变电站操作过程的人为可靠性分析

陈博文,檀青松,薛 宁

(国网河北省电力公司石家庄供电分公司,石家庄 050051)

变电站操作过程的人为可靠性分析

陈博文,檀青松,薛 宁

(国网河北省电力公司石家庄供电分公司,石家庄 050051)

从工程应用的角度出发,对变电站操作过程中的人为因素进行建模分析,将人为因素分为静态影响因素和动态影响因素,根据操作任务的特点,将操作场景分为常规类型操作、长时间持续操作和应急操作三类,针对容易发生人为失误的后两种操作情景,分别提出了相应的人为操作可靠性分析方法,并以变电站实际操作为例,对所提出的方法进行验证。算例分析表明,人为因素模型和人为可靠性分析方法能够充分考虑操作过程中的人为因素,能对操作风险进行事前评估,为操作风险预控和操作规范的制定提供参考。

变电站操作;人为因素建模;可靠性分析;风险预控

1 概述

随着变电站智能化水平的不断提高,变电站趋于无人值守或少人值守。但是到目前为止,变电站很多操作还离不开人的参与,因此对人员的业务素质和实际操作能力提出了更高的要求。

由于变电站运行中设备较多、线路复杂,设备操作过程中因人为因素导致的事故时有发生,严重时会导致大面积停电、设备损坏,甚至造成人员伤亡,严重威胁电网的安全运行。由于运行人员误操作导致辽宁电网220 k V凌源变电站全停。通过分析电网事故可以发现,人为因素对变电站操作可靠性有很大影响。因此,对影响变电站操作的人为因素进行建模,操作前对人为因素可能造成的风险进行评估和预控具有重要意义[1]。

电力系统领域人为可靠性方面研究较少,主要通过制定安全操作规程、采取考核管理制度来预防人为操作和失误的发生。尽管电气操作的规则和步骤已非常细化和完善,但人为失误依旧是影响电力系统稳定运行的风险源。在近些年发生的大停电事故分析过程中,人们逐渐认识到在电力系统可靠性研究中引入人为可靠性和人为因素量化分析的必要性,也有学者开始了这方面的研究。文献[2]通过对贵州电网人为因素事故进行统计分析,总结出一般不安全行为和事故原因;文献[3]采用事故因果继承原则研究了变电站误操作发生的直接和间接原因;文献[4]结合电力系统中倒闸操作的流程和电网公司的操作规范,提出一种基于SLIM的电网人为因素可靠性量化分析方法。以下从实际应用的角度出发,对影响变电站操作的人为因素进行分析。

2 变电站典型操作分析

变电站运维人员的职责主要分为值班监视和运行操作两部分。值班监视包括遥测、遥信的监视和接收、执行调度中心下发的遥控遥调指令以及定期巡视和检查。运行操作主要包括一次部分(如断路器、隔离开关的分合控制等)和二次部分: (保护装置的装置压板投退、定值区切换等)。变电运行操作涉及设备较多,操作步骤顺序比较复杂,出错风险较高,是一个专业性较强、安全责任较大的工种。

根据操作任务的类型,本文以操作时间为标准将操作分为3类。

a.常规类型操作。变电站大部分操作都属于常规类型操作,操作员任务明确、对操作步骤程序熟悉、有足够的时间完成操作。一般来说,操作人员参加过足够多的培训,在完成常规类型操作时发生操作失误概率很低。

b.长时间持续操作。长时间持续操作是指需要操作人员长时间持续工作,例如全站停电、新设备投运等,在长时间工作中会出现操作员疲劳状态。我国电力部门有关事故统计资料表明,由于疲劳而发生的事故在人为事故中占有很大的比重[]。

c.应急场景下操作。电网发生突发故障或事故时,需要变电运行人员迅速做出准确的判断,并正确处理,避免事故范围扩大及给设备造成进一步的损坏。在应急场景下,时间紧急、操作人员压力大,发生人为操作失误的概率也会大大增加。

3 影响变电站操作的人为因素分析

变电站中容易发生人为失误有长时间持续操作和应急场景下操作2种情景,对影响运行人员操作的因素进行建模,并提出相应的人为操作失误概率的量化方法。

变电站运行人员需要根据变电站当前运行状态,结合系统的要求而采取操作,这一过程可以表述为人与系统的交互过程,如图1所示[6]。变电站运行人员对变电站当前运行状态进行感知,包含对运行状态的认知、对系统运行要求的理解,根据状态感知的结果进行判断和决策,将判断决策的结果付诸于实际行动,作用于变电站和电力系统。

图1 变电站中人与系统的交互过程

图1所示的变电站运行人员和系统的交互过程受到很多因素的影响,如变电站环境条件、运行人员知识水平、变电站的运行规程等。当这些影响因素都为负面效应时,很可能发生人为失误。该文把所有对运行人员操作产生影响的因素定义为人为因素,并根据人为因素的特点将其分为静态影响因素和动态人为因素。

静态影响因素主要用来描述和操作人员有关的因素,如工作经验、技能水平、责任心和历史失误率等。静态影响因素也可以表述为非实时因素,在一定时间内这些因素的水平不会发生改变。动态影响因素主要用来描述和当前操作相关的因素,如任务强度、操作时间段、心理情绪和操作工况等。动态影响因素也可表述为实时因素,在完成不同操作任务时,这些因素的水平可能会有很大差异。各因素的描述如表1所示。

表1影响变电站操作的因素

当各人为因素处于不同水平时,对操作人员行为的影响也是不同的。该文采用综合影响指数表示人为因素的影响效应。

式中:IFSIF、IFDIF分别为静态影响因素、动态影响因素影响系数;IFHF为人为因素综合影响系数;α、β、γ为各个系数的权重。IFSIFi、IFDIFi分别为各人为因素的影响效应,其取值范围为[-1,1]。

4 人为可靠性分析

变电站中操作类型繁多,不同类型操作任务中发生人为失误的主要原因不同,各影响因素的影响程度也有差异,合理区分操作类型是准确量化人为可靠性的关键。

4.1 长时间持续操作场景下人为可靠性分析

长时间持续操作场景下影响人为失误的主要因素是持续工作时间,任务开始时操作员状态较好,操作员人为失误率维持一个较低的水平,随着连续工作时间的增加,人为失误率不断增大。采用比例故障模型(PH M)[7]来分析长时间持续操作场景下的人为操作失误情况。

PHM模型中故障率函数包含基准故障率函数和连接函数,前者可用来表征人为失误概率随工作时间的变化,后者可用来表示人为因素的影响,如公式(4)所示。

式中:h0(t)为基准故障率函数,用来表示持续工作时间的影响,一般采用威布尔分布。连接函数ψ(Z)反映处于不同状态下人为因素的影响。

假设操作任务开始时刻为t=0,那么发生人为失误的概率为:

4.2 应急操作场景下人为可靠性分析

应急操作场景中,变电站内发生突发故障,需要操作人员在允许时间内排除故障,恢复系统稳定。在这种情景下,操作时间短、面临压力大,很容易发生操作失误。据统计,应急操作中发生人为失误概率和允许操作时间相关,可以用三参数威布尔分布表述[7]。

式中:t为操作允许时间,由系统特性决定的;T1/2为执行时间;σ、μ、τ分别为分布尺度参数、形状参数和位置参数,与具体操作有关。根据Rasmussen J提出的SRK框架,操作行为分为技能型、规则型和知识型3类[9],对于每种操作行为σ、μ、τ的取值也不同。

式中:T1/2,n为一般情况下完成操作所需时间(如统计平均值);f(IFHF)为人为因素的调整系数,对于不同操作人员完成操作所需的时间有差异。

5 算例分析

结合变电站实际操作,选取了2个案例进行分析,对所提出的方法进行验证。

5.1 长时间持续操作场景

变电站中有很多情景需要操作人员长时间持续操作,例如变电站进行全站停电下的主变压器年检工作,工作票上批准的检修期为2天,期间要对2台主变压器进行年检工作,工作涉及检修、保护、高压试验等多个专业的班组,项目复杂,工作时间紧。在该类型人为操作可靠性分析中采用比例故障模型进行建模,其中失误率基准函数选用两参数威布尔分布,连接函数选用指数分布。比例概率模型中的基准函数如下:

由公式(5)可知,发生人为操作失误的概率可表述为:

模型的参数可以通过历史数据评估得到[8],不做详细讨论。假设β=3,α=200 h,当人为因素处于不同水平时,人为操作失误概率随持续工作时间的变化如图2所示。

图2 人为失误概率随时间的变化曲线

由图2可知,人为因素对变电站人员操作可靠性有很大影响,并且随着持续工作时间的增加,发生人为失误的概率不断增大。

例如,某新建500 k V变电站投运工作,调度批复时间为:2015年09月17日8:00至2015年09月18日18:00。2天期间,需要对全站一、二次设备进行操作,时间紧,需要持续作业,并按时完工。对于经验丰富的操作员(A)和新员工(B)来说,随着持续工作时间增加,发生人为操作失误的概率如下表所示表2所示。

表2不同时刻时发生人为操作失误的概率

从表2可以看出,随着持续工作时间的增加,无论对于经验丰富的操作员还是新员工,发生人为操作失误的概率都会大大增加。当工作时间为48 h,发生人为失误概率分别达到0.020 8和0.075 0。为提高人员操作可靠性,应尽量将工作时间维持在合理范围内,避免长时间疲劳操作。另外,在同样的工作强度下,通过有效措施改善操作人员心理状态和身体状态、提高操作人员技能经验、优化环境因素可以降低发生人为失误概率。

5.2 应急操作场景

当变电站出现突发故障或事故时,需要操作人员根据调度指令及时采取措施,恢复系统稳定。例如,变电站发生二次直流接地时,运行人员应通过“拉路法”对全站各间隔直流电源进行排查,确定接地间隔,并通知维护人员快速到现场进行检修,以防出现保护误动或拒动的情况。在故障处理过程中,人为操作的可靠性对于系统故障恢复有重要影响。在上述事故处理中,根据系统运行特性,假设需要操作人员在10 min内完成此操作。

对于不同操作人员,由于知识经验、心理水平等因素的差别,其完成操作的可靠性也是有差别的。例如,操作员A经验丰富,处理过类似情况;而操作员B属于新手,经验匮乏。

对于操作员A和B,利用应急操作场景下人为可靠性分析的参数如表3所示,那么根据分析可以得到操作员发生人为失误的概率,如表3最后一列所示。

表3应急操作场景下人为失误概率

从表3可以看出,操作员B在完成该应急操作的失误概率远大于A。在面临突发事件时,操作的经验对结果有很大的影响,经验丰富操作员往往能够及时发现问题所在,并将故障排除。

5.3 结果分析通过2个算例分析可知,无论对于长时间持续操作还是应急操作,人为因素都有很大影响。

为降低人为操作失误概率,应采取恰当的管控措施,提高人为操作的水平。对于静态影响因素,可通过加强培训和操作班组间的交流提高操作人员经验和技能水平;通过加强安全责任教育、营造安全意识,提高操作人员责任心。对于动态影响因素,需要合理安排操作任务,尽量避免长时间、高强度的工作;改善变电站操作环境、制定完善的事故预案,有助于提稳定操作人员在常规操作和应急操作时的心理情绪。

6 结论

变电站是电力系统中承担电压变换、电能传输和电能分配任务的重要节点,变电站的安全稳定运行是电力公司向用户提供连续、高质量电能的前提。人为因素是影响变电站操作可靠性的重要因素之一,在很多情况下人为失误或人员不安全行为会导致停电事故,因此,对人为因素进行建模分析具有重要意义。

该文从工程应用的角度出发,对将人为因素分为静态影响因素和动态影响因素,并提出了长时间持续操作和应急操作情景下的人为操作可靠性分析方法。通过对变电站实际操作的分析,证明所提出方法的适用性。从分析结果可以看出人为因素对操作可靠性的影响,可根据定量分析结果,制定恰当的安全管控措施。通过加强技能培训和安全责任教育、合理安排操作任务、制定完善事故预案等,提高人为因素水平,降低人为操作失误概率,以保证变电站和系统安全稳定运行。

[1] 国家电网调度通信中心.电网典型事故分析(1999-2007年)[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2] 林 杰.安全行为科学理论在电力生产中的应用研究[D].贵州:贵州大学,2006.

[3] 凌 毅,张勇军,李 哲,等.基于事故因果继承原则的变电站电气误操作事故分析[J].继电器.2007(16):5558.

[4] Yingkai Bao,Junxi Tang,Yifei Wang,et al.Quantification of Human Error Probability in Power System based on SLIM[R]..IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(IEEE APPEEC),Dec,2014, Kowloon,Hong Kong. [5] 郭夏言.电力企业集控运行员工疲劳问题研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[6] Panteli M,Peter A,Daneil S,et al.Assessing the impact of insufficient situation awareness on power system operation [J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):

[7] 王洪德,高 玮.基于人的认知可靠性(HCR)模型的人因操作失误研究[J].中国安全科学学报,2006,16(7)

[8] Dhillon B S.Human Reliability and Error in Transportation Systems[M].New York:Springer,2007.

本文责任编辑: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

TM732

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陈博文(1989-),男,助理工程师,主要从事继电保护工作。