集中式饋線自動化配電網供電可靠性評估

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.國網河南省電力公司新鄉供電公司,河南 新鄉 453000; 3.國網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,是提高配電網生產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的影響,以故障分類為基礎,通過網絡等值法對配電網供電可靠性進行評估。目前,結合預安排停電和負荷轉供對含有饋線自動化的配電網進行可靠性評估的研究較少。

本文針對集中式饋線自動化,結合此模式下的基本原理[5]、設備配置和動作邏輯,依據相關技術指標,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,構建出含集中式饋線自動化的配電網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供電可靠性影響的量化計算結果。

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其運行方式可分為全自動方式和半自動方式。其整體架構如圖1所示。

圖1 集中式饋線自動化系統整體架構圖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的開關通過系統遠程操作進行故障隔離。故障隔離后,主站向FTUB下發合閘命令,實現故障上游恢復供電;主站向FTU4下發合閘命令,實現故障下游恢復供電。

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、隔離時間和負荷轉供時間來提升配電網的供電可靠性,具體表現在：具有遙信和遙測功能的二遙開關可以在很短的時間內將故障信息傳輸至主站,同時給出聯絡開關和分段開關的工作方案,再由人工到現場進行倒閘操作,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、隔離時間和轉供時間均較小。

1.3 特征區域定義

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,不同停電狀態下(含故障停電和預安排停電)的特征區域存在較為明顯的差別。

含集中式饋線自動化系統的配電網如圖2所示。

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

1.3.1 故障停電狀態下的特征區域

供電恢復過程中出現的特征區域如下。

(1)手動隔離區：指手動隔離故障元件的最小區域。

(2)基本自動定位區：以三遙或二遙開關為邊界通過遙測量確定故障元件區域。

(3)擴展自動定位區：如果基本自動定位區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擴大為擴展自動定位區。

(4)基本自動隔離區：以三遙開關為邊界滿足故障自動隔離條件的最小區域。

(5)擴展自動隔離區：如果基本自動隔離區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。

若圖2中元件13發生故障,元件集合{12,13,14,22,T6}構成手動隔離區,元件集合{12,13,14,15,16,22,25,T6,T7}構成基本自動隔離區,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}構成擴展自動隔離區。

1.3.2 預安排停電狀態下的特征區域

供電恢復過程中出現的特征區域如下。

(1)預安排隔離區：以保護開關為邊界,預安排停電隔離的最小區域。

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

(3)正常供電區：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 }構成預安排隔離區,元件集合{15,16,…,21,23,24,25,…,36,T7,T8,…,T18}構成預安排恢復供電區,元件集合{1,2,…,11,T1,T2,…,T5 }構成正常供電區。

2 負荷區域分類

2.1 故障停電狀態下的負荷區域分類

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

表1 C類子區域劃分表Table 1 Area division results of class-C

表2 D類子區域劃分表Table 2 Area division results of class-D

2.2 預安排停電狀態下的負荷區域分類

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的配電網分為3類負荷區域。①E類區域位于正常供電區,不受預安排停電影響;②F類區域位于預安排恢復供電區,預安排停電1次,停電時間受聯絡情況和切換類型的影響,因此進一步將其細分為6個子類區域,如表3所示;③G類區域位于預安排隔離區,預安排停電1次,停電時間為預安排停運時間,根據隔離區內開關的切換類型,進一步將其細分為2個子類區域,如表4所示。

表3 F類子區域劃分表Table 3 Area division results of class-F

表4 G類子區域劃分表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類區域元件集合為{1,2,…,11,T1,T2,…,T5 },F3類區域元件集合為{15,16,…,21,25,26,…,36,T1,T2,…,T9,T12,…,T18},F5類區域元件集合為{23,24,T10,T11},G2類區域元件集合為{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類區域供電,其中B類區域耗時為t1,C1與C2類區域耗時為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域形成手動隔離區,繼而恢復C3、C5、C7、D1和D3類區域供電,耗時為t4;④對于存在聯絡通道的C4、C6及D2區域,通過手動的方式恢復供電,耗時為t5;⑤對于不存在聯絡通道的C8、D4及D5類區域,經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為形態為g的自動定位區內元件的數量;K為整條饋線元件的數量。

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根據預安排停電檢修的范圍,確定預安排隔離區;②預安排隔離區隔離出來后,E類區域供電正常,F類區域暫時停電1次,F1類區域耗時為t1與t2之和,F2類區域耗時為t1與t5之和,F3類區域耗時為t4與t2之和,F4類區域耗時為t4與t5之和,F5類區域耗時為t1與t8(預安排停電時間)之和,F6類區域耗時為t4與t8之和;③預安排隔離區內G1類區域耗時為t1與t8之和,G2類區域耗時為t4與t8之和。

3.2 容量約束

考慮到中壓配電網的復雜性、獲取基礎數據的困難性以及網絡參數的不確定性,準確的負荷數據獲取難度較大。因此,為了兼顧計算的效率,本文以配變容量為參考來計及負荷對饋線轉供的影響。

文獻[10]給出了考慮預留一定容量裕度的最大配變容量：

(2)

式中：Smax為饋線上允許掛接的最大配變容量;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。

對于含有聯絡線的饋線,該聯絡線的可轉供容量為

Sg=Smax-Sp。

(3)

式中：Sp為聯絡線本身所掛接的配變容量總和;Sg為聯絡線可提供給與其聯絡的其他饋線的容量極限。

3.3 轉供判斷

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

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內的用戶必須停電;對于處于正常供電區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的負荷,當滿足轉供通道和轉供容量的要求時,可由相關聯絡線供電,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,因此饋線自動化系統中負荷點的故障率也為常數。當配電網中某一區域元件r(r=1,2,…,R)故障后,致使該區域下游區域停電,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d及自動隔離區g。LrCi(i=1,2,…,8)對應于子類區域Ci(i=1,2,…,8),同理LrDi(i=1,2,…,5)對應于子類區域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的可靠性指標。中壓配電網可靠性指標有系統平均停電頻率SAIFI、系統平均停電持續時間SAIDI、用戶平均停電持續時間CAIDI、系統平均缺供電量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的配變容量。

3.6 經濟性分析

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濟效益。

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

(26)

EB=AIS·AESP。

(27)

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

4 算例分析

現以某城區的一條饋線為例進行配電網供電可靠性評估,如圖3所示。圖3中饋線存在多個聯絡,其所掛接的配變總容量為10.93 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為聯絡開關,S1、S2為負荷開關,K1、K2為開關站,H1為環網柜,D1～D4為電纜分支箱,其中開關站、環網柜和電纜分支箱均配備10 kV饋線柜,柜內均配備負荷開關。

圖3 算例配網圖Figure 3 Distribution network of example

算例考慮預安排停電和負荷轉供的影響,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;②含集中式饋線自動化系統,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,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,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。

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

通過當地供電調度部門可得配電網停電時間類數據,鑒于部分數據收集困難,此類數據可參考文獻[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,結果如表7所示。

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

表6 配電網停電時間類參數Table 6 Parameters of power outage time

表7 算例供電可靠性指標計算結果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可顯著提高配電網的供電可靠性。對于由故障引起的停電,通過故障的自動隔離,可迅速實現B類及C1類區域負荷的供電;通過聯絡開關的自動切換,可快速實現B類及C2類區域負荷的供電。對于由預安排檢修引起的停電,通過自動隔離停電區域,可迅速實現F1及F2類區域負荷的供電。當計及饋線自動化系統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揮饋線自動化的作用,經濟收益最好,但一次投資較大。全線布置二遙開關雖無法最大程度發揮饋線自動化的作用,經濟收益也有待提高,但是一次投資較小。對饋線聯絡節點和大分支節點處配備三遙開關,其余節點配備二遙開關,既提高了供電可靠性,也取得了較好的經濟效益。因此在進行配電網規劃設計時,可通過不同饋線終端配置方案下的成效分析,擇優選取配電終端的布置方案。

5 結論

(1)本文研究了集中式饋線自動化模式對配電網供電可靠性的影響,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供,進一步加強了可靠性評估的準確性。本文所提的系統評估指標彌補了傳統配電網可靠性評估模型不計及預安排停電事件的影響以及系統可靠性評估結果與實際統計結果相差過大的不足。

(3)本文所述的配電網可靠性評估模型兼具計算的準確性和實用性,既考慮了配電網不同網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。依據本文所提模型量化配電網可靠性指標,可以對配電網建設改造工作提供技術支持。