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农村地区设备故障对供电可靠性的影响及故障指示器配置建议

编辑:   发布时间:2019-10-26

【摘  要】:在讨论农村配网设备故障停运对供电可靠性影响的基础上,对比分析了不同类型故障指示器在农村的适用性。基于故障模式后果分析法,计算了农网案例的供电可靠性对故障定位时间的敏感性,进而对投资故障指示器的技术经济性进行了定量分析,提出适用于农网的故障指示器配置建议。

【关键词】:农村配电网;设备故障;故障指示器;供电可靠性;技术经济性

0 引言

       我国2017年农村用户故障平均停电7.13小时/户,是城市用户故障平均停电时间的4.4倍[1]。减小设备故障对农村地区配电网供电可靠性的有效途径之一是减小故障定位时间。

       由于农村地区的线路通常无法实现自动化故障定位,在农村配电网规划、设计、建设和改造阶段实现合理的故障指示器配置可以有效减小电网运行过程中设备故障可能造成的停影片响。

       本文在讨论农村地区配网设备故障停运对供电可靠性影响的基础上,对比分析了不同类型的故障指示器在农村地区的适用性。基于故障模式后果分析法[2,3],计算了所选农网案例的供电可靠性对故障定位时间的敏感性,进而对故障指示器投资的技术经济性进行了定量分析,最终提出适用于农网的故障指示器配置建议。

1 农村地区设备故障对供电可靠性的影响

1.1 设备故障停运的影响

       2017年,我国城市地区中压配电系统等效总用户数为241.04万户,城市用户总容量为132118.0万千伏安,线路总长85.6万公里;农村地区等效总用户数为666.5万户,城市用户总容量为159591.5万千伏安,线路总长357.4万公里[1]。中压配电系统中农村地区的用户数量、用户容量及线路规模均超过城市地区。然而,农村地区中压配电网络结构多采用辐射型,相比通常采用环网设计、或多分段多联络的城市配网,农村配网拥有较低的供电安全性和转供能力。此外,2017年城市地区中压线路绝缘化率达到77.7%。农村地区线路规模虽大,其绝缘化率仅为23.1%,相比城市线路更易产生故障。

       由于以上两方面原因,农村配电网受设备故障停运的影响更加显著:2017年,我国城市、农村用户故障平均停电时间(SAIDI-F)分别为1.62小时/户、7.13小时/户;城市、农村用户故障平均停电频率(SAIFI-F)分别为0.55次/户、2.20次/户;城市、农村用户故障平均停电持续时间(MID-F)分别为3.52小时/次、3.73小时/次[1]。

1.2 减小设备故障停运影响的措施

       从设备和运行维护的角度出发,减小农村地区设备停运影响的措施包括:提升设备健康水平和缩短故障抢修时间。前者可通过更换老旧设备、提高设备采购质量、提高运行维护质量和加强用户管理等手段实现。后者可通过提升配电自动化水平、提高抢修作业效率、应用移动电源作业等手段实现。

      基于网架结构的保障,高度自动化的配网能够在发生故障后迅速隔离故障,并第一时间完成转供电操作。但在农村地区,供电可靠性要求普遍低于城市地区,出于经济性考虑通常不建设电动操动机构或运行监测型配电自动化系统。这导致农村地区的线路通常无法实现自动化故障定位,而仍需依靠故障指示器进行故障查找。

2 故障指示器的功能定位及发展进程简述

2.1 功能定位

       故障指示器是指一种安装在电力线(架空线、电缆及母排)上指示故障电流的装置。故障指示器在配电线路沿线装设,一旦线路发生故障,短路电流流过,故障指示器便动作;电源侧至故障点之前的故障指示器都出现动作,故障点以后的故障指示器都不出现动作,即可判断,故障点便在最后一个动作点与其后第一个非动作点之间。

       故障指示器总体定位为线路故障监测,能够辅助运维人员及时发现故障区域、预判故障类型,节约故障定位与故障处理时间;然而,其数据采集精度(尤其在线路电流较小时精度无法保证)及数据上传规模无法与FTU、DTU相比,无法实现线路实时运行状态监测、拓扑分析及网络重构等高级应用。

2.2 发展进程

       故障指示器最早源于20世纪70年代的德国,90年代时国内出现短路型故障指示器设备应用,2003年国内出现简单的接地/短路型故障指示器,2005年出现带通信功能的接地/短路型故障指示器,2012年出现通信组网型故障指示器;2015年国家电网企业牵头制定配电线路在线监测系统装置,力求规范行业,较好解决接地故障检测的难题,提出暂态录波型故障指示器。

 

图1 故障指示器发展历程

 

3 故障指示器的分类及适用性分析

       根据原理和功能不同,故障指示器可分为外施信号型、暂态特征型、稳态特征型和暂态录波型,各种模式信息传输方式、原理及配置、适用性、主站要求、准确性及投资强度等情况如表1所示。

       外施信号型在接地故障方面准确率较高,但投资较大,且特征信号会对电压质量产生影响,总体投资高、准确性好、影响电压质量特征;暂态特征型投资小、可远传信号,但在接地故障判断方面性能不足,总体具有经济、高效的特征;稳态特征型投资小、可远传信号,但在接地故障判断方面性能不足,总体具有经济、高效的特征;暂态录波型价格相对较高,需配套新主站应用,旧主站需增加功能模块,目前故障判别性能不稳定,且耗电量较大,在低负荷地区适用性差,总体具有投资较高、性能暂不稳定、耗电大的特征。

4 案例分析及故障指示器配置建议

4.1 故障指示器运行统计

       根据国内故障指示器运行情况的调研结果,不同类型的故障指示器均存在故障判断准确率低的问题:故障指示器短路故障判断平均准确率仅为54.93%,其中暂态录波型和外施信号型分别为58.79%和41.67%;接地故障判断平均准确率仅为7.82%,其中暂态录波型、外施信号型分别为2.78%和11.21%。故障指示器平均在线率为89.76%。因此,本文在研究准确故障指示对缩短故障定位时间的贡献度前考虑了故障指示器提供准确指示信息的等效概率模型。

4.2 供电可靠性敏感性案例分析

       本文所选农网案例的网架结构、设备停电频率、配电自动化水平、不停电作业应用水平以及停电管控水平如下。

       供电区类型为D类供电区。供电区内共有40回线路,具备转供能力的线路2回,转供率5.0%。该供电区内线路的平均供电半径为13.8公里,区内线路、配变和各类开关设备的平均故障率为5.98次/百公里·年(次/百台·年)。供电区配电自动化率为0,不停电作业覆盖率为2.4%。由于检修和工程原因造成设备平均停运率分别为9.8和12.4次/百公里·年或次/百台·年。

       通过对案例进行数学建模,本文采用故障模式后果分析法计算得到供电可靠性对故障定位时间的敏感性,进而得到暂态特征型、暂态录波型及外施信号型故障指示器投资与供电可靠率的关系(稳态特征型故障指示器投资经济性与暂态特征型相同)。根据图2,加大单位线路长度的故障指示器投入可有效提高供电可靠率。因受杆塔数量限制,投资效益曲线自不同位置起趋于平缓。三类故障指示器在不同的供电可靠率区间具有不同的投资经济性。在D类供电区可靠性区间(根据国家发改委《关于加快配电网建设改造的引导意见》(发改能源〔2015〕1899号)以及国家能源局《配电网建设改造行动计划(2015—2020年)》(国能电力〔2015〕290号)对供电可靠性提出的要求,2020年农村地区供电可靠率需达到99.72%),配置暂态特征型(稳态特征型)故障指示器为最优方案。

 

图2 故障指示器每公里投资与供电可靠率的关系

 

4.3 故障指示器配置建议

       暂态特征型故障指示器尽管在接地故障判别方面存在不足,但考虑经济性和使用效果后,总体应用效果较好,推荐在农村(D类供电区)使用。稳态特征型故障指示器与暂态特征型故障指示器特点相似,但主要针对电缆线路。

       暂态录波型故障指示器是未来的发展方向,但目前使用效果不佳,在负荷较大地区效果较好,但价格偏高,建议作为负荷较大地区的故障定位辅助设备使用,不适合应用于农村地区。

       外施信号型故障指示器在接地故障判断方面性能良好,准确率高,但投资强度偏大,且对电能质量会产生一定影响,建议电网企业考虑区域电网发展需求及投资承受能力进行决策。

5 结论和展望

       农村用户受设备故障停运导致停电事故的影响大于城市用户。减少该影响的有效措施之一是制定合理的故障指示器配置方案,从而缩短故障定位时间。

       相对城市地区,农村地区负荷密度相对较低,PT取电难以为录波型故障指示器提供可靠的电源支撑,光伏板与储能的组合模式无法满足录波型的高能耗需求。大规模投资建设录波型故障指示器后,使用效果和可靠性方面的收益无法保证。农村地区配电自动化建设尚处于起步阶段,应以使用成熟可靠技术为主要原则、以经济高效为总体导向。

       通过对各类故障指示器的功能性、适用性及技术经济性进行综合比较,建议农村地区配电网以配置暂态特征型故障指示器为主要建设发展模式,可局部试点暂态录波型故障指示器作为研究储备。待农村地区配电自动化覆盖率提升后再逐步考虑理念先进、尚未成熟的技术应用。

       外施信号与暂态录波型分别为接地故障判别两个技术发展方向,外施信号理念提出时间较早,发展面临障碍,在投资经济性及电能质量影响方面的问题无法回避;暂态录波型属于新技术,发展潜力较大,是未来的发展方向之一。电网企业在未来技术储备方面可重点考虑暂态录波型模式。

参考文献 

[1] 中国电力企业联合会.2017年全国电力可靠性年度报告.2018.

[2] R. Billinton, R. N. Allan. Reliability Evaluation of Power Systems. Springer US,1996.

[3] 程林,何剑.电力系统可靠性原理和应用.清华大学出版社,2015.

(此专文摘自《88必发娱乐游戏》杂志文库,专文主创:电力规划设计总院  刘钊  苗竹  张韬  黄晓莉  杨刚

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