面向经济性与可靠性的FTU优化配置研究

郁舒雁，车延博，杨立勋，刘国鉴，刘校坤

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.天津天高感应加热有限公司，天津 300384)

面向经济性与可靠性的FTU优化配置研究

郁舒雁1，车延博1，杨立勋2，刘国鉴1，刘校坤1

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.天津天高感应加热有限公司，天津 300384)

馈线开关监控终端是重要的配电自动化终端设备，数量众多、安装分散，对数量和位置进行优化配置有利于提高配电自动化系统的可靠性、经济性。对此，提出了一种数量规划与位置优化分步进行的FTU配置方法：首先从经济性、可靠性两方面出发，基于非线性整数规划的方法进行FTU的数量优化配置，并借助遗传算法进行求解；其次考虑馈线开关附近的不同负荷类型及数量，兼顾不同类型FTU的功能特性，进行FTU的位置优化配置，从而达成配电自动化系统中FTU配置的最优方案。实际算例验证了方法的可行性。

FTU；优化配置；经济性；可靠性；遗传算法

Abstract: As FTU, an important distribution terminal unit, is installed dispersedly and used in a large amount, optimal configuration of its quantity and position is helpful to the improvement of the reliability and economical efficiency of the distribution automation system. In this background, this paper presents an FTU configuration method whereby quantity planning and positional optimization are made in separate steps. Firstly, considering both economical efficiency and reliability, FTU quantitative optimization configuration is made in a method based on nonlinear integer programming, and a solution is made with the help of genetic algorithm. Secondly, considering types and amount of different loads near the feeder switch as well as functional characteristics of different types of FTU, we make FTU positional optimization to find an optimal FTU configuration scheme in the distribution automation system. Practical calculation cases verify the feasibility of the proposed method.

Keywords: FTU, optimal configuration, economical efficiency, reliability, genetic algorithm

0 引 言

配电终端是配电自动化系统的主要组成单元，主要用于对开关站、配电室、柱上开关、线路等配电设备进行监测和控制，对系统的状态监测及故障处理具有重要作用。配电终端包含多种类型，其中馈线开关监控终端(Feeder Terminal Unit，FTU)是馈线自动化系统的主要元件，具有数量众多、安装分散的特点。在配电自动化系统中选配FTU的数量和位置，要合理控制建设成本，在最大程度上确保配电自动化系统的可靠性和经济性。

国内外学者在配电自动化优化配置方面开展的研究主要包括配电自动化的模式和结构选择、通信方案以及一、二次设备配合等[1]，其中，一次配电开关设备的优化配置研究偏多[2]。而针对二次配电终端配置方案的相关研究相对较少，尤其是FTU。文献[3]明确了FTU的配置数量以及布点位置对配电网故障定位的影响，但没有考虑到配电自动化系统的可靠性。文献[4-5]从投入产出和供电可靠性两个角度对配电自动化终端的数量优化配置进行了研究，但对其在配电网中安装的具体位置未做考虑。

本文提出一种面向经济性与可靠性的FTU数量和位置的优化配置方法。首先，借鉴已有的非线性整数规划的相关研究成果，以配电自动化系统终端的年总经济成本为优化目标，以系统可靠性为约束条件，利用遗传算法对系统中各类型FTU数量进行优化配置；其次，在数量配置已定的基础上，考虑各馈线开关附近负荷类型和数量的不同，对FTU的具体位置进行优化配置，从而实现FTU配置的整体最优；最后，通过算例，证明了所述方法的可行性。

1 FTU配置原则

FTU作为馈线自动化系统附近的主要执行单元，主要负责架空线路的分段开关和联络开关的监测和控制。按照实现功能不同分为二遥型和三遥型两大类，其中，二遥型FTU具有故障信息上传、开关状态遥信和数据遥测功能；三遥型FTU具有遥测、遥信、遥控和故障信息上传功能[6]。一般来说，柱上开关大多分散安置，一台FTU只能监控一个开关[7]。

FTU的基本配置原则：

(1)符合《配电自动化系统功能规范》、《配电自动化规划设计技术导则》相应规定。

(2)应结合实际工程中网架的基本情况、系统设备状况、配网经济性、可靠性的不同要求，合理进行。

(3)对重要性节点，如联络开关、特殊的分段开关，线路密集的开关站、环网柜和配电室，适合配置三遥终端；对一般的节点，如非重要性分段开关，适合配置二遥终端[8]。

(4)在实际工程中，应考虑FTU安装区域负荷情况，对于用电质量要求较高或负荷量大的地方，优先考虑使用三遥终端。

2 FTU的数量优化配置

2.1 经济性目标

定义某方案的年总经济成本C并作为评价安装配电终端的经济性目标，其包括投资成本CZ和年停电损失费用CL[9]:

C=CZ+CL

(1)

FTU的投资成本CZ包含系统的设备年投资费用CS和设备年运维费用CM:

(2)

其中x为FTU的台数，C0为单台FTU的投资现值，β为投资回收率，α为FTU的使用年限，h为运维费用占投资费用的比例系数。

CL与停电产生时间、停电持续时长和停电频率等有关，可简化表示为[10]:

(3)

其中Nf为所有的支路数量，n为所有负荷点数量，i为支路i的故障率，tij为支路i导致负荷j的停电时间，PQjk为负荷点j的第k类负荷大小，fjk为某类型负荷的单位停电损失费用。

2.2 可靠性约束

供电可靠性是配电系统规划、建设、运维、检修等环节技术的综合体现。系统平均供电可用率(Average Service Availability Index，ASAI)作为配电系统可靠性的重要评估指标，表示一年内配电系统可能的供电小时数与用户需要的供电小时数的比值，如式(4)所示:

(4)

故障处理时间主要由三部分组成：线路故障巡查时间t1，线路故障平均修复时间(包括修复后的合闸时间)t2，故障修复前的人工倒闸操作时间t3。馈线开关旁全部安装二遥配电终端时，t1近似取0；全部安装三遥配电终端时，t1和t3均近似为0。

2.3 遗传算法求解

FTU的数量优化配置是一个多约束、非线性的组合优化问题。常用的枚举法效率低下，无法逐一比较所有可行解的目标函数值，本文采用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)对此类问题求解。FTU数量优化配置问题的数学模型：

其中tij与FTU的数量及位置有关，N为安装FTU的馈线开关数量，ASAI0为系统平均供电可用率阈值。设配电线路上2个三遥终端之间为1个独立段，联络开关装设三遥终端，出线断路器也可以实现瞬时遥控。假设图1中L2发生故障，则：

(1)若馈线开关全部配置三遥终端，发生故障时断路器跳开，遥控断开k1、k2,闭合断路器和联络开关，则位于L1、L3、L4段的负荷点停电时间近似为0，L2段负荷点的停电时间为t2；

(2)若馈线开关全部配置二遥终端，k1、k2需要人工操作，则L1、L3、L4段负荷点停电时间近似为t3，L2段负荷点的停电时间为t2+t3；

(3)若k1、k3配置三遥(即k1、k3之间为一个独立段)，k2配置二遥，发生故障时断路器跳开，遥控断开k1、k3,遥控闭合断路器和联络开关，人工操作断开k2，遥控闭合k3，L3段负荷点恢复供电。则位于L1、L4段的负荷点停电时间近似为0，L3段负荷点停电时间为t3,L2段负荷点停电时间为t2+t3。

图1 部分馈线简图

实际工程绝大多数采用二遥、三遥混合的配置模式，且二遥、三遥位置无一般规律性。考虑二遥均匀穿插安置在三遥分割出的各个区域内(情形Ⅰ)和三遥区域内无二遥(情形Ⅱ)两种极端情况，求出两个三遥数量值，则一般情况的三遥数量在两值之间。

假设每段线路的故障率均为λ，负荷点均匀分布在开关所分割的支路之间，负荷大小和单位负荷停电损失费用取平均值，设为常数。

对于情形I，各段上负荷点总的停电时间为:

(6)

则式(5)可化简为:

(7)

同理，对于情形II，式(5)可化简为：

(8)

在两种极端配置的情况下，可以分别得到二遥、三遥数量在情形I、II下的两种最优解，则FTU的优化配置数量即在这两种解之间。

3 FTU的位置优化配置

在确定二遥、三遥终端具体配置位置时，考虑终端配置点附近负荷量大小及负荷类型等实际因素。不同的负荷有不同的优先等级，用户类型基本分为三类：居民用户，商业负荷，特殊负荷。馈线开关附近负荷优先等级用θi来表示，θ较大的配置点优先配置三遥。

(9)

其中nik为馈线开关i附近k型负荷的数量，wk是k型负荷的权重因子。

由专家知识和实际操作经验可得，各类型负荷的权重因子如表1所示。

表1 各类型负荷所占权重因子

设定阈值θ0，当θi≥θ0时，需配置三遥终端；当θi>θj时，i处优先配置三遥终端。

4 算例分析

图2 IEEE RBTS-BUS 5系统

利用本文提出的优化配置方法对IEEE RBTS-BUS5系统[12]1673中的第2条主馈线进行优化配置，该馈线上有6个负荷节点，5个馈线开关，联络开关和进线断路器均可实现遥控，如图2所示。

假设馈线开关分成的各段故障率相同，取λ=0.2次/年，t1=1.5 h，t2=5 h，t3=0.5 h；三遥、二遥的现值分别取10万元/台、2.5万元/台，h=0.03，α=20，β=0.1。各节点单位电量停电损失数据统一取18.3元/(kW·h)，相关线路及负荷参数参见文献[12]1672-1675。当考虑情形I、II时，各节点负荷大小取平均值,适应度函数设定为F(x3,x2)=20-y(x3,x2)。设定ASAI0的值为0.999 82，5个开关位置全部配置三遥时ASAI=0.999 886，全部配置二遥时，ASAI=0.999 817。

利用MATLAB的遗传算法工具箱，得到情形I和情形II的数量配置情况。参数设置如下：Ymax=20，Px=0.05，Pc=0.8，Pm=0.001，T=100。收敛过程如图3所示(两图中均是上方曲线为平均值，下方为最优值)。

图3 遗传算法收敛过程

由于此算例较小，终端数量少，可通过手动计算进行算法验证，如表2所示。

表2 FTU数量优化配置结果

根据表2中的数量配置结果及各负荷点的实际负荷情况进行位置的优化配置。当5个开关附近全部配置三遥配电终端时，ASAI=99.989%，C=10.99万元。当配置4个三遥、1个二遥时，负荷点优先等级如表3所示，计算得，ASAI=99.987 8%，C=10.453万元。

表3 负荷点优先等级

经过上述验证，该线路配电终端的优化配置结果为：馈线开关处共安装四个三遥、 一个二遥，且二遥安装点为馈线开关4附近。此时，供电可靠性满足要求且经济性最优。以此类推，可规划其它线路上配电终端的数目及位置。若每条线路的经济性、可靠性均达标，整个系统的经济性、可靠性必能达标。该方案在满足可靠性要求的基础上，保证了经济效益的最大化。

5 结束语

本文提出了一种数量规划与位置优化分步进行的FTU配置方法，考虑到经济性、可靠性以及馈线开关附近的不同负荷类型及数量，兼顾不同类型FTU的功能特性，并将遗传算法应用于FTU数量的优化配置，实现了二遥、三遥终端数量和位置的优化确定。将本文方案应用于RBTS-BUS5系统，取得了较好的配置结果，为馈线自动化的实施以及配电系统的改造提供了有效的技术支持。

[1] 徐丙垠, 李天友, 薛永端. 智能配电网与配电自动化[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(17):38-41.

[2] SHAMMAH A A E, El-ELA A A, AZMY A M. Optimal location of remote terminal units in distribution systems using genetic algorithm[J]. Electric Power Systems Research, 2012, 89(4):165-170.

[3] 陈得宇, 沈继红, 张仁忠,等. 配电网故障可观测的实现及馈线终端单元配置方法[J]. 电网技术, 2011, 35(2):94-99.

[4] 刘健, 程红丽, 张志华. 配电自动化系统中配电终端配置数量规划[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(12):44-50.

[5] 郑玲玲, 王铮, 杨丽徙. 不同网络结构及可靠性要求环境下FTU的最优配置[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43 (24):69-74.

[6] 黄汉棠. 地区配电自动化最佳实践模式[M]. 北京：中国电力出版社, 2011.

[7] 龚静. 配电网综合自动化技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2008.

[8] 胡一波, 张忠会, 何乐彰. 基于供电可靠性的配电终端模块配置[J]. 电测与仪表, 2016, 53(3):124-128.

[9] 王宗耀, 苏浩益. 配网自动化系统可靠性成本效益分析[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(6):98-103.

[10] 王旭东, 梁栋, 曹宝夷,等. 三遥配电自动化终端的优化配置[J]. 电力系统及其自动化学报, 2016, 28(2):36-42.

[11] 向万里, 马寿峰. 基于轮盘赌反向选择机制的蜂群优化算法[J]. 计算机应用研究, 2013, 30(1):86-89.

[12] BILLINTON R, JONNAVITHULA S. A test system for teaching overall power system reliability assessment [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1996, 11(4):1670-1676.

A Study on FTU Optimal Configuration Aiming at Economical Efficiency and Reliability

Yu Shuyan1, Che Yanbo1, Yang Lixun2, Liu Guojian1, Liu Xiaokun1

(1. College of Electrical and Automation Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Tiangao Induction Heating Co. Ltd., Tianjin 300384, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.023

TM769

A

1000-3886(2017)03-0077-03

定稿日期: 2016-10-25

本文获得国家电网公司总部科技项目 “配电自动化系统精益化运维关键技术研究与开发”的资助，国家留学基金委资助项目(201506255062)资助

郁舒雁(1992-)，女，河北廊坊人，硕士生，研究方向为配电系统自动化。 车延博(1972-)，男，山东聊城人，博士，副教授，研究方向为电力电子在电力系统中的应用。 杨立勋(1971-)，男，天津人，硕士，研究方向为新能源。