考虑集中式FTU 控制的馈线自动化系统可靠性分析模型

周 锐,夏俊雅,侯宜祥,郑安豫

（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）

配电网是直接向商业、农业、居民等各类用户直接供电的网络,其供电可靠性直接影响用户体验。 据统计,80%的停电是由配电网故障引起的,因此研究配电网可靠性的影响因素对减少停电次数、缩小停电范围和减少经济损失至关重要[1-2]。

馈线自动化可以实现自动隔离故障区域,恢复非故障区域供电,提高供电可靠性等目标[3]。 具有集中式馈线自动化系统的配电网,通过馈线终端（FTU） 可实现对配电网的自动控制。 FTU 的测控功能、配电网的控制策略、一次设备的可靠性等都是影响配电网可靠性的主要因素。 目前配电网可靠性的相关研究较多,比如:文献[4]对复杂放射式配电网提出了可靠性计算的遍历搜索方法;文献[5]采用分块算法,同块元件具有相同的停电逻辑,减少了遍历搜索时间;文献[6]提出了一种面向一次设备的配电网可靠性模型。 但是,以上文献均没有考虑馈线自动化系统对配电网可靠性的影响。

文献[1]初步考虑了自动控制装置的影响,将动作过程分为自动和人工两部分;文献[4]提出了考虑配电网自动化特点的复杂配电网可靠性遍历方法;文献[7]考虑了自动控制系统的通信系统、控制中心的可靠度对配电网可靠性指标的影响;文献[8]在进行负荷分类时,考虑了FTU 的因素。 以上文献均考虑了馈线自动化系统但并不充分,比如没有考虑“三遥”系统失效的类型,也没有涉及馈线自动化系统的定位功能。 文献[9]考虑了FTU 失效的情况,以及馈线自动化系统的辅助定位功能,但对馈线的控制策略分析不充分,且采用停电时间划分负荷类型,算法过于复杂。

本研究在细分FTU“三遥”系统失效模型的基础上,根据馈线自动化系统的隔离、定位功能,对负荷划分区域,针对不同控制策略,考虑二次系统故障情况,采用负荷遍历、时间叠加方法,统计得到各个负荷、系统的可靠性指标。 本研究充分考虑了馈线自动化的功能、故障、控制策略等因素,适用于复杂配电网络。

1 集中式馈线自动化工作原理及其可靠性假设

1.1 集中式馈线自动化工作原理

集中式馈线自动化工作原理见图1。 如图1 所示,如果线路出现故障,FTU 将各个开关的信息通过通信系统送入控制主站,主站判断故障区段,发信号至相应FTU,FTU 断开故障区域两侧开关,闭合出线开关和联络开关实现故障区段隔离,恢复非故障区域正常供电。

图1 集中式馈线自动化工作原理Fig.1 Working principle of centralized feeder automation

要使自动控制系统正常工作,就要求主站、通信网络、FTU、开关均可靠。 主站可用度为Ams,网络可用度为Aaccm（Ams与Aaccm根据运行数据统计得到） 。

1.2 集中式馈线自动化模型分析假设

1） 适用于电压为10 ～35 kV 的架空线路且中性点不接地的配电网系统。

2） 元件采用两种状态（运行/停运） 表示,考虑重合器和断路器完全可靠的情况,不考虑计划检修情况。

3） 只考虑元件单一故障,不考虑叠加故障,停电率、修复率、故障率等参数为常数,不受元件已工作时间的影响。

4） 元件平均工作时间和平均修复时间符合指数分布。

5） 忽略馈线自动化装置的自动切换时间。

2 FTU 的可靠性模型分析

FTU 一般设置“三遥”或“二遥”功能。 主站通过两个相邻开关的遥测信息判断故障区域,靠遥控功能隔离故障区域。 分析故障两侧FTU“三遥”失效的情况,终端运行状态的具体分析结果见表1。

表1 终端运行状态分析结果Tab.1 Analysis results of terminal operation status

对基于集中式馈线自动化的配电网,建立故障后状态区域划分及故障后馈线自动化动作的可靠性模型。

2.1 故障后状态区域的划分

在配电网中配置自动化程度不同的开关元件,根据集中式馈线自动化系统的工作逻辑和各种开关的动作特性,将馈线自动化动作过程中的配电网分成若干区域。

2.1.1 自动定位区

自动定位区是主站通过遥测信息确定的故障元件区域。 故障后靠近周围所有遥测开关的正常区域为基本自动定位区,该定位区边界如有遥测开关失效的情况,则由下一级遥测开关定位,为扩大自动定位区。

2.1.2 自动隔离区

可以通过遥控隔离故障的区域为自动隔离区。 故障后靠近周围遥控开关的正常区域为基本自动隔离区。 如基本自动隔离区边界遥控开关失效,则靠下一级遥控开关隔离,为扩大自动隔离区。

2.1.3 手动隔离区

手动隔离区为手动操作可以隔离故障的最小区域。

2.1.4 自动停电区

自动停电区初始区域为自动隔离区。 自初始区域的各边界开关往外围查找（原电源方向除外） 直至末端负荷,如在该方向查找到联络开关,则该方向边界回到初始开关处,如果未发现联络开关,则将该方向边界移至负荷末端。

2.1.5 手动停电区

手动停电区初始区域为手动隔离区。 自初始区域的各边界往外围查找（原电源方向除外） 直至末端负荷,如在该方向查找到联络开关,则该方向边界回到初始开关处,如果未发现联络开关,则将该方向边界移至负荷末端。

2.1.6 定位停电区

定位停电区初始区域为自动定位区。 自初始区域的各边界开关往外围查找（原电源方向除外） 直至末端负荷,如在该方向查找到联络开关,则该方向边界回到初始开关处,如果未发现联络开关,则将该方向边界移至负荷末端。

2.2 故障后馈线自动化系统动作模型

集中式馈线自动化系统动作分3 个过程:故障定位、故障隔离、故障恢复。

2.2.1 故障定位

如配电网中编号为i的元件出现故障,则从i元件向上、下游遍历,直至找到故障定位开关,作为故障定位边界区域。 该方向没有终端故障即基本自动定位区;有终端故障即扩展自动定位区。 考虑单一故障形式,设基本自动定位区域边界有“二遥” 开关x个、“三遥” 开关y个、其余开关z个,则i元件出现故障以后总的自动定位状态有x+y+1 个。i元件出现故障以后,向上、下游遍历找到故障隔离开关,若无终端故障则该方向为基本自动隔离区域。 如果某个终端隔离失败,则向外遍历下一个隔离终端。 设基本自动隔离开关有y+z个,则i元件出现故障以后总的开关定位状态有y+z+ 1 个。

2.2.2 故障隔离

馈线自动化形成自动隔离区即自动停电区域,故障在自动定位区,自动隔离区域大于或等于自动定位区域。

人工在自动定位区中查找元件的确定位置,若有联络开关则对自动定位区手动停电,形成手动隔离区,停电范围缩小到手动隔离区,手动隔离区小于或等于自动定位区且小于或等于自动隔离区。 当自动定位区各边界均有联络开关时,自动定位区等于手动定位区。

2.2.3 故障恢复

自动停电区总负荷数Nz,区内lz个变压器;手动停电区总负荷数Ns,区内ls个变压器;定位停电区总负荷数Nd,区内ld个变压器。

根据恢复过程的不同采取如下4 种策略,计算所有负荷总停电时间Tall。

1） 馈线自动化形成隔离故障区,恢复非故障区域供电,形成自动隔离区,耗时t1（故障自动定位隔离时间） ,停电区域即自动停电区。 在自动定位区中进行人工检修,排查故障,确定故障元件,该过程耗时t2（故障查找时间） 。 修复故障元件,耗时t3（故障修复时间） 。 故障解除后,恢复自动隔离区,耗时t5,最终全部恢复供电。 公式如下:

2） 馈线自动化形成自动隔离区,耗时t1（该过程与策略1 相同） ;在自动定位区域内查找到具体故障,耗时t2（故障排查时间） ;手动开关形成手动隔离区,恢复自动隔离区内、手动隔离区外的故障范围供电,耗时t′4（手动切换时间） 。 以上过程停电区域为自动停电区,至t′4动作结束,停电区域变为手动停电区。 修复自动定位区已查找到的故障,耗时t3（故障修复时间） ,再恢复手动故障定位区,恢复正常供电,耗时t″4。 公式如下:

3） 馈线自动化形成自动隔离区,耗时t1;判断自动隔离区与自动定位区是否重合,如重合按照策略2 进行,如不重合则手动断开自动定位区边界开关,恢复自动隔离区内、自动定位区外区域的供电,耗时t4。 至此,停电区域为自动停电区。 在自动定位区中查找到具体故障元件,耗时t2。 手动开关形成手动隔离区,恢复自动定位区内、手动隔离区外的区域供电,耗时t′4。 至此,停电范围为定位停电区。 修复故障,耗时t3;手动开关,恢复手动隔离区的供电,恢复正常供电,耗时t″4。 至此,停电区域为手动停电区。 公式如下:

4） 馈线自动化形成自动隔离区,耗时t1;判断自动隔离区与自动定位区是否重合,如重合按照策略1 进行,如不重合则断开自动定位区边界开关,恢复自动定位区与自动隔离区中间区域供电,耗时t4。 至此,停电范围为自动停电区。 在自动定位区中查找到具体故障元件,耗时t2;修复故障,耗时t3;手动开关,恢复手动隔离区的供电,恢复正常供电,耗时t′4。 该过程停电范围为定位停电区。 公式如下:

在以上动作过程中对时间进行分析,假设单个元件平均故障查找时间为t1,则N个元件的故障查找时间期望为t2=N×t1。t3为故障元件修复时间,取变压器的平均故障修复时间和输电线路的平均故障修复时间。t4为手动恢复或停电时间,与需要手动恢复或者停电的开关数成正比。 假设手动恢复供电需要操作一个开关的时间为T2,则手动恢复M个开关需要的操作时间是t4=T2×M。t5为电动恢复供电的时间。

3 系统可靠性的算法实现

3.1 对系统编程预处理

为方便分析,对系统开关、元件分别进行编号,开关取S1、S2、S3……依次编号,其他元件主要是变压器和输电线路,取1、2、3……依次编号。 某节点为子节点,沿电源方向前推为父节点,电源供电断路器支路为主干线,其他线路为分支线。 父节点和子节点的概念适用于分支线和主干线。 编号原则为同一支路始终保证父节点的编号大于子节点。 遍历元件时按编号从小到大的顺序,停电区遍历联络开关按照编号从小到大的顺序。 配电网示意图见图2。

图2 配电网示意图Fig.2 Schematic diagram of distribution network

3.2 可靠性指标的算法

元件出现故障后,馈线自动化各种动作结束直至稳定运行。 某元件故障,元件父节点方向至最近一级遥控开关范围内负荷不受影响,父节点方向最近一级遥控开关至反方向元件停电,则负荷点的停电频率为

式中:1～l为父节点方向最近一级遥控开关至反方向的元件编号;fi为i元件的故障率;fl为负荷的停电率。

年停电时间和平均停电持续时间根据具体策略进行分析。 本研究主要讨论系统的可靠性指标,主要包括系统平均停电时间与系统平均停电频率。

4 算例

对照文献[4] 验证本算法的正确性,文献[4] 不考虑开关故障因素,所有开关均为“三遥” 开关,不考虑馈线自动化的定位功能,仅考虑其隔离功能。 本算法考虑与文献[4] 相同的影响因素,计算结果如表2 所示。

表2 计算结果对比Tab.2 Comparison of calculation results

对图2 进行分析,参数见表3 与表4。 馈线自动化系统可靠性参数采用文献[4] 的数据。 表1 中,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。

表3 负荷基本参数Tab.3 Basic load parameters

表4 图2 中元件参数Tab.4 Component parameters in Figure 2

4.1 动作策略对配电网可靠性指标的影响

不考虑馈线自动化故障和联络开关切换顺序,仅考虑控制策略不同,情况1、2、3、4 分别对应上文中控制策略1、2、3、4,计算结果如表5 所示。

表5 动作策略对配电网可靠性影响分析结果Tab.5 Analysis results of influence of action strategy on distribution network reliability

策略2 比策略1 增加了手动隔离区边界开关的手动切换时间,而且对于手动隔离区外、自动隔离区内的设备,减少了故障元件停电时间,该停电总时间与动作开关个数、自动隔离区内负荷数有关,变压器、输电线路元件的修复时间大于手动切换时间。 综合考虑,策略2 比策略1 可靠性提高。 策略3 比策略2 增加了自动定位区边界开关手动切换时间,对于自动定位区外、自动隔离区内的负荷,停电时间缩短为手动开关切换时间。 综合考虑,策略3 比策略2 可靠性提高。 策略4 比策略3 减少了手动隔离区开关切换时间,但对于手动隔离区外、自动定位区内的负荷,增加了故障查找时间。 策略4 比策略1 增加了自动定位区边界开关动作时间,对于自动定位区外、自动隔离区内的负荷,停电时间由故障查找检修时间缩短为边界开关的动作时间。 策略4 与策略2 相比,对于自动定位区外、自动隔离区内的负荷,停电时间由故障查找时间缩短到边界开关的动作时间,但对于手动隔离区外、自动定位区内的负荷,停电时间由故障查找时间增加到故障修复时间。

4.2 联络开关送电顺序对配电网系统可靠性指标的影响

以上分析均未考虑馈线自动化系统动作过程中,自动停电隔离故障区域联络开关的送电顺序。 如计及该影响,采用方法1 按照原供电电源方向依次合上联络开关,即联络开关送电顺序为联络开关3、联络开关2、联络开关1。 采用方法2 按照负荷数选择送电顺序,即送电顺序为联络开关1、联络开关2、联络开关3。以上方法都采用策略1,计算结果见表6。

表6 联络开关送电顺序对配电网可靠性影响分析结果Tab.6 Analysis results of influence of power transmission sequence of tie switch on reliability of distribution network

分析表6 可知,合上联络开关恢复供电时,从负荷多到负荷少的动作有利于配电网可靠性指标的提高。

4.3 智能开关的功能和配置方式对配电网可靠性指标的影响

随着遥控开关的增加,继电保护设置更加复杂,线路误动作概率提高,实际工作中应控制遥控开关的数量,因此本部分仅设置主干线上开关的变化。 设置方式1 为所有开关均只有“二遥”功能,设置方式2 为主干线所有开关都具有“三遥”功能,其他开关配置与图2 相同,动作策略按照策略1,不考虑联络开关动作先后顺序,设置方式3 为图2 中的方式。 联络开关送电顺序对配电网可靠性影响分析结果见表7。

表7 联络开关送电顺序对配电网可靠性影响分析结果Tab.7 Analysis results of influence of power transmission sequence of tie switch on reliability of distribution network

由表7 可知,合理增加智能开关数量,特别是“三遥”开关数量,有利于提高系统的可靠性,但是由于继电保护和安全性的制约,“三遥”开关数量不宜过多。

5 结语

本研究提出了一种考虑集中式FTU 控制的馈线自动化系统可靠性分析模型。 该模型计及集中式馈线自动化智能终端的故障概率,考虑了不同的控制策略,分析了集中式馈线自动化可靠性指标的影响因素,提供了一种集中式馈线自动化配电网络可靠性指标的计算方法,在供电方式设计、开关配置、供电策略制定等方面有实际参考价值。