基于多元化負荷可靠性要求的配電自動化應用研究

何紅斌,蘇 黎,方昀暉,張樹永

(1.國網湖南省電力公司,湖南 長沙 410007;2.北京清軟創新科技股份有限公司, 北京 102200)

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試驗研究

基于多元化負荷可靠性要求的配電自動化應用研究

何紅斌1,蘇 黎1,方昀暉1,張樹永2

(1.國網湖南省電力公司,湖南 長沙 410007;2.北京清軟創新科技股份有限公司, 北京 102200)

隨著社會經濟的不斷發展，配電網中的負荷日益呈現多樣性和復雜性的特點，且不同類型負荷對電力系統可靠性和供電質量的需求各異，因此，開展基于多元化負荷接入特性對可靠性要求的配電自動化規劃方法研究具有重要的理論與實際意義。以長沙市芙蓉區為例，首先分析芙蓉轄區內主要行業負荷的特性，結合行業特點確定不同負荷的供電可靠性需求；隨后依據所轄區的供電可靠性規劃、人工故障區域隔離時間、故障修復時間和故障率確定供電線路所需配電終端的數量，結合每條饋線的負荷類型、網架結構與分段開關的重要程度，確定配電終端的類型與布設位置；最后基于各類型設備的數據采集量與所轄區配電網的現狀及規劃，估算主站處理數據量，明確主站的建設類型及相應的軟硬件功能配置。芙蓉區實施配電自動化后用戶供電可靠性顯著提高，其中永華線實施全三遙終端配置后供電可靠性從99.997 99%提升至99.999 46%，五一水泵線實施三遙與二遙組合終端配置后，其供電可靠性從99.993 55%提高到99.997 25%。

多元化負荷；配電自動化；終端配置；供電可靠性；配電終端

配電網位于電力供應鏈的末端，向社會和廣大客戶提供直接的供電服務；配電網的自動化應用可改善電網的供電質量，即提高供電的可靠性，進而增加設備利用率，合理優化資源配置，最終搭建一個堅強智能的電網結構[1-6]。回溯過去，配電自動化的發展歷程從最初的自動抄表與故障自動隔離，逐漸演變為可編程邏輯的自動控制系統，最終形成以配電管理系統、配電自動化、用戶自動化作為主要內容的綜合自動化系統，其中比較先進的綜合自動化工程包括美國的SCE工程、紐曼工程、ComEd工程，以及德國、法國、英國等基于超級電容器的配電自動化系統[1,7,8]。20世紀90年代后期我國開始進行配電網的自動化研究，經過十幾年的探索與實踐，我國先后實現了簡易型、實用型、標準型、集成型、智能型配網自動化的建設[9-10]。

目前，我國的經濟發展已處于工業化中后期，即產業多樣性豐富，社會分工日益細化，各行業的負荷類型逐漸呈現出多樣性的特點[11]；而現有的電網規劃普遍關注轄區范圍內的最大負荷、總耗電量與供電半徑等，較少考慮用戶的負荷類型與用電特性，極有可能導致變電站或線路的能效降低。由于不同類型負荷對電力系統可靠性和供電質量的需求各異，因此，亟需開展基于多元化負荷接入特性對可靠性要求的配電自動化規劃方法研究，進而有效縮短故障停電時間，提高供電可靠性和服務質量，滿足多層次的用戶需求，獲取高附加值效益，適應未來城市電網的發展。

本文以長沙市芙蓉區為例，開展基于多元化負荷接入特性對可靠性的配電自動化應用研究，并以用戶供電可靠性的變化評價配電自動化的實施效果。

1 基本情況

芙蓉區為長沙市的中心城區，位于主城區東部，總面積42.8 km2，常住人口60多萬人，下轄13個街道與1個正縣級單位。轄區內共有3座110 kV變電站，即窯嶺變、芙蓉變與建湘變，共有2 284臺配變，配變容量達1 684 817 kVA，其中608臺為公用變壓器，其配變容量達276 633 kVA，1 676臺為專用變壓器，其配變容量達1 433 284 kVA。轄區內共有101回110 kV線路，總長度為387.76 km，其中包括65.31 km長的架空絕緣線路與319.03 km長的電纜線路，線路的絕緣化率與電纜化率分別達99.12%與82.26%，線路的環網化率達到92.08%，僅有8條線路為單輻射接線。轄區內共有238臺環網柜，其中90臺為智能環網柜，配備有107臺負荷開關、9臺斷路器、19臺看門狗設備與21臺快分開關。

2 多元化負荷分類及可靠性要求

電力系統用戶繁多，且用電特性各異，為了簡化電力負荷的分析、預測與規劃，需要對用戶負荷進行分類，目前幾種常見的負荷分類方法包括基于變電站、多用戶或單用戶多時段的分類方法等。本文基于文獻[11]提出的一種基于負荷特性指標的負荷分類方法，結合城市的行業特點，將芙蓉區的負荷劃分為八類，分別為I類居民負荷；Ⅱ類商業負荷；Ⅲ類制造業負荷；Ⅳ類輕工業負荷；Ⅴ類教育科研負荷；Ⅵ類信息傳輸及計算機服務軟件業負荷；Ⅶ類交通運輸及倉儲物流業負荷；Ⅷ類行政辦公負荷。各類用戶負荷的典型日負荷曲線如圖1所示，并將其分解為周期分量、非周期分量和隨機分量，以描述不同類型負荷的具體特性。

圖1 不同類型負荷的典型日負荷曲線

從圖1可知，Ⅰ類負荷的主要特征是用電量大，波動不頻繁，且變化較小。Ⅰ類負荷與人們生活息息相關，特別是居民生活用電，對供電可靠性的需求隨著人們生活水平的提高越來越受到人們的重視，頻繁且長時間的停電會造成大量的用電投訴，直接影響供電企業的形象，需要保證較高的供電可靠性。Ⅱ類負荷的主要特征是用電量大，波動不頻繁，但波動能力較強。商業作為重要的第三產業，是城市經濟發展的主要原動力，需要具備較高的供電可靠性水平。Ⅲ類負荷的主要特征是用電量大，波動頻繁，波動能力較強。工業負荷對用電量的貢獻較大，短時間停電對其生產活動影響不大，對可靠性的要求不高。Ⅳ類負荷的主要特征是用電量小，波動頻繁，且波動能力較強。輕工業負荷屬于工業負荷，短時間停電對其生產活動影響不大，對可靠性的要求不高。Ⅴ類負荷的主要特征是用電量大，波動不頻繁，波動能力不強。Ⅴ類負荷關系到教育和科研等基礎科研活動，對供電可靠性的要求很高。Ⅵ類負荷的主要特征是用電量小，波動頻繁，但是波動能力不強，且負荷平均水平較小。Ⅵ類負荷關系到信息安全的問題，對供電質量和供電可靠性要求很高，一般不允許停電。Ⅶ類負荷的主要特征是用電量小，波動不頻繁，且波動能力不強。Ⅶ類負荷屬于服務業負荷，短時間停電對其生產活動影響不大，對可靠性的要求不高。Ⅷ類負荷的主要特征是用電量小，波動不頻繁，但是波動能力較強。Ⅷ類負荷屬于政府服務負荷，對供電可靠性的要求較高。

3 基于多元化負荷可靠性要求的配電終端配置

配電終端是配電自動化系統的基本組成元件，包括具有遙測、遙信和遙控功能的“三遙”配電終端，只具有遙測和遙信功能的“二遙”配電終端以及具有本地保護功能的分界開關等。為了保證經濟性與可靠性，需要合理選擇配電終端的類型、數量與布設位置。文獻[12]從投入產出與供電可靠性角度，對全部采用“三遙”配電終端、全部采用“二遙”配電終端、混合采用“三遙”配電終端和“二遙”配電終端、適當引入分界開關等情形下所需要的各類終端的數量配置進行了研究。本文基于文獻[12]的理論研究，依據芙蓉區的供電可靠率規劃、人工故障區域隔離時間、故障修復時間和故障率，確定供電線路所需 “三遙”或“二遙”終端的數量，結合供電線路的主要負荷類型、網架結構與分段開關的重要程度，確定配電終端的類型與布設位置。

芙蓉區屬于A類供電區，擬規劃的供電可靠性指標應達到99.99%，采取管理措施后故障停電戶時數占總停電戶時數的百分比應提升至80%，計算可知芙蓉供電區域內僅涉及故障停電因素的可靠性指標為99.992%。在故障定位指引下由人工進行故障區域隔離所需時間為1 h/次。故障修復時間為4 h/次。單條饋線的年故障率為饋線單位長度的年故障率與饋線長度的乘積。單位長度架空裸線的年故障率為0.1次/km·a，單位長度電纜的年故障率為0.04次/km·a，單位長度電纜架空混合饋線和絕緣架空線的年故障率為0.07次/km·a。通過文獻[12]中所提供的計算公式，可依次確定每條饋線上全三遙、全二遙以及三遙與二遙組合時所需的終端數量，具體如表1所示。

表1 芙蓉區內單條饋線所需的終端數量

注：三遙與二遙組合時結果以“a+b”的形式表示，其中a與b分別表示所需三遙與二遙終端數量。

基于供電線路所需終端的數量，結合供電線路的主要負荷類型、網架結構、單線圖與分段開關的重要程度，確定配電終端的類型與布設位置。

a.永華線

永華線的主干長度為3.032 km，現有環網柜5臺，公變2臺，專變20臺，線路裝接配變容量為22 000 kVA，為純電纜線路。線路的負荷主要為Ⅷ類行政辦公與Ⅴ類教育科研負荷，所轄負荷對供電可靠性的要求較高。需進行全三遙終端配置，則需2個三遙分段，適宜配置1～2個三遙終端。鑒于蔡鍔南路5號開關站為該線路的聯絡作用分段，蔡鍔南路3號開關站可作為關鍵分段節點，故選取這2座開關站作為三遙監控開關。

b.五一水泵線

五一水泵線所供用戶主要為污水處理廠、航運負荷、織布廠負荷以及部分居民負荷，以Ⅰ類居民負荷、Ⅳ類輕工業負荷與Ⅵ類計算機軟件業負荷為主，對供電可靠性的要求適中，宜采用三遙與二遙組合的終端配置方案，即布設1個三遙點與2個兩遙點，分別為中山西三遙開關站、東漢兩遙開關站與西長街2號兩遙開關站。

c.蘇家巷線

蘇家巷線所供負荷主要為Ⅳ類輕工業負荷，其對可靠性的要求不高。按照城區負荷選點要求增設1個三遙點與2個兩遙點，在013號桿至稅務三分局與太平線聯絡處加裝三遙斷路器，且在004號桿與013號桿處各加裝1個兩遙分段開關。

d.佳潤線

佳潤線的主要負荷為Ⅵ類計算機軟件業與Ⅰ類居民負荷，且線路相對簡單，在百腦匯1號開關站配備1個三遙監控終端即可保證用戶的可靠性需求。

e.吉祥線

吉祥線所供的負荷種類較多，主要以Ⅱ類商業金融負荷為主，需要較高的供電可靠性水平，增設1個三遙點與1個兩遙點，即五一廣場三遙開關站與口腔兩遙開關站。

f.長塘線

長塘線所供負荷主要為Ⅰ類居民負荷，需要保證較高的供電可靠性，除了原有的040號桿8166三遙開關外，在023號桿加裝1個三遙分段開關。

g.步行街1回

步行街1回所供負荷為Ⅱ類零售業和商業負荷以及Ⅴ類教育負荷，因此選取2個三遙點和1個兩遙點作為監控對象，分別為學院街1號三遙開關站、道門口2號三遙開關站與司門口2號兩遙開關站。

4 基于多元化負荷可靠性要求的配電自動化

配電自動化系統實時數據接入點測算包括系統實時采集數據，以及通過信息交互獲取變電站、配電變壓器實時數據兩部分共同構成。在明確配電終端的類型與數量后，依據各類型設備的數據采集量與所轄區配電網的現狀及規劃，估算主站處理數據量，進而確定主站的建設類型及相應的軟硬件功能配置。芙蓉轄區內共有3座變電站，43座箱變與配電室，608臺公用變壓器，1 676臺專用變壓器，238臺環網柜，柱上開關116臺。由于未拿到芙蓉區未來10年的詳細電網規劃，本文僅針對現狀電網規模進行主站處理數據量進行估算，約23 500點。當配網實時信息量在10萬點以下，宜建設小型主站。小型配電主站在生產控制大區配置2臺數據庫服務器，2臺SCADA服務器(兼前置服務器和應用服務器)，1臺接口服務器和1臺磁盤陣列；在管理信息大區配置1臺WEB服務器和1臺接口服務器，二次安全防護裝置及相關網絡設備；在生產控制大區和管理信息大區之外配置2臺無線公網采集服務器，二次安全防護裝置及相關網絡設備。

一般來說，常以用戶供電可靠性的變化來表征配電自動化的實施效果。在芙蓉區配電網未進行自動化規劃前，架空線路和電纜線路故障定位時間為1.5 h/km，變壓器和開關設備故障定位時間為1.5 h/次，開關設備倒閘操作時間為0.5 h/次。實施基于多元化負荷接入特性對可靠性要求的配電自動化規劃后，其中三遙開關設備倒閘操作時間為0.000 28 h/次，兩遙開關設備倒閘操作時間為1.5 h/次，使得架空線路和電纜線路故障定位時間縮小至0.001 4 h/km，變壓器和開關設備故障定位時間調整為0.001 4 h/次。以安裝全三遙終端的永華線和三遙與二遙組合配置的五一水泵線為例，并結合北京清軟創新科技股份有限公司自主研發的基于AutoCAD的配網規劃軟件，詳細計算配電自動化實施前后供電可靠性的演變。

a.永華線

永華線實施全三遙終端配置后的計算模型如圖2所示，相應的供電可靠性變化情況見表2。

圖2 永華線配電網自動化實施效果計算模型

電網條件戶均停電時間/(h·(戶·a)-1)戶均停電次數/(次·(戶·a)-1)年停電小時數/(h·a-1)年停電次數/(次·a-1)供電可用率/%缺供電量/(MWh·a-1)未實施0.1758150.0451193.8679230.99261999.997990.390322實施后0.0477190.0102741.0498270.22603399.999460.122834

由表3可知，實施全三遙終端的配電自動化工程可顯著提高電網供電可靠性效果，永華線供電可靠率可從實施前的99.997 99%提高至99.999 46%。

b.五一水泵線

五一水泵線實施三遙與二遙組合終端配置后的計算模型如圖3所示，相應的供電可靠性變化情況見表3。

表3 五一水泵線配電自動化實施前后供電可靠性情況

表3顯示實施三遙與二遙組合終端配置的配電自動化工程可提高電網的供電可靠性效果，五一水泵線從實施前99.993 55%提高到99.997 25%。結合表3可知，永華線的供電可靠性水平高于五一水泵線。結合兩回線路電網模型可知，永華線配變基本實現了雙電源，且主干線有聯絡線路，當實施配電自動化后，基本可實現不停電維修，因此供電可靠性水平可以達到99.999%以上，而五一水泵線配變基本都是單電源供電，同時五一水泵線西長街1號開關站后負荷均沒有備用線路，主干線任意設備故障都將造成這些負荷的停電，從而使得五一水泵線可靠性水平低于永華線。

圖3 五一水泵線配電網自動化實施效果計算模型

5 結論

a.基于日負荷曲線特性，將芙蓉區劃分為八類行業負荷，即居民負荷、商業負荷、制造業負荷、輕工業負荷、教育科研負荷、信息傳輸及計算機服務軟件業負荷、交通運輸及倉儲物流業負荷和行政辦公負荷。

b.對芙蓉區內主要供電線路進行了配電終端類型、數量與布設位置的優化，涉及永華線、五水一泵線、蘇家巷線、佳潤線、吉祥線、長塘線與步行街1回等。

c.永華線的供電可靠性從99.997 99%提高至99.999 46%，而五一水泵線供電可靠性從99.993 55%提升至99.997 25%。

d.實施基于多元化負荷特性對可靠性要求的配電自動化工程可顯著提高電網的供電可靠性，從而增加設備利用率與優化資源配置，逐漸形成一個堅強智能的電網結構。

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參考文獻著錄的原則

1.著錄最必要、最新的文獻。

2.著錄作者親自查閱過的文獻。

3.首選的是正式出版的文獻資源，未公開發表的零次文獻也可引用。

4.采用標準化的著錄格式。

5.文獻數量恰當：研究性論文的篇均參考文獻數量一般為20條左右(據2010年版《中國科技期刊引證報告(核心版)》，國內1 946種科技期刊發表的論文的引文量為12.93條/篇，而國外的期刊超過30條/篇)，綜述類論文可多達四五十條甚至上百條。

Research on Application of Power Distribution Automation Based on the Pluralistic Load Characteristic with Reliability Requirement

HE Hongbin1， SU Li1，FANG Yunhui1，ZHANG Shuyong2

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha,Hunan 410007，China;2.Beijing Tsingsoft Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200,China)

With the development of social economy，the load in distribution network increasingly presents the characteristics of diversity and complexity.Moreover，different types of load has different requirements on power system reliability and quality of power supply. Therefore，it is of theoretical and practical significance to research on power distribution automation planning method based on multiple load access characteristics with reliability requirement. This paper selects the load cycle，average load and peak valley ratio characteristics index as the theoretical basis of the load classification，and further explores the change law of the 8 kinds of load power consumption，fluctuations frequency and amplitude. Then the reliability requirement for each load is demanded by the characteristics of the industry. Eventually the amount of distribution terminal and the structure of power network are optimized for various geographical and economic conditions. The proposed load distribution automation planning considering all kinds of load characteristics are applied in Furong district of Changsha，Hunan province. As a result，the power supply reliability of Yonghua line increases from 99.997 99% to 99.999 46% and Wuyi water pump line increases from 99.993 55% to 99.997 25%.

multiple load; power distribution automation;terminal configuration; power supply reliability; distribution terminal station

TM76

A

1004-7913(2017)04-0011-06

何紅斌(1966)，女，高級工程師，主要研究方向為電網規劃、分布式能源接入。

2016-12-30)