基于配电自动化故障管理的配电网扩展规划方法

陈东临

（国网湄洲岛供电公司）

0 引言

在社会主义经济快速发展进程中， 社会生产、 居民生活对电力资源供应可靠性提出了更高的要求， 电力系统配电网建设也受到了广泛的关注， 相关技术规范不断完善。配电自动化是充分发挥电力资源使用价值的关键手段。开展电力系统配电自动化扩展规划，可以减少电力系统故障发生后的停电时间， 保证电力资源的稳定、 可靠供应。但是， 当前关于配电自动化的配电网扩展规划方法仍然不够成熟， 无法及时有效解决配电自动化终端通信故障。因此， 从配电自动化故障管理视角思考新的配电网扩展规划方法具有非常突出的现实意义。

1 配电自动化故障管理内容

配电网自动化故障管理内容根据站点规模的变化而存在一定差异[1］。一般配电网自动化主站可以划分为大型、 中型、 小型等具备扩展功能的模式以及前置延伸型模式， 其中大型模式对应点数大于50 万点， 配置功能包括故障处理、 SCADA、 信息交互、 高级应用软件等； 中型模式对应点数在10 万点到50 万点之间，配置功能涵盖故障处理、 信息交互、 SCADA， 部分情况下根据需要可以选配高级应用软件模块； 小型模式对应点数少于10 万点， 配置模块包括信息交互、 故障处理、 SCADA； 前置延伸模式主要以主站前置方式延伸到监控区， 就地开展信息采集、 监控作业。

从故障管理实践来看， 不同模式的配电网均可执行终端故障检测， 记录故障电流信息， 判定故障区域， 正确隔离故障， 并在故障未准确隔离情况下重新执行故障定位并扩大故障隔离区域， 避免全部负荷失电[2］。

2 基于配电自动化故障管理的配电网扩展规划方法

2.1 构建配电网扩展规划模型

配电自动化是配电网电力资源供应可靠不间断地保障， 配电自动化装置涉及远程测控终端、 远程控制电容器、 配电线路故障指示器、 远程控制开关等。合理配置并应用上述装置， 可以有效减少用户因故障引发停电时间、 电网终端因故障损失效益[3］。此时， 需要借助配电网扩展规划契机， 搭建模型， 统筹配电自动化设备安装后的影响因素与变量。在基于配电自动化故障管理的配电网扩展规划模型中， 变电站S、 线路L均为决策变量， 不同决策变量表示含义见表1。

表1 配电网扩展规划变量

在明确决策变量的基础上， 根据配电网扩展规划利益最大化要求， 考虑配电自动化故障管理直接成本（投资成本、 系统维护成本） 、 收益 （可靠性收益） 以及间接成本 （运行成本、 故障损失成本） 、 收益 （售电收益）， 构建目标函数如下：

式中，CDN为配电网扩展规划总利益；Cs为配电网扩展规划售电收益， 与系统数合计消耗总有功功率、 单位售电电价、 日节点峰值负荷、 年节点平均停电时间等具有较大关系；Ct为投资成本， 与变压器投资成本、 变压器类型集合、 贴现率、 新建变电站节点集合、 新建线路长度、 线路所用材料类型集合、 线路单位距离投资成本以及自动重合闸、 熔断器、 隔离开关、 熔断器、 故障指示器的投资成本具有较大关系；Cf为废弃处置成本， 与拆除线路集合具有较大关系；Cw为电力系统维护成本， 与变电站单位容量维护成本、 线路单位距离维护成本以及断路器维护成本、 隔离开关维护成本、 自动重合闸维护成本、 故障指示器维护成本、 熔断器维护成本具有较大关系；Cy为电力系统运行成本， 与线路网损因数、 线路网络损耗、 现有总线路集合、 变电站内变压器容量、 变电站年运行成本等具有较大关系；Cg为故障损失成本， 与电力系统电量不足期望值、 丢失负荷成本具有较大关系。

在式-1 设置的基础上， 根据配电网安全运行边界条件， 设置支路潮流约束， 具体如下：

式中，Uimin为节点i电压幅值上限；Uit为节点i 电压幅值；Uimax为节点i电压幅值下限。

2.2 求解配电网扩展规划模型

配电网扩展规划模型求解具有非线性特点， 可以选择搜索能力相对较强、 求解速度更快的遗传算法。首先， 将配电网扩展规划决策变量与遗传算法中个体基因一一对应， 将配电网扩展规划决策变量组合与遗传算法中个体染色体一一对应， 将配电网扩展规划决策集合与遗传算法中种群一一对应。随机执行配电网扩展规划决策初始化操作， 获得染色体各异的个体，完成整个遗传种群随机初始化。

其次， 考虑配电自动化故障管理， 以配电自动化故障下配电网运行可靠性作为遗传种群个体适应度，计算因故障停电引发的电力用户电量短缺， 具体如下：

式中， EENS 为因故障停电引发电力用户电量短缺值 （系统电量不足期望值）；OL为新建线路集合；L为线路；Ov为系统负荷节点集合；i为故障节点； Hi为线路L的故障率；Pi（t）为t时刻节点i的变电站电力系统实际消耗总有功功率[4］。

根据式 （3）， 将故障下电网运行可靠性、 电力用量不足期望值分别作为约束条件判断、 运行安全性判断指标， 为遗传种群个体优良或劣质评价提供依据，生成下一代种群。根据式-3 对下一代种群进行评价，借助选择机制筛选满足配电自动化故障管理可靠性的个体， 并重复执行遗传算子交叉、 变异操作， 获得下一代种群。

最后， 判定种群是否实现最大进化代， 若是， 则计算个案对应方案总体收益， 筛选促使配电网扩展规划效益最大化的方案， 反之则继续开展个体适应度计算。最终输出3种方法， ①： 以成本最小化为目标， 不考虑配电自动化故障管理； ②： 以配网利益最大化为目标， 不考虑配电自动化故障管理； ③： 以配网利益自动化为目标， 考虑配电自动化故障管理。

3 基于配电自动化故障管理的配电网可靠性评估

3.1 可靠性等级设置

根据配电自动化故障管理对应的电力资源供应可靠性等级， 合理划分供电等级， 具体见表2。

表2 基于配电网自动化故障管理的配电网可靠性等级

3.2 故障停电区域划分

在故障发生后， 停电区域划分见图1。

图1 停电区域划分

如图1 所示， 在节点N2、 N3 之间发生故障时， 距离故障线较近的上游断路器跳闸， 重合闸失败， 断路器控制下游节点N2、 N3、 N4 均失电[5］。此时， 借助配电自动化故障管理， 经隔离开关S1隔离故障， 断路器合闸， 促使节点N1、 联络开关N4 先后恢复电力资源供应， 后续经人员现场修复恢复N3 节点电力资源供应。基于此， 可以将全部节点划分为A 级区域 （含节点N1） 、 B 级区域 （含节点N2） 、 C 级区域 （含节点N4） 、 D 级区域（含节点N3） 。在最小隔离区划分后， 假定电力系统内各个元件故障相互独立且集中表现为指数分布， 计算电力系统元件在配电自动化故障管理模式下可靠运行的概率， 具体如下：

式中，R为系统元件在配电自动化故障管理模式下可靠运行的概率， %；H为元件故障率， %；t为年份，年。由此计算单位年内仅物理元件发生故障的故障率、仅信息元件发生故障的故障率、 物理元件与信息元件同时发生故障的故障率。根据最小间隔区域线路相通性， 借助可靠性串联思维计算区域故障率， 具体如下：

式中，Hct为t年份c区域的故障率， 次/年；Hi为第i条线路的年故障率， 次/年；n为配电网最小隔离区域线路数量[6］。根据式 （4）， 以分段开关、 断路器为边界， 依据深度优先思维， 搜索最小隔离区域上游开关设备、 下游开关设备。进而统计全部配电自动化故障情况下负荷节点停电时间， 将统计结果转换为以年为单位的负荷节点停电时间， 故障上游、 下游隔离开关立即动作， 隔离故障， 促使上游局部节点恢复正常供电， 随机联络开关动作借由转供方式促使下游部分节点恢复电力资源供应。

3.3 配电网可靠性评估

以ⅠEEE-33 节点配电网测试系统为对象， 评估配电网扩展规划方案可靠性。ⅠEEE33 节点配电网测试系统由一座小型电场、 一座抽水蓄能电站、 一台燃气轮机组组成， 电场接于节点21， 抽水蓄能电站接于节点10， 燃气轮机接于节点17， 电压基准值为12.66kⅤ， 功率基准值为10MⅤA。采用式 （4） 的方法对虚拟电场进行计算。代入现有参数， 计算配网扩展规划的变电站方案可靠性以及成本效益。

由表3可知， 方案③可靠性较高， 成本适中， 且效益较高， 可以应用到现实配网扩展规划中。

表3 配网扩展规划可靠性计算

4 结束语

综上所述， 配电自动化故障管理在电力系统中发挥着越来越重要的作用。为了促进配电自动化故障管理效率与精度提升， 需要采取有效的配电网扩展规划方法。即先明确配电自动化故障管理内容， 再以供电利益最大化为根本遵循， 统筹线路建设、 容量、 变电站位置， 搭建基于配电自动化故障管理的配电网扩展规划模型， 在模型中借助遗传算法求解。最后根据配电自动化故障下的配电网可靠性等级标准， 评估基于配电自动化故障管理的配电网可靠性， 确定配电网扩展规划方法在现实业务中的应用可行性。