考慮集中式FTU 控制的饋線自動化系統(tǒng)可靠性分析模型

周 銳,夏俊雅,侯宜祥,鄭安豫

（1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學院 電力工程系,安徽 合肥 230051;2.中國建材檢驗認證集團安徽有限公司,安徽 合肥 230051）

配電網(wǎng)是直接向商業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民等各類用戶直接供電的網(wǎng)絡,其供電可靠性直接影響用戶體驗。 據(jù)統(tǒng)計,80%的停電是由配電網(wǎng)故障引起的,因此研究配電網(wǎng)可靠性的影響因素對減少停電次數(shù)、縮小停電范圍和減少經(jīng)濟損失至關(guān)重要[1-2]。

饋線自動化可以實現(xiàn)自動隔離故障區(qū)域,恢復非故障區(qū)域供電,提高供電可靠性等目標[3]。 具有集中式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng),通過饋線終端（FTU） 可實現(xiàn)對配電網(wǎng)的自動控制。 FTU 的測控功能、配電網(wǎng)的控制策略、一次設備的可靠性等都是影響配電網(wǎng)可靠性的主要因素。 目前配電網(wǎng)可靠性的相關(guān)研究較多,比如:文獻[4]對復雜放射式配電網(wǎng)提出了可靠性計算的遍歷搜索方法;文獻[5]采用分塊算法,同塊元件具有相同的停電邏輯,減少了遍歷搜索時間;文獻[6]提出了一種面向一次設備的配電網(wǎng)可靠性模型。 但是,以上文獻均沒有考慮饋線自動化系統(tǒng)對配電網(wǎng)可靠性的影響。

文獻[1]初步考慮了自動控制裝置的影響,將動作過程分為自動和人工兩部分;文獻[4]提出了考慮配電網(wǎng)自動化特點的復雜配電網(wǎng)可靠性遍歷方法;文獻[7]考慮了自動控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)、控制中心的可靠度對配電網(wǎng)可靠性指標的影響;文獻[8]在進行負荷分類時,考慮了FTU 的因素。 以上文獻均考慮了饋線自動化系統(tǒng)但并不充分,比如沒有考慮“三遙”系統(tǒng)失效的類型,也沒有涉及饋線自動化系統(tǒng)的定位功能。 文獻[9]考慮了FTU 失效的情況,以及饋線自動化系統(tǒng)的輔助定位功能,但對饋線的控制策略分析不充分,且采用停電時間劃分負荷類型,算法過于復雜。

本研究在細分FTU“三遙”系統(tǒng)失效模型的基礎上,根據(jù)饋線自動化系統(tǒng)的隔離、定位功能,對負荷劃分區(qū)域,針對不同控制策略,考慮二次系統(tǒng)故障情況,采用負荷遍歷、時間疊加方法,統(tǒng)計得到各個負荷、系統(tǒng)的可靠性指標。 本研究充分考慮了饋線自動化的功能、故障、控制策略等因素,適用于復雜配電網(wǎng)絡。

1 集中式饋線自動化工作原理及其可靠性假設

1.1 集中式饋線自動化工作原理

集中式饋線自動化工作原理見圖1。 如圖1 所示,如果線路出現(xiàn)故障,FTU 將各個開關(guān)的信息通過通信系統(tǒng)送入控制主站,主站判斷故障區(qū)段,發(fā)信號至相應FTU,FTU 斷開故障區(qū)域兩側(cè)開關(guān),閉合出線開關(guān)和聯(lián)絡開關(guān)實現(xiàn)故障區(qū)段隔離,恢復非故障區(qū)域正常供電。

圖1 集中式饋線自動化工作原理Fig.1 Working principle of centralized feeder automation

要使自動控制系統(tǒng)正常工作,就要求主站、通信網(wǎng)絡、FTU、開關(guān)均可靠。 主站可用度為Ams,網(wǎng)絡可用度為Aaccm（Ams與Aaccm根據(jù)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到） 。

1.2 集中式饋線自動化模型分析假設

1） 適用于電壓為10 ～35 kV 的架空線路且中性點不接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)。

2） 元件采用兩種狀態(tài)（運行/停運） 表示,考慮重合器和斷路器完全可靠的情況,不考慮計劃檢修情況。

3） 只考慮元件單一故障,不考慮疊加故障,停電率、修復率、故障率等參數(shù)為常數(shù),不受元件已工作時間的影響。

4） 元件平均工作時間和平均修復時間符合指數(shù)分布。

5） 忽略饋線自動化裝置的自動切換時間。

2 FTU 的可靠性模型分析

FTU 一般設置“三遙”或“二遙”功能。 主站通過兩個相鄰開關(guān)的遙測信息判斷故障區(qū)域,靠遙控功能隔離故障區(qū)域。 分析故障兩側(cè)FTU“三遙”失效的情況,終端運行狀態(tài)的具體分析結(jié)果見表1。

表1 終端運行狀態(tài)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of terminal operation status

對基于集中式饋線自動化的配電網(wǎng),建立故障后狀態(tài)區(qū)域劃分及故障后饋線自動化動作的可靠性模型。

2.1 故障后狀態(tài)區(qū)域的劃分

在配電網(wǎng)中配置自動化程度不同的開關(guān)元件,根據(jù)集中式饋線自動化系統(tǒng)的工作邏輯和各種開關(guān)的動作特性,將饋線自動化動作過程中的配電網(wǎng)分成若干區(qū)域。

2.1.1 自動定位區(qū)

自動定位區(qū)是主站通過遙測信息確定的故障元件區(qū)域。 故障后靠近周圍所有遙測開關(guān)的正常區(qū)域為基本自動定位區(qū),該定位區(qū)邊界如有遙測開關(guān)失效的情況,則由下一級遙測開關(guān)定位,為擴大自動定位區(qū)。

2.1.2 自動隔離區(qū)

可以通過遙控隔離故障的區(qū)域為自動隔離區(qū)。 故障后靠近周圍遙控開關(guān)的正常區(qū)域為基本自動隔離區(qū)。 如基本自動隔離區(qū)邊界遙控開關(guān)失效,則靠下一級遙控開關(guān)隔離,為擴大自動隔離區(qū)。

2.1.3 手動隔離區(qū)

手動隔離區(qū)為手動操作可以隔離故障的最小區(qū)域。

2.1.4 自動停電區(qū)

自動停電區(qū)初始區(qū)域為自動隔離區(qū)。 自初始區(qū)域的各邊界開關(guān)往外圍查找（原電源方向除外） 直至末端負荷,如在該方向查找到聯(lián)絡開關(guān),則該方向邊界回到初始開關(guān)處,如果未發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡開關(guān),則將該方向邊界移至負荷末端。

2.1.5 手動停電區(qū)

手動停電區(qū)初始區(qū)域為手動隔離區(qū)。 自初始區(qū)域的各邊界往外圍查找（原電源方向除外） 直至末端負荷,如在該方向查找到聯(lián)絡開關(guān),則該方向邊界回到初始開關(guān)處,如果未發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡開關(guān),則將該方向邊界移至負荷末端。

2.1.6 定位停電區(qū)

定位停電區(qū)初始區(qū)域為自動定位區(qū)。 自初始區(qū)域的各邊界開關(guān)往外圍查找（原電源方向除外） 直至末端負荷,如在該方向查找到聯(lián)絡開關(guān),則該方向邊界回到初始開關(guān)處,如果未發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡開關(guān),則將該方向邊界移至負荷末端。

2.2 故障后饋線自動化系統(tǒng)動作模型

集中式饋線自動化系統(tǒng)動作分3 個過程:故障定位、故障隔離、故障恢復。

2.2.1 故障定位

如配電網(wǎng)中編號為i的元件出現(xiàn)故障,則從i元件向上、下游遍歷,直至找到故障定位開關(guān),作為故障定位邊界區(qū)域。 該方向沒有終端故障即基本自動定位區(qū);有終端故障即擴展自動定位區(qū)。 考慮單一故障形式,設基本自動定位區(qū)域邊界有“二遙” 開關(guān)x個、“三遙” 開關(guān)y個、其余開關(guān)z個,則i元件出現(xiàn)故障以后總的自動定位狀態(tài)有x+y+1 個。i元件出現(xiàn)故障以后,向上、下游遍歷找到故障隔離開關(guān),若無終端故障則該方向為基本自動隔離區(qū)域。 如果某個終端隔離失敗,則向外遍歷下一個隔離終端。 設基本自動隔離開關(guān)有y+z個,則i元件出現(xiàn)故障以后總的開關(guān)定位狀態(tài)有y+z+ 1 個。

2.2.2 故障隔離

饋線自動化形成自動隔離區(qū)即自動停電區(qū)域,故障在自動定位區(qū),自動隔離區(qū)域大于或等于自動定位區(qū)域。

人工在自動定位區(qū)中查找元件的確定位置,若有聯(lián)絡開關(guān)則對自動定位區(qū)手動停電,形成手動隔離區(qū),停電范圍縮小到手動隔離區(qū),手動隔離區(qū)小于或等于自動定位區(qū)且小于或等于自動隔離區(qū)。 當自動定位區(qū)各邊界均有聯(lián)絡開關(guān)時,自動定位區(qū)等于手動定位區(qū)。

2.2.3 故障恢復

自動停電區(qū)總負荷數(shù)Nz,區(qū)內(nèi)lz個變壓器;手動停電區(qū)總負荷數(shù)Ns,區(qū)內(nèi)ls個變壓器;定位停電區(qū)總負荷數(shù)Nd,區(qū)內(nèi)ld個變壓器。

根據(jù)恢復過程的不同采取如下4 種策略,計算所有負荷總停電時間Tall。

1） 饋線自動化形成隔離故障區(qū),恢復非故障區(qū)域供電,形成自動隔離區(qū),耗時t1（故障自動定位隔離時間） ,停電區(qū)域即自動停電區(qū)。 在自動定位區(qū)中進行人工檢修,排查故障,確定故障元件,該過程耗時t2（故障查找時間） 。 修復故障元件,耗時t3（故障修復時間） 。 故障解除后,恢復自動隔離區(qū),耗時t5,最終全部恢復供電。 公式如下:

2） 饋線自動化形成自動隔離區(qū),耗時t1（該過程與策略1 相同） ;在自動定位區(qū)域內(nèi)查找到具體故障,耗時t2（故障排查時間） ;手動開關(guān)形成手動隔離區(qū),恢復自動隔離區(qū)內(nèi)、手動隔離區(qū)外的故障范圍供電,耗時t′4（手動切換時間） 。 以上過程停電區(qū)域為自動停電區(qū),至t′4動作結(jié)束,停電區(qū)域變?yōu)槭謩油ｋ妳^(qū)。 修復自動定位區(qū)已查找到的故障,耗時t3（故障修復時間） ,再恢復手動故障定位區(qū),恢復正常供電,耗時t″4。 公式如下:

3） 饋線自動化形成自動隔離區(qū),耗時t1;判斷自動隔離區(qū)與自動定位區(qū)是否重合,如重合按照策略2 進行,如不重合則手動斷開自動定位區(qū)邊界開關(guān),恢復自動隔離區(qū)內(nèi)、自動定位區(qū)外區(qū)域的供電,耗時t4。 至此,停電區(qū)域為自動停電區(qū)。 在自動定位區(qū)中查找到具體故障元件,耗時t2。 手動開關(guān)形成手動隔離區(qū),恢復自動定位區(qū)內(nèi)、手動隔離區(qū)外的區(qū)域供電,耗時t′4。 至此,停電范圍為定位停電區(qū)。 修復故障,耗時t3;手動開關(guān),恢復手動隔離區(qū)的供電,恢復正常供電,耗時t″4。 至此,停電區(qū)域為手動停電區(qū)。 公式如下:

4） 饋線自動化形成自動隔離區(qū),耗時t1;判斷自動隔離區(qū)與自動定位區(qū)是否重合,如重合按照策略1 進行,如不重合則斷開自動定位區(qū)邊界開關(guān),恢復自動定位區(qū)與自動隔離區(qū)中間區(qū)域供電,耗時t4。 至此,停電范圍為自動停電區(qū)。 在自動定位區(qū)中查找到具體故障元件,耗時t2;修復故障,耗時t3;手動開關(guān),恢復手動隔離區(qū)的供電,恢復正常供電,耗時t′4。 該過程停電范圍為定位停電區(qū)。 公式如下:

在以上動作過程中對時間進行分析,假設單個元件平均故障查找時間為t1,則N個元件的故障查找時間期望為t2=N×t1。t3為故障元件修復時間,取變壓器的平均故障修復時間和輸電線路的平均故障修復時間。t4為手動恢復或停電時間,與需要手動恢復或者停電的開關(guān)數(shù)成正比。 假設手動恢復供電需要操作一個開關(guān)的時間為T2,則手動恢復M個開關(guān)需要的操作時間是t4=T2×M。t5為電動恢復供電的時間。

3 系統(tǒng)可靠性的算法實現(xiàn)

3.1 對系統(tǒng)編程預處理

為方便分析,對系統(tǒng)開關(guān)、元件分別進行編號,開關(guān)取S1、S2、S3……依次編號,其他元件主要是變壓器和輸電線路,取1、2、3……依次編號。 某節(jié)點為子節(jié)點,沿電源方向前推為父節(jié)點,電源供電斷路器支路為主干線,其他線路為分支線。 父節(jié)點和子節(jié)點的概念適用于分支線和主干線。 編號原則為同一支路始終保證父節(jié)點的編號大于子節(jié)點。 遍歷元件時按編號從小到大的順序,停電區(qū)遍歷聯(lián)絡開關(guān)按照編號從小到大的順序。 配電網(wǎng)示意圖見圖2。

圖2 配電網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution network

3.2 可靠性指標的算法

元件出現(xiàn)故障后,饋線自動化各種動作結(jié)束直至穩(wěn)定運行。 某元件故障,元件父節(jié)點方向至最近一級遙控開關(guān)范圍內(nèi)負荷不受影響,父節(jié)點方向最近一級遙控開關(guān)至反方向元件停電,則負荷點的停電頻率為

式中:1～l為父節(jié)點方向最近一級遙控開關(guān)至反方向的元件編號;fi為i元件的故障率;fl為負荷的停電率。

年停電時間和平均停電持續(xù)時間根據(jù)具體策略進行分析。 本研究主要討論系統(tǒng)的可靠性指標,主要包括系統(tǒng)平均停電時間與系統(tǒng)平均停電頻率。

4 算例

對照文獻[4] 驗證本算法的正確性,文獻[4] 不考慮開關(guān)故障因素,所有開關(guān)均為“三遙” 開關(guān),不考慮饋線自動化的定位功能,僅考慮其隔離功能。 本算法考慮與文獻[4] 相同的影響因素,計算結(jié)果如表2 所示。

表2 計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of calculation results

對圖2 進行分析,參數(shù)見表3 與表4。 饋線自動化系統(tǒng)可靠性參數(shù)采用文獻[4] 的數(shù)據(jù)。 表1 中,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)絡可用度Aaccm=0.97,網(wǎng)絡開關(guān)可靠率PSW= 0.99。

表3 負荷基本參數(shù)Tab.3 Basic load parameters

表4 圖2 中元件參數(shù)Tab.4 Component parameters in Figure 2

4.1 動作策略對配電網(wǎng)可靠性指標的影響

不考慮饋線自動化故障和聯(lián)絡開關(guān)切換順序,僅考慮控制策略不同,情況1、2、3、4 分別對應上文中控制策略1、2、3、4,計算結(jié)果如表5 所示。

表5 動作策略對配電網(wǎng)可靠性影響分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of influence of action strategy on distribution network reliability

策略2 比策略1 增加了手動隔離區(qū)邊界開關(guān)的手動切換時間,而且對于手動隔離區(qū)外、自動隔離區(qū)內(nèi)的設備,減少了故障元件停電時間,該停電總時間與動作開關(guān)個數(shù)、自動隔離區(qū)內(nèi)負荷數(shù)有關(guān),變壓器、輸電線路元件的修復時間大于手動切換時間。 綜合考慮,策略2 比策略1 可靠性提高。 策略3 比策略2 增加了自動定位區(qū)邊界開關(guān)手動切換時間,對于自動定位區(qū)外、自動隔離區(qū)內(nèi)的負荷,停電時間縮短為手動開關(guān)切換時間。 綜合考慮,策略3 比策略2 可靠性提高。 策略4 比策略3 減少了手動隔離區(qū)開關(guān)切換時間,但對于手動隔離區(qū)外、自動定位區(qū)內(nèi)的負荷,增加了故障查找時間。 策略4 比策略1 增加了自動定位區(qū)邊界開關(guān)動作時間,對于自動定位區(qū)外、自動隔離區(qū)內(nèi)的負荷,停電時間由故障查找檢修時間縮短為邊界開關(guān)的動作時間。 策略4 與策略2 相比,對于自動定位區(qū)外、自動隔離區(qū)內(nèi)的負荷,停電時間由故障查找時間縮短到邊界開關(guān)的動作時間,但對于手動隔離區(qū)外、自動定位區(qū)內(nèi)的負荷,停電時間由故障查找時間增加到故障修復時間。

4.2 聯(lián)絡開關(guān)送電順序?qū)ε潆娋W(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標的影響

以上分析均未考慮饋線自動化系統(tǒng)動作過程中,自動停電隔離故障區(qū)域聯(lián)絡開關(guān)的送電順序。 如計及該影響,采用方法1 按照原供電電源方向依次合上聯(lián)絡開關(guān),即聯(lián)絡開關(guān)送電順序為聯(lián)絡開關(guān)3、聯(lián)絡開關(guān)2、聯(lián)絡開關(guān)1。 采用方法2 按照負荷數(shù)選擇送電順序,即送電順序為聯(lián)絡開關(guān)1、聯(lián)絡開關(guān)2、聯(lián)絡開關(guān)3。以上方法都采用策略1,計算結(jié)果見表6。

表6 聯(lián)絡開關(guān)送電順序?qū)ε潆娋W(wǎng)可靠性影響分析結(jié)果Tab.6 Analysis results of influence of power transmission sequence of tie switch on reliability of distribution network

分析表6 可知,合上聯(lián)絡開關(guān)恢復供電時,從負荷多到負荷少的動作有利于配電網(wǎng)可靠性指標的提高。

4.3 智能開關(guān)的功能和配置方式對配電網(wǎng)可靠性指標的影響

隨著遙控開關(guān)的增加,繼電保護設置更加復雜,線路誤動作概率提高,實際工作中應控制遙控開關(guān)的數(shù)量,因此本部分僅設置主干線上開關(guān)的變化。 設置方式1 為所有開關(guān)均只有“二遙”功能,設置方式2 為主干線所有開關(guān)都具有“三遙”功能,其他開關(guān)配置與圖2 相同,動作策略按照策略1,不考慮聯(lián)絡開關(guān)動作先后順序,設置方式3 為圖2 中的方式。 聯(lián)絡開關(guān)送電順序?qū)ε潆娋W(wǎng)可靠性影響分析結(jié)果見表7。

表7 聯(lián)絡開關(guān)送電順序?qū)ε潆娋W(wǎng)可靠性影響分析結(jié)果Tab.7 Analysis results of influence of power transmission sequence of tie switch on reliability of distribution network

由表7 可知,合理增加智能開關(guān)數(shù)量,特別是“三遙”開關(guān)數(shù)量,有利于提高系統(tǒng)的可靠性,但是由于繼電保護和安全性的制約,“三遙”開關(guān)數(shù)量不宜過多。

5 結(jié)語

本研究提出了一種考慮集中式FTU 控制的饋線自動化系統(tǒng)可靠性分析模型。 該模型計及集中式饋線自動化智能終端的故障概率,考慮了不同的控制策略,分析了集中式饋線自動化可靠性指標的影響因素,提供了一種集中式饋線自動化配電網(wǎng)絡可靠性指標的計算方法,在供電方式設計、開關(guān)配置、供電策略制定等方面有實際參考價值。