城市配网自动化可靠性评估与成本效益分析

赵晓慧，梁 标，李海波，鲁宗相

(1.广西电网公司 电力科学研究院，广西 南宁 530023;2.清华大学电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084;3.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070)

随着用电负荷的快速增长以及供电可靠性要求的不断提高，各类配电系统设备的数量越来越多，系统日益复杂，增加了配电网的风险概率以及管理难度。发生故障时，需要人工到故障点进行故障隔离、恢复供电等倒闸操作，工作繁琐、耗时长。为了提升配电网的供电质量和缩短故障停电时间，实施配电网自动化建设具有重要的现实意义，它能够提高供电可靠性、缩短停电时间、改善电能质量、优化网络结构和无功分配及降低电能损耗［1－3］。然而，配网自动化建设投资大、成本高，某些地区实施配网自动化并不一定会带来经济效益，因而有必要对配网自动化的效益成本进行量化分析，如何使效益成本比达到最优是一个值得研究的课题。

配网自动化主要包括数据采集与控制、馈线自动化、负荷管理、地理信息系统和配电应用分析。馈线自动化是配电网自动化的重要内容之一，其实施能够快速定位、隔离故障，缩短停电时间，提高供电质量。文献［4］分析了配电网闭环运行时线路上的功率流向，提出了一种差动保护方法，能够快速准确地定位、隔离故障，并且解决了距离较远的馈线潮流方向可能经常变化的问题;文献［5］提出了一种取分层分区的馈线自动化配置方案，提高馈线自动化的实用性;文献［6］基于微分进化算法对馈线自动化开关进行优化，表明不同的开关设置位置、开关数量都对配网系统可靠性有着密切关联。这些文献都只考虑了馈线部分，并没有将配置方法应用于整个网络。文献［7］对配网可靠性模型进行了分析，从顶端和低端2个可靠性模型角度提出了提高配网自动化系统可靠性的建议，此方法仅考虑了设备间的硬件连接，而尚未计及设备之间的信息流动对配网可靠性的影响;文献［8］分析了初级配电自动化系统的停电损失费用，分析了配网自动化的综合效益，但是基于电缆故障指示器的配电系统和由配电终端、主站构成的配网自动化管理系统在功能和特点上存在较大差异;文献［9－11］都对配网自动化进行了成本效益分析，它们的结论都表明实施配网自动化虽然增加了投资，但是从远景规划来看，配网自动化建设能获得较好的经济效益。

笔者对配网自动化技术的原理进行分析，从停电时间指标的角度探讨配网自动化对电力系统可靠性的影响，提出对配网自动化系统进行分段可靠性评估的方法，对传统的配网可靠性评估模型进行修正。为了对配网自动化的经济效益进行量化分析，该文从停电损失的计算入手，定量地对配网自动化系统进行经济性评估。

1 配网自动化对可靠性的影响及其定量评估模型

配网自动化系统主要包括配电主站、配电终端、配电子站和通信通道等，一般采用自动重合器、自动分段器等新型开关，能对线路故障进行快速定位、自动隔离，以缩小故障停电范围，快速恢复非故障段供电，大大提高了供电系统可靠性［12］。

配电网的结构大多呈辐射状，在正常运行时是开环的，典型的配电网结构如图1所示。正常状态下，联络开关Si断开，两支辐射状线路分别由变电站M1，M2供电。在实施配网自动化改造后，分段开关S1～Sn－1都会设置馈线终端单元(FTU)，当某一线路或者元件发生故障，馈线终端单元通过通信通道将采集到的故障信息传送到调度中心上，然后控制相应的开关进行分合操作［13－14］。

图1 配电网辐射状网络结构Figure 1 Radial distribution network

在图1中，当线路2发生故障时，断路器CB1会跳开，S1上的FTU会检测到故障电流和失压状态，而S2的FTU仅检测到失压信息，此时，S1，S2会快速跳开，并合上联络开关恢复非故障段线路的正常供电。显然，装设联络开关的系统能在故障时自动把负荷切换到另一线路上，可靠性较高，并且开关的数量越多，分段数就越多，故障或者检修造成的停电范围越小。但是线路分段并不是越多越好，过多的分段将使供电成本急剧增加，可靠性却并不会因此而成比例地升高。自动化分段开关的数量及位置一般按照负荷密度、性质均衡、长度相近、节省投资的原则设置。

国内城市配电网结构大多很复杂，线路或以环网形式供电，或以T型网络供电，或以其他多分段多联络的形式供电［15］，但其正常时总是以辐射状网络运行，联络开关基本上断开，因此，配网结构可以看成由m个子辐射状网络组成。在配电网自动化系统中，自动开关设置的数量为n－1，即每个辐射状网络都被分成n段，并且第i个辐射状网络共有ni个元件、Li个分支负荷，第i个辐射状网络结构如图1所示。

自动的故障定位、故障隔离和恢复供电是配网自动化的3项关键技术，能够免除人工操作的复杂工序，减小系统停电时间。假设配网自动化改造前的元件故障率为λ，停电时间为t，配电网改造后由于开关的自动切换，停电时间将大大减小，停电时间将减小Δt值，即为t－Δt，根据辐射状网络配电系统变电站和负荷点之间的串联关系，可以得到配电自动化系统的等值故障率λs、每次故障停电时间ts和年平均停电持续时间Us，即

当i个子辐射状网络的第1，2，…，nj(j＜i)个元件都发生故障时，其将形成故障集合A={1，2，…，nj}，若在多个子网里都有元件发生故障，例如第i个子网与第j个子网，则故障集合A=Ai∪Aj，以此类推。实施配网自动化将可能对每一个故障事件产生不同的影响，因而要分析每一个故障事件的类型和原因，将所有配网自动化开关的切换不能恢复供电的分支负荷形成集合B={…，Lx，…}，开关切换能够恢复供电的分支负荷形成集合C={…，Ly，…}。在计算可靠性指标时，对于实施配网自动化所影响的集合C内的负荷，加入修正量Δt计算，无影响的负荷集合B则沿用传统的计算方法。利用解析法或者蒙特卡洛模拟法重复计算每个子网的可靠性指标，最后，结合串联事件的可靠性指标求解方法，将m个辐射子网的指标叠加，得到配电网自动化系统的可靠性总指标。

配电网的供电可靠性综合评价指标主要有5个，包括系统平均停电频率指标SAIFI(次/(户·年))、系统平均停电持续时间指标SAIDI(h/(户·年))、用户平均停电时间指标CAIDI(h/户)、平均供电可用率指标ASAI、系统平均缺供电量指标AENS(kW·h/(户·年))［16］。其计算式为

式中 λi为负荷点i的故障率;Ni为负荷点i的用户数;Ui为负荷点i的平均停运时间;Pi为负荷点i的平均负荷。

可靠性计算指标中最大的变化就是停电时间，其改善量Δt将对其他评价指标产生影响，例如:缩短系统平均停电时间、提高供电可用率和减小系统平均缺供电量等。

2 配网自动化系统的成本效益分析

配电网自动化能够给城市电力系统带来故障范围减小、停电时间缩短和远程控制等好处。然而，配网自动化的建设需要大量的资金，并且涉及的范围广，其运行费用也值得考虑。可靠性成本定义为供电部门为使电网达到某一可靠性水平而需增加的成本，包括投资和运行费用［17－18］。

高水平的可靠性与低水平的投资成本是一矛盾体，如图2所示。如何协调和解决好这个矛盾就成为规划方案的重点。在满足用户需求高水平供电可靠性指标的基础上，得出最合理的供电总成本，使电网规划方案达到最佳水平是该节研究的重点。

图2 可靠性的成本效益曲线Figure 2 Reliability curves for cost-benefit

可靠性效益是指通过一定措施使得电力系统达到某个特定的可靠性水平而使用户获得的效益。为了得到进行配网自动化建设后电网所产生的社会和经济效益，可用停电时间和故障损失电量来计算。损失电量可以使用故障时所切除的负荷量和停电时间的乘积进行近似估算。在停电期间，损失的电量即意味着电网公司售电量的减少以及经济收益的损失。假设配网中的元件故障是独立的，利用产电比法，可以得到年停电损失的现值:

式中 Sloss为年停电损失，元;h为发生停电故障时所有故障元件的数量;k为第j年的产电比，单位元/(kW·h);a为折现率。

配网自动化的投资成本现值计算:

式中 I1，I2，I3，I4分别为初始年配电主站、配电子站、配电终端和通讯系统的投资成本;n为设备寿命;m年的规划年份数。

配电网网架改造是实现配网自动化的前提，此部分投资金额巨大，但是在计算投资成本时必须与配网自动化成本相区别。网架改造的投资要占总投资的70%～80%，事实上，配网自动化只是在网架优化的基础上增加了10%～20%的投资，若将网架优化的成本计算在配网自动化之中，配网自动化投资费用需要几十年甚至上百年才能回收回来，显然不太符合实际情况。

配电自动化系统在相同时期内总运行成本现值计算:

式中 Oj为第j年的运行费用。

根据式(3)～(5)，可以得到配网自动化系统的经济性评估模型为

对多个改造方案，利用配网自动化方案经济性计算模型，如式(6)所示，选取Ssum指标最小的方案，即为最优的配网自动化建设方案。另外，根据成本效益分析法，得到配网自动化改造的效益成本比为

停电损失越小说明电网公司的售电量越多，经济效益越高。用停电损失指标作为配网自动化的效益指标，初始投资和运行费用作为投资成本，则式(7)中:

式中 Sloss_pre是指未进行配网自动化改造前的停电损失期望值。

未实现自动化改造前的停电损失减去改造后的停电损失期望值即为增售电量的经济收益。如图2所示，在效益成本曲线中，假设目前系统的可靠性为Rpre，经过提高方案的实施可到达某个可靠性点Rfol，此时系统的可靠性投资曲线纵坐标之差即为提高方案的投资成本c(R)，故障损失费用曲线纵坐标之差为方案的经济效益b(R)。因此，方案的净投资利润为

对于特定的配网自动化改造方案，若净利润值大于零，则说明在一定的规划期内，经济效益比投资成本高，在该地区实施配网自动化改造能产生综合效益，反之亦然。

3 配电网自动化综合评估流程

实施配网自动化改造不仅为了提高管理水平，而且能在提高可靠性的前提下，提高成本效益比，获得净投资利润。根据前文所述的配网拆分修正评估方法和成本效益分析法，可得出配网自动化的综合评估步骤:

1)以电源或变电站为起点，分段开关或者备用电源为终点，尽可能地保持负荷均衡，将城市配电网分成m个辐射状子网;

2)对第i个子网络的所有故障情况进行一一枚举，生成故障集合;

3)分析故障集合中的每个事件，筛选出因配网自动化改造而产生影响的故障事件和不产生影响的故障事件，分别保存在相关集合和非相关集合中;

4)利用式(1)、(2)计算子网内各负荷点的可靠性指标:对于相关集合内的采用停电时间改善量Δt修正方法计算;非相关集合内的则采用传统的配电网计算方法;

5)重复步骤2～4，计算每一个辐射状子网的可靠性指标，最终得到m组指标数据;

6)根据串联事件等效，将m组子网的可靠性指标数据叠加形成配网自动化系统的可靠性指标;

7)利用式(3)～(10)量化分析配网自动化系统的效益和成本，求出净投资利润，评估实施配网自动化的必要性。

配网自动化的综合评估方法流程如图3所示。

图3 配网自动化的综合评估方法流程Figure 3 Flow chart of comprehensive evaluation method in distribution automation

4 算例分析

该文计算实例如图4所示，是配电网中的其中一个辐射型子网，该馈线系统包括24条线路，负荷点、熔断器、配电变压器各15个，3台自动开关，系统中的可靠性参数取自文献［19］，并根据某地区实际情况进行修改。算例中变压器故障率为0.015次/年，实现配网自动化系统前定位、隔离故障的操作时间总和是1 h，备用电源、备用变压器的切换时间为1.5 h，故障修复时间都为4 h，配网自动化改造后故障定位、隔离和切换操作的总时间为2 min，并且都假设熔断器可靠性100%，负荷点用户数为单位恒定值，负荷转移到备用电源供电时，全部负荷容量均不超过备用电源容量。

图4 配电网结构示意Figure 4 Schematic diagram of distributed network structure

根据前述修正的可靠性指标计算方法，可以得到采用和未采用配网自动化技术的系统平均停电频率、系统平均停电持续时间、用户平均停电时间、平均供电可用率和系统平均缺供电量。各项可靠性指标如表1所示，系统经济性评估指标如表2所示。

表1 系统可靠性指标Table 1 Reliability indexes of power system

表2 系统经济性评估指标Table 2 Economy index of power system

从表1的计算结果可知，实施配电自动化的系统平均停电持续时间减少了0.538 h/(户·年)，平均供电可靠率提高了0.000 061 45，平均停电缺供电量减少了189.87 kW·h/(户·年)。从系统可靠性角度来看，该地区进行配网自动化改造是一个值得考虑的方案。

配网自动化建设中包括配电主站、配电子站、配电终端和通讯系统的初期投资总成本为3 000万元，该拆分的辐射状子网的投资占全网投资的10%，约360万，设系统投资回收率为8%，规划年限为20年，设备寿命为25年，年运行维护费用占初始投资值的5%，该系统的总成本为35.41万元/年。根据表1的可靠性指标，供电公司可以增售电量189.87 kW·h/(户·年)，产电比取13.6元/(kW·h)。

从表2的计算结果可知，可靠性投资的效益成本比为1.159，净利润为5.645 5万元，因而从经济效益角度来看，该地区的配网自动化改造是一个具有较好投资前景的工程项目。

5 结语

笔者基于配网自动化系统，结合系统对停电时间的改善，修正了传统的配网可靠性评估模型，提出了将复杂配电网等效拆分成m个辐射状子网的分区评估方法。根据成本效益分析法，对配网自动化改造进行了经济性评估，得出系统效益与成本之间的利润关系，并且总结出配网自动化系统综合效益的计算流程。算例结果表明实施配网自动化改造可有效提高其可靠性和经济效益。

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