朱濤，張晶，孫可

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州317000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

基于可靠性成本與效益的10 kV饋線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置研究

朱濤1，張晶1，孫可2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州317000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310007）

通過(guò)10 kV饋線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)的優(yōu)化配置，能夠有效減少停電范圍和提高供電可靠性?；诋?dāng)前中壓配電網(wǎng)的典型接線(xiàn)模式，提出了分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置的成本模型和效益模型，重點(diǎn)研究了單輻射線(xiàn)路在不同負(fù)荷分布條件下的開(kāi)關(guān)優(yōu)化問(wèn)題。計(jì)算分析表明，計(jì)及可靠性成本與效益的優(yōu)化方法能較好實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)量和位置規(guī)劃，提出的實(shí)用化參照結(jié)果對(duì)中壓配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)有一定指導(dǎo)作用。

10 kV饋線(xiàn)；配電網(wǎng)；分段開(kāi)關(guān)；優(yōu)化配置

0 引言

城鄉(xiāng)中壓配電網(wǎng)直接面向電力用戶(hù)，具有線(xiàn)路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷分散、電氣元件多等特點(diǎn)，因此發(fā)生故障或檢修停電的概率也較大。通過(guò)對(duì)中壓線(xiàn)路適當(dāng)加裝分段開(kāi)關(guān)，可以有效減少停電涉及范圍和提高可靠性指標(biāo)。在饋線(xiàn)上增加分段開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)可靠性相應(yīng)提高，用戶(hù)停電損失減少，但供電企業(yè)需要為此增加額外的電網(wǎng)投資。分段開(kāi)關(guān)的安裝位置不同，系統(tǒng)可靠性的作用也會(huì)有所不同。因此，對(duì)分段開(kāi)關(guān)的數(shù)量和安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于加強(qiáng)配電網(wǎng)供電能力和提升供電可靠性有較好作用。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)對(duì)分段開(kāi)關(guān)的優(yōu)化配置進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò)分析成本和收益的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定線(xiàn)路的最優(yōu)分段情況，但不適用于輻射狀線(xiàn)路接線(xiàn)模式。文獻(xiàn)[2]兼顧系統(tǒng)整體投資和可靠性收益進(jìn)行分析，提出了線(xiàn)路是否需要加裝分段開(kāi)關(guān)的判據(jù)，但缺乏普遍指導(dǎo)性。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)分段開(kāi)關(guān)投入費(fèi)用與用戶(hù)停電損失的分析比較，確定在相應(yīng)的位置是否加裝分段開(kāi)關(guān)，但忽視了不同位置對(duì)可靠性的不同影響。文獻(xiàn)[4]以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中的用戶(hù)缺電成本為目標(biāo)函數(shù)，確定每條輻射線(xiàn)路上分段開(kāi)關(guān)的數(shù)量和安裝位置，但沒(méi)有考慮線(xiàn)路聯(lián)絡(luò)情況。

本文結(jié)合中壓配電網(wǎng)的常用接線(xiàn)方式、負(fù)荷分布特點(diǎn)，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，比較中壓線(xiàn)路為優(yōu)化分段開(kāi)關(guān)配置而增加的成本和供電可靠性提高后相應(yīng)減少的成本損失，并通過(guò)實(shí)際計(jì)算進(jìn)行推導(dǎo)，給出了實(shí)用化的參照結(jié)果。

1 分段開(kāi)關(guān)配置的成本模型

分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置所增加的成本主要包括分段開(kāi)關(guān)投資和運(yùn)行維護(hù)等費(fèi)用。實(shí)現(xiàn)分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置所增加的成本可以表示為：

（1）開(kāi)關(guān)投資成本。考慮設(shè)備使用壽命的不同，故采用等年值法對(duì)開(kāi)關(guān)投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)較為適宜。開(kāi)關(guān)投資可表示為：

式中：NK為開(kāi)關(guān)數(shù)量；CS為單臺(tái)開(kāi)關(guān)所需的初始投資費(fèi)用；i為電力工業(yè)的投資回報(bào)率；P為分段開(kāi)關(guān)經(jīng)濟(jì)使用的年限。

（2）運(yùn)行維修費(fèi)用。由于開(kāi)關(guān)的運(yùn)行維修費(fèi)用與開(kāi)關(guān)初始投資有一定的關(guān)系，計(jì)算中將分段開(kāi)關(guān)每年所需的運(yùn)行維修費(fèi)用簡(jiǎn)化為其初始投資的比重[5-6]，即運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用可表示為：

式中：CM為每年運(yùn)行維修費(fèi)占初始投資的比重。

2 分段開(kāi)關(guān)配置的效益模型

配置分段開(kāi)關(guān)時(shí)，停電損失可采用平均電價(jià)折算倍數(shù)法，不同接線(xiàn)方式下配置分段開(kāi)關(guān)減少的停電損失不一樣，本文主要討論單輻射、手拉手及兩聯(lián)絡(luò)等較普遍的接線(xiàn)方式下的效益情況。

2.1 單輻射接線(xiàn)方式

單輻射接線(xiàn)方式下配置分段開(kāi)關(guān)后可保證某一段線(xiàn)路出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，由分段開(kāi)關(guān)將故障隔離，保證其上游停電損失僅為分段開(kāi)關(guān)倒閘操作時(shí)間內(nèi)的損失，而未裝分段開(kāi)關(guān)時(shí)，上游負(fù)荷停電損失將是全部停電時(shí)間內(nèi)的停電損失，這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)的停電損失之差即為裝了分段開(kāi)關(guān)后減少的停電損失，整條線(xiàn)路年減少的停電損失即可靠性收益Csave可表示如下：

式中：n為線(xiàn)路的分段數(shù)，對(duì)應(yīng)分段開(kāi)關(guān)數(shù)為n-1；C0為損失單位電量折合成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的系數(shù)，C0=平均電價(jià)×折算倍數(shù)；Li為第i段線(xiàn)路的長(zhǎng)度；λ為主干線(xiàn)單位長(zhǎng)度年故障率；Pj為第j段線(xiàn)路上的負(fù)荷；t1為每次故障平均停電持續(xù)時(shí)間（取4.5 h）；t2為分段開(kāi)關(guān)倒閘時(shí)間（取0.5 h）。

2.2 手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線(xiàn)方式

手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線(xiàn)方式下某段線(xiàn)路故障或檢修時(shí)，分段開(kāi)關(guān)將故障段隔離后，其上游和下游都可在分段開(kāi)關(guān)跳閘后恢復(fù)供電，上、下游減少的停電損失之和即為可靠性收益，2種方式下減少的停電損失是相同的，可靠性收益為：

2.3 計(jì)及負(fù)荷分布特點(diǎn)的分析

氚是氫的一種放射性同位素，可用于提高聚變能武器和部分裂變能武器的爆炸當(dāng)量。由于氚的半衰期僅為12.3年，因此需要定期更換武器中的氚。

線(xiàn)路上的負(fù)荷分布情況對(duì)分段開(kāi)關(guān)的定位有很大影響，根據(jù)負(fù)荷情況來(lái)合理定位分段開(kāi)關(guān)可使可靠性收益增大。負(fù)荷分布有很多種情況，受計(jì)算條件限制及考慮實(shí)用性，本文重點(diǎn)研究單輻射線(xiàn)路的負(fù)荷均勻分布、負(fù)荷遞增、負(fù)荷遞減3種情況。

2.3.1 負(fù)荷均勻分布

設(shè)線(xiàn)路上總負(fù)荷量為P，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，投入分段開(kāi)關(guān)后每段線(xiàn)路長(zhǎng)為L(zhǎng)i（i=1，2，…，n），對(duì)應(yīng)的負(fù)荷量為P（Li/L），Csave可簡(jiǎn)化為：

式中:Ls為第S段線(xiàn)路的長(zhǎng)度。

2.3.2 負(fù)荷沿線(xiàn)路遞增分布

負(fù)荷沿線(xiàn)路的分布密度為（XiP）/（0.5L2），Xi為第i個(gè)分段開(kāi)關(guān)位置距首端的距離（i=1，2，…，n-1），P為線(xiàn)路總負(fù)荷，L為線(xiàn)路總長(zhǎng)度，Csave可表示為：

負(fù)荷沿線(xiàn)路的分布密度為（L-Xi）P/（0.5L2），Csave可表示為：

在手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線(xiàn)模式下，由于負(fù)荷分布不均時(shí)計(jì)算量較大，實(shí)際應(yīng)用中可假設(shè)負(fù)荷均勻分布并確定開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)，再結(jié)合負(fù)荷分布特點(diǎn)確定位置。

3 計(jì)算分析

實(shí)現(xiàn)分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置的目的是使可靠性收益盡可能大于可靠性成本。為此，按照前文所建立的成本模型和效益模型，代入相關(guān)算例數(shù)據(jù)，分析不同接線(xiàn)模式和負(fù)荷分布特點(diǎn)下的開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置情況。

3.1 負(fù)荷均勻分布時(shí)的分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置

在單輻射接線(xiàn)模式下，結(jié)合線(xiàn)路不同長(zhǎng)度、不同負(fù)荷，計(jì)算出的最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)如表1所示。由表1可知單輻射接線(xiàn)下的最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)，且分段開(kāi)關(guān)位置在線(xiàn)路等距分布時(shí)可獲得最大的凈收益。

表1 單輻射接線(xiàn)模式負(fù)荷均勻分布情況下的最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)量

在手拉手和兩聯(lián)絡(luò)接線(xiàn)模式下，采用同樣方法計(jì)算出的最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)如表2所示。分段開(kāi)關(guān)在線(xiàn)路上等距分布時(shí)可獲得最大的凈收益，實(shí)際應(yīng)用中可參照表2配置分段開(kāi)關(guān)。

在負(fù)荷均勻分布情況下，線(xiàn)路所供負(fù)荷P和主干長(zhǎng)度L越大時(shí)，線(xiàn)路裝接較多分段開(kāi)關(guān)可獲得較大凈收益。對(duì)于同樣的分段開(kāi)關(guān)數(shù)量，線(xiàn)路負(fù)荷P和線(xiàn)路故障率λ越大，其獲得的凈收益將更大。

3.2 負(fù)荷分布不均時(shí)的分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置3

.2.1負(fù)荷遞增分布

單輻射接線(xiàn)模式、負(fù)荷遞增時(shí)，對(duì)于給定的線(xiàn)路，可用列舉法依次算出裝i個(gè)分段開(kāi)關(guān)時(shí)的凈收益，凈收益最大時(shí)對(duì)應(yīng)的i值即為需要安裝的分段開(kāi)關(guān)數(shù)。表3為對(duì)應(yīng)某線(xiàn)路長(zhǎng)度及負(fù)荷的分段開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)，表4為單輻射接線(xiàn)模式下的分段開(kāi)關(guān)分布位置參考。

表2 環(huán)網(wǎng)接線(xiàn)負(fù)荷均勻分布情況下的最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)量

表3 單輻射負(fù)荷遞增分布情況下最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)數(shù)量

表4 單輻射負(fù)荷遞增分布情況下的分段開(kāi)關(guān)位置

配電網(wǎng)的實(shí)際分段數(shù)一般不會(huì)太多，因此只給出1～6個(gè)開(kāi)關(guān)的定位參數(shù)。特殊情況下分段數(shù)再增加時(shí)末端的分段間隔接近等距，超過(guò)6段時(shí)，前5段比例保持不變，后面的間距與第5段相等即可。

3.2.2 負(fù)荷遞減分布

負(fù)荷遞減時(shí)，第一個(gè)分段開(kāi)關(guān)在離首端0.42L處，由于精確定位計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，且可獲得的凈收益與假設(shè)負(fù)荷均勻分布相比沒(méi)有太大差距，所以，實(shí)際工程中負(fù)荷遞減的情形可視為負(fù)荷均勻分布，參照其結(jié)論確定分段開(kāi)關(guān)的個(gè)數(shù)，開(kāi)關(guān)定位可按照每段負(fù)荷量相等的情況設(shè)置。

4 結(jié)語(yǔ)

在配電網(wǎng)建設(shè)中，對(duì)中壓配電線(xiàn)路加裝一定的分段開(kāi)關(guān)，可以有效縮小停電范圍，提高供電可靠性指標(biāo)，但分段開(kāi)關(guān)裝設(shè)的數(shù)量和位置需要綜合考慮成本與收益。本文基于當(dāng)前中壓配電網(wǎng)的典型接線(xiàn)模式，提出了分段開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置的成本模型和效益模型，重點(diǎn)研究了單輻射線(xiàn)路在不同負(fù)荷分布條件下的開(kāi)關(guān)優(yōu)化問(wèn)題。本文通過(guò)算例計(jì)算，給出了最優(yōu)分段開(kāi)關(guān)的數(shù)量和安裝位置建議，對(duì)于中壓配電網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)的規(guī)劃建設(shè)具有一定指導(dǎo)作用。

[1]康慶平，盧錦玲，楊國(guó)旺.確定城市10 kV配電網(wǎng)線(xiàn)路最優(yōu)分段數(shù)的一種方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000（13）∶57-59.

[2]萬(wàn)國(guó)成，郭曉玉，任震.配網(wǎng)饋線(xiàn)上分段開(kāi)關(guān)的設(shè)置[J].繼電器，2002，30（11）∶10-12.

[3]萬(wàn)國(guó)成，任震，荊勇，等.主饋線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)的設(shè)置研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（4）∶124-127.

[4]王賽一，王成山.配電網(wǎng)中輻射線(xiàn)路的最優(yōu)分段處理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（8）∶50-54.

[5]史燕琨，王東，孫輝，等.基于綜合費(fèi)用最低的配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)優(yōu)化配置研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（9）∶136-141.

[6]郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

（本文編輯：龔皓）

Optimal Configuration of 10 kV Feeder Sectional Switches based on Costs and Benefits of the Reliability

ZHU Tao1，ZHANG Jing1，SUN Ke2
（1.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

The optimal configuration of 10 kV feeder section switches can reduce the outage scope and effectively improve the power supply reliability indicators.Based on the typical connection modes of current medium-voltage distribution networks，this paper proposes the cost model and benefit model for optimal configuration of section switches；it mainly investigates the switch optimization of single radiation lines in different load distribution conditions.Computational analysis shows that the optimization method considering the reliability costs and benefits can achieve the optimal number and location planning of section switches.The proposed practical reference results to some extent can direct the planning and construction of medium-voltage distribution networks.

10 kV feeder；distribution network；section switch；optimal configuration

TM732

：B

：1007-1881（2014）08-0019-03

2014-01-07

朱濤（1981-），男，浙江臨海人，工程師，主要從事電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃研究和管理工作。