配電自動(dòng)化支持下閉環(huán)配電網(wǎng)的可靠高效運(yùn)行研究

杜倩媛

（金華八達(dá)集團(tuán)有限公司科技信息分公司，浙江 金華 321000）

電網(wǎng)的配電自動(dòng)化（DA）系統(tǒng)受能源轉(zhuǎn)型的影響，小型分布式發(fā)電機(jī)（DG）的廣泛引入和家庭能源消費(fèi)的持續(xù)電氣化都將影響配電系統(tǒng)操作（DSO）的能源格局。當(dāng)峰值負(fù)荷增加時(shí)，潮流將更多變，并可能出現(xiàn)反向[1-2]。隨著峰值負(fù)荷增加，需要更大的電網(wǎng)容量，DSO可以通過增加網(wǎng)絡(luò)容量來應(yīng)對(duì)這些變化。盡管這在技術(shù)上是可行的，但不是最經(jīng)濟(jì)的方法，因此可以通過多種智能電網(wǎng)解決方案來降低峰值負(fù)荷。

1 閉環(huán)操作

1.1 改進(jìn)的電壓分布

閉環(huán)操作可影響配電網(wǎng)中的電壓分布。由于配電網(wǎng)中與電壓相關(guān)的問題會(huì)隨著DG的實(shí)施而增加，因此對(duì)具有DG的電網(wǎng)來說，尤其需要關(guān)注閉環(huán)運(yùn)行[3-5]。由地下電力電纜組成的電網(wǎng)的X/R值通常為1/3～3。當(dāng)DG裝置向電網(wǎng)提供電流時(shí)，電壓V將變?yōu)?。這些電壓間的差值（）如公式（1）所示。

電壓差的分量?VDG，r、和分量?VDG，x垂直于。這2個(gè)分量可以近似表達(dá)為公式（2）～公式（4）。

式中：PDG和QDG是DG單元注入的有功和無功功率；XSC和RSC是電網(wǎng)的短路電抗和電阻；SSC是電網(wǎng)的短接功率。

從上述公式可以看出，DG單元的有功功率和無功功率引起的電壓變化取決于短路阻抗的X/R比，還有連接點(diǎn)處額定DG功率（SDG）和短路功率（SSC）間的比率。公式（2）和公式（3）相加可得公式（5）。

從上述分析可以看出，當(dāng)短路功率增加（與DG功率相比時(shí)）時(shí)，由于局部發(fā)電引起的電壓變化變小，因此cos（θ）的值增加，短路阻抗的X/R比降低。X/R比主要取決于（電纜）電網(wǎng)的物理特性，但在閉環(huán)中運(yùn)行電網(wǎng)，短路功率（SSC）將增加。由此可以得出結(jié)論，閉環(huán)運(yùn)行電網(wǎng)中的電壓分布較少受DG機(jī)組注入功率的影響，從而有效提高了DG的托管容量。

1.2 可靠性

與配電環(huán)的開環(huán)運(yùn)行相比，閉環(huán)運(yùn)行有許多優(yōu)點(diǎn)，而無法在閉環(huán)布局中運(yùn)行的主要原因是閉網(wǎng)運(yùn)行電網(wǎng)的可靠性降低。由于整個(gè)環(huán)在故障期間會(huì)受影響，因此預(yù)計(jì)客戶損失的分鐘數(shù)（CML）將顯著增加。除此之外，受影響的客戶數(shù)量也將增加，導(dǎo)致系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時(shí)間指數(shù)（SAIDI）和系統(tǒng)平均中斷頻率指數(shù)（SAIFI）均有增加。當(dāng)常開觸點(diǎn)（NOP）兩邊的客戶數(shù)量相同時(shí)，兩指數(shù)約將翻一番。故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù)（FDIR）時(shí)間對(duì)特定故障引起的CML有很大影響。DA的實(shí)現(xiàn)可在較大程度上減少FDIR所需時(shí)間，并減少封閉操作對(duì)CML的影響。通常，CML可以降至無DA、類似開環(huán)操作的配電網(wǎng)的更低水平。

2 閉環(huán)電網(wǎng)中的配電自動(dòng)化

2.1 配電自動(dòng)化

配電自動(dòng)化（DA）是實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程或自動(dòng)化操作的所有概念的通用背景，通常由遠(yuǎn)程可讀傳感器設(shè)備支持，從而可以基于配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行切換。DA采用電動(dòng)開關(guān)設(shè)備，利用支持硬件提供通信服務(wù)和計(jì)算能力。該文示意性地描述了該系統(tǒng)的外觀，如圖1所示。

圖1 DA系統(tǒng)示意圖

通常配電環(huán)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)特定變電站會(huì)配備DA設(shè)備。此外，根據(jù)功能要求和可用預(yù)算，變電站會(huì)有不同的設(shè)置。在實(shí)踐中，只有一個(gè)輸入或輸出隔間配備了自動(dòng)負(fù)載斷路開關(guān)，中壓/低壓變壓器間通常沒有自動(dòng)化，以相對(duì)較低的成本實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)質(zhì)性水平的功能。變電站內(nèi)的多個(gè)隔間配備自動(dòng)開關(guān)將增加成本，但也能提高DA系統(tǒng)的技術(shù)性能。

2.2 可靠性的提高

DA可以提高電源的可靠性，主要原因是DA能在故障發(fā)生后快速執(zhí)行切換。由于DA系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程操作，或者可以自動(dòng)完全自主操作，因此可以縮短故障恢復(fù)人員的操作時(shí)間，該方法是在短時(shí)間內(nèi)將盡可能多的客戶重新連接到電網(wǎng)中未受影響的部分。以傳統(tǒng)方式恢復(fù)故障的典型時(shí)間如公式（6）所示。

恢復(fù)過程時(shí)間（Tr）取決于機(jī)組人員的平均行程時(shí)間和恢復(fù)過程中基本步驟的執(zhí)行情況（Tg）、饋線中環(huán)網(wǎng)供電單元（RMU）的數(shù)量（NRMU）以及檢查每個(gè)變電站花費(fèi)的時(shí)間（Ts）。由于維修人員到達(dá)受影響電網(wǎng)所需時(shí)間通常較長，因此對(duì)總恢復(fù)時(shí)間有較大影響。通過減少前往受影響電網(wǎng)的時(shí)間，可使大部分客戶重新連接到電網(wǎng)中未受影響部分，并可減少對(duì)CML和SAIDI的影響。CML的計(jì)算如公式（7）所示。

式中：Ti表示故障事件i的停機(jī)持續(xù)時(shí)間；Ni表示在故障事件i中受影響的客戶數(shù)量。

CML通過取固定時(shí)間段內(nèi)Ti和Ni的總和來確定。CML的減少量在很大程度上取決于自動(dòng)化站的數(shù)量和確切位置。閉環(huán)電網(wǎng)A和閉環(huán)電網(wǎng)B如圖2所示。在具有8個(gè)變電站和恒定電纜長度、故障率和連接客戶的配電網(wǎng)中，隨著DA實(shí)施增加，CML減少。由此可以看出，第一個(gè)自動(dòng)化站的實(shí)施對(duì)CML的影響最大。隨著更多的自動(dòng)化站點(diǎn)被納入電網(wǎng)，這種影響會(huì)迅速減弱。

圖2 閉環(huán)電網(wǎng)A（左）和閉環(huán)電網(wǎng)B（右）

3 閉環(huán)操作電網(wǎng)中的試驗(yàn)

3.1 閉環(huán)電網(wǎng)構(gòu)建

該文給出了閉環(huán)運(yùn)行電網(wǎng)中電網(wǎng)損耗降低的初步現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。可以觀察到電網(wǎng)損耗減少了約2%。以往研究中提出的測(cè)量是在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，會(huì)造成臨時(shí)影響，如天氣、季節(jié)變化等，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)較大。該文介紹的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試歷時(shí)14周。網(wǎng)格是根據(jù)若干技術(shù)和實(shí)際要求選擇的。決定電網(wǎng)是否適合臨時(shí)閉環(huán)運(yùn)行的主要因素如下：電網(wǎng)在配電環(huán)內(nèi)的位置配備了足夠的自動(dòng)化站；網(wǎng)格盡可能是環(huán)形的，具有源自環(huán)形的最小數(shù)量的短截線；電網(wǎng)沒有連接到關(guān)鍵負(fù)載；該電網(wǎng)絡(luò)具有通常能在“平均”電網(wǎng)絡(luò)中找到的客戶的尺寸和數(shù)量。該文選擇的2個(gè)電網(wǎng)絡(luò)均符合這些標(biāo)準(zhǔn)，下文將更詳細(xì)地描述這2個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。

如圖2所示，閉環(huán)電網(wǎng)A有12個(gè)中壓/低壓變電站，其中2個(gè)是自動(dòng)化的。此外，每個(gè)饋電裝置開始饋電時(shí)的斷路器都是自動(dòng)的。其中一個(gè)自動(dòng)開關(guān)位于變電站7，其實(shí)際上充當(dāng)了NOP（原始位置）中的斷開開關(guān)。另一個(gè)自動(dòng)開關(guān)位于變電站4，出線電纜上的開關(guān)是自動(dòng)的。閉環(huán)電網(wǎng)B有14個(gè)中壓/低壓變電站。同樣，其中2個(gè)變電站是自動(dòng)化的，饋線開始處的2個(gè)斷路器是自動(dòng)化的。一個(gè)自動(dòng)開關(guān)位于變電站6，用作NOP（常開觸點(diǎn)）的斷開開關(guān)（在開環(huán)操作下）。在變電站3，出線電纜配備了一個(gè)自動(dòng)開關(guān)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基于8月初—11月中旬的測(cè)量結(jié)果。該文分別列出了每個(gè)網(wǎng)格的結(jié)果。以15min為間隔進(jìn)行測(cè)量，每24h產(chǎn)生96個(gè)測(cè)量樣本。

A電網(wǎng)中，主要是輕工業(yè)客戶連接到電網(wǎng)。通過關(guān)閉該電網(wǎng)中的NOP，可以觀察到配電網(wǎng)內(nèi)的潮流差異。A電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行中通過閉合NOP觀察到的功率流如圖3所示。從圖3的示例中可以看出，通過關(guān)閉NOP，配電環(huán)的2個(gè)饋線間存在雙向功率流。表明在一天中，NOP的理論最佳位置變化較大，進(jìn)而表明可以通過在閉環(huán)中運(yùn)行來降低電網(wǎng)損耗?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間觀察到的平均功率流（開環(huán)和閉環(huán)操作）見表1。

表1 在開環(huán)和閉環(huán)操作中，經(jīng)過配電環(huán)每一半環(huán)的平均功率流

圖3 A電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行中通過閉合NOP觀察到的功率流

從這些結(jié)果可以看出，關(guān)閉NOP時(shí)，平均功率流幅度發(fā)生了顯著變化。此外，總平均功率流增加了1.55%，可能的原因是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期結(jié)束時(shí)白天較短，天氣較冷。

A網(wǎng)開環(huán)和閉環(huán)操作選定天數(shù)的損失及其相對(duì)差異的對(duì)比見表2。

表2 A網(wǎng)開環(huán)和閉環(huán)操作選定天數(shù)的損失及其相對(duì)差異對(duì)比

這些結(jié)果表明，在閉網(wǎng)運(yùn)行的情況下，電網(wǎng)損耗降低了。隨著每天功率流變化，對(duì)每個(gè)特定日子的總輸送能量的相對(duì)差異進(jìn)行校正。為了更好地了解整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間電網(wǎng)損耗的減少情況，該文進(jìn)行了平均損耗對(duì)比，見表3。從這些結(jié)果可以看出，在閉環(huán)運(yùn)行下，電網(wǎng)平均損耗減少了3.05%。

表3 A網(wǎng)每日平均損失對(duì)比

在閉環(huán)電網(wǎng)B中，商業(yè)和輕工業(yè)客戶的混合體連接到電網(wǎng)中。通過關(guān)閉該電網(wǎng)中的NOP，可以觀察到配電網(wǎng)內(nèi)的潮流差異。B電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行中通過閉合NOP觀察到的功率流如圖4所示。

圖4 B電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行中通過閉合NOP觀察到的功率流

在B電網(wǎng)中可以觀察到配電環(huán)兩半環(huán)間的功率流發(fā)生了明顯變化，表明通過閉合操作可降低電網(wǎng)損耗。B電網(wǎng)在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間的平均功率流、選定天數(shù)的損失以及平均每日損失對(duì)比見表4～6。從一個(gè)饋線到另一個(gè)饋線的功率流的顯著變化（表4）對(duì)應(yīng)圖4所示的通過NOP的大功率流。值得注意的是，在閉環(huán)操作下，絕對(duì)損耗（表5）較高，但與總輸送能量相比則較低。

表4 在開環(huán)和閉環(huán)操作中，經(jīng)過配電環(huán)每一半環(huán)的平均功率流

表5 B網(wǎng)開環(huán)和閉環(huán)操作選定天數(shù)的損失及相對(duì)差異對(duì)比

由于總功率流增加了9.6%，而損耗僅增加約3%，因此與預(yù)期一致（基于通過NOP的大功率流），在比較選定的開環(huán)和閉環(huán)運(yùn)行天數(shù)時(shí)，觀察到電網(wǎng)損耗顯著降低。盡管在閉環(huán)操作前和操作期間可以觀察到功率流相對(duì)較大的差異，但與開環(huán)操作相比，閉環(huán)操作下的相對(duì)損耗已經(jīng)降低。因此可以得出結(jié)論，閉環(huán)運(yùn)行在總體上提高了電網(wǎng)運(yùn)行的效率。由于缺乏對(duì)帶電配電網(wǎng)中負(fù)載的控制，并且電網(wǎng)不能同時(shí)在開環(huán)和閉環(huán)布局中運(yùn)行，因此開環(huán)和閉環(huán)運(yùn)行下的潮流會(huì)有所不同。在開環(huán)和閉環(huán)運(yùn)行下，從表6的損失相對(duì)差異中可以得出結(jié)論，絕對(duì)損耗較高，但相對(duì)損耗較低，盡管閉環(huán)操作期間的絕對(duì)損耗和功率流較高，但閉環(huán)操作的損耗較低。在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間，在各自電網(wǎng)布局中運(yùn)行時(shí)傳輸?shù)目偰芰科骄鶕p耗低于配電網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行期間的損耗。

表6 B網(wǎng)每日平均損失對(duì)比

4 結(jié)論

在DA的支持下，從配電系統(tǒng)操作的角度看，配電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行具有許多優(yōu)勢(shì)。閉環(huán)運(yùn)行改善了電壓分布，增加了DG的托管容量，降低了電網(wǎng)損耗。通過實(shí)施先進(jìn)的保護(hù)計(jì)劃，并使用DA進(jìn)行快速故障檢測(cè)，可將不良影響降至最低。模擬計(jì)算和詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明電網(wǎng)損耗可以減少4%～6%。結(jié)果表明，DA支持的閉環(huán)運(yùn)行電網(wǎng)可以為配電操作系統(tǒng)提高現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施利用率。