計(jì)及饋線自動(dòng)化的配網(wǎng)可靠性算法研究

周 銳，夏俊雅，鄭安豫，徐 宇

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系， 安徽 合肥 230051；2.中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)安徽有限公司， 安徽 合肥 230051)

根據(jù)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)要求，能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)向需求側(cè)、用戶側(cè)發(fā)展成為必然趨勢(shì)。提高配電網(wǎng)可靠性對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)意義重大。隨著“兩網(wǎng)”建設(shè)，配網(wǎng)信息化、自動(dòng)化水平顯著提升，特別是饋線自動(dòng)化的使用，加大了配電網(wǎng)運(yùn)行復(fù)雜程度，也提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。本文分析不同配電自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響[1-2]。目前，常用可靠性算法有模擬法[3-4]和解析法[5-7]。文獻(xiàn)[8-9]介紹了我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化的大致情況；文獻(xiàn)[10-11]提出對(duì)輻射狀配電網(wǎng)的可靠性分析方案；文獻(xiàn)[12-14]提出了集中饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的方案；文獻(xiàn)[15]提出一種集中式饋線自動(dòng)化的可靠性指標(biāo)分析。本文建立了基于重合器和分段器配合以及基于集中式饋線自動(dòng)化的兩種配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)計(jì)算模型，并對(duì)比分析。

我國(guó)配網(wǎng)目前常用的有重合器和分段器配合及基于FTU(Feeder Terminal Unit)兩種形式[8]的饋線自動(dòng)化。重合器和分段器配合的配電網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的多次動(dòng)作實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離、恢復(fù)非故障區(qū)域供電，不需要復(fù)雜的通信設(shè)備，動(dòng)作過(guò)程復(fù)雜[9]?；贔TU的配電自動(dòng)化通過(guò)通信系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)通信和微機(jī)系統(tǒng)可靠性依賴高。我國(guó)電網(wǎng)分布廣泛，各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、科技水平發(fā)展不均，以上2種饋線自動(dòng)化形式在電網(wǎng)中都有應(yīng)用。各個(gè)地區(qū)根據(jù)自己地區(qū)的經(jīng)濟(jì)情況、實(shí)際供電需求等采用了不同的控制模式。分析各種饋線自動(dòng)化配置下的配電網(wǎng)可靠性的實(shí)用計(jì)算和評(píng)估方法對(duì)保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行尤為重要[10]。

鑒于此，本文考慮我國(guó)縣級(jí)網(wǎng)絡(luò)(即電壓等級(jí)10～35 kV，架空線路為主的配電網(wǎng))實(shí)際接線情況，分析其采用重合器和分段器配合形式；基于FTU的控制形式等對(duì)配電網(wǎng)可靠性分析評(píng)估，為配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 可靠性評(píng)估參數(shù)基本計(jì)算方法

本文考慮35 kV及以下架空線路為主的配網(wǎng)系統(tǒng)元件單一故障情況。元件采用兩狀態(tài)模型，元件指考慮故障情況的線路、變壓器、開(kāi)關(guān)等設(shè)備。開(kāi)關(guān)為各種開(kāi)斷、關(guān)合電路的設(shè)備統(tǒng)稱，重合器、斷路器、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)等皆稱為開(kāi)關(guān)。重合器為具有多次重合功能的斷路器，有滅弧能力；分段器無(wú)滅弧能力，電路無(wú)工作電流才能動(dòng)作，用來(lái)隔離故障區(qū)域。

可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法：

1)平均系統(tǒng)停電持續(xù)時(shí)間SAIDI:

(1)

2)平均用戶停電頻率CAIFI:

(2)

一個(gè)系統(tǒng)第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，用戶數(shù)為Ni，負(fù)荷點(diǎn)的平均停運(yùn)時(shí)間為Ui。

2 重合器和分段器配合的饋線自動(dòng)化動(dòng)作模型

2.1 重合器與電壓-時(shí)間型分段器配合的控制模型

圖1為該饋線自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖中首端為重合器，S1至S9為分段器。重合器整定為“一慢二快”。即斷路器在繼電保護(hù)控制下，第一次經(jīng)過(guò)慢速時(shí)限T1合閘，合閘后故障第二次經(jīng)過(guò)快速時(shí)限T2跳閘。分段器整定時(shí)限如下：X時(shí)限，即分段器合閘時(shí)限，從分段器電源側(cè)加壓到分段器合閘的時(shí)間。Y時(shí)限，分段器合閘后，未超過(guò)Y時(shí)限又失壓，分段器分閘，并閉鎖在分閘狀態(tài)，又稱故障檢測(cè)時(shí)限。Z時(shí)限，分段器失壓到自動(dòng)跳閘之間的短暫延時(shí)。T為重合器的動(dòng)作時(shí)限。時(shí)限的整定滿足：(T+Z)

圖1 重合器與電壓-時(shí)間型分段器配合式饋線自動(dòng)化接線

各個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間整定原則主線分段器X時(shí)限<支線分段器X時(shí)限，各個(gè)分段器按照編號(hào)順序依次等差設(shè)置X時(shí)限，即編號(hào)從小到大按照預(yù)先設(shè)定的延時(shí)合閘時(shí)限依次合閘。各開(kāi)關(guān)X時(shí)限設(shè)置一致。聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)整定時(shí)限為檢測(cè)本段無(wú)壓超過(guò)最近分段器整定X時(shí)限加一個(gè)延時(shí)時(shí)限合閘，為確保時(shí)間配合取延時(shí)時(shí)限2X，即圖示位置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)S6檢測(cè)時(shí)限超過(guò)7X則合閘，分支線X時(shí)限為2X時(shí)限。聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)S6設(shè)置重合一次。

2.1.1 永久性故障

2.1.1.1 各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常

元件4故障，重合器跳閘Z時(shí)限后所有分段器跳閘(聯(lián)絡(luò)斷路器S6除外)，重合器重合，X時(shí)限后S1合閘，2X時(shí)限后S2合閘，3X時(shí)限后S3合閘，合到故障線路，斷路器跳閘，Z時(shí)限后所有分段器分閘，S3在Y時(shí)限內(nèi)失壓跳閘，閉鎖，S4檢測(cè)到殘壓跳閘閉鎖，S1，S2，S3，S7，S8，S9依次按照整定X時(shí)限合閘?；謴?fù)區(qū)段內(nèi)正常供電。S6經(jīng)過(guò)7X時(shí)限后合閘。S5分段器經(jīng)過(guò)8X時(shí)限后合閘。人工修復(fù)故障后恢復(fù)4區(qū)段供電。各個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖2所示。

2.1.1.2 單一元件故障時(shí)

1)S3失壓后拒絕分閘。元件4故障，重合器跳閘。Z時(shí)限后，所有分段器分閘(聯(lián)絡(luò)斷路器S6除外)，其中，S3拒絕分閘。重合器合閘，X時(shí)限后S1合閘，2X時(shí)限后S2合閘，合到故障線路，跳閘。S2在Y時(shí)限內(nèi)失壓，跳閘閉鎖。重合器二次合閘，X時(shí)限后S1合閘。7X時(shí)限后聯(lián)絡(luò)分段器合閘，8X時(shí)限后S5合閘，恢復(fù)下游供電，分支線7、8、9、10則無(wú)法恢復(fù)供電。各個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖3所示。

圖2 元件4永久故障開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

圖3 S3元件4永久故障失壓后拒絕分閘時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

2)S2分閘后，加壓拒絕合閘。S2加壓后拒絕合閘，不會(huì)合到故障線路上，S4不能檢測(cè)到殘壓，不會(huì)閉鎖在分閘狀態(tài)，7X時(shí)限后聯(lián)絡(luò)分段器合閘，S5，S4合閘。合到故障線路上，聯(lián)絡(luò)線上斷路器跳閘，Y時(shí)限內(nèi)分閘，聯(lián)絡(luò)分段器閉鎖在分閘位置。下游不能恢復(fù)供電。分支路也不能恢復(fù)供電，需要人工消除故障后才能恢復(fù)正常工作。各個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖4所示。

圖4 元件4永久故障S2分閘后加壓拒絕合閘各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

其他開(kāi)關(guān)S1，S3，S4，S5等單個(gè)開(kāi)關(guān)故障分析方法與上述相同。

2.1.2 瞬時(shí)性故障

2.1.2.1 各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)正常

元件4故障，重合器跳閘Z時(shí)限后所有分段器跳閘(聯(lián)絡(luò)斷路器S6除外)，瞬時(shí)故障消除。重合器重合，X時(shí)限后S1合閘，2X時(shí)限后S2合閘，依次各個(gè)開(kāi)關(guān)合閘，線路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。各個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)序如圖5所示。

圖5 元件4瞬時(shí)性故障開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

2.1.2.2 單一元件故障時(shí)

1)S3失壓后拒絕分閘。元件4故障，重合器跳閘Z時(shí)限后所有分段器跳閘(聯(lián)絡(luò)斷路器S6除外)，瞬時(shí)故障消除。重合器重合，X時(shí)限后S1合閘，2X時(shí)限后S2合閘，S3未分閘，4X時(shí)間后S4合閘，后面分段器依次合閘。線路正常工作。各個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖6所示。

圖6 元件4瞬時(shí)性故障S3失壓后拒絕分閘時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

2)S2分閘后，加壓拒絕合閘。元件4故障，重合器跳閘Z時(shí)限后所有分段器跳閘(聯(lián)絡(luò)斷路器S6除外)，瞬時(shí)故障消除。2X時(shí)限后S2加壓后拒絕合閘，不會(huì)合到故障線路上，S4不能檢測(cè)到殘壓，不會(huì)閉鎖在分閘狀態(tài)，7X時(shí)限后聯(lián)絡(luò)分段器合閘，S5，S4，S3，S7，S8，S9依次合閘，不影響下游元件運(yùn)行，各個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖7所示。

圖7 元件4永久故障S2分閘后加壓拒絕合閘各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

如果元件4發(fā)生瞬時(shí)性故障，S1，S3，S4，S5等元件發(fā)生單一故障，分析方法同上。

2.2 重合器與過(guò)流脈沖型計(jì)數(shù)型分段器的控制模型

重合器和過(guò)流脈沖型計(jì)數(shù)器配合的控制模式是分段器在重合器斷開(kāi)間隙斷開(kāi)，整定重合器的動(dòng)作次數(shù)，分段器通過(guò)判斷脈沖電流的次數(shù)判斷是否分?jǐn)?，?dòng)作次數(shù)由線路末端至首段逐漸增加。該種控制模式不具備電壓檢測(cè)功能，不能用于環(huán)網(wǎng)供電。圖示情況采用該控制模式需要?jiǎng)幼?次，超過(guò)重合器整定次數(shù)要求，對(duì)于復(fù)雜的配電網(wǎng)該種控制模式并不適合。

2.3 重合器與電壓時(shí)間型分段器配合，可靠性的評(píng)估模型

重合器與電壓時(shí)間型分段器配合型的饋線自動(dòng)化，可靠性評(píng)估方法：

系統(tǒng)共有M個(gè)元件，i取1到M，考慮元件i永久性故障。不考慮開(kāi)關(guān)故障畫(huà)出各個(gè)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)序圖。時(shí)序圖中根據(jù)動(dòng)作邏輯，在時(shí)間坐標(biāo)軸上劃分T1,T2,T3,T4,T5直至檢修完成恢復(fù)供電。j取1至n自T1至Tn遍歷Tj確定時(shí)間Tj閉合的開(kāi)關(guān)，從而確定Tj對(duì)應(yīng)的停電范圍Dj。該過(guò)程如圖8所示。

如果考慮開(kāi)關(guān)故障，則搜索過(guò)程中加入一層開(kāi)關(guān)量遍歷搜索；對(duì)元件i,考慮開(kāi)關(guān)情況，開(kāi)關(guān)自SI遍歷至SK，其算法流程如圖9所示。

3 考慮集中式FTU(饋線終端)控制的配網(wǎng)自動(dòng)化可靠性計(jì)算模型

集中式饋線自動(dòng)化基本原理如圖10所示，線路上所有終端信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到主站，由主站判斷故障，自動(dòng)隔離故障區(qū)域，恢復(fù)非故障區(qū)域供電。饋線自動(dòng)化的正常工作依賴通信系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)如果能夠正常工作，要求主站可靠，通信網(wǎng)絡(luò)可靠，F(xiàn)TU可靠，開(kāi)關(guān)可靠。主站可用度為Ams，網(wǎng)絡(luò)可用度為Aaccm。這兩個(gè)數(shù)據(jù)根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。

圖8 不考慮開(kāi)關(guān)故障，考慮元件永久性故障計(jì)算總停電時(shí)間的方法

FTU具有“三遙”或者“二遙”功能?！岸b”開(kāi)關(guān)起到故障定位功能，“三遙”開(kāi)關(guān)比二遙開(kāi)關(guān)多了隔離故障功能。分析FUT失效情況如表1所示。

圖9 考慮開(kāi)關(guān)故障，考慮元件永久性故障計(jì)算總停電時(shí)間的方法

圖10 集中式饋線自動(dòng)化基本原理

停電策略為：線路故障后，饋線自動(dòng)化動(dòng)作，隔離故障區(qū)域，恢復(fù)非故障區(qū)域供電，工作人員在定位區(qū)檢查故障，故障排除后，恢復(fù)供電。工作區(qū)域分自動(dòng)定位區(qū)和故障隔離區(qū)。

1) 故障定位。故障后由遙測(cè)判斷故障區(qū)域。故障區(qū)域判斷正常的概率為：

Pd=P1+P2+P4.

(3)

2)故障隔離。故障隔離的正確概率為

Pg=P1.

(4)

集中式饋線自動(dòng)化可靠性計(jì)算步驟：

對(duì)元件編號(hào)，編號(hào)原則：遠(yuǎn)離電源，元件編號(hào)逐漸增加；同一支路靠近電源側(cè)為父節(jié)點(diǎn)，相反側(cè)為子節(jié)點(diǎn)。同一支路始終保持父節(jié)點(diǎn)編號(hào)小于子節(jié)點(diǎn)。

從1號(hào)元件開(kāi)始遍歷，計(jì)算停電時(shí)間、停電范圍，計(jì)算負(fù)荷的停電時(shí)間和停電頻率?？紤]定位、隔離邊界開(kāi)關(guān)故障，遍歷，計(jì)算負(fù)荷停電時(shí)間和停電頻率，最終得到SAIDI和CAIFI。

表1 FTU失效情況統(tǒng)計(jì)

4 算 例

安徽省某縣供電公司實(shí)際開(kāi)關(guān)站網(wǎng)絡(luò)如圖11所示。算例計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖11 算例接線

重合器分段器式饋線自動(dòng)化。分段器采用電壓-時(shí)間型分段器。重合器采用“一慢二快”，第一次跳閘后15 s重合，第二次跳閘5 s后重合。主干線上X時(shí)限整定時(shí)間為7 s，分支線X整定時(shí)間14 s，Y時(shí)限均為5 s。

集中式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性參數(shù)參考文獻(xiàn)[1]的數(shù)據(jù)。P1=0.975 2，P2=0.014 8，P3=0.01，P4=0.99，P5=0.01，主站可用度Ams=0.998，網(wǎng)絡(luò)可用度Aaccm=0.97，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)可靠率PSW=0.99。假設(shè)文中除了鄭村118主干線帶負(fù)荷200戶，其他都是100戶負(fù)荷。

以上兩種方式元件主要考慮線路故障。每段線路故障率0.1次/a，線路維修時(shí)間8 h，人工故障查找時(shí)間1.6 h，自動(dòng)隔離故障時(shí)間0.05 h。

情況1為不設(shè)置饋線自動(dòng)化，情況2為設(shè)置重合器分段器式饋線自動(dòng)化不考慮開(kāi)關(guān)故障，情況3為設(shè)置重合器分段器饋線自動(dòng)化考慮開(kāi)關(guān)故障，情況4為設(shè)置集中式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)。

表2 算例計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

從結(jié)果分析，集中式饋線自動(dòng)化可靠性指標(biāo)最好，停電時(shí)間最少?？紤]重合器-分段器式饋線自動(dòng)化的開(kāi)關(guān)故障情況，自動(dòng)化水平降低，符合實(shí)際工程情況。文中算法對(duì)配電網(wǎng)實(shí)際可靠性評(píng)估有實(shí)際借鑒意義。