基于供電可靠性的配電自動化建設模式研究

李　兵，高緒明，王得勝，王　帥，李　金，王　婷

(1. 國網安徽電力公司合肥供電公司，合肥　230022；2. 北京國網信通埃森哲信息技術有限公司，北京　100031 )

面對經濟發展新形勢和新挑戰，2017年國家電網公司運檢部發布了《關于做好“十三五”配電自動化建設應用工作的通知》，明確提出：以公司“十三五”配網規劃為依據，按照配電自動化與配網架“統籌規劃、同步建設”的原則。配網自動化系統作為配電網智能感知的重要環節，能夠實時監視配電網工況，對運行數據綜合管理；能實現配網線路故障的快速定位、隔離，縮小線路故障停電時間和范圍，是減少故障停電時間，提高供電可靠性的有效途徑之一[1-5]。

目前對配電自動化(Distribution Automation，DA)的研究主要停留在全方位同等建設方面，針對配電線路所在區域提出與其相適應的最佳配電自動化建設模式的研究較少，依據中國電力企業聯合會主編的《配電自動化規劃設計導則》以及配電自動化的發展歷史，提出三種建設模式：故障定位模式、就地型配電自動化模式、集中型配電自動化模式[6-9]。通過比較三種建設模式的主要功能及對供電可靠性指標的影響，使用試點區域配電線路數據定量計算出系統供電可靠率，結合該地區的實際情況，分析出該實例最佳的配電自動化建設模式，實現在統一配電自動化建設標準的基礎上，滿足不同類型供電區域建設需要，提升設備運維管理水平，整體提高供電區域供電可靠性水平。

1　建設模式分類

配電自動化建設模式依據電力行業標準及發展階段分為：故障定位模式、就地型配電自動化模式、集中型配電自動化模式。

1.1　故障定位模式

故障定位模式主要基于開關設備相互配合及檢修人員操作實現故障指示和定位，主要設備有重合器、分段器、故障指示/報警器等。該模式的主要功能是通過在發生故障時故障報警器發出信號，通過工作人員到達現場檢修后確定故障區域及類型，操作開關設備實現故障隔離和健全區域恢復供電[10-11]。故障定位模式局限于開關設備、故障指示/報警器，自動化程度較低，一般只具有故障指示功能，對供電可靠性的提高程度較低，該模式的基本組成如圖1所示。

圖1　故障定位模式基本組成圖

圖1中，CB1、CB2為變壓器出線開關，圓圈代表線路開關分閘，實心圓圈代表線路開關合閘，開關上方指示燈代表故障指示/報警器，在發生故障時會亮燈指示。當DE段線路發生故障時，CB1出線開關跳閘，B、C、D開關跳閘，安裝在B、C、D處的故障指示器紅燈亮起，其他指示器不亮，繼而可以判斷出故障發生在線路DE段。

1.2　就地型配電自動化模式

就地型配電自動化模式基于自動化開關的時序配合或邏輯配合，不依賴配電主站，而是以網絡式的相互通信。在配電線路發生故障時，快速定位故障區域，實現故障隔離及非故障區域恢復供電。就地型配電自動化可以通過配電自動化終端實現遙信、遙測以及遙控，故障處理功能相較于故障定位模式更加完善，可以較大程度地提高區域的供電可靠性。

就地型配電自動化模式根據終端安裝及分布的特點可以分為：智能分布式和重合器方式。

(1)智能分布式：該模式主要是通過配電自動化終端之間的邏輯和時序配合，實現故障的快速隔離和非故障線路恢復供電，而且還可以使用網絡通信將故障處理的時間、流程以及結果等信息進行上報。智能分布式還可以分為：基于負荷開關和基于斷路器的智能分布式。

智能分布式的故障處理過程以基于負荷開關的方式為例，如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2　基于負荷開關方式的故障處理過程

當發生故障時，若一個開關的某一相流過了超過整定值的故障電流,則DTU 向其相鄰開關的DTU發送流過故障電流的信息；若一個區域有且只有1個端點上報流過了故障電流，則故障發生在該配電區域內部；否則，故障點在該區域外部。如圖2(a)所示，故障發生在DTU2和DTU3的聯絡開關之間，那么DTU1和DTU2的A開關將檢測到故障電流，然而DTU4、DTU5及DTU3的B開關將不會檢測到故障電流，那么可以判斷出故障點發生在DTU2和DTU3的聯絡開關之間。此時首先CB1出線跳閘，繼而兩個聯絡開關跳閘，實現故障隔離，隨后CB1合閘，健全非故障區域供電。

(2)重合器方式：該模式主要是通過線路開關間的相互配合，基于自具控制和保護功能的開關設備“重合器”，實現線路故障的就地識別、定位、隔離和快速復電。重合器方式還可以分為：電壓—時間型和電壓—電流型。

重合器方式的故障處理過程以電壓—時間的方式為例，如圖3所示。

圖3　基于電壓—時間型的重合器方式故障處理過程

當DE線路段發生故障時，變電站出線斷路器CB1的電流保護動作分閘，線路上的自動化開關B、C和D均失壓分閘。出線斷路器CB1經過短暫延遲時間后自動合閘，配電自動化開關B、C、D依次自動合閘；自動化開關D合閘于故障點，引起CB1再次跳閘，自動化開關B、C、D再次分閘；而開關D在合閘后短時間內即失壓，滿足其閉鎖合閘判據，轉入閉鎖合閘狀態；出線斷路器CB1經過短暫延遲時間后二次合閘；開關E一側失壓跳閘，引起F、G、H、I一側將重復上述步驟，最終導致D、E閉鎖狀態，故障處理結束。

1.3　集中型配電自動化模式

集中型配電自動化模式通過在開關站、環網柜及柱開等位置安裝配電自動化終端，該終端相互配合并使用網絡式光纖與配電自動化主站通信，從而實現配電線路的故障定位、故障隔離和健全非故障區域供電。集中型配電自動化模式相將使這兩種功能更加完備，終端實現三遙、故障信息上報，并且可以通過遠程遙控快速切斷故障線路，還具備變電站配電線路監控功能，極大提高供電可靠性，架構如圖4所示。該模式可分為全自動和半自動兩種實現方式。

(1)全自動方式：配電主站通過快速收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，通過遙控遠方完成故障隔離和非故障區域恢復供電。

(2)半自動方式：配電主站通過收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，通過現場人工完成故障隔離和非故障區域恢復供電。

圖4　集中型配電自動化架構圖

2　算例計算

2.1　系統可靠性指標

系統供電可靠性指標主要包括系統平均停電頻率(SAIFI)、系統平均停電時間(SAIDI)以及供電可靠率(ASAI)。系統平均停電頻率主要反映系統的年平均停電次數，可以由用戶斷電總次數除以系統內用戶數得到；系統平均停電時間主要反應系統的年平均停電時間，可以由系統內用戶斷電時間總和除以用戶總數得到；供電可靠率可以用系統平均停電頻率計算得到，計算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中λi——負荷點i的年停電率；Ni——負荷點i的用戶數；Ui——每戶停電時間。

2.2　計算流程

(1)選定故障區域k；

(2)根據配電網開關的類型和配置情況對饋線進行分區，收集該區域內的停電數據，針對停電數據使用MATLAB進行整合計算；

(3)根據分區結果，確定試點區域的建設模式類型，并據此利用式(1)～式(3)使用MATLAB計算該區域的供電可靠性指標；

(4)計算所有建設模式的供電可靠性指標。

本算例使用調研過的某試點中心區域的配網線路作參考，試點區域的用戶總數共計369個，這三種配電自動化建設模式均存在，每種模式的參考數據及計算結果見表1、表2。

表1　試點區域建設模式參考數據

表2　試點區域指標計算結果

3　結語

通過對比三種配電自動化建設模式的故障處理功能以及每種模式的供電可靠性指標，可以總結出集中型配電自動化建設模式的供電可靠率達到99.99%以上，能夠極大地縮短故障定位、故障隔離及線路復電時間。該建設模式可以適用于大中型城市對供電可靠性要求較高的中心區域；相對于中小型城市以及農村，故障定位模式和就地型配網自動化建設模式的供電可靠率達到99.9%以上，能夠滿足該類區域對供電可靠性的要求。

最終，考慮到建設成本、靜態投資及動態投資等經濟性指標，結合供電可靠性要求、網架結構、一次設備現狀及通信條件等情況，合理選擇配電自動化建設模式，實現投資效益最大化，全面支撐配電網精益管理和精準投資，不斷提高配電網供電可靠性、供電質量和效率效益。

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