DOI:10.19421/j.cnki.1006-6357.2016.05.008 1 高占比可再生能源发电 No.1 配电网的风险评估和资产管理研究 王海冰 1，范明天 2，王承民 1，谢宁 1，张祖平 2 （1. 上海交通大学电气工程系，上海 200240；2. 中国电力科学研究院，北京 100192） 摘 要：风险评估和资产管理是配电企业进行各项业务的基本指导原则。文章针对CIRED-S5分会涉及风险评 估和资产管理方面的论文进行归纳总结，从风险评估、可靠性评估、资产管理和维护策略3个方面进行了详细 阐述，最后对风险评估和资产管理过程中涉及的概率性分析方法做出展望。 关键词：CIRED；风险评估；可靠性评估；资产管理；维护策略 0 引言 的能力有关。因此，为减少发生风险的可能性，对有效 配电企业具有设备密集、资金密集和人才密集的特 点，保障配电网的安全可靠运行是配电企业最重要的工 作之一。作为CIRED-S5分会的传统主题，风险评估和 资产管理已经成为世界各地配电公司进行各项业务的基 本指导原则。配电公司所做出的一系列投资决策，需能 够恰到好处地平衡成本和性能之间的关系，以便提高资 产管理水平。配电公司在决策过程中，需充分考虑风险 这一非常关键的因素，即需要逐渐增强风险管控意识。 当前，配电系统中有关风险的工作主要集中在供电可 靠性方面，这是因为可靠性不仅作为衡量配电系统水平的 一个重要特性，同时也是很多国家管理部门重点关注的工 作之一。然而，配电公司同时也面临着决策过程相关的其 他类型的风险，如安全、环境以及公司的声誉等无形的风 险。这些类型的风险在配电公司进行决策时同样重要。 本文为本系列专题的开篇，包括4个部分：①风险 评估：提出与配电业务运行有关的主要风险，并给出相 应的风险收集、排序及评估的方法；②可靠性评估：研 究相应的通用标准或特定的解决方案，以便提高或维持 供电可靠性；③资产管理维护策略：提出各种评估的方 法，以便评估设备老化、现有资产维护、更新策略以及 投资优化等事项；④对评估电网性能的概率性风险分析 方法进行了展望。 1 风险评估 经验表明，电网性能与其应对小概率突发严重故障 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助 项目（2015AA050101）。 Supported by National High Technology Research and Development Program of China（863 Program） （2015AA050101）． 32 供用电 2016.05 的措施进行评估至关重要，这就需要定义在不同程度上 影响电网性能的故障集合。 风险与未来可能的事件及发生的后果有关，在很 多决策过程中风险分析至关重要。这是因为通过评估风 险，往往可以准确洞察未来可能发生的事件，从而做出 最优的决策。对某一特定过程或是活动的风险评估，需 考虑以下3个问题：①会发生什么故障？②故障发生的 几率有多大？③如果发生故障，会产生什么样的后果？ 第一个问题需要描述一个或多个不愿发生的事故，第二 个问题需要确定事故发生的概率，而第三个问题则要求 讨论事故发生的潜在后果（后果可以是多维度的，如经 济、名誉和安全）。 文献［1］提出了一种计算MV/LV配变站故障风险水 平的方法，该方法是将风险分配给一组预先确定的由实地 考察MV/LV配变站得到的检查点，在MV/LV电压等级的 应用是一种创新。该方法采用两种经济参数进行风险评 估，如停电损失费用和其他（如社会成本）。最后，该方 法在挪威配电公司的信息维护系统中得到了验证，能够处 理大量的观测数据并能够为决策者提供交互信息。 资产管理涉及投资决策，即需要找到成本、性能和 风险之间的平衡点。对于配电系统运营商（distribution system operator，DSO）来说，概率性风险分析还是相 对较新的概念，也没有得到广泛的应用和实施。DSO关 心的主要问题是对用户供电的可靠性，问题的实质主要 是基于对历史数据的分析进行资产管理决策。由于预测 性的评估可以预示未来可能发生的事件，从而能够采取 一定的预防措施。因此，预测性评估可对基于风险的资 产管理提供有价值的信息，并且可形成处理实物资产决 策过程的指导原则。 文献［2］描述了一种在中压配电网络中基于蒙特 卡洛模拟（Monte Carlo Simulation，MCS）进行风险评 DISTRIBUTION & UTILIZATION 高占比可再生能源发电 1 估的以概率密度函数形式提供结果的方法。该方法在评 的影响。文献［4］利用3层可靠性技术对赫尔辛基（芬 估过程中使用了故障率预测的概念，而不是传统的故障 兰首都）城市地区的一条实际典型放射状中压备用馈线 率历史数据分析方法。图1为蒙特卡洛模拟算法原理流 进行了可靠性评估。图2为配电网络3层可靠性技术原理 程图。该方法被应用在了丹麦部分10kV中压网络中，用 图，该图分别对3个关键区域（即层）进行了可靠性评 来预测用户停电故障并为风险决策提供支撑。 估并得到部分可靠性指标，从而能够全面地评估网状网 络中不同区域的可靠性。该技术之前是专门为高压配电 网络分析而开发的，在这里应用到了中压配电网络的拓 㭅㧌㭞㈾ ⳣ䎇㭞㈾ 㻖㵔㭞㈾ Matlab 䅞㤇 电可靠性，同时减少停电成本。从可靠性的角度而言， TTF ⥛㪛㡘 i=1 㪛⧪䊋ミ㰇〛䍰 i=i+1? No 䍰 䅞㤇 热电联产的加入不会给测试网络带来显著效益。 TTF ⥛㪛㡘 ⹅䔘㠻ヅ䍰䓕㲍㹗 㰚䇱䍰⭥䓽⼮ 扑和保护。结果表明，引入网络自动化能够显著提升供 ⫇⪃⭞ 㭞㈾㌃ 㾿ⶕ 䍰 䅞㤇 d 㾿ⶕ 䅞㤇 i=N? bi2 a2 Yes n.o. sw bii2 㻵㬟㠖⪯㵝 c a1 图1 Fig.1 i bi1 ii 㞅⮈⮄ (λ,r,P) iii 蒙特卡洛模拟算法原理流程图 Flow chart of the principle of Monte Carlo simulation 随着对能源安全和气候变化越来越多的关注，可 再生能源技术得到广泛应用。然而，对于具有高占比的 图2 Fig.2 配电网络3层可靠性技术原理图 Principle of the three-layer reliability technique in distribution network 间歇性可再生能源发电（如光伏和风力发电）的电力系 DSOs主要提出了2种提高供电可靠性的方法：第一 统，保持良好的控制和运行是很困难的。这是因为，可 种，是安装若干网络自动化设备，然后检查供电可靠性 再生能源的间歇性降低了电力系统的可靠性，而储能 的变化；第二种，是在配电网络上通过对网络自动化设 技术的引入则能够有效地增强系统的可靠性。在文献 备的模拟进行可靠性计算，然后再安装适当的设备。显 ［3］中，即提出了一种储能系统与可再生能源组合的 然，第一种选择可能会导致不经济的结果，而第二种在 可靠性评估方法。文献［3］同时提出了多个储能系统 实际安装自动化设备前就可以对安装的经济性进行评 的电力调度规则，这样能够延长储能系统的持续时间， 估。在此框架下，文献［5］提出一种评估可靠性指标 便于产生充放电阶段所需的电能。这种方法可用于对接 系统平均停电时间ASIDI的新方法。该指标考虑了安装 入可再生能源的电力网络进行评估。 在电网中的自动化设备等新技术的影响，并在图3给出 2 可靠性评估 了运用到实际配电网计算中的ASIDI指标的结果。该方 法的关键是，考虑了电路跳闸后的在供电恢复过程中不 可靠性评估与配电业务中的特定风险关联度极高。 同的步骤和时间间隔，而以上这一切的实现也得益于自 由于可靠性是电网规划和发展的主要驱动力之一，因此 动化技术。该方法现在已应用到不同自动化水平的实际 恰当地评估影响可靠性的危险程度级别以及监测危险程 配电网络中。 度的演化过程（特别是系统的动态特性快速变化时）是 非常重要的。 供电可靠性对DSO来说具有重要的商业价值，其 中资产、电网拓扑和变电站配置的标准化是提高供电可 可靠性评估的工作已经成为电力公司进行网络规 靠性的重要措施。在更换老化开关设备的过程中，DSO 划中的关键部分，因此，为了合理地评估新项目的可行 可以重新评估他们目前变电站配置的设计方式，并同时 性，对设备故障率和网络拓扑结构进行精确建模至关重 探讨是否可能在配电网中集成配电自动化功能。文献 要。另外，也要考虑天气因素对电网规划有直接或间接 ［6］描述了HV/MV网络结构、MV馈线拓扑结构和MV DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2016.05 33 1 高占比可再生能源发电 提供了不同的可靠性指标。通过应用于一个简单 实例和不同情形下巴西的一个实际中压网络，根 据所提供的不同的自动化设备，列出了可靠性指 ⧂㈑ 〚㲍(㸿䓵Ⱀ⿐㪉⡙) 㻷䓕 䍰㵉⭡䐙㬟㡘 䍰㵉⭡䐙㬟㡘+䊗⧭㋹䐧 䓵䈛 10% 15% 㞅䐤㯏㠞 标的改进程度，证明了每个设备所带来的益处。 电力系统的主要目的是将电力从发电端传送 至用户端。安全性和充裕性是电力系统可靠性两 个重要的要求。由于用户经历的故障大部分由配 电网引起，提高配电侧的安全性对整个网络都有 20% 好处。故障可能单独发生，但是多个故障也可能 在网络中的很多地方同时发生，而正是这些同时 图3 Fig.3 应用于实际配电网计算得到的ASIDI指标 ASIDI indicators obtained from the application of the real distribution network 开关自动化配置水平对配电网络可靠性的影响。该研究应用于 Gorinchem的HV/MV变电站和MV网络，图4为最优的HV/MV 和MV馈线配置。研究结果表明，单母线布局比更复杂的双母 线布局更为可靠，并且遥控开关的应用对整体的SAIDI有积极 影响。至于自动化技术的作用而言，通过对常开点采用自动化 技术可以在很大程度上减小SAIDI，在馈线中间采用自动化开 关可以进一步减小SAIDI。尽管提高开关的自动化程度会导致 成本的增加，但是同样会在很大程度上减小SAIDI。 发生的故障可能极大地影响网络的安全性，并直 接降低其可靠性。 文献［8］利用蒙特卡洛算法研究了某配电 网中同时性故障的建模方法，该方法可以评估不 同情况下修复时间对可靠性的影响，也可以模拟 各种解决方案以提高网络的可靠性。对蒙特卡洛 算法采用了一个农村电力公司配电网的架空馈线 进行模拟计算，并基于此算法开发了可靠性计算 程序，并基于故障的数量以及同时性故障情况， 该仿真模型可用于维护工作量和维护人力需求的 计算。该算法也可以用于计算辐射状或具有辐射 状馈线的网状结构网络的可靠性指标。 文献［9］提出了一种工具用来评估为了实 现某一特定时间段内配电网络供电水平的提升而 T1 T2 采取的投资策略和投资数量。该工具全面地分析 ⷀ䁚㶙㕈 了其中的最佳措施，并运用多项式函数将每一措 ⹅䄖 ⼪1 㝊䄖 ⼪1 㶃⤠䐱䁚㶙㕈 施对质量指标的影响和相应所需费用进行关联。 ⹅䄖 ⼪2 ⹅䄖 ⹅䄖 ⼪5 ⼪4 ⹅䄖 ⼪3 ⹌⹓ ⼪2 ⹌⹓ ⼪1 投资策略以及投资数量。图5给出了每一投资措 施质量指标的提升与相应的费用的曲线关系。 ⹌⹓⼪4 ⹌⹓⼪3 通过求解费用最优化问题，确定如何选择不同的 㚙㼀A,⭻䄜⤠ 㚙㼀A,⭻ⱟ⤠ 3 资产管理和维护策略 资产管理可视作一个解析性的问题，也可以 根据系统的运行经验来考虑。本部分共发表了4 篇论文，提出了各种方法，用于评估老化设备、 图4 实际网络分析后优化的HV/MV变电站和中压馈线配置 Fig.4 Optimized HV/MV and configuration of MV feeders after analysis of a real network 现有资产的维护及更新策略以及投资优化过程等 事项。 资产管理依赖一个有效的框架，包括：愿 随着通信装置、传感器、智能电表、自动化设备、电力电 景、确定可实现的目标以及长期战略，以便保证 子设备和控制系统等一系列新型元件引入电力系统，确认这些 资产的可持续改善。只有如此，实现适当的资 元件对系统及系统可靠性的影响至关重要。文献［7］提出一 产管理才意味着实现资产的可持续管理。文献 种可靠性评估方法，即基于逻辑结构矩阵计算自动化技术和保 ［10］描述了一个支持可持续维护策略的综合程 护设备对可靠性的影响。该方法通过逻辑结构矩阵的组成元素 序包，考虑了资源、用户需求、应用以及相关的 34 供用电 2016.05 DISTRIBUTION & UTILIZATION 高占比可再生能源发电 1 在荷兰大量使用的10 kV纸绝缘铅封电缆已经超过 ㈜㻷䐖/€ ② 它们的设计年限。然而，文献［12］的统计寿命数据分 ① ➓䓑䓵Ⱀ䐹⼰䍃0.9% ② ➓䓑䍰䐙㬟㡘 析证明它们还有几十年的使用寿命，文中分析了对于超 ③ 䐤䐱䁚㉙䊖䓴 ④ ㅴ⭹䍰䊬㾱4.8% 过设计使用寿命的电缆运用寿命延长策略的可能性。通 ⑤ ➓䓑䐱䁚⮈㎣1.1% 过数据分析可确定电缆故障率，该故障率可表示为电缆 ⑤ 寿命和将来预测值的函数。结果表明，电缆仍有几十年 ③ ① 的使用寿命，因为电缆的故障频率在2050年不会超过 100次/年。 文献［13］提出一种预测未来故障的方法，该方法 ④ 通过蒙特卡罗模拟得到元件寿命分布和故障率的输入数 0 1 2 3 4 㵄⮈䐙⢋⭥㳂㪞/% 5 6 据。与许多目前使用的方法不同，文中提出的方法能同 时处理多个属性和假设，这使得预测故障的任务变得复 杂。例如，元件允许被分为不同的类型，并可分别定义 图5 Fig.5 每一投资措施质量指标的提升与相应的费用 The improvement of quality indicator and corresponding cost for each investment measure 与时间相关的故障率；对每个单独模型，可以包含多个 不同故障率的组合，而且故障率分布可以是几乎任何形 状。此外，引入一种故障率波动的测量方法，并用来模 拟故障率估计中的不确定性。该方法处理投资和再投资 约束条件。作者关注可定制化的服务计划，以便能够避 的情况以及不同的故障恢复模式，比如用不同类型的新 免因不可预期的故障所造成的停电以及能够在提升用户 元件更换故障元件。为了实现这一方法，本文开发并展 设备和业务流程的可持续性时增强人身的安全。 作为资产密集型企业，电力公司拥有大量昂贵的资 产。为了保持供电的可靠性，需要维护大量的基础设施 示了一个独立的软件工具。在本文的案例研究中，证明 该方法和工具在采用再投资策略更新元件以及减少未来 故障的次数时是有用的。 如地下电缆、变压器和开关设备等。任何元件发生故障 （如由于老化）都可能造成停电事故，从而使SAIDI指 4 未来展望 标过高而造成经济损失。文献［11］计算若干配电变压 随着电力市场的自由化，互联输电系统间的电能交 器的故障率，考虑了如下变量：变压器负荷、油温、环 换不断增长，配置在配电层的分布式发电也得到了空前 境温度和故障率。结果表明，可以形成一种虚拟测试方 的发展。2005年开始执行的京都议定书，其主要目标是 法，以便在合理的精确度内来优化状态检修过程。图6 大力发展可再生能源，以减少全球二氧化碳的排放量。 给出了文中所提出模型的方法概要。 同时，现代电力系统由于受地理、环境等条件的限制， 电力网络的升级改造（新建线路、电缆等）将面临很多 困难，这使得配电网的运行越来越逼近其物理极限。 㸫㳃⡟䐫 加之传统确定性的N-1实用安全导则过于严苛，因此评 ⶦ㛏㚄㾮䇱㾈㾵 䊬㾱䇱㾈㾵 㬖䂊 㹗⼮ㅉ㚄 ェ㰄〛⧭㿓䈌䇇䇤 特性。 DSO在制定投资规划时，需要协调成本与可靠性的 㭞㈾䇱㾈㾵 ェ㰄㚄㾮 价电力系统的可靠性时需要计及电力元件故障的随机 关系。对于DSO而言，网络可靠性越高，意味着投入的 ⶦ㛏㚄㾮 成本越多；而对于用户来说，较高的供电可靠性使得用 户面临的停电成本大幅降低。如果DSO基于确定性方法 进行决策，即系统满足N-1准则，那么DSO需要100%额 ェ㰄㚄㾮䂊䐅 外的投资。 如果DSO采用概率性风险分析方法，则能够对有 文献［11］中提出模型的方法概述 限系统状态的发生及其严重性的风险进行评估，从而能 Introduction of the model proposed in reference［11］ 够有效地协调成本与可靠性的关系，得到技术—经济最 图6 Fig.6 DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2016.05 35 1 高占比可再生能源发电 优的解决方案。该概率性方法有如下特点：①考虑所有 策略3个角度进行了归纳总结。此外，由于电网性能越 可能的系统状态及其相关概率；②评估系统约束越限的 来越受影响程度高但发生概率低的事件的影响，有必要 风险；③根据情况的严重程度计算系统约束越限时的后 采用概率性风险分析方法来评估电网的性能，从而协调 果；④要求系统运行人员自定义“风险对策”。因此， 成本、性能和风险之间的关系［14］。 概率性风险分析方法能够评估网络的改造措施，使得过 载的风险与相关的成本之间能够保持最佳平衡。 在对配电网的风险评估和资产管理研究的基础上， 后续工作会从配电网的发展战略，智能配电网规划，智 能配电网的规划方法和工具，配电网元件级和系统级效 5 结语 率，考虑运行过程的主动配电网规划以及提高可再生能 风险评估和资产管理已经成为DSO进行配电网规划 时的重要组成部分，本文详细介绍了涉及该部分的所有 源发电量占比等方面对CIRED-S5分会配电系统规划进 行全局系统性的研究。 会议论文，从风险评估、可靠性评估、资产管理和维护 参考文献 ［1］Bjørn Inge Langdal，Dag Eirik Nordgård，Geir Solum， et al．Calculation of risk levels for substation failures in Planning Environment［C］//23rd International Conference on Electricity，June 15-18，2015，Lyon，France． a full scale implementation［C］//23rd International ［8］Nemat Dehghani，Antti Supponen，Sami Rep．Modeling Conference on Electricity，June 15-18，2015，Lyon， of simultaneous fault to Reliability enhancement in France． distribution system［C］//23rd International Conference on ［2］Shiromani Goerdin，Ravish Mehairjan，Johan Smit， Electricity，June 15-18，2015，Lyon，France． et al．Application of Monte Carlo Simulation to Support ［9］Daniel Kouba，David Mezera，Miroslav Kopt，et al．Smart Risk-based Decision Making in MV Distribution Improvement of Distribution Grid Reliability［C］//23rd Networks［C］//23rd 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business of distribution companies ．This paper summarizes papers related to risk assessment and asset management in CIRED-S5 branch，and describes in detail from three aspects：risk assessment，reliability assessment，and asset management and maintenance strategies．Finally，the probabilistic risk analysis involved in the risk assessment and asset management is prospected． Key words：CIRED；risk assessment；reliability assessment；asset management；maintenance strategies （上接第 60 页 continued from page 60） Research on Lightning Protection of 35kV Distribution Lines WANG Qingjie，KOU Lingyue （State Grid Jibei Electric Power Company，Beijing 100053，China） Abstract：According to the design principle of 35kV distribution lines，the selection of the insulators and their characteristics are analyzed．Combining with the parameters of 35kV distribution line towers and insulators，the principle of lightning protection of 35kV overhead lines are expounded，and lightning withstand level of 35kV distribution lines are calculated and compared with the conventional ones．From the perspective of rationality and economic，the characteristics of existing lightning protection technologies are summarized，and the key points of lightning protection of 35kV distribution lines are analyzed．And it is pointed out that the design of lightning protection of 35kV distribution lines should be considered integrally，and differential design should be applied to special areas，improving the technique-economic performances of the design of lightning protection of 35kV distribution lines． Key words：35kV distribution line；lightning withstand level；insulator；technique-economic performances DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2016.05 37