面向泛在电力物联网的配电网一二次协同规划设计研究

陈嘉敏，赵天煜

（1.杭州市电力设计院有限公司，浙江 杭州 310000；2.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

通过进一步强化配电网网架结构，可提升配电网对复杂运行环境的适应能力，加强对现有配电网自动化设备运维的运行效率，同时充分利用现有自动化设备收集的基础数据，深度挖掘基础数据价值，为规划、运维、检修等生产管理方面提供精细化的指导性建议，以此进一步深化“坚强智能电网”目标。

着重发展物联网基础设施建设，应用传感、定位、通信和边缘计算等技术，实现物与物、物与人、人与人之间的连接，对物理世界进行数字化反映，并通过数据处理作出一系列反应和操作。利用物联网技术可有效诊断内部运营问题，识别外部需求，准确定位到业务管控节点，更好地推进精益化管理，满足客户的多元要求，快速响应市场变化。依托物联网增强内部感知能力，进一步增强对生产运营的感知度，增强企业内在活力和服务经济社会的能力，助力构建低碳清洁、安全高效的能源体系。

无论是各方专家对配电网可靠性的研究，还是当前进行的规划设计，均针对各种模型的可靠性与经济效益计算进行分析，对主配网衔接的模型设计无相应的精准模型。

1 国内外配电网一二次规划介绍

1.1 法国配电网

著名的小巴黎配电网采用20 kV中压集群供电，每回主干线路上配置2～3个自动化控制节点。中压保护整定根据接地方式相应配套，但包括安全自动装置，总体配置非常简单。

1.2 新加坡配电网

新加坡配电网采用22 kV花瓣式供电结构。“花瓣”间开环运行，互为备用。每个环网室进出线配置配网自动化装置，主干线路配置纵差保护。

1.3 雄安配电网

雄安10 kV配电网规划分单环网、双环网和双花瓣3种典型接线[1]。配网自动化按国内标准全覆盖配置，而高可靠性区域采用分布式DTU，逐步适应网架自愈功能。

2 研究内容

本次研究立足于高供电可靠性和高电能质量，积极探索三型两网的指导思想在配电网规划设计方面的实践，将自动化、通信、人工智能以及综合能源服务站等内容统筹纳入，将有配电网规划从原本有的单纯能源网络规划拓展为能源网+数据信息网。正如“三型两网”是一个有机整体，一方面一次网架规划严格遵循配电网规划的技术指导原则提出要求，另一方面将泛在物联网相关的智能设备、通信等基础设施配置纳入规划设计，同时优化PT、CT以及开关等元件选型。

2.1 网架结构

针对不同网格内用户差异化可靠性需求，可采用各种网架结构，一般如单环网、双环网、N供1备、大型开关站等[2]接线形式，但应具备向更高可靠性过渡的条件。例如，大型开关站双路供电可拓展为配对式中压合环运行模式。

在谐波治理方面，对于谐波采用多电源点直流供电系统，避开了交流系统下不同源电源点无法环网供电的问题，可在部分电源故障的情况下真正做到供电高可靠性（供电可靠性逼近100%），同时为光伏发电、储能站以及电汽车等直流电源的接入提供便利。

针对未来不停电作业的需求，将设备选型和配置要求纳入规划和设计中，进一步减少计划停电时间，提高供电可靠性。

2.2 智能设备

配电网系统在未来不仅将作为能源网，而且势必将成为承载庞大数据的物联网基础。如此庞大的数据流无法通过少量的数据中心进行计算处理，尤其是底层大量实时性要求极高的电气数据。因此，在将配电网自动化发展成为泛在物联网的道路上，引入了边缘计算的理念。对不同类型的数据，采取分层分区的方式，针对部分数据进行就地及建设子站先行处理的方案进行自动化规划，可减少通信通道建设投资，并降低数据中心的建设难度。

2.3 保护配置

将配电网保护配置纳入规划范围内，在宏观上为精准投资提供了参考依据。通过分析多类地区的故障类型，在原有网架规划原则的基础上，相应配置保护装置，以解决主干线故障定位不准确、保护定值极差配合难以及人工转供时间长等问题。针对不同的供电可靠性要求，配置相应保护及供电恢复的控制设备，研究制定了相应数据支持配置原则。

2.4 通信配置

在通信技术快速发展的今天，各类通信资源是各方争夺的主战场，也是泛在物联网建设必不可少的一环。将通信纳入配电网规划范围，可进一步加强精准投资的力度，同时为泛在物联网的建设打好数据网络的物质基础。

2.5 数据处理

在加强配电网终端各类数据采集的基础上，探索对数据中心、数据基站以及终端等多层级数据处理应用与价值的挖掘，提高用户用电的体验。

2.6 运维方式

在采用上述自动化配置后，精确的故障定位将缩短人工寻找故障点的时间，智能化的负荷转供将缩短人工恢复非故障段的时间。在大幅度减少抢修、运维的人工工作量的同时，它也能大幅度提高抢修及运维效率。需要注意，规划中需充分考虑不停电作业对一次设备选型和配置的需求，从管理的角度进一步提高供电可靠性。

2.7 全感知

配网状态的全感知，即通过先进可靠的设备和系统实现对配电网正常运行、状态预警、故障发生和清除时重要数据的收集，做出智能判断，以提高调度、运行和控制能力，实现配网的可观可控。这个实现过程包括了设备的升级，即采用集成、环保、低损耗的智能化设备和管理系统升级到更自动化、信息化和智能化的状态。

3 保护自动化配置技术模型

各种自动化保护配置方式下，各类故障导致的停电时间不同。若要继续降低停电时间，提升供电可靠性，可通过解耦和提速两个途径来实现。

3.1 故障分析

对于出口断路器故障，若不采用合环供电的方式，将影响线路上所有负荷的供电。但是，联络开关可以配置为断路器，并安装相应的自愈功能。

对于线路故障，需基于大量的训练提高人工操作速度，难度较大。

对于分段开关故障，快速更换故障分段开关是缩短同一节点负荷故障停电时间的有效手段，而采用断路器作为联络开关也能缩短停电时间。

对于母线故障，同一母线上的所有负荷节点均会停电。采用断路器，靠近电源侧的负荷不会受到影响，可以缩短停电时间。

对于配变故障，可通过采用分气箱开关缩短开关或配变更换时间。此外，即使同一母线其他配变的复电时间仍然为1 h，但如果提高分支线保护的性能，可使得对其他配变的影响相关系数降低到1%。

国网典型城市中压配网典型结构自动化配置[3]，如表1所示。

3.2 高可靠性区域配置

若采用保护自愈配置，将线路分段开关和联络开关改成断路器，可提高分支线保护的可靠性，并采用分气箱的环网柜，能满足A+区域对供电可靠性的要求。

该配置适用于A+类区域、存在分布式能源的A+以及A类区域双环网。通过三遥实现电气状态实时监控，差动保护实现主干线故障定位隔离，馈线保护实现馈线故障隔离，站间备投完成负荷转供。详细配置及投资估算如表2所示。

表1 国网典型城市中压配网典型结构自动化配置推荐

该配置适用于A、B类区域无分布式能源接入双环网。通过三遥实现电气状态实时监控，配调主站配合人工操作实现故障定位、负荷转供功能。详细配置及投资估算如表3所示。

表2 双环网（站间备投）投资预算表

表3 双环网（三遥）投资预算表

4 结 论

本文用近似估算法分析了国网典型城市电缆环网结构在配置不同保护和配网自动化方式下的故障停电时间。结果表明：站间备投/多路径自愈（解列）和分段差动+（简易）母差可以满足A+类供区可靠性要求。同理，各类网架结构在不同自动化、保护、通信、PT、CT以及分段开关配置下可产生相应的可靠性结果，也会对智能感知的需求产生不同的适应性。

5 成 效

在配电一次网架规划的前提下，应用自动化和保护系统后，通过精确的故障隔离和快速的负荷转供，可减少线路故障情况下用电负荷的失电。将智能设备应用于日常检测和运维，可以大幅提高部分检测、运维的工作效率，配合带电作业及发电车的应用，大幅减少计划停电时间。自动化及保护系统能够直接减少配电网各类开关设备日常倒闸操作等运行维护的工作量。在线路预安排停电或调整线路运行方式时，可通过远程操作减少运维人员现场操作的时间和行程。自动化及保护系统能够最大限度地发挥低压配网的供、配电能力，充分利用相关一次设备资源，降低一次设备闲置率，从而改善低压配网设备的整体运行环境，推迟设备更新换代的新建投资。