10 kV配電網(wǎng)饋線自動化的優(yōu)化配置方式

王　哲，葛磊蛟，王浩鳴

（1.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術研究院，天津　300371；2.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津　300072；3.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津　300384）

10 kV配電網(wǎng)饋線自動化的優(yōu)化配置方式

王哲1，葛磊蛟2，王浩鳴3

（1.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術研究院，天津300371；2.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072；3.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津300384）

饋線自動化是提高配電網(wǎng)可靠性的重要措施，但其投入資金巨大。為了有效解決可靠性與經(jīng)濟性相矛盾的問題，結合10 kV配電網(wǎng)饋線自動化建設取得經(jīng)濟效益較少的實際情況，提出了饋線自動化差異化配置策略。首先，建立了輻射分段接線和聯(lián)絡分段接線2種可靠性計算模型；其次，對饋線自動化4種典型方式分別進行經(jīng)濟性分析；然后，提出了10 kV配電網(wǎng)饋線自動化優(yōu)化配置實施流程，實現(xiàn)了以單位投資減少停電時間為最優(yōu)化目標的配置策略。通過天津某區(qū)饋線自動化改造的實際工程案例，驗證了差異化優(yōu)化配置策略的可行性。

10 kV配電網(wǎng)；饋線自動化；可靠性；經(jīng)濟性；差異化配置策略

配電自動化是保證配電網(wǎng)供電能力和供電質量的基礎，饋線自動化是配電自動化的重要組成部分，是提高配電網(wǎng)可靠性的關鍵技術之一，具有隔離故障區(qū)域并快速恢復可供電區(qū)域的功能，可有效減少停電面積，縮短停電時間。饋線自動化的實現(xiàn)方式主要有2種：集中型和就地型。集中型包括全自動和半自動2種方式，它依賴通信通道及控制主站，投資較大，適合城市核心區(qū)和中心城區(qū)等一些負荷穩(wěn)定的區(qū)域；就地型包括重合器和智能分布式2種方式，它不依賴于通信通道，投資小，易實現(xiàn)，適合在一些城鎮(zhèn)和郊區(qū)的配電線路上。實施饋線自動化需要具備如下前提條件：①一次系統(tǒng)網(wǎng)架結構合理、設備可靠，具有一定的備用容量和足夠的負荷轉移能力；②可靈活適應10 kV配電網(wǎng)接線方式。當前城市配電網(wǎng)有聯(lián)絡分段接線和輻射分段接線2種方式，其中一般城市核心區(qū)和中心城區(qū)域主要采用聯(lián)絡分段接線方式，城鎮(zhèn)和郊區(qū)主要采用輻射分段接線方式。

近年來，國家電網(wǎng)公司范圍內(nèi)諸多網(wǎng)省電力公司開展了配電網(wǎng)饋線自動化建設試點工程，取得了一些成果［1-10］，但推廣應用的經(jīng)濟效益欠佳，主要原因有：①追求功能大而全，資金投入量大，影響其潛在效益的發(fā)揮；②系統(tǒng)開發(fā)商所開發(fā)系統(tǒng)適用性不好；③系統(tǒng)平臺后期的運行維護難度比較大，實用性較差，可能導致無法滿足客觀要求。綜上所述，饋線自動化應根據(jù)配電自動化實施區(qū)域的供電可靠性需求、一次網(wǎng)架、配電終端數(shù)量等情況合理選擇方式，并且在不同負荷密度、用戶重要程度情況下，選擇差異化配置饋線自動化方式，從而既滿足地區(qū)可靠性需求，又實現(xiàn)電網(wǎng)建設的經(jīng)濟性。

文獻［2］提出10 kV饋線自動化可通過增設斷路器和負荷開關，并配置智能FTU（feeder terminal unit），從而實現(xiàn)快速確定故障，縮短停電時間；文獻［3］對電壓-時間型饋線自動化方案和集中型饋線自動化方案進行了對比，明確了電壓-時間型饋線自動化方案適用長架空線路，集中型饋線自動化方案適用于短架空線路及電纜線路；文獻［4］提出在配電線路的開關處增設STU（smart terminal unit），實現(xiàn)故障快速切除及非故障區(qū)域的供電恢復。

本文首先對10 kV配電網(wǎng)的供電分區(qū)、可靠性分析及經(jīng)濟性分析等相關理論基礎進行了介紹；然后，根據(jù)不同供電分區(qū)的可靠性需求，研究10 kV配電網(wǎng)饋線自動化差異化配置流程，提出了以單位投資減少停電時間為最優(yōu)化目標的配置策略；最后將相關成果在天津某供電分公司的實際工程進行了應用，取得了很好的成效。

1　理論基礎

1.1供電分區(qū)

供電分區(qū)是配電自動化差異化配置的一個重要依據(jù)，在投資最經(jīng)濟的前提下，最大限度地減少故障停電范圍、縮短故障處理時間，并兼顧不同供電分區(qū)的實際需求，合理選擇不同類型的故障處理策略［11-19］。

國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《配電網(wǎng)規(guī)劃技術導則》（Q/GDW 1738—2012）中根據(jù)行政級別和規(guī)劃水平年的負荷密度，參考經(jīng)濟發(fā)展程度、用戶重要程度、用電水平、GDP等因素，將供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D、E 6類區(qū)域，這6類供電區(qū)域的供電可靠性目標分別為：99.999%、99.990%、99.965%、99.897%、99.828%、不低于向社會承諾的指標。

1.2可靠性分析

10 kV饋線的可靠性指標通常以平均供電可用度時間ASAI（average service availability index）來衡量。為計算實際配電系統(tǒng)的可靠性指標，首先將10 kV配電網(wǎng)輻射分段接線和聯(lián)絡分段接線模型化為m分段n聯(lián)絡，并設定每個分段上均有一個有效的聯(lián)絡。則ASAI計算公式為

式中：ωk為第k條線路上的負荷容量占系統(tǒng)總負荷容量的比例；ASAIk為第k條線路上的平均供電可用度時間，即

式中：Zk為第k條線路的停電戶時數(shù)，包括線路故障停電、線路預安排停電、斷路器故障、斷路器預安排停電、配變故障、配變預安排停電等所用時間；Uk為第k條線路的用戶總數(shù)。

當n=0時，即10 kV配電網(wǎng)接線模式為輻射分段接線時，第k條線路的停電戶時數(shù)為

式中：K1、K2、K3、K4、K5、K6分別為線路故障停電、線路預安排停電、斷路器故障、斷路器預安排停電、配變故障停電、配變預安排停電影響的戶時數(shù)；i為自身故障停電線路；j為預安排停電線路；λB、λL、λC分別為斷路器、線路、配變的故障停電率；pL、pB、pC分別為線路、斷路器、配變的預安排停電率；t1為線路故障查找時間；t2為線路故障恢復時間；t3為線路預安排恢復時間；t4為斷路器故障恢復時間；t5為斷路器預安排恢復時間；t6為配變故障恢復時間；t7為配變預安排恢復時間；Ui為第i個分段的用戶數(shù)；li為第i個分段的線路長度。

當n＞0時，即10 kV配電網(wǎng)接線模式為聯(lián)絡分段接線式時，第k條線路的停電戶時數(shù)為

式中，tL為聯(lián)絡開關動作時間。

因此，配電網(wǎng)可靠性水平是由停電次數(shù)（停電率）、每次停電時間和停電用戶數(shù)來反映的。提高配電網(wǎng)可靠性水平可以考慮減少停電次數(shù)、縮短每次停電時間和減少每次停電所影響的用戶數(shù)。

10 kV配電網(wǎng)存在電纜網(wǎng)、架空網(wǎng)、電纜架空混合網(wǎng)3種架設方式。由于電纜線路和架空線路的故障率和故障修復時間不同，在進行可靠性計算時，需要考慮2種架設方式的比例?？傊伨€自動化對可靠性的貢獻主要體現(xiàn)在縮短每次停電時間上，即減少配電設備的故障停電時間，減少故障查找時間以及聯(lián)絡開關倒閘操作時間。

1.3經(jīng)濟性分析

為了方便計算，在滿足可靠性目標的前提下，10 kV饋線自動化的設備分為重合器方式、智能分布式、半自動式和全自動式4種方式［16］，則10 kV配電網(wǎng)饋線自動化總投資為

式中：H為重合器方式的總投資；I為智能分布式方式的總投資；J為半自動式方式的總投資；K為全自動方式的總投資；α、β、γ、δ為比例因子，分別表示4種方式在所有饋線的比例，α+β+γ+δ=1。

1.3.1重合器方式

重合器方式饋線自動化的原理是在故障發(fā)生時，通過線路分段器的邏輯配合，利用重合器實現(xiàn)線路故障的就地識別、隔離和非故障線路恢復供電，主要有電壓時間型和電流計數(shù)型兩種類型。其中，電壓時間型根據(jù)變電站出線保護重合閘動作時間到再次出現(xiàn)故障電流的時間確定故障區(qū)域；電流計數(shù)型則根據(jù)重合器開斷故障電流動作次數(shù)確定故障區(qū)域。

重合器方式的建設成本主要包括重合器和分段器兩部分，不需要主站控制，不需要建設通信網(wǎng)絡，因此投資省，見效快。

1.3.2智能分布式

智能分布式饋線自動化的原理是在饋線網(wǎng)絡上發(fā)生相間故障或三相故障后，通過安裝在斷路器和FTU的對等式通信網(wǎng)絡，使線路上的開關控制器之間互相通信，收集相鄰開關的故障信息，綜合比較后確定出發(fā)生故障的區(qū)段，跳開該區(qū)段兩端的開關，完成故障隔離動作。

智能分布式饋線自動化的建設成本主要是斷路器和FTU兩部分，不需改變變電站出線開關和保護配置，且出線開關僅需一次重合就能實現(xiàn)故障隔離及非故障區(qū)域的供電恢復。

1.3.3半自動式

半自動式饋線自動化的原理是配網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)采集到故障區(qū)段信息，通過后臺分析軟件定位分析故障區(qū)段，人工遙控隔離故障和遙控恢復供電，相比配電子站和配電終端的要求都比傳統(tǒng)集中處理FA（feeder automation）功能的裝置及通信要求大大降低。

半自動式饋線自動化的建設成本主要有配電系統(tǒng)主站、后臺分析軟件和前端的執(zhí)行斷路器等。

1.3.4全自動式

全自動式饋線自動化的原理是先通過現(xiàn)場的FTU將檢測的故障信息上傳給配電網(wǎng)主站或子站，然后由主站或子站根據(jù)配電網(wǎng)絡的實時拓撲結構，按照一定的算法進行故障定位，下達命令給相關的FTU跳閘隔離故障，從而自動完成故障區(qū)域隔離和非故障區(qū)域的恢復供電；但是對于命令的可靠執(zhí)行必須要建設有效而又可靠的通信網(wǎng)絡，對配電網(wǎng)通信的依賴性強，且主站的功能比半自動主站強大。

全自動式的建設成本主要有配電系統(tǒng)主站、后臺分析軟件、通信網(wǎng)絡和前端FTU及斷路器等。

2　優(yōu)化配置方式

2.1目標函數(shù)

為了合理計及10 kV配電網(wǎng)不同供電分區(qū)、電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性等多因素影響，提出以單位投資減少停電時間S為目標函數(shù)的饋線自動化考核參數(shù)指標，表達式為

式中：M為供電區(qū)域目標可靠性平均供電可用度時間；Y為總投資成本。

2.2不等式約束

電壓約束為

式中：Vmax、Vmin為節(jié)點電壓上、下限；Vi，st為節(jié)點電壓。

有載變壓器檔位約束為

式中：Ti為第i個網(wǎng)絡節(jié)點有載變壓器的檔位值；Tmax、Tmin為有載變壓器檔位上、下限。

2.3等式約束

潮流約束為

式中：Pi和Qi分別為節(jié)點有功和無功功率；PG，j和QG，j分別為有功和無功功率輸入；PD，k和QD，k分別為有功和無功功率負荷。

可靠性約束為

式中，R為可靠性指標集合，根據(jù)不同的可靠性要求選定。

經(jīng)濟性約束為

式中，E（x）為期望的經(jīng)濟投入。

2.4計算流程

10 kV饋線自動化的優(yōu)化配置方式是一個單目標、多約束的優(yōu)化問題，即在滿足供電區(qū)域供電可靠性的基礎上，單位投資越小，從而饋線自動化方案越優(yōu)，經(jīng)濟效益越明顯。其計算流程如圖1所示。

圖1　10 kV饋線自動化優(yōu)化配置方式計算過程Fig.1　Calculation process of the optimizing allocation of 10 kV feeder automation

另外，一些發(fā)達國家為了考慮投資風險，通常將可靠性指標作為其他確定性因素的補充，對于提高可靠性的投資，設定一個平衡點，在該點使投資總成本與未供電總成本之和最小。而我國目前未考慮投資風險，即在滿足可靠性要求的基礎上，將單位投資減少停電時間引入電網(wǎng)建設，達到減少電網(wǎng)投資風險的目的。

3　案例分析

3.1差異化配置方式

以天津市某示范區(qū)配電自動化工程為例。該區(qū)域面積22 km2，10 kV公用配電站點1 130座，線路145條，電纜線路長度673.67 km，架空線路長度23.12 km，電纜化率達96.57%，聯(lián)絡率100%，饋線平均4分段，現(xiàn)供電可靠率為99.982%；

該區(qū)典型4分段4聯(lián)絡接線模式的10 kV饋線結構示意如圖2所示。其中#1為母線，S1為母線出口斷路器，S2、S3、S4為分段開關，聯(lián)絡1～聯(lián)絡4為饋線的4個聯(lián)絡，U1～U4為每個分段上的配電變個數(shù)。

圖2　典型4分段4聯(lián)絡接線示意Fig.2　Sketch map of typical feeder automation of four sections and four contacts

本次饋線自動化改造的目標是區(qū)域內(nèi)供電可靠率達到99.999%?？紤]示范區(qū)內(nèi)電纜化率高、原有的配置不包括重合器方式、原有供電可靠性較高及資金配備較充足等因素，選擇集中性饋線自動化方式，并開展如下工作：①配置配電自動化主站；②對配電線路和配電站點進行一次設備改造；③配電自動化改造及綜合二次改造；④0.4 kV側智能改造；⑤配用電通信網(wǎng)建設及配用電信息整合。在滿足可靠性99.999%的目標基礎上，以單位投資停電時間最大為優(yōu)化對象，按照第2節(jié)優(yōu)化流程，對該區(qū)145條饋線進行了優(yōu)化計算。獲得的優(yōu)化規(guī)劃配置結論為5條饋線實現(xiàn)智能分布式，10條饋線實現(xiàn)全自動方式，130條饋線實現(xiàn)半自動方式，結論如表1所示。

表1　饋線自動化優(yōu)化配置Tab.1　Optimizing allocation of feeder automation

由于該區(qū)主要為地下電纜供電區(qū)域，在饋線自動化配置時舍棄了重合器方式。總投資3.5億元，單位減少停電時間投資平均為0.43 h/億元。

3.2全自動式配置方式

在滿足可靠性99.999%的目標基礎上，以單位投資停電時間最大為優(yōu)化對象，按照第2節(jié)優(yōu)化流程，對該區(qū)145條饋線實現(xiàn)全自動方式，結論如表2所示。

表2　饋線全自動化配置Tab.2　Allocation of feeder automation

完成全自動化方式饋線改造，總投資8億元，單位減少停電時間投資平均為0.51 h/億元。

3.3分析

（1）饋線自動化改造工程的經(jīng)濟性與可靠性成正比例關系，即投入的改造資金越大，達到的可靠性要求越高。但是當可靠性達到一定程度，投資的敏感性會很小，不完全與投資成正比關系。

（2）城市配電網(wǎng)建設應同步考慮配電自動化建設需求，配電終端、通信系統(tǒng)應同步規(guī)劃、同步設計、同步建設，避免邊建邊改，造成資金浪費。

（3）饋線自動化改造不完全是全自動化為最優(yōu)方案，本次改造工程中半自動化占據(jù)了主要的配置方案，也滿足了高可靠性性要求。

4　結語

國家電網(wǎng)公司的配電自動化建設已從試點階段到全面建設階段，各個省網(wǎng)電力公司將陸續(xù)開展配電自動化的改造工作，尤其是城市核心區(qū)的改造；同時在城市核心區(qū)進行配電自動化改造中，需要改變現(xiàn)狀配電網(wǎng)設備、建設通信網(wǎng)并配置自動化主站等，其投資巨大，施工艱難。

在配電自動化全面建設中，可以根據(jù)城市當前的形式和地方特色，在滿足供電分區(qū)不同可靠性需求的前提下，把單位投資減少停電時間作為項目規(guī)劃方案的一個因素，合理利用本文的優(yōu)化方法，實現(xiàn)電網(wǎng)建設的可靠性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。在可靠性需求較低的C、D、E類地區(qū)可以嘗試重合器式或智能分布式，避免配電自動化主站的建設、通信網(wǎng)的建設、配電自動化改造等一系列工程。

本文結論對于饋線自動化的改造工程，具有一定的借鑒作用，但是也還有很多因素，例如工程實施過程中的外界因素、電力用戶的客戶要求情況、配電終端的數(shù)量情況等，有待進一步研究。

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Optimal Configuration of 10 kV Feeder Automation for Distribution Systems

WANG Zhe1，GE Leijiao2，WANG Haoming3
（1.State Grid Tianjin Electric Power Economics&Technology Research Institute，Tianjin 300371，China；
2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China）

Feeder automation is an important measure to improve the reliability of distribution systems，and it needs a huge capital investment.In order to solve the conflicts between reliability and economic，combined with the fact that 10 kV feeder automation of distribution systems has made less benefit，a feeder automation differentiation strategy is pro?posed in this paper.First of all，two reliability calculation model including the radiation segment networks and contact segment networks are established.Secondly，the economic on four typical modes of feeder automation is analyed，and the automatic optimal procedure of 10 kV feeder automation is dericed for distribution systems，and the unit investment to reduce the outage time is realized as the optimization object allocation strategy.Finally，the actual feeder automation project case in a certain district of Tianjin City is constructed to verify the feasibility of configuration optimization differ?entiation strategy.

10 kV distribution network system；feeder automation；reliability；economy；differentiation allocation strategy

TM470

A

1003-8930（2016）03-0065-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.012

王哲（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為城市電網(wǎng)規(guī)劃、配電自動化。Email：wzhe99@163.com

葛磊蛟（1984—），男，博士研究生，研究方向為智能配用電與不確定性仿真。Email：legendglj99@tju.edu.cn

王浩鳴（1984—），男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)控制和運行。Email：wanghaoming01@126.com

2014-06-09；

2015-06-03