DQZHAN訊：關注|配電自動化：配電網(wǎng)差異化規(guī)劃
為了促進配電自動化系統(tǒng)科學規(guī)劃，分析了影響供電可靠性的因素，指出預安排停電和故障停電是影響供電可靠性的主要因素，綜述了配電自動化的技術手段，論述了根據(jù)供電可靠性要求的不同對配電自動化系統(tǒng)進行差異化規(guī)劃的方法，重點論述了滿足N -1 準則和不滿足N -1 準則兩種情況下，所需配電自動化終端的數(shù)量規(guī)劃方法，給出了定量設計公式，并結合實例進行了說明。
據(jù)統(tǒng)計，超過85% 的故障停電是由于配電網(wǎng)故障造成的。配電自動化是提高供電可靠性的重要手段，目前已經(jīng)廣泛推廣應用。但是，配電網(wǎng)具有點多面廣的特點，如果采取“見了開關就配自動化終端，凡是自動化終端都實現(xiàn)‘三遙’的建設思路，不僅二次投資巨大，而且為實現(xiàn)“三遙”而對開關加裝電動操動機構或更換等導致一次設備改造費用也十分巨大，并且為實現(xiàn)“三遙”而建設光纖通信通道的費用也非常大，這些投資的收益率往往較低，世界上沒有任何國家是這樣建設配電自動化系統(tǒng)的。
另一方面，不同供電區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘囊笠泊嬖诤艽蟛町悾瑖译娋W(wǎng)公司依據(jù)對供電可靠性要求的不同，將供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D 和E 六類，相應的配電自動化系統(tǒng)也應差異化規(guī)劃和設計。
實際上，合理的網(wǎng)架結構、可靠的配電設備和良好的配電網(wǎng)運維管理是保障供電可靠性的基礎，自動化技術是進一步提升供電可靠性的重要手段， 但是并非每臺開關都一定需要安裝配電終端，而且即使安裝終端也不一定非得具備遙控功能。此外，適當配置具有本地繼電保護功能的配電終端，與集中智能配電自動化協(xié)調(diào)配合，對于提高配電網(wǎng)故障處理性能具有重要意義，文獻[5] 對配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃問題進行了深入研究。
為了更好地幫助配電自動化系統(tǒng)設計，本文在對影響供電可靠性的因素進行分析的基礎上，探討科學規(guī)劃配電自動化系統(tǒng)的若干關鍵問題。
影響供電可靠性的因素
根據(jù)國內(nèi)城市10 kV 用戶供電可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預安排停電占主要部分，大約占用戶停電戶時數(shù)的70% 以上，故障停電戶時數(shù)僅占不足30%。
預安排停電
從目前的情況看，解決配電網(wǎng)供電可靠性問題首先需要大幅度減少預安排停電，而配電自動化系統(tǒng)是針對故障停電的解決方案。
減少預安排停電的主要途徑是配電網(wǎng)運維管理提升，包括配電網(wǎng)帶電檢測、狀態(tài)檢修和不停電作業(yè)、科學安排停電計劃、提高檢修作業(yè)效率等，在網(wǎng)架結構上為用戶設置兩個及以上供電途徑、加強變電站間的聯(lián)絡等技術手段，也有助于在不影響用戶供電的情況下，停運某些配電線路甚至變電站開展改造和檢修工作。
隨著上述提升工作的**深入開展，非限電因素計劃停電的比例會顯著降低，而故障因素造成的停電將上升為主要矛盾，需要發(fā)揮配電自動化的作用來將其影響減少到可以接受的范圍。
故障導致停電
影響故障停電的因素包括：故障率、自動化分段數(shù)、故障處理時間以及網(wǎng)架是否滿足N -1 準則。
根據(jù)國內(nèi)城市10 kV 用戶供電可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，歷年架空線故障率比較平穩(wěn)，平均不超過0.1 次/(km˙a);歷年電纜線故障率略呈下降趨勢，平均不超過0.04 次/(km˙a)，電纜—架空混合饋線和絕緣架空線的故障率取電纜和架空裸線故障率之間。
分段數(shù)是指饋線上安裝有自動化終端的分段開關將饋線分割成的饋線段的個數(shù)，每個饋線段是故障所能自動定位或自動隔離的*小單元。
故障處理時間T 由三個部分構成：
T =t 1 +t 2 +t 3 ( 1)
其中，t 1 為故障查找時間，t 2 為故障隔離時間，t 3 為故障修復時間。
對于所有自動化終端都采用“三遙”終端的情形，故障查找時間和故障隔離時間較短，可以近似忽略不計，因此有
T≈t 3 (2)
對于所有自動化終端都采用“兩遙”(遙信、遙測，包括故障信息)或“一遙”(遙信，包括故障信息)終端的情形，故障查找時間較短，可以近似忽略不計，因此有：
T ≈ t 2 +t 3 (3)
對于滿足N -1 準則的情形，當故障發(fā)生后，只有故障所在饋線段在t 1 +t 2 +t 3時間內(nèi)都需要停電，而故障饋線上的其余饋線段(即健全饋線段)則*多只會在t 1+t 2 時間內(nèi)受故障影響而停電。
當不滿足N -1 準則時，當故障發(fā)生后，除了故障所在饋線段以外，部分甚至全部健全饋線段在t1 +t 2 +t 3 時間內(nèi)也可能會受故障影響而停電。
綜上所述，采取措施(如：導線絕緣化、提高電纜接頭工藝質(zhì)量、改善電纜溝中環(huán)境條件、及時更換老化電纜、架空線遠離樹木、在故障率高的架空分支安裝斷路器并配置本地快速過流保護等)降低故障率、適當增加自動化分段數(shù)、提升運維管理水平降低故障處理時間、網(wǎng)架改造提高滿足N -1 的饋線比例等手段，有助于減少故障造成的停電的影響。
配電自動化的技術手段
本節(jié)論述可以適用于進行故障處理的各類自動化裝置，并不局限于傳統(tǒng)意義的配電自動化系統(tǒng)。
集中智能配電自動化系統(tǒng)
配電自動化主站可分為大、中、小和前置延伸(適用于一般縣級電網(wǎng))4 種典型建設模式。
配電自動化終端可分為“三遙”終端和“二遙”終端兩類。“三遙”終端是指具有遙測、遙信、遙控和故障信息上報功能的配電終端，要求所控制的開關具有電動操動機構，一般需要采用光纖通道并進行非對稱加密。“二遙”終端是指具有故障信息上報(也可有開關狀態(tài)遙信)和電流遙測功能的配電終端，又分為基本型(類似故障指示器)、標準型(便于升級為“三遙”終端)和動作型(具有本地快速過流保護功能)3 種，可以采用無線公網(wǎng)(如GPRS)通信方式。
配電網(wǎng)繼電保護
農(nóng)村配電網(wǎng)
農(nóng)村配電網(wǎng)具有系統(tǒng)短路容量小、供電半徑長、架空為主等特點，在線路上不同區(qū)段發(fā)生故障時，短路電流水平的差異往往比較明顯，因此可以在主干線配置斷路器和三段式過流保護實現(xiàn)故障的選擇性切除。另外，還可以在故障率較高的分支線布置斷路器并配置快速過流保護，與主干線上的保護實現(xiàn)延時級差配合，做到支線故障快速切除不影響主干線和其余支線。
城市配電網(wǎng)
城市配電網(wǎng)具有系統(tǒng)短路容量大、供電半徑短的特點，在線路上不同區(qū)段發(fā)生故障時，短路電流水平的差異往往比較小，主干線上不宜實現(xiàn)保護配合，在故障率較高的分支線或次分支布置斷路器并配置快速過流保護，與變電站出線斷路器實現(xiàn)延時級差配合，做到次分支線故障快速切除不影響分支線、分支線故障快速切除不影響主干線。
對于架空線或架空分支，還可以設置一次快速重合閘功能，以實現(xiàn)瞬時性故障時快速恢復供電。相比集中智能配電自動化系統(tǒng)而言，配電網(wǎng)繼電保護具有動作更可靠(因只需要本地信息即可)、反應更迅速(因不需要通信傳輸)的優(yōu)點，但是往往不能實現(xiàn)精細配合，也存在越級跳閘或拒動的可能性。因此，應將集中智能配電自動化系統(tǒng)與配電網(wǎng)繼電保護協(xié)同配合，即發(fā)揮繼電保護快速處理的優(yōu)點，有利于集中智能配電自動化進行更精細的故障處理和修正性控制(針對繼電保護誤動或拒動)，提高故障處理性能。
配電網(wǎng)繼電保護可以采用動作型“兩遙”終端實現(xiàn)，也可以采用非智能化的繼電器實現(xiàn)，后者相當于減少了所規(guī)劃饋線的故障率。
備自投
備自投不具備故障定位與隔離功能，但是在主供電源因故障而失去供電能力時，它可以快速切換從而迅速恢復雙電源用戶供電。對重要的用戶、重要的區(qū)域配置備用電源自動投切裝置，對于故障時*大限度地減少對這些重要用戶和區(qū)域的影響，迅速恢復供電具有積極意義，適合于對供電可靠性要求很高的A+ 供電區(qū)域選用。
綜上所述，對配電自動化系統(tǒng)進行差異化規(guī)劃，實際上就是根據(jù)不同類型區(qū)域?qū)╇娍煽啃砸蟮牟町悾约耙?guī)劃區(qū)域故障率水平、網(wǎng)架結構以及配電網(wǎng)運維管理水平，科學配置配電自動化資源，以較小的投入，滿足供電可靠性的要求。為了做好這項工作，首先需要調(diào)研現(xiàn)狀，對比供電可靠性的要求找到差距，在此基礎上，結合實際情況，借助一些定量工具進行科學規(guī)劃。
比如，若調(diào)研得知規(guī)劃區(qū)域目前每年戶均停電時間為180 分鐘，其中預安排停電占135 分鐘，故障停電占45 分鐘。而規(guī)劃區(qū)域為A 類區(qū)域，要求的供電可用率(RS-3)為99.99%，允許的每年戶均停電時間不超過52 分鐘，差距非常大。
結合該供電公司的實際情況，新建的變電站即將投運，屆時站間配電網(wǎng)的聯(lián)絡將顯著加強，滿足N -1 準則的饋線比例將達到100%，并且通過運維管理提升，科學安排停電計劃、推廣帶電作業(yè)和不停電檢修技術、增加檢修資源和裝備、提高檢修人員熟練程度，可以有效減少預安排停電，預計每年戶均預安排停電時間將大幅度降低到35 分鐘。
這樣，為了滿足每年戶均停電時間不超過52 分鐘的要求，還需要將每年戶均故障停電時間降低到17 分鐘，為了保險起見，將每年戶均故障停電時間目標定為15 分鐘，與目前45 分鐘的現(xiàn)狀相比，要求降低到現(xiàn)狀的三分之一。
由于規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)滿足N -1 準則的饋線比例將達到100%，因此每條饋線只需要沿線布置兩臺可以實現(xiàn)“三遙”的分段開關，把饋線分割成能夠?qū)崿F(xiàn)“三遙”自動控制的3 個饋線段(用戶數(shù)大致均等)，也即將故障的影響范圍減少到目前的三分之一，就可以將每年戶均故障停電時間從45 分鐘降到其三分之一(即15 分鐘)的目標。為此，對于架空線而言，每條饋線需要配置兩臺“三遙”終端(FTU)，此外所有聯(lián)絡開關也要配置“三遙”終端(FTU);對于電纜饋線而言，有時可能兩臺需要實現(xiàn)“三遙”的分段開關(或聯(lián)絡開關)位于同一臺環(huán)網(wǎng)柜中，此時可以采用一臺“三遙”終端(DTU)實現(xiàn)對兩臺開關的“三遙”監(jiān)控，因此究竟需要配置多少臺“三遙”終端(DTU)，需要具體問題具體分析，可參見文獻[4](劉健, 張志華, 張小慶, 等. 繼電保護與配電自動化配合的配電網(wǎng)故障處理[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2011, 39(16): 53-57.)。
可見，定量的分析是科學規(guī)劃的基礎，下面將一些有助于科學規(guī)劃的公式列出，若對其推導過程感興趣，可參見文獻[4]。
網(wǎng)架結構滿足N-1 的情形
對于全部安裝“三遙”終端的情形，假設在每條饋線上對K3臺分段開關進行“三遙”，并同時對聯(lián)絡開關進行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3+1 個“三遙”分段，為了滿足只計及故障因素造成停電的可靠性(供電可用率)要求AF set，K3 應滿足：
對于全部安裝“二遙”終端的情形，假設在每條饋線上對K2臺分段開關進行“二遙”，并同時對聯(lián)絡開關進行“二遙”，將饋線分為用戶均等的K2+1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，K2應滿足：
對于“三遙”和“二遙”終端結合的情形，假設在每條饋線上對K3 臺分段開關進行“三遙”， 并同時對聯(lián)絡開關進行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3 +1 個“三遙”分段，再在每個“三遙”分段內(nèi)對h 臺分段開關進行“二遙”，將每個“三遙”分段分為用戶均等的h +1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，在給定K3 的條件下，h 應滿足：
在給定h 的條件下，K3應滿足：
同時有：
網(wǎng)架結構不滿足N-1 的情形
假設在每條饋線上對K3 臺分段開關進行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3+1 個“三遙”分段，為了滿足可靠性要求AF set，K3應滿足：
假設在每條饋線上對K2臺分段開關進行“二遙”，將饋線分為用戶均等的K2+1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，K2 應滿足：
若主干線采用具有本地保護和重合閘功能的“二遙”終端實現(xiàn)K2+1 級保護配合，則可以在故障處理過程中省去t2時間，為了滿足可靠性AF set，K2應滿足：
結 語
配電網(wǎng)具有“點多面廣”的特點，配電自動化系統(tǒng)是減少配電網(wǎng)故障影響從而提高供電可靠性的重要手段，但是應根據(jù)各個供電區(qū)域的實際情況以及對供電可靠性要求的不同而差異化規(guī)劃，不要“過度建設”。
廣義的配電自動化技術不僅包括集中智能配電自動化系統(tǒng)，還包括繼電保護、自動重合閘和備自投等，應相互協(xié)調(diào)配合以提高故障處理性能。
預安排停電也嚴重影響供電可靠性，盡管改善網(wǎng)架結構對減少預安排停電有一定作用，但是減少預安排停電的主要途徑是配電網(wǎng)運維管理提升。
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