电力负荷增大趋势下城市电网输变电设备运行风险评估研究

汤茗茗

（北京安诺创达电力工程有限公司）

0 引言

近年来，随着智能配电网的快速发展，各种类型设备接连并网，导致电力系统的运行模式发生了变化，给电力系统的安全增加了风险。随着客户对配电网供电可靠性要求的不断提高，风险评价在配电网中的重要性日益突出。

电网运行风险评价在国内外的研究中已经有了较大的进展，有别于以前的确定性评价和可能性评价，现今风险评价系统更多地考虑到现实操作中的不确定因素，以满足评价需要。其中，以故障概率为基础的综合评价方法已相对成熟，被广泛运用于电网运行中，并收到较好的效果［1-3］。文献［4］、［5］通过一种基于分布式采样蒙特卡洛算法的电力系统故障结果分析方法，对电力系统中的风力发电和输电系统进行了仿真分析。文献［6］和［7］采用基于证据推断的输电网运行风险分析方法，对电力设备开展了风险评估。但是，由于配电网络的电力负荷增大这一实际运行情况，其拓扑结构和设备数目远比主电网要多，使得其故障概率难以被准确计算。另外，由于电力中断而导致的经济损失与社会影响也各不相同。所以，以故障概率和故障后果为基础的风险指标已经不能准确地反映配电网的运行特征，不能满足其发展需求。

针对上述问题，本文研究了一种适合于配电网络的实时风险评价方法。在此基础上，提出了健康程度与重要性程度的概念，把风险看作是两者的函数，对不同危险因素影响下的健康程度与重要性程度进行了综合分析。基于该理论，开发出相关的软件功能平台，并用一个具体的示范项目对所提方法进行了验证。

1 配电网设备运行风险评估的重要作用

从目前配网的最优配置来看，对配网设备的运行状况进行评估，并对其风险进行分析，可以提高整体系统的运行稳定性。在此基础上，构建评价体系，以评价结果为依据，提升设备的正常运转稳定性，优化维修流程，为后续设备工程的调整与技术改造提供科学依据。

通过对系统的状态评估与风险评估，能够全面地了解系统的失效频次。利用参数计算和数据统计的方式，找到每台设备的生命周期，并对故障次数和频率进行分析，从而提升设备的使用寿命。

每个装置的故障基本可划分为早期故障、偶然故障和损耗故障三种类型。利用状态评价和风险评估，可以对设备在早期故障期的状况有一个清晰的认识，这样才能让维修人员有充足的时间做好准备。

在配电网络中，随着实际工作的进行，设备的状态也在发生着变化。若仅凭目视观测，难以构建出能够对设备运行状况进行精确预测的关键指数。通过构建评价体系，能够更准确地获取设备的正常工作数据，进而制定出更准确的维护方案。

2 电力设备的风险评估方法

在电力负荷增大的趋势下，为了适应电力设备安全风险控制的需要，本文提出了一种以健康度和重要性为基础的在线风险评估方法，对电力设备操作运行中的风险的定义如下：

其中，H（Ei）、I（Ei）分别为在故障事件发生时，设备的健康度和重要性指标。

这种方法采用了将设备运行中所涉及到的多个参数和影响因素都考虑进去的方式，从而对设备的风险情况展开了量化。

输变电设备运行中的风险评价流程如图1所示。

3 电力设备健康度指标

电力设备在工作时，会产生温度、压力、电流、电压、振动、能量等多个参数的变化。针对不同的监控要求，可选用不同的监控信号。对设备操作中的主要参数进行监控，就能找出可能出现的故障，从而对设备的操作状况做出判断。这些参数与装置的工作环境、机械磨损、气体浓度以及在工作过程中的电荷量都有关系。在设备监测技术中，电流传感器、压力传感器、光纤传感器等被广泛应用，并与微处理机协同工作，以实现监测任务。当装置脱离了正常的工作条件时，还需对其进行进一步的分析。表1列举了一些需要监控的装置和它们的信号。

表1 监测参数列表

本文利用二维椭圆模型，对两个参数之间的关系进行了描述，并给出了监控参数的范围，如图2所示。

图2 电力设备监测参数阈值图

参数化的健康度指数如下：

式中，当Hn＝1时输变电设备的状况为健康；当Hn＞2时输变电设备出现了故障状况；当Hn数值介于1～2时，该参数将被看作是一个警告状态。

各参数的监控方法基本一致，只是各参数采用了不同程度的扰动。Hn数值越大，说明设备的工作条件越差；Hn数值越小，说明设备的工作条件越好。最坏操作条件的参数表示该设备的整体操作条件，因此，能够用最大值的参数化健康度指数来代表设备的综合健康度，表达式如下：

其中，H1，H2，…，Hn代表不同操作参数的健康度指数。

4 电力设备重要性指标

当一个设备的重要性程度越高时，它就有可能在很小的事故中进入不安全的工作状态；相对来说，设备越不重要，就越安全。针对设备的重要性，可以采取相应的风险控制措施，对高重要性的输变电设备，应建立更为严格的风险控制准则。重要性按以下方式定义：

其中，Yk（Ei）为第k个影响因子的具体等级；ωk（Ei）为第k个影响因子对应的数值权重；N为重要性方面的影响因素全部数量。

风险评估的影响因素主要包括四个方面，即载荷数量因子、载荷等级因子、社会影响因子和设备因子，评估的表达式如下：

其中，YLN是负荷数量因子；YLL是负荷等级因子；YS是社会影响因子；YE是设备因子。

本文将以负荷数量因子进行阐释，负荷数量因子的情况见表2。

表2 负荷数量因子

5 电力设备风险等级

为了判断该设备在配置中的适用性，本文根据该设备的健康程度和重要性，设计了一个系统的实时风险矩阵。在该矩阵的可视化二维图型中，纵轴数值为1～∞，其中H＝1指示该设备在以下位置处于正常运行状态。正常状态是指设备的各个参数都稳定，并且在规程规定的警示值、注意值（以下简称“标准限值”）范围内，能够正常工作。H＝1～2指示该设备在以下位置处于注意运行状态，也就是单个或者多个状态量的变化趋势已经达到了一个标准极限，但是还没有超出这个极限，所以它还可以持续运转，但是需要加强对它的监控。H＝2～∞指示该设备在以下位置处于异常运行状态，也就是单个重要状态量发生了很大的变化，已经接近或稍微超过了标准限值，这时就应该对其展开运行监视，并对其进行适当的处理，或者适时安排停电检修。横轴数值I＝0～1表示设备为一般设备；I＝1～2表示设备为关注设备；I＝2～3表示设备为重要设备；I＝3～4表示设备为关键设备。基于目前的风险评价结果，能够对系统的实时风险进行判断，并采取相应的措施。当H＝2～∞且设备为关键设备时，指示该设备在以下位置处于严重异常状态，也就是单个的重要状态量已经远远超出了标准的下限，必须要在第一时间安排停电检修。

6 输变电设备健康度与重要性风险评估在某市电网的应用

某市电力公司在全市范围内率先对电力系统中的输变电设备进行了故障诊断。《油浸式变压器状态检修指导方针》、《110～500kVSF6断路器状态检修指导方针》等，可用于指导输变电设备的状态检修，并在全国各地逐步推广应用，取得了一些成绩，积累了一些经验。在2020年，重点对亚洲地区的输电设备展开了一次状态评估和风险评估，以便对所涉地区的设备的工作状况有一个全面的认识，降低设备的工作风险，消除备用隐患。图3和图4所示分别为某城市电力系统中所涉及的110kV及更高等级的主变、SF6开关和架空线的状态和风险评估结果。

图3 某市电网110kV及以上等级主变、SF6断路器及架空线路状态评价结果

图4 某市电网110kV及以上等级主变、SF6断路器及架空线路风险评估结果

从图3的评估结果可以看出，在某市电网中，90%以上的变压器、SF6断路器和110kV及以上的架空线路都是正常状态，大约有5%是注意状态，设备总体上为正常，只有极少数的设备在注意和监控状态。根据图3中的状况评估结果，对以上设备进行了风险评估（如图4所示），结果显示，设备中VI级（最小危险等级）的比例在90%以上，总体风险等级较低，设备能够正常工作，从而为保障用电及今后电力输送设备的安全有效运行、断电大修等奠定了理论和实际基础。

结果表明，所研究的设备事故风险评估模型，能够根据设备的运行状况，准确地判断设备的风险状况，为设备的全生命周期管理做好了应用的基础。通过对风险值的定量计算，可以为设备维护策略的制定、设备测试周期的确定等方面提供参考。

7 结束语

在对电网输变电设备进行健康度和重要性评估的基础上，对运行风险进行评估，能够得出各种设备和设备群在将来可能发生的风险变化，为决策者提供设备检修和风险控制的依据。通过对设备状况的量化评价，给出了一种以健康度和重要性为基础的操作风险评价方法，对设备量化危险值的计算方法进行了研究，并按照危险值的大小对危险等级进行了分类。通过对某市电力系统输变电设备的风险评价，得出了以健康程度和重要性为基础的运行风险评价结果，可以更好地反映出电力系统的实际状况，为电力系统的维护和风险管理决策起到了指导作用，是一种非常实用的方法。