王桂棟，周從容，馬幼捷，周雪松，高志強(qiáng)

(1. 天津理工大學(xué) 天津300384；2. 天津大學(xué) 天津300072)

河北南網(wǎng)配電自動(dòng)化終端配置應(yīng)用研究

王桂棟1，周從容2，馬幼捷1，周雪松1，高志強(qiáng)1

(1. 天津理工大學(xué) 天津300384；2. 天津大學(xué) 天津300072)

配電自動(dòng)化是提高供電可靠性的必要手段。配電終端作為配電自動(dòng)化建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，起著收集配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息的作用。提出一種實(shí)用的終端選型與終端量化方法。方法目標(biāo)函數(shù)中考慮了年終端投資成本、年運(yùn)行維護(hù)成本、廢棄處理成本以及實(shí)施配電自動(dòng)化后取得的經(jīng)濟(jì)效益，此外將可靠性作為約束條件，最后利用數(shù)學(xué)工具拉格朗日乘數(shù)法來(lái)求得最優(yōu)的終端配置方案。通過(guò)選取保定地區(qū)某條饋線，驗(yàn)證說(shuō)明了方法的可行性與有效性。

配電自動(dòng)化 配電終端 可靠性

0 引 言

配電自動(dòng)化是利用現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地理圖形進(jìn)行信息集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)及其設(shè)備在正常運(yùn)行及事故狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、用電配電管理的現(xiàn)代化。配電自動(dòng)化是配電網(wǎng)發(fā)展到一定階段后提高供電可靠性的重要手段。當(dāng)前新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)等新技術(shù)發(fā)展也都離不開(kāi)配電自動(dòng)化技術(shù)的支撐，配電自動(dòng)化的實(shí)施將有助于消納更多的新能源、提高電能質(zhì)量。

配電自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中，主子站建設(shè)、通訊方式選擇和終端配置是其面臨的三大問(wèn)題。本文在對(duì)河北南網(wǎng)配電網(wǎng)實(shí)際情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了配電自動(dòng)化建設(shè)中終端選型與終端配置的量化方法，并從經(jīng)濟(jì)效益上進(jìn)行分析。其中，在配置量化方法研究中，考慮終端前期設(shè)備投資、中期維護(hù)和后期廢棄處理成本等因素，通過(guò)將其與實(shí)施配電自動(dòng)化取得經(jīng)濟(jì)效益求代數(shù)和作為目標(biāo)函數(shù)，以可靠性為約束條件，利用數(shù)學(xué)工具拉格朗日乘數(shù)法求得最優(yōu)配置方案。

1 配電終端配置研究背景

配電自動(dòng)化終端(簡(jiǎn)稱(chēng)配電終端)是安裝在配電網(wǎng)的各種遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)、控制單元的總稱(chēng)，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、控制、通信等功能。按照功能，其可分為“二遙”終端和“三遙”終端：前者具有遙信、遙測(cè)功能，后者具有遙信、遙測(cè)和遙控功能。遙測(cè)主要是指測(cè)量線路中的電壓、電流、功率等信息；遙信主要用于測(cè)量溫度、開(kāi)關(guān)位置等信息；遙控則用于在后臺(tái)遠(yuǎn)程控制線路一次開(kāi)關(guān)的閉合?？梢哉f(shuō)配電終端充當(dāng)整個(gè)配電網(wǎng)的“傳感器”作用，它將配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，如電壓、電流、功率、溫度、開(kāi)關(guān)位置等信息采集后傳到主站后臺(tái)以監(jiān)測(cè)整個(gè)配電網(wǎng)的運(yùn)行。此外，一些“三遙”終端具有遠(yuǎn)程遙控功能，用于改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供、故障隔離等功能。

理論上，配電終端配置越多，對(duì)配電網(wǎng)監(jiān)控也就越全面，供電可靠性越高。但是配電網(wǎng)中線路條數(shù)巨大，而且終端價(jià)格不菲，線路配置終端還需要一次設(shè)備滿足一定條件。比如，實(shí)現(xiàn)遙信功能的開(kāi)關(guān)設(shè)備，需要至少一組輔助觸點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)遙測(cè)功能的一次設(shè)備，離不開(kāi)電流互感器；實(shí)現(xiàn)遙控功能的開(kāi)關(guān)設(shè)備，則應(yīng)具備電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。一些不滿足要求的一次設(shè)備改造也是一大筆費(fèi)用。因此，在資金有限的情況下，一套合理的終端配置方法顯得尤為重要。

在實(shí)際配電自動(dòng)化終端配置過(guò)程中就面臨兩大問(wèn)題：終端的類(lèi)型選擇和數(shù)量量化。

2 配電終端配置方案研究

2.1 配電終端類(lèi)型選擇

在配電終端的類(lèi)型選擇上應(yīng)當(dāng)盡可能在滿足可靠性前提下，使成本最小。也就是說(shuō)，如果“二遙”終端可以滿足可靠性要求，就不配置“三遙”終端。如果全“二遙”不滿足可靠性要求，再考慮“二遙”“三遙”終端混合的情況，最后才考慮配置全“三遙”終端的方案。

針對(duì)上述原則，我們提出終端類(lèi)型選擇方法。配電終端是依附于配電線路上的分段開(kāi)關(guān)存在的。對(duì)于已建成的配電網(wǎng)而言，分段開(kāi)關(guān)已經(jīng)存在，應(yīng)盡可能在不改變一次設(shè)備(分段開(kāi)關(guān))的情況下，合理安排配電終端。任意一條配電線路，當(dāng)所有的分段開(kāi)關(guān)分別在不配置終端、配置“二遙”終端和配置“三遙”終端情況下，可以得到線路的供電可靠性大小為ASAI0、ASAI2和ASAI3。將可靠性目標(biāo)值A(chǔ)SAIg分別與上述3個(gè)可靠性指標(biāo)比較得到配電終端類(lèi)型選擇方案：

① ASAIg＜ASAI0，此時(shí)不用配置終端即可滿足供電可靠性要求；

② ASAI0＜ASAIg≤ASAI2，此時(shí)僅配置“二遙”終端即可滿足可靠性要求；

③ ASAI2＜ASAIg≤ASAI3，此時(shí)考慮進(jìn)行“二遙”“三遙”終端混合配置；

④ ASAIg＞ASAI3，此時(shí)即使全配置“三遙”終端也不能滿足可靠性要求，配置終端已經(jīng)不能滿足可靠性要求，考慮改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(線路分段數(shù)或分段開(kāi)關(guān)位置等)。

用流程圖表示，如圖1所示：

圖1 終端配置選型流程圖Fig.1 Flow chart of terminal configuration

2.2 終端配置量化方法

終端數(shù)量與供電可靠性是緊密聯(lián)系的。通過(guò)建立終端數(shù)量與供電可靠性的數(shù)學(xué)關(guān)系式，即可得到終端的量化方法。但是僅僅從可靠性角度來(lái)確定終端數(shù)量是不全面的，實(shí)施配電自動(dòng)化的主要目的是提高供電可靠性，而最終是要回歸到經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)。因此，本文以供電可靠性目標(biāo)為約束，以總凈投資收益為目標(biāo)函數(shù)，考慮全生命周期成本情況下，建立配電終端與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，最終確定最優(yōu)的終端配置數(shù)量。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)學(xué)模型是建立在一次網(wǎng)架滿足“N－1”要求，結(jié)構(gòu)不變情況下的，因此目標(biāo)函數(shù)不涉及原有一次網(wǎng)架的改造費(fèi)用。在考慮全生命周期成本的情況下，目標(biāo)函數(shù)包括終端初期投資費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備廢棄處理費(fèi)用以及因?qū)嵤┡潆娮詣?dòng)化，提高供電可靠性而減少的用戶停電損失費(fèi)用。

①終端投資費(fèi)用。在全生命周期成本下，將終端投資轉(zhuǎn)化為等年值進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，Nk為終端數(shù)量；Cf為單臺(tái)終端投資費(fèi)用；q為貼現(xiàn)率；p為終端的使用年限。

②運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。終端的年維護(hù)費(fèi)用模型按其初始投資的百分比進(jìn)行折算得：

式中，Cp為終端運(yùn)行維護(hù)折算率。

③廢棄處理費(fèi)用。終端的廢棄處理費(fèi)用折算到每年得：

式中，Ct為廢棄處理費(fèi)用折算率。

④用戶停電損失費(fèi)用。用戶停電損失計(jì)算方法有多種，在這里利用本地區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與所消耗電能的比值得到單位電量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，將其與因?qū)嵤┡潆娮詣?dòng)化提高供電可靠性多發(fā)售電量相乘，即可得到減少的用戶停電損失。

式中，Cs為單位電量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益；WENS實(shí)施配電自動(dòng)化后多發(fā)電量；iP為每段上線路負(fù)荷；η為線路負(fù)荷率。

⑤可靠性。由于配電終端數(shù)量與供電可靠性是密切相關(guān)的，理論上，配電終端配置越多，供電可靠性越高。其中供電可靠性可用平均供電可用率來(lái)表示：

Ni為每段上用戶數(shù)；N為線路中總用戶數(shù)；T為停電時(shí)間。

需要說(shuō)明的是，針對(duì)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和不同的終端類(lèi)型，國(guó)家電網(wǎng)導(dǎo)則中都有相應(yīng)的終端數(shù)量與平均供電可用率計(jì)算公式。實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)實(shí)際線路模型，可以參照導(dǎo)則中的公式。

至此，由上述(1)～(4)可以得到目標(biāo)函數(shù)：

2.2.2 數(shù)學(xué)工具

在數(shù)學(xué)最優(yōu)化問(wèn)題中，拉格朗日乘數(shù)法是一種尋找變量受一個(gè)或多個(gè)條件所限制的函數(shù)極值的方法。通過(guò)上文分析，我們把終端配置凈投資費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，將供電可靠性作為約束條件，利用數(shù)學(xué)工具拉格朗日乘數(shù)法即可求得最優(yōu)的終端配置數(shù)量，所得拉格朗日函數(shù)為：

3 算例分析

以河北南網(wǎng)保定東北郊525線路為例，如圖2所示，按照本文提出的終端配置方法進(jìn)行分析。

圖2 保定東北郊525線路簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of line525 in Baoding

3.1 終端類(lèi)型

對(duì)于本線路而言，其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)滿足N-1，依據(jù)國(guó)網(wǎng)導(dǎo)則，此時(shí)供電可靠性與配置終端的數(shù)量關(guān)系為：

在不配終端情況下，代入數(shù)據(jù)得東北郊525線路供電可用率為：

在全配置“二遙”終端情況下，代入數(shù)據(jù)得東北郊525線路供電可用率為：

由此可見(jiàn)，在不配置終端的情況下，東北郊525線路不滿足供電可靠性目標(biāo)值要求，在全配置“二遙”終端情況下，東北郊525線路滿足供電可靠性目標(biāo)值要求。因此針對(duì)保定東北郊525線路只配置“二遙”終端即可滿足要求。

3.2 終端數(shù)量

①將保定東北郊525線路實(shí)際數(shù)據(jù)代入拉格朗日函數(shù)公式(9)，其中，貼現(xiàn)率q＝0.1，設(shè)計(jì)運(yùn)行年限p＝20，運(yùn)維折算率Cp=3%，廢棄成本折算率Ct＝5%，單位電量創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值Cs＝11.7元/kWh。代入公式求得：

② 有約束條件：

得k2≥2.02且k2為正數(shù)，此時(shí)取k2≥3，即本段至少安裝3個(gè)“二遙”終端時(shí)，才能保證供電可靠性。

綜合①②可以得到k2=3。

3.3 成效分析

將k2=3代入目標(biāo)函數(shù)后計(jì)算得實(shí)施配電自動(dòng)化提高可靠性投資凈成本為：CTotal=?3.23萬(wàn)元，通過(guò)投資提高供電可靠性帶來(lái)的收益大于投資成本，此時(shí)我們說(shuō)這項(xiàng)投資從經(jīng)濟(jì)效益角度講是值得的。

若求得的CTotal≥0，則說(shuō)明投資不能收回，從經(jīng)濟(jì)效益角度講是不合算的。但是配電自動(dòng)化的實(shí)施帶來(lái)的供電可靠性的提高不能僅僅從經(jīng)濟(jì)效益角度考量，還要從社會(huì)效益等方面綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)已建成配電網(wǎng)線路特點(diǎn)，提出了一套實(shí)用的終端配置方法。在保證可靠性的前提下，為了盡可能減少投資，優(yōu)先考慮配置基本功能的終端，避免盲目追求高可靠性和高標(biāo)準(zhǔn)造成資源浪費(fèi)。然后以投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，以可靠性指標(biāo)為約束條件，提出終端量化方法。最后，針對(duì)提出的終端類(lèi)型選擇與量化方法，通過(guò)河北保定某線路分析得到了驗(yàn)證。

［1］ 劉健. 配電自動(dòng)化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013(37)：44-50.

［2］ 陳得宇，沈繼紅，張仁忠，等. 配電網(wǎng)故障可觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)及饋線終端單元配置方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2011(35)：94-99.

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Applied Research of Distribution Automation RTUs Configuration

WANG Guidong1，ZHOU Congrong2，MA Youjie1，ZHOU Xuesong1，GAO Zhiqiang1
(1.Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Distribution Automation(DA)is an indispensable way to increase power supply reliability.The terminals are important parts of DA，which assume the task of collecting operation information of the distribution grid.A practical method to select suitable types and determine optimal numbers of RTUs(remote terminal units)was proposed in this paper.The objection function considers the annual investment cost，annual operating maintenance cost，disposal cost of RTUs and the economic benefits after completing DA in the method.Besides，the reliability was regarded as a constraint.Finally，the mathematical tool Lagrange multiplier method was applied to seek the optimal solution.A feeder line in Baoding was analyzed with the method，which shows that it is feasible and effective.

distribution automation；RTUs(Remote Terminal Units)；reliability

TM64

：A

：1006-8945(2016)09-0049-04

2016-09-02