基于供电可靠性的配电自动化建设模式研究

李　兵，高绪明，王得胜，王　帅，李　金，王　婷

(1. 国网安徽电力公司合肥供电公司，合肥　230022；2. 北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，北京　100031 )

面对经济发展新形势和新挑战，2017年国家电网公司运检部发布了《关于做好“十三五”配电自动化建设应用工作的通知》，明确提出：以公司“十三五”配网规划为依据，按照配电自动化与配网架“统筹规划、同步建设”的原则。配网自动化系统作为配电网智能感知的重要环节，能够实时监视配电网工况，对运行数据综合管理；能实现配网线路故障的快速定位、隔离，缩小线路故障停电时间和范围，是减少故障停电时间，提高供电可靠性的有效途径之一[1-5]。

目前对配电自动化(Distribution Automation，DA)的研究主要停留在全方位同等建设方面，针对配电线路所在区域提出与其相适应的最佳配电自动化建设模式的研究较少，依据中国电力企业联合会主编的《配电自动化规划设计导则》以及配电自动化的发展历史，提出三种建设模式：故障定位模式、就地型配电自动化模式、集中型配电自动化模式[6-9]。通过比较三种建设模式的主要功能及对供电可靠性指标的影响，使用试点区域配电线路数据定量计算出系统供电可靠率，结合该地区的实际情况，分析出该实例最佳的配电自动化建设模式，实现在统一配电自动化建设标准的基础上，满足不同类型供电区域建设需要，提升设备运维管理水平，整体提高供电区域供电可靠性水平。

1　建设模式分类

配电自动化建设模式依据电力行业标准及发展阶段分为：故障定位模式、就地型配电自动化模式、集中型配电自动化模式。

1.1　故障定位模式

故障定位模式主要基于开关设备相互配合及检修人员操作实现故障指示和定位，主要设备有重合器、分段器、故障指示/报警器等。该模式的主要功能是通过在发生故障时故障报警器发出信号，通过工作人员到达现场检修后确定故障区域及类型，操作开关设备实现故障隔离和健全区域恢复供电[10-11]。故障定位模式局限于开关设备、故障指示/报警器，自动化程度较低，一般只具有故障指示功能，对供电可靠性的提高程度较低，该模式的基本组成如图1所示。

图1　故障定位模式基本组成图

图1中，CB1、CB2为变压器出线开关，圆圈代表线路开关分闸，实心圆圈代表线路开关合闸，开关上方指示灯代表故障指示/报警器，在发生故障时会亮灯指示。当DE段线路发生故障时，CB1出线开关跳闸，B、C、D开关跳闸，安装在B、C、D处的故障指示器红灯亮起，其他指示器不亮，继而可以判断出故障发生在线路DE段。

1.2　就地型配电自动化模式

就地型配电自动化模式基于自动化开关的时序配合或逻辑配合，不依赖配电主站，而是以网络式的相互通信。在配电线路发生故障时，快速定位故障区域，实现故障隔离及非故障区域恢复供电。就地型配电自动化可以通过配电自动化终端实现遥信、遥测以及遥控，故障处理功能相较于故障定位模式更加完善，可以较大程度地提高区域的供电可靠性。

就地型配电自动化模式根据终端安装及分布的特点可以分为：智能分布式和重合器方式。

(1)智能分布式：该模式主要是通过配电自动化终端之间的逻辑和时序配合，实现故障的快速隔离和非故障线路恢复供电，而且还可以使用网络通信将故障处理的时间、流程以及结果等信息进行上报。智能分布式还可以分为：基于负荷开关和基于断路器的智能分布式。

智能分布式的故障处理过程以基于负荷开关的方式为例，如图2(a)、图2(b)所示。

图2　基于负荷开关方式的故障处理过程

当发生故障时，若一个开关的某一相流过了超过整定值的故障电流,则DTU 向其相邻开关的DTU发送流过故障电流的信息；若一个区域有且只有1个端点上报流过了故障电流，则故障发生在该配电区域内部；否则，故障点在该区域外部。如图2(a)所示，故障发生在DTU2和DTU3的联络开关之间，那么DTU1和DTU2的A开关将检测到故障电流，然而DTU4、DTU5及DTU3的B开关将不会检测到故障电流，那么可以判断出故障点发生在DTU2和DTU3的联络开关之间。此时首先CB1出线跳闸，继而两个联络开关跳闸，实现故障隔离，随后CB1合闸，健全非故障区域供电。

(2)重合器方式：该模式主要是通过线路开关间的相互配合，基于自具控制和保护功能的开关设备“重合器”，实现线路故障的就地识别、定位、隔离和快速复电。重合器方式还可以分为：电压—时间型和电压—电流型。

重合器方式的故障处理过程以电压—时间的方式为例，如图3所示。

图3　基于电压—时间型的重合器方式故障处理过程

当DE线路段发生故障时，变电站出线断路器CB1的电流保护动作分闸，线路上的自动化开关B、C和D均失压分闸。出线断路器CB1经过短暂延迟时间后自动合闸，配电自动化开关B、C、D依次自动合闸；自动化开关D合闸于故障点，引起CB1再次跳闸，自动化开关B、C、D再次分闸；而开关D在合闸后短时间内即失压，满足其闭锁合闸判据，转入闭锁合闸状态；出线断路器CB1经过短暂延迟时间后二次合闸；开关E一侧失压跳闸，引起F、G、H、I一侧将重复上述步骤，最终导致D、E闭锁状态，故障处理结束。

1.3　集中型配电自动化模式

集中型配电自动化模式通过在开关站、环网柜及柱开等位置安装配电自动化终端，该终端相互配合并使用网络式光纤与配电自动化主站通信，从而实现配电线路的故障定位、故障隔离和健全非故障区域供电。集中型配电自动化模式相将使这两种功能更加完备，终端实现三遥、故障信息上报，并且可以通过远程遥控快速切断故障线路，还具备变电站配电线路监控功能，极大提高供电可靠性，架构如图4所示。该模式可分为全自动和半自动两种实现方式。

(1)全自动方式：配电主站通过快速收集区域内配电终端的信息，判断配电网运行状态，集中进行故障识别、定位，通过遥控远方完成故障隔离和非故障区域恢复供电。

(2)半自动方式：配电主站通过收集区域内配电终端的信息，判断配电网运行状态，集中进行故障识别、定位，通过现场人工完成故障隔离和非故障区域恢复供电。

图4　集中型配电自动化架构图

2　算例计算

2.1　系统可靠性指标

系统供电可靠性指标主要包括系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电时间(SAIDI)以及供电可靠率(ASAI)。系统平均停电频率主要反映系统的年平均停电次数，可以由用户断电总次数除以系统内用户数得到；系统平均停电时间主要反应系统的年平均停电时间，可以由系统内用户断电时间总和除以用户总数得到；供电可靠率可以用系统平均停电频率计算得到，计算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中λi——负荷点i的年停电率；Ni——负荷点i的用户数；Ui——每户停电时间。

2.2　计算流程

(1)选定故障区域k；

(2)根据配电网开关的类型和配置情况对馈线进行分区，收集该区域内的停电数据，针对停电数据使用MATLAB进行整合计算；

(3)根据分区结果，确定试点区域的建设模式类型，并据此利用式(1)～式(3)使用MATLAB计算该区域的供电可靠性指标；

(4)计算所有建设模式的供电可靠性指标。

本算例使用调研过的某试点中心区域的配网线路作参考，试点区域的用户总数共计369个，这三种配电自动化建设模式均存在，每种模式的参考数据及计算结果见表1、表2。

表1　试点区域建设模式参考数据

表2　试点区域指标计算结果

3　结语

通过对比三种配电自动化建设模式的故障处理功能以及每种模式的供电可靠性指标，可以总结出集中型配电自动化建设模式的供电可靠率达到99.99%以上，能够极大地缩短故障定位、故障隔离及线路复电时间。该建设模式可以适用于大中型城市对供电可靠性要求较高的中心区域；相对于中小型城市以及农村，故障定位模式和就地型配网自动化建设模式的供电可靠率达到99.9%以上，能够满足该类区域对供电可靠性的要求。

最终，考虑到建设成本、静态投资及动态投资等经济性指标，结合供电可靠性要求、网架结构、一次设备现状及通信条件等情况，合理选择配电自动化建设模式，实现投资效益最大化，全面支撑配电网精益管理和精准投资，不断提高配电网供电可靠性、供电质量和效率效益。

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