DQZHAN訊：關(guān)注|配電自動化：配電網(wǎng)差異化規(guī)劃
為了促進(jìn)配電自動化系統(tǒng)科學(xué)規(guī)劃，分析了影響供電可靠性的因素，指出預(yù)安排停電和故障停電是影響供電可靠性的主要因素，綜述了配電自動化的技術(shù)手段，論述了根據(jù)供電可靠性要求的不同對配電自動化系統(tǒng)進(jìn)行差異化規(guī)劃的方法，重點論述了滿足N -1 準(zhǔn)則和不滿足N -1 準(zhǔn)則兩種情況下，所需配電自動化終端的數(shù)量規(guī)劃方法，給出了定量設(shè)計公式，并結(jié)合實例進(jìn)行了說明。
據(jù)統(tǒng)計，超過85% 的故障停電是由于配電網(wǎng)故障造成的。配電自動化是提高供電可靠性的重要手段，目前已經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用。但是，配電網(wǎng)具有點多面廣的特點，如果采取“見了開關(guān)就配自動化終端，凡是自動化終端都實現(xiàn)‘三遙’的建設(shè)思路，不僅二次投資巨大，而且為實現(xiàn)“三遙”而對開關(guān)加裝電動操動機(jī)構(gòu)或更換等導(dǎo)致一次設(shè)備改造費用也十分巨大，并且為實現(xiàn)“三遙”而建設(shè)光纖通信通道的費用也非常大，這些投資的收益率往往較低，世界上沒有任何國家是這樣建設(shè)配電自動化系統(tǒng)的。
另一方面，不同供電區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘囊笠泊嬖诤艽蟛町悾瑖译娋W(wǎng)公司依據(jù)對供電可靠性要求的不同，將供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D 和E 六類，相應(yīng)的配電自動化系統(tǒng)也應(yīng)差異化規(guī)劃和設(shè)計。
實際上，合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、可靠的配電設(shè)備和良好的配電網(wǎng)運維管理是保障供電可靠性的基礎(chǔ)，自動化技術(shù)是進(jìn)一步提升供電可靠性的重要手段， 但是并非每臺開關(guān)都一定需要安裝配電終端，而且即使安裝終端也不一定非得具備遙控功能。此外，適當(dāng)配置具有本地繼電保護(hù)功能的配電終端，與集中智能配電自動化協(xié)調(diào)配合，對于提高配電網(wǎng)故障處理性能具有重要意義，文獻(xiàn)[5] 對配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃問題進(jìn)行了深入研究。
為了更好地幫助配電自動化系統(tǒng)設(shè)計，本文在對影響供電可靠性的因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探討科學(xué)規(guī)劃配電自動化系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題。
影響供電可靠性的因素
根據(jù)國內(nèi)城市10 kV 用戶供電可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預(yù)安排停電占主要部分，大約占用戶停電戶時數(shù)的70% 以上，故障停電戶時數(shù)僅占不足30%。
預(yù)安排停電
從目前的情況看，解決配電網(wǎng)供電可靠性問題首先需要大幅度減少預(yù)安排停電，而配電自動化系統(tǒng)是針對故障停電的解決方案。
減少預(yù)安排停電的主要途徑是配電網(wǎng)運維管理提升，包括配電網(wǎng)帶電檢測、狀態(tài)檢修和不停電作業(yè)、科學(xué)安排停電計劃、提高檢修作業(yè)效率等，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上為用戶設(shè)置兩個及以上供電途徑、加強(qiáng)變電站間的聯(lián)絡(luò)等技術(shù)手段，也有助于在不影響用戶供電的情況下，停運某些配電線路甚至變電站開展改造和檢修工作。
隨著上述提升工作的**深入開展，非限電因素計劃停電的比例會顯著降低，而故障因素造成的停電將上升為主要矛盾，需要發(fā)揮配電自動化的作用來將其影響減少到可以接受的范圍。
故障導(dǎo)致停電
影響故障停電的因素包括：故障率、自動化分段數(shù)、故障處理時間以及網(wǎng)架是否滿足N -1 準(zhǔn)則。
根據(jù)國內(nèi)城市10 kV 用戶供電可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，歷年架空線故障率比較平穩(wěn)，平均不超過0.1 次/(km˙a);歷年電纜線故障率略呈下降趨勢，平均不超過0.04 次/(km˙a)，電纜—架空混合饋線和絕緣架空線的故障率取電纜和架空裸線故障率之間。
分段數(shù)是指饋線上安裝有自動化終端的分段開關(guān)將饋線分割成的饋線段的個數(shù)，每個饋線段是故障所能自動定位或自動隔離的*小單元。
故障處理時間T 由三個部分構(gòu)成：
T =t 1 +t 2 +t 3 ( 1)
其中，t 1 為故障查找時間，t 2 為故障隔離時間，t 3 為故障修復(fù)時間。
對于所有自動化終端都采用“三遙”終端的情形，故障查找時間和故障隔離時間較短，可以近似忽略不計，因此有
T≈t 3 (2)
對于所有自動化終端都采用“兩遙”(遙信、遙測，包括故障信息)或“一遙”(遙信，包括故障信息)終端的情形，故障查找時間較短，可以近似忽略不計，因此有：
T ≈ t 2 +t 3 (3)
對于滿足N -1 準(zhǔn)則的情形，當(dāng)故障發(fā)生后，只有故障所在饋線段在t 1 +t 2 +t 3時間內(nèi)都需要停電，而故障饋線上的其余饋線段(即健全饋線段)則*多只會在t 1+t 2 時間內(nèi)受故障影響而停電。
當(dāng)不滿足N -1 準(zhǔn)則時，當(dāng)故障發(fā)生后，除了故障所在饋線段以外，部分甚至全部健全饋線段在t1 +t 2 +t 3 時間內(nèi)也可能會受故障影響而停電。
綜上所述，采取措施(如：導(dǎo)線絕緣化、提高電纜接頭工藝質(zhì)量、改善電纜溝中環(huán)境條件、及時更換老化電纜、架空線遠(yuǎn)離樹木、在故障率高的架空分支安裝斷路器并配置本地快速過流保護(hù)等)降低故障率、適當(dāng)增加自動化分段數(shù)、提升運維管理水平降低故障處理時間、網(wǎng)架改造提高滿足N -1 的饋線比例等手段，有助于減少故障造成的停電的影響。
配電自動化的技術(shù)手段
本節(jié)論述可以適用于進(jìn)行故障處理的各類自動化裝置，并不局限于傳統(tǒng)意義的配電自動化系統(tǒng)。
集中智能配電自動化系統(tǒng)
配電自動化主站可分為大、中、小和前置延伸(適用于一般縣級電網(wǎng))4 種典型建設(shè)模式。
配電自動化終端可分為“三遙”終端和“二遙”終端兩類?！叭b”終端是指具有遙測、遙信、遙控和故障信息上報功能的配電終端，要求所控制的開關(guān)具有電動操動機(jī)構(gòu)，一般需要采用光纖通道并進(jìn)行非對稱加密。“二遙”終端是指具有故障信息上報(也可有開關(guān)狀態(tài)遙信)和電流遙測功能的配電終端，又分為基本型(類似故障指示器)、標(biāo)準(zhǔn)型(便于升級為“三遙”終端)和動作型(具有本地快速過流保護(hù)功能)3 種，可以采用無線公網(wǎng)(如GPRS)通信方式。
配電網(wǎng)繼電保護(hù)
農(nóng)村配電網(wǎng)
農(nóng)村配電網(wǎng)具有系統(tǒng)短路容量小、供電半徑長、架空為主等特點，在線路上不同區(qū)段發(fā)生故障時，短路電流水平的差異往往比較明顯，因此可以在主干線配置斷路器和三段式過流保護(hù)實現(xiàn)故障的選擇性切除。另外，還可以在故障率較高的分支線布置斷路器并配置快速過流保護(hù)，與主干線上的保護(hù)實現(xiàn)延時級差配合，做到支線故障快速切除不影響主干線和其余支線。
城市配電網(wǎng)
城市配電網(wǎng)具有系統(tǒng)短路容量大、供電半徑短的特點，在線路上不同區(qū)段發(fā)生故障時，短路電流水平的差異往往比較小，主干線上不宜實現(xiàn)保護(hù)配合，在故障率較高的分支線或次分支布置斷路器并配置快速過流保護(hù)，與變電站出線斷路器實現(xiàn)延時級差配合，做到次分支線故障快速切除不影響分支線、分支線故障快速切除不影響主干線。
對于架空線或架空分支，還可以設(shè)置一次快速重合閘功能，以實現(xiàn)瞬時性故障時快速恢復(fù)供電。相比集中智能配電自動化系統(tǒng)而言，配電網(wǎng)繼電保護(hù)具有動作更可靠(因只需要本地信息即可)、反應(yīng)更迅速(因不需要通信傳輸)的優(yōu)點，但是往往不能實現(xiàn)精細(xì)配合，也存在越級跳閘或拒動的可能性。因此，應(yīng)將集中智能配電自動化系統(tǒng)與配電網(wǎng)繼電保護(hù)協(xié)同配合，即發(fā)揮繼電保護(hù)快速處理的優(yōu)點，有利于集中智能配電自動化進(jìn)行更精細(xì)的故障處理和修正性控制(針對繼電保護(hù)誤動或拒動)，提高故障處理性能。
配電網(wǎng)繼電保護(hù)可以采用動作型“兩遙”終端實現(xiàn)，也可以采用非智能化的繼電器實現(xiàn)，后者相當(dāng)于減少了所規(guī)劃饋線的故障率。
備自投
備自投不具備故障定位與隔離功能，但是在主供電源因故障而失去供電能力時，它可以快速切換從而迅速恢復(fù)雙電源用戶供電。對重要的用戶、重要的區(qū)域配置備用電源自動投切裝置，對于故障時*大限度地減少對這些重要用戶和區(qū)域的影響，迅速恢復(fù)供電具有積極意義，適合于對供電可靠性要求很高的A+ 供電區(qū)域選用。
綜上所述，對配電自動化系統(tǒng)進(jìn)行差異化規(guī)劃，實際上就是根據(jù)不同類型區(qū)域?qū)╇娍煽啃砸蟮牟町悾约耙?guī)劃區(qū)域故障率水平、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及配電網(wǎng)運維管理水平，科學(xué)配置配電自動化資源，以較小的投入，滿足供電可靠性的要求。為了做好這項工作，首先需要調(diào)研現(xiàn)狀，對比供電可靠性的要求找到差距，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，借助一些定量工具進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。
比如，若調(diào)研得知規(guī)劃區(qū)域目前每年戶均停電時間為180 分鐘，其中預(yù)安排停電占135 分鐘，故障停電占45 分鐘。而規(guī)劃區(qū)域為A 類區(qū)域，要求的供電可用率(RS-3)為99.99%，允許的每年戶均停電時間不超過52 分鐘，差距非常大。
結(jié)合該供電公司的實際情況，新建的變電站即將投運，屆時站間配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)將顯著加強(qiáng)，滿足N -1 準(zhǔn)則的饋線比例將達(dá)到100%，并且通過運維管理提升，科學(xué)安排停電計劃、推廣帶電作業(yè)和不停電檢修技術(shù)、增加檢修資源和裝備、提高檢修人員熟練程度，可以有效減少預(yù)安排停電，預(yù)計每年戶均預(yù)安排停電時間將大幅度降低到35 分鐘。
這樣，為了滿足每年戶均停電時間不超過52 分鐘的要求，還需要將每年戶均故障停電時間降低到17 分鐘，為了保險起見，將每年戶均故障停電時間目標(biāo)定為15 分鐘，與目前45 分鐘的現(xiàn)狀相比，要求降低到現(xiàn)狀的三分之一。
由于規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)滿足N -1 準(zhǔn)則的饋線比例將達(dá)到100%，因此每條饋線只需要沿線布置兩臺可以實現(xiàn)“三遙”的分段開關(guān)，把饋線分割成能夠?qū)崿F(xiàn)“三遙”自動控制的3 個饋線段(用戶數(shù)大致均等)，也即將故障的影響范圍減少到目前的三分之一，就可以將每年戶均故障停電時間從45 分鐘降到其三分之一(即15 分鐘)的目標(biāo)。為此，對于架空線而言，每條饋線需要配置兩臺“三遙”終端(FTU)，此外所有聯(lián)絡(luò)開關(guān)也要配置“三遙”終端(FTU);對于電纜饋線而言，有時可能兩臺需要實現(xiàn)“三遙”的分段開關(guān)(或聯(lián)絡(luò)開關(guān))位于同一臺環(huán)網(wǎng)柜中，此時可以采用一臺“三遙”終端(DTU)實現(xiàn)對兩臺開關(guān)的“三遙”監(jiān)控，因此究竟需要配置多少臺“三遙”終端(DTU)，需要具體問題具體分析，可參見文獻(xiàn)[4](劉健, 張志華, 張小慶, 等. 繼電保護(hù)與配電自動化配合的配電網(wǎng)故障處理[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(16): 53-57.)。
可見，定量的分析是科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)，下面將一些有助于科學(xué)規(guī)劃的公式列出，若對其推導(dǎo)過程感興趣，可參見文獻(xiàn)[4]。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)滿足N-1 的情形
對于全部安裝“三遙”終端的情形，假設(shè)在每條饋線上對K3臺分段開關(guān)進(jìn)行“三遙”，并同時對聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3+1 個“三遙”分段，為了滿足只計及故障因素造成停電的可靠性(供電可用率)要求AF set，K3 應(yīng)滿足：
對于全部安裝“二遙”終端的情形，假設(shè)在每條饋線上對K2臺分段開關(guān)進(jìn)行“二遙”，并同時對聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行“二遙”，將饋線分為用戶均等的K2+1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，K2應(yīng)滿足：
對于“三遙”和“二遙”終端結(jié)合的情形，假設(shè)在每條饋線上對K3 臺分段開關(guān)進(jìn)行“三遙”， 并同時對聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3 +1 個“三遙”分段，再在每個“三遙”分段內(nèi)對h 臺分段開關(guān)進(jìn)行“二遙”，將每個“三遙”分段分為用戶均等的h +1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，在給定K3 的條件下，h 應(yīng)滿足：
在給定h 的條件下，K3應(yīng)滿足：
同時有：
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不滿足N-1 的情形
假設(shè)在每條饋線上對K3 臺分段開關(guān)進(jìn)行“三遙”，將饋線分為用戶均等的K3+1 個“三遙”分段，為了滿足可靠性要求AF set，K3應(yīng)滿足：
假設(shè)在每條饋線上對K2臺分段開關(guān)進(jìn)行“二遙”，將饋線分為用戶均等的K2+1 個“二遙”分段，為了滿足可靠性AF set 要求，K2 應(yīng)滿足：
若主干線采用具有本地保護(hù)和重合閘功能的“二遙”終端實現(xiàn)K2+1 級保護(hù)配合，則可以在故障處理過程中省去t2時間，為了滿足可靠性AF set，K2應(yīng)滿足：
結(jié) 語
配電網(wǎng)具有“點多面廣”的特點，配電自動化系統(tǒng)是減少配電網(wǎng)故障影響從而提高供電可靠性的重要手段，但是應(yīng)根據(jù)各個供電區(qū)域的實際情況以及對供電可靠性要求的不同而差異化規(guī)劃，不要“過度建設(shè)”。
廣義的配電自動化技術(shù)不僅包括集中智能配電自動化系統(tǒng)，還包括繼電保護(hù)、自動重合閘和備自投等，應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合以提高故障處理性能。
預(yù)安排停電也嚴(yán)重影響供電可靠性，盡管改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對減少預(yù)安排停電有一定作用，但是減少預(yù)安排停電的主要途徑是配電網(wǎng)運維管理提升。
