王　哲，葛磊蛟，王浩鸣

（1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津　300371；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津　300072；3.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津　300384）

10 kV配电网馈线自动化的优化配置方式

王哲1，葛磊蛟2，王浩鸣3

（1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津300371；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；3.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384）

馈线自动化是提高配电网可靠性的重要措施，但其投入资金巨大。为了有效解决可靠性与经济性相矛盾的问题，结合10 kV配电网馈线自动化建设取得经济效益较少的实际情况，提出了馈线自动化差异化配置策略。首先，建立了辐射分段接线和联络分段接线2种可靠性计算模型；其次，对馈线自动化4种典型方式分别进行经济性分析；然后，提出了10 kV配电网馈线自动化优化配置实施流程，实现了以单位投资减少停电时间为最优化目标的配置策略。通过天津某区馈线自动化改造的实际工程案例，验证了差异化优化配置策略的可行性。

10 kV配电网；馈线自动化；可靠性；经济性；差异化配置策略

配电自动化是保证配电网供电能力和供电质量的基础，馈线自动化是配电自动化的重要组成部分，是提高配电网可靠性的关键技术之一，具有隔离故障区域并快速恢复可供电区域的功能，可有效减少停电面积，缩短停电时间。馈线自动化的实现方式主要有2种：集中型和就地型。集中型包括全自动和半自动2种方式，它依赖通信通道及控制主站，投资较大，适合城市核心区和中心城区等一些负荷稳定的区域；就地型包括重合器和智能分布式2种方式，它不依赖于通信通道，投资小，易实现，适合在一些城镇和郊区的配电线路上。实施馈线自动化需要具备如下前提条件：①一次系统网架结构合理、设备可靠，具有一定的备用容量和足够的负荷转移能力；②可灵活适应10 kV配电网接线方式。当前城市配电网有联络分段接线和辐射分段接线2种方式，其中一般城市核心区和中心城区域主要采用联络分段接线方式，城镇和郊区主要采用辐射分段接线方式。

近年来，国家电网公司范围内诸多网省电力公司开展了配电网馈线自动化建设试点工程，取得了一些成果［1-10］，但推广应用的经济效益欠佳，主要原因有：①追求功能大而全，资金投入量大，影响其潜在效益的发挥；②系统开发商所开发系统适用性不好；③系统平台后期的运行维护难度比较大，实用性较差，可能导致无法满足客观要求。综上所述，馈线自动化应根据配电自动化实施区域的供电可靠性需求、一次网架、配电终端数量等情况合理选择方式，并且在不同负荷密度、用户重要程度情况下，选择差异化配置馈线自动化方式，从而既满足地区可靠性需求，又实现电网建设的经济性。

文献［2］提出10 kV馈线自动化可通过增设断路器和负荷开关，并配置智能FTU（feeder terminal unit），从而实现快速确定故障，缩短停电时间；文献［3］对电压-时间型馈线自动化方案和集中型馈线自动化方案进行了对比，明确了电压-时间型馈线自动化方案适用长架空线路，集中型馈线自动化方案适用于短架空线路及电缆线路；文献［4］提出在配电线路的开关处增设STU（smart terminal unit），实现故障快速切除及非故障区域的供电恢复。

本文首先对10 kV配电网的供电分区、可靠性分析及经济性分析等相关理论基础进行了介绍；然后，根据不同供电分区的可靠性需求，研究10 kV配电网馈线自动化差异化配置流程，提出了以单位投资减少停电时间为最优化目标的配置策略；最后将相关成果在天津某供电分公司的实际工程进行了应用，取得了很好的成效。

1　理论基础

1.1供电分区

供电分区是配电自动化差异化配置的一个重要依据，在投资最经济的前提下，最大限度地减少故障停电范围、缩短故障处理时间，并兼顾不同供电分区的实际需求，合理选择不同类型的故障处理策略［11-19］。

国家电网公司发布的《配电网规划技术导则》（Q/GDW 1738—2012）中根据行政级别和规划水平年的负荷密度，参考经济发展程度、用户重要程度、用电水平、GDP等因素，将供电区域划分为A+、A、B、C、D、E 6类区域，这6类供电区域的供电可靠性目标分别为：99.999%、99.990%、99.965%、99.897%、99.828%、不低于向社会承诺的指标。

1.2可靠性分析

10 kV馈线的可靠性指标通常以平均供电可用度时间ASAI（average service availability index）来衡量。为计算实际配电系统的可靠性指标，首先将10 kV配电网辐射分段接线和联络分段接线模型化为m分段n联络，并设定每个分段上均有一个有效的联络。则ASAI计算公式为

式中：ωk为第k条线路上的负荷容量占系统总负荷容量的比例；ASAIk为第k条线路上的平均供电可用度时间，即

式中：Zk为第k条线路的停电户时数，包括线路故障停电、线路预安排停电、断路器故障、断路器预安排停电、配变故障、配变预安排停电等所用时间；Uk为第k条线路的用户总数。

当n=0时，即10 kV配电网接线模式为辐射分段接线时，第k条线路的停电户时数为

式中：K1、K2、K3、K4、K5、K6分别为线路故障停电、线路预安排停电、断路器故障、断路器预安排停电、配变故障停电、配变预安排停电影响的户时数；i为自身故障停电线路；j为预安排停电线路；λB、λL、λC分别为断路器、线路、配变的故障停电率；pL、pB、pC分别为线路、断路器、配变的预安排停电率；t1为线路故障查找时间；t2为线路故障恢复时间；t3为线路预安排恢复时间；t4为断路器故障恢复时间；t5为断路器预安排恢复时间；t6为配变故障恢复时间；t7为配变预安排恢复时间；Ui为第i个分段的用户数；li为第i个分段的线路长度。

当n＞0时，即10 kV配电网接线模式为联络分段接线式时，第k条线路的停电户时数为

式中，tL为联络开关动作时间。

因此，配电网可靠性水平是由停电次数（停电率）、每次停电时间和停电用户数来反映的。提高配电网可靠性水平可以考虑减少停电次数、缩短每次停电时间和减少每次停电所影响的用户数。

10 kV配电网存在电缆网、架空网、电缆架空混合网3种架设方式。由于电缆线路和架空线路的故障率和故障修复时间不同，在进行可靠性计算时，需要考虑2种架设方式的比例。总之，馈线自动化对可靠性的贡献主要体现在缩短每次停电时间上，即减少配电设备的故障停电时间，减少故障查找时间以及联络开关倒闸操作时间。

1.3经济性分析

为了方便计算，在满足可靠性目标的前提下，10 kV馈线自动化的设备分为重合器方式、智能分布式、半自动式和全自动式4种方式［16］，则10 kV配电网馈线自动化总投资为

式中：H为重合器方式的总投资；I为智能分布式方式的总投资；J为半自动式方式的总投资；K为全自动方式的总投资；α、β、γ、δ为比例因子，分别表示4种方式在所有馈线的比例，α+β+γ+δ=1。

1.3.1重合器方式

重合器方式馈线自动化的原理是在故障发生时，通过线路分段器的逻辑配合，利用重合器实现线路故障的就地识别、隔离和非故障线路恢复供电，主要有电压时间型和电流计数型两种类型。其中，电压时间型根据变电站出线保护重合闸动作时间到再次出现故障电流的时间确定故障区域；电流计数型则根据重合器开断故障电流动作次数确定故障区域。

重合器方式的建设成本主要包括重合器和分段器两部分，不需要主站控制，不需要建设通信网络，因此投资省，见效快。

1.3.2智能分布式

智能分布式馈线自动化的原理是在馈线网络上发生相间故障或三相故障后，通过安装在断路器和FTU的对等式通信网络，使线路上的开关控制器之间互相通信，收集相邻开关的故障信息，综合比较后确定出发生故障的区段，跳开该区段两端的开关，完成故障隔离动作。

智能分布式馈线自动化的建设成本主要是断路器和FTU两部分，不需改变变电站出线开关和保护配置，且出线开关仅需一次重合就能实现故障隔离及非故障区域的供电恢复。

1.3.3半自动式

半自动式馈线自动化的原理是配网监控主站系统采集到故障区段信息，通过后台分析软件定位分析故障区段，人工遥控隔离故障和遥控恢复供电，相比配电子站和配电终端的要求都比传统集中处理FA（feeder automation）功能的装置及通信要求大大降低。

半自动式馈线自动化的建设成本主要有配电系统主站、后台分析软件和前端的执行断路器等。

1.3.4全自动式

全自动式馈线自动化的原理是先通过现场的FTU将检测的故障信息上传给配电网主站或子站，然后由主站或子站根据配电网络的实时拓扑结构，按照一定的算法进行故障定位，下达命令给相关的FTU跳闸隔离故障，从而自动完成故障区域隔离和非故障区域的恢复供电；但是对于命令的可靠执行必须要建设有效而又可靠的通信网络，对配电网通信的依赖性强，且主站的功能比半自动主站强大。

全自动式的建设成本主要有配电系统主站、后台分析软件、通信网络和前端FTU及断路器等。

2　优化配置方式

2.1目标函数

为了合理计及10 kV配电网不同供电分区、电网的经济性和可靠性等多因素影响，提出以单位投资减少停电时间S为目标函数的馈线自动化考核参数指标，表达式为

式中：M为供电区域目标可靠性平均供电可用度时间；Y为总投资成本。

2.2不等式约束

电压约束为

式中：Vmax、Vmin为节点电压上、下限；Vi，st为节点电压。

有载变压器档位约束为

式中：Ti为第i个网络节点有载变压器的档位值；Tmax、Tmin为有载变压器档位上、下限。

2.3等式约束

潮流约束为

式中：Pi和Qi分别为节点有功和无功功率；PG，j和QG，j分别为有功和无功功率输入；PD，k和QD，k分别为有功和无功功率负荷。

可靠性约束为

式中，R为可靠性指标集合，根据不同的可靠性要求选定。

经济性约束为

式中，E（x）为期望的经济投入。

2.4计算流程

10 kV馈线自动化的优化配置方式是一个单目标、多约束的优化问题，即在满足供电区域供电可靠性的基础上，单位投资越小，从而馈线自动化方案越优，经济效益越明显。其计算流程如图1所示。

图1　10 kV馈线自动化优化配置方式计算过程Fig.1　Calculation process of the optimizing allocation of 10 kV feeder automation

另外，一些发达国家为了考虑投资风险，通常将可靠性指标作为其他确定性因素的补充，对于提高可靠性的投资，设定一个平衡点，在该点使投资总成本与未供电总成本之和最小。而我国目前未考虑投资风险，即在满足可靠性要求的基础上，将单位投资减少停电时间引入电网建设，达到减少电网投资风险的目的。

3　案例分析

3.1差异化配置方式

以天津市某示范区配电自动化工程为例。该区域面积22 km2，10 kV公用配电站点1 130座，线路145条，电缆线路长度673.67 km，架空线路长度23.12 km，电缆化率达96.57%，联络率100%，馈线平均4分段，现供电可靠率为99.982%；

该区典型4分段4联络接线模式的10 kV馈线结构示意如图2所示。其中#1为母线，S1为母线出口断路器，S2、S3、S4为分段开关，联络1～联络4为馈线的4个联络，U1～U4为每个分段上的配电变个数。

图2　典型4分段4联络接线示意Fig.2　Sketch map of typical feeder automation of four sections and four contacts

本次馈线自动化改造的目标是区域内供电可靠率达到99.999%。考虑示范区内电缆化率高、原有的配置不包括重合器方式、原有供电可靠性较高及资金配备较充足等因素，选择集中性馈线自动化方式，并开展如下工作：①配置配电自动化主站；②对配电线路和配电站点进行一次设备改造；③配电自动化改造及综合二次改造；④0.4 kV侧智能改造；⑤配用电通信网建设及配用电信息整合。在满足可靠性99.999%的目标基础上，以单位投资停电时间最大为优化对象，按照第2节优化流程，对该区145条馈线进行了优化计算。获得的优化规划配置结论为5条馈线实现智能分布式，10条馈线实现全自动方式，130条馈线实现半自动方式，结论如表1所示。

表1　馈线自动化优化配置Tab.1　Optimizing allocation of feeder automation

由于该区主要为地下电缆供电区域，在馈线自动化配置时舍弃了重合器方式。总投资3.5亿元，单位减少停电时间投资平均为0.43 h/亿元。

3.2全自动式配置方式

在满足可靠性99.999%的目标基础上，以单位投资停电时间最大为优化对象，按照第2节优化流程，对该区145条馈线实现全自动方式，结论如表2所示。

表2　馈线全自动化配置Tab.2　Allocation of feeder automation

完成全自动化方式馈线改造，总投资8亿元，单位减少停电时间投资平均为0.51 h/亿元。

3.3分析

（1）馈线自动化改造工程的经济性与可靠性成正比例关系，即投入的改造资金越大，达到的可靠性要求越高。但是当可靠性达到一定程度，投资的敏感性会很小，不完全与投资成正比关系。

（2）城市配电网建设应同步考虑配电自动化建设需求，配电终端、通信系统应同步规划、同步设计、同步建设，避免边建边改，造成资金浪费。

（3）馈线自动化改造不完全是全自动化为最优方案，本次改造工程中半自动化占据了主要的配置方案，也满足了高可靠性性要求。

4　结语

国家电网公司的配电自动化建设已从试点阶段到全面建设阶段，各个省网电力公司将陆续开展配电自动化的改造工作，尤其是城市核心区的改造；同时在城市核心区进行配电自动化改造中，需要改变现状配电网设备、建设通信网并配置自动化主站等，其投资巨大，施工艰难。

在配电自动化全面建设中，可以根据城市当前的形式和地方特色，在满足供电分区不同可靠性需求的前提下，把单位投资减少停电时间作为项目规划方案的一个因素，合理利用本文的优化方法，实现电网建设的可靠性和经济性的统一。在可靠性需求较低的C、D、E类地区可以尝试重合器式或智能分布式，避免配电自动化主站的建设、通信网的建设、配电自动化改造等一系列工程。

本文结论对于馈线自动化的改造工程，具有一定的借鉴作用，但是也还有很多因素，例如工程实施过程中的外界因素、电力用户的客户要求情况、配电终端的数量情况等，有待进一步研究。

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Optimal Configuration of 10 kV Feeder Automation for Distribution Systems

WANG Zhe1，GE Leijiao2，WANG Haoming3
（1.State Grid Tianjin Electric Power Economics&Technology Research Institute，Tianjin 300371，China；
2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China）

Feeder automation is an important measure to improve the reliability of distribution systems，and it needs a huge capital investment.In order to solve the conflicts between reliability and economic，combined with the fact that 10 kV feeder automation of distribution systems has made less benefit，a feeder automation differentiation strategy is pro⁃posed in this paper.First of all，two reliability calculation model including the radiation segment networks and contact segment networks are established.Secondly，the economic on four typical modes of feeder automation is analyed，and the automatic optimal procedure of 10 kV feeder automation is dericed for distribution systems，and the unit investment to reduce the outage time is realized as the optimization object allocation strategy.Finally，the actual feeder automation project case in a certain district of Tianjin City is constructed to verify the feasibility of configuration optimization differ⁃entiation strategy.

10 kV distribution network system；feeder automation；reliability；economy；differentiation allocation strategy

TM470

A

1003-8930（2016）03-0065-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.012

王哲（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为城市电网规划、配电自动化。Email：wzhe99@163.com

葛磊蛟（1984—），男，博士研究生，研究方向为智能配用电与不确定性仿真。Email：legendglj99@tju.edu.cn

王浩鸣（1984—），男，博士研究生，研究方向为电力系统控制和运行。Email：wanghaoming01@126.com

2014-06-09；

2015-06-03