2)發(fā)電傳輸點(diǎn):實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)向輸電系統(tǒng)傳輸電能作用的傳輸點(diǎn),是輸電系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)邊界,為輸電系統(tǒng)與發(fā)電變電站邊界的所有斷路器集合。
(3)互聯(lián)傳輸點(diǎn):實(shí)現(xiàn)不同輸電系統(tǒng)之間交換電能作用的傳輸點(diǎn),是輸電系統(tǒng)與其他輸電系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)邊界,為輸電系統(tǒng)互聯(lián)變電站邊界的所有斷路器集合。
(4)用戶傳輸點(diǎn):實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)向用戶傳輸電能作用的傳輸點(diǎn),是輸電系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)邊界,為輸電系統(tǒng)與用戶變電站邊界的所有斷路器集合。
為了能夠反映變電系統(tǒng)的綜合可靠性水平,分別從回路、傳輸點(diǎn)、停電事件三個(gè)維度設(shè)置可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)?;芈贩謩e從停運(yùn)時(shí)間、停運(yùn)頻率、停電范圍三個(gè)層次設(shè)置可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)?;芈分饕u(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1[7-8]。
表1 回路指標(biāo)匯總表Tab.1 Circuit reliability index summary table
傳輸點(diǎn)作用輸變電系統(tǒng)的“用戶”點(diǎn),可反映輸變電系統(tǒng)的綜合可靠性水平,傳輸點(diǎn)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。
表2 傳輸點(diǎn)指標(biāo)匯總表Tab.2 Delivery point reliability index summary table
與供電可靠性統(tǒng)計(jì)相比輸變電系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計(jì)會(huì)面臨到的問(wèn)題是:輸電網(wǎng)網(wǎng)架一般要求滿足N-1校驗(yàn)、甚至N-2校驗(yàn),并且為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行,若出現(xiàn)故障,不停電或通過(guò)下級(jí)電網(wǎng)快速倒供情況較為普遍,但并不等同于不同的停電事件對(duì)電網(wǎng)的危害程度是相同的(傳輸點(diǎn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)難以反映此問(wèn)題),因此本文提出設(shè)置停電事件嚴(yán)重性綜合指標(biāo),用以評(píng)價(jià)輸變電系統(tǒng)停電事件[9](并非一定有負(fù)荷損失)的嚴(yán)重程度。
停電嚴(yán)重性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)共包括4項(xiàng)子指標(biāo),分別為傳輸點(diǎn)失負(fù)荷嚴(yán)重性指標(biāo)、回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)、電源停運(yùn)(降額)嚴(yán)重性指標(biāo)和停電嚴(yán)重性綜合指標(biāo)。傳輸點(diǎn)失負(fù)荷嚴(yán)重性指標(biāo)表示傳輸點(diǎn)損失電量比例,回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)表示回路停運(yùn)容量比例,電源停運(yùn)(降額)嚴(yán)重性指標(biāo)表示電源停運(yùn)(降額)比例的指標(biāo),停電嚴(yán)重性綜合指標(biāo)是以上三個(gè)指標(biāo)的加權(quán)值,是系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo),綜合體現(xiàn)輸變電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)情況。
將輸變電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用于工作實(shí)際并起到一定的輔助決策作用,是輸變電可靠性評(píng)價(jià)體系建立的根本目的,也是決定輸變電可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)是否能長(zhǎng)久保持其生命力的關(guān)鍵所在。為了實(shí)現(xiàn)輸變電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)對(duì)可靠性管理、運(yùn)行維護(hù)、規(guī)劃等橫向相關(guān)工作的指導(dǎo)作用,本文提出建立回路可靠度矩陣,如圖6所示,矩陣橫軸為回路健康度,矩陣縱軸為回路重要度?;芈方】刀扔稍u(píng)價(jià)指標(biāo)判定,回路重要度由評(píng)估指標(biāo)判定。根據(jù)回路的重要和健康度劃分,確定回路的可靠度級(jí)別,回路可靠度級(jí)別從高到低分別為“Ⅰ級(jí)”、“Ⅱ級(jí)”、“Ⅲ級(jí)”、“Ⅳ級(jí)”。
圖6 回路可靠度矩陣Fig.6 Circuit reliability matrix
回路的健康度與組成設(shè)備的健康狀態(tài)直接相關(guān),如設(shè)備緊急、重大缺陷(隱患)、潛在缺陷(隱患)或故障等狀態(tài)。按照設(shè)備狀態(tài)的不同給出健康層級(jí)的判定條件:
(1)回路出現(xiàn)故障停運(yùn)或3次及以上預(yù)安排停運(yùn);
(2)回路無(wú)故障,但組成設(shè)備存在緊急狀態(tài);
(3)回路無(wú)故障,但組成設(shè)備存在重大缺陷(隱患)或潛在缺陷。
若回路處于(1)狀態(tài)為A級(jí)健康度,處于(2)狀態(tài)為B級(jí)健康度,處于(3)狀態(tài)為C級(jí)健康度,除上述狀態(tài)外為D級(jí)健康度。
回路的重要度由回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)相關(guān)。按照回路停運(yùn)嚴(yán)重性的范圍判定回路的關(guān)鍵等級(jí)。將回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)降序排列,分為4部分,前25%,前25%至50%,前50%至75%和其他。
(1)在正常運(yùn)行方式下,回路故障存在引發(fā)一般及以上電力安全事故可能的或回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)前25%;
(2)在正常運(yùn)行方式下,回路故障存在引發(fā)一級(jí)電力安全事件可能的或回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)前25%至50%;
(3)在正常運(yùn)行方式下,回路故障存在引發(fā)二、三級(jí)電力安全事件可能的或回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)前50%至75%。
若回路處于(1)狀態(tài)為A級(jí)重要度,處于(2)狀態(tài)為B級(jí)重要度,處于(3)狀態(tài)為C級(jí)重要度,除上述狀態(tài)外為D級(jí)重要度。
根據(jù)回路重要度和健康度,形成回路可靠度矩陣,確定回路管控級(jí)別?;芈饭芸丶?jí)別從高到低分為“Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)”。四級(jí)管控級(jí)別確定方式如下:
(1)Ⅰ級(jí)管控:A級(jí)健康度或A級(jí)重要度的回路,納入Ⅰ級(jí)管控;
(2)Ⅱ級(jí)管控:A級(jí)健康度且為C級(jí)或D級(jí)重要度,B級(jí)健康度且為B級(jí)或C級(jí)重要度,C級(jí)健康度且為A級(jí)或B級(jí)重要度,D級(jí)健康度且為A級(jí)重要度的回路,納入Ⅱ級(jí)管控;
(3)Ⅲ級(jí)管控:B級(jí)健康度且為D級(jí)重要度,C級(jí)健康度且為C級(jí)或D級(jí)重要度,D級(jí)健康度且為B級(jí)或C級(jí)重要度的回路,納入Ⅲ級(jí)管控;
(4)Ⅳ級(jí)管控:D級(jí)健康度且為D級(jí)重要度的回路,納入Ⅳ級(jí)管控。
Ⅰ級(jí)管控屬于高關(guān)注度回路,應(yīng)于年度內(nèi)加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)維,如果存在健康問(wèn)題,盡快查明原因并解決。Ⅱ級(jí)管控回路,如果存在健康問(wèn)題應(yīng)盡快查明原因并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和運(yùn)維,在次年解決。Ⅲ級(jí)管控回路應(yīng)加強(qiáng)完善,并在3年內(nèi)解決。
通過(guò)構(gòu)建可靠度矩陣,可辨識(shí)出可靠性薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵回路,但該薄弱環(huán)節(jié)是停電時(shí)間、停電次數(shù)造成仍無(wú)從得知。為了能夠進(jìn)一步輔助明確供電可靠性提升的具體措施,本節(jié)研究停電時(shí)間、停電次數(shù)對(duì)可靠性綜合指標(biāo)的靈敏度分析,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵回路影響因素辨識(shí)。
停電嚴(yán)重性指標(biāo)可以用回路的事件來(lái)表示,具體表示方法如下:
假設(shè)輸變電系統(tǒng)由N個(gè)回路組成,Si代表第i個(gè)回路的狀態(tài),x=( )S1…Si…SN,由于Si是一個(gè)隨機(jī)變量,x是一個(gè)隨機(jī)矢量[10]。
假設(shè)每一個(gè)回路只有運(yùn)行和停運(yùn)兩種狀態(tài),并且回路的停運(yùn)是彼此獨(dú)立的事件,則Si是一個(gè)離散的隨機(jī)變量。Si=0表示運(yùn)行狀態(tài),Si=1表示停運(yùn)狀態(tài)[12]。
X表示系統(tǒng)狀態(tài)空間,它是系統(tǒng)狀態(tài)矢量x可能出現(xiàn)的所有情況的集合;P()x表示回路狀態(tài)矢量x發(fā)生的概率,即x的概率分布函數(shù)[12]。當(dāng)假定回路狀態(tài)是彼此獨(dú)立的隨機(jī)變量時(shí)
則回路i的傳輸點(diǎn)失負(fù)荷嚴(yán)重性指標(biāo)為
回路i的回路停運(yùn)嚴(yán)重性指標(biāo)為
回路i的電源停運(yùn)(降額)嚴(yán)重性指標(biāo)為
回路i的停電嚴(yán)重性指標(biāo)為
利用停電嚴(yán)重性指標(biāo)對(duì)回路停運(yùn)率和回路停運(yùn)時(shí)間求導(dǎo),求出回路對(duì)回路停運(yùn)率和回路停運(yùn)時(shí)間的靈敏度,對(duì)靈敏度排序,得出回路重要度。
停電嚴(yán)重性指標(biāo)對(duì)回路i的平均停運(yùn)率Oi的靈敏度為
停電嚴(yán)重性指標(biāo)對(duì)回路i的平均故障停運(yùn)時(shí)間Ti的靈敏度為
式中:N為回路數(shù);LOLx為狀態(tài)x的失負(fù)荷量;Cx為狀態(tài)x停運(yùn)回路容量;GOx為狀態(tài)x的電源停機(jī)(降額)出力;L為回路總負(fù)荷;C為回路總?cè)萘?;GO為發(fā)電機(jī)總出力;Ti為回路i平均故障停運(yùn)時(shí)間;T為統(tǒng)計(jì)期時(shí)間。
根據(jù)回路靈敏度指標(biāo),可以確定回路對(duì)平均停運(yùn)事件或平均停運(yùn)率的敏感程度,從而對(duì)靈敏度高的回路提出具體的可靠性提升措施。
以某市2015年電網(wǎng)為例進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算電壓層級(jí)包括500 kV、220 kV和110 kV三個(gè)電壓等級(jí),變電回路共622個(gè),輸電回路共617個(gè)?;芈?、傳輸點(diǎn)和停電嚴(yán)重性評(píng)價(jià)指標(biāo)分別見(jiàn)表3~5。
表3 輸變電系統(tǒng)可靠性回路評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 Power transmission circuit reliability evaluation index table
根據(jù)回路管控級(jí)別確定方法,計(jì)算得出電網(wǎng)回路的管控級(jí)別如表6所示。
表4 輸變電系統(tǒng)可靠性傳輸點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.4 Power transmission delivery point reliability evaluation index table
表5 停電嚴(yán)重性評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.5 Power outage severity index table
表6 各類回路管控級(jí)別統(tǒng)計(jì)Tab.6 four types of circuits control level statistics table
表7 Ⅰ級(jí)管控回路統(tǒng)計(jì)Tab.7 I control level circuits statistics table
考慮變電回路在“N-1”和“N-2”、輸電回路在“N-1”和路徑“N-1”方式,根據(jù)式(6)和(7)分別求出輸電回路和變電回路對(duì)故障停運(yùn)率和故障停運(yùn)時(shí)間的靈敏度,根據(jù)靈敏度排序情況,確定回路可靠性提升措施。表7對(duì)I級(jí)管控線路進(jìn)行靈敏度分析。
通過(guò)計(jì)算輸變電系統(tǒng)可靠性指標(biāo),可以看出,輸變電系統(tǒng)傳輸點(diǎn)平均停電時(shí)間為0.16 h,該市2015年戶均停電小時(shí)數(shù)為1.32 h,僅占用戶平均停電時(shí)間的10%左右。說(shuō)明供電可靠性進(jìn)一步提升空間仍在配電網(wǎng),應(yīng)從合理劃分供電范圍、加快配網(wǎng)站點(diǎn)布置、提升可轉(zhuǎn)供率方面完善電網(wǎng),需擴(kuò)大配網(wǎng)建設(shè)改造投資。
通過(guò)計(jì)算回路管控級(jí)別,可以看出,該市共計(jì)7個(gè)回路為I級(jí)管控回路。5回I級(jí)管控輸電回路,分別為:500 kV鵬深甲線、220 kV深李乙線、220 kV白坪乙線、220 kV梅皇甲線和220 kV梅水線;2回I級(jí)管控變電回路,分別為:220 kV東湖站3號(hào)主變和220 kV奮進(jìn)站2號(hào)主變。
通過(guò)對(duì)回路的靈敏度分析,可以看出,2015年電網(wǎng)I級(jí)管控回路對(duì)回路停運(yùn)率的靈敏度明顯大于對(duì)回路停運(yùn)時(shí)間的靈敏度,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注停運(yùn)次數(shù)管控。主要采取的措施有加強(qiáng)對(duì)輸電設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)綜合停電管理、加強(qiáng)老舊設(shè)備的健康度的評(píng)估等工作。也可根據(jù)各條回路的停電次數(shù)靈敏度明確該回路的關(guān)注度及相關(guān)措施的實(shí)施順序,進(jìn)一步輔助制定輸電網(wǎng)供電可靠性最優(yōu)化提升策略。
本文構(gòu)建輸變電可靠性評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電系統(tǒng)的可靠性統(tǒng)計(jì),并評(píng)估預(yù)警輸變電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),與國(guó)際先進(jìn)輸電網(wǎng)管理接軌。基于可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建可靠度矩陣,為指導(dǎo)可靠性管理、生產(chǎn)、運(yùn)維提供決策依據(jù),最大限度提升輸變電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的應(yīng)用性。以某市為例,對(duì)電網(wǎng)建模,計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo),完成回路的重要度和健康度分級(jí),進(jìn)而形成回路可靠度通用矩陣,完成回路可靠度分級(jí),為生產(chǎn)運(yùn)維等工作決策提供必要依據(jù)。
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