陳根永, 高翔宇, 譚 超, 范旭光
(1.鄭州大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)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(gè)重要組成部分,是提高配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行管理水平和提升供電可靠性的重要技術(shù)手段。已有部分文獻(xiàn)對饋線自動化技術(shù)在配電網(wǎng)可靠性評估中的應(yīng)用進(jìn)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(yīng)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(shù)對配電網(wǎng)的影響,以故障分類為基礎(chǔ),通過網(wǎng)絡(luò)等值法對配電網(wǎng)供電可靠性進(jìn)行評估。目前,結(jié)合預(yù)安排停電和負(fù)荷轉(zhuǎn)供對含有饋線自動化的配電網(wǎng)進(jìn)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(shè)備配置和動作邏輯,依據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo),在故障模式后果分析法[6-7]的基礎(chǔ)上,考慮預(yù)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(jì)算結(jié)果。
集中式饋線自動化根據(jù)其運(yùn)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(yùn)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(shè)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(diǎn)分段定位至FTU3和FTU4之間。定位成功后,對配備FTU3的開關(guān)通過人工操作進(jìn)行故障隔離;對配備FTU4的開關(guān)通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作進(jìn)行故障隔離。故障隔離后,主站向FTUB下發(fā)合閘命令,實(shí)現(xiàn)故障上游恢復(fù)供電;主站向FTU4下發(fā)合閘命令,實(shí)現(xiàn)故障下游恢復(fù)供電。
相比普通開關(guān),自動化終端的配置主要靠縮短故障查找時(shí)間、隔離時(shí)間和負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)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(guān)可以在很短的時(shí)間內(nèi)將故障信息傳輸至主站,同時(shí)給出聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)的工作方案,再由人工到現(xiàn)場進(jìn)行倒閘操作,其中故障查找時(shí)間可忽略不計(jì);三遙開關(guān)在遙測和遙信的基礎(chǔ)之上增加了遙控功能,可遠(yuǎn)程控制開關(guān)動作,對應(yīng)的線路故障查找時(shí)間、隔離時(shí)間和轉(zhuǎn)供時(shí)間均較小。
由于故障停電是無法預(yù)知的,預(yù)安排停電是有計(jì)劃的,加之集中式饋線自動化的運(yùn)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(yù)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(fù)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(guān)為邊界通過遙測量確定故障元件區(qū)域。
(3)擴(kuò)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(guān)失效,則以該失效三遙或二遙開關(guān)為起點(diǎn),向上游或下游搜索三遙或二遙開關(guān),此時(shí)基本自動定位區(qū)擴(kuò)大為擴(kuò)展自動定位區(qū)。
(4)基本自動隔離區(qū):以三遙開關(guān)為邊界滿足故障自動隔離條件的最小區(qū)域。
(5)擴(kuò)展自動隔離區(qū):如果基本自動隔離區(qū)某邊界三遙開關(guān)失效,則該失效三遙開關(guān)上游或下游的三遙開關(guān)成為隔離故障的邊界開關(guān),進(jìn)而形成擴(kuò)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(kuò)展自動隔離區(qū)。
1.3.2 預(yù)安排停電狀態(tài)下的特征區(qū)域
供電恢復(fù)過程中出現(xiàn)的特征區(qū)域如下。
(1)預(yù)安排隔離區(qū):以保護(hù)開關(guān)為邊界,預(yù)安排停電隔離的最小區(qū)域。
(2)預(yù)安排恢復(fù)供電區(qū):對于有聯(lián)絡(luò)通道的區(qū)域,以保護(hù)開關(guān)為邊界,滿足預(yù)安排轉(zhuǎn)供的區(qū)域,該區(qū)域預(yù)安排停電1次;對于無聯(lián)絡(luò)通道的區(qū)域,以保護(hù)開關(guān)為邊界,不滿足預(yù)安排轉(zhuǎn)供的區(qū)域,該區(qū)域預(yù)安排停電1次。
(3)正常供電區(qū):以保護(hù)開關(guān)為邊界,在進(jìn)行預(yù)安排檢修時(shí),保護(hù)開關(guān)能可靠切斷負(fù)荷電流,供電不受影響。
若圖2中元件12進(jìn)行預(yù)安排停電檢修,元件集合{12,13,14,22,T6 }構(gòu)成預(yù)安排隔離區(qū),元件集合{15,16,…,21,23,24,25,…,36,T7,T8,…,T18}構(gòu)成預(yù)安排恢復(fù)供電區(qū),元件集合{1,2,…,11,T1,T2,…,T5 }構(gòu)成正常供電區(qū)。
故障發(fā)生后,考慮到集中式饋線自動化系統(tǒng)供電恢復(fù)邏輯的影響以及停電時(shí)間的不同,將負(fù)荷區(qū)域分為4大類。①A類區(qū)域處于開關(guān)設(shè)備上游,不受停電影響;②B類區(qū)域處于開關(guān)設(shè)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(luò)線的情況,其恢復(fù)供電情況往往較為復(fù)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(luò)情況和切換類型,進(jìn)一步將其細(xì)分為8個(gè)子類區(qū)域,如表1所示。④D類區(qū)域?yàn)樽詣痈綦x區(qū)本身,根據(jù)與手動隔離區(qū)的位置關(guān)系,結(jié)合聯(lián)絡(luò)情況和切換類型,進(jìn)一步將其細(xì)分為5個(gè)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
類比故障停電,在預(yù)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(fù)荷區(qū)域。①E類區(qū)域位于正常供電區(qū),不受預(yù)安排停電影響;②F類區(qū)域位于預(yù)安排恢復(fù)供電區(qū),預(yù)安排停電1次,停電時(shí)間受聯(lián)絡(luò)情況和切換類型的影響,因此進(jìn)一步將其細(xì)分為6個(gè)子類區(qū)域,如表3所示;③G類區(qū)域位于預(yù)安排隔離區(qū),預(yù)安排停電1次,停電時(shí)間為預(yù)安排停運(yùn)時(shí)間,根據(jù)隔離區(qū)內(nèi)開關(guān)的切換類型,進(jìn)一步將其細(xì)分為2個(gè)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(jìn)行預(yù)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}。
3.1.1 故障停電
故障停電類負(fù)荷的供電恢復(fù)時(shí)間與故障后供電恢復(fù)策略相關(guān)。設(shè)t1為自動隔離時(shí)間、t2為自動切換時(shí)間、t3為故障查找時(shí)間、t4為手動隔離故障時(shí)間、t5為手動切換時(shí)間、t6為修復(fù)時(shí)間。本文供電恢復(fù)策略為①自動恢復(fù)B、C1和C2類區(qū)域供電,其中B類區(qū)域耗時(shí)為t1,C1與C2類區(qū)域耗時(shí)為t2;②工作人員定位故障位置,耗時(shí)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(fù)C3、C5、C7、D1和D3類區(qū)域供電,耗時(shí)為t4;④對于存在聯(lián)絡(luò)通道的C4、C6及D2區(qū)域,通過手動的方式恢復(fù)供電,耗時(shí)為t5;⑤對于不存在聯(lián)絡(luò)通道的C8、D4及D5類區(qū)域,經(jīng)故障修復(fù)后恢復(fù)供電,耗時(shí)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(shí)間。故障查找時(shí)間t3的計(jì)算公式為
(1)
式中:t7為人工查找故障所需時(shí)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(yù)安排停電
類比于故障停電,在預(yù)安排停電檢修情況下,供電恢復(fù)策略為①根據(jù)預(yù)安排停電檢修的范圍,確定預(yù)安排隔離區(qū);②預(yù)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(shí)停電1次,F1類區(qū)域耗時(shí)為t1與t2之和,F2類區(qū)域耗時(shí)為t1與t5之和,F3類區(qū)域耗時(shí)為t4與t2之和,F4類區(qū)域耗時(shí)為t4與t5之和,F5類區(qū)域耗時(shí)為t1與t8(預(yù)安排停電時(shí)間)之和,F6類區(qū)域耗時(shí)為t4與t8之和;③預(yù)安排隔離區(qū)內(nèi)G1類區(qū)域耗時(shí)為t1與t8之和,G2類區(qū)域耗時(shí)為t4與t8之和。
考慮到中壓配電網(wǎng)的復(fù)雜性、獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的困難性以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不確定性,準(zhǔn)確的負(fù)荷數(shù)據(jù)獲取難度較大。因此,為了兼顧計(jì)算的效率,本文以配變?nèi)萘繛閰⒖紒碛?jì)及負(fù)荷對饋線轉(zhuǎn)供的影響。
文獻(xiàn)[10]給出了考慮預(yù)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(fù)荷同時(shí)率,取值為0.8;β為配變負(fù)載率,取值為0.6。
對于含有聯(lián)絡(luò)線的饋線,該聯(lián)絡(luò)線的可轉(zhuǎn)供容量為
Sg=Smax-Sp。
(3)
式中:Sp為聯(lián)絡(luò)線本身所掛接的配變?nèi)萘靠偤?Sg為聯(lián)絡(luò)線可提供給與其聯(lián)絡(luò)的其他饋線的容量極限。
發(fā)生故障時(shí),以故障點(diǎn)為參照點(diǎn),存在兩種聯(lián)絡(luò)線路,分別為上游聯(lián)絡(luò)線路和下游聯(lián)絡(luò)線路。如果下游聯(lián)絡(luò)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(diǎn),則饋線元件故障后一定能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,如C2、C4、C6及D2類區(qū)域負(fù)荷。如果下游聯(lián)絡(luò)線路可提供轉(zhuǎn)供容量,但由于故障節(jié)點(diǎn)的存在阻斷了聯(lián)絡(luò)通道,則無法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,如D4類區(qū)域負(fù)荷。如果上游聯(lián)絡(luò)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(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,如B、C1、C3、C5、C7、D1和D3類區(qū)域負(fù)荷。
通常情況下預(yù)安排停電是可預(yù)知的,因此,對于處于預(yù)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(yù)安排恢復(fù)供電區(qū)的負(fù)荷,當(dāng)滿足轉(zhuǎn)供通道和轉(zhuǎn)供容量的要求時(shí),可由相關(guān)聯(lián)絡(luò)線供電,否則必須停電。
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(fù)荷點(diǎn)的故障率也為常數(shù)。當(dāng)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(fù)荷集合,則負(fù)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(fù)荷點(diǎn)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(dāng)元件r故障時(shí),假設(shè)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(yīng)于子類區(qū)域Ci(i=1,2,…,8),同理LrDi(i=1,2,…,5)對應(yīng)于子類區(qū)域Di(i=1,2,…,5),負(fù)荷點(diǎn)j的期望停電時(shí)間U″Gj為
(13)
T″Bj=t1。
(14)
(15)
(16)
同理,當(dāng)進(jìn)行預(yù)安排停電檢修時(shí),負(fù)荷點(diǎn)j的期望停電時(shí)間U″Yj為
U″Yj=Ij∈LrFT″Fij+Ij∈LrGT″Gij。
(17)
(18)
負(fù)荷點(diǎn)j的年停電時(shí)間Uj和平均停電時(shí)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(jì)及預(yù)安排停電的影響,在獲得各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)后,進(jìn)而求得整個(gè)中壓配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。中壓配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)有系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間SAIDI、用戶平均停電持續(xù)時(shí)間CAIDI、系統(tǒng)平均缺供電量AENS和平均供電可靠率ASAI計(jì)算式如下:
(21)
(22)
CAIDI=SAIDI/SAIFI;
(23)
(24)
(25)
式中:Sj為負(fù)荷點(diǎn)j的配變?nèi)萘俊?/p>
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(biāo)為邊界,以無饋線自動化系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為參照基準(zhǔn),通過可靠性提升的增售電量計(jì)算帶來的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jià)。
現(xiàn)以某城區(qū)的一條饋線為例進(jìn)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(gè)聯(lián)絡(luò),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(guān),B3為聯(lián)絡(luò)開關(guān),S1、S2為負(fù)荷開關(guān),K1、K2為開關(guān)站,H1為環(huán)網(wǎng)柜,D1~D4為電纜分支箱,其中開關(guān)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(fù)荷開關(guān)。
圖3 算例配網(wǎng)圖Figure 3 Distribution network of example
算例考慮預(yù)安排停電和負(fù)荷轉(zhuǎn)供的影響,在不計(jì)遙控開關(guān)失效的情況下,分4種情況進(jìn)行計(jì)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(guān)均配備三遙開關(guān);③含集中式饋線自動化系統(tǒng),饋線中所有開關(guān)均配備二遙開關(guān);④含集中式饋線自動化系統(tǒng),主干線上開關(guān)B1、B2、B3以及分支線上K2、H1中的進(jìn)線開關(guān)配備三遙開關(guān)外,其余配備二遙開關(guān)。
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(guān)設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),可得出配電網(wǎng)各類設(shè)備的故障率和修復(fù)時(shí)間,如表5所示。
通過當(dāng)?shù)毓╇娬{(diào)度部門可得配電網(wǎng)停電時(shí)間類數(shù)據(jù),鑒于部分?jǐn)?shù)據(jù)收集困難,此類數(shù)據(jù)可參考文獻(xiàn)[14],如表6所示。采用本文方法對該算例進(jìn)行供電可靠性評估,結(jié)果如表7所示。
表5 設(shè)備停運(yùn)參數(shù)Table 5 Parameters for equipment outage
表6 配電網(wǎng)停電時(shí)間類參數(shù)Table 6 Parameters of power outage time
表7 算例供電可靠性指標(biāo)計(jì)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(shí)現(xiàn)B類及C1類區(qū)域負(fù)荷的供電;通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的自動切換,可快速實(shí)現(xiàn)B類及C2類區(qū)域負(fù)荷的供電。對于由預(yù)安排檢修引起的停電,通過自動隔離停電區(qū)域,可迅速實(shí)現(xiàn)F1及F2類區(qū)域負(fù)荷的供電。當(dāng)計(jì)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(guān)可以最大程度發(fā)揮饋線自動化的作用,經(jīng)濟(jì)收益最好,但一次投資較大。全線布置二遙開關(guān)雖無法最大程度發(fā)揮饋線自動化的作用,經(jīng)濟(jì)收益也有待提高,但是一次投資較小。對饋線聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和大分支節(jié)點(diǎn)處配備三遙開關(guān),其余節(jié)點(diǎn)配備二遙開關(guān),既提高了供電可靠性,也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此在進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),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。
(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(fù)荷點(diǎn)供電恢復(fù)時(shí)間,推導(dǎo)出了不同饋線自動化模式下負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。本文所提模型更貼近配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況。
(2)本文在故障停電的基礎(chǔ)上又引入了預(yù)安排停電,完善了停電模型,通過引入計(jì)及容量約束的負(fù)荷轉(zhuǎn)供,進(jìn)一步加強(qiáng)了可靠性評估的準(zhǔn)確性。本文所提的系統(tǒng)評估指標(biāo)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性評估模型不計(jì)及預(yù)安排停電事件的影響以及系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)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(jì)算的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,既考慮了配電網(wǎng)不同網(wǎng)架下實(shí)際的運(yùn)行工況,又計(jì)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(biāo),可以對配電網(wǎng)建設(shè)改造工作提供技術(shù)支持。