基于可靠性成本與效益的10 kV饋線分段開關(guān)優(yōu)化配置研究

朱濤，張晶，孫可

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州317000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

基于可靠性成本與效益的10 kV饋線分段開關(guān)優(yōu)化配置研究

朱濤1，張晶1，孫可2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州317000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

通過10 kV饋線分段開關(guān)的優(yōu)化配置，能夠有效減少停電范圍和提高供電可靠性?；诋?dāng)前中壓配電網(wǎng)的典型接線模式，提出了分段開關(guān)優(yōu)化配置的成本模型和效益模型，重點研究了單輻射線路在不同負(fù)荷分布條件下的開關(guān)優(yōu)化問題。計算分析表明，計及可靠性成本與效益的優(yōu)化方法能較好實現(xiàn)最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)量和位置規(guī)劃，提出的實用化參照結(jié)果對中壓配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)有一定指導(dǎo)作用。

10 kV饋線；配電網(wǎng)；分段開關(guān)；優(yōu)化配置

0 引言

城鄉(xiāng)中壓配電網(wǎng)直接面向電力用戶，具有線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷分散、電氣元件多等特點，因此發(fā)生故障或檢修停電的概率也較大。通過對中壓線路適當(dāng)加裝分段開關(guān)，可以有效減少停電涉及范圍和提高可靠性指標(biāo)。在饋線上增加分段開關(guān)，系統(tǒng)可靠性相應(yīng)提高，用戶停電損失減少，但供電企業(yè)需要為此增加額外的電網(wǎng)投資。分段開關(guān)的安裝位置不同，系統(tǒng)可靠性的作用也會有所不同。因此，對分段開關(guān)的數(shù)量和安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，對于加強(qiáng)配電網(wǎng)供電能力和提升供電可靠性有較好作用。

近年來國內(nèi)很多機(jī)構(gòu)對分段開關(guān)的優(yōu)化配置進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]通過分析成本和收益的數(shù)學(xué)模型來確定線路的最優(yōu)分段情況，但不適用于輻射狀線路接線模式。文獻(xiàn)[2]兼顧系統(tǒng)整體投資和可靠性收益進(jìn)行分析，提出了線路是否需要加裝分段開關(guān)的判據(jù)，但缺乏普遍指導(dǎo)性。文獻(xiàn)[3]通過對分段開關(guān)投入費用與用戶停電損失的分析比較，確定在相應(yīng)的位置是否加裝分段開關(guān)，但忽視了不同位置對可靠性的不同影響。文獻(xiàn)[4]以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中的用戶缺電成本為目標(biāo)函數(shù)，確定每條輻射線路上分段開關(guān)的數(shù)量和安裝位置，但沒有考慮線路聯(lián)絡(luò)情況。

本文結(jié)合中壓配電網(wǎng)的常用接線方式、負(fù)荷分布特點，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，比較中壓線路為優(yōu)化分段開關(guān)配置而增加的成本和供電可靠性提高后相應(yīng)減少的成本損失，并通過實際計算進(jìn)行推導(dǎo)，給出了實用化的參照結(jié)果。

1 分段開關(guān)配置的成本模型

分段開關(guān)優(yōu)化配置所增加的成本主要包括分段開關(guān)投資和運行維護(hù)等費用。實現(xiàn)分段開關(guān)優(yōu)化配置所增加的成本可以表示為：

（1）開關(guān)投資成本?？紤]設(shè)備使用壽命的不同，故采用等年值法對開關(guān)投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)綜合評價較為適宜。開關(guān)投資可表示為：

式中：NK為開關(guān)數(shù)量；CS為單臺開關(guān)所需的初始投資費用；i為電力工業(yè)的投資回報率；P為分段開關(guān)經(jīng)濟(jì)使用的年限。

（2）運行維修費用。由于開關(guān)的運行維修費用與開關(guān)初始投資有一定的關(guān)系，計算中將分段開關(guān)每年所需的運行維修費用簡化為其初始投資的比重[5-6]，即運行維護(hù)費用可表示為：

式中：CM為每年運行維修費占初始投資的比重。

2 分段開關(guān)配置的效益模型

配置分段開關(guān)時，停電損失可采用平均電價折算倍數(shù)法，不同接線方式下配置分段開關(guān)減少的停電損失不一樣，本文主要討論單輻射、手拉手及兩聯(lián)絡(luò)等較普遍的接線方式下的效益情況。

2.1 單輻射接線方式

單輻射接線方式下配置分段開關(guān)后可保證某一段線路出現(xiàn)故障或檢修時，由分段開關(guān)將故障隔離，保證其上游停電損失僅為分段開關(guān)倒閘操作時間內(nèi)的損失，而未裝分段開關(guān)時，上游負(fù)荷停電損失將是全部停電時間內(nèi)的停電損失，這2個時間段內(nèi)的停電損失之差即為裝了分段開關(guān)后減少的停電損失，整條線路年減少的停電損失即可靠性收益Csave可表示如下：

式中：n為線路的分段數(shù)，對應(yīng)分段開關(guān)數(shù)為n-1；C0為損失單位電量折合成社會經(jīng)濟(jì)損失的系數(shù)，C0=平均電價×折算倍數(shù)；Li為第i段線路的長度；λ為主干線單位長度年故障率；Pj為第j段線路上的負(fù)荷；t1為每次故障平均停電持續(xù)時間（取4.5 h）；t2為分段開關(guān)倒閘時間（取0.5 h）。

2.2 手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線方式

手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線方式下某段線路故障或檢修時，分段開關(guān)將故障段隔離后，其上游和下游都可在分段開關(guān)跳閘后恢復(fù)供電，上、下游減少的停電損失之和即為可靠性收益，2種方式下減少的停電損失是相同的，可靠性收益為：

2.3 計及負(fù)荷分布特點的分析

氚是氫的一種放射性同位素，可用于提高聚變能武器和部分裂變能武器的爆炸當(dāng)量。由于氚的半衰期僅為12.3年，因此需要定期更換武器中的氚。

線路上的負(fù)荷分布情況對分段開關(guān)的定位有很大影響，根據(jù)負(fù)荷情況來合理定位分段開關(guān)可使可靠性收益增大。負(fù)荷分布有很多種情況，受計算條件限制及考慮實用性，本文重點研究單輻射線路的負(fù)荷均勻分布、負(fù)荷遞增、負(fù)荷遞減3種情況。

2.3.1 負(fù)荷均勻分布

設(shè)線路上總負(fù)荷量為P，總長度為L，投入分段開關(guān)后每段線路長為Li（i=1，2，…，n），對應(yīng)的負(fù)荷量為P（Li/L），Csave可簡化為：

式中:Ls為第S段線路的長度。

2.3.2 負(fù)荷沿線路遞增分布

負(fù)荷沿線路的分布密度為（XiP）/（0.5L2），Xi為第i個分段開關(guān)位置距首端的距離（i=1，2，…，n-1），P為線路總負(fù)荷，L為線路總長度，Csave可表示為：

負(fù)荷沿線路的分布密度為（L-Xi）P/（0.5L2），Csave可表示為：

在手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線模式下，由于負(fù)荷分布不均時計算量較大，實際應(yīng)用中可假設(shè)負(fù)荷均勻分布并確定開關(guān)個數(shù)，再結(jié)合負(fù)荷分布特點確定位置。

3 計算分析

實現(xiàn)分段開關(guān)優(yōu)化配置的目的是使可靠性收益盡可能大于可靠性成本。為此，按照前文所建立的成本模型和效益模型，代入相關(guān)算例數(shù)據(jù)，分析不同接線模式和負(fù)荷分布特點下的開關(guān)優(yōu)化配置情況。

3.1 負(fù)荷均勻分布時的分段開關(guān)優(yōu)化配置

在單輻射接線模式下，結(jié)合線路不同長度、不同負(fù)荷，計算出的最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)如表1所示。由表1可知單輻射接線下的最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)，且分段開關(guān)位置在線路等距分布時可獲得最大的凈收益。

表1 單輻射接線模式負(fù)荷均勻分布情況下的最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)量

在手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線模式下，采用同樣方法計算出的最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)如表2所示。分段開關(guān)在線路上等距分布時可獲得最大的凈收益，實際應(yīng)用中可參照表2配置分段開關(guān)。

在負(fù)荷均勻分布情況下，線路所供負(fù)荷P和主干長度L越大時，線路裝接較多分段開關(guān)可獲得較大凈收益。對于同樣的分段開關(guān)數(shù)量，線路負(fù)荷P和線路故障率λ越大，其獲得的凈收益將更大。

3.2 負(fù)荷分布不均時的分段開關(guān)優(yōu)化配置3

.2.1負(fù)荷遞增分布

單輻射接線模式、負(fù)荷遞增時，對于給定的線路，可用列舉法依次算出裝i個分段開關(guān)時的凈收益，凈收益最大時對應(yīng)的i值即為需要安裝的分段開關(guān)數(shù)。表3為對應(yīng)某線路長度及負(fù)荷的分段開關(guān)個數(shù)，表4為單輻射接線模式下的分段開關(guān)分布位置參考。

表2 環(huán)網(wǎng)接線負(fù)荷均勻分布情況下的最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)量

表3 單輻射負(fù)荷遞增分布情況下最優(yōu)分段開關(guān)數(shù)量

表4 單輻射負(fù)荷遞增分布情況下的分段開關(guān)位置

配電網(wǎng)的實際分段數(shù)一般不會太多，因此只給出1～6個開關(guān)的定位參數(shù)。特殊情況下分段數(shù)再增加時末端的分段間隔接近等距，超過6段時，前5段比例保持不變，后面的間距與第5段相等即可。

3.2.2 負(fù)荷遞減分布

負(fù)荷遞減時，第一個分段開關(guān)在離首端0.42L處，由于精確定位計算相當(dāng)復(fù)雜，且可獲得的凈收益與假設(shè)負(fù)荷均勻分布相比沒有太大差距，所以，實際工程中負(fù)荷遞減的情形可視為負(fù)荷均勻分布，參照其結(jié)論確定分段開關(guān)的個數(shù)，開關(guān)定位可按照每段負(fù)荷量相等的情況設(shè)置。

4 結(jié)語

在配電網(wǎng)建設(shè)中，對中壓配電線路加裝一定的分段開關(guān)，可以有效縮小停電范圍，提高供電可靠性指標(biāo)，但分段開關(guān)裝設(shè)的數(shù)量和位置需要綜合考慮成本與收益。本文基于當(dāng)前中壓配電網(wǎng)的典型接線模式，提出了分段開關(guān)優(yōu)化配置的成本模型和效益模型，重點研究了單輻射線路在不同負(fù)荷分布條件下的開關(guān)優(yōu)化問題。本文通過算例計算，給出了最優(yōu)分段開關(guān)的數(shù)量和安裝位置建議，對于中壓配電網(wǎng)分段開關(guān)的規(guī)劃建設(shè)具有一定指導(dǎo)作用。

[1]康慶平，盧錦玲，楊國旺.確定城市10 kV配電網(wǎng)線路最優(yōu)分段數(shù)的一種方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2000（13）∶57-59.

[2]萬國成，郭曉玉，任震.配網(wǎng)饋線上分段開關(guān)的設(shè)置[J].繼電器，2002，30（11）∶10-12.

[3]萬國成，任震，荊勇，等.主饋線分段開關(guān)的設(shè)置研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（4）∶124-127.

[4]王賽一，王成山.配電網(wǎng)中輻射線路的最優(yōu)分段處理[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（8）∶50-54.

[5]史燕琨，王東，孫輝，等.基于綜合費用最低的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（9）∶136-141.

[6]郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

（本文編輯：龔皓）

Optimal Configuration of 10 kV Feeder Sectional Switches based on Costs and Benefits of the Reliability

ZHU Tao1，ZHANG Jing1，SUN Ke2
（1.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

The optimal configuration of 10 kV feeder section switches can reduce the outage scope and effectively improve the power supply reliability indicators.Based on the typical connection modes of current medium-voltage distribution networks，this paper proposes the cost model and benefit model for optimal configuration of section switches；it mainly investigates the switch optimization of single radiation lines in different load distribution conditions.Computational analysis shows that the optimization method considering the reliability costs and benefits can achieve the optimal number and location planning of section switches.The proposed practical reference results to some extent can direct the planning and construction of medium-voltage distribution networks.

10 kV feeder；distribution network；section switch；optimal configuration

TM732

：B

：1007-1881（2014）08-0019-03

2014-01-07

朱濤（1981-），男，浙江臨海人，工程師，主要從事電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃研究和管理工作。