以OMS自動圖資系統提升配電系統分析、規劃與運轉策略效能之研究---子計畫四：結合配電自動圖資及可靠度考量之設備維修與人員巡修排程之智慧型系統建構(III)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

以

OMS 自動圖資系統提升配電系統分析、規劃與運轉策略效能

之研究－子計畫四：結合配電自動圖資及可靠度考量之設備維

修與人員巡修排程之智慧型系統建構

An Intelligent System for Distribution-System Maintenance and

Repair-Crew Scheduling with the Integration of OMS and

Reliability Considerations

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC 94-2213-E-151 -023

執行期間：

94 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日

計畫主持人： 吳兆祥

共同主持人：

計畫參與人員： 研究生- 溫祥華 陳正芳 羅國欣 林宜均

黃耀輝 陳柏育 曹志豪

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管

計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：大仁科技大學

摘 要

本計劃第一年結合歷史統計資料與台電資深巡修人員的推論知識，考慮設備使用年限及環境 因素，提出以模糊數表示配電系統各元件可靠度指 標 之方式再用以評估配電系統可靠度問題， 可以改善先前以點值表示系統及元件之可靠度指標所忽略之參數不確定的問題。本報告中提出 考慮配電系統各元件之使用年度，以模糊理論提出接近摩耗失效期之可靠度評估方案；此結果 可以更準確評估配電系統元件隨著使用年限而接近頻繁維修期之可靠度。 本計劃第二年對於台電目前的工作停電規劃模式進行探討，分析其效益並提出改善的方案， 發展一套智慧型模式可以求出結合工作停電規劃與相關饋線轉供操作的工作排程。本計劃中以 進化演算法為基礎，結合啟示性規則提高求解效率。本計畫考慮多區域、多工作隊於限定日期 內完工之計畫性工作停電的派工及其開關切換之規劃。求解時所考慮的限制條件包括工作隊資 源量、工作隊工作時間量、配電系統放射狀架構等。對於配電系統設備容量及電壓降的限制條 件則利用負載潮流程式予以驗證。 本計畫第三年結合前兩年的研究，加強智慧型求解能力，考慮多工作對資源多重派工的再調 度，並結合相關饋線轉供操作的最佳工作排程，並且以智慧型人機介面呈現派工結果。可以完 整的提供電力公司作為計畫性停電調度計畫的規劃方案。 本計劃中取台電鳳山區處 OMS 資料庫的部分架空饋線配電系統為第一年的模擬範例並取部份 地下饋線系統為第二及第三年的模擬系統；模擬多區域、多工作隊之計畫性工作停電規劃。由 模擬結果可以看出本計劃之智慧型之工作停電規劃方案確實有相當好效能。 關鍵詞: 可靠度分析、模糊分析、啟示性規則、工作停電規劃、工作隊派工規劃、基因演算法、饋線 轉供、智慧型介面

ABSTRACT

Reliability indices of overhead distribution feeders depend on the environmental conditions of the feeder locations that include chemical industry areas, urban areas, seashore areas, etc. In this project, the statistical data and maintenance experiences of engineers of Taipower Company for the components of distribution feeders are exploited to derive the fuzzy reliability indices of the components that are continuous run to the near-worn period. Convolutional fuzzy operations are used to perform the fuzzy reliability analysis for the distribution feeders.

Working outages such as component maintenance/exchange and system extension are important routine works for distribution systems. The full outage scheduling includes the optimal planning of outage areas, the optimal dispatching of maintenance, and optimal switching operations of inter-feeder load transfer while satisfies the constraints of the special field conditions, the working resources, and the operating conditions of distribution system. It is inherently a problem of nonlinear discrete multi-objectives.

In this project, the scheduling rules of Taipower distribution system have been studied and an intelligent strategy is developed to find the optimal scheme of the outage scheduling. The intelligent strategy proposed in this project is based on the evolutionary approach of genetic algorithm (GA). With integration of heuristic rules in the GA, the proposed approach performs effectively. Constraints considered in the approach include limited resource of the crews, limited days to finish the works, and the engineering limits of distribution system such as radial structure of distribution feeders and feeder rating of current limits and limits of voltage drops. Besides, multiple work teams for an engineering area with different get-into time and get-off time are considered. The associated switching operation of inter-feeder load transfer for the outage scheduling to is also implemented. An intelligent main-machine interface (IMMI) is also developed for the intelligent scheduling problem. Load flow is used to verify the voltage and current limits in this project.

Part of the OMS database of the distribution system in FunSun District is selected for the computer simulation of the proposed approach. From the results of the simulation, highly reliable scheduling can be obtained effectively. It is valuable to introduce the approach developed in this project to Taipower for their outage scheduling.

Keywords:

Reliability analysis, fuzzy analysis, heuristic rules, outage scheduling, crew scheduling, genetic algorithm, inter-feeder load transfer, intelligent man-machine interface.

目錄

摘要………...I Abstract…...II 目錄………III 第一章 前言...1 第二章 研究目的...2 第三章 文獻探討...3 第四章 研究方法...7 4-1 第一年...7 4-2 第二年...13 4-3 第三年...17 第五章 結果與討論...20 5-1 第一年...20 5-2 第二年...29 5-3 第三年...36 參考文獻...46 計畫成果自評...51 可供推廣之研發成果...51 附錄 A...52

一、

前言

隨著人民生活水準的提高，對於供電可靠度的要求與日俱增。尤其，我國近年來積極 發展高科技產業，其對於供電品質的要求更是重大挑戰。由於配電系統之系統涵蓋範圍廣 泛，各系統設備之耐久特性、設置位置、施工品質及其他環境影響等因素均使配電系統可 靠度不易掌握。此外，供電可靠度的提升與人物力成本的增加互為兩難的問題，此關係使 配電系統供電可靠度的問題更加複雜。 台灣電力公司近年來亦不遺餘力推行可以提高供電可靠度之各種策施，諸如配電饋線 自動化的全面推動、活線作業技術的開發實施、架空裸線逐漸更換為被覆線等；又如配電 自動畫及停限電資訊管理系統(Outage Management System, OMS)的建置與應用，更有利於 停限電或事故之掌控與管理，亦可以大幅提升配電系統故障維修效率、減少停電時間。 提高供電可靠度之方案可以由規劃、設計、施工、運轉、維護以及緊急維修等方面去 改善加強。其中系統維護是往後系統運轉可靠度的關鍵工作。配電系統之維護一般有例行 性巡查、計畫性檢點、計劃性設備更新及故障緊急搶修等四類。除故障緊急搶修外，其餘 三種均為預防性的工作，對可靠度均有相當重要的影響。 我國地處多山、多雷擊、多颱風、水患、多鹽害的自然環境地區，配電饋線運轉的可 靠性所受環境影響較重。又由於我國法規及國人的工程習慣的問題，非電業工程施工時， 吊臂誤碰架空線路及道路挖掘誤碰地下電纜的事件亦時有所聞。另外，架設於石化區之配 電饋線路其所受的腐蝕的影響亦是加速供電設備老化(aging)，降低可靠度害的要因。因此， 配電系統之供電可靠度與其設置位置及環境有極密切的關係，此等因素亦是目前影響我國 配電系統供電可靠度的主要問題。對此由於自然因素、人為因素及地區因素對供電可靠度 的衝擊，除了全面配電饋線自動化，減少停電時間外，適當的配電饋線之巡視、檢點及維 護工作，防患於未然，乃是提高供電可靠度最重要的方法。良好的計畫性停電維修排程將 可以有效的提高用電可靠度同時降低電力公司的維修與工程人力成本。 由於配電系統幅員廣泛、系統龐大 ，工作繁瑣，系統維護所需之人力與設備之頻次及 數量均相當可觀；又由於像計畫性停電檢修會影響用戶用電權益，合宜的規劃，藉由負載 轉供方案盡量縮短停電時間，減少停電用戶，乃為必要的考量。此外，又如天候的影響、 臨時事件發生等環境及其他不易掌握之因數將會擾亂維修及人員調度歸劃。因此，有效的 饋線維修排程及人員派工排程是相當值得研究之課題。於參考文獻中亦指出，目前幾乎還 沒有電力公司使用嚴謹的數學模式訂定其維修排程者。以台電公司之作業方式為例，目前 以人工安排「派巡人員」及「停電維修排程」，再以電腦紀錄相關資料。因此，具有高度決 策彈性之智慧型系統將會是適合的研究發展方向。

二、研究目的

居於我國自然環境及法規與人民工作習慣，我國配電饋線之供電可靠度指標有其獨特 的性質。本計劃中將探討靠山、靠海、靠水邊及靠雷擊區等環境因素對配電饋線供電可靠 度之影響，結合事故統計資料與台電資深巡修人員的推論知識，提出以模糊邏輯的推論方 式評估配電系統可靠度的問題。此指標將可以得到影響可靠度的關鍵區段與設備，此結果 亦可以提供維修檢點規劃的有效資料。本計劃中將研究現階段台電之巡修與維修策略，並 探討其對配電饋線可靠度之影響，再得出綜合可靠度評估之方法。此外，由於台電正積極 推動全面饋線自動化，本計劃中亦將考慮饋線自動化之自動化開關對可靠度指標的影響， 提出饋線特定區段及特定重要用戶的可靠度分析模式。 由於例行性的巡查與維修是配電系統提供可靠供電的重要工作，有效的維修排程及人 員派工規劃是相當值得研究之課題。本計劃中將結合前述之環境影響之可靠度因素及可靠 度指標，再考慮系統運轉的限制條件及目前台電公司對於人員資源必要的限制條件，提出 智慧型計畫性停電維修策略及巡查人員派巡線路之規劃方案，以達到高效率、高彈性及高 品質的系統要求。 我國人民生活水準及經濟發展的提高，相對於供電可靠度的要求也與日俱增。尤其， 近年來積極發展高科技產業，其對於供電品質的要求更是嚴苛。因此，供電可靠度的提升 一直是供電業者長久以來一直追求的重要指標。但是，由於配電系統之系統涵蓋範圍廣泛， 各設備之耐久特性、設置位置、施工品質及其他環境影響等因素均使配電系統可靠度一直 難以準確掌握。由於我國地處多山、多雷擊、多颱風、水患、多鹽害的地區，配電饋線運 轉的可靠性所受環境影響因素特別重要。本計劃中，將饋線設置環境與可靠度分析予以結 合，可以提供更準確的可靠度指標，同時可以找出可靠度關鍵設備與關鍵區段，對於維修 策略提供有效的資訊，對於提高可靠度有實質具體幫助。在學術方面，目前尚未有研究文 獻將饋線設置之多重環境因素與可靠度分析結合並提供維修調度規劃策略之研究。 由於配電系統供電可靠度受環境或人為因素所造成衝擊甚大，適當的配電饋線之巡 視、檢點及維護工作是防患於未然最重要的方法。本計劃中將考慮環境影響因素、可靠度 指標及系統運轉的限制條件，再考慮目前台電公司對於人力資源派用時必要的限制條件， 提出智慧型之計畫性停電維修策略及巡查人員派巡線路之規劃方案。對於配電系統自動化 規劃的目標會有極大的助益。在學術方面，本計劃將季與日負載模式及多重環境因素與可 靠度指標併入計畫性停電維修策略之規劃亦屬於前導型的研究。

三、文獻探討

本計劃參考之文獻主要分為可靠度相關、維修排程相關、不確定性處理相關、派翠推論網 路相關及基因演算法相關等五大部分之文獻，概況分析如下： 對於電力系統及配電系統之可靠度與維修規劃較具整體性之文獻: 文獻[1]是 IEEE std- 493(Gold Book)， 於 1997 年所改版的工商業電力系統可靠度分析的標準方法，其附件提供 許多配電系統元件的可靠度之參考數據。文獻[2]提出整合之方法於電力系統分析與維修。 文獻[3]提出了複雜放射性配電系統考慮復電時間及限制條件的可靠度計算方式，本文利用 樹枝狀結構作網路之拓樸動作，並考慮自動開關與手動開關對於配電系統可靠度之分別。 文獻[4]對於可靠度的研究現況及維修策略對於可靠度的衝擊作現況闡述。文獻[5]提出現今 的電力系統可靠度與以往的作一比較，提出現今電力系統可靠度所必須面臨到的極大挑 戰。文獻[6]提出短程電力系統負載的不確定性(uncertainty)之下，分析其可用性及風險。文 獻[7]提出兩家配電公司對於故障之管理模式，用以維持系統的可用性。文獻[8]提出在電力 系統可靠度模型化與評估方面的改進。 預防性維修(Preventive Maintenance)，可以為一系統或元件給予穩定的可用性，不會使 其可靠度下降，有關預防性維修應用於電力系統、配電系統上的相關文獻如下：文獻[9]提 出用監視儀器獲取電力系統各設備之資訊，以作為預防性維修之指標。文獻[10]提出保護系 統故障的影響以及其預防性維修的重要性。文獻[11]提出保護系統預防性維修所遇到的問 題，並說明適當的預防性維修可以讓配電系統可靠度大幅度的提升。 可靠度的維修排程規劃與維修策略對於整個系統可靠度有很大的影響。RCM

(Reliability Centered Maintenance) 為一以過去的可靠度資料為基礎的維修排程規劃，利用 RCM 之方法可以給予經驗上之維修排程規劃之流程圖。有關維修排程、策略及 RCM 之相 關文獻如下：文獻[12]提出近年來最常被用到的維修策略，其中維修策略可分為兩大項討論 之，其一為在有限時間內以備用元件取代故障元件，另一則為以低維修成本作維修的動作。 文獻[13]提出對於時間性排程問題提出演算法，文中並提及時間排程對於系統作維護之動作 是相當重要的因素，若無仔細規劃，則系統很容易就會造成癱瘓之現象。文獻[14]提出以數 學方法估算出週期性平均維修時間(Mean Time Between Failure, MTBF)。文獻[15]提出對於 資料的不足的問題提出維修排程的規劃。文獻[16]提出以最小切集法(Minimal Cut-Set Method)為基礎，建立方程式計算並聯系統的總故障頻次，並以牛頓-拉福森法(Newton- Raphson) 建立最佳化維修排程。文獻[17]提出整合型維修排程與具體的數據為依據作為系 統的最佳化維修排程以減少過度之花費。文獻[18]提出以分枝(Branching Algorithm)法建立 維修排程，並分析哪些分枝點是可去除的，以減少總耗費維修金額。文獻[19]提出可靠度的 量化分析於配電系統維修時間，文中以維修時間對於可靠度之影響作概論。文獻[20]提出配 電饋線規劃路徑之最佳化，路徑的規劃是一非線性、不可微分之最佳化問題，主要的目標 為增加配電饋線之可靠度、饋線損失以及減少投資和維修之總成本。文獻[21]提出以基因演 算法作為可靠度與維修成本最佳化的工具。文獻[22]介紹在維修上所必須面對的幾個問題， 這些問題是否對於可靠度有提升之能力，文中說明了各種維修之步驟所必須注重的幾個細 節。文獻[23]提出以可靠度資料為維修之過程，文中指出適當的巡修檢點可以維持配電系統 的高可靠度，並以馬可夫網路模型(Markov Model)說明檢查配電饋線之過程，並且給予一最

系統效能作一討論。文獻[25]提出以可靠度為中心的維修方式存在的矛盾觀點，作者先推翻 以RCM 為維修方式的原則，並給予系統維修之建議。文獻[26]提出以可靠度為中心的維修 過程應用於可分離洗淨之設備，並且可使系統中重要的效益再次獲得可用性。文獻[27]提出 配電系統維修之優先次序以及成本的效益。文獻[28]提出以 RCM 之維修方式應用於高壓變 電所。文獻[29]提出 RCM 法不足的地方，並且以一新的演算理論套用於 RCM 上。文獻[30] 提出以數據的方式來計算元件維修策略的正確性，作者以六個步驟來檢驗維修之後是否能 夠達到預期的可靠度標準。文獻[31]提出以 RCM 之維修方式來處理各種預防性維修對於可 靠度效能的提升。文獻[32]提出發電與輸電系統的可靠度計算，文中利用蒙地卡羅模擬方 法，以機率觀點來呈現系統元件故障率之週期，而負載則是以模糊資料來取代，以此方式 作模擬之結果可以得到電力不可用度之歸屬函數。文獻[33]提出利用模糊集合來對多態設備 作維修策略的選擇，文中提到設備的維修情況是不可得的，而此狀況可以用模糊集合得到。 文獻[34]提出近幾年配電系統以模糊群及模糊集合的可靠度分析，文中提出利用模糊群來分 解大系統成為幾個小群組，再對這些小群組作可靠度的分析。文獻[35]提出利用時間模糊派 翠網路於不確定性時間因素之推論過程。 模糊理論被廣泛應用於電力系統、配電系統之設計、規劃、運轉等多方面。模糊理論 的應用是處理規則式不確定性問題最強有力的方法。模糊理論在維修排程方面的應用亦陸 續被提出。文獻[36]對於整合型的發電與輸電系統提出模糊模型之維修排程問題，並考慮到 維修時將會碰到的不確定性而對最佳化排程提出解決之技巧。文獻[37]提出維修停電時會碰 到不同的限制，要排除限制並不是一件很簡單的事情。本篇論文提出以0-1 模糊整數規劃 化之模型使得這些限制降至最低，並找出一個可實行之維修方法。文獻[38]提出近幾年來， 變壓器的故障逐年上升。而常見的維修方式例如，IEC 碼，並不能解決大部分的變壓器故 障問題。本篇論文提出以模糊邏輯之工具應用於變壓器之多重故障檢測，且此方法對於變 壓器之故障檢測實為一相當有用之工具，並為變壓器建立規劃性維修排程。文獻[39]提出以 工程師經驗結合故障樹(fault tree)法來計算系統之可靠度、可用性、維修性，以及安全性。 利用故障分支法之好處為：一、增加資料之獲得性。二、可獲得應用於可靠度之物件導向 專家系統之效益。三、整合可用資源。四、可整合維修之不確定性因素。文獻[40]提出利用 模糊值來建立發電系統可靠度之不確定因素。文中以模糊值來取代以往所統計出來的故障 率資料，此故障率包含發電系統及負載。如以模糊值來取代資料，好處即更能處理系統的 不確定因素。文獻[41]提出以模糊邏輯控制器結合基因演算法應用於替換故障設備（或元件） 之替換策略。模糊邏輯控制器能夠自動調整基因演算之最佳化參數，應用此方法，能夠有 效率地描述設備元件之替換法則。文獻[42]提出用數值分析來敘述有多少個元件在故障期間 必須被更換。其中，以模糊變數來代表元件的工作週期，並混合智慧型演算法來解決問題。 文獻[43]提出在近幾年來，模糊理論應用於電力系統上有逐漸增加的情況。本篇論文為近幾 年的模糊理論應用於電力系統之文章作統合之動作，本文亦對於模糊運算應用於電力系統 的基本運算過程作簡單的敘述。 專家系統 (Expert System)為一將專家的知識和經驗架構於電腦上，且具有推論能力的 電腦化系統，以類似於專家解決問題的方式對於某一項特定領域提供建議或答案，並能解 釋推論結果。有關專家系統應用於電力系統、配電系統的相關文獻如下：文獻[44]提出以專 家系統為電力設備故障做一工作排程，以確保高可靠度，此專家系統主要優點有包括維修

論述以專家系統FDPM(Fault Detection and Predictive Maintenance)來估計配電系統中最初故 障的設備並做預防性的維護動作。文獻[46]提出以一套專家系統工具來監控維修中配電系統 的可靠度之指標。文獻[47]提出以一專家系統為工具，描述配電系統中，變電所之故障疑難 排解與維修排程。此一專家系統是經由有經驗的工程師來決定，並生成一有規則的資料庫。 文獻[48]提出一套專家系統應用於變電所的維修測試，作者指出此專家系統擁有快速、可 靠、精確的特色。文獻[49]提出故障定位專家系統。此專家系統是一種配電管理的應用，由 不同的電腦系統和配電自動化組成的控制中心環境的部份。專家系統是以人工智慧為基 礎，並結合數據，以支援在中心操作的控制人員。文獻[50]提出傳統的負載規劃方式不僅不 足以提升可靠度，並會在建立過程造成不必要的步驟。作者提出一新的專家系統來做長程 的負載規劃，並考慮到所遇到的問題予以討論之。 將模糊理論應用到專家系統讓專家系統具有處理不確定資料的能力，是典型專家系統 的擴展。文獻[51]提出利用模糊專家系統可以用來解決維修之問題，而當模糊專家系統得到 結論還有錯誤時，則必須用到“漣波降低法”(Ripple Down Rule)來為錯誤的結論作一修正。 本篇論文即是利用RDR 之法則應用於模糊專家系統之架構上，使維修更為正確且方便。文 獻[52] 用模糊運算來做一專家系統的模型。應用此模型，能夠實在地反映出發電機組在操 作與維修上的狀況。文獻[53]提出以模糊邏輯結合專家系統來應用此方法，並推估出故障 率、系統工作時數。文獻[54]以模糊理論為基礎，延伸到結合專家系統與基因演算法。文中 提到如何以模糊運算結合到其他系統。文獻[55]提出如何以模糊專家系統做即時控制。文中 以布林代數與模糊運算為基礎，建立一套即時控制系統。相較於以往之即時監控系統，模 糊專家即時控制系統能夠給予較強大的控制力。 派翠網路(Petri Net, PN) 是一種基於規則導向、功能強大的推論模式。它具有離散式之 並行推論能力。派翠網路亦漸廣泛被應用在電力系統之運轉、規劃及維修等方面。文獻[56] 提出以派翠網路為主題，逐步介紹派翠網路之架構，並提出電力系統可靠度、維修策略以 及計算成本效益的網路架構圖。文獻[57]提出以建立派翠網路模型來快速偵測故障發生點。 此建立之派翠網路可以被轉換為一矩陣模式，由簡單的操作可用來推論故障診斷的結果。 文獻[58] 以派翠網路中的基礎網路（Elementary Net）為架構建立配電系統模型。論文中逐 步介紹如何建立模型且說明並聯系統的設計原則。文獻[59]提出以派翠網路為架構結合新的 復電方式來探討配電系統中多重故障之發生。藉由釋放負載的方式來維持系統的安全性。 文獻[60]提出 Stochastic Petri Net 為基礎的蒙地卡羅法（Monte Carlo Method）來做可靠度之 估算。文獻[61]提出以派翠網路為基礎衍申出邏輯明確性派翠網路（Logical Explicit

Stochastic Petri Net），應用於電力系統可用度上。文獻[62] 類神經網路可藉由經驗與推斷來 訓練並學習;派翠網路則是提供了有效率的推論方式。此論文中結合了類神經網路與派翠網 路來建立簡單之模型，作者並提出了模糊類神經派翠網路來說明其推論方式以及其運算方 法。文獻[63]提出以“適應性模糊派翠網路” (Adaptive Fuzzy Petri Net, AFPN) 來為含糊不清 專家系統做一調適，文章指出，適應性模糊派翠網路不僅具有模糊派翠網路(Fuzzy Petri Net) 之特點，並具有學習之功能，如同於類神經網路般。適應性模糊派翠網路亦具有對於動態 特性能夠給予相當程度的說明。論文主要針對於AFPN 之採用與演算做一詳細描述。文獻 [64]提出以一新的演算方式套用於模糊派翠網路上，此新的演算方式可與一般的模糊派翠網

導向的模糊派翠網路(Object Oriented Fuzzy Petri Net)來分割一個大的系統成為許多子系統 的方法來給予龐大且複雜的系統描述。 演化式計算是人工智能研究領域的一項學科。現今已經發展出很多的方法，其原理來 自於自然界生物演化的機制，也就是生物學家達爾文 (Darwin) 提出的「物競天擇，適者生 存」的演化論，在遺傳過程裏，子代可能會有和父代不同的變異，而導致新物種的產生。 因此隨著每一世代 (generation) 中，新生個體的繁殖與失敗個體的淘汰，群體中的個體也 就演化得愈來愈適應環境。因為各種問題有個別不同的特性。若能針對其特性來設計方法， 就能更快速地解決問題，最終達到最佳解。有關基因演算法應用於配電系統方面的文獻如 下：文獻[66]提出配電系統是電力品質維持有效率的服務之一個重要角色。在配電系統重新 配置的情況下可以利用即時的方式來作控制。本文提出人工神經網路之方法應用於配電系 統之重新配置。文獻[67]提出一以基因演算法之最佳化方法用於配電系統開關之配置。文獻 [68]提出配電系統重新配置以提高可靠度，本文以基因演算法為工具為配電系統作重新配 置，配電系統於重新配置時，必須要考慮到因為故障停電時客戶的損失金錢，此一方面， 則利用基因演算法來降低此成本。文獻[69]提出以一粗糙的平行基因演算法應用於配電系統 復電情況。文獻[70]提出以基因演算法於電容器最佳化配置，文中提到，適當的電容器配置 可以釋放系統容量、減少電力的流失。文獻[71]提出近幾年來配電系統的設計沒有一個分析 的工具，而建立了一個可靠度的經濟準則、可分析之方法，並以基因演算法來為配電系統 設置開關和保護元件用以減少可靠度之總成本。文獻[72]提出以基因演算法來得到投資金額 的限制條件，過度的投資金額會造成浪費，而太少的投資金額則有可能使可靠度太低。文 獻[73]提出以基因演算法處理架空輸電線之樹枝裁修排程。文獻[74]提出以基因演算法及地 理資訊系統(Geographic Information System, GIS)為長程配電系統作設計之工具。

四、研究方法

4-1 第一年: 由於配電系統可靠度指標是評估供電服務品質的綜合性數據，我們可以透過可靠度指 標找出提高供電品質的方法與策略。我國地處多山、多雷擊、多颱風、水患、多鹽害及石 化害地區，配電饋線之供電可靠度與其設置環境有相當密切的關係。另外，工程施工吊臂 誤碰架空線路或道路挖掘誤碰地下電纜等，亦是影響供電可靠度的重要因素。因此，經常 性的巡檢與維護工作是減少環境衝擊及人為疏失最重要的方法。本計劃中將探討環境因素 影響配電饋線供電可靠度之問題，研究現階段台電之巡查與維修策略對可靠度之影響並提 出可靠度之綜合評估方法。由於台電已大力推行饋線自動化，其自動化開關對於可靠度的 提升貢獻甚大，本計劃將提出饋線特定區段及特定重要用戶的可靠度分析模式。本年度之 研究方法如下: 1. 首先訂定配電饋線之供電可靠度指標及維修排程相關之可靠度指標。供電可靠度之 評估以停電次數與停電時間長度及停電影響範圍(或用戶數)為三大因數。此三因數之累計值 與平均值分別可以得到不同的意義。又，各因數可以對全系統、部分系統或各子系統予以 評估值。以不同涵蓋範圍定義之指標可以提供不同的資訊。本計劃中之全系統將以一個台 電甲級營業區處(如高雄、台南、台中等營業區處)，部分系統則以一條饋線為單位或由數條 可以互相轉供的饋線所組成，子系統則以某一供電線區間為單位。本計劃中對於系統或設 備或元件能夠穩定提供預定功能的可能性稱為可用度(availability)。由於設備之可用度包含 設備環境因素，其統計資訊經常不是很充分，本計劃中將結合統計資料及專家之知識再以 模糊隸屬函數(fuzzy membership function)表示。

考慮停電次數之指標主要有用戶平均停電頻次指標(Customer average interruption frequency index, CAIFI)及總停電次數(Total interruptions); 考慮停電時間指標的有系統(或子 系統)平均停電時間長度指標(System average interruption duration index，SAIDI)及用戶平均 停電時間指標(Customer average interruption duration index, CAIDI)此指標可以研判每次停電 時間的長短，是緊急搶修處理效率的指標。對於涵蓋範圍之指標包括總停電用戶數(Total number of customers interrupted，TNCI)及平均停電用戶數(Average number of customers interrupted, ANCI);TNCI 及 ANCI 均可以對部分系統予以評估。

2. 分析架空饋線及地下饋線之主系統、子系統及單元設備並且評估其可靠度。以架空 饋線為例，其組成單元包括匯流排、斷路器、開關、導線、電杆、橫擔、碍子、變壓器、 熔絲鏈開關等; 又如饋線供電段、電桿、匯流排開關組等可以劃分為子系統。各元件及各子 系統均可以求其可靠度指標。本計劃中將利用基於最小切集法(minimum-cut-set method) 及 狀態空間分析法(state-space method)之分析方式，提出環境因素的模糊隸屬函數並以模糊派 翠網路(fuzzy Petri-Net)做為可靠度評估之推論網路。圖 1-1 為利用最小切集法分析影響配電 系統可靠度之設備及因素之部分分析示意圖。 我國配電饋線之供電可靠度受環境影響甚大，將環境因素視為獨立屬性將能使可靠度 評估更具彈性與準確性。本計劃中將考慮各元件及系統受裝設環境影響的可靠度。對於環 境影響因素將以模糊歸屬函數表示。例如，靠海邊饋線之絕緣礙子與靠山饋線之絕緣礙子

子的可用性與其受鹽害等級的關係亦可以表示如圖 1-3 之模糊隸屬函數。有些隸屬關係較 屬於邏輯性質，例如碍子破損程度與可用性的關係可視為0 或 1 的關係，其歸屬函數則如 圖1-4 所示。 電桿 桿身 橫擔 變壓器 腐蝕 碍子 裂損 傾斜 影響交通 電容器 熔絲鏈開關 桿身 鹽塵害 鬆脫傾斜 電弧痕跡 龜裂破損 腐蝕 彎曲 鬆脫 圖 1-1 以最小切集分析電桿可靠度相關元件部分分析樹 鹽害等級 3 距離(KM) 3 1 2 4 5 2 1 圖 1-2 電桿靠海距離與鹽害等級模糊隸屬函數

圖 1-3 碍子受鹽害之可用度模糊隸屬函數 1 鹽害等級 可用度 0.4 3 1 5 2 4 1 1 5 ava x μ = − + 1 破損等級 1 0 可用度 圖 1-4 碍子破損因素之可用度模糊隸屬函數 3. 分析台電架空饋線及地下饋線之預防性巡查之項目、巡查週期、巡查耗時及緊急處 理原則，並探討其與供電可靠度之關係。由圖 1-1 之最小切集可靠性元件及原因分析圖並 由台電資深巡修工程人員建議將可以得到預防性巡查之項目。 巡查週期將與可靠度有關。 本計劃中將由台電人員提供的基本維修與巡修數據及專家知識之推斷得到巡查週期與設備 可用度的關係，再以模糊隸屬函數表示。圖 1-5 為靠山或靠海電桿巡查週期與其可用度之 模糊隸屬關係之例。巡查耗時及緊急處理原則將是人力調度排程之關係變數。巡查耗時將 列為事件時間屬性，以利人力調度之數據。緊急處理原則將予以分析其合理性及效率後， 擬訂推論規則，提供派翠推論網路之建置。圖 1-6 為推導桿上變壓器用戶之用電可靠度的 部份模糊推論網路。 圖 1-5 靠山與靠海電桿巡察週期與可用度之模糊隸屬函數 1 巡察週期 (週) 4 24 可用度 靠海電桿 (a) 1 巡察週期 (週) 4 15 可用度 靠山電桿 (b)

~ ~ ~ ~ ~ 上游電源 電桿可用度 變壓器用戶 變壓器 桿身 橫擔 礙子 橫擔桿身 開關 圖 1-6 變壓器用戶可用度之部分 FCPN 推論網路 熔絲鏈開關 絕緣油 套管 4. 探討架空饋線及地下饋線之計畫性停電維修之項目、各項之維修週期及所需之維修 資源與作業耗時，及其與供電可靠度之關係。由圖 1-1 之最小切集可靠性元件及原因分析 及台電資深巡修工程人員提供之資料亦可以得到計畫性停電維修之項目。各維修項目及維 修週期與維修耗時將改善設備品質，但增加用戶停電次數與停電時間，是可靠度分析之的 重要因子。目前台電對於計劃性停電之維修工作大多外包執行，本計劃中不考慮計畫性停 電之工作人員派工規劃。計畫性停電之維修項目將定為事件類別。本計劃中將分析故障歷 史與計畫性停電維修之關係並探討計畫性停電與可靠度指標之關係。 5. 可靠度之關鍵元件及關鍵因數之分析。基於台電資深工程師之經驗並利用 state-space graph 之分析並將其結合入 fuzzy Petri-Net 推論網路。將可以於推論過程追朔可靠度數值轉 換的關鍵因數再析出可靠度之關鍵元件及關鍵因數。圖1.7 為可靠度關鍵元件分析彩色派翠 網路之例，其中F 節點可以得到可靠度為 0.6，其關鍵元件為 B。對於特定供電線段可用度 之模糊推論如圖1.8 所示。其中，P1, P2, ..,Pm 上游為電桿之用度，L1, …, Ln 為上游線段之 可用度。 P1 圖 1-8 區段可用度評估模糊推論網路 P2 P3 Pm L1 Ln F C D A B E 0.6 0.8 0.7 0.6 0.9 0.6 圖 1-7 可靠度關鍵元件分析彩色派翠網路 Sec 1 1 sec min( P,..., PN, L,..., LN) μ = μ μ μ μ

6. 考慮架空饋線及地下饋線維修時，考慮負載轉供之可能性，將計畫性停電維修時間 與次數融入饋線之可靠度計算。居於設備老舊之汰換及例行性保養之必要，停電維修雖然 將降低供電可靠度，但是，計畫性的停電可以使用電戶之損失減至最少。為減少計劃性停 電之時間與次數，可以經由負載轉供，將尚未輪到維修之饋線段儘量維持供電。轉供分析 時，可以將負載轉供路徑視為備用電源（redundancies）之情況，又不同轉供路徑其所提供 之可靠度貢獻亦不同。本計劃內將多重備用電源及其可靠度指標整合到模糊推論網路之狀 態節點的可靠度指標參數以作為轉供影響的考量。圖1.9 為負載區 Zone1 可以經由 Feeder1 或由Feeder2 供電，則 Zone1 可用度之模糊推論如圖 1.9(b)所示。

Feeder1 Zone1 Feeder2

圖 1-9(a) 可轉供電範例單線圖 μfd1 μfd2 μzn1 OR μzn1 (t) = Max(μfd1 (t),μfd2 (t)) 圖 1-9(b) 可轉供電範例單線圖

執行步驟: 本年度之研究步驟如圖 1-10 所示: 結合饋線轉供能力之可靠度分析 影響供電可靠度之架空及地下饋線 系統之組成、設備及相關設施分析 典型架空及地下饋線供電系 統及區段可靠度分析 架空及地下饋線元件典型可靠度分析 架空及地下饋線系統及 元件設置環境因素分析 開始 結合環境因數之架空及地下饋線 系統及重要用戶供電可靠度分析 架空及地下饋線系統維修週期 與可靠度的關係分析 結合維修週期之架空及地下 饋線系統供電可靠度分析 結束 圖 1-10 第一年研究計畫執行步驟流程圖

4-2 第二年: 居於設備老舊之汰換、擴充及必要之停電維護之需，計畫性停電乃必然的工作。雖然 計畫性停電必使供電可靠度指標降低，但是，計畫性的停電可以防止非預期性停電的衝擊， 使用電戶事先準備，讓其損失減至最少。為減少計劃性停電之時間與次數，最佳化的停電 規劃實屬必要。為了減少停電時間長度，於規劃中必須儘量讓尚未輪到維修之饋線段維持 供電，於此，饋線負載轉供是一種重要可行的方案。另外，為了讓停電維修時所受影響之 用電量最少，同時也較不會遭遇負載轉供容量欲度的問題，停電規劃必須同時考慮饋線之 季節性負載曲線。對於施工時段則以饋線之日負載趨勢分析。在一定之人物力資源，特定 的配電饋線區段架構及特定的工作時間並要考慮負載欲度及季節與日負載模式等諸多條件 的停電規劃是一種多重組合性、非線性及離散性之問題，本年計畫中將經由分析台電的規 劃現況並結合前述之多重最佳化之條件，建立時間彩色派翠推論網路，作為多離散狀態搜 尋網路，將可以得到近似最佳解。其研究方法歸納如下: (1) 分析目前台電之計劃性停電維修之規劃程序及多處統合維修作業之規劃準則，探討 其合理性及效益。計畫性停電維修區域的選擇包括饋線別、區段別、地區別。維修時間分 為年度、季節、月份及日期與時段。本計劃中將提出狀態空間分析模式以訂出規劃準則， 再將其轉化成時間派翠推論網路，推論派工時程。饋線之狀態分為維修前、維修中及維修 後三種狀態。圖2-1 所示為區域維修時其狀態轉移結合時間派翠網路的模式。 (2) 計劃性停電維修排程與可靠度關係模式分析。計劃性停電維修將降低饋線之供電 可靠度指標。考慮維修時間長短，配合轉供策略，分區段停電施工，將可提高可靠度指標。 本計劃中將探討停電維修所需時間並依饋線架構，務必能讓下游負載區段能經由轉供予以 供電。以圖2-2 為例，開關 s3, s7, s9 為常開的分段開關；為了轉供，不可將 zone1, zone2, zone5, zone6, zone7, zone8 同時停電維修。而當 zone5 預停電維修時， zone4 必須能經由 zone3 與 zone2 轉供。 圖 2-3 為當 zone5 欲停電維修，必須讓 zone4 能夠經由 feeder1 轉供之 PN 推 論網路。本計劃中將提出派翠網路之分析模式，得以對於不同之停電規劃計算其可靠度指 標。可轉供之路徑可以視為多重備用電源，其可靠度計可以備用電源視之。 SET 維修前 維修中 維修後 t = 0 t = T 圖 2-1 區域維修之時間派翠網路

S6 S5 Zone7 Zone6 Zone5 Feeder3 Zone1 Feeder1 Zone9 Zone8 S1 S8 S9 S4 S3 S2 Zone4 Zone3 Zone2 Feeder2 S7 圖 2-2 配電饋線開關單線圖例 S4(O) S7(O) S4(O) Zone5(M) Zone5(RTM) Zone4(E) Zone5(TM) ‧‧‧ ‧‧‧ ‧‧‧

圖 2-3 Zone5 規劃停電時 Zone4 可以由 Feeder1 轉供之推論網路

(3) 將考慮季節、星期及日負載曲線之規劃性停電規劃。季節性負載曲線有利於年度 型之停電規劃，便於決定施工月份，一週之日負載模式有利於施工日及施工時段的訂定。 另外，擬定轉供策略時亦必須考慮負載曲線，以便有足夠轉供欲度。考慮負載曲線之計畫 性停電規劃常用的規劃準則列舉如下:於負載較輕之季節施工、於負載較輕的時段施工靠近 饋線上游線段、於負載較重時段施工靠近饋線下游線段、分散在不會互相轉供之饋線同時 施工、儘量在非雨季施工。本計劃將基於台電之規劃準則，再予以轉化後放入派翠推論網 路。

(4) 考慮供電特別需求之計畫性停電維修規劃。由於計畫性停電兼顧用電戶之配合 度、電力公司及施工外包商之情況，甚至沿線特殊活動需求等之限制條件。此相關限制條 件將與台電資深年度計劃人員深入商討分析後，訂定限制條件推論規則。本計劃將限制推 論規則加入派翠推論網路，使得衝突規劃之事件得以另覓答案。 (5) 計畫性停電維修之規劃調整以達到預期可靠度之研究。將探討停電歷史資料與計 畫性停電維修之關係，找出可計畫維修之關鍵系統與關鍵元件，再調整計畫性停電維修之 週期，並予以評估其預期效益。其流程如圖2-4 所示。 (6) OMS 相關資料庫與巡修及計劃停電排程系統人機介面之發展。智慧型排程系統要 有良好的人機界面。計劃性停電排程將結合轉供策略能於OMS 圖資之圖面表示。系統之輸 出報表將包括年度計畫停電工作排程總表，月份停電工作排程總表，週與日派工總表，以 及年度可靠度分析總表。 開始 探討停電紀錄與計畫 性停電維修關係 找出可靠度關鍵性 元件與關鍵系統 訂定維修週期 效益/成本評估 可行性? 開始 執行維修調整 由巡修或檢點 策略求解 圖2-4 計畫性停電維修週期調整決策流程圖

進行步驟: 圖 2-5 第二年研究計畫執行步驟流程圖 台電計畫性停電維修策略 分析並探討合理性及效益 計畫性停電維修之可 靠度指標模式建立 考慮季節、週及日負載模式之 計劃性停電維修策略規劃 配合用戶限制條件之計畫 性停電維修規劃 結合例行性檢點及計畫性 停電維修之維修排程規劃 人機介面開發 考慮負載轉供之計劃性停 電維修策略之規劃 配合可靠度指標之最佳計 畫性停電維修規劃 結束 開始

4-3 第三年: 我國地處多山、多雷擊、多颱風、水患、多鹽害之天然環境地區，配電線路之設置 環境與其供電可靠度有相當密切的關係。另外，一些工程施工之吊臂誤碰架空線路或道 路挖掘誤擊地下電纜等亦嚴重影響配電系統之供電可靠度。因此，經常性的巡查是保障 計畫性維修空窗期之可靠度並減少突然環境衝擊或人為不慎的重要方法。 依台電架空配電線路巡視注意事項之規定，在巡查架空饋電線路時，有八十項以上 的注意事項，而台電地下配電線路巡視注意事項內也規定有五十三項以上；又，每一營 業區處有多達四百餘條配電饋線路，而其巡修人員也僅達三十或四十餘人，此等人員又 要執行二十四小時服務之輪班工作及必要之搶修工作。因此，高效率的巡查派工系統會 是減少巡修人員工作負擔，落實巡查成效，提高供電可靠度的重要事項。 緊急搶修為供電系統無可避免的工作，其包括用戶緊急申告、自動化系統自動檢測、 或巡查時發現有立即影響供電或危害到生命之情況。緊急搶修時，其前置處理包括故障 隔離、下游負載轉供復電等工作，均將影響停電用戶數及停電時間。 緊急搶修之工作時 程則影響故障區段用戶之停電時間。因此，有效的緊急搶修處理程序與規劃均為提高供 電可靠度的有效方法。 本年度旨在於建立提高供電可靠度之智慧型巡查排班及緊急搶修派工系統。其研究 方法如下: 1.選擇模擬系統範圍並探討分析台電系統之規劃現況: 本年度計畫中將以一個台電 甲級營業區處(如台中、或高雄營業區處等)之負責供電範圍及人力資源為研究對象，探討 架空饋線及地下饋線之巡查工作項目、工作人力、工作班之組成與數量及工作時數之分 析。由於台電目前尚以人工處理巡查排班之排程，因此，將探討分析目前台電巡修人員 的派工慣例，研究其限制性、合理性與其效益。 2. 完成系統性之巡查人力調度規劃分析，提出最佳之人員-饋線巡查責任配規劃。由 於各營業區處負責之供電區域範圍廣泛，包括市區、郊區、商業區、工業區、農業區等 不同負載特性、不同負載密度及不同重要程度之負載。因此，巡查工作會有時間性、區 域性及頻次性之不同。依台電巡查人員之責任饋線區分慣例，以區域性為主要考慮。每 位巡查人員負責同一附近區域之饋線，以便能夠更容易察覺到環境因素或社會因素對供 電可靠度的潛在影響。例如，同一郊區會有同一類爬藤易於快速長到饋電線而影響供電； 又如正在施工路段將較易於發生誤觸或誤挖掘之情事。又由於巡修人員也要負擔輪班及 緊急搶修工作，每一位人員的巡修時間亦需儘量相同。圖3.1 為居於地理位置及巡修時間 因素，以十五條饋線區域分為四個群組示意圖。 A1 A2 A3 A4 A5 _A6 A7 A8 A9 _A10 A11 A15 A13 A14 A12 圖3-1 巡修饋線群集規劃示意圖

本計劃中將利用自動圖資之饋線地裡配置關係及台電人員所建議之每一饋線巡查所 需時間，再利用基因演算法(genetic algorithm)，找出巡查人數之饋線群集數，其每一群集 會有最佳之距離接近度及各群集有最小的時間差。因此，可以找出最佳之群集饋線解。 實際上，對於每一條饋線之巡查時間經常是一個範圍數而非一個常數，本計劃中將利用 模糊基因演算法(fuzzy evolutionary algorithm)，以考慮此不確定因數。求各饋線之最佳歸 屬群集時，本計劃中將以饋線數為基因位元數，其解為該饋線屬於的群集數，此群集數 值可以由1 至 N，其中 N 為巡修人數；其適合度函數(fitness function)將以最小距離及最 平均工作時間之最小平方差的函數。為了加速收斂，易於得解，每一饋線僅對其相鄰饋 線考慮連結距離，工作時間則以全部饋線之平均工作時間為理想值並以依空間順序取得 等於或小於理想時間解的饋線為初始狀態。圖3-2 為以二十條饋線分成四個群集之初始 狀態之例。其適合度函數可以(1)式表示， 其中 k1 與 k2 分別為距離與時間之全衡因數， D 為群集內部幾何平均距離，di某群集元素與相鄰元素之距離，T 為理想時間，ti為巡修 元素i 所需時間。當考慮巡查時間為時間不確定數時，將模糊規則加入適合度計算函數。 3 4 1 2 3 3 3 3 4 4 4 4 1 2 1 1 2 2 1 1 3 3 3 3 3 2 1 1 3 4 2 1 2 4 4 1 2 1 24 1 2 4 3 4 2 1 2 圖 3-2 以饋線數為基因位元數群集

( )

=

×

∑

−

+

2

×

∑

−

2 2 1

(

)

(

)

,

t

k

d

D

k

t

T

d

f

_{i i} (1) 3. 結合可靠度指標之巡查排班規劃。巡查頻次增加將可以提高供電可靠度。由於巡 查工作所能促進之供電可靠度難以主動式求得，本計劃中將先以歷史案例分析。將探討 近三年某所選定區處或某饋線之停電紀錄及停電原因，分析其可以由巡查工作而提高可 靠度之程度。圖3-3 所式為用戶之用電可靠度是五個階層可靠度的結合。巡查工作可以 提高之可靠度在於第四層級的配電饋線可靠度。其配電饋線可靠度可以再區分為可巡查 與不可巡查事故兩類。於此，僅對於可巡查之事故予以探討。由第一年所求之可靠度之 關鍵單元部分找出巡查頻次與可靠度關係函數，再由預期可靠度指標調整巡查週期，並 評估其可行性，最後訂定派工規劃。可行性評估包括人力、物力及時間等因素，當要能 夠達到cost-effective 的規劃。整條饋線及關鍵單元之巡查及其活動與可靠度關係將先由 狀態空間法分析其轉移關連性，再找出排班規劃之調整法則後，融入巡修排班推論網路。

變電系統 可靠度 運轉調度可靠度 配電饋線可靠度 發輸電系統 可靠度 用戶設備可靠度 圖3-3 階層式可靠度分擔示意圖 研究步驟: 本年度旨在於建立提高可靠度之智慧型巡查排班及緊急搶修派工系統。其研究步驟 流程如圖3-4 所示。 開 巡查事項及 人員限制條 巡查派工與可 靠度指標關係 結合緊急搶 修派工系統 進化演算法 之巡修排程 台電之派工 現況分析及 巡 查 系 統 範 圍 系統化派工策 人機介面開 結 與其他子 計畫之結

五、結果與討論

5-1 第一年:

本年度計畫首先找出組成架空饋線元件之可靠度參數並且利用可靠度網路求出各組成元件及子 系統及負載點之模糊可靠度指標。如：架空饋線其組成單元包括匯流排、斷路器、開關、導線、 電杆、橫擔、碍子、變壓器、熔絲鏈開關等;各元件及各子系統與負載點均可以求其可靠度指標。

元件故障機率密度函數 (The probability density function of failure of component簡稱為

PDFOF) 由電力公司之故障維修歷史資料可以得到各關鍵元件之故障機率密度函數，如圖1 所示。 PDFOF 得知該等元件於某年發生故障的機率。PDFOF 可以方程表之如下: 0 ≤ f_X (x) ≤ 1 (1a)

∑

f _X ( x ) = 1 (1b) X x if x f( )= 0, ∉ _(1c) a ≤ X ≤ b (1d) 其中a, b 分別為該等元件故障分布的年限範圍。

元件故障累積分佈函數(The cumulative distribution function of failure of component，CDFOF) 對元件故障機率密度函數PDFOF 的積分可以求得該元件的 CDFOF, 其如式(2)及圖 2 所示。 X x x x x f x F_X ( ) =

∑

_x( _i), _i ≤ , ∈ (2) 由PDFOF 及 CDFOF 可以提供下列之優點：

year

F

X

(x)

1 a b a b

x

f(x)

圖 2 元件故障累積分布函數 圖 1 元件故障機率密度函數 (a)工業界可以由歷年故障元件之統計結果得到元件之故障分布密度函數，完全反應元件之故 障率。 (b)由 CDFOF 完全反應元件對應於使用年度內的故障機率。尤其對於可靠度函數靠近磨耗期之 故障率已經不是於穩定期之隨機故障常數更具有實質意義。 隨機故障期之可靠度函數 於元件之隨機失效期，若其機率為一常數λ，又假設元件至下次失效之時間分布為自然指 數分布，則其可靠度函數f(x)如圖 3 所示。 R(x)=λe-λx (3)

μ a c b 1

λ

f(x)

圖 3 隨機失效期之可靠度函數

x

圖 4 隨機失效期之故障率模糊函

隨機失效期之平均故障相隔時間(Mean time between failure, MTBF)可以求之如下:

λ λ λ 1 ) ( 0 = = − ∞

∫

xf x dx

∫

x e xdx (4) 因此，元件故障之MTBF 即為元件之隨機故障率 λ 的倒數。隨機故障期之故障率將可以由元件 製造廠所提供的MTBF 決定。 由於製造技術之極限，該值實際上不為精確值，本計劃中以三角形模糊函數代替，如圖四 所示。其中，a, b 分別為該不確定性的分布範圍，c 即為該元件由廠商提供之 λ 值。其邊界值 a 與b 可以由製造廠或專家經驗值概估。 A-4 接近磨耗期之故障率 若忽略元件之早夭期，並且假設元件於隨機故障期之可用為常數(標準化為 1)，則此元件於 靠近磨耗期之可靠度曲線可以近似如圖五所示。其中，x1 為工程上該元件開始呈現磨耗故障的 年度與 x2 為該元件所可以使用的年度。圖中顯示，x2 年該元件還有 95%的可靠度。點 x2 為該 元件所容許的最大連續使用年限(maximal year of continuous running, MYCR)，達到 MYCR 之元 件均強迫予以檢修。電力公司要求達到MYCR 之各元件仍然要維持相當高的可靠度。 若考慮接近磨耗期之故障率，其累積故障率曲線可以由可靠度近似曲線求得如圖六所示。本計劃中將接近磨耗期 之元件的故障率以梯形模糊函數表示，其函數圖形如圖七所示。其中λ 可以由元件之 PDFOF 求得。其 b 與 c 之 值則以λ 值的前後 5%取之，a 與 d 則分別為該元件在 PDFOF 之最少與最大的故障率。其方程式可以表之如式(5)。 μ a b λ c d 次/年 1 可靠度 年 圖 5 近似可靠度分部曲線 1 0.95 x1 x2 累積故障率 年 x1 x2 圖 7 接近摩耗失效期之故障率模糊函數 圖 6 接近磨耗期之累積故障率分佈

( )

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤ < − − ≤ < ≤ < − − = 其他 , 0 , , 1 , d x c c d x d c x b b x a a b a x x μ (5) 然而，若電力公司沒有歷史資料統計以求得該元件之PDFOF，但是有經驗之摩耗故障開始年度 與最大使用年度x1 與 x2，則可以求得該元件之 MTBF 與 x1, x2 之關係如下( 推導如附錄):

(

)

⎥_⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − − = 3 1 2 2 1 3 2 2 1 2 6 1 2 3 2 x x x x x x MTBF (6) 若x2 之累積故障機率為 yd，則該元件之失效率為 yd MTBF × = 1 λ (7) 本計劃中取b 與 c 值如下: b＝0.95λ (8) c＝1.05λ (9) 由於實際工程上，x1與x2期間之元件故障率均處於單調正成長，a 與 d 將分別表示在考慮年限 範圍內的最小及最大故障率之年度。在此假設有意義的累積故障機率由0.01 起算，以求 a 值。 由附錄所推導之公式可知 ) ( ) ( ) ( ) ( ₁ 1 2 1 1 1 2 2 2 x x x x x x k x F k − − − = = (10) 因此， ( 1 )2 ( 1)2 0.01 1 2 = − − x x x x 1) 將上 (1 式求出之x 值代回 f(x)中，並乘以 yd，即可求出a 值，如式(12)所示。 (12) 再將x2代回f(x)中，並 (13) 靠度指標模糊運算 a= f

( )

x ×y_d 且乘以yd，可求出d 值。 d= f

( )

x₂ ×y_d 可 分析大多可以由可靠度網路的串聯或併連所表示。可靠度關鍵元件的模 配電系統之可靠度 糊指標包括故障率(~ λ )、每年平均總停電時間(u~ )、每次故障平均維修時間(~r )。 串聯方塊之可靠度網路表示所有串聯方塊必須同時提供功能。兩串聯方塊的可靠度網路之可靠 (14) (15) 度模糊指標計算如下： ~ ~ ~ 2 1

λ

λ

λ

=

+

2 2 1 ~ 1 ~ ~

r

r

u

=

λ

+

λ

~ ~ ~ ~ ~

/

λ

u

r

=

(16) 聯方塊之可靠度網路表示只要任一並聯方塊提供功能，則系統可以正常運作。兩並聯方塊之 並

(17) (18) (19) 圖8 饋線系統之組成元件的等效可靠度網路 配電系統的可靠度網路一般均可以用串聯或並聯可靠度方塊表示。若某饋線系統之第i 個 載點之可靠度指標可 (20) (21) (22) 其中： 分別為元件i 之自身故障率模糊函數及每年平均停電時間模糊函數， 、 分別 其他 j 修資料經驗值

)

(

1 2 2 1

r

+

r

=

λ

λ

λ

~ ~ ~ ~ ~ 2 ~ 2 ~ 1 ~ 1 ~ ~

r

r

u

=

λ

λ

)

/

1

/

1

/(

1

1 2 ~ ~

r

r

r

=

+

~ 負載點的供電可靠度網路如圖八所示，則其可靠度指標可以求之如下： 若某饋線系統之組成元件的等效可靠度網路如圖九所示，則其內第i 個負 以下式求之： ~

∑

≠ =

+

=

n i j j j i i , 1 ~ ~

'

'

λ

λ

λ

∑

≠ =

+

=

n i j j ij j i i

u

r

u

, 1 ~ ~ ~ ~

'

'

'

λ

i i i

u

r

~

=

~

/

λ

~ i ' ~ λ 、u '~ _i λ~'_j r 'ij ~ 為 元件 之故障率模糊函數及每次停電時間模糊函數。 維 相關元件與設備數量龐大，可靠度要求甚高，又均為多年期使用之設備，且 各元 表1 空饋線設備使用與更新年度範圍經驗值 表 2 架空設備之修護時間及平均修護時間經驗值 設備 由於配電饋線 件之可靠度與裝設之環境因素有關。 架 地點 沿海 工業區 平 地 山 區 地區 (化學) (市區) 桿變 (TR) 7-13 年 7-13 年 2-25 年1 15-25 年 電 容 器 (SC) 5-8 年 5-7 年 8-15 年 10-15 年 熔 絲 鏈 開 關(PCS) 7-13 年 7-13 年 10-16 年 10-16 年 隔 離 開 關 (DS) 2-4年 4-6年 10-15 年 10-15 年 斷 路 器 (CB) 10-13 年 10-13 年 15-20 年 15-20 年 碍子 5-7 年 4-6 年 10-15 年 10-15 年 橫擔 7-13 年 7-13 年 10-16 年 10-16 年 導 線 (LINE) 7-13 年 6-13 年 15-20 年 15-30 年 1 為台電資深工程人員對各架空饋線元件之例行維修的使用與更新年度範圍之經驗值。饋線 表 元件會依其裝置環境不同而有不同之維修與更換時間。一般之安裝環境分為沿海區、化學工業 設備 修護時間 平均修護時間 桿變 (TR) 1.8-2.2H 2H 電容器(SC) 2.7-3.3H 3H 熔絲鏈開關(PCS) 1.3-1.6H 1.5H 隔離開關 (DS) 1.3-1.6H 1.5H 斷路器(CB) 1.8-2.2H 2H 碍子 0.9-1.1H 1H 橫擔 0.9-1.1H 1H 導線(LINE) 0.9-1.1H 1H 1 2 3 j-1 j j+1 n i

故障率模糊參數 本計劃中考慮維修資料經驗範圍值之模糊特性，利用式(6)~(11)求出各饋線元件之故障率模 3 CFMYCR為0.05 之饋線元件故障率模糊參數 表 4 CFMYCR為0.1 之饋線元件故障率模糊參數 糊維修參數。由於各元件之累積故障率為該元件使用至當年度發生故障的機率。本計劃以饋線 設備之使用年度達到其MYCR 之累積失效率(CFMYCR)為 0.05 及 0.1 兩種情況探討配電饋線各負 載點之可靠度指標。表3 及表 4 分別是 CFMYCR為0.05 及 0.1 之饋線元件故障率模糊參數，饋 線元件所需維修時間模糊參數如表5 所示。 表 模糊參數 設備 設置地區 設備 _裝設地區 模糊參數 a b c d 種類 _{a b c d 種類} 沿海地區 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 工業區(化學) 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 沿海_{工業區(化學}地區 0.0011 0.0086 00950. 0.0333 平地(市區) 0.0002 0.0023 0.0025 0.0077 ) 0.0011 0.0086 0.0095 0.0333 平地(市區) 0.0005 0.0046 0.0051 0.0154 TR _TR 山區 0.0003 0.0022 0.0024 0.0100 沿海地區 0.0016 0.0143 0.0158 0.0500 工業區(化學 山區 0.0006 0.0044 0.0048 0.0200 沿海地區 0.0032 0.0285 0.0315 0.1000 工業區(化學 ) 0.0016 0.0089 0.0098 0.0500 平地(市區) 0.0006 0.0036 0.0039 0.0200 _{平地(市區)} ) 0.0032 0.0178 0.0197_{0.0013 0.0071 0.0079} 0.1000_0.0400 DS _DS 山區 0.0006 0.0036 0.0039 0.0200 沿海地區 0.0011 0.0040 0.0044 0.0333 工業區(化學 山區 0.0013 0.0071 0.0079 0.0400 沿海地區 0.0021 0.0079 0.0088 0.0667 工業區(化學 ) 0.0011 0.0040 0.0044 0.0333 平地(市區) 0.0006 0.0026 0.0029 0.0200 ) 0.0021 0.0079 0.0088 0.0667 平地(市區) 0.0013 0.0052 0.0057 0.0400 CB _CB 山區 0.0006 0.0026 0.0029 0.0200 沿海地區 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 工業區(化學 山區 0.0013 0.0052 0.0057 0.0400 沿海地區 0.0011 0.0086 0.0095 0.0333 工業區(化學 ) 0.0005 0.0045 0.0049 0.0143 平地(市區) 0.0006 0.0026 0.0029 0.0200 _{平地(市區)} ) 0.0009 0.0089 0.0098_{0.0013 0.0052 0.0057} 0.0286_0.0400 LINE _LINE 山區 0.0002 0.0019 0.0021 0.0067 沿海地區 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 工業區(化學 山區 0.0004 0.0038 0.0042 0.0133 沿海地區 0.0011 0.0086 0.0095 0.0333 工業區(化學 ) 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 平地(市區) 0.0005 0.0034 0.0037 0.0167 _{平地(市區)} ) 0.0011 0.0086 0.0095_{0.0011 0.0068 0.0075} 0.0333_0.0333 PCS _PCS 山區 0.0005 0.0034 0.0037 0.0167 沿海地區 0.0016 0.0075 0.0083 0.0500 工業區(化學 山區 0.0011 0.0068 0.0075 0.0333 沿海地區 0.0032 0.0150 0.0166 0.1000 工業區(化學 ) 0.0016 0.0089 0.0098 0.0500 平地(市區) 0.0006 0.0036 0.0039 0.0200 _{平地(市區)} ) 0.0032 0.0178 0.0197_{0.0013 0.0071 0.0079} 0.1000_0.0400 碍子 _碍子 山區 0.0006 0.0036 0.0039 0.0200 沿海地區 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 工業區(化學 山區 0.0013 0.0071 0.0079 0.0400 沿海地區 0.0011 0.0086 0.0095 0.0333 工業區(化學 ) 0.0005 0.0043 0.0048 0.0167 平地(市區) 0.0005 0.0034 0.0037 0.0167 _{平地(市區)} ) 0.0011 0.0086 0.0095_{0.0011 0.0068 0.0075} 0.0333_0.0333 橫擔 _橫擔 山區 0.0005 0.0034 0.0037 0.0167 沿海地區 0.0011 0.0068 0.0075 0.0333 工業區(化學 山區 0.0011 0.0068 0.0075 0.0333 沿海地區 0.0021 0.0136 0.0150 0.0667 工業區(化學 ) 0.0016 0.0075 0.0083 0.0500 平地(市區) 0.0005 0.0037 0.0041 0.0143 ) 0.0032 0.0178 0.0197 0.1000 平地(市區) 0.0009 0.0075 0.0083 0.0286 SC _SC 山區 0.0006 0.0036 0.0039 0.0200 _{山區 0.0013 0.0071 0.0079 0.0400} 例模擬 範 備失效率模糊函數之建立 20 條饋線經統計結果約有 1000 台變壓器，若依工作上 為0.05 及 0.1 之饋線元件維修時間模糊參數 表 6 各年故障數量 模擬A: 設 本模擬利用台電二個配電變所計有 之經驗及統計資料該型配電變壓器的摩耗期約在第十五年開始，公司規定在第二十五年必須收 回更新。 表5 CFMYCR 模糊參數 設備種類 TR 1.8 1.9 2.1 2.2 DS 1.3 使用年 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 合計 1.425 575 1. 1.6 CB 1.8 1.9 2.1 2.2 LINE 0.9 0. 95 1. 05 1.1 PCS 1.3 1.425 1.575 1.6 碍子 0.9 0.95 1.05 1.1 橫擔 0.9 0.95 1.05 1.1 故障數 1 1 2 2 4 5 4 6 9 8 10 50 佔比 ₅₀1 ₅₀1 ₅₀2 ₅₀2 ₅₀4 ₅₀5 ₅₀4 ₅₀6 ₅₀9 ₅₀8 ₅₀10 ₅₀50

ase 1: 電力公司有完整統計資料之情形 ，其各年故障數量如表六所示，其故障機率分佈函數 可以求此型變壓器之標準化MTBF : C 若在第15 至 25 年間統計有 50 台故障 如圖十所示。 由(4)式之離散型

_∑

xf(x)_=⎜⎛15_× 1 ₊16_× 1 ₊ 25_×10_⎟⎞=21.92(次/年) ⎠ ⎝ 50 50 50 由於實際故障之變壓器數量的比率 Yd = 50/1000 = 0.05 因此，實際之故障率 0022810 . 0 05 . 0 92 . 21 1 1 = _{× = × =} d y MTBF 由此，得到摩耗失效期之故障率模糊函數的b 及 c 值分別為 其中 十五年之故障率，可以求之如下: 圖10 變壓器故障機率密度分佈函數 Case 2:電力公司沒有完整統計資料之情形 資料，僅由資深人員的經驗知道在第15 年起開始有 .66 次/年 022738 yd = 0.001 Case1 與 Case2 之摩擬計算結果可以驗證本計劃所提出之整合式可靠度模糊函數的可用性。 擬B: 各負載點可靠度指標計算 0.05 及 0.1 來模擬並比較實驗後之結果差異。本計劃擷取 λ b = 0.95 × λ= 0.0021670 c = 1.05 ×λ= 0.0023950 ，a 與 d 分別為第十五年及第二 a = f(15) × yd = 1/50 * 0.05 = 0.001 d = f(25) × yd = 10/50 * 0.05 = 0.01 若電力公司沒有該設備完整之故障統計 摩耗故障，並且到第25 年可能嚴重影響用戶之用電品質，應全部換新。又假設可靠度在第 25 年內不可低於0.95 則故障率模糊函數可以求之如下步驟: (1) 摩耗故障時間範圍：x1=15，x2=25 (2) 求出 yd = 50/1000 = 0.05 (3) 由(5)式，求出 MTBF = 21 (4) 由(6)式，求出 λ= 1/21.66 * 0.05 = 0.0 (5) 由 b = 0.95 × λ= 0.0021601 c = 1.05 ×λ= 0.0023875 (6) 由(11)式，求出 a = f(16) × (7) 由(12)式，求出 d = f(x2) × yd = 0.01 由 模 本模擬分別以元件之 CFMYCR為 使用年數 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 故障率 1/50 1/50 2/50 2/50 4/50 4/50 5/50 6/507/50 8/50 10/50

兩饋線位於平地區。圖11 為該範圍之 OMS 饋線圖資，其單線圖如圖 12 所示。 於本計劃之可靠度分析時，必須考慮連續供電區之範圍，因此，將模擬系統依開關位置區 狀態下，計算各負載點之供電可靠度； ase 1. 正常供電狀態之負載點的可靠度指標之計算: 以饋線 KM35 為例 44 個線段(line)。圖 分為九個供電區，其供電區分佈架構圖如圖13 所示。 本模擬中分為兩種情況，其一乃模擬系統於正常供電 另外再假設各供電區於上游區域發生故障時而需要執行饋線轉供時，計算其供電可靠度。 C 饋線 KM35 包含 1 個斷路器(CB)、3 個隔離開關(DS)、34 個電桿(Pole)及 14 為該饋線之可靠度等效網路。 圖11 模擬系統之 OMS 饋線圖 圖12 模擬系統單線圖

圖13 供電區分佈架構圖 圖14 KM35 之等效可靠度網路 (a) 低壓用戶 利用式(20)求出加裝 PCS 及 Tr 負載點故障率，計算式表示如下: ~ 1 ~ 3 ~ 34 ~ 44 ~ ~ ~ 1 1 1 LP CB DS Pole Line Tr PCS i j k λ λ λ λ λ λ λ = = = = +

∑

+

∑

+

∑

+ + KM35 之低壓用戶負載點故障率模糊函數如圖 15 所示，其經由重心法解模糊化之數值為 0.664。 圖15 KM35 之低壓用戶負載點故障率模糊函數 CB DS DS Pole Pole Pole Line

(23) 3 34 44 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1 1 1 1 LP CB DS Pole Line Tr PCS i j k U U U U U U U = = = = +

∑

+

∑

+

∑

+ + KM35 之低壓用戶負載點每年平均維修時間模糊函數如圖 16 所示，其經由重心法解模糊化 之數值為1.286。 利用式(22)，可以求出低壓用戶負載點每次維修時間之模糊計算如下: (24) 1 ~ 1 ~ 1 ~

/

LP LP LP

U

r

=

λ

KM35 之低壓用戶負載點每次維修時間模糊函數如圖 17 所示，其經由重心法解模糊化之數 值為10.507。 圖16 KM35 低壓用戶負載點每年平均維修時間 圖 17 KM35 低壓用戶負載點每次維修時間 (b) 高壓用戶 高壓用戶之可靠度網路架構將比低壓用戶少電力變壓器，其餘同理可以求出。 間。其相對曲線圖如圖18 及圖 19 所示。 圖18 各區域之低壓用戶可靠度指標曲線圖 圖 19 各區域之高壓用戶可靠度指標曲線圖

由圖 18(a)及圖 19(a)可以看出 CFMYCR 越高者，其失效率亦將增加，其增加量與該負載區

表7 CFMYCR為0.05 的負載點之解模糊可靠度指標 表 8 CFMYCR為0.1 的負載點之解模糊可靠度指標 正常供電狀態 饋線轉供 饋線別 供電區 用戶別 λ U r U’ r’ 低壓 0.664 1.286 10.507 - - KM35 Zone 1 高壓 0.660 1.277 10.499 - - 低壓 2.181 4.396 11.401 - - Zone 2 高壓 2.174 4.380 11.324 - - 低壓 2.181 4.091 11.997 1.312 4.850 KM40 Zone 3 高壓 2.167 4.065 11.992 1.282 4.733 低壓 1.175 1.181 7.212 - - Zone 4 高壓 1.160 1.789 7.166 低壓 1.175 2.203 11.532 1.949 7.880 KM39 Zone 5 高壓 1.160 2.176 11.532 1.932 7.840 低壓 2.668 5.177 9.113 - - Zone 6 高壓 2.487 5.164 11.829 - - Zone 7 高壓 2.460 5.032 12.178 - - 低壓 2.668 4.854 8.864 1.516 2.243 KM22 Zone 8 高壓 2.487 4.841 11.486 1.508 2.864 低壓 2.222 3.828 9.464 - - KM21 Zone 9 高壓 2.071 3.636 12.211 - - 正常供電狀態 饋線轉供 饋線別 供電區 用戶別 λ U r U’ r’ 低壓 1.418 2.725 12.122 - - KM35 Zone 1 高壓 1.409 2.706 12.113 - - 低壓 4.362 7.149 9.214 - - Zone 2 高壓 4.347 7.116 9.200 - - 低壓 4.362 8.247 11.812 2.579 2.964 KM40 Zone 3 高壓 4.333 8.194 11.891 2.546 2.929 低壓 2.347 2.924 6.416 - - Zone 4 高壓 2.318 2.867 6.353 - - 低壓 2.347 2.924 6.416 1.998 4.096 KM39 Zone 5 高壓 2.318 2.867 6.353 1.963 4.047 低壓 5.264 8.785 9.266 - - Zone 6 高壓 4.981 8.767 9.998 - - Zone 7 高壓 4.921 8.916 10.618 - - 低壓 5.264 9.363 10.151 1.939 1.748 KM22 Zone 8 高壓 4.981 9.345 10.957 1.923 1.877 低壓 4.321 7.510 10.791 - - KM21 Zone 9 高壓 4.087 7.149 11.475 - - 表中亦含有考慮轉供情況之總停電時間及平均每次維修時表 7 及表 8 分別為 CFMYCR為 0.05 及 0.1 負載點間之設計可以大幅減少停電時間。而其停電時間差亦與維修設備設置地點有 關。越高者，年度總停電時間亦將增加。由圖18(c)及圖 19(c)可以看出平均維修時間與 CFMYCR 比較沒有成正比率增加的關係，其與維修設備種類有較重的關係。 圖20 及圖 21 表示 CFMYCR為0.05 之低壓用戶於不考慮轉供與考慮轉供的每年平均維修時 間及每次維修時間比較曲線圖。 圖20 含饋線轉供之每年平均維修時間比較曲線圖。 圖 21 含饋線轉供之每次維修時間比較曲線圖 5-2 第二年 台電工作停電規劃分析 目前台電工作停電計畫擬定之原則： 1、 停電頻次儘量少: 規定一區域於同一月份內以一次工作停電為原則。規劃人員必須做 好完整之施工規劃，否則某些工作得留待下一次規劃時處理。 2、 停電範圍盡量縮小:以開關為界之負載區域範圍極廣，停電工作影響之用戶甚多。因 此，對於架空線路，台電目前漸地以五根電桿數為劃分依據。如此，停電用戶減少並 且工作地點的範圍縮小，工作複雜度亦降低。 3、 停電時間盡量縮短: 對於停電時間逾五小時者，須特別檢討，改進施工方法，以縮短