集中式饋線自動化配電網(wǎng)供電可靠性評估

陳根永, 高翔宇, 譚 超, 范旭光

(1.鄭州大學 電氣與信息工程學院,河南 鄭州 450001; 2.國網(wǎng)河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司,河南 新鄉(xiāng) 453000; 3.國網(wǎng)河南省電力公司寶豐縣供電公司,河南 平頂山 467400)

饋線自動化是配電自動化的一個重要組成部分,是提高配電網(wǎng)生產(chǎn)運行管理水平和提升供電可靠性的重要技術手段。已有部分文獻對饋線自動化技術在配電網(wǎng)可靠性評估中的應用進行了初步研究。Meng等[1]分析了饋線自動化對配電網(wǎng)可靠性的影響,但尚未建立相應的評估模型。商海濤等[2]通過建立集中式饋線自動化的可靠性評估模型,量化出集中式饋線自動化對配電網(wǎng)供電可靠性的影響。趙淵等[3]通過建立就地型饋線自動化的可靠性評估模型,量化出就地型饋線自動化對配電網(wǎng)供電可靠性的影響。向真等[4]分析了饋線自動化技術對配電網(wǎng)的影響,以故障分類為基礎,通過網(wǎng)絡等值法對配電網(wǎng)供電可靠性進行評估。目前,結(jié)合預安排停電和負荷轉(zhuǎn)供對含有饋線自動化的配電網(wǎng)進行可靠性評估的研究較少。

本文針對集中式饋線自動化,結(jié)合此模式下的基本原理[5]、設備配置和動作邏輯,依據(jù)相關技術指標,在故障模式后果分析法[6-7]的基礎上,考慮預安排檢修[8-9]和容量約束[8-10]的情況下,構(gòu)建出含集中式饋線自動化的配電網(wǎng)供電可靠性評估模型,從而給出采用集中式饋線自動化模式下對配電網(wǎng)供電可靠性影響的量化計算結(jié)果。

1 饋線自動化概述

1.1 集中式饋線供電恢復邏輯

集中式饋線自動化根據(jù)其運行方式可分為全自動方式和半自動方式。其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中式饋線自動化系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Figure 1 Overall architecture diagram of centralized feeder automation system

集中式饋線自動化的運行邏輯如下。圖1中,若饋線段4發(fā)生故障,出口斷路器跳閘且重合失敗,出口終端設備將故障過程中的遙測信息和遙信信息上傳至主站,主站基于故障定位算法[11-13],將故障點分段定位至FTU3和FTU4之間。定位成功后,對配備FTU3的開關通過人工操作進行故障隔離;對配備FTU4的開關通過系統(tǒng)遠程操作進行故障隔離。故障隔離后,主站向FTUB下發(fā)合閘命令,實現(xiàn)故障上游恢復供電;主站向FTU4下發(fā)合閘命令,實現(xiàn)故障下游恢復供電。

1.2 饋線終端功能

相比普通開關,自動化終端的配置主要靠縮短故障查找時間、隔離時間和負荷轉(zhuǎn)供時間來提升配電網(wǎng)的供電可靠性,具體表現(xiàn)在：具有遙信和遙測功能的二遙開關可以在很短的時間內(nèi)將故障信息傳輸至主站,同時給出聯(lián)絡開關和分段開關的工作方案,再由人工到現(xiàn)場進行倒閘操作,其中故障查找時間可忽略不計;三遙開關在遙測和遙信的基礎之上增加了遙控功能,可遠程控制開關動作,對應的線路故障查找時間、隔離時間和轉(zhuǎn)供時間均較小。

1.3 特征區(qū)域定義

由于故障停電是無法預知的,預安排停電是有計劃的,加之集中式饋線自動化的運行邏輯受饋線終端類型的影響,因此,不同停電狀態(tài)下(含故障停電和預安排停電)的特征區(qū)域存在較為明顯的差別。

含集中式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng)如圖2所示。

圖2 含集中式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng)Figure 2 Distribution network diagram with centralized feeder automation system

1.3.1 故障停電狀態(tài)下的特征區(qū)域

供電恢復過程中出現(xiàn)的特征區(qū)域如下。

(1)手動隔離區(qū)：指手動隔離故障元件的最小區(qū)域。

(2)基本自動定位區(qū)：以三遙或二遙開關為邊界通過遙測量確定故障元件區(qū)域。

(3)擴展自動定位區(qū)：如果基本自動定位區(qū)某邊界三遙或二遙開關失效,則以該失效三遙或二遙開關為起點,向上游或下游搜索三遙或二遙開關,此時基本自動定位區(qū)擴大為擴展自動定位區(qū)。

(4)基本自動隔離區(qū)：以三遙開關為邊界滿足故障自動隔離條件的最小區(qū)域。

(5)擴展自動隔離區(qū)：如果基本自動隔離區(qū)某邊界三遙開關失效,則該失效三遙開關上游或下游的三遙開關成為隔離故障的邊界開關,進而形成擴展自動隔離區(qū)。

若圖2中元件13發(fā)生故障,元件集合{12,13,14,22,T6}構(gòu)成手動隔離區(qū),元件集合{12,13,14,15,16,22,25,T6,T7}構(gòu)成基本自動隔離區(qū),若三遙終端S8失效,元件集合{3,4,5,10,11,12,13,14,15,16,22,25,T3,T5,T6,T7}構(gòu)成擴展自動隔離區(qū)。

1.3.2 預安排停電狀態(tài)下的特征區(qū)域

供電恢復過程中出現(xiàn)的特征區(qū)域如下。

(1)預安排隔離區(qū)：以保護開關為邊界,預安排停電隔離的最小區(qū)域。

(2)預安排恢復供電區(qū)：對于有聯(lián)絡通道的區(qū)域,以保護開關為邊界,滿足預安排轉(zhuǎn)供的區(qū)域,該區(qū)域預安排停電1次;對于無聯(lián)絡通道的區(qū)域,以保護開關為邊界,不滿足預安排轉(zhuǎn)供的區(qū)域,該區(qū)域預安排停電1次。

(3)正常供電區(qū)：以保護開關為邊界,在進行預安排檢修時,保護開關能可靠切斷負荷電流,供電不受影響。

若圖2中元件12進行預安排停電檢修,元件集合{12,13,14,22,T6 }構(gòu)成預安排隔離區(qū),元件集合{15,16,…,21,23,24,25,…,36,T7,T8,…,T18}構(gòu)成預安排恢復供電區(qū),元件集合{1,2,…,11,T1,T2,…,T5 }構(gòu)成正常供電區(qū)。

2 負荷區(qū)域分類

2.1 故障停電狀態(tài)下的負荷區(qū)域分類

故障發(fā)生后,考慮到集中式饋線自動化系統(tǒng)供電恢復邏輯的影響以及停電時間的不同,將負荷區(qū)域分為4大類。①A類區(qū)域處于開關設備上游,不受停電影響;②B類區(qū)域處于開關設備與自動隔離區(qū)之間;③C類區(qū)域處于自動隔離區(qū)下游,考慮到C類區(qū)域可能存在聯(lián)絡線的情況,其恢復供電情況往往較為復雜,因此根據(jù)C類區(qū)域元件與手動隔離區(qū)的相對位置,結(jié)合聯(lián)絡情況和切換類型,進一步將其細分為8個子類區(qū)域,如表1所示。④D類區(qū)域為自動隔離區(qū)本身,根據(jù)與手動隔離區(qū)的位置關系,結(jié)合聯(lián)絡情況和切換類型,進一步將其細分為5個子類區(qū)域,如表2所示。

表1 C類子區(qū)域劃分表Table 1 Area division results of class-C

表2 D類子區(qū)域劃分表Table 2 Area division results of class-D

2.2 預安排停電狀態(tài)下的負荷區(qū)域分類

類比故障停電,在預安排停電的情況下,將集中式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng)分為3類負荷區(qū)域。①E類區(qū)域位于正常供電區(qū),不受預安排停電影響;②F類區(qū)域位于預安排恢復供電區(qū),預安排停電1次,停電時間受聯(lián)絡情況和切換類型的影響,因此進一步將其細分為6個子類區(qū)域,如表3所示;③G類區(qū)域位于預安排隔離區(qū),預安排停電1次,停電時間為預安排停運時間,根據(jù)隔離區(qū)內(nèi)開關的切換類型,進一步將其細分為2個子類區(qū)域,如表4所示。

表3 F類子區(qū)域劃分表Table 3 Area division results of class-F

表4 G類子區(qū)域劃分表Table 4 Area division results of class-G

若圖2中元件12進行預安排停電檢修,E類區(qū)域元件集合為{1,2,…,11,T1,T2,…,T5 },F3類區(qū)域元件集合為{15,16,…,21,25,26,…,36,T1,T2,…,T9,T12,…,T18},F5類區(qū)域元件集合為{23,24,T10,T11},G2類區(qū)域元件集合為{12,13,14,22,T6}。

3 負荷點可靠性評估

3.1 各類負荷點供電恢復時間

3.1.1 故障停電

故障停電類負荷的供電恢復時間與故障后供電恢復策略相關。設t1為自動隔離時間、t2為自動切換時間、t3為故障查找時間、t4為手動隔離故障時間、t5為手動切換時間、t6為修復時間。本文供電恢復策略為①自動恢復B、C1和C2類區(qū)域供電,其中B類區(qū)域耗時為t1,C1與C2類區(qū)域耗時為t2;②工作人員定位故障位置,耗時為t3;③手動隔離定位故障后的區(qū)域形成手動隔離區(qū),繼而恢復C3、C5、C7、D1和D3類區(qū)域供電,耗時為t4;④對于存在聯(lián)絡通道的C4、C6及D2區(qū)域,通過手動的方式恢復供電,耗時為t5;⑤對于不存在聯(lián)絡通道的C8、D4及D5類區(qū)域,經(jīng)故障修復后恢復供電,耗時為t6。

通過集中式饋線自動化的輔助定位故障功能[2]縮短了故障查找時間。故障查找時間t3的計算公式為

(1)

式中：t7為人工查找故障所需時間;dg為形態(tài)為g的自動定位區(qū)內(nèi)元件的數(shù)量;K為整條饋線元件的數(shù)量。

3.1.2 預安排停電

類比于故障停電,在預安排停電檢修情況下,供電恢復策略為①根據(jù)預安排停電檢修的范圍,確定預安排隔離區(qū);②預安排隔離區(qū)隔離出來后,E類區(qū)域供電正常,F類區(qū)域暫時停電1次,F1類區(qū)域耗時為t1與t2之和,F2類區(qū)域耗時為t1與t5之和,F3類區(qū)域耗時為t4與t2之和,F4類區(qū)域耗時為t4與t5之和,F5類區(qū)域耗時為t1與t8(預安排停電時間)之和,F6類區(qū)域耗時為t4與t8之和;③預安排隔離區(qū)內(nèi)G1類區(qū)域耗時為t1與t8之和,G2類區(qū)域耗時為t4與t8之和。

3.2 容量約束

考慮到中壓配電網(wǎng)的復雜性、獲取基礎數(shù)據(jù)的困難性以及網(wǎng)絡參數(shù)的不確定性,準確的負荷數(shù)據(jù)獲取難度較大。因此,為了兼顧計算的效率,本文以配變?nèi)萘繛閰⒖紒碛嫾柏摵蓪︷伨€轉(zhuǎn)供的影響。

文獻[10]給出了考慮預留一定容量裕度的最大配變?nèi)萘浚?/p>

(2)

式中：Smax為饋線上允許掛接的最大配變?nèi)萘?I為饋線允許通過的最大電流;α為饋線容量裕度,取值為0.9;U為線電壓,取值為10 kV;δ為配變的最大負荷同時率,取值為0.8;β為配變負載率,取值為0.6。

對于含有聯(lián)絡線的饋線,該聯(lián)絡線的可轉(zhuǎn)供容量為

Sg=Smax-Sp。

(3)

式中：Sp為聯(lián)絡線本身所掛接的配變?nèi)萘靠偤?Sg為聯(lián)絡線可提供給與其聯(lián)絡的其他饋線的容量極限。

3.3 轉(zhuǎn)供判斷

發(fā)生故障時,以故障點為參照點,存在兩種聯(lián)絡線路,分別為上游聯(lián)絡線路和下游聯(lián)絡線路。如果下游聯(lián)絡線路可提供轉(zhuǎn)供通道和轉(zhuǎn)供容量,且無須經(jīng)過故障節(jié)點,則饋線元件故障后一定能實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)供,如C2、C4、C6及D2類區(qū)域負荷。如果下游聯(lián)絡線路可提供轉(zhuǎn)供容量,但由于故障節(jié)點的存在阻斷了聯(lián)絡通道,則無法實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)供,如D4類區(qū)域負荷。如果上游聯(lián)絡線路可提供轉(zhuǎn)供通道和轉(zhuǎn)供容量,則饋線元件故障后一定能實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)供,如B、C1、C3、C5、C7、D1和D3類區(qū)域負荷。

3.4 考慮預安排停電

通常情況下預安排停電是可預知的,因此,對于處于預安排隔離區(qū)內(nèi)的用戶必須停電;對于處于正常供電區(qū)的用戶可通過隔離操作由原饋線供電;對于處于預安排恢復供電區(qū)的負荷,當滿足轉(zhuǎn)供通道和轉(zhuǎn)供容量的要求時,可由相關聯(lián)絡線供電,否則必須停電。

3.5 可靠性指標計算

由于元件的故障率是固定參數(shù),因此饋線自動化系統(tǒng)中負荷點的故障率也為常數(shù)。當配電網(wǎng)中某一區(qū)域元件r(r=1,2,…,R)故障后,致使該區(qū)域下游區(qū)域停電,用Lr表示受影響的負荷集合,則負荷j的故障率為

(4)

(5)

式中：λr為元件r的故障率。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：LrB、LrC、LrD分別為B類、C類、D類停電負荷點集合,Ij∈LrB、Ij∈LrC、Ij∈LrD與式(5)中Ij∈Lr同理。

(10)

(11)

(12)

若饋線自動化可用,當元件r故障時,假設二遙和三遙終端均能可靠工作,形成自動定位區(qū)d及自動隔離區(qū)g。LrCi(i=1,2,…,8)對應于子類區(qū)域Ci(i=1,2,…,8),同理LrDi(i=1,2,…,5)對應于子類區(qū)域Di(i=1,2,…,5),負荷點j的期望停電時間U″Gj為

(13)

T″Bj=t1。

(14)

(15)

(16)

同理,當進行預安排停電檢修時,負荷點j的期望停電時間U″Yj為

U″Yj=Ij∈LrFT″Fij+Ij∈LrGT″Gij。

(17)

(18)

負荷點j的年停電時間Uj和平均停電時間rj為

Paut(U″Gj+U″Yj)];

(19)

(20)

式中：Paut為饋線自動化系統(tǒng)的可用概率。

計及預安排停電的影響,在獲得各負荷點的可靠性指標后,進而求得整個中壓配電網(wǎng)的可靠性指標。中壓配電網(wǎng)可靠性指標有系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間SAIDI、用戶平均停電持續(xù)時間CAIDI、系統(tǒng)平均缺供電量AENS和平均供電可靠率ASAI計算式如下：

(21)

(22)

CAIDI=SAIDI/SAIFI;

(23)

(24)

(25)

式中：Sj為負荷點j的配變?nèi)萘俊?/p>

3.6 經(jīng)濟性分析

本文基于集中式饋線自動化的接線模式,以不同終端配置下的可靠性指標為邊界,以無饋線自動化系統(tǒng)的可靠性指標為參照基準,通過可靠性提升的增售電量計算帶來的經(jīng)濟效益。

配備集中式饋線自動化后1 a內(nèi)平均增售電量(AIS)和經(jīng)濟收益(EB)如下所示：

(26)

EB=AIS·AESP。

(27)

式中：AENS0為無饋線自動化的系統(tǒng)平均缺供電量;AENS1配備饋線自動化的系統(tǒng)平均缺供電量;AESP為平均售電電價。

4 算例分析

現(xiàn)以某城區(qū)的一條饋線為例進行配電網(wǎng)供電可靠性評估,如圖3所示。圖3中饋線存在多個聯(lián)絡,其所掛接的配變總?cè)萘繛?0.93 MVA,主干線長度為4.51 km,分支線長度為15.7 km,其中架空線截面為240 mm2,電纜線截面為300 mm2,B1為出口斷路器,B2為分段開關,B3為聯(lián)絡開關,S1、S2為負荷開關,K1、K2為開關站,H1為環(huán)網(wǎng)柜,D1～D4為電纜分支箱,其中開關站、環(huán)網(wǎng)柜和電纜分支箱均配備10 kV饋線柜,柜內(nèi)均配備負荷開關。

圖3 算例配網(wǎng)圖Figure 3 Distribution network of example

算例考慮預安排停電和負荷轉(zhuǎn)供的影響,在不計遙控開關失效的情況下,分4種情況進行計算：①無饋線自動化系統(tǒng);②含集中式饋線自動化系統(tǒng),饋線中所有開關均配備三遙開關;③含集中式饋線自動化系統(tǒng),饋線中所有開關均配備二遙開關;④含集中式饋線自動化系統(tǒng),主干線上開關B1、B2、B3以及分支線上K2、H1中的進線開關配備三遙開關外,其余配備二遙開關。

依據(jù)配電網(wǎng)各類元件的典型可靠性參數(shù)[14]以及評估區(qū)域相關設備的歷史運行數(shù)據(jù),可得出配電網(wǎng)各類設備的故障率和修復時間,如表5所示。

通過當?shù)毓╇娬{(diào)度部門可得配電網(wǎng)停電時間類數(shù)據(jù),鑒于部分數(shù)據(jù)收集困難,此類數(shù)據(jù)可參考文獻[14],如表6所示。采用本文方法對該算例進行供電可靠性評估,結(jié)果如表7所示。

表5 設備停運參數(shù)Table 5 Parameters for equipment outage

表6 配電網(wǎng)停電時間類參數(shù)Table 6 Parameters of power outage time

表7 算例供電可靠性指標計算結(jié)果Table 7 Calculate the calculation result of power supply reliability index

由表7可知,集中式饋線自動化系統(tǒng)可顯著提高配電網(wǎng)的供電可靠性。對于由故障引起的停電,通過故障的自動隔離,可迅速實現(xiàn)B類及C1類區(qū)域負荷的供電;通過聯(lián)絡開關的自動切換,可快速實現(xiàn)B類及C2類區(qū)域負荷的供電。對于由預安排檢修引起的停電,通過自動隔離停電區(qū)域,可迅速實現(xiàn)F1及F2類區(qū)域負荷的供電。當計及饋線自動化系統(tǒng)不同終端配置方案后,可明顯看出不同的配置方案對可靠性效益的顯著影響。全線布置三遙開關可以最大程度發(fā)揮饋線自動化的作用,經(jīng)濟收益最好,但一次投資較大。全線布置二遙開關雖無法最大程度發(fā)揮饋線自動化的作用,經(jīng)濟收益也有待提高,但是一次投資較小。對饋線聯(lián)絡節(jié)點和大分支節(jié)點處配備三遙開關,其余節(jié)點配備二遙開關,既提高了供電可靠性,也取得了較好的經(jīng)濟效益。因此在進行配電網(wǎng)規(guī)劃設計時,可通過不同饋線終端配置方案下的成效分析,擇優(yōu)選取配電終端的布置方案。

5 結(jié)論

(1)本文研究了集中式饋線自動化模式對配電網(wǎng)供電可靠性的影響,基于集中式饋線自動化的工作原理、終端配置及動作邏輯,探討了各類負荷點供電恢復時間,推導出了不同饋線自動化模式下負荷點的可靠性指標。本文所提模型更貼近配電網(wǎng)的實際運行情況。

(2)本文在故障停電的基礎上又引入了預安排停電,完善了停電模型,通過引入計及容量約束的負荷轉(zhuǎn)供,進一步加強了可靠性評估的準確性。本文所提的系統(tǒng)評估指標彌補了傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評估模型不計及預安排停電事件的影響以及系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果與實際統(tǒng)計結(jié)果相差過大的不足。

(3)本文所述的配電網(wǎng)可靠性評估模型兼具計算的準確性和實用性,既考慮了配電網(wǎng)不同網(wǎng)架下實際的運行工況,又計及了影響可靠性評估的多種因素。依據(jù)本文所提模型量化配電網(wǎng)可靠性指標,可以對配電網(wǎng)建設改造工作提供技術支持。