配电自动化二次设备风险评估与检修决策研究

夏 寅， 张晓青

( 1. 江苏北辰冠源电力设计有限公司,江苏 南京 210014；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210003)

0 引言

电力企业的迅速发展和配电自动化应用的普及，对配电自动化运行的安全性、稳定性以及运维管理的水平提出了更高的要求。配电自动化设备的检修方式已逐渐从传统的计划检修向状态检修转变，对配电自动化设备的状态评价是作为配电自动化系统进行风险评估的基础与前提，运维人员通过风险评估能够对配电自动化设备运行中出现的风险以及安全隐患进行预防。由此可见，配电自动化二次设备运行维护中风险评估能够为电力企业配电自动化日常维护、正常运行、技术以及检修提供科学合理的决策依据[1-3]。

配网二次设备的风险评估与状态检修已在许多地区电网展开了相关研究，目前大多是从继电保护方面开展二次设备的风险评估或状态检修研究，缺少对配电自动化二次设备的研究，并且将风险评估与状态检修二者关联起来的研究和应用较少。

本文以配电自动化终端设备为切入点，考虑其运行特点及对其状态的影响因素，从设备状态评价出发，采用量化风险值的方法进行风险评估[4]，提出了以风险损失和检修成本最小为优化目标，构建检修决策优化模型，实现了配电自动化二次设备的精益化运维管理。

1 配电自动化二次设备运行风险综合评估方法

1.1 配电自动化二次设备风险评估流程

配电网运行设备的风险评估主要包含设备自身风险与故障风险，主要对设备的资产值、资产损失度以及设备发生的风险概率等方面进行评估。针对配电自动化系统运行中潜在的风险，将配电自动化二次设备作为风险研究点，可知二次设备在其使用期限内，运行使用的时间与设备发生故障之间的频率具有一定规律[5]。设备综合风险评估是基于设备的状态评价结果进行的，风险的计算以风险值为指标，是设备故障可能损失的总资产与设备发生故障概率二者的乘积[6]，风险评估流程如图1 所示。

图1 设备风险评估流程Fig.1 Equipment risk assessment process

1.2 配电自动化设备平均故障概率

(1)

式中：S为根据设备状态评价结果取其对应的简化计算量化值；K为比例系数；C为曲率系数。K和C均为与设备种类、运行环境等诸多因素有关的常量，可采用下式进行反演计算：

(2)

式中：N为根据状态评价方法确定的状态等级；Mi为评价周期内各等级所对应的设备台数；Q为评价周期内的故障台数。

依据设备状态评价分值将状态等级i分为正常状态、注意状态、异常状态、严重状态4个等级，并对二次设备分别按照4个状态等级开展分类统计[8]。在获得2个统计周期内运行状态和故障概率统计数据的基础上，反演计算K和C值。根据某供电公司的配电网2015和2016年2年的配电自动化终端设备的运行情况统计样本数据，由上述计算方法得出K和C的值分别为8640和0.159 6。选取各状态等级分值区间的中间值作为简化计算量化值，通过反演计算得到的故障概率作为设备平均故障率，如表1所示。

表1 设备状态评价分值和平均故障概率Tab.1 Equipment status evaluation score and average probability of failure

2 配电自动化设备风险评估模型

配电自动化二次设备主要包括继电保护装置、二次回路、自动装置、就地监控、故障录波和远动装置等，导致设备风险隐患的因素主要有：配电自动化终端关键硬件故障，包含电源插件、CPU插件、遥测插件、遥信插件、遥控插件等故障；二次回路断线故障，包含遥测、遥信、遥控回路故障；终端就地保护装置故障等。

根据风险评估的定义，风险值由设备平均故障概率和可能造成的损失来确定[9]，设备风险损失以量化的风险值为指标，不仅要考虑设备发生故障的可能性，也就是设备发生故障的概率，还要考虑设备故障导致的可能损失的资产，进而研究配电自动化二次设备风险的量化评估模型和风险评估方法[10]。

可能损失的资产是指综合考虑资产与损失程度得到的潜在损失总量，例如配电终端故障时，不能正常发送遥测量等量测值，导致未能及时监测到某线路重载甚至过载的风险，从而造成配电网运行的故障风险和失负荷风险，因此对二次设备从以下3方面来评估可能损失[11-12]：

(1) 配电网可能损失L1。该损失为二次设备故障对配电网运行的影响程度，可由对应故障产生的过负荷或失负荷的重要程度等因素来决定。

(2) 设备可能损失L2。该损失为二次设备自身的价值损失及故障可能造成的关联自动化设备的价值损失。

(3) 用户可能损失L3。该损失为影响用户的重要级别及各级别的数量。

则某二次设备可能损失值为：

(3)

通过上述方法得到故障损失后，根据设备风险损失的定义，可得出设备在时刻t的风险损失量数学表达式为：

(4)

由于影响设备状态评价的因素众多，在确定状态级别时需要考虑不用影响因素的权重，各因素的权重对设备状态评价结果起着至关重要的作用。本模型中采用层次分析法给出设备状态影响因素的权重，层次分析法是根据专家和运行人员的经验分析不同类型的设备状态评分影响因素[13]，并对各因素进行两两比较，得出设备重要程度的比较判断值，如表2所示。

表2 设备重要程度比较判断值Tab.2 Comparison of the importance of equipment to determine the value

考虑到实际设备状态的不同情况，对设备资产具体取值时，需要根据设备类型的重要程度，加入风险量化计算，得到表达式如式(5)：

(5)

式中：αi为不同设备重要程度的比值。

由式(4)可知，R=1时处于临界状态，R=0.5为安全运行区间中值，由此制定配电自动化二次设备运行风险等级分类。根据配电设备的实际影响范围，可以分为3个等级，其中Ⅲ级属于正常状态。设备风险级别划分如表3所示。

表3 风险等级分类和量化风险值的对应关系Tab.3 Classification of risk level and quantitative risk value

Ⅰ级风险表明设备运行处于危险状态，风险等级最高；Ⅱ级风险表明设备运行处于警戒状态，风险等级较高；Ⅲ级风险表明设备运行于安全范围，风险等级较低。

3 配电自动化系统状态检修决策模型

检修的经济性与设备风险损失是相互矛盾的两个方面。降低风险损失需要增加检修成本的投入，若检修不足则会造成设备风险损失的升高。以检修成本和故障风险损失成本之和最小为目标，研究计及风险损失的配网配电自动化设备检修方式选择模型[14-15]。检修计划决策流程如图2所示。

图2 检修计划决策流程Fig.2 Maintenance plan decision flow chart

其中，检修方式的成本包括：直接检修成本和间接检修成本。直接成本指检修活动本身产生的经济费用，主要包括人工成本、材料成本和机械成本，同类设备的直接检修成本基本相同[16-20]。直接检修成本的计算公式为：

(6)

式中：Ca,i为第i类检修的直接检修成本。

间接成本指由于检修活动导致的供电量减少所造成的电费收入损失[18]。其计算公式为：

(7)

式中：Cb,i为第i类检修的单位时间停电损失；ti为第i类检修的检修时间。

因此，检修成本可以表示为：

C=C1+C2

(8)

为兼顾检修的经济性和设备风险，使两者之间协调达到最大满意程度，建立的检修决策的目标函数为检修成本与设备可能损失之和的最小值，即：

E=min(C+L)

(9)

按照风险值从大到小的序列得出一组检修计划排序，同时结合成本费用进行检修决策的优化。根据电气二次设备的相关检修规程和检验标准进行整理归纳，将设备检修分为 A、B、C 3个等级，每个等级对应相应的检修策略，如表4所示。

表4 检修类别及对应的检修内容Tab.4 Maintenance category and the corresponding maintenance content

4 算例分析

以典型馈线自动化(feeder automation，FA) 故障处理手拉手环网配电自动化测试系统为例，如图3 所示，对检修模型进行验证。图3中，A1—A12 表示柱上开关，其中 A6、A9 为联络开关，其余均为分段开关；B1—B15 表示负荷开关。假设分段开关 A5 处的馈线终端装置(feeder terminal unit，FTU)遥信回路在下一次计划检修之前发生故障，未能上送过流信号，可能导致负荷 5～6 因线路某处发生故障后，未得到故障隔离和故障恢复操作而造成的失电损失；若联络开关 A6 处的 FTU 遥信回路在下一次计划检修之前发生故障，则不能上送过流等故障信号，故障点下游区域均无法得到供电恢复，将导致负荷5～6及7～9 失电损失，可见联络开关处的终端发生故障时造成的损失更大。

图3 配电自动化故障处理测试Fig.3 Test figure of distribution automation fault process

测试图中对应的负荷情况，如表5所示。

表5 算例负荷数据Tab.5 Load data of example

经查询天津城南供电公司配电自动化二次设备检修历史记录，得到检修工程各项费用，进行检修成本计算。以配电终端FTU为例，分别对柱上开关处的FTU故障损失成本和检修成本进行计算，假设故障导致负荷失电时间为1 h，由上述计算方法得出设备的故障损失、故障概率以及风险值，如表6所示。

表6 设备的故障损失计算结果Tab.6 Equipment failure loss calculation results

FTU设备的检修成本统计如表7所示，馈线终端FTU直接检修成本通常为0.5 万元/次，由于检修过程中存在一定的随机事件，在此设定一个随机扰动量l，l取0.1 万元，直接检修成本可表示为0.5+l。,本案例假设A2、A6、A9处FTU直接检修成本加入随机扰动量。

表7 检修成本计算结果Tab.7 Maintenance cost calculation results

根据表6的风险值由大到小进行排序，并且由总可能损失和表7的总检修成本求和计算得出 A1—A12 处的 FTU 设备的总损失，如表8所示。

表8 设备检修计划排序Tab.8 Equipment maintenance plan

从上述计算结果可以看出，A1—A12处FTU设备风险值均在0.1～0.5之间，风险等级较低，属于安全运行范围，可参考C类检修方式对FTU设备按检修计划序列依次进行检修。如某些FTU设备的风险值较高，则根据损失成本选择B类或A类检修方式。当不同设备的计算风险值大小相等或接近时，则以总损失作为参考进行排序，总损失大的有限检修。此外，从表8中可以看出联络开关A6和A9处的FTU发生故障时带来的风险和总损失相对其他设备较高，因此应重点关注联络开关的状态及检修方案。

5 结语

本文研究了配电自动化二次设备运行的综合风险评估方法，建立了配电自动化二次设备风险评估流程，运用对状态评价和故障概率统计方法得出量化风险指标，结合配电自动化二次设备的检修成本模型和故障风险成本模型，以综合成本最小为目标对检修计划进行决策优化，尽可能地降低配电自动化二次设备的检修成本和因不合理检修可能导致的故障风险，科学安排检修时间和项目，获取经济技术综合最优的状态检修方案，保证配电自动化二次设备安全可靠运行。

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