城市配網(wǎng)自動化可靠性評估與成本效益分析

趙曉慧，梁 標(biāo)，李海波，魯宗相

(1.廣西電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023;2.清華大學(xué)電機系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084;3.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著用電負荷的快速增長以及供電可靠性要求的不斷提高，各類配電系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量越來越多，系統(tǒng)日益復(fù)雜，增加了配電網(wǎng)的風(fēng)險概率以及管理難度。發(fā)生故障時，需要人工到故障點進行故障隔離、恢復(fù)供電等倒閘操作，工作繁瑣、耗時長。為了提升配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和縮短故障停電時間，實施配電網(wǎng)自動化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義，它能夠提高供電可靠性、縮短停電時間、改善電能質(zhì)量、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和無功分配及降低電能損耗［1－3］。然而，配網(wǎng)自動化建設(shè)投資大、成本高，某些地區(qū)實施配網(wǎng)自動化并不一定會帶來經(jīng)濟效益，因而有必要對配網(wǎng)自動化的效益成本進行量化分析，如何使效益成本比達到最優(yōu)是一個值得研究的課題。

配網(wǎng)自動化主要包括數(shù)據(jù)采集與控制、饋線自動化、負荷管理、地理信息系統(tǒng)和配電應(yīng)用分析。饋線自動化是配電網(wǎng)自動化的重要內(nèi)容之一，其實施能夠快速定位、隔離故障，縮短停電時間，提高供電質(zhì)量。文獻［4］分析了配電網(wǎng)閉環(huán)運行時線路上的功率流向，提出了一種差動保護方法，能夠快速準(zhǔn)確地定位、隔離故障，并且解決了距離較遠的饋線潮流方向可能經(jīng)常變化的問題;文獻［5］提出了一種取分層分區(qū)的饋線自動化配置方案，提高饋線自動化的實用性;文獻［6］基于微分進化算法對饋線自動化開關(guān)進行優(yōu)化，表明不同的開關(guān)設(shè)置位置、開關(guān)數(shù)量都對配網(wǎng)系統(tǒng)可靠性有著密切關(guān)聯(lián)。這些文獻都只考慮了饋線部分，并沒有將配置方法應(yīng)用于整個網(wǎng)絡(luò)。文獻［7］對配網(wǎng)可靠性模型進行了分析，從頂端和低端2個可靠性模型角度提出了提高配網(wǎng)自動化系統(tǒng)可靠性的建議，此方法僅考慮了設(shè)備間的硬件連接，而尚未計及設(shè)備之間的信息流動對配網(wǎng)可靠性的影響;文獻［8］分析了初級配電自動化系統(tǒng)的停電損失費用，分析了配網(wǎng)自動化的綜合效益，但是基于電纜故障指示器的配電系統(tǒng)和由配電終端、主站構(gòu)成的配網(wǎng)自動化管理系統(tǒng)在功能和特點上存在較大差異;文獻［9－11］都對配網(wǎng)自動化進行了成本效益分析，它們的結(jié)論都表明實施配網(wǎng)自動化雖然增加了投資，但是從遠景規(guī)劃來看，配網(wǎng)自動化建設(shè)能獲得較好的經(jīng)濟效益。

筆者對配網(wǎng)自動化技術(shù)的原理進行分析，從停電時間指標(biāo)的角度探討配網(wǎng)自動化對電力系統(tǒng)可靠性的影響，提出對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)進行分段可靠性評估的方法，對傳統(tǒng)的配網(wǎng)可靠性評估模型進行修正。為了對配網(wǎng)自動化的經(jīng)濟效益進行量化分析，該文從停電損失的計算入手，定量地對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)進行經(jīng)濟性評估。

1 配網(wǎng)自動化對可靠性的影響及其定量評估模型

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主要包括配電主站、配電終端、配電子站和通信通道等，一般采用自動重合器、自動分段器等新型開關(guān)，能對線路故障進行快速定位、自動隔離，以縮小故障停電范圍，快速恢復(fù)非故障段供電，大大提高了供電系統(tǒng)可靠性［12］。

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大多呈輻射狀，在正常運行時是開環(huán)的，典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常狀態(tài)下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)Si斷開，兩支輻射狀線路分別由變電站M1，M2供電。在實施配網(wǎng)自動化改造后，分段開關(guān)S1～Sn－1都會設(shè)置饋線終端單元(FTU)，當(dāng)某一線路或者元件發(fā)生故障，饋線終端單元通過通信通道將采集到的故障信息傳送到調(diào)度中心上，然后控制相應(yīng)的開關(guān)進行分合操作［13－14］。

圖1 配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Figure 1 Radial distribution network

在圖1中，當(dāng)線路2發(fā)生故障時，斷路器CB1會跳開，S1上的FTU會檢測到故障電流和失壓狀態(tài)，而S2的FTU僅檢測到失壓信息，此時，S1，S2會快速跳開，并合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)非故障段線路的正常供電。顯然，裝設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的系統(tǒng)能在故障時自動把負荷切換到另一線路上，可靠性較高，并且開關(guān)的數(shù)量越多，分段數(shù)就越多，故障或者檢修造成的停電范圍越小。但是線路分段并不是越多越好，過多的分段將使供電成本急劇增加，可靠性卻并不會因此而成比例地升高。自動化分段開關(guān)的數(shù)量及位置一般按照負荷密度、性質(zhì)均衡、長度相近、節(jié)省投資的原則設(shè)置。

國內(nèi)城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)大多很復(fù)雜，線路或以環(huán)網(wǎng)形式供電，或以T型網(wǎng)絡(luò)供電，或以其他多分段多聯(lián)絡(luò)的形式供電［15］，但其正常時總是以輻射狀網(wǎng)絡(luò)運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)基本上斷開，因此，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以看成由m個子輻射狀網(wǎng)絡(luò)組成。在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，自動開關(guān)設(shè)置的數(shù)量為n－1，即每個輻射狀網(wǎng)絡(luò)都被分成n段，并且第i個輻射狀網(wǎng)絡(luò)共有ni個元件、Li個分支負荷，第i個輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自動的故障定位、故障隔離和恢復(fù)供電是配網(wǎng)自動化的3項關(guān)鍵技術(shù)，能夠免除人工操作的復(fù)雜工序，減小系統(tǒng)停電時間。假設(shè)配網(wǎng)自動化改造前的元件故障率為λ，停電時間為t，配電網(wǎng)改造后由于開關(guān)的自動切換，停電時間將大大減小，停電時間將減小Δt值，即為t－Δt，根據(jù)輻射狀網(wǎng)絡(luò)配電系統(tǒng)變電站和負荷點之間的串聯(lián)關(guān)系，可以得到配電自動化系統(tǒng)的等值故障率λs、每次故障停電時間ts和年平均停電持續(xù)時間Us，即

當(dāng)i個子輻射狀網(wǎng)絡(luò)的第1，2，…，nj(j＜i)個元件都發(fā)生故障時，其將形成故障集合A={1，2，…，nj}，若在多個子網(wǎng)里都有元件發(fā)生故障，例如第i個子網(wǎng)與第j個子網(wǎng)，則故障集合A=Ai∪Aj，以此類推。實施配網(wǎng)自動化將可能對每一個故障事件產(chǎn)生不同的影響，因而要分析每一個故障事件的類型和原因，將所有配網(wǎng)自動化開關(guān)的切換不能恢復(fù)供電的分支負荷形成集合B={…，Lx，…}，開關(guān)切換能夠恢復(fù)供電的分支負荷形成集合C={…，Ly，…}。在計算可靠性指標(biāo)時，對于實施配網(wǎng)自動化所影響的集合C內(nèi)的負荷，加入修正量Δt計算，無影響的負荷集合B則沿用傳統(tǒng)的計算方法。利用解析法或者蒙特卡洛模擬法重復(fù)計算每個子網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，最后，結(jié)合串聯(lián)事件的可靠性指標(biāo)求解方法，將m個輻射子網(wǎng)的指標(biāo)疊加，得到配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的可靠性總指標(biāo)。

配電網(wǎng)的供電可靠性綜合評價指標(biāo)主要有5個，包括系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)SAIFI(次/(戶·年))、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標(biāo)SAIDI(h/(戶·年))、用戶平均停電時間指標(biāo)CAIDI(h/戶)、平均供電可用率指標(biāo)ASAI、系統(tǒng)平均缺供電量指標(biāo)AENS(kW·h/(戶·年))［16］。其計算式為

式中 λi為負荷點i的故障率;Ni為負荷點i的用戶數(shù);Ui為負荷點i的平均停運時間;Pi為負荷點i的平均負荷。

可靠性計算指標(biāo)中最大的變化就是停電時間，其改善量Δt將對其他評價指標(biāo)產(chǎn)生影響，例如:縮短系統(tǒng)平均停電時間、提高供電可用率和減小系統(tǒng)平均缺供電量等。

2 配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的成本效益分析

配電網(wǎng)自動化能夠給城市電力系統(tǒng)帶來故障范圍減小、停電時間縮短和遠程控制等好處。然而，配網(wǎng)自動化的建設(shè)需要大量的資金，并且涉及的范圍廣，其運行費用也值得考慮?？煽啃猿杀径x為供電部門為使電網(wǎng)達到某一可靠性水平而需增加的成本，包括投資和運行費用［17－18］。

高水平的可靠性與低水平的投資成本是一矛盾體，如圖2所示。如何協(xié)調(diào)和解決好這個矛盾就成為規(guī)劃方案的重點。在滿足用戶需求高水平供電可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，得出最合理的供電總成本，使電網(wǎng)規(guī)劃方案達到最佳水平是該節(jié)研究的重點。

圖2 可靠性的成本效益曲線Figure 2 Reliability curves for cost-benefit

可靠性效益是指通過一定措施使得電力系統(tǒng)達到某個特定的可靠性水平而使用戶獲得的效益。為了得到進行配網(wǎng)自動化建設(shè)后電網(wǎng)所產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟效益，可用停電時間和故障損失電量來計算。損失電量可以使用故障時所切除的負荷量和停電時間的乘積進行近似估算。在停電期間，損失的電量即意味著電網(wǎng)公司售電量的減少以及經(jīng)濟收益的損失。假設(shè)配網(wǎng)中的元件故障是獨立的，利用產(chǎn)電比法，可以得到年停電損失的現(xiàn)值:

式中 Sloss為年停電損失，元;h為發(fā)生停電故障時所有故障元件的數(shù)量;k為第j年的產(chǎn)電比，單位元/(kW·h);a為折現(xiàn)率。

配網(wǎng)自動化的投資成本現(xiàn)值計算:

式中 I1，I2，I3，I4分別為初始年配電主站、配電子站、配電終端和通訊系統(tǒng)的投資成本;n為設(shè)備壽命;m年的規(guī)劃年份數(shù)。

配電網(wǎng)網(wǎng)架改造是實現(xiàn)配網(wǎng)自動化的前提，此部分投資金額巨大，但是在計算投資成本時必須與配網(wǎng)自動化成本相區(qū)別。網(wǎng)架改造的投資要占總投資的70%～80%，事實上，配網(wǎng)自動化只是在網(wǎng)架優(yōu)化的基礎(chǔ)上增加了10%～20%的投資，若將網(wǎng)架優(yōu)化的成本計算在配網(wǎng)自動化之中，配網(wǎng)自動化投資費用需要幾十年甚至上百年才能回收回來，顯然不太符合實際情況。

配電自動化系統(tǒng)在相同時期內(nèi)總運行成本現(xiàn)值計算:

式中 Oj為第j年的運行費用。

根據(jù)式(3)～(5)，可以得到配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的經(jīng)濟性評估模型為

對多個改造方案，利用配網(wǎng)自動化方案經(jīng)濟性計算模型，如式(6)所示，選取Ssum指標(biāo)最小的方案，即為最優(yōu)的配網(wǎng)自動化建設(shè)方案。另外，根據(jù)成本效益分析法，得到配網(wǎng)自動化改造的效益成本比為

停電損失越小說明電網(wǎng)公司的售電量越多，經(jīng)濟效益越高。用停電損失指標(biāo)作為配網(wǎng)自動化的效益指標(biāo)，初始投資和運行費用作為投資成本，則式(7)中:

式中 Sloss_pre是指未進行配網(wǎng)自動化改造前的停電損失期望值。

未實現(xiàn)自動化改造前的停電損失減去改造后的停電損失期望值即為增售電量的經(jīng)濟收益。如圖2所示，在效益成本曲線中，假設(shè)目前系統(tǒng)的可靠性為Rpre，經(jīng)過提高方案的實施可到達某個可靠性點Rfol，此時系統(tǒng)的可靠性投資曲線縱坐標(biāo)之差即為提高方案的投資成本c(R)，故障損失費用曲線縱坐標(biāo)之差為方案的經(jīng)濟效益b(R)。因此，方案的凈投資利潤為

對于特定的配網(wǎng)自動化改造方案，若凈利潤值大于零，則說明在一定的規(guī)劃期內(nèi)，經(jīng)濟效益比投資成本高，在該地區(qū)實施配網(wǎng)自動化改造能產(chǎn)生綜合效益，反之亦然。

3 配電網(wǎng)自動化綜合評估流程

實施配網(wǎng)自動化改造不僅為了提高管理水平，而且能在提高可靠性的前提下，提高成本效益比，獲得凈投資利潤。根據(jù)前文所述的配網(wǎng)拆分修正評估方法和成本效益分析法，可得出配網(wǎng)自動化的綜合評估步驟:

1)以電源或變電站為起點，分段開關(guān)或者備用電源為終點，盡可能地保持負荷均衡，將城市配電網(wǎng)分成m個輻射狀子網(wǎng);

2)對第i個子網(wǎng)絡(luò)的所有故障情況進行一一枚舉，生成故障集合;

3)分析故障集合中的每個事件，篩選出因配網(wǎng)自動化改造而產(chǎn)生影響的故障事件和不產(chǎn)生影響的故障事件，分別保存在相關(guān)集合和非相關(guān)集合中;

4)利用式(1)、(2)計算子網(wǎng)內(nèi)各負荷點的可靠性指標(biāo):對于相關(guān)集合內(nèi)的采用停電時間改善量Δt修正方法計算;非相關(guān)集合內(nèi)的則采用傳統(tǒng)的配電網(wǎng)計算方法;

5)重復(fù)步驟2～4，計算每一個輻射狀子網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，最終得到m組指標(biāo)數(shù)據(jù);

6)根據(jù)串聯(lián)事件等效，將m組子網(wǎng)的可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)疊加形成配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的可靠性指標(biāo);

7)利用式(3)～(10)量化分析配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的效益和成本，求出凈投資利潤，評估實施配網(wǎng)自動化的必要性。

配網(wǎng)自動化的綜合評估方法流程如圖3所示。

圖3 配網(wǎng)自動化的綜合評估方法流程Figure 3 Flow chart of comprehensive evaluation method in distribution automation

4 算例分析

該文計算實例如圖4所示，是配電網(wǎng)中的其中一個輻射型子網(wǎng)，該饋線系統(tǒng)包括24條線路，負荷點、熔斷器、配電變壓器各15個，3臺自動開關(guān)，系統(tǒng)中的可靠性參數(shù)取自文獻［19］，并根據(jù)某地區(qū)實際情況進行修改。算例中變壓器故障率為0.015次/年，實現(xiàn)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)前定位、隔離故障的操作時間總和是1 h，備用電源、備用變壓器的切換時間為1.5 h，故障修復(fù)時間都為4 h，配網(wǎng)自動化改造后故障定位、隔離和切換操作的總時間為2 min，并且都假設(shè)熔斷器可靠性100%，負荷點用戶數(shù)為單位恒定值，負荷轉(zhuǎn)移到備用電源供電時，全部負荷容量均不超過備用電源容量。

圖4 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Figure 4 Schematic diagram of distributed network structure

根據(jù)前述修正的可靠性指標(biāo)計算方法，可以得到采用和未采用配網(wǎng)自動化技術(shù)的系統(tǒng)平均停電頻率、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間、用戶平均停電時間、平均供電可用率和系統(tǒng)平均缺供電量。各項可靠性指標(biāo)如表1所示，系統(tǒng)經(jīng)濟性評估指標(biāo)如表2所示。

表1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Table 1 Reliability indexes of power system

表2 系統(tǒng)經(jīng)濟性評估指標(biāo)Table 2 Economy index of power system

從表1的計算結(jié)果可知，實施配電自動化的系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間減少了0.538 h/(戶·年)，平均供電可靠率提高了0.000 061 45，平均停電缺供電量減少了189.87 kW·h/(戶·年)。從系統(tǒng)可靠性角度來看，該地區(qū)進行配網(wǎng)自動化改造是一個值得考慮的方案。

配網(wǎng)自動化建設(shè)中包括配電主站、配電子站、配電終端和通訊系統(tǒng)的初期投資總成本為3 000萬元，該拆分的輻射狀子網(wǎng)的投資占全網(wǎng)投資的10%，約360萬，設(shè)系統(tǒng)投資回收率為8%，規(guī)劃年限為20年，設(shè)備壽命為25年，年運行維護費用占初始投資值的5%，該系統(tǒng)的總成本為35.41萬元/年。根據(jù)表1的可靠性指標(biāo)，供電公司可以增售電量189.87 kW·h/(戶·年)，產(chǎn)電比取13.6元/(kW·h)。

從表2的計算結(jié)果可知，可靠性投資的效益成本比為1.159，凈利潤為5.645 5萬元，因而從經(jīng)濟效益角度來看，該地區(qū)的配網(wǎng)自動化改造是一個具有較好投資前景的工程項目。

5 結(jié)語

筆者基于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)對停電時間的改善，修正了傳統(tǒng)的配網(wǎng)可靠性評估模型，提出了將復(fù)雜配電網(wǎng)等效拆分成m個輻射狀子網(wǎng)的分區(qū)評估方法。根據(jù)成本效益分析法，對配網(wǎng)自動化改造進行了經(jīng)濟性評估，得出系統(tǒng)效益與成本之間的利潤關(guān)系，并且總結(jié)出配網(wǎng)自動化系統(tǒng)綜合效益的計算流程。算例結(jié)果表明實施配網(wǎng)自動化改造可有效提高其可靠性和經(jīng)濟效益。

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