基于多元化负荷可靠性要求的配电自动化应用研究

何红斌,苏 黎,方昀晖,张树永

(1.国网湖南省电力公司,湖南 长沙 410007;2.北京清软创新科技股份有限公司, 北京 102200)



试验研究

基于多元化负荷可靠性要求的配电自动化应用研究

何红斌1,苏 黎1,方昀晖1,张树永2

(1.国网湖南省电力公司,湖南 长沙 410007;2.北京清软创新科技股份有限公司, 北京 102200)

随着社会经济的不断发展，配电网中的负荷日益呈现多样性和复杂性的特点，且不同类型负荷对电力系统可靠性和供电质量的需求各异，因此，开展基于多元化负荷接入特性对可靠性要求的配电自动化规划方法研究具有重要的理论与实际意义。以长沙市芙蓉区为例，首先分析芙蓉辖区内主要行业负荷的特性，结合行业特点确定不同负荷的供电可靠性需求；随后依据所辖区的供电可靠性规划、人工故障区域隔离时间、故障修复时间和故障率确定供电线路所需配电终端的数量，结合每条馈线的负荷类型、网架结构与分段开关的重要程度，确定配电终端的类型与布设位置；最后基于各类型设备的数据采集量与所辖区配电网的现状及规划，估算主站处理数据量，明确主站的建设类型及相应的软硬件功能配置。芙蓉区实施配电自动化后用户供电可靠性显著提高，其中永华线实施全三遥终端配置后供电可靠性从99.997 99%提升至99.999 46%，五一水泵线实施三遥与二遥组合终端配置后，其供电可靠性从99.993 55%提高到99.997 25%。

多元化负荷；配电自动化；终端配置；供电可靠性；配电终端

配电网位于电力供应链的末端，向社会和广大客户提供直接的供电服务；配电网的自动化应用可改善电网的供电质量，即提高供电的可靠性，进而增加设备利用率，合理优化资源配置，最终搭建一个坚强智能的电网结构[1-6]。回溯过去，配电自动化的发展历程从最初的自动抄表与故障自动隔离，逐渐演变为可编程逻辑的自动控制系统，最终形成以配电管理系统、配电自动化、用户自动化作为主要内容的综合自动化系统，其中比较先进的综合自动化工程包括美国的SCE工程、纽曼工程、ComEd工程，以及德国、法国、英国等基于超级电容器的配电自动化系统[1,7,8]。20世纪90年代后期我国开始进行配电网的自动化研究，经过十几年的探索与实践，我国先后实现了简易型、实用型、标准型、集成型、智能型配网自动化的建设[9-10]。

目前，我国的经济发展已处于工业化中后期，即产业多样性丰富，社会分工日益细化，各行业的负荷类型逐渐呈现出多样性的特点[11]；而现有的电网规划普遍关注辖区范围内的最大负荷、总耗电量与供电半径等，较少考虑用户的负荷类型与用电特性，极有可能导致变电站或线路的能效降低。由于不同类型负荷对电力系统可靠性和供电质量的需求各异，因此，亟需开展基于多元化负荷接入特性对可靠性要求的配电自动化规划方法研究，进而有效缩短故障停电时间，提高供电可靠性和服务质量，满足多层次的用户需求，获取高附加值效益，适应未来城市电网的发展。

本文以长沙市芙蓉区为例，开展基于多元化负荷接入特性对可靠性的配电自动化应用研究，并以用户供电可靠性的变化评价配电自动化的实施效果。

1 基本情况

芙蓉区为长沙市的中心城区，位于主城区东部，总面积42.8 km2，常住人口60多万人，下辖13个街道与1个正县级单位。辖区内共有3座110 kV变电站，即窑岭变、芙蓉变与建湘变，共有2 284台配变，配变容量达1 684 817 kVA，其中608台为公用变压器，其配变容量达276 633 kVA，1 676台为专用变压器，其配变容量达1 433 284 kVA。辖区内共有101回110 kV线路，总长度为387.76 km，其中包括65.31 km长的架空绝缘线路与319.03 km长的电缆线路，线路的绝缘化率与电缆化率分别达99.12%与82.26%，线路的环网化率达到92.08%，仅有8条线路为单辐射接线。辖区内共有238台环网柜，其中90台为智能环网柜，配备有107台负荷开关、9台断路器、19台看门狗设备与21台快分开关。

2 多元化负荷分类及可靠性要求

电力系统用户繁多，且用电特性各异，为了简化电力负荷的分析、预测与规划，需要对用户负荷进行分类，目前几种常见的负荷分类方法包括基于变电站、多用户或单用户多时段的分类方法等。本文基于文献[11]提出的一种基于负荷特性指标的负荷分类方法，结合城市的行业特点，将芙蓉区的负荷划分为八类，分别为I类居民负荷；Ⅱ类商业负荷；Ⅲ类制造业负荷；Ⅳ类轻工业负荷；Ⅴ类教育科研负荷；Ⅵ类信息传输及计算机服务软件业负荷；Ⅶ类交通运输及仓储物流业负荷；Ⅷ类行政办公负荷。各类用户负荷的典型日负荷曲线如图1所示，并将其分解为周期分量、非周期分量和随机分量，以描述不同类型负荷的具体特性。

图1 不同类型负荷的典型日负荷曲线

从图1可知，Ⅰ类负荷的主要特征是用电量大，波动不频繁，且变化较小。Ⅰ类负荷与人们生活息息相关，特别是居民生活用电，对供电可靠性的需求随着人们生活水平的提高越来越受到人们的重视，频繁且长时间的停电会造成大量的用电投诉，直接影响供电企业的形象，需要保证较高的供电可靠性。Ⅱ类负荷的主要特征是用电量大，波动不频繁，但波动能力较强。商业作为重要的第三产业，是城市经济发展的主要原动力，需要具备较高的供电可靠性水平。Ⅲ类负荷的主要特征是用电量大，波动频繁，波动能力较强。工业负荷对用电量的贡献较大，短时间停电对其生产活动影响不大，对可靠性的要求不高。Ⅳ类负荷的主要特征是用电量小，波动频繁，且波动能力较强。轻工业负荷属于工业负荷，短时间停电对其生产活动影响不大，对可靠性的要求不高。Ⅴ类负荷的主要特征是用电量大，波动不频繁，波动能力不强。Ⅴ类负荷关系到教育和科研等基础科研活动，对供电可靠性的要求很高。Ⅵ类负荷的主要特征是用电量小，波动频繁，但是波动能力不强，且负荷平均水平较小。Ⅵ类负荷关系到信息安全的问题，对供电质量和供电可靠性要求很高，一般不允许停电。Ⅶ类负荷的主要特征是用电量小，波动不频繁，且波动能力不强。Ⅶ类负荷属于服务业负荷，短时间停电对其生产活动影响不大，对可靠性的要求不高。Ⅷ类负荷的主要特征是用电量小，波动不频繁，但是波动能力较强。Ⅷ类负荷属于政府服务负荷，对供电可靠性的要求较高。

3 基于多元化负荷可靠性要求的配电终端配置

配电终端是配电自动化系统的基本组成元件，包括具有遥测、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”配电终端以及具有本地保护功能的分界开关等。为了保证经济性与可靠性，需要合理选择配电终端的类型、数量与布设位置。文献[12]从投入产出与供电可靠性角度，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。本文基于文献[12]的理论研究，依据芙蓉区的供电可靠率规划、人工故障区域隔离时间、故障修复时间和故障率，确定供电线路所需 “三遥”或“二遥”终端的数量，结合供电线路的主要负荷类型、网架结构与分段开关的重要程度，确定配电终端的类型与布设位置。

芙蓉区属于A类供电区，拟规划的供电可靠性指标应达到99.99%，采取管理措施后故障停电户时数占总停电户时数的百分比应提升至80%，计算可知芙蓉供电区域内仅涉及故障停电因素的可靠性指标为99.992%。在故障定位指引下由人工进行故障区域隔离所需时间为1 h/次。故障修复时间为4 h/次。单条馈线的年故障率为馈线单位长度的年故障率与馈线长度的乘积。单位长度架空裸线的年故障率为0.1次/km·a，单位长度电缆的年故障率为0.04次/km·a，单位长度电缆架空混合馈线和绝缘架空线的年故障率为0.07次/km·a。通过文献[12]中所提供的计算公式，可依次确定每条馈线上全三遥、全二遥以及三遥与二遥组合时所需的终端数量，具体如表1所示。

表1 芙蓉区内单条馈线所需的终端数量

注：三遥与二遥组合时结果以“a+b”的形式表示，其中a与b分别表示所需三遥与二遥终端数量。

基于供电线路所需终端的数量，结合供电线路的主要负荷类型、网架结构、单线图与分段开关的重要程度，确定配电终端的类型与布设位置。

a.永华线

永华线的主干长度为3.032 km，现有环网柜5台，公变2台，专变20台，线路装接配变容量为22 000 kVA，为纯电缆线路。线路的负荷主要为Ⅷ类行政办公与Ⅴ类教育科研负荷，所辖负荷对供电可靠性的要求较高。需进行全三遥终端配置，则需2个三遥分段，适宜配置1～2个三遥终端。鉴于蔡锷南路5号开关站为该线路的联络作用分段，蔡锷南路3号开关站可作为关键分段节点，故选取这2座开关站作为三遥监控开关。

b.五一水泵线

五一水泵线所供用户主要为污水处理厂、航运负荷、织布厂负荷以及部分居民负荷，以Ⅰ类居民负荷、Ⅳ类轻工业负荷与Ⅵ类计算机软件业负荷为主，对供电可靠性的要求适中，宜采用三遥与二遥组合的终端配置方案，即布设1个三遥点与2个两遥点，分别为中山西三遥开关站、东汉两遥开关站与西长街2号两遥开关站。

c.苏家巷线

苏家巷线所供负荷主要为Ⅳ类轻工业负荷，其对可靠性的要求不高。按照城区负荷选点要求增设1个三遥点与2个两遥点，在013号杆至税务三分局与太平线联络处加装三遥断路器，且在004号杆与013号杆处各加装1个两遥分段开关。

d.佳润线

佳润线的主要负荷为Ⅵ类计算机软件业与Ⅰ类居民负荷，且线路相对简单，在百脑汇1号开关站配备1个三遥监控终端即可保证用户的可靠性需求。

e.吉祥线

吉祥线所供的负荷种类较多，主要以Ⅱ类商业金融负荷为主，需要较高的供电可靠性水平，增设1个三遥点与1个两遥点，即五一广场三遥开关站与口腔两遥开关站。

f.长塘线

长塘线所供负荷主要为Ⅰ类居民负荷，需要保证较高的供电可靠性，除了原有的040号杆8166三遥开关外，在023号杆加装1个三遥分段开关。

g.步行街1回

步行街1回所供负荷为Ⅱ类零售业和商业负荷以及Ⅴ类教育负荷，因此选取2个三遥点和1个两遥点作为监控对象，分别为学院街1号三遥开关站、道门口2号三遥开关站与司门口2号两遥开关站。

4 基于多元化负荷可靠性要求的配电自动化

配电自动化系统实时数据接入点测算包括系统实时采集数据，以及通过信息交互获取变电站、配电变压器实时数据两部分共同构成。在明确配电终端的类型与数量后，依据各类型设备的数据采集量与所辖区配电网的现状及规划，估算主站处理数据量，进而确定主站的建设类型及相应的软硬件功能配置。芙蓉辖区内共有3座变电站，43座箱变与配电室，608台公用变压器，1 676台专用变压器，238台环网柜，柱上开关116台。由于未拿到芙蓉区未来10年的详细电网规划，本文仅针对现状电网规模进行主站处理数据量进行估算，约23 500点。当配网实时信息量在10万点以下，宜建设小型主站。小型配电主站在生产控制大区配置2台数据库服务器，2台SCADA服务器(兼前置服务器和应用服务器)，1台接口服务器和1台磁盘阵列；在管理信息大区配置1台WEB服务器和1台接口服务器，二次安全防护装置及相关网络设备；在生产控制大区和管理信息大区之外配置2台无线公网采集服务器，二次安全防护装置及相关网络设备。

一般来说，常以用户供电可靠性的变化来表征配电自动化的实施效果。在芙蓉区配电网未进行自动化规划前，架空线路和电缆线路故障定位时间为1.5 h/km，变压器和开关设备故障定位时间为1.5 h/次，开关设备倒闸操作时间为0.5 h/次。实施基于多元化负荷接入特性对可靠性要求的配电自动化规划后，其中三遥开关设备倒闸操作时间为0.000 28 h/次，两遥开关设备倒闸操作时间为1.5 h/次，使得架空线路和电缆线路故障定位时间缩小至0.001 4 h/km，变压器和开关设备故障定位时间调整为0.001 4 h/次。以安装全三遥终端的永华线和三遥与二遥组合配置的五一水泵线为例，并结合北京清软创新科技股份有限公司自主研发的基于AutoCAD的配网规划软件，详细计算配电自动化实施前后供电可靠性的演变。

a.永华线

永华线实施全三遥终端配置后的计算模型如图2所示，相应的供电可靠性变化情况见表2。

图2 永华线配电网自动化实施效果计算模型

电网条件户均停电时间/(h·(户·a)-1)户均停电次数/(次·(户·a)-1)年停电小时数/(h·a-1)年停电次数/(次·a-1)供电可用率/%缺供电量/(MWh·a-1)未实施0.1758150.0451193.8679230.99261999.997990.390322实施后0.0477190.0102741.0498270.22603399.999460.122834

由表3可知，实施全三遥终端的配电自动化工程可显著提高电网供电可靠性效果，永华线供电可靠率可从实施前的99.997 99%提高至99.999 46%。

b.五一水泵线

五一水泵线实施三遥与二遥组合终端配置后的计算模型如图3所示，相应的供电可靠性变化情况见表3。

表3 五一水泵线配电自动化实施前后供电可靠性情况

表3显示实施三遥与二遥组合终端配置的配电自动化工程可提高电网的供电可靠性效果，五一水泵线从实施前99.993 55%提高到99.997 25%。结合表3可知，永华线的供电可靠性水平高于五一水泵线。结合两回线路电网模型可知，永华线配变基本实现了双电源，且主干线有联络线路，当实施配电自动化后，基本可实现不停电维修，因此供电可靠性水平可以达到99.999%以上，而五一水泵线配变基本都是单电源供电，同时五一水泵线西长街1号开关站后负荷均没有备用线路，主干线任意设备故障都将造成这些负荷的停电，从而使得五一水泵线可靠性水平低于永华线。

图3 五一水泵线配电网自动化实施效果计算模型

5 结论

a.基于日负荷曲线特性，将芙蓉区划分为八类行业负荷，即居民负荷、商业负荷、制造业负荷、轻工业负荷、教育科研负荷、信息传输及计算机服务软件业负荷、交通运输及仓储物流业负荷和行政办公负荷。

b.对芙蓉区内主要供电线路进行了配电终端类型、数量与布设位置的优化，涉及永华线、五水一泵线、苏家巷线、佳润线、吉祥线、长塘线与步行街1回等。

c.永华线的供电可靠性从99.997 99%提高至99.999 46%，而五一水泵线供电可靠性从99.993 55%提升至99.997 25%。

d.实施基于多元化负荷特性对可靠性要求的配电自动化工程可显著提高电网的供电可靠性，从而增加设备利用率与优化资源配置，逐渐形成一个坚强智能的电网结构。

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参考文献著录的原则

1.著录最必要、最新的文献。

2.著录作者亲自查阅过的文献。

3.首选的是正式出版的文献资源，未公开发表的零次文献也可引用。

4.采用标准化的著录格式。

5.文献数量恰当：研究性论文的篇均参考文献数量一般为20条左右(据2010年版《中国科技期刊引证报告(核心版)》，国内1 946种科技期刊发表的论文的引文量为12.93条/篇，而国外的期刊超过30条/篇)，综述类论文可多达四五十条甚至上百条。

Research on Application of Power Distribution Automation Based on the Pluralistic Load Characteristic with Reliability Requirement

HE Hongbin1， SU Li1，FANG Yunhui1，ZHANG Shuyong2

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha,Hunan 410007，China;2.Beijing Tsingsoft Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200,China)

With the development of social economy，the load in distribution network increasingly presents the characteristics of diversity and complexity.Moreover，different types of load has different requirements on power system reliability and quality of power supply. Therefore，it is of theoretical and practical significance to research on power distribution automation planning method based on multiple load access characteristics with reliability requirement. This paper selects the load cycle，average load and peak valley ratio characteristics index as the theoretical basis of the load classification，and further explores the change law of the 8 kinds of load power consumption，fluctuations frequency and amplitude. Then the reliability requirement for each load is demanded by the characteristics of the industry. Eventually the amount of distribution terminal and the structure of power network are optimized for various geographical and economic conditions. The proposed load distribution automation planning considering all kinds of load characteristics are applied in Furong district of Changsha，Hunan province. As a result，the power supply reliability of Yonghua line increases from 99.997 99% to 99.999 46% and Wuyi water pump line increases from 99.993 55% to 99.997 25%.

multiple load; power distribution automation;terminal configuration; power supply reliability; distribution terminal station

TM76

A

1004-7913(2017)04-0011-06

何红斌(1966)，女，高级工程师，主要研究方向为电网规划、分布式能源接入。

2016-12-30)