计及馈线自动化的配网可靠性算法研究

周 锐，夏俊雅，郑安豫，徐 宇

(1.安徽电气工程职业技术学院 电力工程系， 安徽 合肥 230051；2.中国建材检验认证集团安徽有限公司， 安徽 合肥 230051)

根据“三型两网”建设要求，能源互联网建设向需求侧、用户侧发展成为必然趋势。提高配电网可靠性对能源互联网建设意义重大。随着“两网”建设，配网信息化、自动化水平显著提升，特别是馈线自动化的使用，加大了配电网运行复杂程度，也提高了配电网运行的可靠性。本文分析不同配电自动化系统应用对配电网可靠性的影响[1-2]。目前，常用可靠性算法有模拟法[3-4]和解析法[5-7]。文献[8-9]介绍了我国配网自动化的大致情况；文献[10-11]提出对辐射状配电网的可靠性分析方案；文献[12-14]提出了集中馈线自动化实现的方案；文献[15]提出一种集中式馈线自动化的可靠性指标分析。本文建立了基于重合器和分段器配合以及基于集中式馈线自动化的两种配电网的可靠性指标计算模型，并对比分析。

我国配网目前常用的有重合器和分段器配合及基于FTU(Feeder Terminal Unit)两种形式[8]的馈线自动化。重合器和分段器配合的配电网系统可以通过开关的多次动作实现故障定位、隔离、恢复非故障区域供电，不需要复杂的通信设备，动作过程复杂[9]。基于FTU的配电自动化通过通信系统、微机系统实现相应功能；开关动作过程简单，对通信和微机系统可靠性依赖高。我国电网分布广泛，各个地区经济、科技水平发展不均，以上2种馈线自动化形式在电网中都有应用。各个地区根据自己地区的经济情况、实际供电需求等采用了不同的控制模式。分析各种馈线自动化配置下的配电网可靠性的实用计算和评估方法对保障电网安全可靠运行尤为重要[10]。

鉴于此，本文考虑我国县级网络(即电压等级10～35 kV，架空线路为主的配电网)实际接线情况，分析其采用重合器和分段器配合形式；基于FTU的控制形式等对配电网可靠性分析评估，为配电网的设计、规划、建设、运行提供参考依据。

1 可靠性评估参数基本计算方法

本文考虑35 kV及以下架空线路为主的配网系统元件单一故障情况。元件采用两状态模型，元件指考虑故障情况的线路、变压器、开关等设备。开关为各种开断、关合电路的设备统称，重合器、断路器、联络开关等皆称为开关。重合器为具有多次重合功能的断路器，有灭弧能力；分段器无灭弧能力，电路无工作电流才能动作，用来隔离故障区域。

可靠性指标的计算方法：

1)平均系统停电持续时间SAIDI:

(1)

2)平均用户停电频率CAIFI:

(2)

一个系统第i个负荷点，用户数为Ni，负荷点的平均停运时间为Ui。

2 重合器和分段器配合的馈线自动化动作模型

2.1 重合器与电压-时间型分段器配合的控制模型

图1为该馈线自动化系统简图，图中首端为重合器，S1至S9为分段器。重合器整定为“一慢二快”。即断路器在继电保护控制下，第一次经过慢速时限T1合闸，合闸后故障第二次经过快速时限T2跳闸。分段器整定时限如下：X时限，即分段器合闸时限，从分段器电源侧加压到分段器合闸的时间。Y时限，分段器合闸后，未超过Y时限又失压，分段器分闸，并闭锁在分闸状态，又称故障检测时限。Z时限，分段器失压到自动跳闸之间的短暂延时。T为重合器的动作时限。时限的整定满足：(T+Z)

图1 重合器与电压-时间型分段器配合式馈线自动化接线

各个开关时间整定原则主线分段器X时限<支线分段器X时限，各个分段器按照编号顺序依次等差设置X时限，即编号从小到大按照预先设定的延时合闸时限依次合闸。各开关X时限设置一致。联络开关整定时限为检测本段无压超过最近分段器整定X时限加一个延时时限合闸，为确保时间配合取延时时限2X，即图示位置联络开关S6检测时限超过7X则合闸，分支线X时限为2X时限。联络开关S6设置重合一次。

2.1.1 永久性故障

2.1.1.1 各个开关状态正常

元件4故障，重合器跳闸Z时限后所有分段器跳闸(联络断路器S6除外)，重合器重合，X时限后S1合闸，2X时限后S2合闸，3X时限后S3合闸，合到故障线路，断路器跳闸，Z时限后所有分段器分闸，S3在Y时限内失压跳闸，闭锁，S4检测到残压跳闸闭锁，S1，S2，S3，S7，S8，S9依次按照整定X时限合闸。恢复区段内正常供电。S6经过7X时限后合闸。S5分段器经过8X时限后合闸。人工修复故障后恢复4区段供电。各个开关动作时序如图2所示。

2.1.1.2 单一元件故障时

1)S3失压后拒绝分闸。元件4故障，重合器跳闸。Z时限后，所有分段器分闸(联络断路器S6除外)，其中，S3拒绝分闸。重合器合闸，X时限后S1合闸，2X时限后S2合闸，合到故障线路，跳闸。S2在Y时限内失压，跳闸闭锁。重合器二次合闸，X时限后S1合闸。7X时限后联络分段器合闸，8X时限后S5合闸，恢复下游供电，分支线7、8、9、10则无法恢复供电。各个开关动作时序如图3所示。

图2 元件4永久故障开关正常工作时各开关动作时序

图3 S3元件4永久故障失压后拒绝分闸时各开关动作时序

2)S2分闸后，加压拒绝合闸。S2加压后拒绝合闸，不会合到故障线路上，S4不能检测到残压，不会闭锁在分闸状态，7X时限后联络分段器合闸，S5，S4合闸。合到故障线路上，联络线上断路器跳闸，Y时限内分闸，联络分段器闭锁在分闸位置。下游不能恢复供电。分支路也不能恢复供电，需要人工消除故障后才能恢复正常工作。各个开关动作时序如图4所示。

图4 元件4永久故障S2分闸后加压拒绝合闸各开关动作时序

其他开关S1，S3，S4，S5等单个开关故障分析方法与上述相同。

2.1.2 瞬时性故障

2.1.2.1 各个开关状态正常

元件4故障，重合器跳闸Z时限后所有分段器跳闸(联络断路器S6除外)，瞬时故障消除。重合器重合，X时限后S1合闸，2X时限后S2合闸，依次各个开关合闸，线路恢复正常工作状态。各个开关时序如图5所示。

图5 元件4瞬时性故障开关正常工作时各开关动作时序

2.1.2.2 单一元件故障时

1)S3失压后拒绝分闸。元件4故障，重合器跳闸Z时限后所有分段器跳闸(联络断路器S6除外)，瞬时故障消除。重合器重合，X时限后S1合闸，2X时限后S2合闸，S3未分闸，4X时间后S4合闸，后面分段器依次合闸。线路正常工作。各个开关动作时序如图6所示。

图6 元件4瞬时性故障S3失压后拒绝分闸时各开关动作时序

2)S2分闸后，加压拒绝合闸。元件4故障，重合器跳闸Z时限后所有分段器跳闸(联络断路器S6除外)，瞬时故障消除。2X时限后S2加压后拒绝合闸，不会合到故障线路上，S4不能检测到残压，不会闭锁在分闸状态，7X时限后联络分段器合闸，S5，S4，S3，S7，S8，S9依次合闸，不影响下游元件运行，各个开关动作时序如图7所示。

图7 元件4永久故障S2分闸后加压拒绝合闸各开关动作时序

如果元件4发生瞬时性故障，S1，S3，S4，S5等元件发生单一故障，分析方法同上。

2.2 重合器与过流脉冲型计数型分段器的控制模型

重合器和过流脉冲型计数器配合的控制模式是分段器在重合器断开间隙断开，整定重合器的动作次数，分段器通过判断脉冲电流的次数判断是否分断，动作次数由线路末端至首段逐渐增加。该种控制模式不具备电压检测功能，不能用于环网供电。图示情况采用该控制模式需要动作7次，超过重合器整定次数要求，对于复杂的配电网该种控制模式并不适合。

2.3 重合器与电压时间型分段器配合，可靠性的评估模型

重合器与电压时间型分段器配合型的馈线自动化，可靠性评估方法：

系统共有M个元件，i取1到M，考虑元件i永久性故障。不考虑开关故障画出各个开关的动作时序图。时序图中根据动作逻辑，在时间坐标轴上划分T1,T2,T3,T4,T5直至检修完成恢复供电。j取1至n自T1至Tn遍历Tj确定时间Tj闭合的开关，从而确定Tj对应的停电范围Dj。该过程如图8所示。

如果考虑开关故障，则搜索过程中加入一层开关量遍历搜索；对元件i,考虑开关情况，开关自SI遍历至SK，其算法流程如图9所示。

3 考虑集中式FTU(馈线终端)控制的配网自动化可靠性计算模型

集中式馈线自动化基本原理如图10所示，线路上所有终端信息通过通信网络上传到主站，由主站判断故障，自动隔离故障区域，恢复非故障区域供电。馈线自动化的正常工作依赖通信系统。自动控制系统如果能够正常工作，要求主站可靠，通信网络可靠，FTU可靠，开关可靠。主站可用度为Ams，网络可用度为Aaccm。这两个数据根据运行数据统计得到。

图8 不考虑开关故障，考虑元件永久性故障计算总停电时间的方法

FTU具有“三遥”或者“二遥”功能。“二遥”开关起到故障定位功能，“三遥”开关比二遥开关多了隔离故障功能。分析FUT失效情况如表1所示。

图9 考虑开关故障，考虑元件永久性故障计算总停电时间的方法

图10 集中式馈线自动化基本原理

停电策略为：线路故障后，馈线自动化动作，隔离故障区域，恢复非故障区域供电，工作人员在定位区检查故障，故障排除后，恢复供电。工作区域分自动定位区和故障隔离区。

1) 故障定位。故障后由遥测判断故障区域。故障区域判断正常的概率为：

Pd=P1+P2+P4.

(3)

2)故障隔离。故障隔离的正确概率为

Pg=P1.

(4)

集中式馈线自动化可靠性计算步骤：

对元件编号，编号原则：远离电源，元件编号逐渐增加；同一支路靠近电源侧为父节点，相反侧为子节点。同一支路始终保持父节点编号小于子节点。

从1号元件开始遍历，计算停电时间、停电范围，计算负荷的停电时间和停电频率。考虑定位、隔离边界开关故障，遍历，计算负荷停电时间和停电频率，最终得到SAIDI和CAIFI。

表1 FTU失效情况统计

4 算 例

安徽省某县供电公司实际开关站网络如图11所示。算例计算结果如表2所示。

图11 算例接线

重合器分段器式馈线自动化。分段器采用电压-时间型分段器。重合器采用“一慢二快”，第一次跳闸后15 s重合，第二次跳闸5 s后重合。主干线上X时限整定时间为7 s，分支线X整定时间14 s，Y时限均为5 s。

集中式馈线自动化系统可靠性参数参考文献[1]的数据。P1=0.975 2，P2=0.014 8，P3=0.01，P4=0.99，P5=0.01，主站可用度Ams=0.998，网络可用度Aaccm=0.97，网络开关可靠率PSW=0.99。假设文中除了郑村118主干线带负荷200户，其他都是100户负荷。

以上两种方式元件主要考虑线路故障。每段线路故障率0.1次/a，线路维修时间8 h，人工故障查找时间1.6 h，自动隔离故障时间0.05 h。

情况1为不设置馈线自动化，情况2为设置重合器分段器式馈线自动化不考虑开关故障，情况3为设置重合器分段器馈线自动化考虑开关故障，情况4为设置集中式馈线自动化系统。

表2 算例计算结果

5 结束语

从结果分析，集中式馈线自动化可靠性指标最好，停电时间最少。考虑重合器-分段器式馈线自动化的开关故障情况，自动化水平降低，符合实际工程情况。文中算法对配电网实际可靠性评估有实际借鉴意义。