基于改进FMEA法的配电网自动化线路可靠性评估方法

李俊辉，王文钟，何德鉴

(1.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000；2.广州依莱科电力科技有限公司，广东 广州 510630)

配电网作为输电网与用户的联接部分，其可靠性直接影响着电力用户的用电。配电网设备数量多，网架复杂，发生故障概率高[1-4]，有相关数据显示，我国80%以上的停电事故是由配电网引起的[5]，所以配电网可靠性是评价配电网建设效果的重要指标。配电网可靠性评估的最基本常用方法是故障模式影响分析(failure mode and effect analysis，FMEA)法[6]，该方法是通过列举电网中所有可能发生的故障模式，分析计算其造成的后果，并将对应的故障与后果罗列在故障模式影响表中，从而获得所需的可靠性指标。该算法可精确计算线路系统的可靠性指标，但无法用于规模较大的复杂线路可靠性计算。随后有学者在FMEA法的基础上，提出了网络等值法[7-8]、最小路法[9-11]、分块算法[12-14]、故障扩散法[15-17]、元件分组算法[18]等多种改进算法，这些算法均可有效减少故障枚举的数量，提升算法的效率。文献[19]对传统FMEA法进行了改进，提出了分块枚举等值的思路，减少了繁琐的计算，有效提升了FMEA法过程中的计算效率。目前传统FMEA法对配电网可靠性评估中，在停电时间的设定上，均只能计算线路是否配置了自动化这两种情况下线路的可靠率。

目前配电网存在配置了不同自动化模式的线路(如线路的部分分支开关投保护、线路部分分段开关投逻辑、部分分段开关无保护无自动化等)，该部分线路发生故障时，不同自动化模式开关对故障隔离和负荷转供的动作时间不相同，从而会出现不同停电时间的前向隔离停电区域或后向可转供停电区域。传统的FMEA法在前向隔离停电区域或后向可转供停电区域均只设置一个停电时间，无法精确区分这些配置了多自动化模式线路的开关由于动作时间不同而出现的不同停电时间的前向隔离区域和后向可转供区域的停电时间，导致无法精细化计算该部分线路的可靠性。此外，在配电网线路进行的自动化节点数量与可靠性平衡计算中，由于开关配置多模式自动化，线路发生故障时自动化开关多次动作，导致线路停电区域划分会发生变化，传统FMEA法无法识别该变化，亦无法精准计算此类线路的可靠性。本文结合目前相关的自动化模式，通过增加元件停电区域和停电时间的分类细化划分，使改进后的FMEA法适用于配置了多自动化模式的线路系统可靠性评估，成为配电网线路自动化选点选模式的辅助计算方法。

本文首先介绍了传统FMEA法的故障模式选择、停电区域的具体划分、停电时间的确定；其次，在传统FMEA法的基础上，新增对线路开关进行自动化分类，增加停电区域划分，细化停电时间分类，提出FMEA改进方法；最后，以某配电网线路为例进行可靠性评估计算，对改进算法的有效性进行验证。

1 改进的FMEA法

1.1 传统FMEA法

a)故障元件选择。我国的配电网大多数采用“闭环网络，开环运行”的方式，来自同一变电站不同母线或不同变电站的配电线路通过联络开关构成环网结构，正常运行时联络开关常开，配电线路流过单向潮流，呈辐射状给沿线负荷供电；当配电线路上某一点出现故障时，可以通过联络开关的闭合恢复该线路部分负荷的供电[20]。因此线路上的每一个元件故障都要作为一种预想事故。

b)停电区域划分。线路某一元件一旦发生故障后，根据后果的不同，线路可以划分为4类区域[21]：A类区域(故障)；B类区域(故障点后端区域，包括B1类和B2类，B1类区域内有联络点，B2类无联络点)；C类区域(故障点前端区域)；D类区域(不受故障影响)。

图1为典型的配电网线路联络图，在图1中，若线路L4发生故障，负荷ZB2、ZB3和GB2属于A类区域，负荷GB1和ZB1属于C类区域，负荷ZB4、ZB5、ZB6和GB3属于B1类区域。若L5F1线路故障，则负荷ZB4属于A类区域，其余负荷点属于D类区域。

图1 配电网线路联络图

c)停电时间确定。根据全部失去联通性准则(total loss of continuity，TLOC)[22]，对应线路4类停电区域的停电时间：A类区域负荷的停电时间为故障修复的时间；B类区域负荷的停电时间为线路转供电时间，其中B1为负荷转供电时间，B2为故障修复时间；C类区域停电时间为线路隔离故障后恢复供电时间；D类区域负荷的停电时间为0。

1.2 开关自动化划分

线路发生故障后，由于线路配置自动化模式不同，线路故障的处理时间不同，线路上非故障元件的停电时间也不相同。以故障处理时间为基础，将线路上的开关划分为四级自动化开关：①需人工到故障现场手动操作开关隔离故障及负荷复电的开关为一级自动化开关；②由自动化系统辅助人工遥控开关隔离故障及负荷复电的开关为二级自动化开关；③故障的隔离和负荷复电全由自动化系统自动完成的开关为三级自动化开关；④故障的隔离和负荷复电全由自动化系统自动完成且不对非故障区域负荷造成停电影响的开关为四级自动化开关。

例如无配置自动化的需要人工现场操作的普通开关为一级自动化开关；配置了“三遥”功能但主站未开通自动逻辑判断功能的自动化开关为二级自动化开关；配置了电压电流型或主站集中型等逻辑功能的自动化开关为三级自动化开关；配置了智能分布式等纵差保护功能的开关为四级自动化开关。在改进算法中，四级自动化开关在线路发生故障时可直接隔离故障，不造成非故障区域负荷的停电，非故障区域直接划分为D类区域。此外投入多模式自动化的开关，以其最高等级定义该开关。如某开关同时投入了电压电流型以及“三遥”功能自动化，则以电压电流型自动化定义该开关为三级自动化开关。

1.3 增加的停电区域划分

在传统FMEA法停电区域划分的基础上，增加细分的停电区域。A类区域和D类区域划分保持不变；B类区域中的B1类区域细分为B11类区域(一级自动化)、B12类区域(二级自动化)、B13类区域(三级自动化)，B2类区域划分保持不变；C类区域划分为C11类区域(一级自动化)、C12类区域(二级自动化)、C13类区域(三级自动化)。改进停电区域划分与传统FMEA法比较如图2所示。

图2 停电区域改进划分

同样以图1中的线路L4发生故障为例，其负荷点区域划分与传统FMEA法对比见表1。

表1 停电区域划分对比

1.4 停电时间细分

匹配改进算法细分停电区域，各停电区域的停电时间定义如图3所示，改进后停电区域与停电时间分类对应见表2。

表2 停电区域与停电时间对应

图3 停电时间改进划分

1.5 FMEA表的建立

为提高故障遍历的效率，可先将线路负荷以分区[23]为单位进行故障分析，然后再对故障分区内部进行元件遍历分析。以线路相邻开关之间的区域划分为分区，当故障元件为非开关时，以线路主干上开关(含馈线开关和联络开关)间的非开关元件及所接分支线为一分区，以分区作为一个整体进行故障遍历；当故障元件为主干开关时，则将相邻分区以认定为故障分区；分支线上元件故障时，以非分支线所在分区作为整体进行故障遍历，以分支线所在分区作为整体进行具体元件遍历。

1.5.1 故障在主干时

步骤1：对线路系统进行分区划分。如图1中线路共划分6个分区。

步骤2：任意分区一旦发生故障，认定故障分区属于A区域。如图1中F4分区发生故障时，则认定F4分区属于A区域。

步骤3：线路故障分区上游分区为C区域；查找出上游离故障分区最近的动作时间最短的自动化开关，若开关属于三级自动化开关，则该开关的所有上游分区属于C13区域；若C13区域与故障区域间存在二级自动化开关，则二级自动化开关与C13区域间的所有分区属于C12区域，C12区域与故障区域间其余分区属于C11区域。如图1的F4分区故障后，往上游查找到自动化开关K1为三级自动化开关，故F1分区属于C13区域；K2开关为二级自动化开关，所以F2分区属于C12区域，F3分区属于C11区域。

步骤4：线路故障分区下游分区为B区域；查找出下游离故障分区最近的动作时间最短的自动化开关，若开关属于三级自动化开关，则该开关的所有下游分区属于B13区域；若B13区域与故障区域间存在二级自动化开关，则二级自动化开关与B13区域间的分区属于B12区域，B12区域与故障区域间其余所有分区属于B11区域。如图1的F4分区故障后，往下游查找到自动化开关K5为三级自动化开关，故F6分区属于B13区域；K4为二级自动化开关，故F5分区属于B12区域。

步骤5：任意主干开关一旦发生故障时，则认定故障开关相邻分区属于A区域；其余分区按步骤3和步骤4划分区域。如图1中K3发生故障时，F3和F4分区属于A区域，F1属于C13区域，F2属于C12区域，F5属于B12区域，F6属于B13区域。

步骤6：重复步骤2—5，直至遍历完线路所有分区和主干开关。

1.5.2 故障在分支线时

步骤1：找出存在分支线的所有分区集合S(如图1中F2、F3、F4、F5、F6)。

步骤2：在S中查找出分支线首端配置了保护的所有分区集合S1(图1的F4、F5)，则认定S1中任一分区分支线故障时，线路非故障分区属于D区域(图1的F1、F2、F3、F6)；故障分区中除故障分支线外，其余元件属于D区域(图1中F4分支线的L4F22元件发生故障时，L4和L4F1分支线属于D区域)；故障分支线的故障元件下游所有元件(ZB3)属于A区域，故障元件上游第一个开关(KF2)至故障分支线首端开关(KF1)属于C11区域。

步骤3：重复步骤2，直至遍历完S1中所有分区。

步骤4：在S中找出S1的余集S2(F2、F3、F6)，S2中任一分区分支线故障时，分区中的非故障分支元件属于C11区域，线路的非故障分区所属区域按故障在主干时的区域划分，即重复1.5.1节的步骤3和步骤4划分；故障分支线的故障元件下游所有元件属于A区域，故障元件上游第一个开关至故障分支线首端开关区域及分区中的非故障区域属于C11区域，故障元件至上游第一个开关区域属于A区域。如图1中F6分区的L6F12故障时，分区中的L6和L6F2属于C11区域，F1—F5分区属于C13区域；故障分支线中的元件ZB5、L6F1、KF3属于C11区域，元件ZB6、L6F12、KF4属于A区域。

步骤5：重复步骤4，直至遍历完S2中所有分区，得到各负荷点的停电区域划分结果见表3。

表3 系统的停电区域划分

完成以上主干和分支线故障遍历的所有步骤后，将得到线路每一个元件故障时，线路其余非故障元件的所属停电区域。通过确立的停电区域后，然后由停电时间替代，获得每一个预想事故的停电情况，将其统一整理列项后，生成系统FMEA表见表4。

表4 系统的FMEA表

1.6 基于FMEA表可靠性评估

根据生成的FMEA表，可直接计算TLOC准则下的可靠性指标。

a) 负荷点j的年平均停电时间

(1)

式中：λi为设备元件i的平均故障率；Wi为设备元件i故障导致负荷点j的停电时间；n为系统设备元件个数。

b) 用户平均停电时间

(2)

式中：Nj为负荷点j的用户数；R为系统负荷点集合。

c) 供电可靠率

(3)

2 算例分析

2.1 算例基础情况

以图4所示系统作为算例，该系统由17个负荷点、13条线路、12台断路器、5台负荷开关和8台熔断器组成。其中每台公用配电变压器带用户145户，线路长度如图4所示，单位为km。本文将分以下几种情况进行可靠性的计算分析：①线路所有开关均没有配置自动化；②线路主干第2和第4节点配置了自动化，其中环进开关配置了“三遥”功能，环出开关配置了电压电流型逻辑功能和“三遥”功能，分支线首端开关配置了常规保护功能；③线路主干所有环网节点配置了自动化，其中环进开关配置了“三遥”功能，环出开关配置了电压电流型逻辑功能和“三遥”功能，分支线首端开关配置了常规保护功能；④线路出线开关及主干所有节点配置了自动化，其中主干节点的环进、环出开关均配置了智能分布式逻辑功能，分支线首端开关配置了常规保护功能。4种情况的设立是为了在无自动化、不同自动化模式、相同自动化模式不同布点数量的3种情形下，比较传统FMEA法与改进算法的可靠性计算结果。

2.2 算例计算参数

以广东某市配电网设备运行统计值作为算例计算参数，其中开关动作时间采用自动化设备参数，设备修复时间采用2020年故障设备修复时间统计均值，设备故障率易受气象灾害等客观条件影响，故而采用2018—2020年的故障设备统计均值。算例具体计算参数见表5。

表5 故障停电时间及元件可靠性参数

2.3 算例开关工况分析

为了验证改进算法适用于配置了多模式自动化的线路的可靠性评估，假设图4中的线路主干段L3发生相间永久故障，线路在2.1节中的4种自动化配置情况下，线路主干上的各开关工况及其所属分区的停电区域划分情况见表6。

图4 多分支联络配电网

表6 线路L3故障时开关工况

2.4 计算结果分析

采用传统FMEA法和改进后的FMEA法，分别建立图4配电网相对应的FMEA表,再利用式(1)—(3)计算其可靠性，该系统的可靠性指标比较结果见表7。在线路无配置自动化及同一种自动化模式下时，改进算法可靠性结果与传统FMEA法计算结果相同。但是在线路配置了不同自动化模式及布点数量情况下，由于传统FMEA法前向隔离区域和后向转供区域都只设置一种停电时间，故其无法对线路的可靠性进行精细化计算，改进算法由于设置了多种隔离及转供停电时间，故而可以准确计算线路的可靠性。可见改进算法较传统FMEA算法可适用于不同自动化模式及布点数量情况下可靠性评估。

表7 系统可靠性指标计算结果

3 结束语

实际配电网建设中，由于自动化技术路线的改变、网架改造等原因，存在同回线路上配置了多种自动化模式或部分主干节点无配置自动化的情况，传统FMEA法由于停电区域划分的单一而无法对该情况的线路可靠性进行精细化计算。本文提出改进的FMEA可靠性评估方法，通过增加停电区域的划分和停电时间的细分，能够满足不同自动化模式及布点数量情况下配电网可靠性的评估，为配电网规划建设中自动化模式选择及布点数量的设置提供技术依据，具有一定的实用意义。