基于配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的供電可靠性分析研究

(三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷加快和人民生活水平不斷提高，用電客戶對(duì)用電需求也是與日俱增，隨之而來(lái)的供電可靠性以及穩(wěn)定性要求也不斷提高。配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中直接與用戶緊密連接，直接關(guān)系到用戶的用電質(zhì)量，其可靠性受關(guān)注受關(guān)注程度也是居高不下[1]。

電力系統(tǒng)中針對(duì)配網(wǎng)可靠性的提高主要從以下兩方面進(jìn)行：降低配電網(wǎng)故障次數(shù)和降低故障給配網(wǎng)帶來(lái)的影響。配網(wǎng)故障次數(shù)主要受實(shí)際運(yùn)行條件和設(shè)備質(zhì)量以及環(huán)境條件影響，變化系數(shù)很大，很難進(jìn)行預(yù)估。在電力系統(tǒng)內(nèi)，針對(duì)配網(wǎng)可靠性的提高，大多研究也是朝著降低故障對(duì)配網(wǎng)影響方向進(jìn)行發(fā)展。配電自動(dòng)化(DA)是一個(gè)集成微機(jī)技術(shù)，自控技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，用戶及地理圖形于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)監(jiān)控自動(dòng)化管理以及信息化管理[2]。

目前，蒙特卡羅模擬法[3-5]和解析法已經(jīng)在配網(wǎng)的可靠性評(píng)估中廣泛應(yīng)用。根據(jù)方法研究方向的不同，分析法又分為以下常用幾種：故障模式影響分析法[6]，狀態(tài)空間法，網(wǎng)絡(luò)等效法以及最小路徑法。但是現(xiàn)有的方法對(duì)于配網(wǎng)評(píng)估是將預(yù)想事故整體考慮，對(duì)于故障處理的流程并沒有仔細(xì)研究，因此評(píng)估的準(zhǔn)確性大打折扣。目前，隨著電網(wǎng)的不斷延伸發(fā)展，配網(wǎng)自動(dòng)化出現(xiàn)各種各樣的模式，不同模式的功能對(duì)配網(wǎng)可靠性的影響均有所不同。本文主要從四類配網(wǎng)自動(dòng)化模式進(jìn)行闡述，根據(jù)其不同功能進(jìn)行實(shí)例分析并針對(duì)配網(wǎng)可靠性評(píng)估[7]進(jìn)行定量分析。

2 配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)

配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)根據(jù)功能不同分為如下兩類：負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)[7]。負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)主要又細(xì)分為三個(gè)小指標(biāo)：平均故障率λ，平均斷電時(shí)間U以及每次故障平均停電持續(xù)時(shí)間γ(γ=U/λ)，三個(gè)小指標(biāo)構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)。系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)根據(jù)功能又劃分為如下幾個(gè)小指標(biāo)：平均供電可用度，長(zhǎng)時(shí)停電效率，短時(shí)停電效率，長(zhǎng)時(shí)停電持續(xù)時(shí)間，系統(tǒng)總電量不足以及系統(tǒng)平均電量不足等。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字高科技設(shè)備在企業(yè)中應(yīng)用，這些設(shè)備對(duì)用電質(zhì)量有嚴(yán)格要求，停電甚至短期停電都會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。特別是配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)不斷普及后，短時(shí)停電現(xiàn)象常有發(fā)生，給供電可靠性帶來(lái)嚴(yán)重的影響，也使之成為在用戶停電事件中的比重“巨頭”，無(wú)法預(yù)期短期停電是現(xiàn)有配網(wǎng)可靠性評(píng)估方法的一種極為重要的缺陷。

3 配網(wǎng)自動(dòng)化模式

3.1 故障定位系統(tǒng)模式

配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)主要功能是當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，工作人員能通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息，從而確定故障區(qū)域，采取有效措施解決故障。它一般只能對(duì)故障進(jìn)行跟蹤定位并且指示，不能自動(dòng)進(jìn)行故障處理，通過(guò)配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)故障信息集中上報(bào)，重要故障信息篩選以及在線監(jiān)控。

圖1為配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型圖。在線路上由多個(gè)柱上開關(guān)組成，在圖中用圓圈表示。其中實(shí)體代表開關(guān)閉合，空心代表開關(guān)打開；故障指示燈在圖中用ID表示，當(dāng)故障電流流過(guò)時(shí)會(huì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)變色，其本身不具備遠(yuǎn)程通信功能。當(dāng)故障發(fā)生在柱上開關(guān)J和K之間時(shí)，如果B、C及J開關(guān)處的故障指示燈發(fā)生變色而其他地方的故障指示燈不變色，從而可以判斷故障發(fā)生在J和K柱上開關(guān)之間的區(qū)域。

圖1 配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

3.2 就地饋線自動(dòng)化系統(tǒng)模式

就地饋線自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能是在配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域自動(dòng)判斷和隔離，并通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域供電自動(dòng)恢復(fù)，它主要通過(guò)設(shè)備相互配合或采用光纖“網(wǎng)絡(luò)式”來(lái)實(shí)現(xiàn)。就地饋線自動(dòng)化系統(tǒng)模式具有自動(dòng)處理故障功能，相比故障定位系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，配合先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)線路的運(yùn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遙控，遙信，遙測(cè)及對(duì)時(shí)。

一般分為如下兩種典型模式：自動(dòng)重合器饋線自動(dòng)化模式和智能分布模式。

智能分布式模式的工作原理示意圖如圖2所示，主要由開關(guān)、分合閘以及保護(hù)終端設(shè)備(FTU)組成，其中開關(guān)用矩形框表示，合閘、分閘分別用實(shí)心和空心表示，標(biāo)有不同編號(hào)的開關(guān)都和相應(yīng)保護(hù)終端設(shè)備(FTU)相互連接。在模式圖中，通信線路用虛線表示，F(xiàn)TU的上行及下行方向分別用“A”和“B”表示。

圖2 智能分布模式工作原理示意圖

如圖2所示，當(dāng)2和3開關(guān)之間故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)潮流方向保護(hù)終端設(shè)備1和2能夠快速檢測(cè)到故障電流并迅速中斷保護(hù)。同時(shí)，根據(jù)保護(hù)裝置的速動(dòng)性和準(zhǔn)確性，保護(hù)終端設(shè)備2向裝置1和3分別發(fā)出分閘閉鎖報(bào)文。根據(jù)保護(hù)裝置的雙向性，保護(hù)終端設(shè)備1也對(duì)保護(hù)終端設(shè)備2發(fā)出分閘報(bào)文。保護(hù)終端設(shè)備2和3接收到報(bào)文后立即進(jìn)行開關(guān)分閘，保護(hù)終端設(shè)備1因收到分閘閉鎖報(bào)文而維持相應(yīng)的開關(guān)處于合閘狀態(tài)。在經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)，保護(hù)終端設(shè)備4檢測(cè)到其一側(cè)失壓而啟動(dòng)延時(shí)合閘計(jì)數(shù)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)隔離故障區(qū)段，恢復(fù)受故障影響的健全區(qū)域段供電。

3.3 集中饋線自動(dòng)化系統(tǒng)模式

集中饋線自動(dòng)化主要功能是通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備[8]在配網(wǎng)正常運(yùn)行期間對(duì)配網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制；當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)判斷故障區(qū)域并確定遠(yuǎn)離故障區(qū)，自動(dòng)完成受故障影響的健全區(qū)域的供電系統(tǒng)恢復(fù)[9]。

集中饋線自動(dòng)模式根據(jù)功能不同可劃分如下幾種：故障處理，正常運(yùn)行監(jiān)控，變電站饋線監(jiān)測(cè)。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行功能擴(kuò)展還可實(shí)現(xiàn)故障指示功能、變電站饋線遙控功能以及GIS等功能。具體而言，可分為兩種類型：全自動(dòng)和半自動(dòng)。

(1) 全自動(dòng)方式。配網(wǎng)主站或子站通過(guò)采集區(qū)域內(nèi)配電終端信息進(jìn)行配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的確定，通過(guò)故障識(shí)別及定位自動(dòng)對(duì)故障進(jìn)行隔離及非故障區(qū)的電源恢復(fù)。

(2) 半自動(dòng)方式。配網(wǎng)主站或子站通過(guò)采集區(qū)域內(nèi)配電終端信息進(jìn)行配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的確定，通過(guò)故障識(shí)別及定位遙控或人工進(jìn)行故障隔離及非故障區(qū)恢復(fù)供電。

3.4 調(diào)/配一體化平臺(tái)的自動(dòng)化系統(tǒng)模式

調(diào)/配一體化平臺(tái)的自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、集約化調(diào)度系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、計(jì)量自動(dòng)化和配網(wǎng)集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，能全面支持配電網(wǎng)生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。調(diào)/配一體化平臺(tái)的自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)收闲畔⑸蠄?bào)和自動(dòng)排除，對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行具有監(jiān)控功能以及實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控功能。還可以根據(jù)故障指示進(jìn)行選擇。調(diào)/配一體化平臺(tái)的自動(dòng)化系統(tǒng)可以將縣級(jí)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和無(wú)人值班變電站控制系統(tǒng)集成在一起。城市配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和配電地理信息系統(tǒng)(GIS)功能，減少設(shè)備冗余并確保數(shù)據(jù)一致性。

4 配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)供電可靠性的影響

配電自動(dòng)化設(shè)備對(duì)于配網(wǎng)的故障診斷及故障處理具有重要的作業(yè)，一旦配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備失去作用，將導(dǎo)致整個(gè)饋線處于斷電狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障定位也十分困難。故障定位需要人工進(jìn)行逐項(xiàng)排查，現(xiàn)場(chǎng)查找故障點(diǎn)，而且排查期間受天氣環(huán)境影響，故障所在饋線將長(zhǎng)期處于停電狀態(tài)，并且需要人工多次分合閘，對(duì)配網(wǎng)可靠性指標(biāo)造成嚴(yán)重影響。引入配電自動(dòng)化設(shè)備以提高供電可靠性主要體現(xiàn)在縮小故障范圍和縮短故障處理時(shí)間。

4.1 縮小故障影響范圍

如圖3所示，是一個(gè)典型的“手拉手”環(huán)狀配電網(wǎng)。A和G表示饋線出線開關(guān)，B、C、E和F為分段開關(guān)，D為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。在配電網(wǎng)運(yùn)行正常情況下，整個(gè)配網(wǎng)處于開環(huán)狀態(tài)，D斷開，B、C、E和F閉合，兩條饋線的供電由兩個(gè)配電站提供。

當(dāng)故障發(fā)生在A和B之間時(shí)，如果配電網(wǎng)饋線監(jiān)控終端安裝在A～G開關(guān)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到配電網(wǎng)主站的后臺(tái)計(jì)算機(jī)，自動(dòng)斷開開關(guān)B、關(guān)閉開關(guān)D進(jìn)行隔離故障，實(shí)現(xiàn)b、c區(qū)段供電，縮小故障影響范圍。

圖3 配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)

4.2 縮短故障處理所需時(shí)間

以應(yīng)用配電自動(dòng)化系統(tǒng)的某供電公司為例。當(dāng)配網(wǎng)主變發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)操作只需要5min，工作人員人工操作需要30min；如果其他變壓器組合其他配電站，由配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)完成需要15min，人工操作則需要120min。當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行線路出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)控制恢復(fù)送電時(shí)間平均為3min，如果由人工操作則需要55min。

5 結(jié)論

在我國(guó)電力系統(tǒng)建設(shè)“一強(qiáng)三優(yōu)”堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的背景下，配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)是電網(wǎng)發(fā)展和人民需求的必然趨勢(shì)和要求。通過(guò)現(xiàn)有的配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析，通過(guò)分析進(jìn)行故障診斷及隔離，及時(shí)高效進(jìn)行反饋處理，提高供電可靠性。結(jié)合先進(jìn)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)將得到新的發(fā)展，為供電可靠性帶來(lái)進(jìn)一步的提升。