榮秀婷，葉 彬，陳 靜，李 周，張金平

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022) (2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

配電網(wǎng)與用戶直接相連，供電可靠性對電力用戶有著極其重要的影響，因此加強配電網(wǎng)可靠性的評估具有重要意義[1]。配電自動化[2]可以實現(xiàn)電網(wǎng)故障的快速定位與隔離，從而快速恢復(fù)供電，是改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量、提高供電可靠性的重要手段[3-6]。

目前，有關(guān)配電系統(tǒng)可靠性的計算方法很多，有故障模式后果分析法[7-9]、蒙特卡羅模擬法[10-12]、狀態(tài)空間法[13]、網(wǎng)絡(luò)等值法[14]、系統(tǒng)狀態(tài)枚舉法等，其中故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA)以元件組合關(guān)系、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行特點為基礎(chǔ)[15]，對分析不同接線模式的可靠性有很強的適應(yīng)性。但該方法中因故障而停電的時間不隨配電自動化終端配置的數(shù)量及位置的變化而變化，不適合對已實現(xiàn)自動化線路的評估。

本文在已有故障模式后果分析法的基礎(chǔ)上引入開關(guān)自動化狀態(tài)因子，結(jié)合自動化終端上報的開關(guān)狀態(tài)信息判斷動作開關(guān)位置，根據(jù)動作開關(guān)配電自動化狀態(tài)得出故障查找時間及開關(guān)動作時間。經(jīng)改進(jìn)的故障模式后果分析法得出的可靠性評估指標(biāo)，能夠充分體現(xiàn)實施配電自動化對提升配電網(wǎng)可靠性的效果，通過某市A類供電區(qū)架空多分段單聯(lián)絡(luò)測試模型驗證了改進(jìn)方法的可用性和有效性。最后結(jié)合安徽地區(qū)配電網(wǎng)實際情況，綜合考慮不同終端配置方案對可靠性與經(jīng)濟(jì)性的影響，給出了終端配置實用性原則。

1 配電系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)

配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)用于定量評估配電系統(tǒng)的可靠性，目前比較典型的可靠性指標(biāo)有以下幾個。

1)系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)SAIFI(次/(戶·a))。

SAIFI是指系統(tǒng)中運行的用戶在一年時間內(nèi)的平均停電次數(shù)，計算公式為：

(1)

式中：λi為負(fù)荷點i的年故障率；Ni為用戶數(shù)。

2)系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標(biāo)SAIDI(h/(戶·a))。

SAIDI是指系統(tǒng)中運行的用戶在一年時間內(nèi)經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間，計算公式為：

(2)

式中：Ui為負(fù)荷點i的年停電時間。

3)用戶平均停電持續(xù)時間指標(biāo)CAIDI(h/(停電用戶·a))。

CAIDI是指一年中每個受停電影響的用戶每次停電所持續(xù)的時間，計算公式為：

(3)

4)平均供電可用率指標(biāo)ASAI(%)。

ASAI是指一年中用戶可用電小時數(shù)與用戶要求的總供電小時數(shù)之比，計算公式為：

(4)

2 故障模式后果分析法的優(yōu)點及不足

故障模式后果分析法首先列出系統(tǒng)全部可能的狀態(tài)，以段作為負(fù)荷轉(zhuǎn)移的最小單位，以每一個線路元件為對象，分析每一個基本故障事件及其后果；然后依次設(shè)置故障情況下各元件的故障率及停電時間，并分別計算當(dāng)前故障下的供電可靠性指標(biāo)，將結(jié)果累加就可以求出各負(fù)荷點的供電可靠性指標(biāo)；最后根據(jù)式(1)～(4)計算整個配電系統(tǒng)的供電可靠性指標(biāo)。

故障模式后果分析法以元件為最小單位，利用自下而上的分析法，具有簡單易操作、適應(yīng)性強的優(yōu)點。但該方法中元件故障停電時間為定值，不隨配電自動化終端安裝位置及數(shù)量的變化而變化。而安裝的自動化終端將采集到的元件電流值、電壓值、開關(guān)通斷狀態(tài)等信息反饋至配電自動化主站系統(tǒng)，工作人員根據(jù)反饋數(shù)據(jù)判斷線路故障類型及故障影響區(qū)段，采取相應(yīng)措施隔離故障、恢復(fù)非故障區(qū)段供電、故障段修復(fù)并恢復(fù)供電，最終使元件故障停電時間成為變量。安裝配電自動化終端，使配電網(wǎng)線路更加智能化、可視化，而原故障模式后果分析法并不能體現(xiàn)配網(wǎng)自動化在提高供電可靠性方面的優(yōu)勢。

3 改進(jìn)的故障模式后果分析法

針對現(xiàn)有故障模式后果分析法在計算元件故障查找時間及開關(guān)動作時間上的不足，本文引入開關(guān)自動化狀態(tài)因子,使其能夠適用于安裝配電自動化終端線路的供電可靠性評估。

故障查找時間等于單位線路故障查找時間與查找線路長度的乘積，公式如下：

tij1=ta×lij

(5)

式中：tij1為負(fù)荷點i在故障j下的故障查找時間；ta為平均單位線路故障查找時間；lij為負(fù)荷點i在故障j下的故障查找長度。故障查找從線路首端開始，若故障點兩端分段開關(guān)已安裝自動化終端，則可對故障段進(jìn)行快速定位，此時故障查找長度lij為0；若線路中部分分段開關(guān)已安裝自動化終端，則故障查找長度lij等于線路首端或前一自動化終端至故障段首端的長度。

故障隔離時間計算公式如下：

tij2=to+tc

(6)

式中：tij2為負(fù)荷點i在故障j下的故障隔離時間；to為開關(guān)或斷路器斷開時間；tc為開關(guān)或斷路器合閘時間。開關(guān)或斷路器的通斷時間由其自動化程度決定，具體如下：

(7)

(8)

故障修復(fù)時間tij3即負(fù)荷點i在故障j下的故障修復(fù)時間，為故障發(fā)生地區(qū)的故障修復(fù)時間統(tǒng)計值的平均值。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)負(fù)荷點i是否位于故障區(qū)域，得出故障停電時間tij的計算式為：

(9)

負(fù)荷點i的年故障率為：

(10)

式中：λj為故障j的故障率。

根據(jù)負(fù)荷點i的故障停電時間與故障率，可以得出負(fù)荷點i的年停電時間Ui：

(11)

根據(jù)以上公式，對SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI4個指標(biāo)的計算公式進(jìn)行整理，得：

(12)

(13)

(14)

(15)

4 算例分析與應(yīng)用

4.1 算例分析

圖1為某市A類供電區(qū)架空線路的測試模型，線路長度3km，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為三分段單聯(lián)絡(luò)，包括4個負(fù)荷，每個負(fù)荷點6個用戶，共24個用戶，由雙電源供電。變電站出口斷路器CB0已實現(xiàn)三遙。假設(shè)各開關(guān)的合閘與分閘操作時間相等。

圖1 架空線路測試模型

以負(fù)荷點LD1為例，當(dāng)全三遙配置時，建立其故障模式后果分析表，見表1。

表1 全三遙負(fù)荷點LD1故障模式及后果分析表

同理，全三遙時各負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)見表2。

表2 全三遙各負(fù)荷點故障模式及后果分析表

由式(12)～(15)計算得全三遙時系統(tǒng)供電可靠性指標(biāo)，具體見表3。

根據(jù)表1～表3，對開關(guān)配置不同配電終端情況下的供電可靠性進(jìn)行計算，得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)見表4。

通過表4可以看出，系統(tǒng)供電可靠性在全三遙情況下最高，在全手動情況下最低，符合實施配電自動化終端對線路供電可靠性提升的事實。傳統(tǒng)故障模式后果分析法，僅能計算全手動情況下系統(tǒng)供電可靠性。而本文基于配電自動化的配電系統(tǒng)供電可靠性評估方法，能夠計算在開關(guān)采取不同配電終端配置方案時的系統(tǒng)供電可靠性，精確度更高，差異性更明顯。

表3 全三遙系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

表4 各終端配置方案系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

4.2 算法實際應(yīng)用

以安徽省例?？紤]安徽省現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在計算出不同供電區(qū)各接線模式下不同終端配置方案的可靠性評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，充分考慮經(jīng)濟(jì)性與可靠性要求，得出安徽地區(qū)的終端配置實用性原則。各供電分區(qū)每回線路所需配置的三遙或二遙終端數(shù)量見表5。

表5 各供電區(qū)三遙或二遙終端配置方案

注：應(yīng)優(yōu)先選取聯(lián)絡(luò)開關(guān)配置三遙終端；三遙、二遙終端混合方案以“a+b”形式表示，其中a表示三遙終端個數(shù)，b表示二遙終端個數(shù)。

A類地區(qū)仍有50%的線路為架空網(wǎng)，僅增加分段不能滿足可靠性需求。對于A類地區(qū)架空線路，建議結(jié)合農(nóng)網(wǎng)升級改造，實施電纜化改造工程，以降低線路故障率，提高供電可靠性。同時應(yīng)通過加強管理，深入開展帶電檢測、不停電作業(yè)配電網(wǎng)管理提升方式提高供電可靠性。B類地區(qū)典型接線需通過配置自動化終端來滿足可靠性要求。C類地區(qū)典型接線在不配置自動化終端時已能滿足供電可靠性要求，但為實現(xiàn)可觀可測及進(jìn)一步提高供電可靠性，建議每2km線路配置1個二遙終端或故障指示器。D類地區(qū)為滿足供電可靠性要求，建議每5km線路配置1個基本型二遙終端或故障指示器。

5 結(jié)束語

本文依據(jù)開關(guān)在可靠性計算過程中的不同作用，引入開關(guān)自動化狀態(tài)因子，修正了負(fù)荷點供電可靠性指標(biāo)計算公式，對傳統(tǒng)的故障模式后果分析法進(jìn)行了配電自動化適應(yīng)性改進(jìn)。對算例的分析結(jié)果驗證了模型的正確性，并肯定了自動化開關(guān)在提高配電網(wǎng)可靠性中的重要意義。算例結(jié)果顯示：3km架空線路全三遙時可靠性為99.993 4%，全二遙時可靠性為99.992 0%，全手動時可靠性為99.988 1%，不同的終端配置方案的可靠性不同。可見，配置自動化終端個數(shù)越多，供電可靠性越高；配置自動化終端個數(shù)相同時，三遙終端個數(shù)越多，供電可靠性越高。三遙終端和二遙終端對可靠性提升的效果、價格、實施難度上有較大的不同，若能在配電網(wǎng)中對它們靈活運用，既可達(dá)到提高供電可靠性又可實現(xiàn)減少投資的目的。