配电自动化系统中配电终端配置数量规划 南京廖华

发布时间：2016-08-09 04:00

  本文关键词：配电自动化系统中配电终端配置数量规划，由笔耕文化传播整理发布。

第３７卷　第１２期２０１３年６月２５

日Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．１２

Ｊｕｎｅ２５，，２０１３　

：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１２１１１１３

配电自动化系统中配电终端配置数量规划

刘　健１，程红丽２，张志华１

（）１．陕西电力科学研究院，陕西省西安市７１００５４；２．西安科技大学通信与信息工程学院，陕西省西安市７１００５４

摘要：为了帮助配电自动化系统的规划设计，从投入产出角度对配电终端的最佳配置数量进行了

研究；从供电可靠性的角度，对全部采用“三遥”配电终端、全部采用“二遥”配电终端、混合采用“三遥”配电终端和“二遥”配电终端、适当引入分界开关等情形下所需要的各类终端的数量配置进行了研究。研究结果表明：每条馈线配置１台配电终端的投入产出比最高，为满足供电可靠性要求，每

、“条馈线所需配置“三遥”二遥”配电终端和分界开关的数量取决于要求达到的供电可靠性指标、人

工故障区域隔离时间、故障修复时间和故障率。文中给出了一个含２２０条馈线的配电自动化系统规划实例，对所述方法的应用进行了详细的说明。关键词：配电网；配电自动化；配电终端；可靠性；规划

０　引言

配电网自动化是实现故障快速定位、隔离以及

从而提高供电可靠性的重要手段，也是智供电恢复，

能电网的重要组成部分，近年来已经取得了大量的

］１６－

。研究成果［

国家电网公司、中国南方电网有限责任公司、内

集团）有限责任公司和陕西地方电力公司蒙古电力（

等近年来都开展了大范围的配电自动化系统建设，并制订了配电自动化设计、建设、运行和维护等一系

］７８－

。列标准和规范［

具有遥测、遥信和遥控功能的“三遥”配电终端、只具有遥测和遥信功能的“二遥”配电终端（比如故

、障指示器）具有本地保护功能的分界开关等是配电

自动化系统的基本组成元件，在实际中广泛应

］９１０－

。用［

虽然配电网自动化技术取得了突飞猛进的发展，但是在规划设计方面，尚需要研究各种类型的配电终端的合理数量配置和布置问题。

若以每个环网柜、每个柱上开关都配置配电终

会导致巨额投资；若选择部分监控对端的方式建设，

象，且全部配置“三遥”配电终端，不仅终端成本高，还要对大量开关加装电动操作机构并配备“三遥”通

，道（如光纤）同样不够经济，不利于大范围推广和提

高覆盖面。

在配电自动化规划方面也有不少研究，但大都

；修回日期：。收稿日期：２０１２１１１２２０１３０３２０－－－－

国家电网公司重大科技项目“提高配电网故障处理能力的关。键技术研究”

１１］

、围绕配电自动化模式和结构选择［通信方案，以

１２］

。文献［二次配合［采用整数规划方法，及一、１３］

以投资和停电损失之和最小为目标，求解馈线开关最优配置问题，在此基础上可配置通信方式、控制策略和其他设备配置，从而进行馈线自动化规划。而

、“在为满足供电可靠性需要所必需的“三遥”二遥”

配电终端、故障指示器和分界开关配置数量规划方面尚未见研究报道。

本文从投入产出和要求达到的供电可靠性这

、“讨论“三遥”二遥”配电终端和分界开关２个角度，

的数量配置问题，为科学地进行配电自动化系统规划设计提供参考。

１　基本原理

１．１　配电终端模块

在本文中，将对单台开关进行监控的虚拟装置称为配电终端模块。配电终端模块可分为“二遥”终端模块和“三遥”终端模块两类。

“二遥”终端模块是指：具有故障信息上报（也可有开关状态遥信）和电流遥测功能的配电终端模块，它不具备遥控功能，相应的开关不必具有电动操作机构。一般“二遥”终端模块可采用故障指示器加通信模块实现，二遥”配电终端模块对应３台安１个“

装于不同相别的故障指示器。

故障指示器又可分为架空型和电缆型两类，架空型故障指示器既可以安装于柱上开关处，也可以安装于架空馈线其他位置；电缆型故障指示器一般安装于环网柜中。

“三遥”终端模块是指：具有遥测、遥信、遥控和故障信息上报功能的配电终端模块，要求所控制的

—４４—

·学术研究·　刘　健，等　配电自动化系统中配电终端配置数量规划

开关具有电动操作机构。架空馈线的“三遥”终端模

块一般采用馈线终端单元（ＦＴＵ）实现，电缆馈线的“三遥”终端模块一般采用站所终端单元（ＤＴＵ）实现。

由于１台ＦＴＵ只能对１台柱上开关进行监控，所以对于架空馈线而言，１个“三遥”配电终端模块就对应１台ＦＴＵ、１套电动操作机构、１套取电电压

互感器（ＴＶ）

及１个“三遥”通道（一般用光纤）。而１台ＤＴＵ可以对几台开关进行监控，

所以对于电缆馈线而言，

根据需要有时可能多个“三遥”配电终端模块采用１台ＤＴＵ实现，１台ＤＴＵ对应

套取电ＴＶ及１个“

三遥”通道（一般用光纤），但每个“三遥”配电终端模块必须配置１套电动操作机构。

．２　从投入产出角度分析配电终端模块配置

对于一条馈线，假设其上共有ｎ个用户，总负荷为Ｐ，已经安装有足够的开关，具备Ｎ－１能力且联络开关均已安装配电终端模块，假设该馈线的故障

率为Ｆ、

故障处理时间为Ｔ，每个配电终端模块的综合费用为Ｃ，拟选取ｋ个分段开关安装配电终端模

块，将该馈线分为ｋ＋１个区域。１

）用户均匀分配的情形近似认为各个区域的用户数分布均匀，

即每个区域含有ｎ／（ｋ＋１

）个用户。由于满足Ｎ－１准则，安装ｋ个配电终端模块带来的收益是：当某个区域故障时，在故障修复之前，除了该区域以外的其他区域能够维持供电。这个收益可以表示为：

Ｂ１（ｋ）＝ｋ＋１

（１）　　由式（

１）可以看出，随着安装的配电终端数量的增多，

收益的增大会越来越不明显。近似认为安装ｋ个配电终端模块的投入为：

Ｃ１（

ｋ）＝ｋＣ（２）安装ｋ个配电终端模块的投入产出比为：

β１（ｋ）＝（ｋ＋１）Ｃ

（３）　　可见，β

１（ｋ）是一个单调减函数，即安装的配电终端模块数越多，投入产出比越低。

２

）负荷均匀分配的情形近似认为各个区域的负荷分布均匀，即每个区

域负荷为Ｐ／（ｋ＋１

）。安装ｋ个配电终端模块带来的收益为：Ｂ２（ｋ）＝

ｋ＋１

（４）式中：λ为单位负荷在单位时间内的收益。

由式（４

）可以看出，随着安装的配电终端数量的增多，收益的增大会越来越不明显。

安装ｋ个配电终端模块的投入产出比为：

β２（ｋ）＝ｋ＋１Ｃ

（５）　　可见，β

２（ｋ）也是一个单调减函数，即安装的配电终端模块数越多，投入产出比越低。

安装ｋ个配电终端模块带来的净收益为：Ｂ３（ｋ）＝

ｋ＋１

－ｋＣ（６）则安装ｋ个配电终端模块的净投入产出比为：

β３（ｋ）＝（ｋ＋１）Ｃ

－１（７）　　可见，β

３（ｋ）仍是一个单调减函数，即安装的配电终端模块数越多，净投入产出比越低。

综上所述，如果仅仅从投入产出的角度看，在分段开关安装１个配电终端模块的投入产出比最高（虽然从式（３）和式（５）来看安装０个配电终端时的投入产出比更高，但此时的投入为０，产出也为０，按

此计算得到的投入产出比是没有意义的），但是，究

竟应该安装多少个配电终端模块，还需要考虑对供电可靠性的要求。．３　从供电可靠性角度分析配电终端模块配置

假设各个区域的用户分布均匀，在馈线上安装

个配电终端模块将该馈线分为ｋ＋１个区域，

每个区域含有ｎ／（ｋ＋１）

个用户。假设馈线沿线单位长度故障率相同。

故障处理时间Ｔ主要由３个部分构成，即

Ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３

（８）式中：ｔ１为故障区域查找时间；ｔ２为人工故障区域隔离时间（也包括对受影响的健全区域恢复供电所进

行的操作时间）；ｔ３为故障修复时间（

也包括故障区域内具体故障位置确认时间和恢复故障前运行方式

所进行的操作时间）

。１

）全部安装“三遥”终端模块的模式全部安装“三遥”终端模块的模式不仅要求终端具有“三遥”功能，还需要为开关加装电动操作机构以及建设光纤通信通道，自动化程度较高，但是建设费用也较高，一般只有大型城市中负荷密度很高的核心区域才会采用。

对于全部安装“三遥”终端模块的情形，可近似地认为ｔ１＝０，ｔ２＝

０，即Ｔ＝ｔ３

（９）　　根据供电可用率定义，

可以推导得到在分段开关处安装ｋ个“三遥”终端模块的馈线的供电可用率３为：

ｋ＋

１ｋ＋

１８　７６０ｎ－∑ｎｔ３ｉ

ｔ３ｆｉ

αｉ＝１ｋ＋１∑ｉ＝３＝８　７６０ｎ＝１－１

８　

７６０ｋ＋１（１０

）—４５—

１１１ｋα

２０１３，３７（１２

）式中：ｆｉ为第

ｉ个区域的故障率。若近似认为各个区域的故障率相等且为ｆ，即

ｆｉ≈ｆ＝

ｋ＋１

　　０＜ｉ≤ｋ＋１（１１

）则式（１０

）可以转化为：ｋ＋

１α∑ｔ３

Ｆｉ３

＝１－＝１ｋ＋１

ｔ３Ｆ８　７６０ｋ＋１＝１－８　

７６０ｋ＋１（１２）　　在要求供电可用率不低于Ａ的情况下，

即有３≥Ａ，

所需要在分段开关处安装“三遥”终端模块的数量ｋ须满足：

ｋ≥

３

８　

７６０（１－Ａ）－１　　ｋ≥０（１３）　　可见，所需要在分段开关处安装“

三遥”终端模块的数量取决于要求达到的供电可靠性指标、故障修复时间和故障率。

此外，联络开关也需配置“三遥”配电终端模块。２

）全部安装“二遥”终端模块的模式在全部安装“

二遥”终端模块的模式下，终端只要具有“二遥”功能即可，也不需要改造开关，通信通

道可采用通用分组无线服务（ＧＰＲＳ）

技术，建设费用低，但是只能定位故障区域而不能自动隔离故障和恢复健全区域供电，需要人工到现场进行操作，因此可恢复的健全区域受故障影响的停电时间较长，一般适用于小型城市或县城。

对于全部安装“二遥”终端模块的情形，可近似地认为ｔ１＝

０，即Ｔ＝ｔ２＋ｔ３

（１４）　　在分段开关处安装ｋ个“

二遥”终端模块的馈线的供电可用率α２可表示为：

ｋ＋

１８　７６０ｎ－ｎＦｔ２－３ｉ

α∑

ｉ＝１ｋ＋１

２＝

８　

７６０ｎ＝

ｋ＋

１（ｋ＋１）Ｆｔ２＋１－

ｉ∑

ｔ３ｆｉ

１

８　

７６０（ｋ＋１）（１５

）式中：ｎＦｔ２为由于“二遥”终端模块没有遥控功能导致的，在故障被有效隔离之前，持续时间为ｔ２的全馈线停电造成的停电户时数。

若近似认为各个区域的故障率相等为ｆ，则式（１５

）可以转化为：α２＝１－８　

７６０（ｔ２＋

ｔ３

ｋ＋１）（１６）　　在要求供电可用率不低于Ａ的情况下，有１－Ａ≥

８　７６０（ｔ２＋

ｔ３

ｋ＋１）（１７）　　根据式（

１７）可以解出满足供电可靠性要求所需—４６—

　

要安装“二遥”终端模块的数量ｋ，即

ｋ≥

ｔ３

Ｆ８　７６０１－Ａ－ｔ２

Ｆ－１　　ｋ≥０（１８）　　可见，

所需安装“二遥”终端模块的数量取决于要求达到的供电可靠性指标、

人工故障区域隔离时间、故障修复时间和故障率。

３

）安装电流型用户分界开关的情形在用户侧故障率较高的情况下，为了避免用户

侧故障造成馈线停电，

可有选择性地安装用户分界开关。安装电流型用户分界开关并与变电站１０ｋＶ出线开关实现保护配合后，当用户侧发生故障时能够迅速分断切除故障，而不影响馈线其他部分供电，在忽略单个用户因故障而被切除的情形对供电可靠性的影响时，相当于减少了馈线的故障率。

假设用户故障占馈线故障的比例为γ，安装电流型用户分界开关的比例为μ，且这些用户分界开关在馈线上均匀安装，则安装电流型用户分界开关后，该馈线的故障率将降低为：

Ｆ′＝Ｆ－γＦμ

（１９）　　以Ｆ

′代替式（１１）至式（１８）中的Ｆ，就可以得出安装电流型用户分界开关条件下所需要安装“三遥”或“二遥”终端模块的数量。

４）“三遥”与“二遥”终端模块结合的模式“三遥”与“二遥”终端模块结合的模式的自动化程度适中，建设费用也适中，比较适合广大中型城市或大城市外围区域配电自动化系统建设。

对于“三遥”终端模块与“二遥”终端模块结合的情形，假设某条馈线上分段开关处“三遥”终端模块与“二遥”终端模块的数量总和为ｋ，假设“二遥”终端模块均匀穿插安置在由“三遥”终端模块分割出的各个区域内，比如每个区域安排ｈ台“二遥”终端模

块，

则有ｋ＝（ｋ１＋１）ｈ＋ｋ１（２０）式中：ｋ１为分段开关处“

三遥”终端模块个数。对比式（１６）和式（１２）

可以发现：“三遥”终端模块与“

二遥”终端模块对供电可用率的影响有一个公共部分，即ｔ３

Ｆ／［８　７６０（ｋ＋１）］。因此，“三遥”终端模块对供电可用率的全部影响和“二遥”终端模块对供电可用率的部分影响之和为ｔ３Ｆ／［８　７６０（ｋ＋１）］。式（１６

）表明，“二遥”终端模块对供电可用率的影响还有一部分是由于其没有遥控功能，在故障隔离的ｔ２时间段内造成全馈线停电，

“三遥”与“二遥”终端模块结合模式下其影响为ｔ２Ｆ／［８　７６０（ｋ１＋

）］。综合得到，在每个区域安排ｈ台“二遥”终端模块情况下的供电可用率为：

α１

·学术研究·　刘　健，等　配电自动化系统中配电终端配置数量规划

α３，２＝１－

８　７６０２ｋ１＋１

＋３

ｋ＋１）＝１－８　７６０ｔ２ｋ１＋１＋ｔ３

１＋ｈｋ１＋１

）≥Ａ（２１）　　根据式（２１），可以解出：ｋ１≥［（）２３］

８　

７６０（１－Ａ）（１＋ｈ）－１　　ｋ１≥０（２２

）　　相应地“

二遥”终端模块个数为：ｋ２＝（ｋ１＋１

）ｈ（２３）　　对于“

三遥”与“二遥”终端模块结合的模式，根据ｈ取值的不同，有可能会得到多个满足供电可靠性要求的方案，每个方案所需的“三遥”终端模块的

个数为ｋ１、“二遥”终端模块的个数为ｋ２，

假设安装一个“三遥”终端模块及其配套设施（包括电动操作

机构、“三遥”通道等）的投入为Ｃ１、安装一个“二遥”终端模块及其配套设施的投入为ηＣ１，

则对于每个特定的方案，

可以得到方案的总投入为：ＣΣ＝ｋ１Ｃ１＋ｋ２ηＣ１＝（ｋ１＋ｋ２η）

Ｃ１（２４）　　在所有满足供电可靠性要求的方案中，

选择ＣΣ最小的方案作为最终的规划方案即可。需要指出的

是，对于电缆线路在某些特殊情况下，１台ＤＴＵ可以对应多个“三遥”终端，在计算ＣΣ的时候，就根据实际的ＤＴＵ台数加以调整。

此外，对于“三遥”与“二遥”终端模块结合的模式，

联络开关也需配置“三遥”配电终端模块，对此需单独加以考虑。

５

）电缆架空混合馈线的情形对于电缆架空混合馈线，若以电缆为主，则可按

照全电缆馈线计算；

若以架空为主，则可按照全架空馈线计算。若电缆部分和架空部分都占不可忽略的比例，需要在各个电缆馈线段的环网柜与架空馈线段的柱上开关处设置终端模块，则可对各个电缆馈线段以及各个架空馈线段分别计算。

６）ＤＴＵ的确定

对于架空线路，１个“

三遥”终端模块一般对应１台ＦＴＵ，因此其“三遥”终端模块的数量与ＦＴＵ的

数量相同。但是，对于电缆线路，其１台ＤＴＵ在某

些情形下却往往可以对应多个“

三遥”终端模块，其数量应根据需要来确定。

对于大主干布置型电缆馈线，为了采用ｋ个“三遥”配电终端模块将馈线分为ｋ＋１个区域，这ｋ个“三遥”配电终端模块必须分散在ｋ个环网柜中，因此需要用ｋ台ＤＴＵ来实现，如图１（ａ）所示，２个“三遥”配电终端模块采用２台ＤＴＵ实现，将馈线分为３个区域。

对于大分支布置型电缆馈线，有时采用安装于

形成分支处的环网柜的１台ＤＴＵ就能实现多个

“三遥”配电终端模块，如图１（ｂ）所示，２个“三遥”配电终端模块采用１台ＤＴＵ实现，将馈线分为３个区域。图１中：虚线框代表安装ＤＴＵ的环网柜；矩形块代表变电站出线断路器；方块和圆代表环网柜中的开关，其中方块代表“三遥”配电终端模块所控制的开关

。

图１　电缆馈线“三遥”配电终端模块的实现举例Ｆｉｇ．１　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｅｘａｍｐ

ｌｅｓ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌｍｏｄｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｅｌｅ－ｃｏｎｔｒｏｌ　

ｆｕｎｃｔｉｏｎ因此，对于大分支布置型电缆馈线，若计算出在

每条馈线上需要配置２个“三遥”终端模块时，实际配置１台ＤＴＵ即可实现；

若计算出在每条馈线上需要配置３个“

三遥”终端模块时，实际配置２台ＴＵ即可实现。在计算ＣΣ的时候应对这种１台

ＴＵ对应２个“

三遥”配电终端模块的情形加以考虑。

７）更一般的情形上述分析是在一些条件近似成立的假设下得出的，

在更一般的情形下，给定配电终端模块数量与安装位置时的供电可用率，仍可以采用解析的方法加

以分析，

但难以得出统一的表达式。考虑到诸如故障率、故障区域隔离时间、故障修复时间等参数不能十分精确得到，因此一般情况下，利用上述分析得出的结果就能提供必要的参考信

息，

在此基础上可根据实际情况适当调整。　算例分析

．１　基本情况

某城市核心区共有２２０条馈线，其中有１００条电缆馈线（６０条为大主干布置、４０条为大分支布

置）、４０条架空馈线、８０条电缆架空混合馈线。经过改造，绝大部分已经实现联络，Ｎ－１率达到１００％，共有３５台联络柱上开关，９０台联络环网柜。

—４７—

ＤＤ２２

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本文编号：89143