基于配电自动化的配电系统供电可靠性评估

荣秀婷，叶 彬，陈 静，李 周，张金平

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230022) (2.天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384)

配电网与用户直接相连，供电可靠性对电力用户有着极其重要的影响，因此加强配电网可靠性的评估具有重要意义[1]。配电自动化[2]可以实现电网故障的快速定位与隔离，从而快速恢复供电，是改善配电网供电质量、提高供电可靠性的重要手段[3-6]。

目前，有关配电系统可靠性的计算方法很多，有故障模式后果分析法[7-9]、蒙特卡罗模拟法[10-12]、状态空间法[13]、网络等值法[14]、系统状态枚举法等，其中故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis，FMEA)以元件组合关系、网架结构和运行特点为基础[15]，对分析不同接线模式的可靠性有很强的适应性。但该方法中因故障而停电的时间不随配电自动化终端配置的数量及位置的变化而变化，不适合对已实现自动化线路的评估。

本文在已有故障模式后果分析法的基础上引入开关自动化状态因子，结合自动化终端上报的开关状态信息判断动作开关位置，根据动作开关配电自动化状态得出故障查找时间及开关动作时间。经改进的故障模式后果分析法得出的可靠性评估指标，能够充分体现实施配电自动化对提升配电网可靠性的效果，通过某市A类供电区架空多分段单联络测试模型验证了改进方法的可用性和有效性。最后结合安徽地区配电网实际情况，综合考虑不同终端配置方案对可靠性与经济性的影响，给出了终端配置实用性原则。

1 配电系统可靠性评估指标

配电系统可靠性指标用于定量评估配电系统的可靠性，目前比较典型的可靠性指标有以下几个。

1)系统平均停电频率指标SAIFI(次/(户·a))。

SAIFI是指系统中运行的用户在一年时间内的平均停电次数，计算公式为：

(1)

式中：λi为负荷点i的年故障率；Ni为用户数。

2)系统平均停电持续时间指标SAIDI(h/(户·a))。

SAIDI是指系统中运行的用户在一年时间内经受的平均停电持续时间，计算公式为：

(2)

式中：Ui为负荷点i的年停电时间。

3)用户平均停电持续时间指标CAIDI(h/(停电用户·a))。

CAIDI是指一年中每个受停电影响的用户每次停电所持续的时间，计算公式为：

(3)

4)平均供电可用率指标ASAI(%)。

ASAI是指一年中用户可用电小时数与用户要求的总供电小时数之比，计算公式为：

(4)

2 故障模式后果分析法的优点及不足

故障模式后果分析法首先列出系统全部可能的状态，以段作为负荷转移的最小单位，以每一个线路元件为对象，分析每一个基本故障事件及其后果；然后依次设置故障情况下各元件的故障率及停电时间，并分别计算当前故障下的供电可靠性指标，将结果累加就可以求出各负荷点的供电可靠性指标；最后根据式(1)～(4)计算整个配电系统的供电可靠性指标。

故障模式后果分析法以元件为最小单位，利用自下而上的分析法，具有简单易操作、适应性强的优点。但该方法中元件故障停电时间为定值，不随配电自动化终端安装位置及数量的变化而变化。而安装的自动化终端将采集到的元件电流值、电压值、开关通断状态等信息反馈至配电自动化主站系统，工作人员根据反馈数据判断线路故障类型及故障影响区段，采取相应措施隔离故障、恢复非故障区段供电、故障段修复并恢复供电，最终使元件故障停电时间成为变量。安装配电自动化终端，使配电网线路更加智能化、可视化，而原故障模式后果分析法并不能体现配网自动化在提高供电可靠性方面的优势。

3 改进的故障模式后果分析法

针对现有故障模式后果分析法在计算元件故障查找时间及开关动作时间上的不足，本文引入开关自动化状态因子,使其能够适用于安装配电自动化终端线路的供电可靠性评估。

故障查找时间等于单位线路故障查找时间与查找线路长度的乘积，公式如下：

tij1=ta×lij

(5)

式中：tij1为负荷点i在故障j下的故障查找时间；ta为平均单位线路故障查找时间；lij为负荷点i在故障j下的故障查找长度。故障查找从线路首端开始，若故障点两端分段开关已安装自动化终端，则可对故障段进行快速定位，此时故障查找长度lij为0；若线路中部分分段开关已安装自动化终端，则故障查找长度lij等于线路首端或前一自动化终端至故障段首端的长度。

故障隔离时间计算公式如下：

tij2=to+tc

(6)

式中：tij2为负荷点i在故障j下的故障隔离时间；to为开关或断路器断开时间；tc为开关或断路器合闸时间。开关或断路器的通断时间由其自动化程度决定，具体如下：

(7)

(8)

故障修复时间tij3即负荷点i在故障j下的故障修复时间，为故障发生地区的故障修复时间统计值的平均值。

在此基础上，根据负荷点i是否位于故障区域，得出故障停电时间tij的计算式为：

(9)

负荷点i的年故障率为：

(10)

式中：λj为故障j的故障率。

根据负荷点i的故障停电时间与故障率，可以得出负荷点i的年停电时间Ui：

(11)

根据以上公式，对SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI4个指标的计算公式进行整理，得：

(12)

(13)

(14)

(15)

4 算例分析与应用

4.1 算例分析

图1为某市A类供电区架空线路的测试模型，线路长度3km，网架结构为三分段单联络，包括4个负荷，每个负荷点6个用户，共24个用户，由双电源供电。变电站出口断路器CB0已实现三遥。假设各开关的合闸与分闸操作时间相等。

图1 架空线路测试模型

以负荷点LD1为例，当全三遥配置时，建立其故障模式后果分析表，见表1。

表1 全三遥负荷点LD1故障模式及后果分析表

同理，全三遥时各负荷点的可靠性指标见表2。

表2 全三遥各负荷点故障模式及后果分析表

由式(12)～(15)计算得全三遥时系统供电可靠性指标，具体见表3。

根据表1～表3，对开关配置不同配电终端情况下的供电可靠性进行计算，得到系统可靠性指标见表4。

通过表4可以看出，系统供电可靠性在全三遥情况下最高，在全手动情况下最低，符合实施配电自动化终端对线路供电可靠性提升的事实。传统故障模式后果分析法，仅能计算全手动情况下系统供电可靠性。而本文基于配电自动化的配电系统供电可靠性评估方法，能够计算在开关采取不同配电终端配置方案时的系统供电可靠性，精确度更高，差异性更明显。

表3 全三遥系统可靠性指标

表4 各终端配置方案系统可靠性指标

4.2 算法实际应用

以安徽省例。考虑安徽省现有网架结构，在计算出不同供电区各接线模式下不同终端配置方案的可靠性评估结果的基础上，充分考虑经济性与可靠性要求，得出安徽地区的终端配置实用性原则。各供电分区每回线路所需配置的三遥或二遥终端数量见表5。

表5 各供电区三遥或二遥终端配置方案

注：应优先选取联络开关配置三遥终端；三遥、二遥终端混合方案以“a+b”形式表示，其中a表示三遥终端个数，b表示二遥终端个数。

A类地区仍有50%的线路为架空网，仅增加分段不能满足可靠性需求。对于A类地区架空线路，建议结合农网升级改造，实施电缆化改造工程，以降低线路故障率，提高供电可靠性。同时应通过加强管理，深入开展带电检测、不停电作业配电网管理提升方式提高供电可靠性。B类地区典型接线需通过配置自动化终端来满足可靠性要求。C类地区典型接线在不配置自动化终端时已能满足供电可靠性要求，但为实现可观可测及进一步提高供电可靠性，建议每2km线路配置1个二遥终端或故障指示器。D类地区为满足供电可靠性要求，建议每5km线路配置1个基本型二遥终端或故障指示器。

5 结束语

本文依据开关在可靠性计算过程中的不同作用，引入开关自动化状态因子，修正了负荷点供电可靠性指标计算公式，对传统的故障模式后果分析法进行了配电自动化适应性改进。对算例的分析结果验证了模型的正确性，并肯定了自动化开关在提高配电网可靠性中的重要意义。算例结果显示：3km架空线路全三遥时可靠性为99.993 4%，全二遥时可靠性为99.992 0%，全手动时可靠性为99.988 1%，不同的终端配置方案的可靠性不同。可见，配置自动化终端个数越多，供电可靠性越高；配置自动化终端个数相同时，三遥终端个数越多，供电可靠性越高。三遥终端和二遥终端对可靠性提升的效果、价格、实施难度上有较大的不同，若能在配电网中对它们灵活运用，既可达到提高供电可靠性又可实现减少投资的目的。