一種基於供電可靠率的配電自動化終端布置方法與流程
2023-06-18 23:09:16
本發明涉及配電網自動化終端規劃領域，尤其是涉及一種基於供電可靠率的配電自動化終端布置方法。
背景技術：
隨著社會經濟和電網技術的發展，電力用戶對於供電可靠性的要求不斷提高，配電網智能化升級改造也多以改善和提高供電可靠性為主要目標，以上海為代表的國內大型城市因負荷密度高，重要負荷較多，對停電事件高度敏感，A+供電區域的用戶供電可靠率以年戶均停電時間5min(即RS-3供電可靠率99.999％)為2020年的目標值。
配電自動化系統由於可實現故障的快速隔離與恢復，是提升配電網供電可靠性的重要手段之一，目前在國內已經開展了廣泛的試點應用。具有遙測、遙信和遙控功能的「三遙」配電自動化終端和只具有遙測和遙信功能的「二遙」配電自動化終端等是配電自動化系統的基本組成元件，在實際中廣泛應用。雖然這些終端對提升供電可靠性均有助益，但是如何在實際網架中進行優化布點規劃，從而獲得性價比最高的供電可靠性提升效果，仍是各地區在實際應用中所遇到的難題。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種考慮配電終端、優化方案、具有借鑑意義的基於供電可靠率的配電自動化終端布置方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種基於供電可靠率的配電自動化終端布置方法，用於對架空網和/或電纜網進行配電自動化終端的布置，包括以下步驟：
1)構建網架供電可靠率模型；
2)分別獲取架空網和/或電纜網的節點位置信息，並且設定供電可靠率目標；
3)設定初始配電自動化終端布置方案，即布置配電自動化終端的節點位置以及終端型號，根據網架供電可靠率模型計算供電可靠率，並根據供電可靠率目標判斷該方案是否可行，最終獲得最優的配電自動化終端布置方案。
所述的網架供電可靠率模型為：
其中，R為用戶供電可靠率，R′為只計及故障停電因素的用戶供電可靠率，Tp為年戶均計劃停電時間，ni為饋線第i分段上的用戶數，fi為饋線第i分段的年故障次數，t1為定位故障區域所需時間，t2為在故障定位指引下由人工進行故障區域隔離所需時間，t3為故障修復所需時間，ni1為定位故障區域時間內的停電用戶數，ni2為故障區域隔離時間內的停電用戶數，ni3為故障修復時間內的停電用戶數；
所述的節點包括電纜網內的配電站以及架空網內的柱上開關，配電自動化終端的終端型號包括二遙終端和三遙終端。
所述的電纜網內的配電站包括K型站、P型站、WX型站和WH型站，所述的架空網內的柱上開關包括聯絡開關和分段開關。
所述的步驟2)中，供電可靠率目標為99.999％。
所述的步驟3)中，架空網的初始配電自動化終端布置方案包括不配置終端、全部節點配置二遙終端和全部節點配置三遙終端。
所述的步驟3)中，所述的電纜網為WX型站單環網結構，其對應的初始配電自動化終端布置方案包括不配置終端、只配置三遙終端不配置二遙終端以及除標明配置三遙終端的節點外其餘均配置二遙終端。
所述的只配置三遙終端不配置二遙終端包括雙側第一個或第二個節點配置三遙終端、雙側第三個節點配置三遙終端、雙側第一個或第二個節點加第三個節點配置三遙終端以及全部節點均配置三遙終端，所述的除標明配置三遙終端的節點外其餘均配置二遙終端包括全部配置二遙終端、雙側第一個或第二個節點配置三遙終端、雙側第三個節點配置三遙終端以及雙側第一個或第二個節點加第三個節點配置三遙終端。
架空網的配電自動化終端布置方案中，越靠近主幹線末端的聯絡開關布置配電自動化終端的優先級越高。
電纜網的配電自動化終端布置方案中，不同級別環網優先級為一級環網>二級環網>三級環網，不同類型節點優先級為K型站>P型站>WH型站>WX型站。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
本發明以上海A+區域典型網架為例分析了配電自動化的故障處理模式，建立了考慮配電自動化系統的網架供電可靠率模型，並以10kV典型網架為例進行供電可靠率分析，分別計算了網架各節點配置「三遙」終端、「二遙」終端在不同布點規劃方案下的供電可靠率，並綜合考慮工程實施難度、投入產出效益等因素，優化了配電自動化終端規劃策略，對大中型城市的配電自動化規劃建設工作有良好的指導意義，也可為其他地區相關工作提供借鑑。
附圖說明
圖1為10kV架空網典型結構示意圖。
圖2為10kV電纜網(WX型站單環網)的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例：
本發明的供電可靠率是指平均供電可用率指標，該指標是一個統計指標，其定義為在統計期間內，對用戶有效供電時間總小時數與統計期間小時數的比值，其中若不計系統電源不足限電，記為RS-3指標。
為了量化估計配電自動化系統對供電可靠率統計值的影響，本發明進一步提出針對具體網架的供電可靠率簡化估算公式，即網架供電可靠率模型為：
其中，R為用戶供電可靠率，R′為只計及故障停電因素的用戶供電可靠率，Tp為年戶均計劃停電時間，ni為饋線第i分段上的用戶數，fi為饋線第i分段的年故障次數，t1為定位故障區域所需時間，t2為在故障定位指引下由人工進行故障區域隔離所需時間，t3為故障修復所需時間，ni1為定位故障區域時間內的停電用戶數，ni2為故障區域隔離時間內的停電用戶數，ni3為故障修復時間內的停電用戶數；
供電可靠率計算主要考慮環網內線路N-1故障(根據統計數據，N-1以上故障及站內故障概率較低，線路故障概率較高，因此主要考慮環網內線路N-1故障)。另外，假設環網滿足N-1時的100％負荷轉供能力。在實際計算時，若缺乏相關線路年故障次數的數據，可暫以該地區的單位長度故障率平均值乘以線路長度的方式進行估算。
本發明中，10kV電纜網內的配電站(K型站、P型站、WX型站、WH型站)以及架空網內的柱上開關(聯絡開關、分段開關)統稱為「節點」。若饋線中各節點不配置任何終端，則故障區段停電時間為t1+t2+t3，非故障區段停電時間為t1+t2；若全部節點配置「二遙終端」，故障定位時間為分鐘級，此時故障區段停電時間約為t2+t3(忽略t1)，非故障區段停電時間約為t2(忽略t1)；若全部節點配置「三遙終端」，故障定位和故障隔離時間均為分鐘級，此時故障區段停電時間約為t3(忽略t1和t2)，非故障區段停電時間約為零(忽略t1和t2)。需要注意的是，對於電纜環網而言，由於負荷接入點集中在站所節點內，而非支接於線路上，因此線路故障時，只要故障定位和故障隔離(含閉合開環點操作)完成，所有用戶即可恢復供電，待線路故障修復完成後再恢復初始的運行方式，線路故障修復時間t3並不影響用戶的停電時間；而對於架空網而言，故障線路區段上支接的用戶必須待該區段修復完畢後才可恢復供電。
實施例1：
對於架空網：
以上海A+區域10kV電網為例，其典型架空網結構如圖1所示。架空網典型結構為多分段適度聯絡，一般分為數個供電單元，每個供電單元由數個分段線路組成。正常運行方式下，分段開關閉合，聯絡開關打開。
假定在分段開關和聯絡開關均配置「三遙」配電自動化終端，則集中式FA故障處理模式如下：
1)QF1-QS1區段發生故障
故障定位：QF1出口開關前加速保護動作後，重合閘啟動，此時若是永久性故障，反時限保護動作再次跳閘，架空線上每個終端檢測電流並將故障信息傳送給配電主站，配電主站通過調度主站獲取QF1出口開關保護動作信號、開關變位信號，並通過每個終端上報的故障信息進行網絡拓撲結構分析確定故障點位於QF1-QS1區段；
故障隔離：配電主站執行遙控操作，拉開QS1開關實現故障區域的隔離；
非故障區域恢復供電：配電主站綜合分析每個聯絡開關允許轉供的負荷，協調選擇最合適的備用電源後執行遙控操作，合上QS7、QS8、QS9柱上聯絡開關中的一個，恢復故障區段下遊供電。
2)QS3-QS4區段發生故障
故障定位：QF1出口開關前加速保護動作後，重合閘啟動，此時若是永久性故障，反時限保護動作再次跳閘，架空線上每個終端檢測電流並將故障信息傳送給配電主站，配電主站通過調度主站獲取QF1出口開關保護動作信號、開關變位信號，並通過每個終端上報的故障信息進行網絡拓撲結構分析確定故障點位於QS3-QS4區段；
故障隔離：配電主站執行遙控操作，拉開QS3、QS4開關實現故障區域的隔離；
非故障區域恢復供電：調度主站執行遙控操作，QF1再次合閘，恢復故障區段上遊供電。配電主站分析QS9聯絡開關允許轉供的負荷，執行遙控操作，合上QS9柱上聯絡開關，恢復故障區段下遊供電。
針對圖1所示的架空網架，基於以上故障處理模式和供網架供電可靠率模型，計算不同終端布點規劃方案下該架空線的供電可靠率估算值，計算條件如下：
各分段開關之間線路上支接的用戶數相等，各段線路長度均取0.2km，單位線路長度故障率均取0.07次/km·年。故障區域定位時間取1.5h，故障區域隔離時間取1h，故障修復時間取4h。
計算結果如表1所示。
表1典型架空網供電可靠率計算
對於架空網而言，在開關配置「二遙」終端可以將故障範圍縮小在相鄰的2個配置「二遙」終端的開關之間，大幅縮短故障巡線定位時間，而配置「三遙」終端則可以進一步省去現場操作隔離故障的時間。根據本算例的供電可靠率計算結果，在不配置終端時戶均故障停電時間較長，在不考慮計劃停電時就已經超出99.999％供電可靠率目標的允許限值；全部開關配置「二遙」終端時供電可靠率有所提升，但仍超出限值；全部開關均配置「三遙」終端時，供電可靠率進一步顯著提升，在前述計算條件下，若要達到99.999％的供電可靠率，則可以給計劃停電留有戶均約2min的裕度。
架空網的優化策略分析如下：
架空網應綜合考慮配電自動化建設改造難度和資金預算情況，對聯絡開關和分段開關實行以「三遙」終端為主的配電自動化終端覆蓋。對於聯絡開關，同等建設難度和經費預算條件下，當對側線路轉供能力足夠時，越靠近主幹線末端的聯絡開關布點優先級越高。對於分段開關，則根據本發明前述的供電可靠率計算方法對不同布點規劃方案進行計算，並根據供電可靠率目標值和計劃停電情況，進一步選取最合適的布點規劃方案(無開關的杆塔亦可配置故障定位裝置作為輔助「二遙」節點，可在計算時考慮)。
根據統計情況，架空網供電可靠率明顯低於電纜網。因此，從可靠性需求而言，架空網的配電自動化終端配置標準應高於電纜網。
另一方面，由於「三遙」終端一般採用光纖通信方式，架空網光纖敷設可採用掛杆方式實現，實施難度和造價均較低，而電纜網光纖敷設則經常需要在沒有排管和孔位資源時採用開挖直埋方式，實施難度和造價(含工程費和賠償費)較高，光纖敷設費用佔總費用比例極高。因此，相對於電纜網，架空網配置「三遙」終端，從投入產出效益而言是更有優勢的。
對於聯絡開關，當其位置越靠近主幹線末端，在通過分段開關隔離故障後，通過閉合該聯絡開關能夠轉供的負荷則越多。例如圖1所示架空網，若3個聯絡開關中僅選一個配置「三遙」終端，則配置在末端的QS9開關時，主幹線任意位置故障，均可通過分段開關隔離故障區段後，由QF1和QS9閉合恢復所有非故障區段的供電；若配置在首端的QS7開關時，QS2至QS9之間的線路發生故障，則故障點之後的非故障區段無法通過QS7閉合迅速恢復供電，必須通過手動合上QS9開關才可恢復。因此，在同等建設難度和經費預算條件下，並且對側線路轉供能力足夠時，應優先選取靠近主幹線末端的聯絡開關進行終端布點。
實施例2：
對於電纜網：
上海A+區域10kV電纜網有變電站供K型站單環網、變電站供K型站雙環網、K型站供P/W型站單環網、K型站供P型站雙環網、變電站供P/W型站單環網、變電站供P型站雙環網等典型接線模式。圖2所示為變電站供WX型站(箱變)單環網接線。
以圖2為例，WX型站單環網兩路電源來自同一座變電站不同母線或不同變電站，環中其中一座WX型站的一個負荷開關正常狀態開斷運行(圖2中QS6負荷開關)作為環內聯絡開關。
假定在各箱變均配置「三遙」配電自動化終端，則集中式FA故障處理模式如下
1)QF1-QS1區段發生故障
故障定位：QF1出口開關保護動作，終端檢測電流並將故障信息傳送給配電主站，配電主站通過調度主站獲取QF1出口開關保護動作信號、開關變位信號，並通過每個終端上報的故障信息進行網絡拓撲結構分析確定故障點位於QF1-QS1區段；
故障隔離：配電主站執行遙控操作，拉開QS1開關實現故障區域的隔離；
非故障區域恢復供電：配電主站分析QS6聯絡開關允許轉供的負荷，執行遙控操作，QS6合閘，恢復故障區段下遊供電。
2)QS4-QS5區段發生故障
故障定位：QF1出口開關保護動作，終端檢測電流並將故障信息傳送給配電主站，配電主站通過調度主站獲取QF1出口開關保護動作信號、開關變位信號，並通過每個終端上報的故障信息進行網絡拓撲結構分析確定故障點位於QS4-QS5區段；
故障隔離：配電主站執行遙控操作，拉開QS4、QS5開關實現故障區域的隔離；
非故障區域恢復供電：調度主站遙控QF1開關合閘，恢復故障區段上遊供電。配電主站分析QS6聯絡開關允許轉供的負荷執行遙控操作，QS6合閘，恢復故障區段下遊供電。
針對圖2所示的電纜網架，基於以上給出的故障處理模式和網架供電可靠率簡模型，計算不同終端布點規劃方案下該電纜環網的供電可靠率估算值。計算條件如下：
各箱變對應的用戶數相等，各段線路長度均取0.3km，單位線路長度故障率均取0.04次/km·年。故障區域定位時間取1.5h，故障區域隔離時間取1h，故障修復時間取4h。
計算結果如表2所示。
表2典型電纜網供電可靠率計算
對於電纜網而言，在站點內配置「二遙」終端可以將故障範圍縮小在相鄰的2個配置「二遙」終端的站點之間，大幅縮短故障巡線定位時間，而配置「三遙」終端則可以進一步省去現場操作隔離故障的時間。根據本算例的供電可靠率計算結果，在不配置終端時戶均故障停電時間略超出99.999％供電可靠率目標的允許限值，沒有留給計劃停電的裕度；在雙側其中一個或多個箱變配置「三遙」終端時，供電可靠率均不同程度提升，能夠給計劃停電留有一定裕度，其中在第三個箱變(即正常運行方式下開環點所在箱變)配置三遙「終端」的效果略好於在其他箱變配置「三遙」終端；進一步在不配置「三遙」終端的箱變配置「二遙」終端，可以使得供電可靠率進一步提升；所有箱變均配置「三遙」終端時，在本發明的簡化計算條件下，所有線路N-1故障均可被迅速隔離並實現負荷轉供，因此戶均故障停電時間趨近於0，要達到供電可靠率99.999％的目標值需保證戶均計劃停電時間在5min內。
電纜網的優化策略分析如下：
電纜網應綜合考慮配電自動化建設改造難度和資金預算情況，對不同級別的環網和不同的節點類型實行差異化的配置方案。不同級別環網優先級為一級環網>二級環網>三級環網；不同類型節點優先級為K型站>P型站>WH型站>WX型站。其中一級環網、二級環網、三級環網定義如下：
變電站10kV出線構成的電纜環網定義為一級環網，主要包括變電站出線供出的K型站環網、P型站環網、WX型站環網、WH型站環網；位於一級環網上的節點出線構成的下一級電纜環網，定義為二級環網，主要包括K型站出線供出的P型站環網、WX型站環網、WH型站環網以及由變電站供出的一級環網內的P型站所供出的下級環網。位於二級環網上的節點出線構成的下一級電纜環網，定義為三級環網，主要包括由K型站供出的二級環網內的P型站所供出的WH型站環網和WX型站環網。
在上述策略基礎上，在針對具體網架進行終端布點規劃時，對各級別環網採用本發明前述的供電可靠率計算方法對不同布點規劃方案進行計算，並根據供電可靠率目標值和計劃停電情況，進一步選取最合適的方案。
變電站供出的各級別環網，所供用戶規模逐級減少，線路長度逐級縮短，即對供電可靠率的影響逐級降低。目前上海電網A+和A類地區年戶均計劃停電戶時數遠大於戶均故障停電戶時數，比例達到5：1以上，部分年份甚至達到10：1，而其中電纜網戶均故障停電時間已為分鐘級。因此，對於A+地區99.999％的供電可靠率目標，提升帶電作業等管理手段，減少計劃停電時間是主要任務，電纜環網中採取抓大放小策略，優先完成一級環網終端覆蓋，以較高性價比提高供電可靠率，是現階段較合理的配置方案。另外，一級環網的運行方式調整頻率高於二級和三級環網，建議優先使用「三遙」終端進行布點，此時遙控使用率較高，運行方式調整更便捷，投資更能夠充分發揮作用。
另一方面，變電站供出的各級別環網，逐步向負荷中心延伸，光纜的敷設難度也逐級提升。一方面光纜的排管和孔位資源逐級減少，另一方面A+區域光纜直埋敷設涉及的賠償費用較高，且越深入負荷中心越可能在施工過程中遇到較大阻撓和較高索賠。因此優先完成一級環網的「三遙」節點光纖到位，可有效減少投資和縮短工期。
對於不同節點類型，K型站是電纜網核心，應以較高標準配置，並且配合站內備自投和外線縱差保護可以起到良好的配合效果；P型站戶內改造條件相對較好，且一次改造一般可使環網內兩側線路都受益(PT2型站)，另外P型站出線所供總用戶數一般大於WH型站和WX型站，因此應優先於W型站配置；WH型站一般位於市政道路附近，光纖敷設條件相對於小區內的WX型站較好，且所供用戶有較多10kV重要用戶，因此應優先於WX型站配置；WX型站由於光纖直埋敷設和改造較困難，停電影響的用戶級別和規模有限，因此優先級最末。
實行環網級別和節點類型兩個方面的差異化配置策略，不實施全節點配置方案，另一個重要原因是目前現狀區域較多電纜運行年數已較長，暫時未完成配電自動化終端布點的站點，未來可隨著一次網架調整或電纜更換等項目，同步敷設光纜到位，可最大限度節省投資，避免重複開挖工程。