农村有源配电网自动化终端布局规划方法

2020-09-15叶琳浩

河北农业大学学报 2020年4期

张斌，于力，白浩，叶琳浩，唐巍，张强

（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510663；2.中国南方电网有限责任公司，广东广州 510663； 3.中国农业大学信息与电气工程学院, 北京 100083；4.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001）

配电自动化是农村智能配电网建设的重要组成部分，配电自动化通过在开关上装设具有遥测、遥信功能的“二遥”或者具备遥测、遥信、遥控功能的“三遥”配电终端，实现故障自动隔离和减小停电范围［1］。科学合理的配电终端布局能够在一定投资条件下，有效提升配电系统供电可靠性。随着光伏和风电等间歇性分布式电源的高渗透率接入农村配电网［2］，传统的单向辐射状农村无源配电网逐步转变为含多分布式电源供电的农村有源配电网［3-4］，传统的可靠性评估模型及评估方法也不再适用，农村配电终端的布局规划面临很多新的挑战。

农村配电终端布局规划主要涉及两方面问题，一是含间歇性分布式电源农村配电网可靠性评估问题，二是满足一定可靠性约束条件下农村配电终端的优化配置问题。含间歇性分布式电源或微电网的农村配电系统可靠性评估精确计算很复杂，而配电终端位置和类型优化时需要针对不同的网络结构、不同的分段开关安装位置及配电自动化终端配置方式，进行反复的可靠性评估计算。

针对含间歇性分布式电源或微电网的农村配电系统可靠性评估问题，文献［5］通过建立微网内部光伏阵列和风电机组的模型，采用时序模拟的方法计算微电网的可靠性。文献［6］考虑了分布式电源和负荷的时变特性，采用了蒙特卡洛时序模拟的方法，建立了微网内电源—负荷结点的“动态—供给”逻辑关系模型，对配电系统进行可靠性评估。文献［7］提出了孤岛的概念，采用解析法评估了DG 对配电系统可靠性的影响。文献［8］建立了风光储原件的时序模型和状态转移模型，采用非序贯蒙特卡洛抽样的方法进行可靠性评估，通过储能装置平滑分布式电源出力的波动性来提高配电系统供电可靠性的效果。文献［9］提出了1 种基于递归搜索的配电网可靠性计算方法。以上方法只提出了含有微网的可靠性评估方法，并未明确指出配电终端的配置对配电系统可靠性影响以及终端的优化配置方法。

针对满足一定可靠性约束条件下农村配电终端的优化配置问题，文献［10］在假设每段线路用户数量均匀的前提下，对“三遥”和“二遥”配电终端配置数量进行了研究；文献［11］结合全国城市供电可靠性统计数据，对各类区域的差异化规划原则的可行性与合理性进行了分析和论证。文献［12］分析了无配电终端、全“二遥”终端配置和“二遥”、“三遥”终端混合配置3 种模式下的配电终端优化配置方法。文献［13］建立了混合整数非线性解析模型，以经济最优为目标，以供电可靠性为约束，采用C++编程混合调用大规模商业优化软件进行求解。文献［14］提出1 种基于配电网故障可观测性的FTU 混合配置方法，对在开关处配置“二遥”FTU、“三遥”FTU 或不进行FTU 配置进行了优化分析。文献［15］建立了以1 次开关设备和配电终端投资费用、运行费用以及故障停电损失费用之和最小为目标的优化模型，并采用遗传算法对优化模型进行求解。文献［16］提出采用“最大比效益增量”法对架空、电缆线路开关和2 次自动化设备的选型、数量和安装位置进行布局规划分析。文献［17］通过建立分布式发电与传统配电设施在基于可靠性方面的等效关系，综合考虑可靠性与经济性，进行配电终端优化配置。以上文献虽进行了配电终端优化配置研究，但均未考虑微电网接入的影响，而微电网是解决间歇式分布式电源并网问题的有效途径之一［18］。

鉴于此，本文针对含微电网农村配电系统终端布局规划问题，研究配电自动化终端布局规划方法。首先建立配电终端优化配置的数学模型，采用蒙特卡洛模拟分时段与递归搜索相结合的方法求解含微网农村配电系统的可靠性指标，并以可靠性指标要求为约束条件采用遗传算法进行配电终端优化配置，最后以改进的IEEE RTS Bus-F4 为算例进行分析计算。

1 含微网的农村配电系统终端布局规划数学模型

在含有微网的辐射状中压配电系统中，开关一般分为出线开关、分段开关、用户分界开关、微网与外电网的分界开关，出线开关在变电站内，其运行无需配置自动化终端。用户分界开关处一般安装熔断器自动隔离内部故障。配电自动化终端主要安装在分段开关处和微网与外电网的分界开关处，根据配电系统内各个元件的故障次数以及开关的动作频繁程度选择在开关上安装三遥或二遥终端。

本文采用平均供电可用率指标（ASAI）分析安装各种配电终端后配电网的可靠性，并使用给定的ASAI 指标作为数学模型的约束条件，使用系统总电量不足指标（ENSI）分析安装各种配电终端后对配电网产生经济效益的影响。

式中：n 为整个系统所有用户数量；Ui为第i 个负荷点的停电时间；ni为第i 个负荷点的用户数量；N 为整个系统的负荷点数量；Pi为第i 个负荷点的平均功率。

本文的评估模型是建立在1 次网架满足“N-1”要求的基础上，所以本模型的目标函数不涉及1 次网架的改造费用，同时由于主站建设费用较高且服务地区面积较大，所以模型忽略了主站的建设费用。本经济评估模型考虑了设备全生命周期成本的情况，目标函数包括初期终端建设投资的费用、运行维护的费用和提高供电可靠性而减少用户停电损失的费用。

（1）终端初期投资费用，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，其数学模型为：

式中：N2为二遥终端数量；N3为三遥终端数量；Cf2为单个二遥开关上终端建设所用所有设备的价钱；Cf3为单个三遥开关上终端建设所用所有设备的价钱；q 为贴现率；p 为终端使用年限。

（2）终端年运行维护费用，由终端建设的初始总投资乘相应的百分比折算得到：

式中：CP为配电终端的运维加权折算率。

（3）系统停电损失费用。本文使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，乘当前终端配置下的系统总电量不足指标，即可得到系统停电损失费用：

式中：CS为每千瓦时电能所产生的经济效益。

（4）建立目标函数，系统年等值总费用为终端初期投资费用、终端年运行维护费用、系统停电损失费用的总和：

由式（1）—（7）可以看出，求解系统停电损失费用（ENSI）与系统平均供电可用率指标（ASAI）为整个数学模型中的关键，而得到系统停电损失费用，需求解每个负荷点的停电时间。

2 含微网农村配电系统各负荷点年平均停电时间的计算

2.1 微网的运行分析及时序模拟

为了更符合实际地求解各负荷点的停电时间，需具体分析当微网外部发生故障形成孤岛运行时微网内部的运行情况。

图1 虚线框中风电机组、光伏阵列、储能装置等分布式电源与负荷组成微网，开关CB3 的断开与闭合控制着微网的孤岛运行或并网运行方式，在系统正常运行时微网处于并网运行状态，微网通过开关CB3 与外电网进行功率交换，有利于提高负荷节点的电能质量。当外电网发生故障时，开关CB3 断开使微网形成孤岛运行，微网内部的负荷由分布式电源和储能装置供电，提高了微网内部负荷的供电可靠性。

图1 改进的Bus6-F4 馈线系统接线图Fig.1 Connection diagram of modified Bus6-F4 feeder system

在微网正常运行的情况下，微网电源和负荷的功率曲线是实时变化的，在进行蒙特卡洛时序模拟时将1 年的功率曲线按时间等比分割，假定分布式电源的有功出力、储能装置的充放电功率和负荷的功率需求在1 h 的时间段（T1h）内是恒定不变的。

线路、变压器、分布式电源和储能装置等元件均有2 种状态（正常状态和故障状态）。每种状态的持续时间服从指数分布，用蒙特卡洛时序模拟得到各个元件的状态持续时间，通过对比得到1 个最小持续时间（Tmin），在最小持续时间段内各个元件的状态是固定不变的［19］，所以在进行运行分析时均在Tmin的时间段内进行，再将各个Tmin累加，得到整个模拟时间的运行状态。

根据文献［20］中风机的模型参数计算出风机的有功出力PWG、根据文献［8］中光伏阵列模型参数计算出光伏阵列的有功出力PLG、柴油机组有功出力PDG，则分布式电源的有功出力之和∑P=PWG+PDG+PLG。根据文献［21］计算出时变的负荷功率PL。微电网孤岛运行模式下，分布式电源的有功出力和负荷的功率需求都是实时变化的，在进行蒙特卡洛时序模拟时假定柴油机组的有功出力是恒定不变的，光伏阵列和风机的有功出力以及负荷的功率需求在1 h 之内是恒定不变的。若Tmin小于1 h，则分布式电源的有功出力和负荷的功率需求在Tmin的时间段内是不变的，若Tmin＞1 h，则将Tmin时间段按小时进行分段，分段计算再求和，每一段的时间为1 h（T1h），在此时段内分布式电源的有功出力和负荷的功率需求是不变的。

若分布式电源或储能装置发生故障，则分布式电源或储能装置自动退出运行，其有功出力为零。储能装置的充放电原则见参考文献［6］。

进行削减负荷的过程中，需判断切除负荷所断开开关的终端配置情况，进而得出切除负荷所需时间。将削减负荷时开关动作时间依次累加，并考虑微网与外电网分界开关（CB3）的动作时间，可得到微网内负荷节点的停电时间。

2.2 递归搜索与时序模拟的结合

建立的数学模型需要借助计算机进行优化求解，因此需在计算机中输入配电系统的网架结构信息，采用递归搜索的方法依次判断系统内各元件的运行状态以及相应的原则，与时序模拟的方法相结合，更精确地求解各负荷点的停电时间。

根据文献［12］中所提方法时序模拟得到配电系统内各个元件（线路、变压器、分布式电源、储能装置）的状态持续时间曲线并得到最小时间Tmin,在Tmin的时间段内进行递归搜索，求得各个负荷节点停电时间（Ui）以及整个配电系统平均供电可用率（ASAI）指标。以下文中：t1 为寻线查找故障时间；t2 故障隔离时间；t3 为故障修复时间。

主回路搜索：

（1）微电网内的负荷节点

若当前搜索到故障元件为微电网内部元件，则：

1）判断故障元件到负荷节点之间有无分段开关，若无则此元件故障对负荷节点的停电时间U 的影响为Tmin，若有则判断分段开关到负荷点之间有无分布式电源功率注入节点，若无则此元件故障对负荷节点的停电时间U 的影响为Tmin，若有则进行以下判别。

2)如果主回路故障元件到负荷节点间含有安装“三遥”终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点停电时间U 的影响为0。

3)如果主回路故障元件到负荷节点间含有安装“二遥”终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点停电时间U 的影响为t2。

4)如果主回路故障元件到负荷节点间有不装终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点停电时间U 的影响为t1+t2。

若当前搜索到故障元件为微电网外部元件，则判断微电网与外电网交界处分段开关上所配置的终端类型。

1)如果是“三遥”终端，则开关动作使微电网形成孤岛所用时间为0。

2)如果是“二遥”终端，则开关动作使微电网形成孤岛所用时间为t2。

3)如果是没有装任何终端，则开关动作使微电网形成孤岛所用时间为t1+t2。

然后根据微电网内部功率平衡计算结果与削减负荷策略判断微电网形成孤岛后该负荷节点能否得电，并考虑削减负荷时开关的动作时间。综合这两方面因素得到元件故障对负荷节点停电时间U 的影响。

（2）微电网外的负荷节点

若负荷节点的主供电路径上有元件故障，则此元件故障对负荷节点的停电时间U 的影响为Tmin。

搜索完主回路之后需要以主回路上的节点为根节点进行子回路搜索：

微电网内的负荷节点：

（1）若当前搜索到故障元件为微电网内部元件，则：

1）如果子回路故障元件到根节点之间无分段开关，则与根节点处故障对负荷节点停电时间U 影响的计算方法相同，即采用主回路设备故障对负荷节点停电时间U 影响的计算原则进行计算。

2)如果子回路故障设备到根节点间含有安装“三遥”终端的分段开关，则此设备故障对负荷节点停电时间U 的影响为0。

3)如果子回路故障设备到根节点间含有安装“二遥”终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点停电时间U 的影响为t2。

4)如果子回路故障设备到根节点间有不装终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点停电时间U的影响为t1+t2。

若当前搜索到故障元件为微电网外部元件，则判断子回路故障元件到根节点之间是否有分段开关，从而得出子回路中的故障能否被隔离。

若有分段开关则判断分段开关上是否安装配电终端，并判断其终端类型，用以上方法根据终端类型得出故障被隔离的时间。

判断微电网与外电网交界处分段开关上所配置的终端类型，得出开关动作使微电网形成孤岛的时间，根据微电网内部功率平衡计算结果与削减负荷策略判断微电网形成孤岛后该负荷节点能否得电，并考虑削减负荷时开关的动作时间。综合考虑两方面因素得出当采用微电网的孤岛运行方式时，故障元件对负荷节点年平均停电时间U 的影响。

比较通过隔离故障元件，负荷节点继续从主供电节点获得电能的方式和通过微电网孤岛运行使负荷节点从微电网内的分布式电源获得电能的方式，选择故障元件对负荷节点停电时间U 影响最小的方式。

（2）微电网外的负荷节点：

2)如果子回路故障元件到根节点间含有安装“三遥”终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点年平均停电时间U 的影响为0。

3)如果子回路故障元件到根节点间含有安装“二遥”终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点年平均停电时间U 的影响为t2。

4)如果子回路故障元件到根节点间有不装终端的分段开关，则此元件故障对负荷节点年平均停电时间U 的影响为t1+t2。

综合主回路搜索与子回路搜索，在Tmin的时间段内，若元件故障对负荷节点的年平均停电时间U的影响大于Tmin，则将Tmin累加到U 中，若小于，则将实际影响时间累加到U 中。

3 含微网配电自动化终端布局规划方法

使用遗传算法［22］对本文所建立的终端配置的优化模型进行优化，使用二进制对配电网每个分段开关上所配置的终端种类进行编码，每个开关上有3 种可能，配三遥终端、配二遥终端、不配任何终端，用2个二进制位表示1种配置方法：00表示不配任何终端；01 或10 表示配二遥终端；11 表示配三遥终端。

设计选择算子时，通过节1 中目标函数计算出本代中每条染色体的适应度函数值，使用节2.2中的原则计算出系统中各个负荷点的停电时间，进而计算出每条染色体所对应的ASAI 和ENSI 的值。以每条染色体的适应度值构造轮盘，用轮盘赌的方法选出1 条染色体，以配电系统中所要求的ASAI0的值作为约束条件，用其所对应的ASAIi的值与该配电网所要求的ASAI0的值进行比较，若ASAIi≥ASAI0，则将选出的染色体复制到下一代中，否则此次选择无效，重新选择新的染色体，当下一代染色体与本代染色体种群规模相同时停止选择复制操作。

在对本代种群进行一轮选择、交叉、变异运算之后可得到新一代染色体种群，继续循环此过程，循环到相应的代数之后，可得到最佳的优化结果，即得到配电网络中配电终端的最优配置。

本优化计算步骤如下

步骤1：读取网络各支路上的设备类型，元件故障率参数，元件故障修复时间参数，负荷节点平均功率参数以及用户数量参数，并对开关进行编号，与遗传算法中的二进制编码相对应。

步骤2：使用蒙特卡洛时序模拟的方法，模拟出配电系统内线路、变压器、分布式电源、储能装置长时间的状态曲线，找出最小持续时间Tmin。

步骤3：初始化种群，根据网络中开关数量，确定染色体长度，随机生成适当规模的种群。

步骤4：将种群内所有染色体所对应的终端配置方法逐一代入到网络中，进行主回路搜索、子回路搜索、微网内功率平衡计算与削减负荷等一系列运算，计算每个负荷点的停电时间，进而计算整个系统的ASAI 指标和该染色体的适应度值。

步骤5：将种群内所有染色体的适应度值计算出来之后，以系统可靠性指标大于可靠性约束条件，作为遗传算法中选择算子的选择条件进行染色体选择操作。

步骤6：进行染色体交叉操作。

步骤7：进行染色体变异操作，得到新的染色体种群。

步骤8：判断遗传代数是否达到设定代数，是则结束程序并输出优化结果，否则继续执行步骤4至步骤7。

4 算例分析

采用改进后的IEEE 可靠性测试系统 Bus6-F4线路作为算例，如图1 所示。图1 网络中含有30 条支路、1 个断路器、7 个分段开关、23 台变压器［23］，在F6 分支馈线处增加了光伏、风机、柴油机组及储能系统，其参数参见文献［20］，时变负荷参数参见文献［24］。算例分析时采用蒙特卡洛时序模拟的方法，模拟各元件的状态以及分布式电源的出力，其中风机、光伏和储能装置的功率是动态的，柴油机组的功率是恒定不变的。假定断路器和熔断器都能100%开断或熔断，线路故障率为0.065 次/（年×km），修复时间为4 h，分段开关的操作时间为 0.5 h，寻线查找故障的时间为1.5 h。安装配电终端所需的设备价格参见表1，设备使用年限按10 年计算，每年运行维护费用按投资费用的2%计，贴现率取8%，停电损失费取平均值11.7 元/（kW·h）。遗传算法种群规模设定为100，迭代次数取100，交叉概率为0.9，变异概率为0.1。待优化配电终端的分段开关为{CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7}。

表1 配电终端安装所需设备的价格Table 1 Price of equipment for installation of distribution terminals

含微网和不含微网适应度函数收敛曲线如图2、图3 所示。

图2 含微网适应度函数收敛曲线Fig.2 Convergence curve of fitness function with microgrid

图3 不含微网适应度函数收敛曲线Fig.3 Convergence curve of fitness function without microgrid

从图2、图3 可以看出，含微网时遗传算法迭代次数远远高于不含微网的迭代次数，含微网计算复杂度大大增加。优化后配电系统可靠性指标如表2，配电系统终端最优配置如表3 所示，分析表2 和表3 可以得出如下结论：

（1）CB1 含微网与不含微网优化配置相同，含微网与不含微网时LP18 ～LP27 负荷点可靠性指标（ASAI）没变化，含微网时LP31 ～LP35 负荷点可靠性指标（ASAI）有所降低。微网内部各负荷点可靠性指标（ASAI）均高于不含微网时相应负荷点的可靠性指标。

（2）微网的存在提高了整体配电系统的可靠性，CB2 所在分支的重要性有所降低，不含微网时CB2优化结果为三遥终端，而含微网时CB2 优化结果为二遥终端，优化结果吻合定性分析。

（3）配电系统含有微网时与不含微网时终端的最优配置不同，区别主要集中于微网内部开关上终端的配置。当不含微网时开关主要用于切除故障元件，CB6 和CB7 上优化配置分别为二遥终端和不配终端；当含有微网时开关主要用于功率不足时切负荷，由于切负荷顺序依次为CB6 和CB7，CB6和CB7 优化配置分别为三遥和二遥终端。微网的存在提高了整体配电系统的可靠性，含微网时CB4 和CB5 配置降低为不配置终端。

另外，当分布式电源在微网内部接入位置不同时，由于潮流方向的改变，开关的主要作用也会在隔离故障元件与切负荷之间转变，对于微网内部的终端优化结果会有较大影响，会得到不同的终端优化配置结果，但对微网外部的终端配置影响较小。算例只是按图1 微电网中分布式电源的接入位置进行了优化计算，不同接入位置的优化算法相同但优化结果会有不同。

（4）配电系统含有微网时，在终端最优配置的情况下，等年值总费用为61.693 1 万元。配电系统不含微网时，在终端最优配置的情况下，等年值总费用为68.367 8 万元。微网的存在提高了配电系统的经济效益。