客户高可靠性服务和配电设备利用率提升的配电系统联络点规划

高　猛，刘　聪，杨得博，王守相，刘　伟，梁　栋

（1.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津 300250；2.国网天津市电力公司，天津 300010；3.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

客户高可靠性服务和配电设备利用率提升的配电系统联络点规划

高猛1，刘聪2，杨得博1，王守相3，刘伟1，梁栋3

（1.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津 300250；2.国网天津市电力公司，天津 300010；3.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

提出了一种考虑可靠性约束并寻求经济性最优的配电系统联络点规划方法。首先，介绍了含多联络点的配电系统可靠性分析方法，提出了负荷供电可恢复的逻辑判断方法。其次，以系统供电可靠性指标和系统设备利用率为约束，以经济性最优为目标建立了联络点规划模型，并在可靠性计算中采用区间数来处理负荷和故障参数的不确定性。最后，对RBTS BUS 6部分馈线算例进行了测试：通过改变联络点容量调节系统设备利用率，分析了不同系统设备利用率对规划结果的影响，并根据测试结果提出了联络点规划的原则。测试表明所提模型与方法具有较强的工程参考价值。

配电系统；联络点；规划；可靠性

传统的配电系统只能被动地从输电网接收功率，无法对故障和异常状态进行有效控制，难以满足用户不断严苛的供电可靠性要求。随着电网智能化建设需求的增长，配电网改造和建设势在必行［1-2］。

联络是配电系统的重要组成部分，对于故障后的负荷转移和供电恢复具有重要意义，是提高配电系统可靠性的重要手段。单联络接线简单、运行灵活，在当前配电系统中得到了广泛应用，在馈线负荷不太大、馈线备用容量较高时，单联络即可满足可靠性要求，其中任一条馈线的所有负荷均可转移到对侧馈线上而不发生参数越限。然而随着负荷不断增长，馈线备用容量不断降低，单联络渐渐难以满足可靠性需求。

当前的配电自动化建设与改造多集中于对开关设备或配电自动化终端设备等进行安装或自动化改造，而忽视了联络的建设和改造。开关或配电自动化终端可降低故障隔离时间，从而提高供电可靠性。然而，当故障快速隔离后，若现有的备用电源容量不足或负荷转移后电压等参数发生越限，仍会导致相关负荷被切除和长时间失电，因此必须在相应馈线段建设新的联络，以保证破坏性故障发生后负荷的转移和供电恢复。

配电系统联络的建设包括联络开关和联络线路的建设，若在每个馈线段建设联络会实现高可靠性，然而，联络开关设备成本较高，联络线路的选择涉及复杂的地理信息因素，盲目建设联络将导致大量投资。因此，应根据不同供电区域的负荷大小、用户类型、接线方式等实际需求，综合考虑供电可靠性、联络建设投资等因素对联络点的数量、建设位置进行科学规划，以期在保证系统一定供电可靠性的前提下，投资最小，获得较高的投资回报率。

对于配电系统的联络规划问题已有相关研究。部分文献研究了联络线的规划问题。文献［3］提出了中压配电网联络线优化算法，在满足变电站以及变压器水平N-1准则前提下，计算使空载联络线固定投资最小的联络方案。文献［4-5］则从配电系统最大供电能力角度研究了主变压器站间联络线优化问题。上述研究均简化为馈线间的单联络规划。文献［6-7］提出了基于两联络接线模式的联络线优化方法。文献［8］研究和提出了环间联络线落点位置的选择原则。部分文献研究了联络开关的优化配置。文献［9］研究了同一条馈线内部联络开关的优化配置。文献［10］提出了考虑可靠性的配电网分段开关和联络开关的数量和安放位置的规划方法。文献［11］基于负荷-光伏等效负荷曲线动态分段对含光伏电源的配电网联络开关进行优化配置，将生成树和蚁群算法相结合对模型进行求解。文献［12］考虑停电损失和设备投资，研究了联络开关的优化配置问题，以模糊隶属函数表示负荷重要性。文献［13］提出了复杂拓扑结构下最优分段和联络计算方法，以及自动分段开关和自动联络开关的组合和配置方法。

本文研究了配电系统的联络点规划问题，以期在保证系统具有较高供电可靠性前提下，经济性最优，获得较好的投资回报率，将配电系统的工程应用价值最大化。首先，介绍了多联络点配电系统可靠性分析方法，提出了供电可恢复的逻辑判断方法；其次，以经济性为目标、可靠性为约束建立了联络点规划模型，在可靠性计算中以区间数处理负荷和故障参数的不确定性；最后，给出了算例应用情况，提出了联络点规划的结论和原则。

1　多联络点配电系统可靠性分析

配电系统可靠性分析国内外已有较多研究［14-17］，其中在文献［18-19］中详细介绍了馈线分块的相关概念，并分别采用最短路法和故障模式影响分析法进行了可靠性的分块计算。本文提出了分块可靠性计算的最小割集法，该方法继承了可靠性分块算法的优势，同时相比以上两种方法，最小割集法对于辐射状、多端供电及多联络接线的配电系统都具有良好的适应性。

1.1分块最小割集法可靠性计算

分块最小割集法可靠性计算主要分为如下几个步骤。

步骤1根据开关分布进行馈线分块。馈线块是指内部不含任何开关的馈线元件集合，块中的元素可以是一个节点、一条线路，也可以是多个节点和线路的组合。每一个开关元件单独形成开关弧。图1中用虚线标示出了馈线分块的结果，即形成7个馈线块Z1～Z7。

图1　简单辐射状配电系统Fig.1 Simple radial distribution system

步骤2对各分块的类型、负荷、可靠性等信息进行统计。将其中含电源节点的块定义为电源块，含转移节点的块定义为转移块，含负荷节点的块定义为负荷块。图1中Z1和Z6为电源块，Z7为转移块，Z3、Z5、Z7、Z8为负荷块。统计连接在块中所有节点上的负荷种类、大小数据，为可靠性计算做准备。由于馈线块内无开关，因而块中任何元件的故障都将引起整个馈线块被切除。根据串联元件的关系计算每个块的故障率λB与平均停电持续时间rB，其计算公式分别为

式中：NB为块中元件个数；λi与ri分别为第i个元件的故障率和修复时间。分析中只考虑元件的持续性故障。

步骤3针对每一个负荷块，搜索该块到电源块、转移块的所有最小路，以及所有与该块相连的其他路径。以负荷块Z8为例，其到电源块的最小路径为

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（S2）→Z2→（B1）→Z1

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（B2）→Z5→（B3）→Z6

到转移块的最小路径为

Z8→（F）→Z7

既非电源路径也非转移路径的其他路径为

Z8→（F）→Z7→（S3）→Z4→（S2）→Z2→（S1′）→Z3

通过以上3种路径的搜索，可确定网络结构图中所有与负荷块相连并能够对负荷块造成潜在影响的块以及相连路径上的开关分布。

步骤4根据最小路径信息找出该负荷块的一阶供电割集块、一阶转移割集块。根据最小路径的搜索结果建立到电源块和转移块的最小路径矩阵。该矩阵的行数为到电源块或转移块的最小路径条数，矩阵的列数为网络中所有馈线块总数。若某条最小路径中包含某一个馈线块，则与该最小路径对应的行中对应馈线块所在列的元素为1，反之该元素为零。负荷点Z8对应的电源块最小路径矩阵A为

最小路径矩阵建立以后，若某馈线块所对应的列元素均为1，则该块为一阶割集块。在图1中，负荷块Z8的一阶供电割集为｛Z4，Z7，Z8｝，一阶转移割集为｛Z8，Z7｝。不难发现，每个负荷块本身既是其一阶供电割集元素，又是其一阶转移割集元素。

步骤5根据步骤3中的最小路径以及步骤4中的一阶割集信息，分析与负荷块相连的各个馈线块发生故障时对该负荷块的影响，并进行累加。优先分析故障块与一阶供电割集的关系，以确定故障对供电路径的影响；若故障不可隔离，则分析故障块与一阶转移割集的关系，以确定故障对转移路径的影响。对一个具体的负荷块来说，与其相连的馈线块可分为如下几种类型（以负荷块Z8为例）：①该块与负荷块的一阶供电割集之间存在断路器或熔断器，则该块故障对负荷块不产生影响，如Z1、Z5、Z6；②该块与负荷块的一阶供电割集之间无断路器，但存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间，如Z3、Z2；③该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，但与一阶转移割集之间存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间与转移时间之和，如Z4；④该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，与一阶转移割集之间无任何开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障块的平均修复时间，如Z7、Z8。

步骤6重复步骤3～步骤5，直至将所有负荷块分析完毕。

步骤7计算各个负荷点以及系统的可靠性指标。其中，各负荷点的可靠性指标等于其所在块的可靠性指标。

1.2供电恢复分析

前述方法是在TLOC准则下进行可靠性计算，未计及联络容量不足的限制。下面提出PLOC准则下的粗略计算方法，以考虑联络容量不足的限制。

前述方法步骤3形成所有转移路径时，对于该负荷块i的第j条转移路径，累加该转移路径上的负荷Ptrans-ij，并与该转移联络点的容量Ctie-ij做比较，并记录比较结果Rij，若Ptrans-ij＜Ctie-ij，则Rij=true，否则Rij=false。

对于负荷块i，若存在转移路径j，使得Rij=true，则该负荷块可转移，记为Ti=true；否则，负荷不可转移。在前述方法步骤5的③中，若Ti=true，转移时间不变；若Ti=false，转移时间修改为故障平均修复时间。

综上，本文提出的可靠性分析方法流程如图2所示。

图2　可靠性分析流程Fig.2 Flow chart of reliability analysis

2　联络点规划模型和方法

2.1决策变量

模型决策变量xi定义为每个负荷段（带负荷的馈线段）是否建设联络点，进行设定

2.2基本模型

本模型以系统年停电损失CIC（customer interruption cost）、联络建设运维年投资IC（installation cost）之和最小为目标，以系统供电可用率ASAI（average service availability index）和系统设备利用率作为约束，以区间数处理负荷和故障参数的不确定性，可靠性指标计算值均为区间数，加中括号［］进行标志。系统设备利用率以联络点的容量C表示。其模型为

式中：K为系统需要满足的供电可用率；R为系统实际联络点容量，表征系统设备利用率提升潜力。

1）系统年停电损失［CIC］

系统年停电损失期望与用户类型、用户负荷大小、用户停电频率以及停电时间都密切相关，简化的系统年停电损失函数模型为

式中：NL为负荷节点数；ENSj（energy not supplied）为第j个负荷节点的年停电电量期望；IEARj（interrupted energy assessment rate）为第j个负荷节点每次停电所对应的停电成本，元/（kW·h）。

2）联络建设运维投资IC

联络建设运维投资IC计算公式为

式中：Ntie为联络点建设数量；Atie为每条联络线建设年值；h为设备运维费用占设备投资费用的比例，除以2表示联络点建设运维投资为联络线建设运维投资的一半。

根据设备现值计算设备年值的公式［20］为

式中：Ptie为单条联络建设的现值；ρ为贴现率。

3）供电可用率［ASAI］

系统供电可用率［ASAI］计算公式为

式中，Ni为负荷节点i的用户数。

4）联络点容量C

每个联络点均有其容量，即所联络的馈线的备用容量，联络点容量越小，说明所联络的馈线正常运行所带的负载越高，系统设备利用率越高。通过改变联络点容量，可使规划结果趋于更多联络点分摊停电负荷，达到提高系统设备利用率的规划效果。

2.3求解算法

采用基于可信度［21］的区间二进制遗传算法GA（genetic algorithm）对上述模型进行求解，GA算法流程见图3。

图3　GA算法流程Fig.3　Flow chart of GA

3　算例分析

如图4所示，采用RBTS BUS 6算例部分馈线进行测试，该系统为中压配电系统，有18个负荷点，1 755个用户，所有负荷均乘以5，以模拟馈线重载情况，总平均负荷为6.081 MW［22］。

图4　RBTS BUS 6部分配电系统主接线图Fig.4　Connection diagram of part of the distribution system for RBTS BUS 6

所需数据如元件故障率、节点负荷、节点用户类型和用户数等见文献［22］；联络开关的切换时间取0.05 h，非自动开关的开关时间取1 h；各类负荷单位电量停电成本数据如表1所示。单条联络建设费用现值取100 000元，寿命取20 a，设备贴现率取0.1，运维费用占设备投资费用比例取0.03。所有节点负荷加上下5%的偏移区间，线路和变压器故障率分别加5%和3%的偏移区间。

表2、表3给出了联络配置边界的可靠性指标，其中认为联络馈线备用容量足够，即发生故障后负荷可完全转移。由表可见，建设联络点可拓展系统可靠性边界，进一步提高系统供电可靠性。

表1　单位电量停电成本Tab.1　Interruption energy assessment rate

表2　联络配置边界的可靠性指标（开关均未改造）Tab.2　Reliability indices of tie planning bound（no switch is renovated to automatic switch）

表3　联络配置边界的可靠性指标（开关均改造为自动开关）Tab.3　Reliability indices of tie planning bound（all switches are renovated to automatic switches）

下面仅考虑开关未改造情况，开关改造情况类似。设计联络点容量为3 MV·A和1 MV·A两种情形，两种情形下的最大供电可用率［ASAI］max（全联络）和最小供电可用率［ASAI］min（无联络）可靠性指标如表4所示。

表4　不同联络点容量下的联络配置边界可靠性指标Tab.4　Reliability indices of tie planning bound with different tie point capacities

表5、表6分别给出了联络点容量为3 MV·A和1 MV·A两种情况下，不同的供电可用率［ASAI］约束下的联络点最优规划方案，包括联络点建设的最优数量、位置及停电损失期望、总费用及最优方案的［ASAI］指标。图5、图6给出了联络点容量为3 MV·A和1 MV·A两种情况下可靠性指标最大的网架联络点规划结果。

表5　联络点最优规划方案（联络点容量3 MV·A）Tab.5　Optimal planning scheme of tie points（tie point capacity of 3 MV·A）

表6　联络点最优规划方案（联络点容量1 MV·A）Tab.6　Optimal planning scheme of tie points（tie point capacity of 1 MV·A）

图5　联络点规划结果示意（联络点容量3 MV·A）Fig.5　Schematic of optimal planning result of tie points（tie point capacity of 3 MV·A）

图6　联络点规划结果示意（联络点容量1 MV·A）Fig.6　Schematic of optimal planning result of tie points（tie point capacity of 1 MV·A）

由表5、表6可见，联络点容量较大时，每加建一个联络点，［ASAI］指标均得到较大提高，因而所需建设的联络点较少，这是因为每个联络点可对接入点附近约多个负荷段的负荷恢复供电，即联络点可覆盖其附近多个负荷段；联络点容量较小时，所需建设的联络点较多，这是因为每个联络点所能转移的负荷段较少，每加建一个联络点，［ASAI］指标提高幅度有限，必须建设较多的联络点才能更多地恢复失电负荷，提高可靠性指标。然而联络点容量为1 MV·A时［ASAI］指标比联络点容量为3 MV·A时有所下降，这是因为有4个负荷点负荷超过了联络点容量，这些负荷失电时无法恢复供电，因此联络点容量的设置应至少大于每个负荷段的负荷。

综上所述，可得出以下结论：

（1）建设联络可提高配电系统可靠性，进一步拓展可靠性边界，尤其在重载情况下，联络点容量较大时，每个联络点均对可靠性产生较大提升，需建设的联络点数量显著降低；

（2）调低联络点容量，可计及未来负荷的增长，达到提高系统设备利用率的规划效果；

（3）联络点容量应至少大于一个负荷段的负荷，否则对可靠性改善有限，反而增加建设投资；

（4）联络点的建设原则是应覆盖尽可能多的负荷段，并按负荷大小均匀分布，避免过于密集。

4　结语

本文研究了配电系统的联络点规划问题，提出了多联络配电系统可靠性分析方法，并以经济性为目标、可靠性为约束建立了联络点规划模型，以期在保证系统具有较高供电可靠性前提下，经济性最优，获得较好的投资回报率，将配电系统的工程应用价值最大化。以RBTS BUS 6算例部分馈线进行测试，并根据计算结果给出了联络点规划的原则，具有较强的工程指导意义。

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Planning of Tie Points in Distribution Systems Considering Customers’High Reliability Requirement and Improvement in Equipment Utilization Rate

GAO Meng1，LIU Cong2，YANG Debo1，WANG Shouxiang3，LIU Wei1，LIANG Dong3
（1.Chengdong Branch of Tianjin Electric Power Company of State Grid，Tianjin 300250，China；2.Tianjin Electric Power Company of State Grid，Tianjin 300010，China；3 Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Considering customers’high reliability requirement，an optimal economic planning method of tie points in distribution system is proposed.First，a reliability analysis method for distribution system with multi tie points is introduced，including a logic judgment method dealing with power supply restoration.Second，the planning model of tie points is built to minimize the total costs with power supply reliability and equipment utilization rate as constraints，where load and fault parameters are modeled as interval numbers in the calculation of reliability considering their uncertainties.Finally，the proposed method is tested on part of the RBTS BUS 6 system：the capacity of tie points is adjusted to model different equipment utilization rates，the influences of different equipment utilization rates on the planning result are analyzed，and the principles of planning are extracted.The test result shows that the proposed method can provide reference for engineering practice.

distribution system；tie points；planning；reliability

TM7

A

1003-8930（2016）10-0111-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.019

2015-07-10；

2016-01-16

高猛（1973—），男，硕士，高级工程师，研究方向为配电网规划管理。Email：meng.gao@tj.sgcc.com.cn

刘聪（1976—），男，硕士，高级工程师，研究方向为配电系统自动化。Email：cong.liu@tj.sgcc.com.cn

杨得博（1986—），男，本科，工程师，研究方向为配电网规划管理。Email：ydbhanlin@126.com