客戶高可靠性服務和配電設備利用率提升的配電系統聯絡點規劃

高　猛，劉　聰，楊得博，王守相，劉　偉，梁　棟

（1.國網天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250；2.國網天津市電力公司，天津 300010；3.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

客戶高可靠性服務和配電設備利用率提升的配電系統聯絡點規劃

高猛1，劉聰2，楊得博1，王守相3，劉偉1，梁棟3

（1.國網天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250；2.國網天津市電力公司，天津 300010；3.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

提出了一種考慮可靠性約束并尋求經濟性最優的配電系統聯絡點規劃方法。首先，介紹了含多聯絡點的配電系統可靠性分析方法，提出了負荷供電可恢復的邏輯判斷方法。其次，以系統供電可靠性指標和系統設備利用率為約束，以經濟性最優為目標建立了聯絡點規劃模型，并在可靠性計算中采用區間數來處理負荷和故障參數的不確定性。最后，對RBTS BUS 6部分饋線算例進行了測試：通過改變聯絡點容量調節系統設備利用率，分析了不同系統設備利用率對規劃結果的影響，并根據測試結果提出了聯絡點規劃的原則。測試表明所提模型與方法具有較強的工程參考價值。

配電系統；聯絡點；規劃；可靠性

傳統的配電系統只能被動地從輸電網接收功率，無法對故障和異常狀態進行有效控制，難以滿足用戶不斷嚴苛的供電可靠性要求。隨著電網智能化建設需求的增長，配電網改造和建設勢在必行［1-2］。

聯絡是配電系統的重要組成部分，對于故障后的負荷轉移和供電恢復具有重要意義，是提高配電系統可靠性的重要手段。單聯絡接線簡單、運行靈活，在當前配電系統中得到了廣泛應用，在饋線負荷不太大、饋線備用容量較高時，單聯絡即可滿足可靠性要求，其中任一條饋線的所有負荷均可轉移到對側饋線上而不發生參數越限。然而隨著負荷不斷增長，饋線備用容量不斷降低，單聯絡漸漸難以滿足可靠性需求。

當前的配電自動化建設與改造多集中于對開關設備或配電自動化終端設備等進行安裝或自動化改造，而忽視了聯絡的建設和改造。開關或配電自動化終端可降低故障隔離時間，從而提高供電可靠性。然而，當故障快速隔離后，若現有的備用電源容量不足或負荷轉移后電壓等參數發生越限，仍會導致相關負荷被切除和長時間失電，因此必須在相應饋線段建設新的聯絡，以保證破壞性故障發生后負荷的轉移和供電恢復。

配電系統聯絡的建設包括聯絡開關和聯絡線路的建設，若在每個饋線段建設聯絡會實現高可靠性，然而，聯絡開關設備成本較高，聯絡線路的選擇涉及復雜的地理信息因素，盲目建設聯絡將導致大量投資。因此，應根據不同供電區域的負荷大小、用戶類型、接線方式等實際需求，綜合考慮供電可靠性、聯絡建設投資等因素對聯絡點的數量、建設位置進行科學規劃，以期在保證系統一定供電可靠性的前提下，投資最小，獲得較高的投資回報率。

對于配電系統的聯絡規劃問題已有相關研究。部分文獻研究了聯絡線的規劃問題。文獻［3］提出了中壓配電網聯絡線優化算法，在滿足變電站以及變壓器水平N-1準則前提下，計算使空載聯絡線固定投資最小的聯絡方案。文獻［4-5］則從配電系統最大供電能力角度研究了主變壓器站間聯絡線優化問題。上述研究均簡化為饋線間的單聯絡規劃。文獻［6-7］提出了基于兩聯絡接線模式的聯絡線優化方法。文獻［8］研究和提出了環間聯絡線落點位置的選擇原則。部分文獻研究了聯絡開關的優化配置。文獻［9］研究了同一條饋線內部聯絡開關的優化配置。文獻［10］提出了考慮可靠性的配電網分段開關和聯絡開關的數量和安放位置的規劃方法。文獻［11］基于負荷-光伏等效負荷曲線動態分段對含光伏電源的配電網聯絡開關進行優化配置，將生成樹和蟻群算法相結合對模型進行求解。文獻［12］考慮停電損失和設備投資，研究了聯絡開關的優化配置問題，以模糊隸屬函數表示負荷重要性。文獻［13］提出了復雜拓撲結構下最優分段和聯絡計算方法，以及自動分段開關和自動聯絡開關的組合和配置方法。

本文研究了配電系統的聯絡點規劃問題，以期在保證系統具有較高供電可靠性前提下，經濟性最優，獲得較好的投資回報率，將配電系統的工程應用價值最大化。首先，介紹了多聯絡點配電系統可靠性分析方法，提出了供電可恢復的邏輯判斷方法；其次，以經濟性為目標、可靠性為約束建立了聯絡點規劃模型，在可靠性計算中以區間數處理負荷和故障參數的不確定性；最后，給出了算例應用情況，提出了聯絡點規劃的結論和原則。

1　多聯絡點配電系統可靠性分析

配電系統可靠性分析國內外已有較多研究［14-17］，其中在文獻［18-19］中詳細介紹了饋線分塊的相關概念，并分別采用最短路法和故障模式影響分析法進行了可靠性的分塊計算。本文提出了分塊可靠性計算的最小割集法，該方法繼承了可靠性分塊算法的優勢，同時相比以上兩種方法，最小割集法對于輻射狀、多端供電及多聯絡接線的配電系統都具有良好的適應性。

1.1分塊最小割集法可靠性計算

分塊最小割集法可靠性計算主要分為如下幾個步驟。

步驟1根據開關分布進行饋線分塊。饋線塊是指內部不含任何開關的饋線元件集合，塊中的元素可以是一個節點、一條線路，也可以是多個節點和線路的組合。每一個開關元件單獨形成開關弧。圖1中用虛線標示出了饋線分塊的結果，即形成7個饋線塊Z1～Z7。

圖1　簡單輻射狀配電系統Fig.1 Simple radial distribution system

步驟2對各分塊的類型、負荷、可靠性等信息進行統計。將其中含電源節點的塊定義為電源塊，含轉移節點的塊定義為轉移塊，含負荷節點的塊定義為負荷塊。圖1中Z1和Z6為電源塊，Z7為轉移塊，Z3、Z5、Z7、Z8為負荷塊。統計連接在塊中所有節點上的負荷種類、大小數據，為可靠性計算做準備。由于饋線塊內無開關，因而塊中任何元件的故障都將引起整個饋線塊被切除。根據串聯元件的關系計算每個塊的故障率λB與平均停電持續時間rB，其計算公式分別為

式中：NB為塊中元件個數；λi與ri分別為第i個元件的故障率和修復時間。分析中只考慮元件的持續性故障。

步驟3針對每一個負荷塊，搜索該塊到電源塊、轉移塊的所有最小路，以及所有與該塊相連的其他路徑。以負荷塊Z8為例，其到電源塊的最小路徑為

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（S2）→Z2→（B1）→Z1

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（B2）→Z5→（B3）→Z6

到轉移塊的最小路徑為

Z8→（F）→Z7

既非電源路徑也非轉移路徑的其他路徑為

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（S2）→Z2→（S1′）→Z3

通過以上3種路徑的搜索，可確定網絡結構圖中所有與負荷塊相連并能夠對負荷塊造成潛在影響的塊以及相連路徑上的開關分布。

步驟4根據最小路徑信息找出該負荷塊的一階供電割集塊、一階轉移割集塊。根據最小路徑的搜索結果建立到電源塊和轉移塊的最小路徑矩陣。該矩陣的行數為到電源塊或轉移塊的最小路徑條數，矩陣的列數為網絡中所有饋線塊總數。若某條最小路徑中包含某一個饋線塊，則與該最小路徑對應的行中對應饋線塊所在列的元素為1，反之該元素為零。負荷點Z8對應的電源塊最小路徑矩陣A為

最小路徑矩陣建立以后，若某饋線塊所對應的列元素均為1，則該塊為一階割集塊。在圖1中，負荷塊Z8的一階供電割集為｛Z4，Z7，Z8｝，一階轉移割集為｛Z8，Z7｝。不難發現，每個負荷塊本身既是其一階供電割集元素，又是其一階轉移割集元素。

步驟5根據步驟3中的最小路徑以及步驟4中的一階割集信息，分析與負荷塊相連的各個饋線塊發生故障時對該負荷塊的影響，并進行累加。優先分析故障塊與一階供電割集的關系，以確定故障對供電路徑的影響；若故障不可隔離，則分析故障塊與一階轉移割集的關系，以確定故障對轉移路徑的影響。對一個具體的負荷塊來說，與其相連的饋線塊可分為如下幾種類型（以負荷塊Z8為例）：①該塊與負荷塊的一階供電割集之間存在斷路器或熔斷器，則該塊故障對負荷塊不產生影響，如Z1、Z5、Z6；②該塊與負荷塊的一階供電割集之間無斷路器，但存在分段開關，則該塊故障會引起負荷塊停電，停電持續時間為故障隔離時間，如Z3、Z2；③該塊與負荷塊的一階供電割集之間無任何開關，但與一階轉移割集之間存在分段開關，則該塊故障會引起負荷塊停電，停電持續時間為故障隔離時間與轉移時間之和，如Z4；④該塊與負荷塊的一階供電割集之間無任何開關，與一階轉移割集之間無任何開關，則該塊故障會引起負荷塊停電，停電持續時間為故障塊的平均修復時間，如Z7、Z8。

步驟6重復步驟3～步驟5，直至將所有負荷塊分析完畢。

步驟7計算各個負荷點以及系統的可靠性指標。其中，各負荷點的可靠性指標等于其所在塊的可靠性指標。

1.2供電恢復分析

前述方法是在TLOC準則下進行可靠性計算，未計及聯絡容量不足的限制。下面提出PLOC準則下的粗略計算方法，以考慮聯絡容量不足的限制。

前述方法步驟3形成所有轉移路徑時，對于該負荷塊i的第j條轉移路徑，累加該轉移路徑上的負荷Ptrans-ij，并與該轉移聯絡點的容量Ctie-ij做比較，并記錄比較結果Rij，若Ptrans-ij＜Ctie-ij，則Rij=true，否則Rij=false。

對于負荷塊i，若存在轉移路徑j，使得Rij=true，則該負荷塊可轉移，記為Ti=true；否則，負荷不可轉移。在前述方法步驟5的③中，若Ti=true，轉移時間不變；若Ti=false，轉移時間修改為故障平均修復時間。

綜上，本文提出的可靠性分析方法流程如圖2所示。

圖2　可靠性分析流程Fig.2 Flow chart of reliability analysis

2　聯絡點規劃模型和方法

2.1決策變量

模型決策變量xi定義為每個負荷段（帶負荷的饋線段）是否建設聯絡點，進行設定

2.2基本模型

本模型以系統年停電損失CIC（customer interruption cost）、聯絡建設運維年投資IC（installation cost）之和最小為目標，以系統供電可用率ASAI（average service availability index）和系統設備利用率作為約束，以區間數處理負荷和故障參數的不確定性，可靠性指標計算值均為區間數，加中括號［］進行標志。系統設備利用率以聯絡點的容量C表示。其模型為

式中：K為系統需要滿足的供電可用率；R為系統實際聯絡點容量，表征系統設備利用率提升潛力。

1）系統年停電損失［CIC］

系統年停電損失期望與用戶類型、用戶負荷大小、用戶停電頻率以及停電時間都密切相關，簡化的系統年停電損失函數模型為

式中：NL為負荷節點數；ENSj（energy not supplied）為第j個負荷節點的年停電電量期望；IEARj（interrupted energy assessment rate）為第j個負荷節點每次停電所對應的停電成本，元/（kW·h）。

2）聯絡建設運維投資IC

聯絡建設運維投資IC計算公式為

式中：Ntie為聯絡點建設數量；Atie為每條聯絡線建設年值；h為設備運維費用占設備投資費用的比例，除以2表示聯絡點建設運維投資為聯絡線建設運維投資的一半。

根據設備現值計算設備年值的公式［20］為

式中：Ptie為單條聯絡建設的現值；ρ為貼現率。

3）供電可用率［ASAI］

系統供電可用率［ASAI］計算公式為

式中，Ni為負荷節點i的用戶數。

4）聯絡點容量C

每個聯絡點均有其容量，即所聯絡的饋線的備用容量，聯絡點容量越小，說明所聯絡的饋線正常運行所帶的負載越高，系統設備利用率越高。通過改變聯絡點容量，可使規劃結果趨于更多聯絡點分攤停電負荷，達到提高系統設備利用率的規劃效果。

2.3求解算法

采用基于可信度［21］的區間二進制遺傳算法GA（genetic algorithm）對上述模型進行求解，GA算法流程見圖3。

圖3　GA算法流程Fig.3　Flow chart of GA

3　算例分析

如圖4所示，采用RBTS BUS 6算例部分饋線進行測試，該系統為中壓配電系統，有18個負荷點，1 755個用戶，所有負荷均乘以5，以模擬饋線重載情況，總平均負荷為6.081 MW［22］。

圖4　RBTS BUS 6部分配電系統主接線圖Fig.4　Connection diagram of part of the distribution system for RBTS BUS 6

所需數據如元件故障率、節點負荷、節點用戶類型和用戶數等見文獻［22］；聯絡開關的切換時間取0.05 h，非自動開關的開關時間取1 h；各類負荷單位電量停電成本數據如表1所示。單條聯絡建設費用現值取100 000元，壽命取20 a，設備貼現率取0.1，運維費用占設備投資費用比例取0.03。所有節點負荷加上下5%的偏移區間，線路和變壓器故障率分別加5%和3%的偏移區間。

表2、表3給出了聯絡配置邊界的可靠性指標，其中認為聯絡饋線備用容量足夠，即發生故障后負荷可完全轉移。由表可見，建設聯絡點可拓展系統可靠性邊界，進一步提高系統供電可靠性。

表1　單位電量停電成本Tab.1　Interruption energy assessment rate

表2　聯絡配置邊界的可靠性指標（開關均未改造）Tab.2　Reliability indices of tie planning bound（no switch is renovated to automatic switch）

表3　聯絡配置邊界的可靠性指標（開關均改造為自動開關）Tab.3　Reliability indices of tie planning bound（all switches are renovated to automatic switches）

下面僅考慮開關未改造情況，開關改造情況類似。設計聯絡點容量為3 MV·A和1 MV·A兩種情形，兩種情形下的最大供電可用率［ASAI］max（全聯絡）和最小供電可用率［ASAI］min（無聯絡）可靠性指標如表4所示。

表4　不同聯絡點容量下的聯絡配置邊界可靠性指標Tab.4　Reliability indices of tie planning bound with different tie point capacities

表5、表6分別給出了聯絡點容量為3 MV·A和1 MV·A兩種情況下，不同的供電可用率［ASAI］約束下的聯絡點最優規劃方案，包括聯絡點建設的最優數量、位置及停電損失期望、總費用及最優方案的［ASAI］指標。圖5、圖6給出了聯絡點容量為3 MV·A和1 MV·A兩種情況下可靠性指標最大的網架聯絡點規劃結果。

表5　聯絡點最優規劃方案（聯絡點容量3 MV·A）Tab.5　Optimal planning scheme of tie points（tie point capacity of 3 MV·A）

表6　聯絡點最優規劃方案（聯絡點容量1 MV·A）Tab.6　Optimal planning scheme of tie points（tie point capacity of 1 MV·A）

圖5　聯絡點規劃結果示意（聯絡點容量3 MV·A）Fig.5　Schematic of optimal planning result of tie points（tie point capacity of 3 MV·A）

圖6　聯絡點規劃結果示意（聯絡點容量1 MV·A）Fig.6　Schematic of optimal planning result of tie points（tie point capacity of 1 MV·A）

由表5、表6可見，聯絡點容量較大時，每加建一個聯絡點，［ASAI］指標均得到較大提高，因而所需建設的聯絡點較少，這是因為每個聯絡點可對接入點附近約多個負荷段的負荷恢復供電，即聯絡點可覆蓋其附近多個負荷段；聯絡點容量較小時，所需建設的聯絡點較多，這是因為每個聯絡點所能轉移的負荷段較少，每加建一個聯絡點，［ASAI］指標提高幅度有限，必須建設較多的聯絡點才能更多地恢復失電負荷，提高可靠性指標。然而聯絡點容量為1 MV·A時［ASAI］指標比聯絡點容量為3 MV·A時有所下降，這是因為有4個負荷點負荷超過了聯絡點容量，這些負荷失電時無法恢復供電，因此聯絡點容量的設置應至少大于每個負荷段的負荷。

綜上所述，可得出以下結論：

（1）建設聯絡可提高配電系統可靠性，進一步拓展可靠性邊界，尤其在重載情況下，聯絡點容量較大時，每個聯絡點均對可靠性產生較大提升，需建設的聯絡點數量顯著降低；

（2）調低聯絡點容量，可計及未來負荷的增長，達到提高系統設備利用率的規劃效果；

（3）聯絡點容量應至少大于一個負荷段的負荷，否則對可靠性改善有限，反而增加建設投資；

（4）聯絡點的建設原則是應覆蓋盡可能多的負荷段，并按負荷大小均勻分布，避免過于密集。

4　結語

本文研究了配電系統的聯絡點規劃問題，提出了多聯絡配電系統可靠性分析方法，并以經濟性為目標、可靠性為約束建立了聯絡點規劃模型，以期在保證系統具有較高供電可靠性前提下，經濟性最優，獲得較好的投資回報率，將配電系統的工程應用價值最大化。以RBTS BUS 6算例部分饋線進行測試，并根據計算結果給出了聯絡點規劃的原則，具有較強的工程指導意義。

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Planning of Tie Points in Distribution Systems Considering Customers’High Reliability Requirement and Improvement in Equipment Utilization Rate

GAO Meng1，LIU Cong2，YANG Debo1，WANG Shouxiang3，LIU Wei1，LIANG Dong3
（1.Chengdong Branch of Tianjin Electric Power Company of State Grid，Tianjin 300250，China；2.Tianjin Electric Power Company of State Grid，Tianjin 300010，China；3 Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Considering customers’high reliability requirement，an optimal economic planning method of tie points in distribution system is proposed.First，a reliability analysis method for distribution system with multi tie points is introduced，including a logic judgment method dealing with power supply restoration.Second，the planning model of tie points is built to minimize the total costs with power supply reliability and equipment utilization rate as constraints，where load and fault parameters are modeled as interval numbers in the calculation of reliability considering their uncertainties.Finally，the proposed method is tested on part of the RBTS BUS 6 system：the capacity of tie points is adjusted to model different equipment utilization rates，the influences of different equipment utilization rates on the planning result are analyzed，and the principles of planning are extracted.The test result shows that the proposed method can provide reference for engineering practice.

distribution system；tie points；planning；reliability

TM7

A

1003-8930（2016）10-0111-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.019

2015-07-10；

2016-01-16

高猛（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向為配電網規劃管理。Email：meng.gao@tj.sgcc.com.cn

劉聰（1976—），男，碩士，高級工程師，研究方向為配電系統自動化。Email：cong.liu@tj.sgcc.com.cn

楊得博（1986—），男，本科，工程師，研究方向為配電網規劃管理。Email：ydbhanlin@126.com