基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法研究

吳萬軍，聶躍昆，楊延軍，李志成，李 卉

(1.云南電網(wǎng)公司迪慶供電局，云南 迪慶 674499；2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

0 引言

電能應(yīng)用的高度普及令配網(wǎng)可靠性成為電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的新熱點。電能使用的安全性、穩(wěn)定性與持續(xù)性對社會生產(chǎn)的正常運(yùn)行有直接影響[1]。因此，研究一種有效的方法，評估配網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、分析配網(wǎng)運(yùn)行過程中不同供電環(huán)節(jié)中的缺陷，具有實際意義。

文獻(xiàn)[2]提出一種發(fā)輸配綜合電網(wǎng)可靠性評估方法，分別對發(fā)電站和220 kV以上輸電線路網(wǎng)層、高壓配網(wǎng)層及中壓配網(wǎng)層進(jìn)行可靠性評估?？紤]到高壓配網(wǎng)的轉(zhuǎn)供能力，該研究將高電壓等級網(wǎng)絡(luò)可靠性評估結(jié)果作為低電壓等級網(wǎng)絡(luò)電源參數(shù)，同時將發(fā)輸網(wǎng)的可靠性指標(biāo)有效地傳遞到中壓配網(wǎng)層。這種方法具有良好的可操作性和實用價值。文獻(xiàn)[3]利用智能配網(wǎng)中的電力電子設(shè)備提升系統(tǒng)的供電可靠性，并根據(jù)具體的失電情況，綜合考慮含“靈活源”的配電網(wǎng)中的各類支援因素，控制新型電力電子器件傳輸有功功率和無功功率，實現(xiàn)快速恢復(fù)供電的策略。但這些配網(wǎng)供電可靠性評估方法主要對配網(wǎng)與負(fù)荷的整體可靠性進(jìn)行評估，而針對配網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性的評估方法較少。

作為影響配網(wǎng)供電可靠性的重要因素，配網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是配網(wǎng)內(nèi)各供電環(huán)節(jié)中的薄弱環(huán)節(jié)。云南迪慶維西傈僳族自治縣(以下簡稱“維西縣”)是南方電網(wǎng)公司的扶貧對口幫扶縣，近幾年在智能配電網(wǎng)規(guī)劃方面的投入非常大，但面對的問題也較多?；诖?，本文提出基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法，最大限度地利用配網(wǎng)的拓?fù)渚仃嚪治雠渚W(wǎng)內(nèi)各供電環(huán)節(jié)對配網(wǎng)供電可靠性的影響，從而提高維西縣配網(wǎng)供電的可靠性。

1 基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法

1.1 供電可靠性指標(biāo)選取

在評估配網(wǎng)供電可靠性的過程中，根據(jù)供電可靠性評估相關(guān)研究結(jié)果[4-6]，選取4個普遍使用的可靠性指標(biāo)進(jìn)行評估：配網(wǎng)平均故障率、配網(wǎng)總停電時間、配網(wǎng)故障平均停電修復(fù)時間、平均用電有效度指標(biāo)。配網(wǎng)平均故障率是指某時間段內(nèi)用戶停電總次數(shù)與用戶總數(shù)的比值。配網(wǎng)總停電時間是指某時間段內(nèi)某段線路出現(xiàn)的總停電時長。配網(wǎng)故障平均停電修復(fù)時間是指配網(wǎng)出現(xiàn)停電后到恢復(fù)正常工作時平均所需要的時間。平均用電有效度指標(biāo)是指用戶實際用電小時數(shù)與用戶需用電小時數(shù)的比值。其中，配網(wǎng)故障平均停電修復(fù)時間是供電可靠性評估中獲取難度最大的指標(biāo)。

1.2 配網(wǎng)拓?fù)渚仃?/h3>

配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚇?gòu)建過程可分為3個主要環(huán)節(jié)：配網(wǎng)架構(gòu)分析、編號與矩陣列寫。其關(guān)鍵在于以某電源為初始點，確定其連接的主干線與分支線間的相關(guān)性，由此準(zhǔn)確描述配網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)[7]。配網(wǎng)架構(gòu)分析環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是確定并分別列出配網(wǎng)內(nèi)各主干線和分支線，即編號。由于分支線具有不同級別，在編號過程中也需分別列出分支線級別，即矩陣列寫。各級分支線可理解為串聯(lián)在主干線節(jié)點中的負(fù)荷元件[8]。

配網(wǎng)內(nèi)電源點的編號與分支線編號相同。若將電源點編號設(shè)定為0，則第一個負(fù)荷元件編號為1、第二個負(fù)荷元件編號為2。以此類推，對全部負(fù)荷元件進(jìn)行編號。簡化后的編號如圖1所示。

圖1 簡化后的編號圖Fig.1 Simplified numbering diagram

如圖1所示，配網(wǎng)正常運(yùn)行條件下，其分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)分別維持閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)。此時，以電源點為初始出線點，順次將全部線路編號為L1、L2、…、Ln。

以級別最低的分支線為始列寫矩陣，則不同矩陣列寫模式相同[9]：矩陣行與矩陣列分別根據(jù)“待分析電源點→主干線→聯(lián)絡(luò)電源→聯(lián)絡(luò)線路”和“待分析電源點→主干線→分支線→聯(lián)絡(luò)電源→聯(lián)絡(luò)線路”的順序進(jìn)行排序。由此得到與圖1對應(yīng)的配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚕?/p>

(1)

式中：L1～L4分別為配網(wǎng)拓?fù)渚仃囍械碾娫袋c、主干線、分支線、聯(lián)絡(luò)線路對應(yīng)的矩陣。

式(1)內(nèi)，主干線元件和電源點分別標(biāo)記為1和2，線路2端無開關(guān)條件下和有開關(guān)條件下分別標(biāo)記為0和1；負(fù)荷元件在與主干線路相接的位置標(biāo)記為1；聯(lián)絡(luò)電源與主干線某節(jié)點相連條件下矩陣內(nèi)標(biāo)記為1。

在分析過程中，可將式(1)內(nèi)的矩陣劃分為3個分塊矩陣，分別是主干線矩陣、分支線矩陣和聯(lián)絡(luò)矩陣。

用ZTr表示第一個分塊矩陣，即主干線矩陣。根據(jù)ZTr，可獲取主干線故障率矩陣BTr：

(2)

θi=∑(θb+θl)

(3)

Pi=∑(θb·Kb+θl·Kl)

(4)

(5)

式中：i為主干線中各段線路；θi為主干線內(nèi)各段線路故障率；Pi為主干線內(nèi)各段線路總停電時間；Ki為主干線內(nèi)各段線路等效故障修復(fù)時間；b為主干線中的開關(guān)；θb為主干線內(nèi)開關(guān)故障率；Kb為開關(guān)故障修復(fù)時間；θl為主干線段線路故障率；Kl為主干線段線路故障修復(fù)時間。

配網(wǎng)拓?fù)渚仃嘥Tr的階數(shù)間接反映配網(wǎng)供電過程中不同供電環(huán)節(jié)對配網(wǎng)供電可靠性指標(biāo)的影響。ZTr的階數(shù)越高，表示供電環(huán)節(jié)較多，供電主干線故障率越高。

用ZBr表示第二個分塊矩陣，即分支線矩陣。根據(jù)ZBr獲取主干線故障率矩陣TBr：

(6)

式中：TE為分支線E對應(yīng)的矩陣；TB為分支線B對應(yīng)的矩陣；TC為分值線C對應(yīng)的矩陣。

由式(6)可知，圖1中的各分支線均與主干線相似，可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一模式，即配網(wǎng)內(nèi)各分支線同樣可轉(zhuǎn)換為同主干線一致的矩陣形式，并進(jìn)行供電可靠性計算。在分支線存在多個級別的條件下，可根據(jù)級別劃分，依次列寫矩陣：由級別最低的分支線開始進(jìn)行可靠性計算，確定不同級別分支線對負(fù)荷點的等效故障修復(fù)時間矩陣RBr,i和配網(wǎng)分支線總停電時間矩陣PBr,i；同時，將用戶數(shù)等效至上一級分支線內(nèi)。

(7)

(8)

式中：RBr,i為不同級別分支線對負(fù)荷點的等效故障修復(fù)時間矩陣；RBr,1為分支線1對應(yīng)的故障修復(fù)時間矩陣；RBr,2為分支線2對應(yīng)的故障修復(fù)時間矩陣；RBr,3為分支線3對應(yīng)的故障修復(fù)時間矩陣。

1.3 故障關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨膭澐?，分析配網(wǎng)元件故障條件下對配網(wǎng)主干線上各負(fù)荷點的影響，確定故障率關(guān)聯(lián)矩陣與故障時間關(guān)聯(lián)矩陣。

1.3.1 故障率關(guān)聯(lián)矩陣

故障率關(guān)聯(lián)矩陣的行和列分別選用配網(wǎng)主干線上各負(fù)荷點和各負(fù)荷元件，將負(fù)荷元件故障對主干線上各負(fù)荷點的影響作為矩陣元素。矩陣元素取值為1或0，分別表示負(fù)荷元件故障對主干線上各負(fù)荷點產(chǎn)生影響或未產(chǎn)生影響。故障率關(guān)聯(lián)矩陣G可用式(9)描述：

(9)

1.3.2 故障時間關(guān)聯(lián)矩陣

故障時間關(guān)聯(lián)矩陣的行和列分別選用配網(wǎng)主干線上的負(fù)荷點和各負(fù)荷元件，將在負(fù)荷元件故障條件下不同負(fù)荷點的停電時間作為矩陣元素。

配網(wǎng)線路內(nèi)包含關(guān)聯(lián)器。因此，在配網(wǎng)線路出現(xiàn)故障的條件下，故障前和故障后的負(fù)荷點停電時間分別為關(guān)聯(lián)開關(guān)操作時間1 h和線路修復(fù)時間5 h。故障時間關(guān)聯(lián)矩陣T可用式(10)描述：

(10)

1.4 故障平均停電修復(fù)時間

L表示配網(wǎng)線路長度向量。其中：向量元素數(shù)量等于配網(wǎng)線路的元件數(shù)量；元素的值與對應(yīng)線路的長度一致。配網(wǎng)線路長度向量可表示為：

L=[1 1 1 1 1 1 1 1]T

(11)

B表示配網(wǎng)變壓器向量，向量元素數(shù)量等于負(fù)荷點數(shù)量，向量元素值為1或0，分別表示主干線負(fù)荷點處有變壓器或無變壓器。配網(wǎng)變壓器向量可表示為：

B=[1 1 1 1 1 1 1 1]T

(12)

由此可得負(fù)荷點故障率向量表達(dá)式，為：

λi=G×L×0.065+B×0.015

(13)

矩陣G與矩陣T對應(yīng)元素分別相乘，可獲取矩陣J。由此得到負(fù)荷點的總故障時間向量，如式(14)所示。

Wi=J×L×0.065+B×0.015×200

(14)

在λi和Wi已知的條件下，利用式(14)確定負(fù)荷點故障平均停電修復(fù)時間向量：

(15)

2 試驗分析

為驗證本文所提基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法的實際應(yīng)用性，以維西縣為研究對象，采用本文方法對該地區(qū)配電供電可靠性進(jìn)行評估。評估結(jié)果如下。

2.1 試驗地區(qū)概況

維西縣既是國家三區(qū)三州深度貧困縣，又是云南省27個深度貧困縣之一，同時是南方電網(wǎng)公司對口幫扶貧困縣。截至2019年，維西縣行政面積為4 661 km2，有效供電面積為1 864.23 km2，供電人口為16.52萬人，用戶總數(shù)為5.28萬戶，社會最大負(fù)荷為57.69 MW，社會用電量為1.35×108kWh，一戶一表率為100%，智能電表覆蓋率為100%，低壓集抄覆蓋率為100%，自動抄表率為98%。歷史年經(jīng)濟(jì)發(fā)展及電量負(fù)荷情況如表1所示。由表1可知，2014～2018年人口平均增長率為0.27%、GDP平均增長率為9.63%、電量平均增長率為5.98%、負(fù)荷平均增長率為13.15%。

表1 歷史年經(jīng)濟(jì)發(fā)展及電量負(fù)荷情況Tab.1 Historical annual economic development and power load

維西縣供電范圍內(nèi)有水電站20座，總裝機(jī)353.28 MW。其中：220 kV上網(wǎng)的水電站4座，裝機(jī)容量211 MW；110 kV上網(wǎng)的水電站12座，裝機(jī)容量126.4 MW；35 kV上網(wǎng)的水電站4座，裝機(jī)容量15.88 MW。以維西縣220 kV水電站——南極洛河電站為研究對象，其配網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，數(shù)字1～19分別表示負(fù)荷節(jié)點。

圖2 研究對象配網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Distribution network structure of research object

2.2 可靠性指標(biāo)分析結(jié)果

設(shè)定圖2所示的研究對象配網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)：線路的平均故障率為0.05次/km，平均修復(fù)時間為4 h/次；斷路器的平均故障率為0.002 5次/km，平均修復(fù)時間為3 h/次；其他分支線內(nèi)的平均故障率為0.002 5次/km，平均修復(fù)時間為1 h/次；分段開關(guān)倒閘操作時間為1 h，聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘操作時間為1.5 h。

利用本文方法對研究對象配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的供電可靠性進(jìn)行評估。評估結(jié)果如下：配網(wǎng)平均故障率為0.394次·(戶·a)-1；配網(wǎng)總停電時間為0.937 7 h·(戶·a)-1；配網(wǎng)故障平均停電修復(fù)時間為0.246 6 h·(戶·a)-1；平均用電有效度指標(biāo)為99.86%；運(yùn)行總時間為7 s。

本文方法利用拓?fù)渚仃嚪从撑渚W(wǎng)供電過程中不同供電環(huán)節(jié)對配網(wǎng)供電可靠性指標(biāo)的影響，可以有效評估研究對象配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的供電可靠性。由評估結(jié)果可知，本文方法運(yùn)行總時間較短，且與實際匹配程度較高，由此驗證了本文方法的可應(yīng)用性。

在圖2所示的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)選取負(fù)荷點2、3、7、8、9，分析各節(jié)點對配網(wǎng)可靠性指標(biāo)的影響程度。分層分析結(jié)果如表2所示。

表2 分層分析結(jié)果Tab.2 Hierarchical analysis results

由表2可知，針對圖2所示的配網(wǎng)架構(gòu)，聯(lián)絡(luò)對可靠性指標(biāo)的影響較為穩(wěn)定，供電可靠性指標(biāo)主要受聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置的影響。同時，聯(lián)絡(luò)也令部分負(fù)荷點至電源點的環(huán)節(jié)對配網(wǎng)供電可靠性的影響下降。針對如圖2所示的配網(wǎng)架構(gòu)，隨機(jī)負(fù)荷點的故障率累加和停電用戶數(shù)是固定的，不受聯(lián)絡(luò)的影響。在有聯(lián)絡(luò)的條件下，主干線路徑中負(fù)荷點19對停電時間影響顯著。對此，綜合分析整個配網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，在對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化整改時，可從不同角度提升該節(jié)點的供電可靠性。

2.3 實際應(yīng)用效果

本文研究了基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法。在研究地區(qū)實際配網(wǎng)工程項目中，利用本文方法評估不同工程項目內(nèi)配網(wǎng)實際供電的可靠性，并針對評估結(jié)果中可靠性較低的配網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行整改，實際應(yīng)用效果如下。10 kV板吉線工程中，有效解決10 kV板吉線線路超長的問題，縮短供電半徑。將2條新線路的供電半徑均縮短至40 km以下，原板吉線上8個低電壓臺區(qū)均無需同步配置無功補(bǔ)償設(shè)備。在10 kV新化線工程中，本文方法將10 kV新化線線路縮短至58 km，將原10 kV新化線劃分為2回線路供電。通過配置自動化開關(guān)和故障指示器快速定位故障，縮短了故障查找時間，降低了用戶的停電時間。在10 kV白濟(jì)汛線工程中，本文方法將10 kV白濟(jì)汛線線路總長度縮短至65 km。同樣地，通過配置自動化開關(guān)和故障指示器，縮短了用戶的停電時間。

本文方法從配網(wǎng)結(jié)構(gòu)矩陣角度出發(fā)，分別針對配網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的主干線矩陣、分支線矩陣和聯(lián)絡(luò)開關(guān)矩陣進(jìn)行分析，精準(zhǔn)評估配網(wǎng)供電的可靠性，從而最大限度地提升配網(wǎng)工程的供電可靠性。使用本文方法評估配網(wǎng)，并根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行針對性整改后，研究地區(qū)各配網(wǎng)實際工程項目中的缺陷問題均被有效改善，配網(wǎng)工程供電可靠性均有明顯提升。

3 結(jié)論

本文將配網(wǎng)架構(gòu)與配網(wǎng)供電可靠性相結(jié)合，提出基于配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨墓╇娍煽啃栽u估方法。根據(jù)等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分層構(gòu)建拓?fù)渚仃囂嵘?fù)荷檢索效率；依照配網(wǎng)拓?fù)渚仃嚨膭澐?，確定故障率關(guān)聯(lián)矩陣與故障時間關(guān)聯(lián)矩陣，由此計算配網(wǎng)供電可靠性指標(biāo)。試驗結(jié)果表明，本文方法可方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行配網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化，實際應(yīng)用價值較高。