配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法研究

蔣直良

（國網(wǎng)四川省電力公司達(dá)州供電公司市區(qū)供電中心，四川 達(dá)州 635000）

0 引 言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)重要組成部分，由電纜、架空線路以及配電變壓器等多種電氣設(shè)備構(gòu)成，承擔(dān)電能分配的重要職責(zé)。近年來，智能電網(wǎng)高速發(fā)展，對配電網(wǎng)運(yùn)行安全性與可靠性提出了更高的要求。如何科學(xué)規(guī)劃配電網(wǎng)，促進(jìn)配電網(wǎng)建設(shè)與改造經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等協(xié)同發(fā)展成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。智能電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)以及世界一流等戰(zhàn)略目標(biāo)提出并執(zhí)行以來，配電自動(dòng)化終端實(shí)現(xiàn)了與配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的結(jié)合，保障了配電網(wǎng)的安全和可靠運(yùn)行。

1 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端相互影響關(guān)系分析

配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端存在密切關(guān)系，具體表現(xiàn)有以下3點(diǎn)。第一，配電自動(dòng)化終端的科學(xué)配置與合理運(yùn)用，完善了配電信息系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確識別與判斷配電網(wǎng)故障，從而為配電網(wǎng)設(shè)備安全管控提供依據(jù)，保障配電網(wǎng)安全與可靠運(yùn)行[1]。第二，配電自動(dòng)化終端的科學(xué)運(yùn)用，不僅使配電網(wǎng)保護(hù)與控制系統(tǒng)具備異常情況分析與故障自動(dòng)化處理能力，還能夠?yàn)橛脩籼峁?zhǔn)確的配電網(wǎng)電能供應(yīng)信息，從而實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的主動(dòng)管控，提升了配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)效率和供電企業(yè)供電服務(wù)質(zhì)量。第三，配電自動(dòng)化終端應(yīng)用后，配電網(wǎng)系統(tǒng)中的元件數(shù)量增多。元件發(fā)生故障時(shí)，容易使系統(tǒng)脫離監(jiān)測，降低配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通信系統(tǒng)容易受多因素干擾，引發(fā)配電網(wǎng)系統(tǒng)故障。因此，信息安全問題是配電自動(dòng)化終端配置的重點(diǎn)問題。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)與改造規(guī)模不斷擴(kuò)大，配電網(wǎng)一二次協(xié)同規(guī)劃已經(jīng)成為必然趨勢。為更好維護(hù)與保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行，提升配電網(wǎng)規(guī)劃的綜合效果，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)同規(guī)劃方法研究，以更好地指導(dǎo)相關(guān)工作開展，促進(jìn)智慧基建體系和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的建設(shè)。

2 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法分析

2.1 協(xié)同規(guī)劃思路與框架

配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃時(shí)，需全面了解與掌握配電自動(dòng)化配置需求，明確配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建要求。然后，根據(jù)配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、配電網(wǎng)供電可靠性要求、配電網(wǎng)負(fù)荷位置、配電自動(dòng)化終端重要性以及五遙功能需求等指標(biāo)，科學(xué)布局配電自動(dòng)化終端，實(shí)現(xiàn)二次配電自動(dòng)化裝置與配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備、控制設(shè)備的互聯(lián)互通，使配電自動(dòng)化終端信息能夠有效交互。配電自動(dòng)化終端布局完成后，根據(jù)配電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建通信體系，并完成配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端的協(xié)調(diào)水平校驗(yàn)，以獲取高可靠性、高經(jīng)濟(jì)性以及高安全性的配電網(wǎng)規(guī)劃方案。

基于如上思路，本文構(gòu)建了一個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端雙層規(guī)劃模型。上層為配電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃模型，下層是在上層基礎(chǔ)上構(gòu)建的配電自動(dòng)化終端配置模型。上層以最小化規(guī)劃投資成本（年均值）為目標(biāo)函數(shù)，下層以停電損失（年均值）和配電自動(dòng)化終端投資成本（年均值）為目標(biāo)函數(shù)。上下層相互關(guān)聯(lián)，共同決定規(guī)劃方案[2]。

2.2 一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型

由協(xié)同規(guī)劃思路與框架分析可知，配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)為年最小規(guī)劃投資成本，可表示為：

式中，F(xiàn)1表示配電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)年化投資成本（包括線路投資成本和通信設(shè)備投資成本等）；F2表示配電一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)損失成本；F3表示配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)成本；F4表示配電自動(dòng)化終端配置模型目標(biāo)函數(shù)。同時(shí)，配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)孤島問題，以單聯(lián)絡(luò)接線方式為主，總負(fù)荷需要控制在最大負(fù)荷之內(nèi)，線路負(fù)載率不得超過相關(guān)要求。

2.3 自動(dòng)化終端配置模型

根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)相關(guān)規(guī)定可知，規(guī)劃配電自動(dòng)化終端時(shí)，應(yīng)以配電網(wǎng)供電可靠性為依據(jù)，結(jié)合配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，進(jìn)行二遙終端和三遙終端配置。本文在配置配電自動(dòng)化終端時(shí)，選取分段開關(guān)位置自動(dòng)化終端為優(yōu)化目標(biāo)。下層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)為配電自動(dòng)化終端年化投資成本與停電損失成本，可表示為：

式中，F(xiàn)a表示配電自動(dòng)化終端年化投資成本；Fb表示自動(dòng)化終端運(yùn)行維修成本；Fc表示停電故障損失。配電自動(dòng)化終端規(guī)劃時(shí)，需要考慮可靠性約束。通常，用平均供電可用率評價(jià)配電網(wǎng)可靠性。有研究表示，全部配置二遙終端，能夠準(zhǔn)確定位故障區(qū)域，但無法實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)化隔離，因此故障處理時(shí)間t1可視為0。在配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分段開關(guān)位置安裝y個(gè)二遙終端時(shí)，饋線供電可用率為：

式中，t2與t3分別表示人工故障區(qū)域隔離時(shí)間與故障修復(fù)時(shí)間。如果要求供電可用率超過M，則需要安裝的二遙終端數(shù)量為：

全部配置三遙終端，能夠準(zhǔn)確定位故障區(qū)域并實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)化隔離與處理。因此t2與t3可視為0[3]。假設(shè)用戶在各區(qū)域均勻分布，饋線沿線單位故障率一致，配電網(wǎng)網(wǎng)架中饋線安裝S個(gè)配電自動(dòng)化終端模塊，每個(gè)區(qū)域有用戶n/(S+1)個(gè)，利用供電可用率可推導(dǎo)出供電可用率超過M時(shí)分段開關(guān)位置二遙終端配置個(gè)數(shù)為：

2.4 協(xié)同規(guī)劃評估指標(biāo)

建立配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃評估指標(biāo)，對其方法應(yīng)用的有效性評價(jià)具有重要影響。指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)，需根據(jù)具體情況進(jìn)行針對性分析。通常，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)有供電可靠率、線路故障率以及年均停電時(shí)間等。

3 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃原則分析

配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃時(shí)，為提升規(guī)劃協(xié)調(diào)性，應(yīng)遵守設(shè)備通信安全性原則、專用網(wǎng)絡(luò)安全性原則、配電自動(dòng)化終端配置擴(kuò)展性原則、配電網(wǎng)設(shè)備一體化監(jiān)管原則以及控制指令安全鑒別原則等[4]。

4 算例分析

某10 kV城市配電網(wǎng)所應(yīng)用的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法為本文研究方法，傳統(tǒng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)、協(xié)同規(guī)劃結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖中，聯(lián)絡(luò)線路用虛線表示，二遙終端與三遙終端分別用“△”“×”表示。

表1為不同產(chǎn)電比下協(xié)同規(guī)劃與傳統(tǒng)規(guī)劃效益比較。由表1可知，傳統(tǒng)規(guī)劃配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與自動(dòng)化終端設(shè)備屬于獨(dú)立規(guī)劃，以最大化降低一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)成本為目標(biāo)，因此傳統(tǒng)規(guī)劃網(wǎng)架投資成本要低于協(xié)同規(guī)劃。但在配電自動(dòng)化終端設(shè)備配備后，傳統(tǒng)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)綜合費(fèi)用要高于協(xié)同規(guī)劃，且產(chǎn)電比越高，傳統(tǒng)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)綜合費(fèi)用越高。與此同時(shí)，對于年均停電時(shí)間、供電可靠率以及線路故障率等指標(biāo)，協(xié)同規(guī)劃均低于傳統(tǒng)規(guī)劃。可見，協(xié)同規(guī)劃后配電網(wǎng)的運(yùn)行更加安全和可靠，具有較好綜合效益。

圖1 傳統(tǒng)規(guī)劃后配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖2 協(xié)同規(guī)劃后配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

表1 不同產(chǎn)電比下協(xié)同規(guī)劃與傳統(tǒng)規(guī)劃效益比較

5 結(jié) 論

配電自動(dòng)化終端應(yīng)用于配電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。配單網(wǎng)一二次協(xié)同規(guī)劃時(shí)，本文研究方法能夠滿足配電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與建設(shè)的供電可靠性要求。配電網(wǎng)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃較為復(fù)雜，涉及的內(nèi)容較多，為保證規(guī)劃方法應(yīng)用的科學(xué)與有效，仍需在后續(xù)研究中不斷完善與改進(jìn)。