河北南网配电自动化终端配置应用研究

王桂栋，周从容，马幼捷，周雪松，高志强

(1. 天津理工大学 天津300384；2. 天津大学 天津300072)

河北南网配电自动化终端配置应用研究

王桂栋1，周从容2，马幼捷1，周雪松1，高志强1

(1. 天津理工大学 天津300384；2. 天津大学 天津300072)

配电自动化是提高供电可靠性的必要手段。配电终端作为配电自动化建设中的一项重要内容，起着收集配电网运行状态信息的作用。提出一种实用的终端选型与终端量化方法。方法目标函数中考虑了年终端投资成本、年运行维护成本、废弃处理成本以及实施配电自动化后取得的经济效益，此外将可靠性作为约束条件，最后利用数学工具拉格朗日乘数法来求得最优的终端配置方案。通过选取保定地区某条馈线，验证说明了方法的可行性与有效性。

配电自动化 配电终端 可靠性

0 引 言

配电自动化是利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统实现配电网及其设备在正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电配电管理的现代化。配电自动化是配电网发展到一定阶段后提高供电可靠性的重要手段。当前新能源发电、电动汽车等新技术发展也都离不开配电自动化技术的支撑，配电自动化的实施将有助于消纳更多的新能源、提高电能质量。

配电自动化实施过程中，主子站建设、通讯方式选择和终端配置是其面临的三大问题。本文在对河北南网配电网实际情况调研的基础上，提出了配电自动化建设中终端选型与终端配置的量化方法，并从经济效益上进行分析。其中，在配置量化方法研究中，考虑终端前期设备投资、中期维护和后期废弃处理成本等因素，通过将其与实施配电自动化取得经济效益求代数和作为目标函数，以可靠性为约束条件，利用数学工具拉格朗日乘数法求得最优配置方案。

1 配电终端配置研究背景

配电自动化终端(简称配电终端)是安装在配电网的各种远方监测、控制单元的总称，负责完成数据采集、控制、通信等功能。按照功能，其可分为“二遥”终端和“三遥”终端：前者具有遥信、遥测功能，后者具有遥信、遥测和遥控功能。遥测主要是指测量线路中的电压、电流、功率等信息；遥信主要用于测量温度、开关位置等信息；遥控则用于在后台远程控制线路一次开关的闭合。可以说配电终端充当整个配电网的“传感器”作用，它将配电网的运行状态信息，如电压、电流、功率、温度、开关位置等信息采集后传到主站后台以监测整个配电网的运行。此外，一些“三遥”终端具有远程遥控功能，用于改变开关状态实现负荷转供、故障隔离等功能。

理论上，配电终端配置越多，对配电网监控也就越全面，供电可靠性越高。但是配电网中线路条数巨大，而且终端价格不菲，线路配置终端还需要一次设备满足一定条件。比如，实现遥信功能的开关设备，需要至少一组辅助触点；实现遥测功能的一次设备，离不开电流互感器；实现遥控功能的开关设备，则应具备电动操作机构。一些不满足要求的一次设备改造也是一大笔费用。因此，在资金有限的情况下，一套合理的终端配置方法显得尤为重要。

在实际配电自动化终端配置过程中就面临两大问题：终端的类型选择和数量量化。

2 配电终端配置方案研究

2.1 配电终端类型选择

在配电终端的类型选择上应当尽可能在满足可靠性前提下，使成本最小。也就是说，如果“二遥”终端可以满足可靠性要求，就不配置“三遥”终端。如果全“二遥”不满足可靠性要求，再考虑“二遥”“三遥”终端混合的情况，最后才考虑配置全“三遥”终端的方案。

针对上述原则，我们提出终端类型选择方法。配电终端是依附于配电线路上的分段开关存在的。对于已建成的配电网而言，分段开关已经存在，应尽可能在不改变一次设备(分段开关)的情况下，合理安排配电终端。任意一条配电线路，当所有的分段开关分别在不配置终端、配置“二遥”终端和配置“三遥”终端情况下，可以得到线路的供电可靠性大小为ASAI0、ASAI2和ASAI3。将可靠性目标值ASAIg分别与上述3个可靠性指标比较得到配电终端类型选择方案：

① ASAIg＜ASAI0，此时不用配置终端即可满足供电可靠性要求；

② ASAI0＜ASAIg≤ASAI2，此时仅配置“二遥”终端即可满足可靠性要求；

③ ASAI2＜ASAIg≤ASAI3，此时考虑进行“二遥”“三遥”终端混合配置；

④ ASAIg＞ASAI3，此时即使全配置“三遥”终端也不能满足可靠性要求，配置终端已经不能满足可靠性要求，考虑改变网架结构(线路分段数或分段开关位置等)。

用流程图表示，如图1所示：

图1 终端配置选型流程图Fig.1 Flow chart of terminal configuration

2.2 终端配置量化方法

终端数量与供电可靠性是紧密联系的。通过建立终端数量与供电可靠性的数学关系式，即可得到终端的量化方法。但是仅仅从可靠性角度来确定终端数量是不全面的，实施配电自动化的主要目的是提高供电可靠性，而最终是要回归到经济效益上来。因此，本文以供电可靠性目标为约束，以总净投资收益为目标函数，考虑全生命周期成本情况下，建立配电终端与经济性指标的数学模型，最终确定最优的终端配置数量。

2.2.1 数学模型

本文数学模型是建立在一次网架满足“N－1”要求，结构不变情况下的，因此目标函数不涉及原有一次网架的改造费用。在考虑全生命周期成本的情况下，目标函数包括终端初期投资费用、运行维护费用、设备废弃处理费用以及因实施配电自动化，提高供电可靠性而减少的用户停电损失费用。

①终端投资费用。在全生命周期成本下，将终端投资转化为等年值进行经济评价，其数学模型可以表示为：

式中，Nk为终端数量；Cf为单台终端投资费用；q为贴现率；p为终端的使用年限。

②运行维护费用。终端的年维护费用模型按其初始投资的百分比进行折算得：

式中，Cp为终端运行维护折算率。

③废弃处理费用。终端的废弃处理费用折算到每年得：

式中，Ct为废弃处理费用折算率。

④用户停电损失费用。用户停电损失计算方法有多种，在这里利用本地区国内生产总值与所消耗电能的比值得到单位电量产生的经济效益，将其与因实施配电自动化提高供电可靠性多发售电量相乘，即可得到减少的用户停电损失。

式中，Cs为单位电量产生的经济效益；WENS实施配电自动化后多发电量；iP为每段上线路负荷；η为线路负荷率。

⑤可靠性。由于配电终端数量与供电可靠性是密切相关的，理论上，配电终端配置越多，供电可靠性越高。其中供电可靠性可用平均供电可用率来表示：

Ni为每段上用户数；N为线路中总用户数；T为停电时间。

需要说明的是，针对不同网架结构和不同的终端类型，国家电网导则中都有相应的终端数量与平均供电可用率计算公式。实际应用中，针对实际线路模型，可以参照导则中的公式。

至此，由上述(1)～(4)可以得到目标函数：

2.2.2 数学工具

在数学最优化问题中，拉格朗日乘数法是一种寻找变量受一个或多个条件所限制的函数极值的方法。通过上文分析，我们把终端配置净投资费用作为目标函数，将供电可靠性作为约束条件，利用数学工具拉格朗日乘数法即可求得最优的终端配置数量，所得拉格朗日函数为：

3 算例分析

以河北南网保定东北郊525线路为例，如图2所示，按照本文提出的终端配置方法进行分析。

图2 保定东北郊525线路简图Fig.2 Schematic diagram of line525 in Baoding

3.1 终端类型

对于本线路而言，其网架结构满足N-1，依据国网导则，此时供电可靠性与配置终端的数量关系为：

在不配终端情况下，代入数据得东北郊525线路供电可用率为：

在全配置“二遥”终端情况下，代入数据得东北郊525线路供电可用率为：

由此可见，在不配置终端的情况下，东北郊525线路不满足供电可靠性目标值要求，在全配置“二遥”终端情况下，东北郊525线路满足供电可靠性目标值要求。因此针对保定东北郊525线路只配置“二遥”终端即可满足要求。

3.2 终端数量

①将保定东北郊525线路实际数据代入拉格朗日函数公式(9)，其中，贴现率q＝0.1，设计运行年限p＝20，运维折算率Cp=3%，废弃成本折算率Ct＝5%，单位电量创造经济价值Cs＝11.7元/kWh。代入公式求得：

② 有约束条件：

得k2≥2.02且k2为正数，此时取k2≥3，即本段至少安装3个“二遥”终端时，才能保证供电可靠性。

综合①②可以得到k2=3。

3.3 成效分析

将k2=3代入目标函数后计算得实施配电自动化提高可靠性投资净成本为：CTotal=−3.23万元，通过投资提高供电可靠性带来的收益大于投资成本，此时我们说这项投资从经济效益角度讲是值得的。

若求得的CTotal≥0，则说明投资不能收回，从经济效益角度讲是不合算的。但是配电自动化的实施带来的供电可靠性的提高不能仅仅从经济效益角度考量，还要从社会效益等方面综合评价。

4 结 语

本文针对已建成配电网线路特点，提出了一套实用的终端配置方法。在保证可靠性的前提下，为了尽可能减少投资，优先考虑配置基本功能的终端，避免盲目追求高可靠性和高标准造成资源浪费。然后以投资经济指标为目标函数，以可靠性指标为约束条件，提出终端量化方法。最后，针对提出的终端类型选择与量化方法，通过河北保定某线路分析得到了验证。

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［5］ 王益民. 实用型配电自动化技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

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