李俊輝，王文鐘，何德鑒

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.廣州依萊科電力科技有限公司，廣東 廣州 510630)

配電網(wǎng)作為輸電網(wǎng)與用戶的聯(lián)接部分，其可靠性直接影響著電力用戶的用電。配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量多，網(wǎng)架復(fù)雜，發(fā)生故障概率高[1-4]，有相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國80%以上的停電事故是由配電網(wǎng)引起的[5]，所以配電網(wǎng)可靠性是評(píng)價(jià)配電網(wǎng)建設(shè)效果的重要指標(biāo)。配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的最基本常用方法是故障模式影響分析(failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA)法[6]，該方法是通過列舉電網(wǎng)中所有可能發(fā)生的故障模式，分析計(jì)算其造成的后果，并將對(duì)應(yīng)的故障與后果羅列在故障模式影響表中，從而獲得所需的可靠性指標(biāo)。該算法可精確計(jì)算線路系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，但無法用于規(guī)模較大的復(fù)雜線路可靠性計(jì)算。隨后有學(xué)者在FMEA法的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)等值法[7-8]、最小路法[9-11]、分塊算法[12-14]、故障擴(kuò)散法[15-17]、元件分組算法[18]等多種改進(jìn)算法，這些算法均可有效減少故障枚舉的數(shù)量，提升算法的效率。文獻(xiàn)[19]對(duì)傳統(tǒng)FMEA法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了分塊枚舉等值的思路，減少了繁瑣的計(jì)算，有效提升了FMEA法過程中的計(jì)算效率。目前傳統(tǒng)FMEA法對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估中，在停電時(shí)間的設(shè)定上，均只能計(jì)算線路是否配置了自動(dòng)化這兩種情況下線路的可靠率。

目前配電網(wǎng)存在配置了不同自動(dòng)化模式的線路(如線路的部分分支開關(guān)投保護(hù)、線路部分分段開關(guān)投邏輯、部分分段開關(guān)無保護(hù)無自動(dòng)化等)，該部分線路發(fā)生故障時(shí)，不同自動(dòng)化模式開關(guān)對(duì)故障隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)供的動(dòng)作時(shí)間不相同，從而會(huì)出現(xiàn)不同停電時(shí)間的前向隔離停電區(qū)域或后向可轉(zhuǎn)供停電區(qū)域。傳統(tǒng)的FMEA法在前向隔離停電區(qū)域或后向可轉(zhuǎn)供停電區(qū)域均只設(shè)置一個(gè)停電時(shí)間，無法精確區(qū)分這些配置了多自動(dòng)化模式線路的開關(guān)由于動(dòng)作時(shí)間不同而出現(xiàn)的不同停電時(shí)間的前向隔離區(qū)域和后向可轉(zhuǎn)供區(qū)域的停電時(shí)間，導(dǎo)致無法精細(xì)化計(jì)算該部分線路的可靠性。此外，在配電網(wǎng)線路進(jìn)行的自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)數(shù)量與可靠性平衡計(jì)算中，由于開關(guān)配置多模式自動(dòng)化，線路發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)化開關(guān)多次動(dòng)作，導(dǎo)致線路停電區(qū)域劃分會(huì)發(fā)生變化，傳統(tǒng)FMEA法無法識(shí)別該變化，亦無法精準(zhǔn)計(jì)算此類線路的可靠性。本文結(jié)合目前相關(guān)的自動(dòng)化模式，通過增加元件停電區(qū)域和停電時(shí)間的分類細(xì)化劃分，使改進(jìn)后的FMEA法適用于配置了多自動(dòng)化模式的線路系統(tǒng)可靠性評(píng)估，成為配電網(wǎng)線路自動(dòng)化選點(diǎn)選模式的輔助計(jì)算方法。

本文首先介紹了傳統(tǒng)FMEA法的故障模式選擇、停電區(qū)域的具體劃分、停電時(shí)間的確定；其次，在傳統(tǒng)FMEA法的基礎(chǔ)上，新增對(duì)線路開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)化分類，增加停電區(qū)域劃分，細(xì)化停電時(shí)間分類，提出FMEA改進(jìn)方法；最后，以某配電網(wǎng)線路為例進(jìn)行可靠性評(píng)估計(jì)算，對(duì)改進(jìn)算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 改進(jìn)的FMEA法

1.1 傳統(tǒng)FMEA法

a)故障元件選擇。我國的配電網(wǎng)大多數(shù)采用“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，開環(huán)運(yùn)行”的方式，來自同一變電站不同母線或不同變電站的配電線路通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)常開，配電線路流過單向潮流，呈輻射狀給沿線負(fù)荷供電；當(dāng)配電線路上某一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合恢復(fù)該線路部分負(fù)荷的供電[20]。因此線路上的每一個(gè)元件故障都要作為一種預(yù)想事故。

b)停電區(qū)域劃分。線路某一元件一旦發(fā)生故障后，根據(jù)后果的不同，線路可以劃分為4類區(qū)域[21]：A類區(qū)域(故障)；B類區(qū)域(故障點(diǎn)后端區(qū)域，包括B1類和B2類，B1類區(qū)域內(nèi)有聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，B2類無聯(lián)絡(luò)點(diǎn))；C類區(qū)域(故障點(diǎn)前端區(qū)域)；D類區(qū)域(不受故障影響)。

圖1為典型的配電網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)圖，在圖1中，若線路L4發(fā)生故障，負(fù)荷ZB2、ZB3和GB2屬于A類區(qū)域，負(fù)荷GB1和ZB1屬于C類區(qū)域，負(fù)荷ZB4、ZB5、ZB6和GB3屬于B1類區(qū)域。若L5F1線路故障，則負(fù)荷ZB4屬于A類區(qū)域，其余負(fù)荷點(diǎn)屬于D類區(qū)域。

圖1 配電網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)圖

c)停電時(shí)間確定。根據(jù)全部失去聯(lián)通性準(zhǔn)則(total loss of continuity，TLOC)[22]，對(duì)應(yīng)線路4類停電區(qū)域的停電時(shí)間：A類區(qū)域負(fù)荷的停電時(shí)間為故障修復(fù)的時(shí)間；B類區(qū)域負(fù)荷的停電時(shí)間為線路轉(zhuǎn)供電時(shí)間，其中B1為負(fù)荷轉(zhuǎn)供電時(shí)間，B2為故障修復(fù)時(shí)間；C類區(qū)域停電時(shí)間為線路隔離故障后恢復(fù)供電時(shí)間；D類區(qū)域負(fù)荷的停電時(shí)間為0。

1.2 開關(guān)自動(dòng)化劃分

線路發(fā)生故障后，由于線路配置自動(dòng)化模式不同，線路故障的處理時(shí)間不同，線路上非故障元件的停電時(shí)間也不相同。以故障處理時(shí)間為基礎(chǔ)，將線路上的開關(guān)劃分為四級(jí)自動(dòng)化開關(guān)：①需人工到故障現(xiàn)場手動(dòng)操作開關(guān)隔離故障及負(fù)荷復(fù)電的開關(guān)為一級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；②由自動(dòng)化系統(tǒng)輔助人工遙控開關(guān)隔離故障及負(fù)荷復(fù)電的開關(guān)為二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；③故障的隔離和負(fù)荷復(fù)電全由自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)完成的開關(guān)為三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；④故障的隔離和負(fù)荷復(fù)電全由自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)完成且不對(duì)非故障區(qū)域負(fù)荷造成停電影響的開關(guān)為四級(jí)自動(dòng)化開關(guān)。

例如無配置自動(dòng)化的需要人工現(xiàn)場操作的普通開關(guān)為一級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；配置了“三遙”功能但主站未開通自動(dòng)邏輯判斷功能的自動(dòng)化開關(guān)為二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；配置了電壓電流型或主站集中型等邏輯功能的自動(dòng)化開關(guān)為三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)；配置了智能分布式等縱差保護(hù)功能的開關(guān)為四級(jí)自動(dòng)化開關(guān)。在改進(jìn)算法中，四級(jí)自動(dòng)化開關(guān)在線路發(fā)生故障時(shí)可直接隔離故障，不造成非故障區(qū)域負(fù)荷的停電，非故障區(qū)域直接劃分為D類區(qū)域。此外投入多模式自動(dòng)化的開關(guān)，以其最高等級(jí)定義該開關(guān)。如某開關(guān)同時(shí)投入了電壓電流型以及“三遙”功能自動(dòng)化，則以電壓電流型自動(dòng)化定義該開關(guān)為三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)。

1.3 增加的停電區(qū)域劃分

在傳統(tǒng)FMEA法停電區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上，增加細(xì)分的停電區(qū)域。A類區(qū)域和D類區(qū)域劃分保持不變；B類區(qū)域中的B1類區(qū)域細(xì)分為B11類區(qū)域(一級(jí)自動(dòng)化)、B12類區(qū)域(二級(jí)自動(dòng)化)、B13類區(qū)域(三級(jí)自動(dòng)化)，B2類區(qū)域劃分保持不變；C類區(qū)域劃分為C11類區(qū)域(一級(jí)自動(dòng)化)、C12類區(qū)域(二級(jí)自動(dòng)化)、C13類區(qū)域(三級(jí)自動(dòng)化)。改進(jìn)停電區(qū)域劃分與傳統(tǒng)FMEA法比較如圖2所示。

圖2 停電區(qū)域改進(jìn)劃分

同樣以圖1中的線路L4發(fā)生故障為例，其負(fù)荷點(diǎn)區(qū)域劃分與傳統(tǒng)FMEA法對(duì)比見表1。

表1 停電區(qū)域劃分對(duì)比

1.4 停電時(shí)間細(xì)分

匹配改進(jìn)算法細(xì)分停電區(qū)域，各停電區(qū)域的停電時(shí)間定義如圖3所示，改進(jìn)后停電區(qū)域與停電時(shí)間分類對(duì)應(yīng)見表2。

表2 停電區(qū)域與停電時(shí)間對(duì)應(yīng)

圖3 停電時(shí)間改進(jìn)劃分

1.5 FMEA表的建立

為提高故障遍歷的效率，可先將線路負(fù)荷以分區(qū)[23]為單位進(jìn)行故障分析，然后再對(duì)故障分區(qū)內(nèi)部進(jìn)行元件遍歷分析。以線路相鄰開關(guān)之間的區(qū)域劃分為分區(qū)，當(dāng)故障元件為非開關(guān)時(shí)，以線路主干上開關(guān)(含饋線開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān))間的非開關(guān)元件及所接分支線為一分區(qū)，以分區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行故障遍歷；當(dāng)故障元件為主干開關(guān)時(shí)，則將相鄰分區(qū)以認(rèn)定為故障分區(qū)；分支線上元件故障時(shí)，以非分支線所在分區(qū)作為整體進(jìn)行故障遍歷，以分支線所在分區(qū)作為整體進(jìn)行具體元件遍歷。

1.5.1 故障在主干時(shí)

步驟1：對(duì)線路系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)劃分。如圖1中線路共劃分6個(gè)分區(qū)。

步驟2：任意分區(qū)一旦發(fā)生故障，認(rèn)定故障分區(qū)屬于A區(qū)域。如圖1中F4分區(qū)發(fā)生故障時(shí)，則認(rèn)定F4分區(qū)屬于A區(qū)域。

步驟3：線路故障分區(qū)上游分區(qū)為C區(qū)域；查找出上游離故障分區(qū)最近的動(dòng)作時(shí)間最短的自動(dòng)化開關(guān)，若開關(guān)屬于三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，則該開關(guān)的所有上游分區(qū)屬于C13區(qū)域；若C13區(qū)域與故障區(qū)域間存在二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，則二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)與C13區(qū)域間的所有分區(qū)屬于C12區(qū)域，C12區(qū)域與故障區(qū)域間其余分區(qū)屬于C11區(qū)域。如圖1的F4分區(qū)故障后，往上游查找到自動(dòng)化開關(guān)K1為三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，故F1分區(qū)屬于C13區(qū)域；K2開關(guān)為二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，所以F2分區(qū)屬于C12區(qū)域，F(xiàn)3分區(qū)屬于C11區(qū)域。

步驟4：線路故障分區(qū)下游分區(qū)為B區(qū)域；查找出下游離故障分區(qū)最近的動(dòng)作時(shí)間最短的自動(dòng)化開關(guān)，若開關(guān)屬于三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，則該開關(guān)的所有下游分區(qū)屬于B13區(qū)域；若B13區(qū)域與故障區(qū)域間存在二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，則二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)與B13區(qū)域間的分區(qū)屬于B12區(qū)域，B12區(qū)域與故障區(qū)域間其余所有分區(qū)屬于B11區(qū)域。如圖1的F4分區(qū)故障后，往下游查找到自動(dòng)化開關(guān)K5為三級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，故F6分區(qū)屬于B13區(qū)域；K4為二級(jí)自動(dòng)化開關(guān)，故F5分區(qū)屬于B12區(qū)域。

步驟5：任意主干開關(guān)一旦發(fā)生故障時(shí)，則認(rèn)定故障開關(guān)相鄰分區(qū)屬于A區(qū)域；其余分區(qū)按步驟3和步驟4劃分區(qū)域。如圖1中K3發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)3和F4分區(qū)屬于A區(qū)域，F(xiàn)1屬于C13區(qū)域，F(xiàn)2屬于C12區(qū)域，F(xiàn)5屬于B12區(qū)域，F(xiàn)6屬于B13區(qū)域。

步驟6：重復(fù)步驟2—5，直至遍歷完線路所有分區(qū)和主干開關(guān)。

1.5.2 故障在分支線時(shí)

步驟1：找出存在分支線的所有分區(qū)集合S(如圖1中F2、F3、F4、F5、F6)。

步驟2：在S中查找出分支線首端配置了保護(hù)的所有分區(qū)集合S1(圖1的F4、F5)，則認(rèn)定S1中任一分區(qū)分支線故障時(shí)，線路非故障分區(qū)屬于D區(qū)域(圖1的F1、F2、F3、F6)；故障分區(qū)中除故障分支線外，其余元件屬于D區(qū)域(圖1中F4分支線的L4F22元件發(fā)生故障時(shí)，L4和L4F1分支線屬于D區(qū)域)；故障分支線的故障元件下游所有元件(ZB3)屬于A區(qū)域，故障元件上游第一個(gè)開關(guān)(KF2)至故障分支線首端開關(guān)(KF1)屬于C11區(qū)域。

步驟3：重復(fù)步驟2，直至遍歷完S1中所有分區(qū)。

步驟4：在S中找出S1的余集S2(F2、F3、F6)，S2中任一分區(qū)分支線故障時(shí)，分區(qū)中的非故障分支元件屬于C11區(qū)域，線路的非故障分區(qū)所屬區(qū)域按故障在主干時(shí)的區(qū)域劃分，即重復(fù)1.5.1節(jié)的步驟3和步驟4劃分；故障分支線的故障元件下游所有元件屬于A區(qū)域，故障元件上游第一個(gè)開關(guān)至故障分支線首端開關(guān)區(qū)域及分區(qū)中的非故障區(qū)域?qū)儆贑11區(qū)域，故障元件至上游第一個(gè)開關(guān)區(qū)域?qū)儆贏區(qū)域。如圖1中F6分區(qū)的L6F12故障時(shí)，分區(qū)中的L6和L6F2屬于C11區(qū)域，F(xiàn)1—F5分區(qū)屬于C13區(qū)域；故障分支線中的元件ZB5、L6F1、KF3屬于C11區(qū)域，元件ZB6、L6F12、KF4屬于A區(qū)域。

步驟5：重復(fù)步驟4，直至遍歷完S2中所有分區(qū)，得到各負(fù)荷點(diǎn)的停電區(qū)域劃分結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)的停電區(qū)域劃分

完成以上主干和分支線故障遍歷的所有步驟后，將得到線路每一個(gè)元件故障時(shí)，線路其余非故障元件的所屬停電區(qū)域。通過確立的停電區(qū)域后，然后由停電時(shí)間替代，獲得每一個(gè)預(yù)想事故的停電情況，將其統(tǒng)一整理列項(xiàng)后，生成系統(tǒng)FMEA表見表4。

表4 系統(tǒng)的FMEA表

1.6 基于FMEA表可靠性評(píng)估

根據(jù)生成的FMEA表，可直接計(jì)算TLOC準(zhǔn)則下的可靠性指標(biāo)。

a) 負(fù)荷點(diǎn)j的年平均停電時(shí)間

(1)

式中：λi為設(shè)備元件i的平均故障率；Wi為設(shè)備元件i故障導(dǎo)致負(fù)荷點(diǎn)j的停電時(shí)間；n為系統(tǒng)設(shè)備元件個(gè)數(shù)。

b) 用戶平均停電時(shí)間

(2)

式中：Nj為負(fù)荷點(diǎn)j的用戶數(shù)；R為系統(tǒng)負(fù)荷點(diǎn)集合。

c) 供電可靠率

(3)

2 算例分析

2.1 算例基礎(chǔ)情況

以圖4所示系統(tǒng)作為算例，該系統(tǒng)由17個(gè)負(fù)荷點(diǎn)、13條線路、12臺(tái)斷路器、5臺(tái)負(fù)荷開關(guān)和8臺(tái)熔斷器組成。其中每臺(tái)公用配電變壓器帶用戶145戶，線路長度如圖4所示，單位為km。本文將分以下幾種情況進(jìn)行可靠性的計(jì)算分析：①線路所有開關(guān)均沒有配置自動(dòng)化；②線路主干第2和第4節(jié)點(diǎn)配置了自動(dòng)化，其中環(huán)進(jìn)開關(guān)配置了“三遙”功能，環(huán)出開關(guān)配置了電壓電流型邏輯功能和“三遙”功能，分支線首端開關(guān)配置了常規(guī)保護(hù)功能；③線路主干所有環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置了自動(dòng)化，其中環(huán)進(jìn)開關(guān)配置了“三遙”功能，環(huán)出開關(guān)配置了電壓電流型邏輯功能和“三遙”功能，分支線首端開關(guān)配置了常規(guī)保護(hù)功能；④線路出線開關(guān)及主干所有節(jié)點(diǎn)配置了自動(dòng)化，其中主干節(jié)點(diǎn)的環(huán)進(jìn)、環(huán)出開關(guān)均配置了智能分布式邏輯功能，分支線首端開關(guān)配置了常規(guī)保護(hù)功能。4種情況的設(shè)立是為了在無自動(dòng)化、不同自動(dòng)化模式、相同自動(dòng)化模式不同布點(diǎn)數(shù)量的3種情形下，比較傳統(tǒng)FMEA法與改進(jìn)算法的可靠性計(jì)算結(jié)果。

2.2 算例計(jì)算參數(shù)

以廣東某市配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)值作為算例計(jì)算參數(shù)，其中開關(guān)動(dòng)作時(shí)間采用自動(dòng)化設(shè)備參數(shù)，設(shè)備修復(fù)時(shí)間采用2020年故障設(shè)備修復(fù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)均值，設(shè)備故障率易受氣象災(zāi)害等客觀條件影響，故而采用2018—2020年的故障設(shè)備統(tǒng)計(jì)均值。算例具體計(jì)算參數(shù)見表5。

表5 故障停電時(shí)間及元件可靠性參數(shù)

2.3 算例開關(guān)工況分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)算法適用于配置了多模式自動(dòng)化的線路的可靠性評(píng)估，假設(shè)圖4中的線路主干段L3發(fā)生相間永久故障，線路在2.1節(jié)中的4種自動(dòng)化配置情況下，線路主干上的各開關(guān)工況及其所屬分區(qū)的停電區(qū)域劃分情況見表6。

圖4 多分支聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)

表6 線路L3故障時(shí)開關(guān)工況

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

采用傳統(tǒng)FMEA法和改進(jìn)后的FMEA法，分別建立圖4配電網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的FMEA表,再利用式(1)—(3)計(jì)算其可靠性，該系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)比較結(jié)果見表7。在線路無配置自動(dòng)化及同一種自動(dòng)化模式下時(shí)，改進(jìn)算法可靠性結(jié)果與傳統(tǒng)FMEA法計(jì)算結(jié)果相同。但是在線路配置了不同自動(dòng)化模式及布點(diǎn)數(shù)量情況下，由于傳統(tǒng)FMEA法前向隔離區(qū)域和后向轉(zhuǎn)供區(qū)域都只設(shè)置一種停電時(shí)間，故其無法對(duì)線路的可靠性進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算，改進(jìn)算法由于設(shè)置了多種隔離及轉(zhuǎn)供停電時(shí)間，故而可以準(zhǔn)確計(jì)算線路的可靠性?？梢姼倪M(jìn)算法較傳統(tǒng)FMEA算法可適用于不同自動(dòng)化模式及布點(diǎn)數(shù)量情況下可靠性評(píng)估。

表7 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語

實(shí)際配電網(wǎng)建設(shè)中，由于自動(dòng)化技術(shù)路線的改變、網(wǎng)架改造等原因，存在同回線路上配置了多種自動(dòng)化模式或部分主干節(jié)點(diǎn)無配置自動(dòng)化的情況，傳統(tǒng)FMEA法由于停電區(qū)域劃分的單一而無法對(duì)該情況的線路可靠性進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。本文提出改進(jìn)的FMEA可靠性評(píng)估方法，通過增加停電區(qū)域的劃分和停電時(shí)間的細(xì)分，能夠滿足不同自動(dòng)化模式及布點(diǎn)數(shù)量情況下配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估，為配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中自動(dòng)化模式選擇及布點(diǎn)數(shù)量的設(shè)置提供技術(shù)依據(jù)，具有一定的實(shí)用意義。