河北南網配電自動化終端配置應用研究

王桂棟，周從容，馬幼捷，周雪松，高志強

(1. 天津理工大學 天津300384；2. 天津大學 天津300072)

河北南網配電自動化終端配置應用研究

王桂棟1，周從容2，馬幼捷1，周雪松1，高志強1

(1. 天津理工大學 天津300384；2. 天津大學 天津300072)

配電自動化是提高供電可靠性的必要手段。配電終端作為配電自動化建設中的一項重要內容，起著收集配電網運行狀態信息的作用。提出一種實用的終端選型與終端量化方法。方法目標函數中考慮了年終端投資成本、年運行維護成本、廢棄處理成本以及實施配電自動化后取得的經濟效益，此外將可靠性作為約束條件，最后利用數學工具拉格朗日乘數法來求得最優的終端配置方案。通過選取保定地區某條饋線，驗證說明了方法的可行性與有效性。

配電自動化 配電終端 可靠性

0 引 言

配電自動化是利用現代電子、計算機、通信及網絡技術，將配電網在線數據和離線數據、配電網數據和用戶數據、電網結構和地理圖形進行信息集成，構成完整的自動化系統實現配電網及其設備在正常運行及事故狀態下的監測、保護、控制、用電配電管理的現代化。配電自動化是配電網發展到一定階段后提高供電可靠性的重要手段。當前新能源發電、電動汽車等新技術發展也都離不開配電自動化技術的支撐，配電自動化的實施將有助于消納更多的新能源、提高電能質量。

配電自動化實施過程中，主子站建設、通訊方式選擇和終端配置是其面臨的三大問題。本文在對河北南網配電網實際情況調研的基礎上，提出了配電自動化建設中終端選型與終端配置的量化方法，并從經濟效益上進行分析。其中，在配置量化方法研究中，考慮終端前期設備投資、中期維護和后期廢棄處理成本等因素，通過將其與實施配電自動化取得經濟效益求代數和作為目標函數，以可靠性為約束條件，利用數學工具拉格朗日乘數法求得最優配置方案。

1 配電終端配置研究背景

配電自動化終端(簡稱配電終端)是安裝在配電網的各種遠方監測、控制單元的總稱，負責完成數據采集、控制、通信等功能。按照功能，其可分為“二遙”終端和“三遙”終端：前者具有遙信、遙測功能，后者具有遙信、遙測和遙控功能。遙測主要是指測量線路中的電壓、電流、功率等信息；遙信主要用于測量溫度、開關位置等信息；遙控則用于在后臺遠程控制線路一次開關的閉合。可以說配電終端充當整個配電網的“傳感器”作用，它將配電網的運行狀態信息，如電壓、電流、功率、溫度、開關位置等信息采集后傳到主站后臺以監測整個配電網的運行。此外，一些“三遙”終端具有遠程遙控功能，用于改變開關狀態實現負荷轉供、故障隔離等功能。

理論上，配電終端配置越多，對配電網監控也就越全面，供電可靠性越高。但是配電網中線路條數巨大，而且終端價格不菲，線路配置終端還需要一次設備滿足一定條件。比如，實現遙信功能的開關設備，需要至少一組輔助觸點；實現遙測功能的一次設備，離不開電流互感器；實現遙控功能的開關設備，則應具備電動操作機構。一些不滿足要求的一次設備改造也是一大筆費用。因此，在資金有限的情況下，一套合理的終端配置方法顯得尤為重要。

在實際配電自動化終端配置過程中就面臨兩大問題：終端的類型選擇和數量量化。

2 配電終端配置方案研究

2.1 配電終端類型選擇

在配電終端的類型選擇上應當盡可能在滿足可靠性前提下，使成本最小。也就是說，如果“二遙”終端可以滿足可靠性要求，就不配置“三遙”終端。如果全“二遙”不滿足可靠性要求，再考慮“二遙”“三遙”終端混合的情況，最后才考慮配置全“三遙”終端的方案。

針對上述原則，我們提出終端類型選擇方法。配電終端是依附于配電線路上的分段開關存在的。對于已建成的配電網而言，分段開關已經存在，應盡可能在不改變一次設備(分段開關)的情況下，合理安排配電終端。任意一條配電線路，當所有的分段開關分別在不配置終端、配置“二遙”終端和配置“三遙”終端情況下，可以得到線路的供電可靠性大小為ASAI0、ASAI2和ASAI3。將可靠性目標值ASAIg分別與上述3個可靠性指標比較得到配電終端類型選擇方案：

① ASAIg＜ASAI0，此時不用配置終端即可滿足供電可靠性要求；

② ASAI0＜ASAIg≤ASAI2，此時僅配置“二遙”終端即可滿足可靠性要求；

③ ASAI2＜ASAIg≤ASAI3，此時考慮進行“二遙”“三遙”終端混合配置；

④ ASAIg＞ASAI3，此時即使全配置“三遙”終端也不能滿足可靠性要求，配置終端已經不能滿足可靠性要求，考慮改變網架結構(線路分段數或分段開關位置等)。

用流程圖表示，如圖1所示：

圖1 終端配置選型流程圖Fig.1 Flow chart of terminal configuration

2.2 終端配置量化方法

終端數量與供電可靠性是緊密聯系的。通過建立終端數量與供電可靠性的數學關系式，即可得到終端的量化方法。但是僅僅從可靠性角度來確定終端數量是不全面的，實施配電自動化的主要目的是提高供電可靠性，而最終是要回歸到經濟效益上來。因此，本文以供電可靠性目標為約束，以總凈投資收益為目標函數，考慮全生命周期成本情況下，建立配電終端與經濟性指標的數學模型，最終確定最優的終端配置數量。

2.2.1 數學模型

本文數學模型是建立在一次網架滿足“N－1”要求，結構不變情況下的，因此目標函數不涉及原有一次網架的改造費用。在考慮全生命周期成本的情況下，目標函數包括終端初期投資費用、運行維護費用、設備廢棄處理費用以及因實施配電自動化，提高供電可靠性而減少的用戶停電損失費用。

①終端投資費用。在全生命周期成本下，將終端投資轉化為等年值進行經濟評價，其數學模型可以表示為：

式中，Nk為終端數量；Cf為單臺終端投資費用；q為貼現率；p為終端的使用年限。

②運行維護費用。終端的年維護費用模型按其初始投資的百分比進行折算得：

式中，Cp為終端運行維護折算率。

③廢棄處理費用。終端的廢棄處理費用折算到每年得：

式中，Ct為廢棄處理費用折算率。

④用戶停電損失費用。用戶停電損失計算方法有多種，在這里利用本地區國內生產總值與所消耗電能的比值得到單位電量產生的經濟效益，將其與因實施配電自動化提高供電可靠性多發售電量相乘，即可得到減少的用戶停電損失。

式中，Cs為單位電量產生的經濟效益；WENS實施配電自動化后多發電量；iP為每段上線路負荷；η為線路負荷率。

⑤可靠性。由于配電終端數量與供電可靠性是密切相關的，理論上，配電終端配置越多，供電可靠性越高。其中供電可靠性可用平均供電可用率來表示：

Ni為每段上用戶數；N為線路中總用戶數；T為停電時間。

需要說明的是，針對不同網架結構和不同的終端類型，國家電網導則中都有相應的終端數量與平均供電可用率計算公式。實際應用中，針對實際線路模型，可以參照導則中的公式。

至此，由上述(1)～(4)可以得到目標函數：

2.2.2 數學工具

在數學最優化問題中，拉格朗日乘數法是一種尋找變量受一個或多個條件所限制的函數極值的方法。通過上文分析，我們把終端配置凈投資費用作為目標函數，將供電可靠性作為約束條件，利用數學工具拉格朗日乘數法即可求得最優的終端配置數量，所得拉格朗日函數為：

3 算例分析

以河北南網保定東北郊525線路為例，如圖2所示，按照本文提出的終端配置方法進行分析。

圖2 保定東北郊525線路簡圖Fig.2 Schematic diagram of line525 in Baoding

3.1 終端類型

對于本線路而言，其網架結構滿足N-1，依據國網導則，此時供電可靠性與配置終端的數量關系為：

在不配終端情況下，代入數據得東北郊525線路供電可用率為：

在全配置“二遙”終端情況下，代入數據得東北郊525線路供電可用率為：

由此可見，在不配置終端的情況下，東北郊525線路不滿足供電可靠性目標值要求，在全配置“二遙”終端情況下，東北郊525線路滿足供電可靠性目標值要求。因此針對保定東北郊525線路只配置“二遙”終端即可滿足要求。

3.2 終端數量

①將保定東北郊525線路實際數據代入拉格朗日函數公式(9)，其中，貼現率q＝0.1，設計運行年限p＝20，運維折算率Cp=3%，廢棄成本折算率Ct＝5%，單位電量創造經濟價值Cs＝11.7元/kWh。代入公式求得：

② 有約束條件：

得k2≥2.02且k2為正數，此時取k2≥3，即本段至少安裝3個“二遙”終端時，才能保證供電可靠性。

綜合①②可以得到k2=3。

3.3 成效分析

將k2=3代入目標函數后計算得實施配電自動化提高可靠性投資凈成本為：CTotal=?3.23萬元，通過投資提高供電可靠性帶來的收益大于投資成本，此時我們說這項投資從經濟效益角度講是值得的。

若求得的CTotal≥0，則說明投資不能收回，從經濟效益角度講是不合算的。但是配電自動化的實施帶來的供電可靠性的提高不能僅僅從經濟效益角度考量，還要從社會效益等方面綜合評價。

4 結 語

本文針對已建成配電網線路特點，提出了一套實用的終端配置方法。在保證可靠性的前提下，為了盡可能減少投資，優先考慮配置基本功能的終端，避免盲目追求高可靠性和高標準造成資源浪費。然后以投資經濟指標為目標函數，以可靠性指標為約束條件，提出終端量化方法。最后，針對提出的終端類型選擇與量化方法，通過河北保定某線路分析得到了驗證。

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Applied Research of Distribution Automation RTUs Configuration

WANG Guidong1，ZHOU Congrong2，MA Youjie1，ZHOU Xuesong1，GAO Zhiqiang1
(1.Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Distribution Automation(DA)is an indispensable way to increase power supply reliability.The terminals are important parts of DA，which assume the task of collecting operation information of the distribution grid.A practical method to select suitable types and determine optimal numbers of RTUs(remote terminal units)was proposed in this paper.The objection function considers the annual investment cost，annual operating maintenance cost，disposal cost of RTUs and the economic benefits after completing DA in the method.Besides，the reliability was regarded as a constraint.Finally，the mathematical tool Lagrange multiplier method was applied to seek the optimal solution.A feeder line in Baoding was analyzed with the method，which shows that it is feasible and effective.

distribution automation；RTUs(Remote Terminal Units)；reliability

TM64

：A

：1006-8945(2016)09-0049-04

2016-09-02