刘 莎，李林发，史小强，刘 媛，邹 戈，王天华，郭 鹏

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518048；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

1998年原电力工业部颁布《输变电设施可靠性评价规程（暂行）》，经2003、2012年两次修订形成现行的《DLT 837-2012输变电设施可靠性评价规程》。该规程的实施实现了对全行业范围内的输变电设施可靠性统计评价工作的统一、规范管理，促进了电力安全生产和设备管理工作的深入开展，为输变电系统[1]可靠性统计、分析工作奠定了基础。

我国与美国、英国等国际先进电力企业在输变电系统可靠性管理方面的差异[2][3]主要体现在以下几个方面：一是评价指标种类繁多，指标使用率偏低，缺乏准确反映设备质量及健康状况的综合性指标；二是与国外同行相比，国内施行的输变电系统可靠性管理体系主要侧重于对设施水平的评价，而在网架能力、系统连续性方面较为薄弱；三是以特定的时间区段统计，不能对电网设备投产、运维、检修直至退役这一全过程进行完整评估分析，无法形成对资产全生命周期管理在指标数据上的有力支撑。

由此，我国输变电系统可靠性管理仍主要基于输变电设施可靠性管理，在电力结构调整、管理升级以及企业信息化变革的新形势下，在与国际先进电网企业管理水平接轨的需求下，制定与之适应的输变电系统可靠性评价体系已势在必行。本文构建适于我国电网及管理现状的输电网可靠性评价体系，并进一步研究输变电可靠性评价指标体系在实际工作中的应用，以实现对可靠性管理、运维、规划等相关工作的横向辅助决策作用。

1 输变电系统可靠性评价体系

输变电系统可靠性评价对象应为由输变电设施组成的输电网整体[4]，为了能够体现网架结构特点，同时便于统计分析，本文考虑建立回路、传输点模型。根据设备输、变电功能的不同，将多个设备组成一个“回路”[5][6]，通过构建回路模型，实现以停电功能组为单元的指标统计，反映运维检修策略合理性。模拟供电可靠性评价方法，构建传输点模型，实现输变电系统的可靠性评价。

输电网可以表征为以“传输点”为供电节点的多个“回路”的连接集合，如图1所示。

图1 输变电系统模型图Fig.1 Power transmission system model

1.1 回路模型

回路是连接两个或更多的传输终端、变电站或者系统传输点的设备组，它的划分与检修运维单元一致。根据我国输电系统可靠性管理工作实际情况，可以将回路分为三类：变电回路、输电回路和母线回路。

1.1.1 变电回路

变电回路是以变压器为主体，用以实现各电压等级之间电能变换功能的回路。对于T接线（包括多个分支的T接线），如有一侧变电站为线变组接线，则该回路整体都划分为一个变电回路；由单相变压器组成的三相变压器组，三相作为一个变电回路统计；换流变压器的交流侧统计为一个变电回路。

1.1.2 输电回路

输电回路是以输电线路为主体，用以实现不同站点（变电站、电厂、开关站或用户）之间电能传输的回路。T型接线的输电回路包括各分支输电线本体以及输电线所连接的变电站母线回路传输点以内的设备（不含母线传输点）。

1.1.3 母线回路

母线回路是以变压器某侧电压等级母线为整体组成的回路，包含母线本体及与各侧输电回路、变电回路传输点以内的设备，包含直接与母线段相连的隔离开关和独立连接到该段母线上的不单独构成回路的设备（如避雷器、电压互感器、电容式电压互感器等）。由于母线故障概率极低，从简化统计工作量角度出发，母线回路仅起到拓扑连接作用，指标可不统计。

1.2 传输点模型

输电系统传输点为提供输电服务的功能割集。输电系统通过传输点为输电系统用户（这里是指广义的用户，包括发电系统、互联输电系统、用户系统和配电系统）提供输电服务。传输点一侧是输电系统回路，另一侧是输电系统用户，电能只能通过传输点在输电系统与输电系统用户之间进行交换。传输点按功能进行划分，分为发电传输点、互联传输点、用户传输点和配电传输点四种，如图2～图5所示。

图2 输配传输点示意图Fig.2 Schematic diagram of distribution delivery point

图3 发电传输点示意图Fig.3 Schematic diagram of generation delivery point

图4 互联传输点示意图Fig.4 Schematic diagram of Interconnection delivery point

图5 用户传输点示意图Fig.5 Schematic diagram of load delivery point

（1）输配传输点：实现由输电系统向配电系统传输电能作用的传输点，是输电系统与配电系统的产权边界，为输电系统配电变电站10 kV配电母线组。

（2）发电传输点：实现发电系统向输电系统传输电能作用的传输点，是输电系统与发电系统的产权边界，为输电系统与发电变电站边界的所有断路器集合。

（3）互联传输点：实现不同输电系统之间交换电能作用的传输点，是输电系统与其他输电系统的产权边界，为输电系统互联变电站边界的所有断路器集合。

（4）用户传输点：实现输电系统向用户传输电能作用的传输点，是输电系统与用户系统的产权边界，为输电系统与用户变电站边界的所有断路器集合。

1.3 评价指标

为了能够反映变电系统的综合可靠性水平，分别从回路、传输点、停电事件三个维度设置可靠性评价指标。回路分别从停运时间、停运频率、停电范围三个层次设置可靠性评价指标。回路主要评价指标见表1[7-8]。

表1 回路指标汇总表Tab.1 Circuit reliability index summary table

传输点作用输变电系统的“用户”点，可反映输变电系统的综合可靠性水平，传输点主要评价指标见表2。

表2 传输点指标汇总表Tab.2 Delivery point reliability index summary table

与供电可靠性统计相比输变电系统可靠性统计会面临到的问题是：输电网网架一般要求满足N-1校验、甚至N-2校验，并且为环网运行，若出现故障，不停电或通过下级电网快速倒供情况较为普遍，但并不等同于不同的停电事件对电网的危害程度是相同的（传输点统计指标难以反映此问题），因此本文提出设置停电事件严重性综合指标，用以评价输变电系统停电事件[9]（并非一定有负荷损失）的严重程度。

停电严重性评价综合指标共包括4项子指标，分别为传输点失负荷严重性指标、回路停运严重性指标、电源停运（降额）严重性指标和停电严重性综合指标。传输点失负荷严重性指标表示传输点损失电量比例，回路停运严重性指标表示回路停运容量比例，电源停运（降额）严重性指标表示电源停运（降额）比例的指标，停电严重性综合指标是以上三个指标的加权值，是系统可靠性评价的综合指标，综合体现输变电系统的风险情况。

2 关键回路辨识——回路可靠度矩阵

将输变电系统可靠性评价指标应用于工作实际并起到一定的辅助决策作用，是输变电可靠性评价体系建立的根本目的，也是决定输变电可靠性评价指标是否能长久保持其生命力的关键所在。为了实现输变电系统可靠性评价对可靠性管理、运行维护、规划等横向相关工作的指导作用，本文提出建立回路可靠度矩阵，如图6所示，矩阵横轴为回路健康度，矩阵纵轴为回路重要度。回路健康度由评价指标判定，回路重要度由评估指标判定。根据回路的重要和健康度划分，确定回路的可靠度级别，回路可靠度级别从高到低分别为“Ⅰ级”、“Ⅱ级”、“Ⅲ级”、“Ⅳ级”。

图6 回路可靠度矩阵Fig.6 Circuit reliability matrix

2.1 回路健康度

回路的健康度与组成设备的健康状态直接相关，如设备紧急、重大缺陷（隐患）、潜在缺陷（隐患）或故障等状态。按照设备状态的不同给出健康层级的判定条件：

（1）回路出现故障停运或3次及以上预安排停运；

（2）回路无故障，但组成设备存在紧急状态；

（3）回路无故障，但组成设备存在重大缺陷（隐患）或潜在缺陷。

若回路处于(1)状态为A级健康度，处于(2)状态为B级健康度，处于(3)状态为C级健康度，除上述状态外为D级健康度。

2.2 回路重要度

回路的重要度由回路停运严重性指标相关。按照回路停运严重性的范围判定回路的关键等级。将回路停运严重性指标降序排列，分为4部分，前25%，前25%至50%，前50%至75%和其他。

（1）在正常运行方式下，回路故障存在引发一般及以上电力安全事故可能的或回路停运严重性指标前25%；

（2）在正常运行方式下，回路故障存在引发一级电力安全事件可能的或回路停运严重性指标前25%至50%；

（3）在正常运行方式下，回路故障存在引发二、三级电力安全事件可能的或回路停运严重性指标前50%至75%。

若回路处于(1)状态为A级重要度，处于(2)状态为B级重要度，处于(3)状态为C级重要度，除上述状态外为D级重要度。

2.3 回路管控级别确定

根据回路重要度和健康度，形成回路可靠度矩阵，确定回路管控级别。回路管控级别从高到低分为“Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级”。四级管控级别确定方式如下：

（1）Ⅰ级管控：A级健康度或A级重要度的回路，纳入Ⅰ级管控；

（2）Ⅱ级管控：A级健康度且为C级或D级重要度，B级健康度且为B级或C级重要度，C级健康度且为A级或B级重要度，D级健康度且为A级重要度的回路，纳入Ⅱ级管控；

（3）Ⅲ级管控：B级健康度且为D级重要度，C级健康度且为C级或D级重要度，D级健康度且为B级或C级重要度的回路，纳入Ⅲ级管控；

（4）Ⅳ级管控：D级健康度且为D级重要度的回路，纳入Ⅳ级管控。

Ⅰ级管控属于高关注度回路，应于年度内加强状态监测、运维，如果存在健康问题，尽快查明原因并解决。Ⅱ级管控回路，如果存在健康问题应尽快查明原因并加强监测和运维，在次年解决。Ⅲ级管控回路应加强完善，并在3年内解决。

3 影响因素分解——回路灵敏度分析

通过构建可靠度矩阵，可辨识出可靠性薄弱环节的关键回路，但该薄弱环节是停电时间、停电次数造成仍无从得知。为了能够进一步辅助明确供电可靠性提升的具体措施，本节研究停电时间、停电次数对可靠性综合指标的灵敏度分析，实现关键回路影响因素辨识。

停电严重性指标可以用回路的事件来表示，具体表示方法如下：

假设输变电系统由N个回路组成，Si代表第i个回路的状态，x=( )S1…Si…SN，由于Si是一个随机变量，x是一个随机矢量[10]。

假设每一个回路只有运行和停运两种状态，并且回路的停运是彼此独立的事件，则Si是一个离散的随机变量。Si=0表示运行状态，Si=1表示停运状态[12]。

X表示系统状态空间，它是系统状态矢量x可能出现的所有情况的集合；P()x表示回路状态矢量x发生的概率，即x的概率分布函数[12]。当假定回路状态是彼此独立的随机变量时

则回路i的传输点失负荷严重性指标为

回路i的回路停运严重性指标为

回路i的电源停运（降额）严重性指标为

回路i的停电严重性指标为

利用停电严重性指标对回路停运率和回路停运时间求导，求出回路对回路停运率和回路停运时间的灵敏度，对灵敏度排序，得出回路重要度。

停电严重性指标对回路i的平均停运率Oi的灵敏度为

停电严重性指标对回路i的平均故障停运时间Ti的灵敏度为

式中：N为回路数；LOLx为状态x的失负荷量；Cx为状态x停运回路容量；GOx为状态x的电源停机（降额）出力；L为回路总负荷；C为回路总容量；GO为发电机总出力；Ti为回路i平均故障停运时间；T为统计期时间。

根据回路灵敏度指标，可以确定回路对平均停运事件或平均停运率的敏感程度，从而对灵敏度高的回路提出具体的可靠性提升措施。

4 算例

以某市2015年电网为例进行计算。计算电压层级包括500 kV、220 kV和110 kV三个电压等级，变电回路共622个，输电回路共617个。回路、传输点和停电严重性评价指标分别见表3～5。

表3 输变电系统可靠性回路评价指标Tab.3 Power transmission circuit reliability evaluation index table

根据回路管控级别确定方法，计算得出电网回路的管控级别如表6所示。

表4 输变电系统可靠性传输点评价指标Tab.4 Power transmission delivery point reliability evaluation index table

表5 停电严重性评价指标Tab.5 Power outage severity index table

表6 各类回路管控级别统计Tab.6 four types of circuits control level statistics table

表7 Ⅰ级管控回路统计Tab.7 I control level circuits statistics table

考虑变电回路在“N-1”和“N-2”、输电回路在“N-1”和路径“N-1”方式，根据式（6）和（7）分别求出输电回路和变电回路对故障停运率和故障停运时间的灵敏度，根据灵敏度排序情况，确定回路可靠性提升措施。表7对I级管控线路进行灵敏度分析。

通过计算输变电系统可靠性指标，可以看出，输变电系统传输点平均停电时间为0.16 h，该市2015年户均停电小时数为1.32 h，仅占用户平均停电时间的10%左右。说明供电可靠性进一步提升空间仍在配电网，应从合理划分供电范围、加快配网站点布置、提升可转供率方面完善电网，需扩大配网建设改造投资。

通过计算回路管控级别，可以看出，该市共计7个回路为I级管控回路。5回I级管控输电回路，分别为：500 kV鹏深甲线、220 kV深李乙线、220 kV白坪乙线、220 kV梅皇甲线和220 kV梅水线；2回I级管控变电回路，分别为：220 kV东湖站3号主变和220 kV奋进站2号主变。

通过对回路的灵敏度分析，可以看出，2015年电网I级管控回路对回路停运率的灵敏度明显大于对回路停运时间的灵敏度，应重点关注停运次数管控。主要采取的措施有加强对输电设施的状态监测、加强综合停电管理、加强老旧设备的健康度的评估等工作。也可根据各条回路的停电次数灵敏度明确该回路的关注度及相关措施的实施顺序，进一步辅助制定输电网供电可靠性最优化提升策略。

5 结论

本文构建输变电可靠性评价体系，实现对输变电系统的可靠性统计，并评估预警输变电系统运行风险，与国际先进输电网管理接轨。基于可靠性评价指标，构建可靠度矩阵，为指导可靠性管理、生产、运维提供决策依据，最大限度提升输变电系统可靠性评价的应用性。以某市为例，对电网建模，计算评价指标，完成回路的重要度和健康度分级，进而形成回路可靠度通用矩阵，完成回路可靠度分级，为生产运维等工作决策提供必要依据。

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