基于可靠性成本与效益的10 kV馈线分段开关优化配置研究

朱涛，张晶，孙可

（1.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州317000；2.国网浙江省电力公司，杭州310007）

基于可靠性成本与效益的10 kV馈线分段开关优化配置研究

朱涛1，张晶1，孙可2

（1.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州317000；2.国网浙江省电力公司，杭州310007）

通过10 kV馈线分段开关的优化配置，能够有效减少停电范围和提高供电可靠性。基于当前中压配电网的典型接线模式，提出了分段开关优化配置的成本模型和效益模型，重点研究了单辐射线路在不同负荷分布条件下的开关优化问题。计算分析表明，计及可靠性成本与效益的优化方法能较好实现最优分段开关数量和位置规划，提出的实用化参照结果对中压配电网规划建设有一定指导作用。

10 kV馈线；配电网；分段开关；优化配置

0 引言

城乡中压配电网直接面向电力用户，具有线路结构复杂、负荷分散、电气元件多等特点，因此发生故障或检修停电的概率也较大。通过对中压线路适当加装分段开关，可以有效减少停电涉及范围和提高可靠性指标。在馈线上增加分段开关，系统可靠性相应提高，用户停电损失减少，但供电企业需要为此增加额外的电网投资。分段开关的安装位置不同，系统可靠性的作用也会有所不同。因此，对分段开关的数量和安装位置进行优化，对于加强配电网供电能力和提升供电可靠性有较好作用。

近年来国内很多机构对分段开关的优化配置进行了相关研究。文献[1]通过分析成本和收益的数学模型来确定线路的最优分段情况，但不适用于辐射状线路接线模式。文献[2]兼顾系统整体投资和可靠性收益进行分析，提出了线路是否需要加装分段开关的判据，但缺乏普遍指导性。文献[3]通过对分段开关投入费用与用户停电损失的分析比较，确定在相应的位置是否加装分段开关，但忽视了不同位置对可靠性的不同影响。文献[4]以经济性指标中的用户缺电成本为目标函数，确定每条辐射线路上分段开关的数量和安装位置，但没有考虑线路联络情况。

本文结合中压配电网的常用接线方式、负荷分布特点，综合考虑可靠性和经济效益，比较中压线路为优化分段开关配置而增加的成本和供电可靠性提高后相应减少的成本损失，并通过实际计算进行推导，给出了实用化的参照结果。

1 分段开关配置的成本模型

分段开关优化配置所增加的成本主要包括分段开关投资和运行维护等费用。实现分段开关优化配置所增加的成本可以表示为：

（1）开关投资成本。考虑设备使用寿命的不同，故采用等年值法对开关投资进行经济综合评价较为适宜。开关投资可表示为：

式中：NK为开关数量；CS为单台开关所需的初始投资费用；i为电力工业的投资回报率；P为分段开关经济使用的年限。

（2）运行维修费用。由于开关的运行维修费用与开关初始投资有一定的关系，计算中将分段开关每年所需的运行维修费用简化为其初始投资的比重[5-6]，即运行维护费用可表示为：

式中：CM为每年运行维修费占初始投资的比重。

2 分段开关配置的效益模型

配置分段开关时，停电损失可采用平均电价折算倍数法，不同接线方式下配置分段开关减少的停电损失不一样，本文主要讨论单辐射、手拉手及两联络等较普遍的接线方式下的效益情况。

2.1 单辐射接线方式

单辐射接线方式下配置分段开关后可保证某一段线路出现故障或检修时，由分段开关将故障隔离，保证其上游停电损失仅为分段开关倒闸操作时间内的损失，而未装分段开关时，上游负荷停电损失将是全部停电时间内的停电损失，这2个时间段内的停电损失之差即为装了分段开关后减少的停电损失，整条线路年减少的停电损失即可靠性收益Csave可表示如下：

式中：n为线路的分段数，对应分段开关数为n-1；C0为损失单位电量折合成社会经济损失的系数，C0=平均电价×折算倍数；Li为第i段线路的长度；λ为主干线单位长度年故障率；Pj为第j段线路上的负荷；t1为每次故障平均停电持续时间（取4.5 h）；t2为分段开关倒闸时间（取0.5 h）。

2.2 手拉手和两联络接线方式

手拉手和两联络接线方式下某段线路故障或检修时，分段开关将故障段隔离后，其上游和下游都可在分段开关跳闸后恢复供电，上、下游减少的停电损失之和即为可靠性收益，2种方式下减少的停电损失是相同的，可靠性收益为：

2.3 计及负荷分布特点的分析

氚是氢的一种放射性同位素，可用于提高聚变能武器和部分裂变能武器的爆炸当量。由于氚的半衰期仅为12.3年，因此需要定期更换武器中的氚。

线路上的负荷分布情况对分段开关的定位有很大影响，根据负荷情况来合理定位分段开关可使可靠性收益增大。负荷分布有很多种情况，受计算条件限制及考虑实用性，本文重点研究单辐射线路的负荷均匀分布、负荷递增、负荷递减3种情况。

2.3.1 负荷均匀分布

设线路上总负荷量为P，总长度为L，投入分段开关后每段线路长为Li（i=1，2，…，n），对应的负荷量为P（Li/L），Csave可简化为：

式中:Ls为第S段线路的长度。

2.3.2 负荷沿线路递增分布

负荷沿线路的分布密度为（XiP）/（0.5L2），Xi为第i个分段开关位置距首端的距离（i=1，2，…，n-1），P为线路总负荷，L为线路总长度，Csave可表示为：

负荷沿线路的分布密度为（L-Xi）P/（0.5L2），Csave可表示为：

在手拉手和两联络接线模式下，由于负荷分布不均时计算量较大，实际应用中可假设负荷均匀分布并确定开关个数，再结合负荷分布特点确定位置。

3 计算分析

实现分段开关优化配置的目的是使可靠性收益尽可能大于可靠性成本。为此，按照前文所建立的成本模型和效益模型，代入相关算例数据，分析不同接线模式和负荷分布特点下的开关优化配置情况。

3.1 负荷均匀分布时的分段开关优化配置

在单辐射接线模式下，结合线路不同长度、不同负荷，计算出的最优分段开关数如表1所示。由表1可知单辐射接线下的最优分段开关数，且分段开关位置在线路等距分布时可获得最大的净收益。

表1 单辐射接线模式负荷均匀分布情况下的最优分段开关数量

在手拉手和两联络接线模式下，采用同样方法计算出的最优分段开关数如表2所示。分段开关在线路上等距分布时可获得最大的净收益，实际应用中可参照表2配置分段开关。

在负荷均匀分布情况下，线路所供负荷P和主干长度L越大时，线路装接较多分段开关可获得较大净收益。对于同样的分段开关数量，线路负荷P和线路故障率λ越大，其获得的净收益将更大。

3.2 负荷分布不均时的分段开关优化配置3

.2.1负荷递增分布

单辐射接线模式、负荷递增时，对于给定的线路，可用列举法依次算出装i个分段开关时的净收益，净收益最大时对应的i值即为需要安装的分段开关数。表3为对应某线路长度及负荷的分段开关个数，表4为单辐射接线模式下的分段开关分布位置参考。

表2 环网接线负荷均匀分布情况下的最优分段开关数量

表3 单辐射负荷递增分布情况下最优分段开关数量

表4 单辐射负荷递增分布情况下的分段开关位置

配电网的实际分段数一般不会太多，因此只给出1～6个开关的定位参数。特殊情况下分段数再增加时末端的分段间隔接近等距，超过6段时，前5段比例保持不变，后面的间距与第5段相等即可。

3.2.2 负荷递减分布

负荷递减时，第一个分段开关在离首端0.42L处，由于精确定位计算相当复杂，且可获得的净收益与假设负荷均匀分布相比没有太大差距，所以，实际工程中负荷递减的情形可视为负荷均匀分布，参照其结论确定分段开关的个数，开关定位可按照每段负荷量相等的情况设置。

4 结语

在配电网建设中，对中压配电线路加装一定的分段开关，可以有效缩小停电范围，提高供电可靠性指标，但分段开关装设的数量和位置需要综合考虑成本与收益。本文基于当前中压配电网的典型接线模式，提出了分段开关优化配置的成本模型和效益模型，重点研究了单辐射线路在不同负荷分布条件下的开关优化问题。本文通过算例计算，给出了最优分段开关的数量和安装位置建议，对于中压配电网分段开关的规划建设具有一定指导作用。

[1]康庆平，卢锦玲，杨国旺.确定城市10 kV配电网线路最优分段数的一种方法[J].电力系统自动化，2000（13）∶57-59.

[2]万国成，郭晓玉，任震.配网馈线上分段开关的设置[J].继电器，2002，30（11）∶10-12.

[3]万国成，任震，荆勇，等.主馈线分段开关的设置研究[J].中国电机工程学报，2003，23（4）∶124-127.

[4]王赛一，王成山.配电网中辐射线路的最优分段处理[J].电力系统自动化，2005，29（8）∶50-54.

[5]史燕琨，王东，孙辉，等.基于综合费用最低的配电网开关优化配置研究[J].中国电机工程学报，2004，24（9）∶136-141.

[6]郭永基.电力系统可靠性分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

（本文编辑：龚皓）

Optimal Configuration of 10 kV Feeder Sectional Switches based on Costs and Benefits of the Reliability

ZHU Tao1，ZHANG Jing1，SUN Ke2
（1.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

The optimal configuration of 10 kV feeder section switches can reduce the outage scope and effectively improve the power supply reliability indicators.Based on the typical connection modes of current medium-voltage distribution networks，this paper proposes the cost model and benefit model for optimal configuration of section switches；it mainly investigates the switch optimization of single radiation lines in different load distribution conditions.Computational analysis shows that the optimization method considering the reliability costs and benefits can achieve the optimal number and location planning of section switches.The proposed practical reference results to some extent can direct the planning and construction of medium-voltage distribution networks.

10 kV feeder；distribution network；section switch；optimal configuration

TM732

：B

：1007-1881（2014）08-0019-03

2014-01-07

朱涛（1981-），男，浙江临海人，工程师，主要从事电网发展规划研究和管理工作。