[科普中国]-输变电设施可靠性评估

简介

自20世纪以来，世界范围内发生了许多大停电事故，这对输电系统可靠性提出了严峻的要求。输变电设施可靠性评价体系和数据统计是输电系统可靠性研究的基础，不同国家的评价体系及统计方法存在一定的差异。美国对电力系统可靠性研究开展较早，在1968年成立了电力可靠性协会，1981年随着加拿大和墨西哥2个可靠性委员会的加入，成立了北美电力可靠性委员会，极大地推动了世界电力可靠性管理的发展。中国对可靠性管理工作开展得比较晚，1983年才成立电力系统可靠性管理委员会。因此，有必要对中美两国输变电设施可靠性评价体系和数据进行对比研究，有助于借鉴国外经验以提高我国输变电设施可靠性管理水平。

大多数研究仅从一国的可靠性评价体系和可靠性数据进行分析，缺乏将国内外可靠性评价体系和可靠性数据相结合进行综合比较分析。从可靠性评价指标、统计口径和评价方法3方面分析中美输变电设施可靠性评价系统的差异，通过对两国2009年输变电设施（输电线路和变压器）在停运率、故障平均持续时间和不可用率等方面的可靠性数据对比研究，分析数据差异及其存在原因，在此基础上给出提高中国输变电设施可靠性的建议1。

NERC输电系统可靠性评价体系NERC涵盖了美国10个区域电力可靠性委员会以及加拿大、墨西哥2个可靠性委员会。2006年10月24日，NERC成立了输电可靠性数据系统工作小组，旨在定义统一的输电可靠性数据报告方案及衡量输电可靠性的效果。

NERC主要对电压等级不小于200kV的4类输电元件数据进行收集和评价，即200kV及以上电压等级的交流线路（架空或电缆线路），低压侧200kV以上电压等级的变压器，两端交流侧在200kV及以上的交、直流系统，±200kV及以上电压等级的直流线路。

NERC规定瞬时停运为不到1min的故障停运；计划性停运指以维护、基建、检修、测试或第三方行为造成的预先通知的停电，在执行开关动作过程中引起的少于30min的设备停电不记录为计划性停运；运行性停运指为避免紧急事件或为保障系统在运行限制范围内而进行的输变电设施停运。NERC除对每台设备进行统计外，还按回路方式进行统计，具体的可靠性评价指标见文献。

中国输电系统可靠性评价体系中国输电系统的可靠性评价体系专注于设备管理，主要是根据DL/T837—2003《输变电设施可靠性评价规程》对220kV以上电压等级的13种输变电设施进行统计分析。直流系统设备另有一套可靠性评价指标，即DL/T989—2005《直流输电系统可靠性统计评价规程》。将这13种输变电设施分为4类，第1类包括变压器、电抗器、电压互感器、电流互感器、隔离开关、耦合电容器、阻波器、避雷器和母线，第2类包括断路器，第3类包括架空线路和电缆线路，第4类包括气体绝缘金属封闭开关设备。评价指标分为3类：单台（段）指标、同一电压等级同类设备多台（段）综合指标、不同电压等级多台（段）同类设备综合指标。

中国不可用状态分类细致，规定输变电设施立即从可用状态到不可用状态为第1类非计划停运，不立即停运但不能延迟至24h后停运为第2类非计划停运，能延迟至24h后停运为第3类非计划停运，超过调度最初批准停运时间的停运为第4类非计划停运，其中第1类和第2类非计划停运为强迫停运2。

可靠性指标、统计口径及其评价方法对比中美国情不同，因此两国输电系统可靠性评价体系有所不同，主要体现在指标体系、统计口径和评价方法3方面。

（1）指标体系

美国的统计指标区别对待瞬时停电和持续停电，中国在统计输变电设施可靠性时不加以区别；中国对直流系统设备有另外一套可靠性评价指标，而美国对交、直流系统设备使用同一套可靠性评价指标。

（2）统计口径

中国只采用对每台设备可靠性数据进行统计的方式，美国除此外还采用按回路统计的方式；中国对于设备停运的类型分得比较细致，分为计划停运和非计划停运，其中非计划停运又分出4类，这容易得出各类停运对输变电设备的影响；而美国仅仅将停运分为两大类———自动停运和非自动停运，便于统一区分停运类型的标准，能够更好地对不同的输电网情况进行比较。

（3）评价方法

中国现行的输电可靠性评价方法与美国有较大的差异，例如在影响输变电设施可靠性指标计算的输变电设施状态（可用和不可用）划分上。在美国，无论是自身原因还是由于其他设施的影响，只要造成设施停运的，都应当计为不可用状态；中国则将受其他设施影响而受累停运的划分为受累备用，仍为可用状态。上述差异的实质在于是从系统还是从设备的角度对可靠性进行评价。

可靠性数据对比以中美输电线路和变压器为例进行对比分析，其他输变电设施的对比分析类似这两类输变电设施。

（1）可靠性差异

NERC给出了2009年美国8个区域可靠性委员会输电线路（包括架空线和地下电缆）和变压器自动停运数据。对于变压器，中国的统计单位为100台·a，美国则为台·a。对于输电线路，中国的长度统计单位是km，故障平均持续时间的统计单位为h/（100km·a）；美国的长度统计单位为mile，平均持续时间为h/次。因中美统计单位不一致，需转换成统一单位，统一使用100km·a、台·a和h/次等统计单位。

在统计可靠性数据时，中美电压等级、统计输变电设施的覆盖范围有所不同，美国将电压等级分为200～299kV、300～399kV、400～599kV 和600～799kV，中国则将之分为220kV、330 kV、500kV和750kV（在750kV上没有进行数据统计）；美国不仅给出了持续自动停运数据，也给出了瞬时自动停运数据，更加精确地描述输变电设施的可靠性，而中国只给出强迫停运数据，没有区分持续和瞬时数据。

因中国只对强迫停运数据进行统计，而美国将瞬时自动停运数据和持续自动停运数据分开统计，因此本文仅将中美持续自动停运数据进行对比分析，并列出美国瞬时自动停运数据供参考。

（2）可靠性数据差异原因分析造成上述数据差异的原因如下：

a）“十一五”规划期间，中国220kV及以上电压等级的输电线路总长度达到430000km，变电容量1.96GVA，分别是“十五”规划期末的1.7倍和2.4倍，电网规模跃居世界第一；美国输电网的投资从1975年开始经历了一个长达25年的投资下降过程，2000年后输电网投资开始增加，但增幅较小，由此可知，中国的输变电设施投运时间较美国短，美国输变电设施的老化程度比中国严重，故在输变电设施停运率上美国比中国高。

b）在计算停运率时，只涉及输变电设施的停运次数和统计数量。中国将由其他设施引起的受累停运划分为受累备用，仍为可用状态，不计入停运次数，美国则包含在内，故美国的停运次数比中国多，而且中国输变电设施的统计数量比美国多。如中国220kV输电线路停用次数仅为563次，统计线路长度为227879km，美国200～299kV输电线路的停用次数和统计线路长度则为1385次和165693km，所以美国停运率比中国高。

c）在计算不可用率时，只涉及输变电设施的停运时间和统计数量。中国统计停运时间与美国有所差异，中国的停运时间包括非计划停运时间和计划停运时间，其中计划停运时间所占比例较大，一般为非计划停运时间的10倍以上（如2009年输电线路的计划停运时间为82173h，非计划停运时间为3076h），而中国计算不可用率只计及非计划停运时间，美国只计及自动停运时间，而且中国设备统计数量比美国多。如中国220kV输电线路停运时间为3076h，统计线路长度为227879km，美国200～299kV输电线路停运时间和统计线路长度分别为28763h和165693km，故中国的不可用率较美国低。

d）在计算平均持续时间时，中国只计及非计划停运次数和非计划停运时间。虽然中国非计划停运次数比美国少，但非计划停运时间比美国少很多。如中国220kV输电线路的非计划停运时间仅为3076h，美国200～299kV输电线路的自动停运时间则为28763h，故中国的故障平均持续时间比美国的短。

e）在NERC输电系统可靠性评价体系中，输电线路包括架空线路和电缆，而中国只包含架空线路，这也导致中美在统计数据上的差异，影响可靠性指标的计算2。

建议根据以上分析，可从以下几个方面提高中国输变电设施的可靠性：

a）输变电设施投运时间长会导致故障率上升，对设施进行合理的定期维护有助于延长设施的寿命。

b）中国将由其他设施引起的受累停运划分为受累备用，仍为可用状态，不计入停运次数，美国则包含在内。中国在评价输变电设施可靠性时，可将这部分包含在内，这更能反映真实的可靠性水平。

c）中国输变电设施计划停运次数较多，计划停运时间较长，因此，对输变电设施计划停运部分进行优化管理可以提高中国输变电设施的可靠性。

总结通过比较中国和NERC输电系统可靠性评价体系，结合中国和NERC（美国8个可靠性区域）输变电设施具体指标数据，得出二者之间的差异及其原因。

中国与美国在输变电设施状态分类方面差异较大，特别是停运数据状态分类和可用、不可用状态的划分，这对输变电设施可靠性指标的计算有很大影响。通过全面分析中美在指标体系、统计口径和评价方法的差异，有助于了解中国与其他国家输变电设施评价体系和可靠性的研究现状，对促进国内外输变电设施可靠性的技术交流具有一定的参考作用3。