配电网重复多发性停电风险辨识方法

2018-08-08徐铭铭姚森牛荣泽胡博徐恒博谢开贵周宁郝钰

电力建设 2018年8期

徐铭铭，姚森，牛荣泽，胡博，徐恒博，谢开贵，周宁，郝钰

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州市 450052;2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学电气工程学院)，重庆市 400044)

0 引言

相对于发电系统和输电系统，配电网是电力系统中直接面向用户的环节，对用户供电质量和客户满意度的影响也最为直接。我国当前配电网，尤其是经济欠发达地区的配电网，仍然存在着网架薄弱、设备可靠性低、信息化水平落后、调度能力不足等多种问题，从而导致停电事故多发、用户投诉不断。其中，以重复多发性停电事故对用户日常工作生活、设备安全运行等影响最大[1]。因此，开展配电网重复多发性停电事故风险评估及预警技术研究具有重要意义。

长期以来，众多学者对配电网停电事故进行了研究，已在停电原因分析、风险评估等方面取得了一系列研究成果[2-10]。然而针对重复多发性停电风险评估及辨识方面的研究较为少见。文献[6]对配电网常见故障类型、故障特点、故障原因等进行了分析，梳理了自然灾害、外力破坏、设备原因和树木等因素对故障的影响程度；文献[7]总结了配电网防雷研究的现状和存在的主要问题，并提出了一系列可行的防雷治理方案；文献[8]从配电网网络结构、可靠性管理水平等角度，分析了各种停电发生原因及应对措施；文献[9]建立了配电网故障停电风险评价指标体系，并对停电风险评估方法进行了研究；文献[10]提出了一种基于风险的配电网故障评估方法，对多因素影响下的配电网故障停电风险进行了综合评估。

针对当前国内外缺乏配电网重复多发性停电风险评估和风险辨识方法研究成果的现状，本文提出一种针对配电网重复多发性停电的风险辨识方法。首先，分析配电网重复多发性停电的界定原则，提出基于停电发生概率和停电严重程度的重复多发性停电风险预警指标。为准确刻画已发生停电次数对重复多发性停电预警指标的影响，提出重复停电影响因子，用于修正预警指标。然后，基于层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵权法的主客观并重的评价方法，对配电网重复多发性停电进行风险预警评估，辨识风险较大的线路。以某省电力公司3条10 kV线路为例进行算例分析，验证所提指标和方法的正确性和合理性。

1 重复多发性停电风险预警评估方法

1.1 重复多发性停电的界定原则

当前，业内对重复多发性停电并没有明确的界定。从字面意义上讲，重复多发性停电指反复出现、频繁发生的停电事件。但是，这一理解较为笼统模糊。

为此，作者专门查阅了国家电网公司和南方电网公司的大量文件，在国家电网公司《关于对低电压和频繁停电投诉业务受理标准的说明》中发现：对客户投诉“频繁停电”的受理标准是“客户反映2个月停电3次及以上”[11]。

参照上述标准，本文提出了重复多发性停电的界定原则：同一配电线路2个月内发生3次及3次以上的停电，可认定为重复多发性停电。

1.2 重复多发性停电风险预警评估方法

本文所提重复多发性停电风险预警评估方法是一种定量的综合评价方法。首先，确定重复多发性停电的评价指标，评价指标有2个：停电发生概率和停电严重程度；然后，分别确定二者的影响因素，基于AHP和熵权法，确定各影响因素的权重，求取发生概率综合评分值和严重程度综合评分值；最后，综合概率综合评分值和严重程度综合评分值，确定重复多发性停电的风险预警值和预警等级，如图1所示。

图1 重复多发性停电风险预警评估示意图Fig.1 Risk warning evaluation of repeated multiple power outage

2 重复多发性停电风险预警评估指标体系

本节首先介绍已发生停电次数对重复多发性停电预警概率指标的影响以及由此定义的重复多发性停电影响因子，然后重点阐述重复多发性停电概率指标体系和严重程度指标体系。

需要指出的是，本节中建立的概率指标体系和严重程度指标体系均是通过对某省电力公司近年多条重复多发性停电事故的影响因素分析得到，限于篇幅，具体选择过程不再赘述。

2.1 重复多发性停电影响因子

结合重复多发性停电的界定原则，若某条线路上月发生过停电事件，则在未加强维护的情况下，该停电事件演变为重复多发性停电事件的概率将会大大增加。因此，必须考虑历史已有停电信息对重复多发性停电事件发生概率的影响。

为此，本文专门定义了重复多发性停电影响因子来修正已有停电事件对重复多发性停电事件发生概率的影响。为了选择合适的因子值，作者对2015—2016年度某省电力公司下辖所有配电线路停电事件进行了梳理和统计分析，发现如下规律：在当月发生重复多发性停电的线路中，上月已发生2次停电的线路最多，其次是上月发生1次停电的线路和上月未发生停电的线路，三者对应的停电线路数量比例约为：1.5∶1.3∶1。基于此，本文将重复多发性停电因子取值为1.5，1.3，1，如表1所示。

表1重复多发性停电影响因子
Table1Repeatedmultiplepoweroutagefactors

2.2 重复多发性停电概率指标体系

2.2.1装备水平

(1)不符防雷标准架空线比例C1。

针对单条10kV线路，不符防雷标准架空线比例为防雷水平低于线路所在区域防雷等级要求的架空线路长度与架空线路总长度的比值：

(1)

式中：L1表示不符防雷标准架空线路的长度；Lh表示架空线路的总长度。

(2)线路绝缘化率C2。

针对单条10kV线路，线路绝缘化率为绝缘线路长度占线路总长度的比例：

式中：L2表示绝缘化线路的长度(包括电缆和架空绝缘线)；L表示线路的总长度。

(3)老旧设备比例C3。

老旧设备指临近或超出服役期或其他原因造成老化的运行设备。本文研究中，设超过厂家规定运行年限70%的设备为老旧设备。

为反映单条 10 kV线路设备的整体老旧水平，定义线路老旧设备比例指标：

式中：ni表示线路中第i类设备对应的老旧设备数量；Ni表示线路中第i类设备总数；Ki为不同类型设备的权值。只考虑配电变压器、开关设备和线路3类设备，其权值取为0.4，0.2和0.4[12]。

2.2.2运维水平

(1)不停电作业技术水平C4。

由于供电企业的不停电作业需要有相应证书才能进行操作，不停电作业技术水平通常随着不停电作业时间的增多不断增强。因此，本文以线路所在供电公司的证书数量和年度不停电作业累计时间的乘积来表征不停电作业水平。

x1=mT

(4)

式中：m表示供电公司不停电作业证书数量；T表示供电公司年度不停电作业累计时间；x1为未归一化的不停电作业水平指标值。

为了便于后续指标合并，将公式(4)中x1归一化：

(2)设备消缺及时率C5。

为反映供电公司运维部门对配网缺陷的应急处理能力，定义设备消缺及时率：年度及时处理的紧急缺陷项目数占总项目数的比例。

式中：ne为供电公司年度及时处理的紧急缺陷项目数；Ne为供电公司年度需要完成的紧急缺陷项目数。

(3)在线检测能力C6。

以最近一年带电检修次数表征线路所在供电公司开展带电检测的能力。其中，带电检测包括红外测试、局放和震荡波检测3种[13]。指标定义及归一化分别如式(7)和(8)所示：

x2=nr+np+ns

(7)

式中：nr，np，ns分别表示线路所在供电公司最近一年开展红外测试、局放和震荡波检测的次数；x2为最近一年带电检修总次数。

2.2.3网架结构水平

供电半径的大小主要由负荷密度决定，过长的供电半径容易引起重过载、低电压等一系列问题。根据国家电网公司规定，10kV线路供电半径参考标准为：A+、A和B类供电区供电半径不超过3km，C类供电区供电半径不超过5km，D类供电区不超过15km。

对供电公司而言，可以通过计算其管辖区域所有10 kV线路供电半径超过参考标准的比例C7来刻画其网架结构水平。

另外，还可以定义线路分段数C8来反映单条 10 kV线路的网架结构水平。

由于二者计算方法比较简单，限于篇幅，这里不再赘述。

2.3 配电网重复多发性停电严重度指标体系

(1)停电负荷重要程度D1。

由于负荷的分布具有地域特征，因此可以用地域特征来表征负荷的重要程度。通常，人口越密集的地区，重要负荷的比例越高。这类地区发生停电造成的损失通常大于人口稀疏地区。

借鉴我国配电负荷区域的划分方法，本文选取：市中心区、市区、城镇、农村4类地区，来表征负荷重要程度，显然四者对应的负荷重要程度依次从大到小。

(2)历史停电投诉信息D2。

重复停电投诉较多区域，如果再次发生重复停电会导致更多投诉，因此考虑采用重复停电投诉率指标来表征线路所在地区用户对重复停电的耐受程度。

(9)

式中：nc表示线路所在地区上月用户重复停电投诉数；Nc表示线路所在地区上月总投诉次数。

(3)停电影响用户数D3。

线路供给用户数越多，则线路发生重复多发性停电造成的用户停电损失越大。因此，定义线路停电影响用户数指标，并做归一化处理，如式(10)所示：

2.4 指标评价标准

2.2节中，指标C1—C8虽然都与重复多发性停电的发生概率密切相关，但是量纲不一样，无法直接合并。为此，本文拟采用专家打分的方法，分别对C1—C8打分，结合某省电力公司历史经验，制定打分标准如表2所示。

表2重复多发性停电概率指标评价标准
Table2Probabilityindexofevaluationcriteriaofrepeatedmultiplepoweroutage

当确定指标C1—C8各自评分后，再采用AHP和熵权法组成的主客观并重的评价方法，求取指标C1—C8的权重(详见第3节)，最终将评分值和权重相乘求和得到重复多发性停电发生概率的综合评分。

同样地，指标D1—D3也可以采用类似的处理方法，其评分标准如表3所示。

表3重复多发性停电损失严重程度指标评价标准
Table3Consequenceindexofevaluationcriteriaofrepeatedmultiplepoweroutage

3 权重系数的确定

3.1 AHP

AHP的基本原理是将一个复杂的多准则决策问题进行分解，形成一种根据各元素之间隶属关系构建的递阶层次结构。基于此，就可以将多准则决策问题转化为确定待评价对象关于评价目标的权重的问题[14]。

AHP法的基本步骤详述如下。

(1)构造判断矩阵。

建立两两比较的专家判断矩阵，将主观判断指标量化。设专家判断矩阵A=(aij)如式(11)所示：

判断矩阵中的元素通常用标度1—9表示，各标度含义如表4所示。

表4标度1—9的含义
Table4Meaningofmeasure1tomeasure9

(2)矩阵的一致性检验。

对于判断矩阵而言，其阶数较高时，需要进行一致性检验。通常利用随机一致性比率CR确定判断矩阵的一致性是否满足要求：

CR=CI/RI

(12)

式中：CI=(λmax-m)/(m-1)，λmax为判断矩阵的最大特征根，m为判断矩阵的阶数；RI为平均随机一致性指标。

(3)计算判断矩阵每行的几何平均值，即

(13)

(4)对bi(i=1,2,…,n)归一化，求取指标权重wi，即

3.2 熵权法

熵权法作为一种客观赋权方法，在实际应用中，能够得到相对客观的指标权重。其基本原理是：首先根据各指标的变异程度计算出信息熵和熵权，然后根据熵权对各指标进行修正，最后获得相对客观的指标权重。

3.2.1基本理论

显然，某指标的变异程度越大，熵值越小。这说明该指标所包含的信息量也就越大，重要程度也越大。

3.2.2具体步骤

假设有m个待评价项目，n个评价指标，可以形成原始评价矩阵R：

式中rij为第j个指标下第i个方案的评分值。

利用熵权法确定任意指标j对应权重的计算步骤如下文所述。

(1)计算第j个指标下第i个方案的比重：

(2)计算第j个指标的熵值：

式中k=1/lnm。

(3)计算第j个指标的熵权：

3.3 综合权重的确定

本文综合AHP和熵权法，采用同时考虑主、客观影响的指标权重[15]：

λ=(1-α)w+αω

(19)

式中综合权重的取值与α有关，本文为了更多的考虑客观性，α取0.6[15]。

4 风险量化分级

为了便于供电企业进行配电网重复多发性停电的预警管控，根据概率综合评分值和严重程度综合评分值，将重复多发性停电风险量化分级，如表5所示。

表5概率及严重程度评分值量化分级
Table5QuantitiveclassificationforprobabilityandConsequence

在得到概率综合评分值和严重程度综合评分值后，将二者相乘即可得到重复多发性停电风险预警值[8]。进一步地，可将风险预警值分为一般、较大和重大3个等级，分级标准如表6所示[10]。

表6配电网重复多发性停电风险预警分级
Table6Quantitiveclassificationfortheriskwarningofdistributionrepeatedmultiplepoweroutage

5 算例分析

基于前文所提指标和评估方法，以某省电力公司某配电网上月发生过停电的3条10 kV线路L1(1次)，L2(2次)，L3(1次)为例，进行重复多发性停电风险预警评估。首先，搜集3条线路重复多发性停电风险预警评估需要的基础指标C1—C8和D1—D3，分别如表7和表8所示。

表7线路重复多发性停电发生概率影响指标统计值
Table7Statisticsvaluesofindicesaffectingtheprobability

表8 线路重复多发性停电严重程度影响指标统计值Table 8 Statistics value of indices affecting the severity

然后，分别利用AHP和熵权法求取各基础指标在概率综合评分值和严重程度综合评分值中的权重。下面以基础指标C1—C8为例简要介绍权重的计算[14-16]。

(1)由AHP法求主观权重。

C1—C8指标专家判断矩阵打分值如表9所示。

经过计算，得到C1—C8指标权重向量w如下所示：

w=[0.054 9,0.054 9,0.071 5,0.138 5, 0.246 6,0.137 2,0.137 2,0.159 1]T。

(2)由熵权法计算客观权重。

根据指标C1—C8的评分值，将指标分为5个等级，分级标准如表10所示。

为了获取更为客观的权重，本文搜集整理了某省电力公司2016年度所有重复多发性停电线路对应的C1—C8指标，并将指标按照表10分级，进一步统计了各等级下频次近似占比，如表11所示。

表9C1-C8指标专家判断矩阵打分值
Table9ExpertscoringforC1-C8

表10 重复多发性停电影响因素评分值分级标准Table 10 Quantitive classification for the indices of repeated multiple power outage

表11 C1—C8指标各等级频次近似占比统计结果Table 11 Statistical results of each level of each index

得出评判矩阵R：

1)对于矩阵R，利用式(17)计算每一项指标的信息量ei：e1=0.5861，e2=0.4182，e3=0.6766，e4=0.3109，e5=0.5579，e6=0.4982，e7=0.6766，e8=0.5861；

2)利用式(18)求取各指标的客观权重向量：

ω=[0.1122，0.1577，0.0877，0.1868，0.1198，0.1360，0.0877，0.1122]T。

(3)求取综合权重。

根据式(19)，计算重复多发性停电发生概率综合权重向量a=[0.0893，0.1166，0.0812，0.1675，0.170 6，0.1365，0.1075，0.1310]T。该综合权重值即为重复多发性停电概率评价指标的最终权重值。类似地，可以求取重复多发性停电严重程度综合权重向量b=[0.330，0.406，0.264]T。

求取3条线路重复多发性停电风险值，根据各指标计算值，结合指标评分标准得到各条线路停电概率影响指标评分值和停电严重程度评分值分别如表12和表13所示。

表123条线路重复多发性停电发生概率影响指标评分值
Table12Scoresoftargetaffectingtheprobability