配電自動化對于配電網(wǎng)可靠性影響及對策的分析

黃 聰

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，供電可靠性在電力市場中的地位日益凸顯，供電公司需要為客戶提供優(yōu)質(zhì)的電能，配電自動化（DA）能提高用戶供電品質(zhì)。對配電自動化技術(shù)的分析，主要涉及了傳感、控制、信息通信以及傳統(tǒng)分配技術(shù)。在配電自動化建立的過程中，容易對電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)產(chǎn)生影響，主要集中在電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，例如，在饋線故障處理技術(shù)方面，可以縮短故障定位、隔離和恢復(fù)所需的時間[1]。根據(jù)用戶的故障統(tǒng)計資料，發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備及饋線部分的高故障率是造成配電系統(tǒng)不能正常運行的主要原因。建立配電自動化系統(tǒng)可以提高電力系統(tǒng)的可靠性，主要涵蓋了平均停電次數(shù)指數(shù)（SAⅠFⅠ）、平均停電持續(xù)時間指數(shù)（SAⅠDⅠ）、用戶平均電力供應(yīng)利用率指數(shù)（ASAⅠ）等。配電自動化已成為人們普遍關(guān)心的問題，人們從各個角度對其進行了深入的探討。配電自動化系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)的配電網(wǎng)絡(luò),隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，饋線自動控制系統(tǒng)被提出，其中包括饋線終端設(shè)備（FTUs）和通信網(wǎng)[2]。通過對馮馳等[3]研究分析，主要提出了饋線自動化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基礎(chǔ)是電力自動化平臺，采用該系統(tǒng)能夠滿足配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的評價需求。李俊輝等[4]介紹了一種以饋線為基礎(chǔ)的智能化饋線自動控制系統(tǒng)。王云會等[5]主要探討了集中式和分散式在配電網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用。盡管在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)中，存在著許多能夠改善配電網(wǎng)絡(luò)供電可靠性的自動化施工方案，但是對于方案的建立，卻沒有任何具體的探討。針對這種情況，本研究對比了幾種典型的DA 方案在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，對典型的配電自動化系統(tǒng)進行了詳細的分析，通過對相關(guān)施工方案的研究，提出科學(xué)的建設(shè)方案，得出可靠的計算結(jié)果。

1 典型的DA模式

在本次研究中，采用“手拉手”的布線方法，通過對不同接入方法進行分析，研究該方法對電網(wǎng)可靠性的影響。圖1為配電自動化方式1。

圖1 配電自動化方式1

1.1 不適用DA程序

將不采用DA 程序的配電網(wǎng)絡(luò)可靠性指數(shù)作為案例進行分析。對于該方案而言，一旦配電網(wǎng)線路產(chǎn)生故障，系統(tǒng)不能及時發(fā)現(xiàn)故障，因此要及時向用戶報告故障；維護人員到達無供電地區(qū)，針對性檢查和巡視配電線路跳閘開關(guān)，進而有效查找故障，隨后借助開動動作隔離失效部分，進而滿足配電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)地區(qū)電力供應(yīng)恢復(fù)穩(wěn)定供應(yīng)需求。

1.2 基于故障指示的DA系統(tǒng)構(gòu)建方法

根據(jù)故障指示器的遠程傳輸能力，這種方式可劃分為兩類。配電自動化方式2 如圖2 所示。如果出現(xiàn)了短路或接地故障，從變電站到斷路處的架空線路上的故障指示燈就會出現(xiàn)倒置或閃爍，以表明故障的出現(xiàn)。而無故障區(qū)的錯誤指標(biāo)并未發(fā)生改變。維護人員隨后離開變電站，沿配電網(wǎng)絡(luò)尋找有問題的地方。這種方法能迅速地找出故障部位，為維護人員節(jié)約大量的時間[6]。

圖2 配電自動化方式2

1.3 饋線自動控制中的切換定時

饋線自動控制系統(tǒng)是通過對電壓、電流等電氣量的檢測來判定配電線路的故障，并將其與開關(guān)的定時運行或電流存儲器相結(jié)合，從而實現(xiàn)對饋線的自動控制。將自動切換和自動重合裝置安裝到饋線（方式3），配電自動化方式3 如圖3 所示。在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，首先要對配電網(wǎng)的故障電流、電壓變化進行判斷，再由切換與重合閘協(xié)同工作；在此基礎(chǔ)上，對故障饋線進行自動定位與隔離，并利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)配電系統(tǒng)的無故障供電。這樣，維護人員就可以被直接派遣到有問題的地區(qū)，通過準確的定位進行維護工作。該過程不需與主站、變電所進行通訊，可在現(xiàn)場進行故障定位，并在現(xiàn)場進行隔離[7]。

圖3 配電自動化方式3

1.4 集中式控制系統(tǒng)在DA主站上的應(yīng)用

在主站控制方法中，結(jié)合是否可以實現(xiàn)故障隔離的需求，進而將其分為半自動和自動兩種隔離方式：①半自動隔離：故障區(qū)段主要由主站點提示，在擬操作的切換名中，需要通過人工確認，在斷開故障兩端斷路器時，需要采用手動遙控，同時還需鎖止合閘回路；②自動隔離：通過主站將故障兩端的FTU 進行閉鎖和斷路，當(dāng)兩邊的斷路和斷路結(jié)束后，F(xiàn)TU 向主站報告。全自動隔離DA 主站的中央控制系統(tǒng)以主站為中心（第4 種方式），圖4 為配電自動化方式4。控制中心依靠通訊，因此，利用監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所提供的實時數(shù)據(jù)，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)絡(luò)進行實時的采集與控制。在出現(xiàn)故障時，借助FTU 傳輸故障信息到主站。通過對開關(guān)狀態(tài)、故障監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)拓撲等的分析，判斷出故障區(qū)域，并下達遙控指令，對無故障區(qū)域進行故障隔離，并使電力恢復(fù)正常。這就是所謂的三個遙控系統(tǒng)。當(dāng)采用遙控方式進行故障診斷時，該切換器只對故障隔離和非失能區(qū)恢復(fù)執(zhí)行操作[8]。

圖4 配電自動化方式4

1.5 基于智能配電網(wǎng)的局域控制

在配電網(wǎng)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)為斷路器的線路中采用了基于智能配電饋線的終端設(shè)備，配電網(wǎng)中的配電終端通過高速通訊網(wǎng)絡(luò)與鄰近的分布式配電終端進行數(shù)據(jù)交換。在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，快速定位故障，隔離故障，并在斷路器保護動作之前恢復(fù)電源[9]。整個處理不依靠DA 主站和變電所（模式5）。本技術(shù)方案以智能終端設(shè)備為中心，圖5 為配電自動化方式5。

圖5 配電自動化方式5

在這種方式下，部分故障的處理并不完全依靠主站，在SCADA 通訊中斷的情況下，也不會影響到系統(tǒng)的故障處理與恢復(fù)。在環(huán)網(wǎng)或輻射饋線中，可以采用斷路器（重合閘），并能在FTU 的協(xié)作下，實現(xiàn)故障自動隔離和自動恢復(fù)。此外，對開關(guān)（重合閘）功能進行分析，有助于有減小短路電流，對此，與保護相結(jié)合能夠減少變電所的輸出端動作次數(shù)，對縮短故障處理時間具有重要作用[10]。

2 電力系統(tǒng)可靠性評價的方法與指標(biāo)

2.1 FMEA的失效仿真結(jié)果分析方法

在評價配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的過程中，采用的分析方法以FMEA 故障模式后果分析法為主，且這種方法比較常見。該方法對電力系統(tǒng)的各種故障進行了假定，并對各種故障的影響進行了分析，對各種故障狀態(tài)進行了綜合評價。但由于電力系統(tǒng)的實際運行，這種方法忽視了電力系統(tǒng)的潮流和電壓限制，從而降低了計算工作量[11]。

2.2 可靠性指數(shù)的確定與計算

電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的定義和計算公式如下。

（1）系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)SAⅠFⅠ

式中：δi和Ni為饋線i上的用戶停電率和用戶數(shù)量。

（2）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間SAⅠDⅠ

式中：Ui為饋線i的用戶年停電時間。

（3）用戶平均停電頻率指標(biāo)CAⅠFⅠ

式中：Mi為饋線i的停電用戶數(shù)。

（4）用戶平均供電可用率指標(biāo)ASAⅠ

3 試驗成果

以南京供電公司的一條配網(wǎng)為例，對其進行了研究。表1 為配電網(wǎng)絡(luò)的基本資料。表2 為上述各種配電網(wǎng)的可靠度資料，包括：線路故障率、故障恢復(fù)時間、維護率；維修周期4個數(shù)據(jù)來自于該線的歷史資料，而不同的DA 系統(tǒng)在建成后的故障報警和故障恢復(fù)時間取決于當(dāng)?shù)仉娏镜慕?jīng)驗[12]。在分析以上DA 建筑方式時，假定該輸電線路以外的其他地區(qū)是完全可靠的。與上述分析結(jié)果相吻合，在使用DA 架構(gòu)后，該系統(tǒng)的可靠性得到了很大的改善。明確顯示了DA建筑對SAⅠFⅠ指數(shù)的影響，而采用了前3種方法[13]。但是，模式5對于降低系統(tǒng)失效斷電面積具有重要作用。在前4 種方式中，如果發(fā)生局部配網(wǎng)故障，則會造成全線路停電，而在第5種方式下，不會對其他線路造成整體的干擾。圖6 為平均用戶的中斷時長。DA方案在模式2、模式3、模式4 中均能提高此項指標(biāo)，而在模式5 中，DA 模式能顯著降低配電網(wǎng)絡(luò)的斷電次數(shù)；但是對應(yīng)的斷電時間并未相應(yīng)地降低，故此施工方式CAⅠFⅠ指數(shù)更高[14]。

表1 配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 不同模式的配電網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)

圖6 不同DA建設(shè)模式下SAⅠFⅠ指標(biāo)

4 結(jié)語

DA 模式能夠改善配電系統(tǒng)的供電可靠性，同時SAⅠFⅠ、ASAⅠ指數(shù)隨DA 等級的增加而逐步上升。與前3 種DA 方案比較，方案5 提高了配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性。這種方法能有效地減小配電網(wǎng)絡(luò)的斷電次數(shù)和斷電持續(xù)時間，其CAⅠFⅠ指數(shù)更高。