基于差異化考量的配電自動(dòng)化規(guī)劃研究

錢若晨

（國網(wǎng)浙江海鹽縣供電公司）

基于差異化考量的配電自動(dòng)化規(guī)劃研究

錢若晨

（國網(wǎng)浙江海鹽縣供電公司）

配電自動(dòng)化是智能配網(wǎng)的重要表征，做好配電自動(dòng)化規(guī)劃有助于技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上的供電可靠性大幅提升。首先根據(jù)不同受電區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘暮侠砥谕?，將配網(wǎng)供區(qū)歸集為六大典型類屬；其次就配電自動(dòng)化的技術(shù)組成進(jìn)行剖析；再次提出以供區(qū)類屬為導(dǎo)向的配電自動(dòng)化系統(tǒng)在配電終端、通信、繼保配置等層面的差異化設(shè)計(jì)原則，并進(jìn)行相關(guān)論證；最后以某中型城市為背景進(jìn)行實(shí)證分析。

配電自動(dòng)化；供電可靠性；差異化；配電終端

0 引言

配電自動(dòng)化（DA）是智能配網(wǎng)建設(shè)的重要方向，對于提升供電可靠性有著顯著功效。但當(dāng)前的配電自動(dòng)化建設(shè)存在以下問題：①在主站建設(shè)上偏重規(guī)模追求，希望能實(shí)現(xiàn)對供區(qū)的全覆蓋；②在終端配置追求“高大上”，要求每一個(gè)終端均具備“三遙”功能[1]。誠然，理想的配電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)任一節(jié)點(diǎn)的全景式監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對任意故障的自動(dòng)隔離，但這牽涉到巨量資金的非合理性投入，有違配網(wǎng)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)性原則。

事實(shí)上，不同類屬供區(qū)對停電事件的可承受程度是不一樣的，電力管理層也基于此制定差異化的供電可靠性指標(biāo)[2]。因此，為了達(dá)成電建投資在總體上的高收益率，應(yīng)根據(jù)供區(qū)類屬對配電自動(dòng)化進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，即：對于高供電可靠性要求的地區(qū)按照一步到位原則進(jìn)行DA配置，以最大程度發(fā)揮配電自動(dòng)化功效；對于低供電可靠性要求的地區(qū)按照分步實(shí)施原則作選擇性建設(shè)，以追求特定時(shí)段的電力投資性價(jià)比最高。

1 配網(wǎng)供區(qū)類屬劃設(shè)

根據(jù)受電點(diǎn)所處地理環(huán)境、負(fù)荷密度和對供電可靠性的希冀程度，一般形成如表1所示的供區(qū)類屬劃分[3]。由表可知，由于不同類屬供區(qū)對供電可靠性的實(shí)際要求不一樣，進(jìn)行DA建設(shè)必然要體現(xiàn)差異化特征（主要表現(xiàn)在對DA技術(shù)細(xì)節(jié)的擇定上）。

表1 配網(wǎng)層面的供區(qū)類屬劃分

2 配電自動(dòng)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 DA主站

配電自動(dòng)化主站根據(jù)實(shí)時(shí)信息接入量、軟硬件配置等可劃分為大、中、小和前置延伸等四種模式[4]，其中，大、中、小模式均基于可擴(kuò)容平臺，經(jīng)由信息交互總線與EMS、PMS、GIS等系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對配網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障的實(shí)時(shí)處置，它們之間的差異比對如圖1所示。而前置延伸模式是將DA主站的前置延伸到相關(guān)供區(qū)實(shí)現(xiàn)信息采集，并經(jīng)由當(dāng)?shù)毓ぷ髡就瓿删偷乇O(jiān)控。

圖1 不同DA主站模式的比對

2.2 DA終端及通信

DA終端可分為兩類：即“三遙”終端和“二遙”終端[5]。它們的比對如圖2所示。

圖2 不同類型DA終端的比對

2.3 配網(wǎng)保護(hù)

分農(nóng)村配網(wǎng)和城市配網(wǎng)兩個(gè)層面展開闡述。首先對二者的特點(diǎn)進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 不同供區(qū)配網(wǎng)的特點(diǎn)比對

顯然，農(nóng)村配網(wǎng)的特點(diǎn)導(dǎo)致線路不同位置發(fā)生故障所產(chǎn)生的短路電流在幅值上呈現(xiàn)較大差異[6]，因此，僅依靠主干線的三段式電流保護(hù)就可達(dá)成故障的選擇性切除（主要依賴的是各段保護(hù)的啟動(dòng)電流值的差異）。

而城市配網(wǎng)的特點(diǎn)導(dǎo)致不同區(qū)段發(fā)生故障時(shí)的短路電流水平的差異較小，因此主要依靠各級保護(hù)的時(shí)延級差來確保保護(hù)選擇性。

3 差異化規(guī)劃原則的提出

文獻(xiàn)[5]就DA建設(shè)中終端數(shù)量配置問題進(jìn)行了深入研究。本小節(jié)將在此基礎(chǔ)上提出更加明確的配電自動(dòng)化差異化規(guī)劃原則。

（1）首先是DA主站層面

根據(jù)DA主站的分類依據(jù)，一般將大型主站應(yīng)用于大型且重點(diǎn)城市，將中型主站應(yīng)用于大中型城市，將小型主站應(yīng)用于中小型城市，將前置延伸模式應(yīng)用于縣城[7]。

（2）其次是DA終端和繼保層面

對于I類供區(qū)，為滿足其非常高的供電可靠性，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)：①全電纜；②雙電源；③“三遙”終端；④光纖通道。

對于II類供區(qū)，為滿足其高供電可靠性：①全電纜或絕緣導(dǎo)線；②主干線全部“三遙”終端并配置光纖通道；③高故障率架空支線加設(shè)斷路器（目的是降低支線故障對干線的影響），輔之以具有本地保護(hù)功能的“二遙”終端（以GPRS進(jìn)行通訊）。

對于III類供區(qū)的設(shè)計(jì)原則：①線路間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)配“三遙”終端，除此之外，各線路只設(shè)一個(gè)“三遙”終端，其他全為基本“二遙”終端，注意終端與通信通道的匹配；②高故障率架空支線加設(shè)斷路器（須滿足保護(hù)時(shí)延級差的配合）和具本地保護(hù)功能的“二遙”終端。

對于IV類供區(qū)的設(shè)計(jì)原則：除不考慮“三遙”終端外，其余同III類供區(qū)。

對于V類供區(qū)的設(shè)計(jì)原則：①主干線開關(guān)采用斷路器，配之以具本地保護(hù)功能的“二遙”終端，目標(biāo)是依托三段式過流保護(hù)來選擇性切除主干線故障；②高故障率架空支線加設(shè)斷路器，配之以具本地保護(hù)功能的“二遙”終端，目標(biāo)是依托保護(hù)時(shí)延級差來排除支線故障對干線的影響。

對于VI類供區(qū)：暫不考慮DA建設(shè)。

4 差異化規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 終端數(shù)量的規(guī)劃

由前述差異化規(guī)劃原則可知，對于不同供區(qū)，有的全部采用“三遙”終端，有的全部采用“二遙”終端，還有的是二者結(jié)合，因此確定各類終端的數(shù)量是規(guī)劃工作的重點(diǎn)。

（1）對于全部為“三遙”終端的情形

假設(shè)數(shù)量為k3，且每兩個(gè)終端之間的用戶數(shù)相等。定義AFset為只考慮故障因素造成停電的可靠性要求。為滿足AFset，必須有：

式中，t3指解決故障所需消耗的時(shí)間；F指故障發(fā)生概率。

（2）對于全部為“二遙”終端的情形

假設(shè)數(shù)量為k2，且每兩個(gè)終端之間的用戶數(shù)相等。為滿足AFset，必須有：

式中，t2為故障隔離時(shí)間（人工），其余同式（1）。

（3）對于“三遙”、“二遙”相參雜情形

假設(shè)k3臺“三遙”將饋線等分為k3+1段（每段用戶數(shù)一樣），再在每個(gè)“三遙”區(qū)段安裝h臺基本“二遙”。為滿足AFset，應(yīng)有：

4.2 一些參數(shù)的確定

在4.1小節(jié)中用到了幾個(gè)參數(shù)，AFset、F、t3、t2，它們的取值對于規(guī)劃結(jié)果有著重要影響。因此，進(jìn)行DA規(guī)劃，必須對這些參數(shù)取值進(jìn)行討論。

（1）關(guān)于AFset

在當(dāng)前技術(shù)條件下，雖然配網(wǎng)故障不可百分百避免，但造成線路停電的主因是計(jì)劃停電[8]。計(jì)劃停電分兩塊：①有序用電下的計(jì)劃限電；②檢修考量下的計(jì)劃停電。前文中用于區(qū)劃供區(qū)類屬的主要依據(jù)是所謂的供電可用率RS-3，該指標(biāo)的主要特點(diǎn)是不考慮限電因素。因此，根據(jù)前文中關(guān)于AFset的定義，可用式（4）來進(jìn)行計(jì)算。

其中，ASAI3指的是特定供區(qū)的RS-3（如I類供區(qū)為99.999%），γ為由故障因素所致的停電戶時(shí)數(shù)占非限電情況下總的停電戶時(shí)數(shù)的比例（一般取多年平均值）。

根據(jù)國網(wǎng)公司發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010～2016年間的γ為22.34%，這里取22%（保證最嚴(yán)格條件），這樣就可求得如表2所示的各類屬供區(qū)的AFset。

表2 各類屬供區(qū)的AFset數(shù)值

（2）關(guān)于F、t3等

文獻(xiàn)[4]對這些指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的研究，本文對此進(jìn)行參照，即架空裸線的F取0.09次/km年，電纜的F取0.03次/km年，電纜－架空混合線的F取0.06次/km年，城市t3為3h/次，農(nóng)村t3為5h/次，城市t2為1h/次，農(nóng)村t2為2h/次。

5 實(shí)證分析

東部某經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)優(yōu)異的中型城市A的各類供區(qū)情況：II類供區(qū)有饋線50條，全部全電纜線路；III類供區(qū)有饋線240條，其中全電纜線路60條、電纜—架空線120條、絕緣線60條；IV類供區(qū)有饋線180條，全部為架空裸導(dǎo)線。由于當(dāng)前的供電可靠性達(dá)不到要求，因此期望通過DA建設(shè)來進(jìn)行提升。

首先是主站模式選擇。根據(jù)前文的差異化規(guī)劃原則，本案中將采用中型主站。

其次是對于各類供區(qū)的配電終端、電操機(jī)構(gòu)、通信通道等的配置規(guī)劃。

1）II類供區(qū)的電纜線（50條）全為“手拉手”連接（每兩線經(jīng)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)絡(luò)），均符合“N-1”準(zhǔn)則。因此，對于25個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)需配置25臺“三遙”DTU及EPON通道，并附帶電操機(jī)構(gòu)；依托式（1）可知，須用4臺帶電操機(jī)構(gòu)的可遠(yuǎn)控開關(guān)將每條饋線分割成5段；對于主干和分支中的環(huán)網(wǎng)柜的“三遙”終端布置，可以圖4為參照進(jìn)行。最終統(tǒng)計(jì)，對于A市的II類供區(qū)的DA建設(shè)，需“三遙”DTU及EPON通遒各140個(gè)，需225套用于環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷開關(guān)的電操機(jī)構(gòu)。

2）III類供區(qū)的電纜線（60條）全為“手拉手”連接（每兩線經(jīng)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)系），均符合“N-1”準(zhǔn)則。根據(jù)前述規(guī)劃原則，對這些電纜線路共需使用90臺“三遙”DTU及90個(gè)EPON通道（其中30個(gè)用于聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其余用于每條線），并附帶相應(yīng)數(shù)量的電操機(jī)構(gòu)。

圖4 電纜饋線“三遙”終端配置參照

III類供區(qū)的電纜-架空線（120條）和絕緣線（60條）全為“手拉手”形式，且符合“N-1”準(zhǔn)則。根據(jù)規(guī)劃原則，對于這些線路的聯(lián)絡(luò)部分，需消耗60+30=90個(gè)“三遙”DTU或FTU（對于電纜-架空線為DTU，對于絕緣線為FTU）以及相應(yīng)數(shù)量的EPON通道和電操機(jī)構(gòu)；對于這180條線路自身，需要消耗120+60=180個(gè)DTU或FTU，以及對等數(shù)量的EPON通道和電操機(jī)構(gòu)。

3）IV類供區(qū)的架空裸線（180條）全為“手拉手”連接（每兩線經(jīng)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)系），均符合“N-1”準(zhǔn)則。根據(jù)規(guī)劃原則，對于這些線路的聯(lián)絡(luò)部分，需消耗180/2=90個(gè)“二遙”FTU和GPRS通道。另外，對于滿足保護(hù)時(shí)間級差的高故障率分支進(jìn)行具本地保護(hù)功能的“二遙”FTU配置（每線3處），對主干線自身再增設(shè)在基本“二遙”FTU配置，并附帶GPRS通道布設(shè)。

4）效果分析。在以上規(guī)劃作用下，結(jié)合相關(guān)計(jì)算方法，可得到經(jīng)過規(guī)劃后的供電可靠性提升：①對于II類供區(qū)，其RS-3將由當(dāng)前的99.9584%提升到99.9918%；②對于III類供區(qū)，其電纜饋線部分的RS-3將由當(dāng)前的99.9584%提升到99.9688%，電纜-架空線和絕緣架空線部分的RS-3將由當(dāng)前的99.9273%提升到99.9727%：③對于IV類供區(qū)，其RS-3將由當(dāng)前的99.7923%提升到99.9223%。

因此，本規(guī)劃在不影響供電可靠性提升前提下，實(shí)現(xiàn)了電建資金的合理使用和DA建設(shè)規(guī)模的科學(xué)控制。

6 結(jié)束語

配電自動(dòng)化對于提升故障處置水平的意義是非常重大的。但在電建資金有限的情況下，配電自動(dòng)化建設(shè)應(yīng)該側(cè)重針對性，“好鋼用在刀刃上”，而不是逢開關(guān)就配終端、逢終端就要“三遙”。本文從不同受電區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘膶?shí)際需求出發(fā)，提出基于差異化考量的配電自動(dòng)化規(guī)劃思路，并就規(guī)劃中的一些關(guān)鍵性問題進(jìn)行研究。本文的實(shí)證分析表明，基于差異化考量的DA規(guī)劃可以在提升各類供區(qū)供電可靠性的基礎(chǔ)上保證投資的合理性和科學(xué)性，具有良好的借鑒價(jià)值。

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2017-05-11）