王文博,馮 光,李珊珊,趙興亮,嚴 俊,劉 弢
(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,鄭州 450052;2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司,天津 300384)
基于不同接線模式的饋線自動化實現(xiàn)方式
王文博1,馮 光1,李珊珊1,趙興亮2,嚴 俊2,劉 弢2
(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院,鄭州 450052;2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司,天津 300384)
饋線自動化的實現(xiàn)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等關(guān)系密切。為實現(xiàn)10 kV配電網(wǎng)饋線自動化,提高配網(wǎng)運行安全性、可靠性和經(jīng)濟性,明確不同供電區(qū)域的饋線自動化的建設(shè)模式,進行了本次研究工作。文中介紹了饋線自動化配置原理及各種模式的優(yōu)缺點,專門研究不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下每個分段和聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)的饋線自動化功能和采用的通訊方式,通過對不同接線模式下饋線自動化對可靠性的提升程度、所需的投資和帶來的效益等進行分析,來指導(dǎo)未來10 kV配網(wǎng)饋線自動化建設(shè)。
接線模式;饋線自動化;實現(xiàn)方式;供電可靠性;效益分析
配電自動化的核心之一是饋線自動化,饋線自動化的實現(xiàn)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等關(guān)系密切。饋線自動化的核心是故障檢測、故障診斷、故障隔離以及非故障區(qū)域的供電恢復(fù)。實現(xiàn)饋線自動化是提高配電網(wǎng)供電可靠性,減少供電損失的重要保證,也是當(dāng)下配網(wǎng)建設(shè)與改造的工作重點[1,2]。
目前,國內(nèi)的電力系統(tǒng)體系已經(jīng)形成了一種相對比較固定的分配模式,包括發(fā)電、輸電、配電以及用電4個主要環(huán)節(jié)。配電是輸電與用電兩個環(huán)節(jié)的中間連接樞紐,對于整個電網(wǎng)有著非常重要的作用,主要涉及配電網(wǎng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以自動化設(shè)備為基礎(chǔ),結(jié)合計算機、自動控制和通信技術(shù)的運用,實現(xiàn)對配電網(wǎng)實施在線或者離線監(jiān)控管理,確保配電網(wǎng)可靠、優(yōu)質(zhì)和高效的運行。其中饋線自動化系統(tǒng)是整個配電管理系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一[3]。
現(xiàn)階段我國城市和農(nóng)村建設(shè)速度較快,必須有完善的饋線自動化配置體系才能適應(yīng)我國電網(wǎng)建設(shè)與改造的發(fā)展。饋線自動化技術(shù)的應(yīng)用對減少停電面積、縮短停電時間、提高供電質(zhì)量、降低線損、提高配電設(shè)備的利用率、延緩電力設(shè)備的投資進度、提高電力企業(yè)的經(jīng)濟效益和工作效率、提高電力企業(yè)的服務(wù)水平等都具有十分重要的意義。
本文經(jīng)過對不同供電區(qū)域的典型接線模式下的饋線自動化的配置方案進行可靠性分析和計算,論證其效果。并在可靠性計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,對各個供電區(qū)的典型電網(wǎng)接線模式采用各種饋線自動化模式后帶來的經(jīng)濟效益的提升進行了分析和計算。
國內(nèi)外的饋線自動化建設(shè)模式大致可分為故障定位系統(tǒng)[1]、就地式饋線自動化[1]、集中式饋線自動化3類。
1.1 故障定位系統(tǒng)
故障指示器是指安裝在架空線、電力電纜、箱式變電站、環(huán)網(wǎng)柜或電纜分支箱,用于指示故障電流流通的裝置,能夠?qū)崟r監(jiān)測線路的運行狀態(tài)和故障發(fā)生的地點,如送電、停電、接地、過電流等。
當(dāng)線路運行狀態(tài)發(fā)生變化或者線路發(fā)生故障時,線路上從變電站出口到故障點的所有故障指示器均翻牌或者閃光指示,而故障點后的故障指示器不動作,這可有效縮短故障查找時間,提高供電可靠性。
1.2 就地式饋線自動化
就地式饋線自動化指不依賴配電自動化主站,由配電終端或現(xiàn)場自動化裝置協(xié)同實現(xiàn)故障定位、故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域供電的饋線自動化實現(xiàn)方式,目前有重合器和智能分布式兩種。
1)重合器方式
在故障發(fā)生時,通過線路開關(guān)間的邏輯配合,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(fù)供電。目前典型的重合器方式饋線自動化模式存在重合器和電壓-時間型分段器配合模式、重合器和過流脈沖計數(shù)型分段器配合模式、重合器和重合器配合模式3種[4]。
2)智能分布式
通過配電終端之間的故障處理邏輯,實現(xiàn)故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電,可根據(jù)需要將故障處理的結(jié)果上報給配電主站。配電主站和子站可不參與處理過程。智能分布式的就地式饋線自動化是在重合器方式的就地式饋線自動化的基礎(chǔ)上,增加局部光纖通信,使得環(huán)網(wǎng)內(nèi)的各FTU互相交互信息,在故障后秒級的時間內(nèi)直接跳開離故障點最近的兩側(cè)開關(guān),變電站出線開關(guān)不需要跳閘,使得停電區(qū)域最小,同時聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動合閘轉(zhuǎn)供。在保護通道故障時,可自動轉(zhuǎn)為重合器方式的就地式饋線自動化工作模式。該模式可靠性高可應(yīng)用于供電可靠性要求高的骨干網(wǎng)絡(luò)。
1.3 集中式饋線自動化
集中式饋線自動化由變電站出線斷路器、各柱上負荷開關(guān)、饋線監(jiān)控終端、通信網(wǎng)絡(luò)、配電主站組成,如圖1所示。每個開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜的饋線監(jiān)控終端要與配電主站通信,故障隔離操作由配電主站以遙控方式集中控制。
圖1 集中式控制型饋線自動化示意Fig.1 Diagram of centralized control type feeder automation
該控制模式由于采用計算機和通信技術(shù),可避免饋線出線開關(guān)多次重合,能準(zhǔn)確快速定位和隔離故障,且隔離故障的時間不受線路距離、線路分段數(shù)影響,實施集中控制,有可能按照最優(yōu)經(jīng)濟方案恢復(fù)供電。此外,正常情況可以實現(xiàn)SCADA功能,實時監(jiān)視饋線運行工況,具備遙信、遙測、遙調(diào)功能,滿足正常的操作需要[6]。具體可采用全自動和半自動兩種實現(xiàn)方式。
2.1 供電區(qū)劃分及接線模式選擇
根據(jù)國家電網(wǎng)公司最新公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》,規(guī)定國網(wǎng)區(qū)域供電區(qū)域劃分為6類,如表1所示。
表1 供電區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standard of power supply area
導(dǎo)則給出不同的供電區(qū)域線路架設(shè)/鋪設(shè)方式,并規(guī)定了不同區(qū)域的組網(wǎng)方式,如表2所示。
2.2 各種饋線自動化模式的比較
表3給出了各種饋線自動化模式的比較。
表3 各種饋線自動化模式的比較Tab.3 Comparison of feeder automation mode
2.3 饋線自動化的配置方式
2.3.1 故障點分析
故障定位系統(tǒng)的安裝位置與線路最常發(fā)生故障的位置有關(guān)。
(1)電纜線路的最常見的故障可劃分為:設(shè)備和安裝工藝不良、敷設(shè)方式和環(huán)境不理想、人為破壞、運行條件不良、地理環(huán)境的影響等,最常出現(xiàn)故障的位置是電纜接頭處或電纜終端頭處等。
(2)架空線路完全暴露在外界環(huán)境中,所以架空線路的故障一般受外界因素導(dǎo)致,包括外界環(huán)境和自然災(zāi)害等,架空線路的故障點在全線的發(fā)生概率理論上是均等的。
2.3.2 線路合理分段數(shù)分析
通過饋線自動化技術(shù)提高供電可靠性的效果與饋線分段數(shù)目有密切的關(guān)系,饋線自動化的實現(xiàn)必須依靠線路分段才能實現(xiàn)可靠率的提高。線路分段的數(shù)量以多少比較恰當(dāng),需要專門進行研究和分析。
1)輻射形網(wǎng)絡(luò)
假設(shè)配電線路先后發(fā)生兩次故障,不考慮倒閘時間,并且在兩次故障的恢復(fù)時間相同的情況下,不同分段數(shù)線路投資和可靠性指標(biāo)見圖2。
圖2 輻射網(wǎng)絡(luò)分段數(shù)與停電戶數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Diagram of radiation segments and the outage number
由圖2可以看出,在3分段和4分段時減少的停電時戶數(shù)的效果分別達到33.00%和37.50%,而從多于4段到20分段的時候,所起的效果并沒有因為分段數(shù)的增加而大幅度的增加。
通過計算分析可以得到最多的分段所起的效果不大于50%,4分段以上的效果也只是得到37.50%~50%之間的效果。所以,對于輻射形的配電線路網(wǎng)絡(luò)自動化動作分段開關(guān)的數(shù)量不應(yīng)過多,應(yīng)當(dāng)控制在4個分段以內(nèi)為好。
2)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)
同樣在不考慮倒閘時間,并且在兩次故障的恢復(fù)時間相同的情況下環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的不同分段數(shù)線路投資和可靠性指標(biāo)見圖3。
由圖3分析,在3分段和4分段時減少的停電時戶數(shù)的效果分別達到83.33%和87.50%,而從多于4段到20分段時,所起的效果并沒有因為分段數(shù)的增加而大幅度的增加。
通過計算,可以得到大于4分段的效果也只是得到87.5%~100%之間的效果。所以,對于環(huán)形的配電線路網(wǎng)絡(luò)自動化動作分段開關(guān)的數(shù)量不應(yīng)當(dāng)過多,應(yīng)當(dāng)控制在4個分段以內(nèi)為好。
圖3 環(huán)網(wǎng)分段數(shù)與停電戶數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Relationship between ring segments and the outage number
總而言之,饋線上面的分段數(shù)量不是越多越好,需要通過計算,并結(jié)合電網(wǎng)的特點,進行分析電網(wǎng)需要達到的水平,來確定采用分段的數(shù)量。
2.3.3 饋線自動化對一次網(wǎng)架需求分析
在進行配電自動化建設(shè)及改造時需要考慮一次網(wǎng)架對于自動化設(shè)備安裝的限制和要求。饋線自動化的實施對一次網(wǎng)架的要求見表4。
表4 饋線自動化的實施對一次網(wǎng)架的要求Tab.4 Requirements for a grid of feeder automation
2.3.4 不同接線模式饋線自動化實現(xiàn)方式
饋線自動化在不同供電區(qū)和不同接線模式下,可以采用多種實現(xiàn)方式[4,5]。
1)饋線自動化技術(shù)應(yīng)用的供電區(qū)域及接線模式
(1)故障定位系統(tǒng)可以用于表1中的A類、B類、C類、D類、E類供電區(qū)的電纜線路和架空線路的全部接線模式。
(2)重合器系統(tǒng)使用的供電區(qū)和接線模式。
①重合器和電壓-時間型分段器配合模式的饋線自動化系統(tǒng)可用于A類、B類、C類、D類、E類供電區(qū)的電纜線路和架空線路的全部接線模式;
②重合器和過電流脈沖計數(shù)型分段器配合模式的饋線自動化系統(tǒng)可以用于C類、D類、E類供電區(qū)的架空單輻射線路;
③重合器和重合器配合模式的饋線自動化的饋線自動化系統(tǒng)可以用于C類、D類、E類供電區(qū)的架空單輻射線路。
(3)智能分布式饋線自動化和集中式饋線自動化系統(tǒng)使用的供電區(qū)和接線模式。
智能分布式饋線自動化和集中式饋線自動化在實現(xiàn)功能時都需要配合通信實施饋線自動化的功能。通信通道可以根據(jù)需要選擇,在只需要一遙和兩遙的地區(qū)使用GSM/GPRS無線通信,在需要三遙的地區(qū)使用光纖通信。智能分布式饋線自動化和集中式饋線自動化均能實現(xiàn)三遙功能,采用光纖通信方式。
①智能分布式饋線自動化系統(tǒng)可用于A類、B類、C類、D類供電區(qū)的電纜雙環(huán)式、單環(huán)式、雙射式、N供一備線路和架空多分段適度聯(lián)絡(luò)線路;
②集中式饋線自動化系統(tǒng)使用的供電區(qū)和接線模式可以用于A類、B類、C類、D類、E類供電區(qū)的電纜雙環(huán)式、單環(huán)式、雙射式、N供一備線路和架空多分段適度聯(lián)絡(luò)線路。
2)不同饋線自動化實現(xiàn)方式分析
本文中以A類地區(qū)電纜單環(huán)網(wǎng)和架空多分段兩聯(lián)絡(luò)為例進行分析。
(1)電纜單環(huán)網(wǎng)饋線自動化實現(xiàn)方式。
全電纜線路按每段安裝一組進行考慮,安裝位置原則上要求在線路上正常運行方式下的電源側(cè),如圖4中A、B、C、D、E、F、G節(jié)點。
圖4 單環(huán)網(wǎng)故障定位系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram of fault location system of single ring
線路出口位置分別放置一個重合器,將環(huán)網(wǎng)柜中的進線和出線的開關(guān)都配置成分段器,如圖5所示。
集中式饋線自動化方案對一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及開關(guān)設(shè)備都有一定的要求,例如線路要合理使用分段。可靠性要求高的場合采用環(huán)網(wǎng)供電方式,中壓電網(wǎng)具體的聯(lián)絡(luò)方式留有一定的備用容量[6]。見圖6所示。
出口斷路器和各個分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)均配置具有保護功能的FTU,終端需要配置不間斷電源,可以由FTU中的蓄電池提供,具有獨立儲能回路的開關(guān),其儲能電源可以采用由PT提供的交流220 V。開關(guān)類型可以為負荷開關(guān)或斷路器。通信系統(tǒng)采用高效可靠的通信系統(tǒng),一般采用光纖通信方式。
圖5 單環(huán)網(wǎng)線路重合器和電壓-時間型分段器配合模式Fig.5 Diagram of recloser and voltage-time sectionalizer system of single ring
圖6 單環(huán)網(wǎng)集中式饋線自動化系統(tǒng)Fig.6 Diagram of centralized feeder automation system
(2)架空多分段兩聯(lián)絡(luò)自動化實現(xiàn)方式。
架空主干線分段開關(guān)處,應(yīng)在分段開關(guān)負荷側(cè)安裝一組短路故障指示器;線路上沒有任何分段,距離超過2 000 m的,應(yīng)在適當(dāng)位置安裝故障指示器,原則上至少2 000 m安裝一組,如圖7所示B節(jié)點。
架空分支線路有支線控制開關(guān)的,應(yīng)在開關(guān)后段安裝一組。沒有支線控制開關(guān)且支線長度超過500 m的,應(yīng)在支線與主干連接處安裝一組,如圖7所示C、D節(jié)點。
架空線路引落電纜處,當(dāng)該電纜為線路聯(lián)絡(luò)電纜時,必須在兩側(cè)電纜頭處分別安裝一組,如圖7所示的A、E、F、G節(jié)點。
出口開關(guān)采用重合器,分段開關(guān)采用電壓-時間型分段器,個數(shù)可以按照線路合理分段數(shù)來確定,一般情況線路分段數(shù)以3段或4段為合適,則主干線路上的電壓-時間型分段器的個數(shù)為2個或3個,支線裝設(shè)一個電壓-時間型分段器,如圖8所示。
圖7 兩聯(lián)絡(luò)故障定位系統(tǒng)Fig.7 Diagram of fault location system
圖8 兩聯(lián)絡(luò)重合器和電壓-時間型分段器配合模式Fig.8 Diagram of recloser and voltage-time sectionalizer system
出口斷路器和各個分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)或者各個環(huán)網(wǎng)柜均配置具有保護功能的FTU。需要上級主(子)站、通信系統(tǒng)、測控終端的相互配合完成。開關(guān)類型可以為負荷開關(guān)或短路器。通信系統(tǒng)采用高效可靠的通信系統(tǒng),一般采用光纖通信方式,如圖9所示。
圖9 智能分布式饋線自動化系統(tǒng)Fig.9 Diagram of intelligent distributed automation system
隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展,用戶對供電可靠性的期望值越來越高,因此在采用饋線自動化模式后的可靠性將作為實施自動化重要效果進行分析。下面同樣以電纜單環(huán)網(wǎng)和架空多分段兩聯(lián)絡(luò)為典型進行分析)。
3.1 可靠性計算方法
計算各種典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)可采用狀態(tài)空間法。該方法首先通過建立各個元件的運行狀態(tài)馬爾可夫狀態(tài)模型,構(gòu)建典型網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間。進而,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分析狀態(tài)空間中每個狀態(tài)下系統(tǒng)的停電狀態(tài)、停電時間、缺供電量等參數(shù)。最后根據(jù)各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率綜合得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[7]。
3.2 可靠性計算的基本參數(shù)
對選取線路參數(shù)和饋線自動化模式參數(shù)進行逐一設(shè)定。如果線路上沒有任何饋線自動化設(shè)備,若線路上發(fā)生永久性故障,對搶修人員趕到故障點的時間和查找故障的時間進行設(shè)定,各種饋線自動化模式的隔離故障并恢復(fù)故障的時間不同,對該時間進行設(shè)定。
3.3 可靠性計算結(jié)果分析
在不同接線模式線采用故障定位系統(tǒng)、重合器方式的饋線自動化、智能分布式饋線自動化、集中式饋線自動化對線路的供電可靠率的提升程度均不同[8],并呈現(xiàn)逐級增大的效果,如表5所示。
表5 可靠性計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of reliability
重合器方式饋線自動化、智能分布式饋線自動化、集中式饋線自動化可將線路的可靠率提升到4個9以上,該種模式可在投資充裕的A類和B類供電區(qū)推廣。
故障定位系統(tǒng)可將線路可靠率提升到3個9以上,該種建設(shè)模式建議在投資有限的C類、D類和E類供電區(qū)使用。
4.1 經(jīng)濟效益分析基本方法
4.1.1 分析思路
以本文的不同接線模式的可靠性計算結(jié)果為邊界條件,計算單回線路可靠性提升的增售電量所帶來的經(jīng)濟效益,計算可靠性提升的增售電量對經(jīng)濟的拉動作用帶來的社會效益。
4.1.2 計算公式
1)經(jīng)濟效益計算公式
(1)用戶平均停電小時數(shù)=(1-供電可靠率/ 100)×全年小時數(shù)。
(2)采用各種饋線自動化系統(tǒng)后一年內(nèi)線路比無任何饋線自動化設(shè)備用戶平均增售電量=用戶平均停電負荷×用戶平均停電小時數(shù)。
(3)收益=增售電量×平均售電價。
2)社會效益計算公式
(1)每度電對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的貢獻值=某地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值/該地區(qū)當(dāng)年的售電量。
(2)采用饋線自動化一年內(nèi)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的貢獻值=每度電對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的貢獻值×增售電量。
4.2 經(jīng)濟效益計算結(jié)果
典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式的單回線路采用各種饋線自動化模式的投資和一年內(nèi)的增售電量產(chǎn)生的收益,如表6所示。
表6 經(jīng)濟效益計算結(jié)果Tab.6 Calculation results of economic benefits
采用各種饋線自動化模式的投資不同,但投資較多的饋線自動化模式所帶來的經(jīng)濟效益也較大。在選擇饋線自動化模式時建議按照實際資金情況與可靠性要求目標(biāo)相結(jié)合考慮選擇饋線自動化模式。
4.3 社會效益分析
電力企業(yè)作為關(guān)系國家能源安全和國民經(jīng)濟命脈的國有重要骨干企業(yè),不但要注重自身經(jīng)濟效益,還要更加注重社會效益,承擔(dān)更多社會責(zé)任,下面從對地區(qū)經(jīng)濟拉動方面分析采用饋線自動化對社會效益的促進作用。
根據(jù)對經(jīng)濟效益分析可知,采用單回線路采用饋線自動化設(shè)備一年內(nèi)會有相應(yīng)的增售電量,以每度電對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的貢獻值5.48元估算,對社會總體經(jīng)濟效益如表7所示。
采用饋線自動化技術(shù)后對社會總體經(jīng)濟效益是十分可觀,意義深遠。此外,建設(shè)完善的饋線自動化體系,可以提高客戶服務(wù)水平,可有效提升政府和老百姓對電力行業(yè)的滿意程度,樹立良好的社會形象。
表7 社會效益計算結(jié)果表Tab.7 Calculation results of social benefits
饋線自動化系統(tǒng)建設(shè)是一項投資大、周期長、系統(tǒng)集成多的綜合工程,本文從供電分區(qū)、接線模式入手分析饋線自動化實現(xiàn)方式,并結(jié)合可靠性、經(jīng)濟效益和社會效益分析,以投資效益作為約束條件分析不同區(qū)域不同接線模式在不同饋線自動化實現(xiàn)方式下帶來的效果,最終給出饋線自動化建設(shè)的相關(guān)建議。
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Realization of Feeder Automation Based on Different Connection Mode
WANG Wen-bo1,F(xiàn)ENG Guang1,LI Shan-shan1,ZHAO Xing-liang2,YAN Jun2,LIU Tao2
(1.State Grid Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,China;2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)
The realization of feeder automation is related to grid structure and switch gear.In order to achieve feeder automation of 10 kV distribution network to improve operation safety,reliability and economic efficiency,this research is carried out to discuss different feeder automation modes in different power supply zones.First,this paper introduces the principle,advantages and disadvantages of feeder automation mode.Second,the functions and communication mode of feeder automation realized by each segment and contact switch in different grid structure.At last,through the analysis of cost-effectiveness and reliability,the development of feeder automation of 10 kV distribution network can be directed.
connection mode;feeder automation;realization way;power distribution reliability;benefit analysis
TM743
A
1003-8930(2013)06-0072-07
王文博(1986—),女,工程師,主要從事配電網(wǎng)及供電可靠性相關(guān)研究工作。Email:wangwenbo623@163.com
2013-05-08;
2013-07-23
國家電網(wǎng)公司2012年科技項目(EPRIPDKJ[2012]3223)
馮 光(1984—),男,工程師,主要從事配電網(wǎng)及供電可靠性相關(guān)研究工作。Email:290736383@qq.com
李珊珊(1983—),女,工程師,主要從事智能配電網(wǎng)及配電網(wǎng)自動化相關(guān)研究工作。Email:lishanshan@ha.sgcc.com.cn