一种基于供电可靠率的配电自动化终端布置方法与流程

本发明涉及配电网自动化终端规划领域，尤其是涉及一种基于供电可靠率的配电自动化终端布置方法。

背景技术：

随着社会经济和电网技术的发展，电力用户对于供电可靠性的要求不断提高，配电网智能化升级改造也多以改善和提高供电可靠性为主要目标，以上海为代表的国内大型城市因负荷密度高，重要负荷较多，对停电事件高度敏感，A+供电区域的用户供电可靠率以年户均停电时间5min(即RS-3供电可靠率99.999％)为2020年的目标值。

配电自动化系统由于可实现故障的快速隔离与恢复，是提升配电网供电可靠性的重要手段之一，目前在国内已经开展了广泛的试点应用。具有遥测、遥信和遥控功能的“三遥”配电自动化终端和只具有遥测和遥信功能的“二遥”配电自动化终端等是配电自动化系统的基本组成元件，在实际中广泛应用。虽然这些终端对提升供电可靠性均有助益，但是如何在实际网架中进行优化布点规划，从而获得性价比最高的供电可靠性提升效果，仍是各地区在实际应用中所遇到的难题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑配电终端、优化方案、具有借鉴意义的基于供电可靠率的配电自动化终端布置方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于供电可靠率的配电自动化终端布置方法，用于对架空网和/或电缆网进行配电自动化终端的布置，包括以下步骤：

1)构建网架供电可靠率模型；

2)分别获取架空网和/或电缆网的节点位置信息，并且设定供电可靠率目标；

3)设定初始配电自动化终端布置方案，即布置配电自动化终端的节点位置以及终端型号，根据网架供电可靠率模型计算供电可靠率，并根据供电可靠率目标判断该方案是否可行，最终获得最优的配电自动化终端布置方案。

所述的网架供电可靠率模型为：

其中，R为用户供电可靠率，R′为只计及故障停电因素的用户供电可靠率，Tp为年户均计划停电时间，n_i为馈线第i分段上的用户数，f_i为馈线第i分段的年故障次数，t₁为定位故障区域所需时间，t₂为在故障定位指引下由人工进行故障区域隔离所需时间，t₃为故障修复所需时间，n_i1为定位故障区域时间内的停电用户数，n_i2为故障区域隔离时间内的停电用户数，n_i3为故障修复时间内的停电用户数；

所述的节点包括电缆网内的配电站以及架空网内的柱上开关，配电自动化终端的终端型号包括二遥终端和三遥终端。

所述的电缆网内的配电站包括K型站、P型站、WX型站和WH型站，所述的架空网内的柱上开关包括联络开关和分段开关。

所述的步骤2)中，供电可靠率目标为99.999％。

所述的步骤3)中，架空网的初始配电自动化终端布置方案包括不配置终端、全部节点配置二遥终端和全部节点配置三遥终端。

所述的步骤3)中，所述的电缆网为WX型站单环网结构，其对应的初始配电自动化终端布置方案包括不配置终端、只配置三遥终端不配置二遥终端以及除标明配置三遥终端的节点外其余均配置二遥终端。

所述的只配置三遥终端不配置二遥终端包括双侧第一个或第二个节点配置三遥终端、双侧第三个节点配置三遥终端、双侧第一个或第二个节点加第三个节点配置三遥终端以及全部节点均配置三遥终端，所述的除标明配置三遥终端的节点外其余均配置二遥终端包括全部配置二遥终端、双侧第一个或第二个节点配置三遥终端、双侧第三个节点配置三遥终端以及双侧第一个或第二个节点加第三个节点配置三遥终端。

架空网的配电自动化终端布置方案中，越靠近主干线末端的联络开关布置配电自动化终端的优先级越高。

电缆网的配电自动化终端布置方案中，不同级别环网优先级为一级环网>二级环网>三级环网，不同类型节点优先级为K型站>P型站>WH型站>WX型站。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明以上海A+区域典型网架为例分析了配电自动化的故障处理模式，建立了考虑配电自动化系统的网架供电可靠率模型，并以10kV典型网架为例进行供电可靠率分析，分别计算了网架各节点配置“三遥”终端、“二遥”终端在不同布点规划方案下的供电可靠率，并综合考虑工程实施难度、投入产出效益等因素，优化了配电自动化终端规划策略，对大中型城市的配电自动化规划建设工作有良好的指导意义，也可为其他地区相关工作提供借鉴。

附图说明

图1为10kV架空网典型结构示意图。

图2为10kV电缆网(WX型站单环网)的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

本发明的供电可靠率是指平均供电可用率指标，该指标是一个统计指标，其定义为在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数的比值，其中若不计系统电源不足限电，记为RS-3指标。

为了量化估计配电自动化系统对供电可靠率统计值的影响，本发明进一步提出针对具体网架的供电可靠率简化估算公式，即网架供电可靠率模型为：

其中，R为用户供电可靠率，R′为只计及故障停电因素的用户供电可靠率，Tp为年户均计划停电时间，n_i为馈线第i分段上的用户数，f_i为馈线第i分段的年故障次数，t₁为定位故障区域所需时间，t₂为在故障定位指引下由人工进行故障区域隔离所需时间，t₃为故障修复所需时间，n_i1为定位故障区域时间内的停电用户数，n_i2为故障区域隔离时间内的停电用户数，n_i3为故障修复时间内的停电用户数；

供电可靠率计算主要考虑环网内线路N-1故障(根据统计数据，N-1以上故障及站内故障概率较低，线路故障概率较高，因此主要考虑环网内线路N-1故障)。另外，假设环网满足N-1时的100％负荷转供能力。在实际计算时，若缺乏相关线路年故障次数的数据，可暂以该地区的单位长度故障率平均值乘以线路长度的方式进行估算。

本发明中，10kV电缆网内的配电站(K型站、P型站、WX型站、WH型站)以及架空网内的柱上开关(联络开关、分段开关)统称为“节点”。若馈线中各节点不配置任何终端，则故障区段停电时间为t1+t2+t3，非故障区段停电时间为t1+t2；若全部节点配置“二遥终端”，故障定位时间为分钟级，此时故障区段停电时间约为t2+t3(忽略t1)，非故障区段停电时间约为t2(忽略t1)；若全部节点配置“三遥终端”，故障定位和故障隔离时间均为分钟级，此时故障区段停电时间约为t3(忽略t1和t2)，非故障区段停电时间约为零(忽略t1和t2)。需要注意的是，对于电缆环网而言，由于负荷接入点集中在站所节点内，而非支接于线路上，因此线路故障时，只要故障定位和故障隔离(含闭合开环点操作)完成，所有用户即可恢复供电，待线路故障修复完成后再恢复初始的运行方式，线路故障修复时间t3并不影响用户的停电时间；而对于架空网而言，故障线路区段上支接的用户必须待该区段修复完毕后才可恢复供电。

实施例1：

对于架空网：

以上海A+区域10kV电网为例，其典型架空网结构如图1所示。架空网典型结构为多分段适度联络，一般分为数个供电单元，每个供电单元由数个分段线路组成。正常运行方式下，分段开关闭合，联络开关打开。

假定在分段开关和联络开关均配置“三遥”配电自动化终端，则集中式FA故障处理模式如下：

1)QF1-QS1区段发生故障

故障定位：QF1出口开关前加速保护动作后，重合闸启动，此时若是永久性故障，反时限保护动作再次跳闸，架空线上每个终端检测电流并将故障信息传送给配电主站，配电主站通过调度主站获取QF1出口开关保护动作信号、开关变位信号，并通过每个终端上报的故障信息进行网络拓扑结构分析确定故障点位于QF1-QS1区段；

故障隔离：配电主站执行遥控操作，拉开QS1开关实现故障区域的隔离；

非故障区域恢复供电：配电主站综合分析每个联络开关允许转供的负荷，协调选择最合适的备用电源后执行遥控操作，合上QS7、QS8、QS9柱上联络开关中的一个，恢复故障区段下游供电。

2)QS3-QS4区段发生故障

故障定位：QF1出口开关前加速保护动作后，重合闸启动，此时若是永久性故障，反时限保护动作再次跳闸，架空线上每个终端检测电流并将故障信息传送给配电主站，配电主站通过调度主站获取QF1出口开关保护动作信号、开关变位信号，并通过每个终端上报的故障信息进行网络拓扑结构分析确定故障点位于QS3-QS4区段；

故障隔离：配电主站执行遥控操作，拉开QS3、QS4开关实现故障区域的隔离；

非故障区域恢复供电：调度主站执行遥控操作，QF1再次合闸，恢复故障区段上游供电。配电主站分析QS9联络开关允许转供的负荷，执行遥控操作，合上QS9柱上联络开关，恢复故障区段下游供电。

针对图1所示的架空网架，基于以上故障处理模式和供网架供电可靠率模型，计算不同终端布点规划方案下该架空线的供电可靠率估算值，计算条件如下：

各分段开关之间线路上支接的用户数相等，各段线路长度均取0.2km，单位线路长度故障率均取0.07次/km·年。故障区域定位时间取1.5h，故障区域隔离时间取1h，故障修复时间取4h。

计算结果如表1所示。

表1典型架空网供电可靠率计算

对于架空网而言，在开关配置“二遥”终端可以将故障范围缩小在相邻的2个配置“二遥”终端的开关之间，大幅缩短故障巡线定位时间，而配置“三遥”终端则可以进一步省去现场操作隔离故障的时间。根据本算例的供电可靠率计算结果，在不配置终端时户均故障停电时间较长，在不考虑计划停电时就已经超出99.999％供电可靠率目标的允许限值；全部开关配置“二遥”终端时供电可靠率有所提升，但仍超出限值；全部开关均配置“三遥”终端时，供电可靠率进一步显著提升，在前述计算条件下，若要达到99.999％的供电可靠率，则可以给计划停电留有户均约2min的裕度。

架空网的优化策略分析如下：

架空网应综合考虑配电自动化建设改造难度和资金预算情况，对联络开关和分段开关实行以“三遥”终端为主的配电自动化终端覆盖。对于联络开关，同等建设难度和经费预算条件下，当对侧线路转供能力足够时，越靠近主干线末端的联络开关布点优先级越高。对于分段开关，则根据本发明前述的供电可靠率计算方法对不同布点规划方案进行计算，并根据供电可靠率目标值和计划停电情况，进一步选取最合适的布点规划方案(无开关的杆塔亦可配置故障定位装置作为辅助“二遥”节点，可在计算时考虑)。

根据统计情况，架空网供电可靠率明显低于电缆网。因此，从可靠性需求而言，架空网的配电自动化终端配置标准应高于电缆网。

另一方面，由于“三遥”终端一般采用光纤通信方式，架空网光纤敷设可采用挂杆方式实现，实施难度和造价均较低，而电缆网光纤敷设则经常需要在没有排管和孔位资源时采用开挖直埋方式，实施难度和造价(含工程费和赔偿费)较高，光纤敷设费用占总费用比例极高。因此，相对于电缆网，架空网配置“三遥”终端，从投入产出效益而言是更有优势的。

对于联络开关，当其位置越靠近主干线末端，在通过分段开关隔离故障后，通过闭合该联络开关能够转供的负荷则越多。例如图1所示架空网，若3个联络开关中仅选一个配置“三遥”终端，则配置在末端的QS9开关时，主干线任意位置故障，均可通过分段开关隔离故障区段后，由QF1和QS9闭合恢复所有非故障区段的供电；若配置在首端的QS7开关时，QS2至QS9之间的线路发生故障，则故障点之后的非故障区段无法通过QS7闭合迅速恢复供电，必须通过手动合上QS9开关才可恢复。因此，在同等建设难度和经费预算条件下，并且对侧线路转供能力足够时，应优先选取靠近主干线末端的联络开关进行终端布点。

实施例2：

对于电缆网：

上海A+区域10kV电缆网有变电站供K型站单环网、变电站供K型站双环网、K型站供P/W型站单环网、K型站供P型站双环网、变电站供P/W型站单环网、变电站供P型站双环网等典型接线模式。图2所示为变电站供WX型站(箱变)单环网接线。

以图2为例，WX型站单环网两路电源来自同一座变电站不同母线或不同变电站，环中其中一座WX型站的一个负荷开关正常状态开断运行(图2中QS6负荷开关)作为环内联络开关。

假定在各箱变均配置“三遥”配电自动化终端，则集中式FA故障处理模式如下

1)QF1-QS1区段发生故障

故障定位：QF1出口开关保护动作，终端检测电流并将故障信息传送给配电主站，配电主站通过调度主站获取QF1出口开关保护动作信号、开关变位信号，并通过每个终端上报的故障信息进行网络拓扑结构分析确定故障点位于QF1-QS1区段；

故障隔离：配电主站执行遥控操作，拉开QS1开关实现故障区域的隔离；

非故障区域恢复供电：配电主站分析QS6联络开关允许转供的负荷，执行遥控操作，QS6合闸，恢复故障区段下游供电。

2)QS4-QS5区段发生故障

故障定位：QF1出口开关保护动作，终端检测电流并将故障信息传送给配电主站，配电主站通过调度主站获取QF1出口开关保护动作信号、开关变位信号，并通过每个终端上报的故障信息进行网络拓扑结构分析确定故障点位于QS4-QS5区段；

故障隔离：配电主站执行遥控操作，拉开QS4、QS5开关实现故障区域的隔离；

非故障区域恢复供电：调度主站遥控QF1开关合闸，恢复故障区段上游供电。配电主站分析QS6联络开关允许转供的负荷执行遥控操作，QS6合闸，恢复故障区段下游供电。

针对图2所示的电缆网架，基于以上给出的故障处理模式和网架供电可靠率简模型，计算不同终端布点规划方案下该电缆环网的供电可靠率估算值。计算条件如下：

各箱变对应的用户数相等，各段线路长度均取0.3km，单位线路长度故障率均取0.04次/km·年。故障区域定位时间取1.5h，故障区域隔离时间取1h，故障修复时间取4h。

计算结果如表2所示。

表2典型电缆网供电可靠率计算

对于电缆网而言，在站点内配置“二遥”终端可以将故障范围缩小在相邻的2个配置“二遥”终端的站点之间，大幅缩短故障巡线定位时间，而配置“三遥”终端则可以进一步省去现场操作隔离故障的时间。根据本算例的供电可靠率计算结果，在不配置终端时户均故障停电时间略超出99.999％供电可靠率目标的允许限值，没有留给计划停电的裕度；在双侧其中一个或多个箱变配置“三遥”终端时，供电可靠率均不同程度提升，能够给计划停电留有一定裕度，其中在第三个箱变(即正常运行方式下开环点所在箱变)配置三遥“终端”的效果略好于在其他箱变配置“三遥”终端；进一步在不配置“三遥”终端的箱变配置“二遥”终端，可以使得供电可靠率进一步提升；所有箱变均配置“三遥”终端时，在本发明的简化计算条件下，所有线路N-1故障均可被迅速隔离并实现负荷转供，因此户均故障停电时间趋近于0，要达到供电可靠率99.999％的目标值需保证户均计划停电时间在5min内。

电缆网的优化策略分析如下：

电缆网应综合考虑配电自动化建设改造难度和资金预算情况，对不同级别的环网和不同的节点类型实行差异化的配置方案。不同级别环网优先级为一级环网>二级环网>三级环网；不同类型节点优先级为K型站>P型站>WH型站>WX型站。其中一级环网、二级环网、三级环网定义如下：

变电站10kV出线构成的电缆环网定义为一级环网，主要包括变电站出线供出的K型站环网、P型站环网、WX型站环网、WH型站环网；位于一级环网上的节点出线构成的下一级电缆环网，定义为二级环网，主要包括K型站出线供出的P型站环网、WX型站环网、WH型站环网以及由变电站供出的一级环网内的P型站所供出的下级环网。位于二级环网上的节点出线构成的下一级电缆环网，定义为三级环网，主要包括由K型站供出的二级环网内的P型站所供出的WH型站环网和WX型站环网。

在上述策略基础上，在针对具体网架进行终端布点规划时，对各级别环网采用本发明前述的供电可靠率计算方法对不同布点规划方案进行计算，并根据供电可靠率目标值和计划停电情况，进一步选取最合适的方案。

变电站供出的各级别环网，所供用户规模逐级减少，线路长度逐级缩短，即对供电可靠率的影响逐级降低。目前上海电网A+和A类地区年户均计划停电户时数远大于户均故障停电户时数，比例达到5：1以上，部分年份甚至达到10：1，而其中电缆网户均故障停电时间已为分钟级。因此，对于A+地区99.999％的供电可靠率目标，提升带电作业等管理手段，减少计划停电时间是主要任务，电缆环网中采取抓大放小策略，优先完成一级环网终端覆盖，以较高性价比提高供电可靠率，是现阶段较合理的配置方案。另外，一级环网的运行方式调整频率高于二级和三级环网，建议优先使用“三遥”终端进行布点，此时遥控使用率较高，运行方式调整更便捷，投资更能够充分发挥作用。

另一方面，变电站供出的各级别环网，逐步向负荷中心延伸，光缆的敷设难度也逐级提升。一方面光缆的排管和孔位资源逐级减少，另一方面A+区域光缆直埋敷设涉及的赔偿费用较高，且越深入负荷中心越可能在施工过程中遇到较大阻挠和较高索赔。因此优先完成一级环网的“三遥”节点光纤到位，可有效减少投资和缩短工期。

对于不同节点类型，K型站是电缆网核心，应以较高标准配置，并且配合站内备自投和外线纵差保护可以起到良好的配合效果；P型站户内改造条件相对较好，且一次改造一般可使环网内两侧线路都受益(PT2型站)，另外P型站出线所供总用户数一般大于WH型站和WX型站，因此应优先于W型站配置；WH型站一般位于市政道路附近，光纤敷设条件相对于小区内的WX型站较好，且所供用户有较多10kV重要用户，因此应优先于WX型站配置；WX型站由于光纤直埋敷设和改造较困难，停电影响的用户级别和规模有限，因此优先级最末。

实行环网级别和节点类型两个方面的差异化配置策略，不实施全节点配置方案，另一个重要原因是目前现状区域较多电缆运行年数已较长，暂时未完成配电自动化终端布点的站点，未来可随着一次网架调整或电缆更换等项目，同步敷设光缆到位，可最大限度节省投资，避免重复开挖工程。