陳博文,檀青松,薛 寧

(國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

變電站操作過程的人為可靠性分析

陳博文,檀青松,薛 寧

(國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051)

從工程應(yīng)用的角度出發(fā),對變電站操作過程中的人為因素進(jìn)行建模分析,將人為因素分為靜態(tài)影響因素和動態(tài)影響因素,根據(jù)操作任務(wù)的特點,將操作場景分為常規(guī)類型操作、長時間持續(xù)操作和應(yīng)急操作三類,針對容易發(fā)生人為失誤的后兩種操作情景,分別提出了相應(yīng)的人為操作可靠性分析方法,并以變電站實際操作為例,對所提出的方法進(jìn)行驗證。算例分析表明,人為因素模型和人為可靠性分析方法能夠充分考慮操作過程中的人為因素,能對操作風(fēng)險進(jìn)行事前評估,為操作風(fēng)險預(yù)控和操作規(guī)范的制定提供參考。

變電站操作;人為因素建模;可靠性分析;風(fēng)險預(yù)控

1 概述

隨著變電站智能化水平的不斷提高,變電站趨于無人值守或少人值守。但是到目前為止,變電站很多操作還離不開人的參與,因此對人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和實際操作能力提出了更高的要求。

由于變電站運行中設(shè)備較多、線路復(fù)雜,設(shè)備操作過程中因人為因素導(dǎo)致的事故時有發(fā)生,嚴(yán)重時會導(dǎo)致大面積停電、設(shè)備損壞,甚至造成人員傷亡,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。由于運行人員誤操作導(dǎo)致遼寧電網(wǎng)220 k V凌源變電站全停。通過分析電網(wǎng)事故可以發(fā)現(xiàn),人為因素對變電站操作可靠性有很大影響。因此,對影響變電站操作的人為因素進(jìn)行建模,操作前對人為因素可能造成的風(fēng)險進(jìn)行評估和預(yù)控具有重要意義[1]。

電力系統(tǒng)領(lǐng)域人為可靠性方面研究較少,主要通過制定安全操作規(guī)程、采取考核管理制度來預(yù)防人為操作和失誤的發(fā)生。盡管電氣操作的規(guī)則和步驟已非常細(xì)化和完善,但人為失誤依舊是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的風(fēng)險源。在近些年發(fā)生的大停電事故分析過程中,人們逐漸認(rèn)識到在電力系統(tǒng)可靠性研究中引入人為可靠性和人為因素量化分析的必要性,也有學(xué)者開始了這方面的研究。文獻(xiàn)[2]通過對貴州電網(wǎng)人為因素事故進(jìn)行統(tǒng)計分析,總結(jié)出一般不安全行為和事故原因;文獻(xiàn)[3]采用事故因果繼承原則研究了變電站誤操作發(fā)生的直接和間接原因;文獻(xiàn)[4]結(jié)合電力系統(tǒng)中倒閘操作的流程和電網(wǎng)公司的操作規(guī)范,提出一種基于SLIM的電網(wǎng)人為因素可靠性量化分析方法。以下從實際應(yīng)用的角度出發(fā),對影響變電站操作的人為因素進(jìn)行分析。

2 變電站典型操作分析

變電站運維人員的職責(zé)主要分為值班監(jiān)視和運行操作兩部分。值班監(jiān)視包括遙測、遙信的監(jiān)視和接收、執(zhí)行調(diào)度中心下發(fā)的遙控遙調(diào)指令以及定期巡視和檢查。運行操作主要包括一次部分(如斷路器、隔離開關(guān)的分合控制等)和二次部分: (保護(hù)裝置的裝置壓板投退、定值區(qū)切換等)。變電運行操作涉及設(shè)備較多,操作步驟順序比較復(fù)雜,出錯風(fēng)險較高,是一個專業(yè)性較強、安全責(zé)任較大的工種。

根據(jù)操作任務(wù)的類型,本文以操作時間為標(biāo)準(zhǔn)將操作分為3類。

a.常規(guī)類型操作。變電站大部分操作都屬于常規(guī)類型操作,操作員任務(wù)明確、對操作步驟程序熟悉、有足夠的時間完成操作。一般來說,操作人員參加過足夠多的培訓(xùn),在完成常規(guī)類型操作時發(fā)生操作失誤概率很低。

b.長時間持續(xù)操作。長時間持續(xù)操作是指需要操作人員長時間持續(xù)工作,例如全站停電、新設(shè)備投運等,在長時間工作中會出現(xiàn)操作員疲勞狀態(tài)。我國電力部門有關(guān)事故統(tǒng)計資料表明,由于疲勞而發(fā)生的事故在人為事故中占有很大的比重[]。

c.應(yīng)急場景下操作。電網(wǎng)發(fā)生突發(fā)故障或事故時,需要變電運行人員迅速做出準(zhǔn)確的判斷,并正確處理,避免事故范圍擴大及給設(shè)備造成進(jìn)一步的損壞。在應(yīng)急場景下,時間緊急、操作人員壓力大,發(fā)生人為操作失誤的概率也會大大增加。

3 影響變電站操作的人為因素分析

變電站中容易發(fā)生人為失誤有長時間持續(xù)操作和應(yīng)急場景下操作2種情景,對影響運行人員操作的因素進(jìn)行建模,并提出相應(yīng)的人為操作失誤概率的量化方法。

變電站運行人員需要根據(jù)變電站當(dāng)前運行狀態(tài),結(jié)合系統(tǒng)的要求而采取操作,這一過程可以表述為人與系統(tǒng)的交互過程,如圖1所示[6]。變電站運行人員對變電站當(dāng)前運行狀態(tài)進(jìn)行感知,包含對運行狀態(tài)的認(rèn)知、對系統(tǒng)運行要求的理解,根據(jù)狀態(tài)感知的結(jié)果進(jìn)行判斷和決策,將判斷決策的結(jié)果付諸于實際行動,作用于變電站和電力系統(tǒng)。

圖1 變電站中人與系統(tǒng)的交互過程

圖1所示的變電站運行人員和系統(tǒng)的交互過程受到很多因素的影響,如變電站環(huán)境條件、運行人員知識水平、變電站的運行規(guī)程等。當(dāng)這些影響因素都為負(fù)面效應(yīng)時,很可能發(fā)生人為失誤。該文把所有對運行人員操作產(chǎn)生影響的因素定義為人為因素,并根據(jù)人為因素的特點將其分為靜態(tài)影響因素和動態(tài)人為因素。

靜態(tài)影響因素主要用來描述和操作人員有關(guān)的因素,如工作經(jīng)驗、技能水平、責(zé)任心和歷史失誤率等。靜態(tài)影響因素也可以表述為非實時因素,在一定時間內(nèi)這些因素的水平不會發(fā)生改變。動態(tài)影響因素主要用來描述和當(dāng)前操作相關(guān)的因素,如任務(wù)強度、操作時間段、心理情緒和操作工況等。動態(tài)影響因素也可表述為實時因素,在完成不同操作任務(wù)時,這些因素的水平可能會有很大差異。各因素的描述如表1所示。

表1影響變電站操作的因素

當(dāng)各人為因素處于不同水平時,對操作人員行為的影響也是不同的。該文采用綜合影響指數(shù)表示人為因素的影響效應(yīng)。

式中:IFSIF、IFDIF分別為靜態(tài)影響因素、動態(tài)影響因素影響系數(shù);IFHF為人為因素綜合影響系數(shù);α、β、γ為各個系數(shù)的權(quán)重。IFSIFi、IFDIFi分別為各人為因素的影響效應(yīng),其取值范圍為[-1,1]。

4 人為可靠性分析

變電站中操作類型繁多,不同類型操作任務(wù)中發(fā)生人為失誤的主要原因不同,各影響因素的影響程度也有差異,合理區(qū)分操作類型是準(zhǔn)確量化人為可靠性的關(guān)鍵。

4.1 長時間持續(xù)操作場景下人為可靠性分析

長時間持續(xù)操作場景下影響人為失誤的主要因素是持續(xù)工作時間,任務(wù)開始時操作員狀態(tài)較好,操作員人為失誤率維持一個較低的水平,隨著連續(xù)工作時間的增加,人為失誤率不斷增大。采用比例故障模型(PH M)[7]來分析長時間持續(xù)操作場景下的人為操作失誤情況。

PHM模型中故障率函數(shù)包含基準(zhǔn)故障率函數(shù)和連接函數(shù),前者可用來表征人為失誤概率隨工作時間的變化,后者可用來表示人為因素的影響,如公式(4)所示。

式中:h0(t)為基準(zhǔn)故障率函數(shù),用來表示持續(xù)工作時間的影響,一般采用威布爾分布。連接函數(shù)ψ(Z)反映處于不同狀態(tài)下人為因素的影響。

假設(shè)操作任務(wù)開始時刻為t=0,那么發(fā)生人為失誤的概率為:

4.2 應(yīng)急操作場景下人為可靠性分析

應(yīng)急操作場景中,變電站內(nèi)發(fā)生突發(fā)故障,需要操作人員在允許時間內(nèi)排除故障,恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定。在這種情景下,操作時間短、面臨壓力大,很容易發(fā)生操作失誤。據(jù)統(tǒng)計,應(yīng)急操作中發(fā)生人為失誤概率和允許操作時間相關(guān),可以用三參數(shù)威布爾分布表述[7]。

式中:t為操作允許時間,由系統(tǒng)特性決定的;T1/2為執(zhí)行時間;σ、μ、τ分別為分布尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù),與具體操作有關(guān)。根據(jù)Rasmussen J提出的SRK框架,操作行為分為技能型、規(guī)則型和知識型3類[9],對于每種操作行為σ、μ、τ的取值也不同。

式中:T1/2,n為一般情況下完成操作所需時間(如統(tǒng)計平均值);f(IFHF)為人為因素的調(diào)整系數(shù),對于不同操作人員完成操作所需的時間有差異。

5 算例分析

結(jié)合變電站實際操作,選取了2個案例進(jìn)行分析,對所提出的方法進(jìn)行驗證。

5.1 長時間持續(xù)操作場景

變電站中有很多情景需要操作人員長時間持續(xù)操作,例如變電站進(jìn)行全站停電下的主變壓器年檢工作,工作票上批準(zhǔn)的檢修期為2天,期間要對2臺主變壓器進(jìn)行年檢工作,工作涉及檢修、保護(hù)、高壓試驗等多個專業(yè)的班組,項目復(fù)雜,工作時間緊。在該類型人為操作可靠性分析中采用比例故障模型進(jìn)行建模,其中失誤率基準(zhǔn)函數(shù)選用兩參數(shù)威布爾分布,連接函數(shù)選用指數(shù)分布。比例概率模型中的基準(zhǔn)函數(shù)如下:

由公式(5)可知,發(fā)生人為操作失誤的概率可表述為:

模型的參數(shù)可以通過歷史數(shù)據(jù)評估得到[8],不做詳細(xì)討論。假設(shè)β=3,α=200 h,當(dāng)人為因素處于不同水平時,人為操作失誤概率隨持續(xù)工作時間的變化如圖2所示。

圖2 人為失誤概率隨時間的變化曲線

由圖2可知,人為因素對變電站人員操作可靠性有很大影響,并且隨著持續(xù)工作時間的增加,發(fā)生人為失誤的概率不斷增大。

例如,某新建500 k V變電站投運工作,調(diào)度批復(fù)時間為:2015年09月17日8:00至2015年09月18日18:00。2天期間,需要對全站一、二次設(shè)備進(jìn)行操作,時間緊,需要持續(xù)作業(yè),并按時完工。對于經(jīng)驗豐富的操作員(A)和新員工(B)來說,隨著持續(xù)工作時間增加,發(fā)生人為操作失誤的概率如下表所示表2所示。

表2不同時刻時發(fā)生人為操作失誤的概率

從表2可以看出,隨著持續(xù)工作時間的增加,無論對于經(jīng)驗豐富的操作員還是新員工,發(fā)生人為操作失誤的概率都會大大增加。當(dāng)工作時間為48 h,發(fā)生人為失誤概率分別達(dá)到0.020 8和0.075 0。為提高人員操作可靠性,應(yīng)盡量將工作時間維持在合理范圍內(nèi),避免長時間疲勞操作。另外,在同樣的工作強度下,通過有效措施改善操作人員心理狀態(tài)和身體狀態(tài)、提高操作人員技能經(jīng)驗、優(yōu)化環(huán)境因素可以降低發(fā)生人為失誤概率。

5.2 應(yīng)急操作場景

當(dāng)變電站出現(xiàn)突發(fā)故障或事故時,需要操作人員根據(jù)調(diào)度指令及時采取措施,恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定。例如,變電站發(fā)生二次直流接地時,運行人員應(yīng)通過“拉路法”對全站各間隔直流電源進(jìn)行排查,確定接地間隔,并通知維護(hù)人員快速到現(xiàn)場進(jìn)行檢修,以防出現(xiàn)保護(hù)誤動或拒動的情況。在故障處理過程中,人為操作的可靠性對于系統(tǒng)故障恢復(fù)有重要影響。在上述事故處理中,根據(jù)系統(tǒng)運行特性,假設(shè)需要操作人員在10 min內(nèi)完成此操作。

對于不同操作人員,由于知識經(jīng)驗、心理水平等因素的差別,其完成操作的可靠性也是有差別的。例如,操作員A經(jīng)驗豐富,處理過類似情況;而操作員B屬于新手,經(jīng)驗匱乏。

對于操作員A和B,利用應(yīng)急操作場景下人為可靠性分析的參數(shù)如表3所示,那么根據(jù)分析可以得到操作員發(fā)生人為失誤的概率,如表3最后一列所示。

表3應(yīng)急操作場景下人為失誤概率

從表3可以看出,操作員B在完成該應(yīng)急操作的失誤概率遠(yuǎn)大于A。在面臨突發(fā)事件時,操作的經(jīng)驗對結(jié)果有很大的影響,經(jīng)驗豐富操作員往往能夠及時發(fā)現(xiàn)問題所在,并將故障排除。

5.3 結(jié)果分析通過2個算例分析可知,無論對于長時間持續(xù)操作還是應(yīng)急操作,人為因素都有很大影響。

為降低人為操作失誤概率,應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)墓芸卮胧?提高人為操作的水平。對于靜態(tài)影響因素,可通過加強培訓(xùn)和操作班組間的交流提高操作人員經(jīng)驗和技能水平;通過加強安全責(zé)任教育、營造安全意識,提高操作人員責(zé)任心。對于動態(tài)影響因素,需要合理安排操作任務(wù),盡量避免長時間、高強度的工作;改善變電站操作環(huán)境、制定完善的事故預(yù)案,有助于提穩(wěn)定操作人員在常規(guī)操作和應(yīng)急操作時的心理情緒。

6 結(jié)論

變電站是電力系統(tǒng)中承擔(dān)電壓變換、電能傳輸和電能分配任務(wù)的重要節(jié)點,變電站的安全穩(wěn)定運行是電力公司向用戶提供連續(xù)、高質(zhì)量電能的前提。人為因素是影響變電站操作可靠性的重要因素之一,在很多情況下人為失誤或人員不安全行為會導(dǎo)致停電事故,因此,對人為因素進(jìn)行建模分析具有重要意義。

該文從工程應(yīng)用的角度出發(fā),對將人為因素分為靜態(tài)影響因素和動態(tài)影響因素,并提出了長時間持續(xù)操作和應(yīng)急操作情景下的人為操作可靠性分析方法。通過對變電站實際操作的分析,證明所提出方法的適用性。從分析結(jié)果可以看出人為因素對操作可靠性的影響,可根據(jù)定量分析結(jié)果,制定恰當(dāng)?shù)陌踩芸卮胧?。通過加強技能培訓(xùn)和安全責(zé)任教育、合理安排操作任務(wù)、制定完善事故預(yù)案等,提高人為因素水平,降低人為操作失誤概率,以保證變電站和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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本文責(zé)任編輯:王洪娟

Reliability Analysis of Human Errors in Substation Operation

Chen Bowen,Tan Qingsong,Xue Ning
(State Grid Hebei Electric Power Corperation Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China)

Based on field investigation,this paper analyzes and model human factors in power system substation operation.Human factors are classified into two types,static factors and dynamic factors.According to the characteristics of operation tasks, divides 3 categories,namely regular operation,long-time lasting operation,and emergency operation.Statistics show that human error is more likely to occur in the last two conditions.So we mainly consider the last two conditions,and propose realistic analysis methods to quantify human error probability.Practical case study shows that the proposed methods could be used for human operation reliability assessment in substations.

substation operation;human error modeling;reliability analysis;risk pre-control

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陳博文(1989-),男,助理工程師,主要從事繼電保護(hù)工作。