配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端配置聯(lián)合優(yōu)化方法

劉 洪，滑雪嬌，韓 柳，周 沫，梁 榮

（1. 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧沈陽 110015；4. 國(guó)網(wǎng)山東省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南 250021）

0 引言

配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接與各個(gè)用電用戶相連，對(duì)供電質(zhì)量與可靠性有著至關(guān)重要的影響。一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)的基礎(chǔ)，合理的網(wǎng)架規(guī)劃是配電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提［1］；二次設(shè)備可用于配電系統(tǒng)的測(cè)量、保護(hù)與控制，恰當(dāng)?shù)慕K端配置能夠保障并進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的可靠性［2］。當(dāng)前，兩者的規(guī)劃方法主要是先使一次網(wǎng)架達(dá)到最高可靠程度，在此基礎(chǔ)上再考慮二次設(shè)備的配置。然而，若能同時(shí)開展一二次的規(guī)劃，合理布局二次設(shè)備，可降低對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)要求的嚴(yán)苛程度，使配電網(wǎng)建設(shè)成本大幅下降，滿足在可靠性約束下配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率的提升。其中，二次設(shè)備可進(jìn)一步分為保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，繼電保護(hù)裝置可以直接將故障部分隔離、切除，具有響應(yīng)快速、不受通信影響等優(yōu)點(diǎn)［3］；自動(dòng)化終端可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制以及故障后的快速處理等［4-5］。因此，將二次設(shè)備類型進(jìn)行細(xì)分，考慮保護(hù)和自動(dòng)化在故障處理方面的功能互補(bǔ)，進(jìn)一步考慮網(wǎng)架、自動(dòng)化以及繼電保護(hù)的協(xié)同規(guī)劃將對(duì)配電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要意義。

本文考慮的繼電保護(hù)模式為級(jí)差保護(hù)，其利用上下級(jí)之間電流和時(shí)間的不同來完成保護(hù)。①在網(wǎng)架規(guī)劃與級(jí)差保護(hù)配置方面，文獻(xiàn)［6］針對(duì)城市配電網(wǎng)供電半徑短、繼電保護(hù)配合困難的問題，提出了一種基于限流級(jí)差配合的繼電保護(hù)方案，以降低短路電流水平以及對(duì)設(shè)備的危害；文獻(xiàn)［7］針對(duì)本地保護(hù)不正確動(dòng)作的情況，根據(jù)斷路器的配置情況劃分保護(hù)區(qū)域，并結(jié)合階段式過流保護(hù)提出配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)方案。②在網(wǎng)架規(guī)劃與自動(dòng)化終端配置方面，國(guó)內(nèi)外提出的終端配置模型大多以配電網(wǎng)可靠性或經(jīng)濟(jì)性作為切入點(diǎn)，既有對(duì)已有網(wǎng)架中終端的安裝位置和類型的研究［8-9］，也有對(duì)網(wǎng)架與終端的協(xié)同規(guī)劃的研究［10-11］。文獻(xiàn)［8］以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，確定配電網(wǎng)中開關(guān)設(shè)備和配電自動(dòng)化終端的安裝位置和安裝類型；文獻(xiàn)［11］結(jié)合配電自動(dòng)化終端類型與通信方式，提出了一種配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法。③在配電自動(dòng)化與保護(hù)配合的研究方面，文獻(xiàn)［12］歸納了配電網(wǎng)故障處理過程，對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)、就地饋線自動(dòng)化、智能接地配電系統(tǒng)等方法進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)［13］指出繼電保護(hù)的配合可以提高配電自動(dòng)化的故障處理性能，主干線故障依靠集中智能配電自動(dòng)化處理，分支故障可依靠繼電保護(hù)形成多級(jí)配合，從而不影響主干線正常供電。

上述文獻(xiàn)分別考慮了網(wǎng)架與保護(hù)、網(wǎng)架與自動(dòng)化終端、自動(dòng)化終端與保護(hù)的配合，并未在配電網(wǎng)的規(guī)劃階段考慮三者之間的相互作用關(guān)系。配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)微調(diào)會(huì)對(duì)保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)化終端配置產(chǎn)生巨大影響，2 類二次設(shè)備之間也存在著配合的空間。因此，需要同時(shí)考慮網(wǎng)架、保護(hù)以及自動(dòng)化終端在規(guī)劃環(huán)節(jié)中的交互作用問題，從而提升規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

基于上述分析，本文提出了配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端（multi-module intelligent terminal，MIT）配置聯(lián)合優(yōu)化方法。首先，介紹本文所考慮的多模塊智能終端的組成模塊及其類型特點(diǎn)，并確定智能終端的自動(dòng)化控制模式；其次，根據(jù)級(jí)差保護(hù)與自動(dòng)化控制模式相配合的故障處理策略，定義配置多模塊智能終端后的配電網(wǎng)饋線分區(qū)，以此作為可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)；然后，在網(wǎng)架規(guī)劃的總體過程中嵌入多模塊智能終端優(yōu)化配置模塊，建立配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端配置協(xié)同規(guī)劃框架，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型；最后，采用粒子群優(yōu)化算法求解上下層模型，利用IEEE RBTS BUS-2 和某60 節(jié)點(diǎn)城市配電網(wǎng)作為實(shí)例，對(duì)不同方案下的系統(tǒng)可靠性及成本費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 考慮多模塊智能終端的饋線分區(qū)

1.1 多模塊智能終端

繼電保護(hù)中的級(jí)差保護(hù)在故障發(fā)生后，從保護(hù)裝置啟動(dòng)到斷路器動(dòng)作跳開的時(shí)間在150 ms 以內(nèi)，但故障定位、隔離以及負(fù)荷轉(zhuǎn)供均需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，故障處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)；自動(dòng)化終端可輔助實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)定位［14］，其中“三遙”終端可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障隔離與負(fù)荷轉(zhuǎn)供，大幅縮短了故障處理時(shí)間，但其故障切除時(shí)間因控制模式的不同在秒級(jí)與分鐘級(jí)不等。

多模塊智能終端能夠充分結(jié)合并發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，主要包括故障檢測(cè)模塊、故障顯示模塊、繼電保護(hù)模塊、電動(dòng)操作模塊、信息收發(fā)模塊等，如圖1 所示?！岸b”終端在故障發(fā)生后可以指示故障位置并實(shí)現(xiàn)故障信息的上報(bào)；“三遙”終端在“二遙”終端的基礎(chǔ)上增加了電動(dòng)操作模塊，可遠(yuǎn)程遙控其對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)重構(gòu)。繼電保護(hù)模塊可以選擇性地配置在上述2 類終端中，在故障發(fā)生后根據(jù)繼電保護(hù)模塊設(shè)置的保護(hù)模式對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作。

圖1 多模塊智能終端設(shè)備Fig.1 Multi-module intelligent terminal equipment

1.2 考慮多模塊智能終端的故障處理時(shí)間

考慮多模塊智能終端后的故障處理時(shí)間T包括故障定位時(shí)間t1、故障隔離時(shí)間t2、負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)間t3以及故障修復(fù)時(shí)間t4，具體為：

1）故障定位時(shí)間t1包括“二遙”或“三遙”終端上傳故障信息的時(shí)間以及主站確定故障區(qū)域的時(shí)間。

2）故障隔離時(shí)間t2包括遠(yuǎn)程隔離時(shí)間t2，r和現(xiàn)場(chǎng)隔離時(shí)間t2，s。遠(yuǎn)程隔離時(shí)間為工作人員遙控最鄰近故障點(diǎn)的“三遙”終端的時(shí)間；現(xiàn)場(chǎng)隔離時(shí)間為檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)操作開關(guān)恢復(fù)故障區(qū)上游負(fù)荷供電的時(shí)間。

3）負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)間t3包括遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)供時(shí)間t3，r和現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)供時(shí)間t3，s。遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)供時(shí)間為工作人員遙控故障隔離區(qū)下游裝有“三遙”終端的聯(lián)絡(luò)開關(guān)的時(shí)間；現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)供時(shí)間為檢修人員操作故障點(diǎn)最鄰近的下游開關(guān)打開，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)的時(shí)間。

4）故障修復(fù)時(shí)間t4為檢修人員現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)故障的時(shí)間。

1.3 考慮智能終端設(shè)備配置的饋線分區(qū)

將具有共同入口開關(guān)的元件劃分為一個(gè)饋線分區(qū)，內(nèi)部不含開關(guān)裝置的饋線分區(qū)稱為最小隔離區(qū)［15］，同一最小隔離區(qū)的元件故障影響相同。根據(jù)故障發(fā)生時(shí)相對(duì)故障區(qū)的位置，可以將各最小隔離區(qū)進(jìn)一步劃分。以圖2 所示的配電系統(tǒng)饋線分區(qū)為例，根據(jù)定義，其被劃分為6 個(gè)最小隔離區(qū)，當(dāng)區(qū)域D3發(fā)生故障時(shí)，分析不同分區(qū)的類型。

1）故障區(qū)（區(qū)域D3）。將故障元件所屬的最小隔離區(qū)定義為故障區(qū)，故障區(qū)域停電時(shí)間為T。

2）正常區(qū)（區(qū)域D1）。正常區(qū)指在故障區(qū)的上游區(qū)域中，通過級(jí)差保護(hù)與故障區(qū)快速隔離的最小隔離區(qū)，停電時(shí)間近似為0。

3）上游隔離區(qū)（區(qū)域D2）。上游隔離區(qū)為從故障區(qū)入口開關(guān)所連接的另一最小隔離區(qū)到正常區(qū)之間的區(qū)域。停電時(shí)間因其入口開關(guān)和故障區(qū)入口開關(guān)配置的多模塊智能終端類型不同而不同。若上游隔離區(qū)和故障區(qū)的入口開關(guān)至少一處配置“二遙”終端或未配置終端，則其停電時(shí)間為故障隔離時(shí)間t2（都需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作開關(guān)分合）；若上游隔離區(qū)入口開關(guān)和故障區(qū)入口開關(guān)均配置“三遙”終端，停電時(shí)間為遠(yuǎn)程故障隔離時(shí)間t2，r。

4）聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供區(qū)（區(qū)域D4—D6）。聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供區(qū)定義為發(fā)生故障后可以通過下游聯(lián)絡(luò)線路轉(zhuǎn)供恢復(fù)供電的區(qū)域。聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供區(qū)停電時(shí)間因其入口開關(guān)配置的多模塊智能終端類型不同而不同。若聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供區(qū)的入口開關(guān)配置“二遙”終端或未配置終端，則停電時(shí)間為負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)間t3（對(duì)應(yīng)區(qū)域D5、D6）；若聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供區(qū)的入口開關(guān)配置了“三遙”終端，則停電時(shí)間為遠(yuǎn)程負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)間t3，r（對(duì)應(yīng)區(qū)域D4）。此外，若聯(lián)絡(luò)線無法將故障區(qū)下游負(fù)荷全部轉(zhuǎn)供，則被削減的負(fù)荷停電時(shí)間為故障處理時(shí)間T。

總之，進(jìn)行上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析可以降低可靠性評(píng)估的復(fù)雜程度，減少分析的工作量。

2 配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端設(shè)備配置協(xié)同優(yōu)化模型

2.1 協(xié)同優(yōu)化框架

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端設(shè)備配置的協(xié)同優(yōu)化框架如圖3 所示，協(xié)同優(yōu)化即在進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃的同時(shí)，將多模塊智能終端設(shè)備的規(guī)劃納入優(yōu)化過程。實(shí)現(xiàn)方法是將多模塊智能終端設(shè)備的部署費(fèi)用加入網(wǎng)架規(guī)劃的適應(yīng)度函數(shù)中進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，最后得到整體的優(yōu)化方案。

圖3 網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端配置協(xié)同優(yōu)化框架Fig.3 Grid planning and MIT configuration collaborative optimization framework

在下層規(guī)劃中，通過對(duì)智能終端設(shè)備組成模塊進(jìn)行選擇來確定終端的類型（“二遙”或“三遙”）以及是否配備繼電保護(hù)模塊；通過級(jí)差保護(hù)的配置位置來確定其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；通過配電網(wǎng)可靠性約束的程度來確定自動(dòng)化控制模式（集中式或智能分布式）以及終端的數(shù)量和位置。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃層1）目標(biāo)函數(shù)。

網(wǎng)架規(guī)劃層以網(wǎng)架建設(shè)和多模塊智能終端設(shè)備部署的年綜合費(fèi)用F最小為目標(biāo)函數(shù)，具體表達(dá)式如下：

式中：FU為上層規(guī)劃的年總費(fèi)用；FL為下層規(guī)劃的年總費(fèi)用；Cline，inv為網(wǎng)架建設(shè)的投資費(fèi)用等年值，包括新建線路和聯(lián)絡(luò)線路；Cline，main為配電網(wǎng)的運(yùn)維費(fèi)用；γ為貼現(xiàn)率；m為線路的使用年限；下標(biāo)i和j為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)；xij為表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的線路是否投建的0-1 變量，xij=1 表示投建，xij=0 表示不投建；Lij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的線路的長(zhǎng)度；cline為單位長(zhǎng)度線路的建設(shè)費(fèi)用；μ為線路運(yùn)維費(fèi)用占投資的比例。

2）約束條件。

（1）潮流約束。

采用潮流計(jì)算來校驗(yàn)生成網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)電壓和各條線路的負(fù)載率是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡(luò)連通性與開環(huán)運(yùn)行約束。

配電網(wǎng)必須對(duì)所有負(fù)荷點(diǎn)供電，避免出現(xiàn)孤島和成環(huán)的現(xiàn)象。每條饋線均能通過唯一的聯(lián)絡(luò)線路與其他饋線進(jìn)行站間聯(lián)絡(luò)。

2.2.2 多模塊智能終端配置層

1）目標(biāo)函數(shù)。

多模塊智能終端配置的目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)可靠性需求的前提下，使終端建設(shè)的總費(fèi)用最低，包括智能終端設(shè)備的年綜合費(fèi)用FMITD以及在此終端配置方案下每年停電造成的損失費(fèi)用Ffail，目標(biāo)函數(shù)具體表達(dá)式如下：

相關(guān)費(fèi)用的計(jì)算公式如下。

（1）多模塊智能終端設(shè)備年綜合費(fèi)用。

式中：CMITD，inv為多模塊智能終端設(shè)備的投資費(fèi)用等年值；CMITD，main為多模塊智能終端設(shè)備的運(yùn)行維修費(fèi)用；nr為配置繼電保護(hù)模塊終端的數(shù)量；ns2和ns3分別為“二遙”和“三遙”終端的數(shù)量；cr為保護(hù)模塊的投資費(fèi)用現(xiàn)值；cs2和cs3分別為“二遙”和“三遙”終端的投資費(fèi)用現(xiàn)值；p為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)使用年限；σ為投資回收率；α為終端運(yùn)維費(fèi)用占投資的比例。

（2）每年停電造成的損失費(fèi)用。

式中：Nc為系統(tǒng)中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Pk為系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k的平均負(fù)荷；TOFFk為系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k的年平均停電時(shí)間；R為單位停電損失費(fèi)用。

2）約束條件。

供電可靠性是配電系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、檢修等環(huán)節(jié)技術(shù)的綜合體現(xiàn)。系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo)（average service availability index，ASAI）是配電系統(tǒng)可靠性的重要評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中：δASAI為某種多模塊智能終端配置模式下的系統(tǒng)ASAI值；Uk為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k的年平均停電時(shí)間；Nk為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k所連的用戶數(shù)；δASAI0為規(guī)劃要求的可靠性水平。

3 模型求解方法

3.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃層求解步驟

本文的網(wǎng)架規(guī)劃問題采用收斂速度快的粒子群優(yōu)化算法求解，為了降低在尋優(yōu)過程中不可行解的數(shù)量，提高尋優(yōu)效率，借鑒圖論中避圈法的思想初始化生成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而保證每次產(chǎn)生的解是可行的。配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃層編碼方式與主要求解思路見文獻(xiàn)［16］，本文不再贅述。

3.2 多模塊智能終端層求解步驟

本文下層模型采用整數(shù)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，粒子每一維的取值范圍有1—6 這6 個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)圖2 中的6 類分段開關(guān)類型。每條建設(shè)線路的始端可以選擇性地配置終端，每個(gè)粒子的維度等于配電網(wǎng)建設(shè)的線路數(shù)量。粒子的適應(yīng)度函數(shù)值采用2.2.2節(jié)構(gòu)建的終端建設(shè)總費(fèi)用。

主要求解思路如下。

1）根據(jù)上層傳遞的線路建設(shè)方案進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷，生成輻射形邏輯關(guān)系矩陣。

2）判斷線路首端和終端類型進(jìn)行饋線分區(qū)。將分區(qū)看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若分區(qū)內(nèi)無線路則故障率為0，若分區(qū)內(nèi)有線路則計(jì)算其作為節(jié)點(diǎn)的故障影響。

3）遍歷劃分的饋線分區(qū)，尋找含聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分區(qū)，并確定與之相連的分區(qū)號(hào)與終端類型。

4）存儲(chǔ)故障時(shí)各分區(qū)停電時(shí)間，計(jì)算可靠性和停電損失費(fèi)用，判斷是否滿足可靠性約束條件，并更新粒子群。

上下2 層模型交替迭代，直至滿足上層粒子群優(yōu)化算法的收斂條件，制定出最優(yōu)的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和多模塊智能終端規(guī)劃方案。

4 算例分析

4.1 配置不同類型終端的費(fèi)用及可靠性對(duì)比

1）算例概況。

本文算例采用IEEE RBTS BUS-2 配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)共有4 條出線，分別形成2 組單環(huán)網(wǎng)，其中各個(gè)元件的具體參數(shù)、可靠性相關(guān)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)［17］。各類智能終端的參數(shù)如下：故障修復(fù)時(shí)間為4 h；未配置終端時(shí)，故障查找與人工隔離故障時(shí)間之和為3 h，繼電保護(hù)裝置的故障切除時(shí)間忽略不計(jì)，安裝“二遙”終端后，自動(dòng)故障查找與人工隔離故障時(shí)間為1 h，安裝“三遙”終端后，自動(dòng)隔離故障和恢復(fù)供電時(shí)間為0.05 h；僅配置繼電保護(hù)模塊智能終端0.7萬元／組，“二遙”終端1萬元／組，“三遙”終端5 萬元／組；多模塊智能終端的運(yùn)維費(fèi)用按投資費(fèi)用的3%計(jì)，單位停電損失費(fèi)用為20元／（kW·h）。

2）算例結(jié)果與分析。

為了驗(yàn)證保護(hù)與自動(dòng)化相互配合能夠進(jìn)一步提高配電網(wǎng)可靠性，設(shè)計(jì)了如下3 種方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，可靠性指標(biāo)約束為99.94%。方案1，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)架配置級(jí)差保護(hù)；方案2，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)架配置不安裝繼電保護(hù)模塊的智能終端；方案3，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)架配置多模塊智能終端。分別計(jì)算3 種方案下滿足可靠性約束、費(fèi)用最低的終端配置方案。3 種方案的配置結(jié)果分別見附錄A 圖A1—A3，其成本及可靠性指標(biāo)見表1。

表1 方案1—3費(fèi)用和供電可靠性比較Table 1 Comparison of cost and power supply reliability among Case 1，2 and 3

分析表1 中數(shù)據(jù)可知，雖然僅配置繼電保護(hù)的多模塊智能終端設(shè)備年綜合費(fèi)用FMITD最低，但是每年停電造成的損失費(fèi)用Ffail最高。加入自動(dòng)化終端后，盡管方案2和方案3的多模塊智能終端設(shè)備年綜合費(fèi)用較方案1 有所增加，但隨著二次設(shè)備功能多樣性的提升，人工現(xiàn)場(chǎng)操作次數(shù)減少，每年停電造成的損失費(fèi)用因停電時(shí)間的縮短而下降，因而年綜合費(fèi)用明顯降低。與方案2相比，方案3中繼電保護(hù)與自動(dòng)化終端相結(jié)合，可以進(jìn)一步縮短故障隔離時(shí)間，面對(duì)同樣的可靠性約束，減少高成本終端的數(shù)量，可以找到年綜合費(fèi)用更低的方案。

進(jìn)一步分析3 種方案下的終端布局結(jié)果。與方案1 相比，方案2 和方案3 下終端的數(shù)量更少。為滿足可靠性約束，方案1 下分段開關(guān)幾乎均配置繼電保護(hù)，由于各饋線上最小隔離區(qū)內(nèi)線路總長(zhǎng)度相差不多，級(jí)差保護(hù)較為均勻地配置在分段開關(guān)上，未配置保護(hù)的線路24 處于饋線末端，其保護(hù)的配置與否對(duì)系統(tǒng)整體可靠性影響不大，因此難以通過配置繼電保護(hù)進(jìn)一步提高方案1 的可靠性。受光纖布置成本影響，方案2 靠近電源的分段開關(guān)均配置“三遙”終端，遠(yuǎn)離電源的位置根據(jù)經(jīng)濟(jì)性與可靠性需求選擇性地配置“二遙”終端。方案3 由于各饋線出口的斷路器已配置帶級(jí)差保護(hù)的“三遙”終端且可靠性約束較易滿足，故其下一處“三遙”終端未配置級(jí)差保護(hù)而將級(jí)差保護(hù)配置在線路的中間位置。與方案2相比，方案3 下線段14 上帶級(jí)差保護(hù)的“二遙”終端替代了“三遙”終端。故障發(fā)生后，“二遙”終端與繼電保護(hù)結(jié)合使其所處的最小隔離區(qū)開關(guān)可以依級(jí)差保護(hù)原則斷開，但不可被遙控參與故障隔離，因此可配置在饋線較短且上游故障次數(shù)較低的區(qū)域后。線段34 上僅配置級(jí)差保護(hù)的終端替代了“二遙”終端，這是因?yàn)榫€段34 處于饋線末端且饋線較短，其發(fā)生故障后的快速隔離可以降低整條饋線的停電時(shí)間。

4.2 一二次順序規(guī)劃與協(xié)同規(guī)劃對(duì)比

為驗(yàn)證本文所提配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端配置協(xié)同優(yōu)化方法的有效性，對(duì)協(xié)同規(guī)劃與順序規(guī)劃在同一算例下的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。將某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)作為算例系統(tǒng)，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及各負(fù)荷點(diǎn)類型、線路及節(jié)點(diǎn)信息見文獻(xiàn)［18］，線路建設(shè)成本為15萬元／km、饋線故障率為0.065次／（a·km），網(wǎng)架的運(yùn)維費(fèi)用按投資費(fèi)用的4%計(jì)。智能終端設(shè)備參數(shù)與4.1 節(jié)相同。待規(guī)劃配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見附錄A 圖A4?？煽啃约s束為99.94%，單位停電損失費(fèi)用為20元／（kW·h）時(shí)設(shè)置如下2種方案：第一種方案采用順序規(guī)劃，即先進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃，再在規(guī)劃得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)網(wǎng)架的基礎(chǔ)上，進(jìn)行級(jí)差保護(hù)與自動(dòng)化終端的配置；第二種方案采用協(xié)同規(guī)劃，即采用本文所提方法，一次網(wǎng)架與二次設(shè)備共同規(guī)劃。分別計(jì)算2 種方案在滿足可靠性約束下總費(fèi)用最低的規(guī)劃結(jié)果，順序規(guī)劃和協(xié)同規(guī)劃的規(guī)劃結(jié)果分別如圖4（a）、（b）所示。需要說明的是，圖中所有斷路器已配置帶級(jí)差保護(hù)“三遙”終端，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已配置“三遙”終端。

圖4 不同方案的規(guī)劃結(jié)果Fig.4 Planning results of different cases

順序規(guī)劃和協(xié)同規(guī)劃的費(fèi)用與供電可靠性比較如表2 所示。通過對(duì)比表中的結(jié)果可知，順序規(guī)劃先以網(wǎng)架規(guī)劃費(fèi)用最小為目標(biāo)建設(shè)線路，故網(wǎng)架投資年費(fèi)低于協(xié)同規(guī)劃。然而網(wǎng)架總長(zhǎng)度最短，線路的布局不一定最合理，需要增加智能終端投資費(fèi)用以滿足可靠性約束，故多模塊智能終端設(shè)備年綜合費(fèi)用較高。協(xié)同規(guī)劃以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)，不拘于線路總長(zhǎng)度，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與終端之間相互影響，在滿足可靠性約束的同時(shí)盡量降低了綜合費(fèi)用。

表2 順序規(guī)劃和協(xié)同規(guī)劃費(fèi)用與供電可靠性比較Table 2 Comparison of cost and power supply reliability between sequential planning and collaborative planning

進(jìn)一步分析規(guī)劃結(jié)果。順序規(guī)劃中饋線C、D總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致一條線段故障后影響范圍大，這是降低可靠性的主要原因，進(jìn)行終端規(guī)劃時(shí)需要將較多配置高的智能終端配置在饋線C、D 上，而協(xié)同規(guī)劃中待建線路較為均勻地分配給各條饋線。此外，2種方案在主干線的分支處多配置“三遙”終端隔離故障，并在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的容量范圍內(nèi)配置“三遙”終端與聯(lián)絡(luò)開關(guān)相配合。對(duì)于較長(zhǎng)的饋線段，其前后均應(yīng)該配置“三遙”終端隔離故障。由饋線的級(jí)差保護(hù)布局可以看出，靠近電源的分支要求在故障發(fā)生后及時(shí)與主干斷開，減小其故障影響范圍，若該分支較短、所帶負(fù)荷重要性較低，可以不配置“三遙”終端而用繼電保護(hù)代替。此外，一條饋線上的繼電保護(hù)模塊不宜配置過多，避免出口斷路器上的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。

5 結(jié)論

本文研究了考慮保護(hù)與自動(dòng)化相配合的二次設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)可靠性和網(wǎng)架規(guī)劃的影響，提出了一種配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃與多模塊智能終端配置聯(lián)合優(yōu)化方法，通過算例分析進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

1）對(duì)于給定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可靠性主要受二次設(shè)備配置情況的影響。在二次設(shè)備規(guī)劃中，不同方案之間可以找到兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性的配置結(jié)果。具有繼電保護(hù)功能的“二遙”終端在一定程度上減少了“三遙”終端的配置數(shù)量，因此在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)充分考慮保護(hù)與自動(dòng)化在故障處理過程中的配合，這樣能夠有效降低設(shè)備配置成本，提高供電可靠性。

2）對(duì)于可靠性要求較高的規(guī)劃區(qū)域，基于規(guī)劃導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)架規(guī)劃的同時(shí)加入對(duì)多模塊智能終端的配置，考慮線路負(fù)荷水平和可靠性需求進(jìn)行兩者的協(xié)同優(yōu)化，這樣能夠在保證可靠性要求的同時(shí)降低網(wǎng)架規(guī)劃費(fèi)用和終端配置費(fèi)用，并使配電網(wǎng)管理智能化。

本文在計(jì)算可靠性時(shí)主要考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒K端配置對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，后續(xù)將考慮終端設(shè)備故障以及通信鏈路失效下的配電網(wǎng)可靠性，并進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃。此外，研究分布式電源接入后三者的規(guī)劃問題也是后續(xù)的工作重點(diǎn)。

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