基于可靠性分析的20kV配电网故障处理策略

国家电网公司浙江省电力公司温州供电公司 陈发棋 陈 腾 潘灵荣 武汉理工大学自动化学院 胡 胜 唐金锐

引言

配电网是电力系统中将电能分配给终端用户的关键环节。近年来，我国在配电网建设方面的投资力度不断加大，也取得了显著成绩，但与发达国家相比仍存在一定差距，城乡区域发展不平衡，供电能力和供电质量亟待进一步改善以满足经济社会快速发展的需求。对于配电网是否先进，一个重要的判断标准就是供电可靠性。与发达国家相比，我国在表征配电网可靠性的故障率、供电可靠率、平均停电时间和平均修复时间等指标方面还存在较大差距，因此我国供电可靠性还具有较大提升空间。造成上述差距的原因主要包括两个方面：一方面我国的配电网规划建设起步晚、底子薄，另一方面我国经济增长速度较快，对于电力的消费需求较高，负荷增长很快。而发达国家电力消费增长平缓、负荷己逐步呈现饱和状态。

与发达国家相比，我国的配电网建设始终处在一个动态平衡的状态下，对配电网的规划、建设和运营在一定程度上增加了难度。为缩小与发达国家的差距，面对新形势与新环境，国家电网公司提出了建设世界一流城市配电网的发展目标，坚持以客户为中心，以提升供电可靠性为主线，强化标准化建设、精益化运维、智能化管控，打造结构好、设备好、技术好、管理好、服务好的一流现代化配电网。按照国网公司的上述要求，提高供电公司运营效率、缩短用户停电时间,从而提高供电可靠性和服务质量是配电网未来发展的必然趋势[1]。

配电网的供电可靠性与诸多因素相关，其中配电网故障处理是配电网运行维护的重要环节，故障抢修效率直接影响着供电可靠性，影响经济社会稳定和居民生活质量。目前很多供电公司早期配网建设根据各区、村镇分布独立设计，缺乏系统性规划、也缺乏统一的设备维护管理，因而基础薄弱，缆化率与设备自动化水平较低。此外，地处沿海地区的供电公司又受台风登陆、雷暴天气影响较大，架空线路安全运行的影响因素较多，这些因素均会对配电网的供电可靠性带来负面影响，因而配电网故障发生率和抢修率也比较高[2]。

然而，目前很多供电公司缺乏对配电网设备的可靠性进行有效的监测、分析与评估，也没有建立配网设备的缺陷库和检修方法库，从而缺乏结合配电网可靠性分析的历史数据来指导配电网的故障处理工作，导致配网出现故障后盲目被动检修，故障查找困难大，故障抢修处理时间较长，抢修效率低，进而造成供电公司供电质量差、供电可靠性降低。因此，为更好地提升配网故障抢修效率、降低停电时间和停电成本、提高供电质量和供电可靠性，研究配电网的故障处理策略，缩短故障查找范围和故障检修时间十分重要。

针对上述问题，本文提出一种基于可靠性分析的20kV配电网故障处理策略，该策略首先采用概率统计分析理论对20kV配电网的可靠性进行评估，然后根据可靠性评估的结果，建立20kV配电网设备典型缺陷库并提前制定好相应的维修措施。当20kV配电网出现故障需要处理时,可利用典型缺陷库和相应的维修措施来指导检修工作，从而可实现配网故障后的主动检修，使得故障查找范围和难度大大降低，故障抢修处理时间短，检修人员作业负担轻、抢修效率高，从而降低了供电公司停电成本、提高了供电质量和供电可靠性。此外，针对在抢修过程中所出现新的故障缺陷定期对配电网进行可靠性再评估，对典型故障缺陷库及其维修措施进行持续更新，形成闭环控制，从而使得配网故障抢修效率、停电成本、供电质量和供电可靠性得到持续改进。

1 20kV配电网可靠性分析

一般中压配电网采用相对较高的电压都会更加经济，但该电压也不宜选得过高，过高的电压会增加设备成本，而且由于绝缘和环保的要求，所占用的空间资源也必将增大。目前国际上大部分发达国家选择20kV电压等级作为中压配电网电压。运行实践证明，20kV配电网相比10kV配电网在经济和技术上都具有比较明显的优势[2]：

提升线路的输送容量，节约有色金属用量。在导线截面和通过电流一定的情况下，电压越高，输送容量越大；提高中压网络的供电传输距离。电压越高，传输相同功率时线路损耗越小，传输距离越大；短路容量增大，对分布式发电接入、干扰和谐波等污染负荷接入的承受能力更强；降低线路的功率损耗。输送相同功率时，导线截面不变，电压越大、线路电流越小、功率损耗越小；减少电压损耗，提高电能质量。输送相同功率时，导线截面不变，电压越大，线路电流越小，电压损耗越小；减少变压器的损耗。额定运行时，电网的空载损耗主要决定于线路中变压器的空载损耗，而对于同容量不同电压等级的变压器，其空载损耗的数值是很接近的。电网电压由10kV升至20kV后，相同容量的变压器其空载损耗基本不变而负载损耗的数值大大减少，即总损耗降低，符合经济合理的原则，利于降损节能和电网的经济运行。

基于上述优势，在规划负荷密度大、负荷增长迅速的地区，20kV配电网值得推广使用。20kV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，从而造成供电不足或中断，影响供电可靠性。配电网故障对用户供电可靠性的影响很大，统计表明大部分用户停电是由配电网故障引起的[3]。

为科学地分析配电网的可靠性，一方面需要掌握配电网设备故障的历史数据和设备的可靠性数据，另一方面需要利用数理统计和概率理论对历史数据进行分析，建立配电网的故障概率和可靠性的模型，计算配电网的故障率、修复率、可靠性以及平均无故障工作时间等技术指标并对配电网的可靠性进行评估。

对于电网中的每一台设备，如果长期使用，最终都会发生故障，因此每一台设备都有一个对应的故障率，故障率λ定义为在给定的时间内每单位元件期望的故障数，可以表示为λ=故障数/元件运行总时间，运行设备由于故障进入停运状态，停运设备可以经过修复重新进入运行状态。因此每一台设备也都有一个对应的修复率，修复率μ定义为在给定的时间内每单位元件期望的修复次数，可以表示为μ=修复次数/元件停运总时间。

一个设备的寿命期通常可分为初始损坏期、有效寿命期和衰耗期三个阶段。初始损坏期故障率较高，如不合格产品等。有效寿命期故障率较低，故障发生具有随机性和偶然性，当设备进入磨损期时，设备的故障率由于老化而显著上升。在分析设备可靠性时，大多都假设设备处于有效寿命期，此时故障率近似为常数，故障概率符合指数分布，即在时间t内发生故障的概率为：P(t)=1-e-λt（1）在时间t内发生n次故障的概率为：P(n)=(λt)ne-λt/n!（2）。

与之对应的，设备的可靠性可以定义为即在时间t内设备残留的概率，因此根据式(1)设备的可靠性R(t)可以表示为R(t)=e-λt，根据式(2)可以得到设备的平均无故障工作时间MTTF(Mean time to failure)：MTTF=∫0∞R(t)dt=1/λ。

20kV配电网设备主要有电缆、架空裸导线、架空绝缘导线、配电变压器、绝缘子、杆塔、开关柜、断路器、隔离开关、母线等。在进行可靠性评估时，需要利用各种配电设备的历史数据计算其故障率、修复率、可靠性，以及平均无故障工作时间等技术指标以对各配电设备的可靠性评估，还可以根据配电网系统各设备的故障概率以及各设备间的拓扑联系，计算负荷侧的故障率、修复时间和强迫停运时间的参数来对负荷侧的可靠性进行评估。

2 20kV配电网故障处理策略

电网的可靠性是电网规划、运行的重要基础数据。研究配电网设备运行安全状态或故障概率，不但可以为系统的运行风险评估提供支撑，而且可以指导设备的在线预警，规避预警设备，安排低风险运行方式，这些都可有效减少配电网故障次数，提高配电网供电可靠性。在电网设备运行维护方面，可根据电网故障概率及其对电网安全的影响程度，确定最优的设备运行维护策略。然而由于数据收集等方面的原因，国内对故障概率的研究和应用仍不广泛。

配电网故障处理是配电网运行维护的重要环节，故障抢修效率直接影响着供电可靠性，影响经济社会稳定和居民生活质量。然而，目前很多供电公司缺乏对配电网设备的可靠性进行有效的监测、分析与评估，没有建立配网设备的故障缺陷库和相应的检修方法库，更没有结合配电网可靠性分析的历史数据来指导配电网的检修工作，导致配网出现故障后盲目被动检修，故障查找困难大，故障抢修处理时间较长，检修人员作业负担重，抢修效率低、资源重复浪费和无用消耗大，进而造成供电公司供电质量差、供电可靠性降低、停电成本大。

针对上述问题，本文提出一种基于可靠性分析的20kV配电网故障处理策略，首先采用文中所提的分析方法对20kV配电网的可靠性进行评估，然后根据可靠性评估的结果，建立20kV配电网设备典型缺陷库并提前制定好相应的维修措施。当20kV配电网出现故障需要处理时，可利用典型缺陷库和相应的维修措施来指导检修工作，从而可实现配网故障后的主动检修，使得故障查找范围和难度大大降低，故障抢修处理时间短，检修人员作业负担轻、抢修效率高，从而降低了供电公司停电成本、提高了供电质量和供电可靠性。

此外，针对在抢修过程中所出现新的故障缺陷定期对配电网进行可靠性再评估，对典型故障缺陷库及其维修措施进行持续更新，形成闭环控制，从而使得配网故障抢修效率、停电成本、供电质量和供电可靠性得到持续改进。图1为本文所提的故障处理策略的示意图，具体包括如下内容：

图1 故障处理策略

对20kV配电网的年度历史故障数据按照供电线路和事故成因进行分类，利用数理统计和概率理论对配电网事故进行统计分析，同时结合配电网的结构和可靠性原理，对各配电网设备（包括断路器、变压器、隔离开关、母线、架空线路、电缆等）的故障概率、修复率、可靠性、平均无故障工作时间及年度强迫停运时间进行计算；根据各配电网设备的故障概率及年度强迫停运时间的计算结果，按照故障率和年度强迫停运时间进行排名。根据排名顺序，建立影响20kV配电网可靠性的典型缺陷库。

根据所建立的20kV配电网的典型缺陷库，逐一对配电设备典型缺陷成因进行分析，确定影响配电设备可靠性的相关因素（如设备质量问题、使用维护不当、短路故障、设备老化、自然灾害、外力破坏等）。然后根据配电设备典型缺陷成因和可靠性影响因素的分析结果，制定20kV配电网的维修和防护措施来指导配电网的检修工作。

根据所建立的20kV配电网的典型缺陷库和制定好的维修和措施来指导配电网的检修工作，对故障处理中的故障查找和故障抢修环节进行改进，如图1；如果在故障处理过程中未出现新的故障缺陷，则完成检修。如果在故障处理过程中出现新的故障缺陷，则定期对配电网进行可靠性再评估，对典型故障缺陷库及其维修措施进行持续更新，形成闭环控制。