配电网故障风险评估指标体系的

PAGE7PAGE配电网故障风险评估指标体系的建立摘要随着我国电力事业的飞速发展和进步，电网的安全性也越来越受到广泛重视，其中保证配电网的安全可靠运行成为了近年来主要研究的问题。鉴于传统的故障风险评估方法没有全面地考虑到故障发生的概率和后果，本文将从这两方面展开，结合层次分析法建立一套配电网故障风险评估指标体系以指导实际配电网的规划设计。本文在评估配电网故障风险的过程中从故障发生概率和故障的后果影响两方面研究，充分考虑气象、时间和负荷等因素对配电网的影响，通过层次分析法建立配电网的基准故障概率指标体系和基准故障后果指标体系，并采用德尔菲法计算配电网的各个指标权重和指标评分标准，再应用Matlab的shape-preserving拟合拟合特性来确立指标值与指标得分的函数关系。其次，对配电网可能发生故障的概率和故障发生后导致的影响后果两方面进行量化评估和综合计算进行风险分级。最后，将建立的配电网故障风险评估指标体系应用到实际配电网中验证其有效性。通过实例分析表明，本文对配电网的故障风险评估方法合理有效，可全面反映配电网运行时的薄弱环节，对日后的配电网安全规划有着良好的指导作用。关键词：配电网；风险评估；指标体系；层次分析法；故障风险量化ABSTRACTWiththerapiddevelopmentandprogressofChinesepowerindustry，moreandmoreattentionhasbeenpaidtothesecurityofthepowergrid．Inrecentyears，ensuringthesafeandreliableoperationofthedistributionnetworkhasbecomeamajorresearchissue．Inviewofthetraditionalfailureriskassessmentmethoddoesnotfullyconsidertheprobabilityandconsequencesoffailure，thispaperwillstartfromthesetwoaspects，combinedwithAHPtoestablishasetofdistributionnetworkfailureriskassessmentindexsystemtoguidetheactualdistributionnetworkplanninganddesign．Intheprocessofevaluatingtheriskofdistributionnetworkfault，thispaperstudiesfromtwoaspects：theprobabilityoffaultoccurrenceandtheeffectoffaultconsequence，fullyconsiderstheinfluenceofweather，timeandloadondistributionnetwork，establishesthebenchmarkfaultprobabilityindexsystemandthebenchmarkfaultconsequenceindexsystemofdistributionnetworkbyAHP，andcalculatestheweightandindexofeachindexofdistributionnetworkbyDelphimethodmarkthescoringstandard，andthenusetheshape-preservingfittingfeatureofMATLABtoestablishthefunctionalrelationshipbetweentheindexvalueandtheindexscore．Secondly，quantitativeassessmentandcomprehensivecalculationarecarriedoutfortheprobabilityofdistributionnetworkfailureandtheimpactconsequencescausedbythefailure.Finally，theestablishedindexsystemofdistributionnetworkfaultriskassessmentisappliedtotheactualdistributionnetworktoverifyitseffectiveness．Thecasestudyshowsthatthemethodoffaultriskassessmentisreasonableandeffective，whichcanfullyreflecttheweaklinksintheoperationofdistributionnetwork，andhasagoodguidingroleinthefuturedistributionnetworksafetyplanning．Keywords:Distributionnetwork;Riskevaluation;Indexsystem;AHP;Quantificationoffailurerisk目录摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ目录 Ⅲ第1章绪论 11.1课题背景及研究的意义 11.2国内外研究现状 11.3本文的主要工作 3第2章故障风险评估理论基础 52.1故障风险评估的基本理论 52.2故障风险评估的基本方法 72.2.1层次分析法 72.2.2模糊层次分析法 102.2.3德尔菲法 102.3配电网故障风险评估方法的选取 112.4本章小结 13第3章配电网故障风险评估指标体系的建立 143.1配电网故障风险评估依据 143.1.1故障风险值 143.1.2故障概率值 153.1.3故障后果值 163.2配电网故障风险评估指标体系 173.2.1基准故障概率指标 173.2.2基准故障后果指标 193.2.3指标的定义与计算 203.2.4指标权重 233.2.5指标评估标准 233.3配电网故障风险量化评估 263.3.1故障概率量化评估 263.3.2故障后果量化评估 263.3.3故障风险量化评估 273.4本章小结 27第4章实例分析 284.1实例概述 284.2评估指标值及得分 284.3实例评估结果 294.4本章小结 30结论 31参考文献 32致谢 34东北电力大学本科毕业设计论文第1章绪论1.1课题背景及研究的意义随着我国经济的迅猛发展，电力行业也同样取得了卓越的成就。我国对电力系统主网的研究已经趋于成熟并位居世界前列，而配电网的发展却相对落后，在配电网的安全稳定运行方面更是与国外有着不小的差距，而配电作为连接输电和用电的关键环节，配电系统更是我国各方面建设的重要基本组成部分，因此在电网运行环节中，保证配电网的安全可靠运行成为目前电网研究的重中之重，电网安全性是电网对故障等扰动事件的抵御能力[1]，也是保障人民日常生活水平和国家有力发展的基本要求。目前，配电网对负荷发展需要是否满足和供电可靠指标高低等问题普遍存在。随着我国电力行业的发展，配电网的安全可靠性也逐渐成为关注焦点。据统计，在电力系统发生的停电事故来源中80%来源于配电网的故障[2]。所以能够准确地预判配电网故障风险的发生和评估故障发生后所带来的影响后果可以有效地避免大部分的停电事故，并加以改进保证电网的正常可靠安全运行。因此本文将建立一套针对配电网的故障风险评估指标体系，该体系具备对故障发生的可预见性和故障发生后的可控性，对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果进行合理量化评估并提出改进意见。.1.2国内外研究现状目前，国内外对于电力系统故障风险评估的方法研究经历了从传统的确定性评估法和概率性评估法到风险评估法的三个阶段。确定性评估法是最早期研究电网故障风险的评估方法，其发展已经相对成熟。确定性评估法是在系统任一元件发生故障后，对系统进行安全性的检验评估，如果仍然可以保证系统的安全运行，则通过安全性检验。但由于确定性评估法对不同事故和运行条件发生概率的考虑欠缺，只针对最为严重的事故，因此对确定性评估法的适用范围并不十分广泛。概率评估法也是一项传统的故障风险评估方法，但概率性评估法是基于统计元件发生故障和历史修复的数据从而计算得到系统的可靠性指标，进而对系统作出安全可靠方面的评估。虽然概率性评估法考虑了事故发生的概率，却忽略了事故的经济损失方面。考虑到以上两种方法的不足，近年则引出和发展了风险评估方法。风险评估方法既考虑了故障风险发生的可能性又考虑到了故障风险发生后的后果影响，确立影响电网安全可靠运行的风险指标，进而将两者结合起来进行量化评估，对大量数据进行计算处理[3]，直观地反映出故障发生的概率性和后果性两个决定性因素。例如在考虑分布式电源的接入对配电网稳定性影响的研究方法上，采用概率潮流计算提出系统综合越限风险指标来实现配电网的运行风险评估[4-7]。也有运用层次分析法将风险指标聚合再用雷达图反映指标聚合前后变化来反映电网存在的安全风险点[8]。在针对二次系统隐形故障时可以采用马尔科夫状态空间转移方法构造系统隐形故障模型建立基于蒙特卡洛抽样算法的风险评估体系[9]。还有基于从电力事故的角度提出的一套停电风险评估指标，结合OPA模型提出的一套电力系统停电风险评估方法[10-13]等等。以上均是基于风险评估法对电力系统构建故障风险评估体系的研究成果。在对配电网故障风险评估的研究上，由于不同学者确定的评估范围的不同，因此使用的研究方法也各不相同，构建的风险评估指标体系也有所差异。在确立评估指标体系方面：文献[14]从配电网故障停电损失方面展开分为配电网可靠性、用户停电损失和电力公司损失三个指标。文献[15]在配电网运行状态方面确立了负载率、电压合格率、运行故障、供电可靠性、线损和三相不平衡六大类指标。文献[16]从系统失负荷风险、系统过负荷风险和系统电压越限风险三个指标作为配电网静态安全分析的基础。文献[17]运用内部风险因素指标和外部风险因素指标对配电网运行的风险进行定量评估。文献[18]将风险指标体系定义为等级、类别、概率、严重程度、原因集和后果集的集合。文献[19]在针对配电网运行中配电用户的风险及其紧迫性方面进行评估时建立了过负荷风险和停电风险两类指标。除此以外，在对配电网故障风险评估的研究方法上也各有不同：如在文献[20-21]中使用结合模糊综合评判与决策的电力系统估计的方法。文献[22]利用改进的IEEE13节点测试系统，采用数值蒙特卡罗模拟法对主动配电网进行风险评估。文献[23]在构建风险指标体系的基础上运用物元－可拓模型对风险进行综合评估。文献[24]通过确立元件故障停运模型进行配电系统风险评估。文献[25]提出直接负载控制方案以有效断开不同可靠性级别的用户用于评估故障后的风险影响。以上文献的不足之处是多数偏重于研究经济损失方面，着重考虑负荷等变化，没有建立一套能够综合评估配电网的整体故障风险并反映出系统薄弱之处的方法体系。本文将对配电网故障的风险进行定量评估，从而确定出配电网的薄弱环节，以便于对配电网的日后建设提出改进意见。1.3本文的主要工作本文将建立一套针对配电网的故障风险评估指标体系，该体系具备对故障发生的可预见性和故障发生后的可控性，对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果进行合理量化评估并提出改进意见。考虑到传统的配电网可靠性评估方法仅针对故障发生的概率进行研究，而忽略了故障发生造成的影响后果，因此本文建立的配电网故障风险评估指标体系既要在整体上反应配电网故障风险的影响因素和后果，又要能够合理地全面展开进行量化分析，准确找出配电网的薄弱环节以便日后加以改进。本文将以故障基准风险为基础，考虑气象、负荷以及故障发生时间等多种随机因素在内的多种影响[26-27]。采用AHP建立配电网的基准故障概率指标体系和基准故障后果指标体系，再利用Delphi法确定配电网故障风险评估指标体系的指标权重及各个指标的指标评价标准。最后，对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果进行合理量化评估并提出改进意见。本课题研究主要分为以下四个方面：第一，故障发生概率评估。由于配电网在运行时受到外部和内部多种因素影响，因此本研究将综合各因素从装备水平、运行维护水平和外力破坏三大方面展开确立基准概率指标体系，利用以往和现有数据有效反应配电网故障发生的概率。第二，故障后果影响评估。本研究将从电源、配网和用户的控制能力方面和自动化水平方面确立后果影响指标由此形成基准故障后果指标体系。第三，根据计算出的故障概率值和故障后果值得出配电网的综合故障风险值，形成一套科学有效的配电网故障风险评估指标体系。第四，将建立的配电网故障风险评估的指标体系应用到实际配电网中分析其运行的合理性与完善性。本文将对配电网故障的风险进行定量评估，从而确定出配电网的薄弱环节，以便于对配电网的日后建设提出改进意见。第2章故障风险评估理论基础2.1故障风险评估的基本理论由于研究的对象和环境等不相同，学者们对风险有着不同的理解。有学者认为风险是指风险的发生对事件造成的后果是多样的，可能会造成损失也可能获利，这种风险着重强调的是机遇与危害共存。也有人认为风险更多地表现为损失而没有获利的可能，此种定义强调的是风险造成的危害。而一般来说风险指的是不利事件产生的概率和造成的影响后果，也就是在一个时间段内实际发生的结果和正常希望达到的结果出现偏差。而电网在运行时受到内部组件与外界环境的各方面因素影响故障风险也存在着极大的不可预见性，因此对电网的故障风险进行预判具有一定的困难。电网故障会导致局部或者大面积的不定时间的停电，这不仅会导致用户们的经济损失和生活不便还会造成环境污染等的更多损失。造成配电网故障的主要原因有设备老化、用户侧故障等内部因素和雷击、人为破坏等的不可预测性外部环境因素。对于配电网而言风险指的是故障发生的概率和故障产生后果的严重性的综合。而本文的研究则是要从概率和后果两方面出发，对风险发生的概率和造成的影响后果进行量化，评估出配电网的风险指数以便于对配电网进行提前的改进和最大限度地减少故障对配电网带来的损失。在人类社会中任何事物都可以看作是一个整体的系统，系统中又包含着各个的子系统和组成要素，这些要素相互区别又相互联系。与此同时，事物的运作又受到外部环境等不确定因素的影响，因此很多时候我们无法用合适的数学模型去模拟，而评估是对已经存在的价值进行量化判断，具有判断、标记、分类、选择、引导和管理的作用，可以应用在各个领域中。因此可以采用系统学的方法对目标事物进行全方位多方面的量化评估和预判，再对得出的评估得分结果进行总结整理，这样可以更为有效地掌握事物的运作状态。评估的关键因素是确定评估指标、指标权重和评估标准，综合这些因素所集成的结果就是评估的指标体系。评估指标是可以有效准确反映决定评估对象属性状态的各影响因素，指标权重是指评估指标相对要评估的目标的重要程度和指标间的相对高低。评估标准是评估指标量化后的取值范围以得出指标评分。本文在对配电网建立故障风险评估指标体系的过程中，评估指标将从对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果两方面进行展开确立，它们是可以全面反映配电网故障风险的关键因素。评价的过程主要有建立指标体系和确定指标评价标准两个步骤。确定指标评价标准前要确定各个指标权重，而指标权重的确定对评估的结果有着很大的影响。因此选取确定指标权重的方法在评估的过程中是很重要的问题。指标权重的确定方法主要有主观赋权法、客观赋权法和综合赋权法。主观赋权法主要是根据评价者们对指标的主观判断来确定指标权重。主观赋权法虽然充分地发挥了专家们个人经验的优势但是每个人的主观判断都是有区别的，因此主观赋权法受限于个人的主观因素导致结果的再现性差强人意。主观赋权法有特征向量值和最小二乘法等。客观赋权法是区别于主观赋权法的人为判断采用根据在整体上指标间的相互影响程度确定权重系数的方法。此方法主要是针对决策矩阵进行数学处理以区别各个评估方案，因此这种方法无法直观显示出指标的重要性也忽略了对评价者自身主观意识的重视。同时数学处理权重的弊端是必须要得到全部评估方案的各项指标数据，而当选取不同的方案时很可能会改变所需权重，不利于对方案的评估。综合赋权法是通过将主观赋权法和客观赋权法计算出的权重用数学处理进行综合，但此方法容易收到评价对象的影响，会根据评价目标的不同而变化。综合赋权法包括加法集成法和乘法集成法等。采用客观赋权法需要有确定的评估对象，而本文的评估对象配电网不是具体的某处配电网，因此用客观赋权法对不同的配电网进行评估时会出现权重不统一的情况，结果不具有代表性也与本文研究意义相背。因此，虽然客观赋权法具有客观性的优点但是不适用于本文对配电网故障风险评估的情况。主观赋权法虽然受到人为判断因素的影响但却可以真实直观地反映出各个指标的重要程度，通过专家们对配电网研究的丰富经验给出合理的指标权重，可以有效地指导配电网的安全规划又能使评估体系有一个统一的标准。并且现代的主观赋权法采用了各种数学理论尽最大限度地减少了人为主观因素对权重的影响，尽可能客观地体现评价者们的客观认识。综合以上利弊，本文将采用主观赋权法对配电网的指标权重进行计算。2.2故障风险评估的基本方法2.2.1层次分析法评价根据评价对象指标数量的不同可以分为单准则评价和多准则评价。单准则评价只要拥有充足的数据就可以较为容易地进行评价。比如在一个旅游计划中评估出一个地铁最便利的城市，这时只涉及到“地铁”一个评价指标，只需统计所有评价对象的地铁情况指标值，就能根据统计数据中的指标值高低得出结果选出地铁最便利的城市。而多准则评价则要相对复杂。如在上述举例中要评估出交通最便利的城市，城市A的地铁比城市B的地铁方便，而城市B的公交却比城市A的公交更方便，配电网的评估也是如此，决定配电网是否可以安全稳定运行的因素有很多，这种情况下由于指标数量的增加使评价变得更加困难。因此，层次分析法被提出。层次分析法(AHP)的基本原理是按照指标间的隶属关系构建递阶层次结构将一个复杂的多准则决策问题分解为相关的各个指标，从而转化为对指标权重的确定问题。层次分析法通过对下层指标对上层指标的相对重要性来确定所有评估对象的优劣顺序，其中的相对重要性由指标间两两比较用1-9进行标度形成判断矩阵(1表示两项指标同等重要，9表示上层指标相对下层极其重要以此类推)，再计算出该判断矩阵的最大特征值及矩阵的特征向量，最后对结果进行一致性检验和归一化处理得到最终的各个指标权重结果。层次分析法将评估对象分为相互联系的层次结构，顶层为目标层，再下层分别是准层次、指标层和分指标层，底层为方案层。这样建立出的结构模型逻辑清晰层次分明。层次分析法的过程主要就是将复杂的问题分解为可以相互比较的同类因素再进行整合评价，这样就避免了数据不完全导致结果相互矛盾的情况，因此十分适用于配电网故障风险评估的研究。AHP主要步骤如下：建立指标体系如图2-1所示。目标层目标A目标层目标A准则层准则Bn…准则B2准则B准则层准则Bn…准则B2准则B1指标Cn…指标C2指标C指标Cn…指标C2指标C1指标层指标层方案层方案D1方案D2方案Dn方案层方案D1方案D2方案Dn…图2-1AHP结构模型建立判断矩阵，通过数学运算确定指标权重建立两两比较矩阵。专家判断矩阵如下所示(2-1)其中，为相对于的重要程度，采用1-9的标度法表示，标度值含义如表2-1所示。建立判断矩阵时若同层指标选择过多可能会使判断结果自相矛盾，因此要对建立好的两两判断矩阵进行一致性检验。判断矩阵阶数越高则判断矩阵越难以保持一致性。引入随机一致性比率用来检验判断矩阵的一致性。(2-2)其中，，为判断矩阵阶数，为判断矩阵的最大特征根，为平均随机一致性指标，其取值如表2-2所示。表2-11-9标度含义 标度值标度含义1与同等重要3比稍微重要5比明显重要7比强烈重要9比极端重要2、4、6、8表示上述相邻判断的中间值倒数相对于的重要性表2-21-10阶判断矩阵的值阶数12345678910000．580．91．121．241．321．411．451．49计算判断矩阵的几何平均值，即(2-3)对进行归一化处理，得到指标的权重，即(2-4)根据各项指标权重及评分计算评估目标的最终得分。(2-5)其中，表示第层指标的得分，表示第层指标的个数，表示第层指标的评分，表示第层指标的权重。(4)根据评估目标的最终得分高低进行排序，以此作为决策参考。2.2.2模糊层次分析法模糊层次分析法的模糊关系由模糊评价矩阵来描述，如公式(2-6)。(2-6)其中表示对第个指标作出的第级评语的隶属度。因此，模糊层次分析法可以使用模糊评价矩阵得出的模糊评价模型进行评估。该方法利用数学语言隶属度来衡量差异的中间程度，这样就避免了绝对化的判断评估，采用数学方法把主观的判断合理量化。2.2.3德尔菲法德尔菲法(Delphi)主要利用专家们的主观意见和丰富经验，通过确定指标集、权重和评分标准和多轮匿名反馈修改来得到合理的评估结果。德尔菲法一般采用匿名投票的方式进行，这样可以有效地避免因互相讨论而对结果造成的影响。首先综合专家的建议，再把结果反馈回专家，专家根据反馈内容修改自己的意见并再次给出意见如此反复多次，使意见逐渐收敛趋近最终结果。Delphi法的应用过程中主要根据专家意见集中度和专家意见离散度两个判据来处理专家意见。(1)专家意见集中度，即专家评分之和与专家人数之比，反映专家对指标的认可程度。(2-7)(2)专家意见离散度，即专家意见标准差，反映专家在某问题上的意见分歧程度。(2-8)在分析实际问题时可将问题设定阈值和。如在指标筛选咨询中，对指标的相关计算值和，再进行取舍。(2-9)(2-10)德尔菲法的应用范围十分广泛，配电网故障的基准概率指标和基准后果指标的筛选、故障概率指标体系和故障后果指标体系的建立、指标权重的确定等等都可以使用德尔菲法进行解决。2.3配电网故障风险评估方法的选取本文建立的配电网故障风险评估指标体系既要全面反映配电网故障风险的影响因素和后果，又要能够合理地全面展开进行量化分析，准确找出配电网的薄弱环节以便日后加以改进。层次分析法构建的指标体系层次结构分明，易于将问题条理化。德尔菲法虽然主要是依据专家们的主观意见判断但德尔菲法确定权重可以合理反映指标的重要程度，比较具有权威性因此具有适用于配电网故障风险评估指标体系的建立。因此，本文在选取配电网故障风险指标体系时的建立方法上，主要采用层次分析法将体系条理化，并采用德尔菲法计算配电网故障风险评估指标体系的指标权重及风险指标评价标准。最后，对配电网可能发生故障的概率和故障发生后的可能导致的影响后果两方面进行综合地量化评估以此建立配电网故障风险评估指标体系。AHP-Delphi基本流程如图2-2所示。AHP-Delphi方法的具体步骤如下：确定个两两判断矩阵让位配电网评估专家对两两判断矩阵进行独立赋值，第位专家判断矩阵为：(2-11)其中表示第位专家的两两判断矩阵；为该两两判断矩阵的阶数，即指标个数；表示矩阵的行列的元素。求取判断矩阵最大特征值和特征向量开始求取判断矩阵最大特征值和特征向量开始由个专家确定由个专家确定个两两判断矩阵一致性检验一致性检验对个判断矩阵对个判断矩阵作平均化处理是否满足是否满足一致性检验否否遍历遍历个判断矩阵剔除个离散度较大的判断矩阵是是对特征向量进行归一化处理得到指标权重向量对特征向量进行归一化处理得到指标权重向量对剩下的的判断矩阵作平均化处理得到优化后的两两判断矩阵得到优化后的两两判断矩阵结束结束图2-2AHP-Delphi流程图对个判断矩阵进行平均化处理对个判断矩阵进行平均化处理，得到的平均判断矩阵中任一元素值为(2-12)显然，不符合主对角线对称的元素互为倒数的判断矩阵基本形式。因此，本文对个两两判断矩阵做如下处理：1)将所有判断矩阵中主对角线元素均设为1。2)对个判断矩阵中主对角线以上部分的个元素做平均化处理。3)使用公式对1)2)得出的平均判断矩阵进行补全，得到。(3)遍历个两两判断矩阵若矩阵中任一元素满足，该矩阵的离散度较大则视为无效矩阵。遍历个矩阵后，剔除掉个无效矩阵。(4)对剩余判断矩阵做平均化处理(5)求两两判断矩阵的最大特征值及特征向量(6)一致性检验及归一化处理2.4本章小结本章介绍了配电网故障风险评估中的涉及的故障和风险的基本概念和评估的定义等理论知识，又通过理解各个评估方法的优缺点选用适合配电网故障评估特点的层次分析法和德尔菲法进行接下来的体系建立和指标权重计算等研究工作。第3章配电网故障风险评估指标体系的建立3.1配电网故障风险评估依据3.1.1故障风险值本文从配电网可能发生故障的概率和故障发生后导致的后果影响两方面进行量化得到配电网的故障概率值和故障后果值用以对配电网的故障停电风险进行评估。在考虑气象、时间和负荷等因素的条件下进行配电网故障风险值的计算。因此本文对配电网故障风险评估的依据是故障概率值和故障后果值。其中故障风险值的计算方法为：(3-1)其中故障概率值和故障后果值由配电网故障风险评估指标体系中得出的配电网故障的基准概率值和基准后果值和影响因素的因数进行计算。配电网发生故障的情况不仅和电网本身状态的好坏有关，也和天气状况、负荷结构和故障发生时间等各类因素有着紧密的关系。如图3-1所示。气象因数气象因数基准故障概率值基准故障概率值故障概率指标基准故障概率值基准故障概率值故障概率指标故障故障风险值基准故障概率值基准故障后果值故障后果指标基准故障概率值基准故障后果值故障后果指标时间因数负荷重要因数时间因数负荷重要因数图3-1配电网故障风险评估方法计算配电网的故障风险值的目的是为了可以根据指标评分标准和风险的等级划分对配电网的故障风险等级以直观的评分方式表示出来以便于更精准地对配电网的故障风险状态进行评估。将故障概率值和故障后果值乘积的目的是可以让故障风险值的结果更真实有效并且全面考虑到配电网的各种可能影响因素。3.1.2故障概率值故障概率值为：(3-2)其中基准故障概率值由故障风险评估指标体系中的基准故障概率指标运算得出。据统计表明，配电网在恶劣天气下运行较良好天气下运行发生故障的概率更高，因为天气的恶劣会对配电网的稳定运行造成影响，比如破坏电网杆塔线路不利于人员维护等等。因此，本文引入了气象因素表征配电网的运行影响指数。气象因数根据不同类型不同等级的天气灾害预警信号来确定，其中气象预警等级选取了黄色、橙色和红色等级，如表3-1所示。表3-1气象影响因数值类型正常台风雷雨大风高温大雾结冰因数值11-21-21-1．21-1．21-1．5其中配电网在台风天气时不同的预警等级下因数值如表3-2所示。表3-2台风天气不同预警等级因数值预警等级黄色橙色红色因数值1-1．21．2-1．51．5-2雷雨大风天气时不同预警等级的因数值如表3-3。表3-3雷雨大风天气不同预警等级因数值预警等级黄色橙色红色因数值1-1．21．2-1．51．5-2大雾天气时不同预警等级因数值如表3-4。表3-4大雾天气不同预警等级因数值预警等级橙色红色因数值1．11．2结冰天气的气象因数值视天气及线路覆冰情况而定。3.1.3故障后果值故障后果值为：(3-3)其中基准故障后果值由故障风险评估指标体系中的基准故障后果指标运算得出。由于配电网重要负荷的数量占配电网总负荷数量的比例越大，则配电网在发生停电等故障后重要负荷随之故障会导致的损失和后果越严重。除此以外配电网在工作日还是在节假日发生故障造成的损失影响也是不同的。因此，本文引入了负荷重要因数和时间因数。负荷重要因数由一、二级负荷的比重确定，如表3-5所示。表3-5负荷重要因数Ⅰ、Ⅱ级负荷比重30%60%80%100%因数值0．911．11．2其中，(3-4)负荷具有地域性分布的特征，市中心地区由于人员密集等原因会导致负荷量往往比人员稀疏的偏远地区的负荷量要高，所以在配电网发生故障后市中心地区造成的损失要比偏远地区的损失大得多。因此，配电网可以根据负荷分布的地域特征再经过运算得出负荷比重因数。本文选取市中心区、市区、城镇和农村四类地区作为负荷地域特征，每类地区对应一个负荷地域特征因数值，如表3-6所示。(3-5)表3-6负荷地域特征因数值负荷地域特征市中心区市区城镇农村权重1．210．950．9在不同的时间配电网发生故障的后果影响也是不同的，配电网在正常工作日时会比节假日时期运行发生故障的损失要小。因此时间因数主要考虑一般工作日、节假日和特殊保供电时期三种时间段，如表3-7所示。表3-7时间因数类型一般工作日节假日特殊保供电时期因数值11．21．53.2配电网故障风险评估指标体系3.2.1基准故障概率指标由于造成配电网运行时发生故障的影响原因较多，本文将结合层次分析法建立配电网故障概率指标体系反映导致配电网可能发生故障的概率因素。首先归纳出影响配电网发生故障概率的因素，再对这些因素展开归纳指标，以此衡量配电网故障概率水平。本文总结出六大类导致配电网故障的庄稼原因，分别为设计施工、设备原因、运行维护、外力因素、自然因素和用户影响，如图3-2所示。可以看出配电网的基准故障概率的影响因素既有系统设施故障等的内部因素也有自然灾害等的外部因素影响。在正常的天气环境下影响配电网发生故障风险的概率因素主要可以归纳为装备水平、运行维护水平和外力破坏三个方面。由此展开的具体指标集如图3-3所示。在恶劣的天气环境下配电网的运行受到了各种因素的综合影响，极易发生断线、倒杆和污闪等故障。因此本文将基准故障概率值和气象因数相乘，这样就可以在考虑了天气原因对配电网发生故障概率的影响基础上得出最终的故障概率值。在根据得出的最终故障概率值对该配电网可能导致故障发生的不良因素进行分析评估。基准故障概率指标充分考虑了架空线路、电缆、设备等内部影响因素和道路线杆电缆的警示牌和天气环境等的外部因素对配电网故障发生概率的影响，以期对配电网发生故障的概率方面可以做出真实有效的评估。规划设计不周设计施工规划设计不周设计施工施工安装原因施工安装原因产品质量原因产品质量原因设备老化设备原因设备老化设备原因检修质量不良检修质量不良10kV配电网设施运行管理不当运行维护10kV配电网设施运行管理不当运行维护停电责任不清停电责任不清交通车辆破坏交通车辆破坏动物因素动物因素盗窃外力因素故障停电原因盗窃外力因素故障停电原因异物短路异物短路外部施工影响外部施工影响其他外力因素其他外力因素自然因素自然灾害自然因素自然灾害气候因素气候因素用户影响用户影响10(20)10(20)kV馈线系统设施故障10(20)10(20)kV母线系统设施故障35kV设施故障35kV设施故障10kV及以上输变电设施10kV及以上输变电设施66kV设施故障110kV设施故障110kV设施故障220kV及以上电压设施故障220kV及以上电压设施故障外部电网故障外部电网故障低压设施故障低压设施故障图3-2配电网常见故障停电原因基准故障基准故障概率指标架空线绝缘化率架空线绝缘化率不符防雷标准架空线比例线路装备水平不符防雷标准架空线比例线路装备水平不符防污标准架空线比例不符防污标准架空线比例电缆线路比例电缆线路比例装备水平装备水平免维护设备比例免维护设备比例少维护设备比例设备装备水平少维护设备比例设备装备水平GIS设备使用率GIS设备使用率老旧设备比例运行维护水平老旧设备比例运行维护水平设备完好率设备完好率外力破坏防护水平道路线杆警示加固比例外力破坏防护水平道路线杆警示加固比例电缆线路警告牌比例电缆线路警告牌比例图3-3基准故障概率指标体系3.2.2基准故障后果指标有着良好故障控制和反应能力的配电网可以在故障发生后的短时间内隔离故障，转移负荷，以尽快处理故障恢复正常的运行减少损失。因此，配电网发生故障后的损失大小是由它的电网反应能力决定的。一般来说可以通过加强网架结构、提高自动化水平、用户侧自备电源等的措施来减少配电网发生故障后造成的影响，这主要是通过加强配电网对停电事故影响的控制能力。通过对可以减轻配电网损失的措施进行总结归纳，得出了电源控制能力、配网控制能力、用户控制能力以及自动化水平的四个配电网发生故障后的反应能力表现方面。由此建立了基准故障后果指标体系如图3-4所示。基准故障基准故障后果指标变电站单电源率变电站单电源率电网控制能力变电站单主变率电网控制能力变电站单主变率线路平均分段数线路平均分段数负荷隔离能力线路平均分段用户数负荷隔离能力线路平均分段用户数线路N-1平均失负荷比例负荷转移能力配网控制能力线路N-1平均失负荷比例负荷转移能力配网控制能力中压线路联络率中压线路联络率多电源自动切换用户比例多电源自动切换用户比例自备电源比例用户控制能力自备电源比例用户控制能力变电站综合自动化覆盖率变电站综合自动化覆盖率自动化水平配网自动化覆盖率自动化水平配网自动化覆盖率图3-4基准故障后果体系3.2.3指标的定义与计算(1)基准故障概率指标1)装备水平指标架空线绝缘化率：(3-6)不符防雷标准架空线比例：(3-7)不符防污标准架空线比例：(3-8)电缆线路直埋比例：(3-9)免维护设备比例：(3-10)其中，设备指配电变压器、开关设备、线路三类。为不同类型设备的计算权重，本文中配变取0．25，开关取0．5，线路取0．25。少维护设备比例：(3-11)其中，设备指配电变压器、开关设备、线路三类。为不同类型设备的计算权重，本文中配变取0．25，开关取0．5，线路取0．25。GIS设备使用率指110kV/35kV气体绝缘全封闭组合电器数与高压开关总台数之比：(3-12)2)运行维护水平指标老旧设备比例：(3-13)其中，设备指配电变压器、开关设备、线路三类。为不同类型设备的计算权重，本文中配变取0．4，开关取0．2，线路取0．4。设备完好率：(3-14)其中，设备指配电变压器、开关设备、线路三类。为不同类型设备的计算权重，本文中配变取0．4，开关取0．2，线路取0．4。3)外力破坏指标道路线杆警示加固比例：(3-15)电缆线路警告牌比例：(3-16)(2)基准故障后果指标1)电源控制能力指标变电站单电源率指：(3-17)变电站单主变率：(3-18)2)配网控制能力指标线路平均分段数：(3-19)线路平均分段用户数：(3-20)线路N-1平均失负荷比例：(3-21)中压线路联络率：(3-22)3)用户控制能力指标多电源自动投切用户比例：(3-23)自备电源比例：(3-24)4)自动化水平指标变电站综合自动化率：(3-25)配电自动化覆盖率指实现配电自动化线路条数与配电网线路总条数之比。实现“两遥”(即遥信、遥测)的线路数乘以0．5，实现“一遥”(即遥信)的线路数乘以0．2来计算处理。(3-26)3.2.4指标权重指标权重是可以反映指标相对于评价目标的重要程度以及指标间的相对重要性。本文中采用德尔菲法确定指标权重，综合多位专家对于配电网故障风险评估指标相对重要性的意见再对结果进行数学计算得出最终的指标权重结果，如表3-8所示。3.2.5指标评价标准指标评价标准各个指标值与其对应指标得分的数学函数关系。本文中指标得分的满分为100分。指标值判别方式分为区间判据和点值判据两种形式。对于不同情况的指标采用不同的判别依据。表3-8(a)故障概率指标权重序号二级指标三级指标具体指标权重1装备水平(0．55)线路装备水平(0．35)架空线绝缘化率(0．35)0．0642不符防雷标准架空线比例(0．20)0．0353不符防污标准架空线比例(0．20)0．0354电缆线路直埋比例(0．20)0．0355设备装备水平(0．65)免维护设备比例(0．30)0．0876少维护设备比例(0．30)0．0877GIS设备使用率(0．15)0．0598运行维护水平(0．30)老旧设备比例(0．25)0．0829设备完好率(0．45)0．14110外力破坏水平(0．15)道路线杆警示加固比例(0．25)0．03611电缆线路警告牌比例(0．35)0．047表3-8(b)故障后果指标权重序号二级指标三级指标具体指标权重1电源控制能力(0．15)电源配置水平(0．35)变电站单电源率(0．50)0．0282变电站单主变率(0．50)0．0283配网控制能力(0．55)负荷隔离能力(0．45)线路平均分段数(0．35)0．0864线路平均分段用户数(0．30)0．0675负荷转移能力(0．30)线路N-1平均失负荷比例(0．35)0．0616中压线路联络率(0．45)0．0677开关控制能力(0．25)开关电动操作比例(0．55)0．0758开关遥控配置比例(0．45)0．0599用户控制能力(0．10)多电源自动切换用户比例(0．60)0．06010自备电源比例(0．40)0．04011自动化水平(0．20)变电站综合覆盖率(0．30)0．06112配网自动化覆盖率(0．70)0．143通过综合多位电力专家的评价意见获得指标值在离散点上与得分值的数值关系。除了离散点以外的其他指标得分本文选用了Matlab软件中的Curvefittingtool工具的shape-preserving拟合特性对离散的指标评分标准进行曲线拟合得到指标评价函数，由此可以得到各个指标的得分情况。基准故障概率指标评价标准选取电缆线路直埋比例和设备完好率指标进行拟合，如图3-5和图3-6所示。基准故障后果指标评价标准选取变电站单主变率和中压线路联络率指标进行拟合，如图3-7和图3-8所示。图3-5电缆线路直埋比例指标值与得分关系图3-6设备完好率指标值与得分关系图3-7变电站单主变率指标值与得分关系图3-8中压线路联络率指标值与得分关系3.3配电网故障风险量化评估3.3.1故障概率量化评估故障概率值由基准故障概率值和气象影响因数相乘得出。故障发生的概率可分为从可能性较小到可能性很大五个等级。其取值范围为1-100若超出100则按100计入。配电网可能发生故障的概率量化后的等级划分如表3-9所示。表3-9故障概率量化分级表可能性很大可能性较大可能性一般可能性较小可能性很小>7040-7020-4010-20<103.3.2故障后果量化评估故障后果值由基准故障后果值和时间因数、负荷重要因数相乘得出。故障发生后果可分为从轻微损失到特大损失五个等级。其取值范围为1-100若超出100则按100计入。配电网发生故障后果影响等级如表3-10所示。表3-10故障后果量化分级表特大损失重大损失较大损失一般损失轻微损失>7040-7020-4010-20<103.3.3故障风险量化评估故障风险值由故障概率值和故障风险值相乘得出。本文中将配电网故障风险等级分为Ⅰ级到Ⅴ级的五个等级(即特大风险、重大风险、较大风险、一般风险和轻微风险)。考虑到本文的风险值具有数值连续性，因此采用数值区间的方法进行配电网的故障风险分级，如表3-11所示。表3-11配电网故障风险量化分级表风险等级故障风险值Ⅰ级(特大风险)[4900，10000]Ⅱ级(重大风险)[1600，4900]Ⅲ(较大风险)[400，1600]Ⅳ(一般风险)[100，400]Ⅴ(轻微风险)[0，100]3.4本章小结本章采用层次分析法建立了一套针对配电网的故障风险评估指标体系，其中包括了基准故障概率指标体系和基准故障后果指标体系。该体系具备对故障发生的可预见性和故障发生后的可控性。其次，采用德尔菲法计算了两个指标体系的指标权重和指标评价标准，并应用Matlab软件拟合了指标值与指标得分的函数曲线关系，最后对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果进行合理量化评估和风险分级以便提出改进意见。第4章实例分析4.1实例概述本文选取了某实际配电网作为故障风险评估对象。该配电网的电压等级包括110kV、35kV和10kV。选取配电网的工作环境为正常天气，一般工作日，重要负荷比例为60%。分别收集配电网的各项基础数据后对指标值进行计算再分别输入到指标评分函数曲线中得出最终指标评分，如表4-1所示。最后综合指标权重进行计算获得基准故障概率值和基准故障后果值。根据实际考察的工作条件由之前的取值标准可得出气象因数、时间因数及负荷重要因数均为1，再用基准故障概率值和基准故障后果值计算出配电网的故障概率值、故障后果值和故障风险值。4.2评估指标值及得分在现场采集该配电网的所需数据后对收集的数据进行整理再计算出各个指标的指标值，再代入拟合的指标评分函数得出各个指标评分，如表4-1所示。表4-1(a)故障概率评估指标值及得分基准故障概率指标(权重，得分)基层指标权重指标值得分装备水平(0．55，15．0)架空线绝缘化率0．06458．056．5不符防雷标准架空线比例0．03517．022．7不符防污标准架空线比例0．03515．020．0电缆线路直埋比例0．03527．054．9免维护设备比例0．08777．023．0少维护设备比例0．08783．317．0GIS设备使用率0．05979．09．7运行维护水平(0．30，3．8)老旧设备比例0．08220．040．0设备完好率0．14197．51．2外力破坏水平(0．15，5．2)道路线杆警示加固比例0．03670．012．3电缆线路警告牌比例0．04766．044．1表4-1(b)故障后果评估指标值及得分基准故障后果指标(权重，得分)基层指标权重指标值得分电源控制能力(0．15，2．8)变电站单电源率0．0287．515．0变电站单主变率0．0287．014．0配网控制能力(0．55，17．1)线路平均分段数0．0861．960．0线路平均分段用户数0．06714．440．0线路N-1平均失负荷比例0．06126．055．3中压线路联络率0．06775．020．0开关电动操作比例0．07585．016．0开关遥控配置比例0．05957．09．0用户控制能力(0．10，4．4)多电源自动切换用户比例0．06030．040．0自备电源比例0．04011．049．7自动化水平(0．20，9．9)变电站综合覆盖率0．06191．09．0配网自动化覆盖率0．14316．067．14.3实例评估结果该配电网的最终评估结果为：该配电网的整体故障风险值为817.4，故障风险等级为“较大风险”等级。其中，故障概率值为23.8，发生概率等级为“可能性一般”；故障后果值为32.9，后果损失等级为“较大损失”。在配电网的故障发生概率方面，该配电网的外力破坏方面值得注意，电缆线路警告牌比例为66%，指数偏低。故障发生后果方面，配电网的自动化水平和用户控制能力需要加强，配网自动化覆盖率只有16%指标得分是67．1，指数偏低。用户控制能力方面的多电源自动化切换用户比例为30%，配电网的自备电源比例仅占总电源的11%。针对以上薄弱环节本文建议的改进措施为：在故障发生概率方面，增加电缆线路警告牌数量，尤其是故障多发区段；新建的架空线尽量采用绝缘架空线提升架空线绝缘率；尽量减少电缆线路直埋的方式，改用水泥保护板。在故障发生后果方面，可以视情况从“一遥”“二遥”改为“三遥”；多采取自备电源的方式以保证重要负荷的正常供电。4.4本章小结为了验证本文建立的配电网故障风险评估指标体系的合理有效性，本章将此体系应用到实际考察获取数据的某配电网中进行故障风险的评估。在获取了该配电网的基础所需数据后进行指标值和指标评分的计算，得出了故障概率值和故障风险值，再依据风险评分标准得出最终的指标评分和等级划分。最后根据得出结果进行配电网的风险评估，对配电网的薄弱环节提出针对性的改进意见，保证配电网日后的安全可靠稳定运行。结论本文建立了一套针对配电网的故障风险评估指标体系，该体系具备对故障发生的可预见性和故障发生后的可控性，能够准确地预判配电网故障风险的发生和评估故障发生后所带来的影响后果并有效地避免大部分的停电事故，并加以改进保证电网的正常可靠安全运行，对配电网可能发生故障的概率和发生故障后可能导致的后果进行合理量化评估并提出改进意见。本文的主要工作如下：(1)查阅了配电网故障风险研究的相关文献并了解配电网国内外的研究现状为课题的研究做了扎实的基础铺垫。(2)分析配电网的故障风险和评估方法的理论内容和评估方法的筛选。(3)采用层次分析法综合各因素从装备水平、运行维护水平和外力破坏三大方面展开确立基准概率指标体系，利用以往和现有数据有效反映配电网故障发生的可能性大小。根据故障发生后的损失程度，从电源控制能力、配网控制能力、用户控制能力和自动化水平四个方面确立基准后果指标体系。(4)采用德尔菲法对建立的指标集的各个指标权重进行计算，归纳获取的各位电力专家们的评分意见得到个别离散点上的风险指标值和指标得分，根据得到的评分离散点运用Matlab软件对离散的评分标准进行曲线拟合得到完整的指标评分函数。(5)将此体系应用到某实际配电网中进行故障风险评估得出评估结果并给出合理改进意见。该体系可以全面地反映影响配电网运行的各类因素，并找出薄弱环节以便改进，对日后的配电网建设有着良好的指导作用。随着智能电网的研究和普及，可在本文研究的基础上增加分布式电源和微网运行等更为广泛的评价指标，可以对配电网的故障风险评估提出更加合理有效的建议。参考文献[1]葛少云，朱振环，刘洪，等．配电网故障风险综合评估方法[J]．电力系统及其自动化学报，2014，26(7)：40-45．[2]BillionR，WangP．Reliabilitynetworkequivalentapproachtodistributionsystemreliabilityevaluat