配电网故障风险综合评估方法

葛少云，朱振环，刘 洪，马 康，刘 军

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2.中国电力科学研究院，北京100192）

电网安全性是指电网对故障等扰动事件的抵御能力，直接反映了电网的坚强程度和对用户的不间断供电能力。配电网的安全运行是整个电网安全运行的重要一环，是目前提高供电系统运行水平的关键环节。统计资料表明[1]：大约有80%的停电事故是由配电系统故障造成的。因此，准确评估配电网的故障停电风险，找出薄弱环节加以改进，提高供电安全性，已成为目前亟待解决的问题。

目前，电力系统风险评估的研究主要集中在主网的范畴，配网方面的研究较少。在主网方面，应用风险评估的方法解决不同问题取得了诸多成果，如区域电网安全风险评价体系[2]、对电网进行自然灾害风险评估的方法[3]、评估电力系统脆弱性的风险指标[4-5]、复杂电力系统连锁故障的风险评估方法[6-7]、综合暂态稳定指标[8]。然而，上述方法并不能直接应用于配电网。这是因为配电网网络结构复杂，设备种类多、数量大、分散广，运行方式多变，容易受到各种外部因素的影响，故障风险评估涉及的因素众多，而评估既要从整体上得到技术评价结果，又要在关键点上得到细致的量化，上述方法难以满足这些要求；在配电网方面，风险研究多数偏重于经济风险，往往是对配电网规划[9]和改造方案[10]进行评估，考虑的是预测负荷和电价等变动因素。也有文献运用模糊数学的方法建立了配电网运行风险评估模型[11]，或者归纳出配电网运行风险因素，建立风险损失值的计算公式[12]。以上研究的不足是：①研究主要集中在经济风险方面，没有对故障停电风险进行有针对性的研究；②没有严格区分故障停电事件和预安排停电事件所造成的风险；③没有提出一套能够综合反映配电网的整体故障风险与技术管理等薄弱之处的评估方法。

本文构建了一套科学的配电网故障停电风险综合评估方法，以指导实际配电网规划和建设。首先，以故障基准风险为基础，并考虑各种因素的影响，提出了故障风险综合评估的计算方法；其次，从风险的角度建立了全面评估故障基准风险的指标体系；最后，对综合故障发生概率和故障影响后果这两方面的故障风险进行量化评估。

1 配电网故障风险综合评估方法

1.1 配电网故障风险评估的概念

风险是指潜在损失的变化范围与变动幅度，对于电网来说是故障发生概率和影响后果的综合。电力系统风险的根源在于其行为的概率特征。Vittal 等[13]给出了电力系统风险评估的基本定义，即综合度量电力系统面临的不确定性因素的可能性与严重性，其数学表达式为

式中：Xf为系统运行方式；Ei为第i 个故障；pr（Ei）为故障Ei发生的概率；Sev（Ei，Xf）为在Xf的运行方式下发生第i 个故障后系统的损失严重程度；Risk（Xf）为系统在Xf运行方式下的运行风险指标。

电力系统风险评估的目的是评估扰动事件对电力系统的潜在影响程度，评估的内容主要包括扰动事件发生的可能性与严重性两个方面。

本研究定义的配电网故障风险评估是指对配电网中各种故障风险发生的概率、产生的影响后果进行量化评估，从而确定风险等级的过程。

1.2 配电网故障风险综合评估方法整体结构

本评估方法的评估依据是综合故障概率值和综合故障后果值。根据配电网故障风险评估的概念确定的配电网故障风险值，即

故障风险=综合故障概率×综合故障后果

其中，综合故障概率值、综合故障后果值分别由故障风险评估指标体系中计算出的基准故障概率值、基准故障后果值和有关影响因数计算得到。

配电网故障风险具有随机性和动态性，故障风险不仅取决于电网本身，而且和天气状况、负荷结构以及故障发生的时刻等随机因素有关。在配电网故障风险量化评估中将综合故障概率值和综合故障后果值的乘积大小作为风险定级的依据，有利于评估大概率小损失故障事件和小概率大损失故障事件的影响，能够兼顾安全性和经济性。

1.3 综合故障概率值

综合故障概率值的计算公式为

综合故障概率=基准故障概率×气象影响因数

其中，基准故障概率值由故障风险评估指标体系中的基准故障概率指标经运算得到。

在恶劣天气条件下，配电网的运行将会承受多方面的压力，故障发生的可能性显著上升。为了表征气象因素对配电网故障发生概率的放大作用，引入气象影响因数。气象影响因数依据不同的天气类型确定，本文依据气象灾害预警信号，仅选取其较为严重的黄色、橙色和红色预警等级，如表1 所示。

1.4 综合故障后果值

综合故障后果值的计算公式为

综合故障后果=基准故障后果值×时间因数×负荷重要因数

其中，基准故障后果值由故障风险评估指标体系中的基准故障后果指标经运算得到。

对于有着不同重要等级负荷的配电网来说，重要负荷所占的比重越大，发生故障的后果越严重；另外，不同时间发生故障造成的损失也是不同的，因此，引入负荷重要因数和时间因数，如表2所示。负荷重要因数将依据Ⅰ、Ⅱ级负荷的比重确定。在无法获得负荷比重数据时，也可以依据负荷分布的地域特征，经过换算获得负荷重要因数。

表1 气象影响因数Tab.1 Weather factors

表2 负荷重要因数Tab.2 Load factors

时间因数考虑一般工作日、节假日、特殊保供电时期3 种情况，如表3 所示。

表3 时间因数Tab.3 Time factors

2 配电网故障风险评估指标体系

2.1 基准故障概率指标

配电网在运行中受到外部和内部多种因素的影响，容易发生短路、断线、绝缘击穿和闪络等故障。配电网中故障发生的概率难以用解析方法描述，结合层次分析法用指标体系来反映配电网故障发生概率水平。在正常天气下，配电网故障发生概率的影响因素有装备水平、运行维护水平和外力破坏3 大方面，由此建立的指标集如图1 所示。装备水平反映架空线和电缆的防护水平以及电力设备的技术先进可靠程度；运行维护水平反映设备整体服役年限、运行状态和维护管理水平；外力破坏专指人为、树木、鸟兽的破坏，反映这几种外部因素对配电网的影响。

图1 基准故障概率指标Fig.1 Benchmarking fault probability indexes

基准故障概率指标考虑影响故障概率的内部因素和外部因素，利用电网的现状数据和历史数据，有效反应配电网故障发生概率的水平。

2.2 基准故障后果指标

配电网故障发生后造成的损失大小是由电网的反应能力决定的。有着良好故障控制能力的电网能够迅速地隔离故障，转移负荷，并尽快处理故障恢复供电，符合以上条件的配电网中故障后果严重程度较低。

基准故障后果指标主要包括电源控制能力、配网控制能力、用户控制能力和自动化水平4 个方面，由此建立的指标集如图2 所示。电源控制能力表现在配网中每条馈线均具备多路可供获取的上级电源，并且可以灵活地在多个电源之间进行切换；配网的控制能力包含3 部分内容：负荷的隔离（缩小故障的影响范围）、负荷的转移（在不同线路间转移负荷）和开关的控制（控制故障隔离及负荷转移的速度）；用户控制能力体现在发生停电时，电网中重要用户的供电保障能力；自动化水平对故障风险后果的影响是多方面的，如通过故障指示加快了故障定位速度、通过设备监控加强了对设备运行的管理、通过对主要开关设备的远程控制和更高层次的故障自动隔离技术加强了对停电的控制能力。

图2 基准故障后果指标Fig.2 Benchmarking fault severity indexes

图2指标中，站间联络线比例反映的是在配电网不同变电站间进行负荷转移的可能性；中压线路联络率反映的是配电网中压馈线间进行负荷转移的可能性；主变“N-1”平均失负荷比例是指配电网失去1 台上级主变时，通过负荷转移处理后的配电网失电负荷对总负荷比值的平均值；线路“N-1”平均失负荷比例是指配电网中有联络的线路，在失去电源经转电处理后，损失的负荷对线路总负荷比的平均值。

2.3 指标定义和计算方法

指标体系中的每个指标均有明确的定义和方便的计算方法。建立指标体系时考虑了计算所需基础数据的易获得性和指标计算的可操作性。由于篇幅限制，仅以GIS 设备使用率和线路平均分段数为例进行说明。GIS 设备使用率是指110/35 kV 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）所占高压开关总数的比例（按间隔计算），用于反映先进高压开关设备的使用情况。线路平均分段数是指中压线路分段总个数与中压线路条数的比值，用于反映中压配电网供电灵活性与停电影响范围。

2.4 指标权重

指标权重是对各评价指标间相对重要性的度量，权重大小反映该指标相对其他指标重要性的高低。德尔菲法具有能够充分利用专家的知识和经验的优点，本研究中采用该方法确定指标权重。

综合多位电力系统专家的意见，最终获得各项评价指标的权重。由于篇幅限制，仅在表4 中给出设备装备水平的4 个指标的权重设定结果，基准故障概率指标中设备装备水平的权重是0.357 5。

表4 部分指标权重Tab.4 Part of index weights

2.5 评分标准

评分标准是指标值和指标得分间的对应关系。采用德尔菲法获得离散的指标评分标准，部分评分标准如表5 所示。

评分标准是离散的，不能够很好地反映指标得分的变化情况，利用Matlab 软件中的curve fitting tool 工具对离散的评分标准进行曲线拟合，得到指标评分函数，据此计算各个评价指标的得分。依据层次分析法逐层向上计算，分别得到基准故障概率值得分和基准故障后果值得分，计算公式为

表5 部分评分标准Tab.5 Part of index evaluation criteria %

式中：Sk为层次结构中任一非底层指标的评分；n为指标Sk的下层指标个数为下层指标j为下层指标j 的权重。

3 故障风险量化评估

3.1 综合故障概率量化评估

根据配电网综合故障概率值的大小，故障可能性分为可能性很大、可能性较大、可能性一般、可能性较小和可能性很小5 个等级，如表6 所示。综合故障概率值是考虑到各种影响因素的综合分值，反映配电网整体的故障发生概率水平，并不代表故障发生的百分比可能性。

表6 综合故障概率量化分级Tab.6 Quantitive classification for comprehensive fault probability

3.2 综合故障后果量化评估

根据配电网综合故障后果值的大小，故障后果严重程度分为特大损失、重大损失、较大损失、一般损失和轻微损失5 个等级，如表7 所示。

表7 综合故障后果量化分级Tab.7 Quantitive classification for comprehensive fault severity

3.3 故障风险量化评估

根据配电网故障风险值大小，配电网故障风险分为5 级：Ⅰ级（特大风险）、Ⅱ级（重大风险）、Ⅲ级（较大风险）、Ⅳ级（一般风险）和Ⅴ级（轻微风险），如表8 所示。基准故障概率值和基准故障后果值的取值范围均为0～100，考虑最严重的情况，即气象因数取20、负荷重要因数取1.2 和时间因数取1.5，此时可能的最大风险值为27 000。

各个风险等级对应风险值的取值区间由表6和表7 中量化分级区间决定，如Ⅲ级（较大风险）对应的风险值区间[400，1600）是由表6 中“可能性一般”（20～40）和表7 中“较大损失”（20～40）区间两端数值相乘得到。这种处理方式与分别以故障可能性和故障后果严重程度为坐标轴建立二维风险决策矩阵是等价的，但是考虑到本方法获得的风险值具有数值连续性，所以采用数值区间的处理方式。故障风险量化分级对于配电网的管理评估具有重要的现实意义。

表8 配电网故障风险量化分级Tab.8 Quantitive classification for distribution network fault risk

4 某配电网故障风险评估

应用本评估方法对某配电网进行故障风险评估，在进行基础数据收集和基层指标计算后，利用所设定的评价标准和权重进行计算。选取的配电网工作条件为正常天气（气象影响因数取1）、一般工作日（时间因数取1）、重要负荷比例为60%（负荷重要因数取1）。评估指标值和得分如表9 所示。

评估的结果为：配电网的故障风险值为820.8，风险等级为“较大风险”。其中，综合故障概率值为24.0，等级为“可能性一般”；综合故障后果值为34.2，等级为“较大损失”。可以看出故障影响后果得分较高，是造成故障风险的主要方面。

故障影响后果方面自动化水平和用户控制能力是薄弱环节。经分析发现，自动化水平中配网自动化覆盖率偏低，该指标得分为67.1；用户控制能力不足，两个下级指标得分分别为40.0 和49.7。另外，负荷隔离能力中线路平均分段数指标得分较高（60.0），负荷转移能力中线路“N-1”平均失负荷比例指标得分较高（55.3）。

表9 评估指标值及得分Tab.9 Value of index and score

故障发生概率方面外力破坏是薄弱环节，其中，电缆线路警告牌比例和树线矛盾线路治理比例指标得分偏高，分别为44.1 和55.0。装备水平方面架空线绝缘化率偏低和电缆直埋比例偏高，这两个指标的得分为56.5 和54.9。

以上指标得分越高，表示该环节越薄弱，建议针对该配电网的上述方面采取改进措施。

5 结语

本文从风险的角度出发，提出了科学合理的配电网故障风险综合评估方法。该方法能够综合评估多因素影响下的配电网故障停电风险，适用于我国各地区配电网的评价和对比，对于配电网的规划和建设均有很好的指导作用。随着智能电网研究和建设的推进，可在本评估方法的基础上增加分布式能源、微网运行、高级保护与控制等方面的评价内容，以期对配电网故障停电风险进行有效评估。

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