本文關(guān)鍵詞：配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第３７卷　第１２期２０１３年６月２５

日Ｖｏｌ．３７�。危铮保�

Ｊｕｎｅ２５，，２０１３　

：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１２１１１１３

配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃

劉　�。�，程紅麗２，張志華１

（）１．陜西電力科學(xué)研究院，陜西省西安市７１００５４；２．西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西省西安市７１００５４

摘要：為了幫助配電自動化系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，從投入產(chǎn)出角度對配電終端的最佳配置數(shù)量進行了

研究；從供電可靠性的角度，對全部采用“三遙”配電終端、全部采用“二遙”配電終端、混合采用“三遙”配電終端和“二遙”配電終端、適當(dāng)引入分界開關(guān)等情形下所需要的各類終端的數(shù)量配置進行了研究。研究結(jié)果表明：每條饋線配置１臺配電終端的投入產(chǎn)出比最高，為滿足供電可靠性要求，每

、“條饋線所需配置“三遙”二遙”配電終端和分界開關(guān)的數(shù)量取決于要求達到的供電可靠性指標(biāo)、人

工故障區(qū)域隔離時間、故障修復(fù)時間和故障率。文中給出了一個含２２０條饋線的配電自動化系統(tǒng)規(guī)劃實例，對所述方法的應(yīng)用進行了詳細的說明。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；配電自動化；配電終端；可靠性；規(guī)劃

０　引言

配電網(wǎng)自動化是實現(xiàn)故障快速定位、隔離以及

從而提高供電可靠性的重要手段，也是智供電恢復(fù)，

能電網(wǎng)的重要組成部分，近年來已經(jīng)取得了大量的

］１６－

。研究成果［

國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司、內(nèi)

集團）有限責(zé)任公司和陜西地方電力公司蒙古電力（

等近年來都開展了大范圍的配電自動化系統(tǒng)建設(shè)，并制訂了配電自動化設(shè)計、建設(shè)、運行和維護等一系

］７８－

。列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［

具有遙測、遙信和遙控功能的“三遙”配電終端、只具有遙測和遙信功能的“二遙”配電終端（比如故

、障指示器）具有本地保護功能的分界開關(guān)等是配電

自動化系統(tǒng)的基本組成元件，在實際中廣泛應(yīng)

］９１０－

。用［

雖然配電網(wǎng)自動化技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，但是在規(guī)劃設(shè)計方面，尚需要研究各種類型的配電終端的合理數(shù)量配置和布置問題。

若以每個環(huán)網(wǎng)柜、每個柱上開關(guān)都配置配電終

會導(dǎo)致巨額投資；若選擇部分監(jiān)控對端的方式建設(shè)，

象，且全部配置“三遙”配電終端，不僅終端成本高，還要對大量開關(guān)加裝電動操作機構(gòu)并配備“三遙”通

，道（如光纖）同樣不夠經(jīng)濟，不利于大范圍推廣和提

高覆蓋面。

在配電自動化規(guī)劃方面也有不少研究，但大都

；修回日期：。收稿日期：２０１２１１１２２０１３０３２０－－－－

國家電網(wǎng)公司重大科技項目“提高配電網(wǎng)故障處理能力的關(guān)。鍵技術(shù)研究”

１１］

、圍繞配電自動化模式和結(jié)構(gòu)選擇［通信方案，以

１２］

。文獻［二次配合［采用整數(shù)規(guī)劃方法，及一、１３］

以投資和停電損失之和最小為目標(biāo)，求解饋線開關(guān)最優(yōu)配置問題，在此基礎(chǔ)上可配置通信方式、控制策略和其他設(shè)備配置，從而進行饋線自動化規(guī)劃。而

、“在為滿足供電可靠性需要所必需的“三遙”二遙”

配電終端、故障指示器和分界開關(guān)配置數(shù)量規(guī)劃方面尚未見研究報道。

本文從投入產(chǎn)出和要求達到的供電可靠性這

、“討論“三遙”二遙”配電終端和分界開關(guān)２個角度，

的數(shù)量配置問題，為科學(xué)地進行配電自動化系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計提供參考。

１　基本原理

１．１　配電終端模塊

在本文中，將對單臺開關(guān)進行監(jiān)控的虛擬裝置稱為配電終端模塊。配電終端模塊可分為“二遙”終端模塊和“三遙”終端模塊兩類。

“二遙”終端模塊是指：具有故障信息上報（也可有開關(guān)狀態(tài)遙信）和電流遙測功能的配電終端模塊，它不具備遙控功能，相應(yīng)的開關(guān)不必具有電動操作機構(gòu)。一般“二遙”終端模塊可采用故障指示器加通信模塊實現(xiàn)，二遙”配電終端模塊對應(yīng)３臺安１個“

裝于不同相別的故障指示器。

故障指示器又可分為架空型和電纜型兩類，架空型故障指示器既可以安裝于柱上開關(guān)處，也可以安裝于架空饋線其他位置；電纜型故障指示器一般安裝于環(huán)網(wǎng)柜中。

“三遙”終端模塊是指：具有遙測、遙信、遙控和故障信息上報功能的配電終端模塊，要求所控制的

—４４—

·學(xué)術(shù)研究·　劉　健，等　配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃

開關(guān)具有電動操作機構(gòu)。架空饋線的“三遙”終端模

塊一般采用饋線終端單元（ＦＴＵ）實現(xiàn)，電纜饋線的“三遙”終端模塊一般采用站所終端單元（ＤＴＵ）實現(xiàn)。

由于１臺ＦＴＵ只能對１臺柱上開關(guān)進行監(jiān)控，所以對于架空饋線而言，１個“三遙”配電終端模塊就對應(yīng)１臺ＦＴＵ、１套電動操作機構(gòu)、１套取電電壓

互感器（ＴＶ）

及１個“三遙”通道（一般用光纖）。而１臺ＤＴＵ可以對幾臺開關(guān)進行監(jiān)控，

所以對于電纜饋線而言，

根據(jù)需要有時可能多個“三遙”配電終端模塊采用１臺ＤＴＵ實現(xiàn)，１臺ＤＴＵ對應(yīng)

套取電ＴＶ及１個“

三遙”通道（一般用光纖），但每個“三遙”配電終端模塊必須配置１套電動操作機構(gòu)。

．２　從投入產(chǎn)出角度分析配電終端模塊配置

對于一條饋線，假設(shè)其上共有ｎ個用戶，總負(fù)荷為Ｐ，已經(jīng)安裝有足夠的開關(guān)，具備Ｎ－１能力且聯(lián)絡(luò)開關(guān)均已安裝配電終端模塊，假設(shè)該饋線的故障

率為Ｆ、

故障處理時間為Ｔ，每個配電終端模塊的綜合費用為Ｃ，擬選�。雮�分段開關(guān)安裝配電終端模

塊，將該饋線分為ｋ＋１個區(qū)域。１

）用戶均勻分配的情形近似認(rèn)為各個區(qū)域的用戶數(shù)分布均勻，

即每個區(qū)域含有ｎ／（ｋ＋１

）個用戶。由于滿足Ｎ－１準(zhǔn)則，安裝ｋ個配電終端模塊帶來的收益是：當(dāng)某個區(qū)域故障時，在故障修復(fù)之前，除了該區(qū)域以外的其他區(qū)域能夠維持供電。這個收益可以表示為：

Ｂ１（ｋ）＝ｋ＋１

（１）　　由式（

１）可以看出，隨著安裝的配電終端數(shù)量的增多，

收益的增大會越來越不明顯。近似認(rèn)為安裝ｋ個配電終端模塊的投入為：

Ｃ１（

ｋ）＝ｋＣ（２）安裝ｋ個配電終端模塊的投入產(chǎn)出比為：

β１（ｋ）＝（ｋ＋１）Ｃ

（３）　　可見，β

１（ｋ）是一個單調(diào)減函數(shù)，即安裝的配電終端模塊數(shù)越多，投入產(chǎn)出比越低。

２

）負(fù)荷均勻分配的情形近似認(rèn)為各個區(qū)域的負(fù)荷分布均勻，即每個區(qū)

域負(fù)荷為Ｐ／（ｋ＋１

）。安裝ｋ個配電終端模塊帶來的收益為：Ｂ２（ｋ）＝

ｋ＋１

（４）式中：λ為單位負(fù)荷在單位時間內(nèi)的收益。

由式（４

）可以看出，隨著安裝的配電終端數(shù)量的增多，收益的增大會越來越不明顯。

安裝ｋ個配電終端模塊的投入產(chǎn)出比為：

β２（ｋ）＝ｋ＋１Ｃ

（５）　　可見，β

２（ｋ）也是一個單調(diào)減函數(shù)，即安裝的配電終端模塊數(shù)越多，投入產(chǎn)出比越低。

安裝ｋ個配電終端模塊帶來的凈收益為：Ｂ３（ｋ）＝

ｋ＋１

－ｋＣ（６）則安裝ｋ個配電終端模塊的凈投入產(chǎn)出比為：

β３（ｋ）＝（ｋ＋１）Ｃ

－１（７）　　可見，β

３（ｋ）仍是一個單調(diào)減函數(shù)，即安裝的配電終端模塊數(shù)越多，凈投入產(chǎn)出比越低。

綜上所述，如果僅僅從投入產(chǎn)出的角度看，在分段開關(guān)安裝１個配電終端模塊的投入產(chǎn)出比最高（雖然從式（３）和式（５）來看安裝０個配電終端時的投入產(chǎn)出比更高，但此時的投入為０，產(chǎn)出也為０，按

此計算得到的投入產(chǎn)出比是沒有意義的），但是，究

竟應(yīng)該安裝多少個配電終端模塊，還需要考慮對供電可靠性的要求。．３　從供電可靠性角度分析配電終端模塊配置

假設(shè)各個區(qū)域的用戶分布均勻，在饋線上安裝

個配電終端模塊將該饋線分為ｋ＋１個區(qū)域，

每個區(qū)域含有ｎ／（ｋ＋１）

個用戶。假設(shè)饋線沿線單位長度故障率相同。

故障處理時間Ｔ主要由３個部分構(gòu)成，即

Ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３

（８）式中：ｔ１為故障區(qū)域查找時間；ｔ２為人工故障區(qū)域隔離時間（也包括對受影響的健全區(qū)域恢復(fù)供電所進

行的操作時間）；ｔ３為故障修復(fù)時間（

也包括故障區(qū)域內(nèi)具體故障位置確認(rèn)時間和恢復(fù)故障前運行方式

所進行的操作時間）

。１

）全部安裝“三遙”終端模塊的模式全部安裝“三遙”終端模塊的模式不僅要求終端具有“三遙”功能，還需要為開關(guān)加裝電動操作機構(gòu)以及建設(shè)光纖通信通道，自動化程度較高，但是建設(shè)費用也較高，一般只有大型城市中負(fù)荷密度很高的核心區(qū)域才會采用。

對于全部安裝“三遙”終端模塊的情形，可近似地認(rèn)為ｔ１＝０，ｔ２＝

０，即Ｔ＝ｔ３

（９）　　根據(jù)供電可用率定義，

可以推導(dǎo)得到在分段開關(guān)處安裝ｋ個“三遙”終端模塊的饋線的供電可用率３為：

ｋ＋

１ｋ＋

１８�。罚叮埃睿疲睿簦常�

ｔ３ｆｉ

αｉ＝１ｋ＋１∑ｉ＝３＝８　７６０ｎ＝１－１

８　

７６０ｋ＋１（１０

）—４５—

１１１ｋα

２０１３，３７（１２

）式中：ｆｉ為第

ｉ個區(qū)域的故障率。若近似認(rèn)為各個區(qū)域的故障率相等且為ｆ，即

ｆｉ≈ｆ＝

ｋ＋１

　�。埃迹椤埽耄保ǎ保�

）則式（１０

）可以轉(zhuǎn)化為：ｋ＋

１α∑ｔ３

Ｆｉ３

＝１－＝１ｋ＋１

ｔ３Ｆ８　７６０ｋ＋１＝１－８　

７６０ｋ＋１（１２）　　在要求供電可用率不低于Ａ的情況下，

即有３≥Ａ，

所需要在分段開關(guān)處安裝“三遙”終端模塊的數(shù)量ｋ須滿足：

ｋ≥

３

８　

７６０（１－Ａ）－１　�。搿荩埃ǎ保常　】梢姡枰诜侄伍_關(guān)處安裝“

三遙”終端模塊的數(shù)量取決于要求達到的供電可靠性指標(biāo)、故障修復(fù)時間和故障率。

此外，聯(lián)絡(luò)開關(guān)也需配置“三遙”配電終端模塊。２

）全部安裝“二遙”終端模塊的模式在全部安裝“

二遙”終端模塊的模式下，終端只要具有“二遙”功能即可，也不需要改造開關(guān)，通信通

道可采用通用分組無線服務(wù)（ＧＰＲＳ）

技術(shù)，建設(shè)費用低，但是只能定位故障區(qū)域而不能自動隔離故障和恢復(fù)健全區(qū)域供電，需要人工到現(xiàn)場進行操作，因此可恢復(fù)的健全區(qū)域受故障影響的停電時間較長，一般適用于小型城市或縣城。

對于全部安裝“二遙”終端模塊的情形，可近似地認(rèn)為ｔ１＝

０，即Ｔ＝ｔ２＋ｔ３

（１４）　　在分段開關(guān)處安裝ｋ個“

二遙”終端模塊的饋線的供電可用率α２可表示為：

ｋ＋

１８　７６０ｎ－ｎＦｔ２－３ｉ

α∑

ｉ＝１ｋ＋１

２＝

８　

７６０ｎ＝

ｋ＋

１（ｋ＋１）Ｆｔ２＋１－

ｉ∑

ｔ３ｆｉ

１

８　

７６０（ｋ＋１）（１５

）式中：ｎＦｔ２為由于“二遙”終端模塊沒有遙控功能導(dǎo)致的，在故障被有效隔離之前，持續(xù)時間為ｔ２的全饋線停電造成的停電戶時數(shù)。

若近似認(rèn)為各個區(qū)域的故障率相等為ｆ，則式（１５

）可以轉(zhuǎn)化為：α２＝１－８　

７６０（ｔ２＋

ｔ３

ｋ＋１）（１６）　　在要求供電可用率不低于Ａ的情況下，有１－Ａ≥

８　７６０（ｔ２＋

ｔ３

ｋ＋１）（１７）　　根據(jù)式（

１７）可以解出滿足供電可靠性要求所需—４６—

　

要安裝“二遙”終端模塊的數(shù)量ｋ，即

ｋ≥

ｔ３

Ｆ８　７６０１－Ａ－ｔ２

Ｆ－１　�。搿荩埃ǎ保福　】梢姡�

所需安裝“二遙”終端模塊的數(shù)量取決于要求達到的供電可靠性指標(biāo)、

人工故障區(qū)域隔離時間、故障修復(fù)時間和故障率。

３

）安裝電流型用戶分界開關(guān)的情形在用戶側(cè)故障率較高的情況下，為了避免用戶

側(cè)故障造成饋線停電，

可有選擇性地安裝用戶分界開關(guān)。安裝電流型用戶分界開關(guān)并與變電站１０ｋＶ出線開關(guān)實現(xiàn)保護配合后，當(dāng)用戶側(cè)發(fā)生故障時能夠迅速分?jǐn)嗲谐收�，而不影響�(zhàn)伨�其他部分供電，在忽略單個用戶因故障而被切除的情形對供電可靠性的影響時，相當(dāng)于減少了饋線的故障率。

假設(shè)用戶故障占饋線故障的比例為γ，安裝電流型用戶分界開關(guān)的比例為μ，且這些用戶分界開關(guān)在饋線上均勻安裝，則安裝電流型用戶分界開關(guān)后，該饋線的故障率將降低為：

Ｆ′＝Ｆ－γＦμ

（１９）　　以Ｆ

′代替式（１１）至式（１８）中的Ｆ，就可以得出安裝電流型用戶分界開關(guān)條件下所需要安裝“三遙”或“二遙”終端模塊的數(shù)量。

４）“三遙”與“二遙”終端模塊結(jié)合的模式“三遙”與“二遙”終端模塊結(jié)合的模式的自動化程度適中，建設(shè)費用也適中，比較適合廣大中型城市或大城市外圍區(qū)域配電自動化系統(tǒng)建設(shè)。

對于“三遙”終端模塊與“二遙”終端模塊結(jié)合的情形，假設(shè)某條饋線上分段開關(guān)處“三遙”終端模塊與“二遙”終端模塊的數(shù)量總和為ｋ，假設(shè)“二遙”終端模塊均勻穿插安置在由“三遙”終端模塊分割出的各個區(qū)域內(nèi)，比如每個區(qū)域安排ｈ臺“二遙”終端模

塊，

則有ｋ＝（ｋ１＋１）ｈ＋ｋ１（２０）式中：ｋ１為分段開關(guān)處“

三遙”終端模塊個數(shù)。對比式（１６）和式（１２）

可以發(fā)現(xiàn)：“三遙”終端模塊與“

二遙”終端模塊對供電可用率的影響有一個公共部分，即ｔ３

Ｆ／［８　７６０（ｋ＋１）］。因此，“三遙”終端模塊對供電可用率的全部影響和“二遙”終端模塊對供電可用率的部分影響之和為ｔ３Ｆ／［８�。罚叮埃ǎ耄保荨Ｊ剑ǎ保�

）表明，“二遙”終端模塊對供電可用率的影響還有一部分是由于其沒有遙控功能，在故障隔離的ｔ２時間段內(nèi)造成全饋線停電，

“三遙”與“二遙”終端模塊結(jié)合模式下其影響為ｔ２Ｆ／［８　７６０（ｋ１＋

）］。綜合得到，在每個區(qū)域安排ｈ臺“二遙”終端模塊情況下的供電可用率為：

α１

·學(xué)術(shù)研究·　劉　健，等　配電自動化系統(tǒng)中配電終端配置數(shù)量規(guī)劃

α３，２＝１－

８�。罚叮埃玻耄保�

＋３

ｋ＋１）＝１－８　７６０ｔ２ｋ１＋１＋ｔ３

１＋ｈｋ１＋１

）≥Ａ（２１）　　根據(jù)式（２１），可以解出：ｋ１≥［（）２３］

８　

７６０（１－Ａ）（１＋ｈ）－１　　ｋ１≥０（２２

）　　相應(yīng)地“

二遙”終端模塊個數(shù)為：ｋ２＝（ｋ１＋１

）ｈ（２３）　　對于“

三遙”與“二遙”終端模塊結(jié)合的模式，根據(jù)ｈ取值的不同，有可能會得到多個滿足供電可靠性要求的方案，每個方案所需的“三遙”終端模塊的

個數(shù)為ｋ１、“二遙”終端模塊的個數(shù)為ｋ２，

假設(shè)安裝一個“三遙”終端模塊及其配套設(shè)施（包括電動操作

機構(gòu)、“三遙”通道等）的投入為Ｃ１、安裝一個“二遙”終端模塊及其配套設(shè)施的投入為ηＣ１，

則對于每個特定的方案，

可以得到方案的總投入為：ＣΣ＝ｋ１Ｃ１＋ｋ２ηＣ１＝（ｋ１＋ｋ２η）

Ｃ１（２４）　　在所有滿足供電可靠性要求的方案中，

選擇ＣΣ最小的方案作為最終的規(guī)劃方案即可。需要指出的

是，對于電纜線路在某些特殊情況下，１臺ＤＴＵ可以對應(yīng)多個“三遙”終端，在計算ＣΣ的時候，就根據(jù)實際的ＤＴＵ臺數(shù)加以調(diào)整。

此外，對于“三遙”與“二遙”終端模塊結(jié)合的模式，

聯(lián)絡(luò)開關(guān)也需配置“三遙”配電終端模塊，對此需單獨加以考慮。

５

）電纜架空混合饋線的情形對于電纜架空混合饋線，若以電纜為主，則可按

照全電纜饋線計算；

若以架空為主，則可按照全架空饋線計算。若電纜部分和架空部分都占不可忽略的比例，需要在各個電纜饋線段的環(huán)網(wǎng)柜與架空饋線段的柱上開關(guān)處設(shè)置終端模塊，則可對各個電纜饋線段以及各個架空饋線段分別計算。

６）ＤＴＵ的確定

對于架空線路，１個“

三遙”終端模塊一般對應(yīng)１臺ＦＴＵ，因此其“三遙”終端模塊的數(shù)量與ＦＴＵ的

數(shù)量相同。但是，對于電纜線路，其１臺ＤＴＵ在某

些情形下卻往往可以對應(yīng)多個“

三遙”終端模塊，其數(shù)量應(yīng)根據(jù)需要來確定。

對于大主干布置型電纜饋線，為了采用ｋ個“三遙”配電終端模塊將饋線分為ｋ＋１個區(qū)域，這ｋ個“三遙”配電終端模塊必須分散在ｋ個環(huán)網(wǎng)柜中，因此需要用ｋ臺ＤＴＵ來實現(xiàn)，如圖１（ａ）所示，２個“三遙”配電終端模塊采用２臺ＤＴＵ實現(xiàn)，將饋線分為３個區(qū)域。

對于大分支布置型電纜饋線，有時采用安裝于

形成分支處的環(huán)網(wǎng)柜的１臺ＤＴＵ就能實現(xiàn)多個

“三遙”配電終端模塊，如圖１（ｂ）所示，２個“三遙”配電終端模塊采用１臺ＤＴＵ實現(xiàn)，將饋線分為３個區(qū)域。圖１中：虛線框代表安裝ＤＴＵ的環(huán)網(wǎng)柜；矩形塊代表變電站出線斷路器；方塊和圓代表環(huán)網(wǎng)柜中的開關(guān)，其中方塊代表“三遙”配電終端模塊所控制的開關(guān)

。

圖１　電纜饋線“三遙”配電終端模塊的實現(xiàn)舉例Ｆｉｇ．１　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ�。澹幔恚�

ｌｅｓ　ｏｆ�。洌椋螅簦颍椋猓酰簦椋铮睢。簦澹颍恚椋睿幔欤恚铮洌澹欤蟆。鳎椋簦琛。簦澹欤澹悖铮睿簦颍铮臁�

ｆｕｎｃｔｉｏｎ因此，對于大分支布置型電纜饋線，若計算出在

每條饋線上需要配置２個“三遙”終端模塊時，實際配置１臺ＤＴＵ即可實現(xiàn)；

若計算出在每條饋線上需要配置３個“

三遙”終端模塊時，實際配置２臺ＴＵ即可實現(xiàn)。在計算ＣΣ的時候應(yīng)對這種１臺

ＴＵ對應(yīng)２個“

三遙”配電終端模塊的情形加以考慮。

７）更一般的情形上述分析是在一些條件近似成立的假設(shè)下得出的，

在更一般的情形下，給定配電終端模塊數(shù)量與安裝位置時的供電可用率，仍可以采用解析的方法加

以分析，

但難以得出統(tǒng)一的表達式�？紤]到諸如故障率、故障區(qū)域隔離時間、故障修復(fù)時間等參數(shù)不能十分精確得到，因此一般情況下，利用上述分析得出的結(jié)果就能提供必要的參考信

息，

在此基礎(chǔ)上可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整。　算例分析

．１　基本情況

某城市核心區(qū)共有２２０條饋線，其中有１００條電纜饋線（６０條為大主干布置、４０條為大分支布

置）、４０條架空饋線、８０條電纜架空混合饋線。經(jīng)過改造，絕大部分已經(jīng)實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)，Ｎ－１率達到１００％，共有３５臺聯(lián)絡(luò)柱上開關(guān)，９０臺聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)柜。

—４７—

ＤＤ２２

1

2

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本文編號：89143