乡村配电网供电可靠性提升研究.pdf

30 东北电力技术NORTHEAST ELECTRIC POWER TECHNOLOGY2023 年第 44 卷第 7 期乡村配电网供电可靠性提升研究李星举,郭 峰,徐 峥,闵 娜(国网鞍山供电公司,辽宁 鞍山 114002)摘要:能源安全已成为我国战略安全的关键组成部分,提升乡村配电网供电可靠性,实现 99.99%的管理目标,可为快速发展绿色低碳的乡村能源提供支撑。针对某地区乡村配电网供电的实际情况和季节性能源波动需求,基于营配融合变电站每日生产管理系统(power management system,PMS)的线路低电压、重负荷等问题进行在线监控,逐一消除供电半径长、台区功率因数低、变压器重过载等问题,实施改善无功功率供给、应用在线监测预警等策略,最终实现低压台区数量下降 77%,功率因数均大于 0.8,三相不平衡度均低于 15%的综合治理目标。关键词:供电可靠性;在线监测;配电网;低压治理;数据应用中图分类号 TM732文献标志码 A文章编号 1004-7913(2023)07-0030-04Research on Distribution Network Power Reliability Improving in Rural AreaLI Xingju,GUO Feng,XU Zheng,MIN Na(State Grid Anshan Power Supply Company,Anshan,Liaoning 114002,China)Abstract:Energy security has become a key component of Chinas strategic security.It improves power supply reliability in the rural area and achieves the management target of 99.99%.It can support the rapid development of green and low-carbon rural energy.Ac-cording to the actual situation of power supply in the rural area distribution network and seasonal energy fluctuation demand,based on substation daily production management system(PMS)of business distribution integration monitoring online low voltage,heavy load and other problems,it eliminates such problems one by one like long power supply radius,low power factor in substation area,heavy overload of transformer.It implements strategies such as improving reactive power supply,applying online monitoring and early warn-ing.Finally it realizes a comprehensive treatment target quantity of 77%reduction in low voltage substation area.The power factor is greater than 0.8,and the three-phase imbalance is also lower than 15%.Key words:power supply reliability;online monitoring;distribution network;low voltage control;data application0 引言配电网经过智能电网、泛在电力物联网、能源互联网等重点建设,智能化、信息化水平明显提高1。2021 年,我国全面开启乡村振兴新任务,但是受设备老化、资金投入、地形复杂、施工困难、运维力量薄弱等因素制约,乡村配电网升级改造面对挑战。面对日益增长的乡村多元化、个性化用能需求和不断上升的供电可靠性需求,需要在维护用户财产安全和经济利益的基础上,在关键指标、工程造价、同期线损、社会效益和环境质量等多维度确定合理的最优解2。针对乡村配电网较为频发的低电压、重过载等问题进行台区、线路原因分析,采取生产管理系统(power management system,PMS)的在线监测、重点台区故障预警、增加无功补偿装置、改善台区功率因数等方案,特别是对于台区变压器三项不平衡、负债率等主要技术指标和不同区域、季节、时段的电气量进行分析3,最终确定技术可行、经济合理的规模化乡村配电网解决方案。在提升数字化可靠性方面,李锐从供电可靠性理念、机制、举措、技术支撑体系和推广实施 5 个维度入手,从管理体系、电网规划、工程建设、系统优化等方面介绍了南方电网在供电可靠性管理中的创新探索,在 4 条潜在可行性方案中得出未来提升供电可靠性的技术方向展望4;在评估体系研究方面,刘丽媛结合用户用电体验和电能质量的提升,进一步探究了配电网供电可靠性评估体系,以最大限度转化为客户满意度效益为衡量标尺,将各类关键技术进行逐一验证,保证供电可靠性实现针2023 年第 44 卷第 7 期李星举,等:乡村配电网供电可靠性提升研究31 对性持续提升5;在配电自动化规划方面,刘健等从配电自动化主站、终端、通信和继电保护等方面对配电自动化系统规划设计进行技术验证和整理归类,并结合全国城市供电可靠性统计数据,分析和论证了对提升各类区域供电可靠性的差异化规划原则与方法6。当前,能源互联网与新型电力系统在配电网侧正在加快建设,以数字化、网络化、智能化为代表的供电软件应用升级与智能负荷开关、电能表、考核表为代表的配电网硬件设备在乡村地区的推进速度明显低于平均值,供电公司和变电站需要在保证供电可靠性提升的前提下,从管理、技术、设备、人员等全链条进行综合优化。对此,本文以提升乡村配电网供电可靠性为预期目标,面向差异化用户需求和远距离抢修、运维的营配工作人员实际,设计一种重点解决 10 kV 低压台区各类问题的可行性方案,并以辽宁某地级市配电网运行维护反馈情况为例,验证实际效果,为加快建设高可靠性乡村配电网提供基础数据支撑和有益探索。1 配电网供电可靠性研究1.1 存在问题a.根据乡村地区的地理区位、经济结构和人口分布等因素,实现供电可靠性 6 个“9”的目标需要从规划设计、设备采购到日常运维的一体化解决方案,满足乡村地区高可靠性供电、高比例节能、广纵深覆盖等现实需求。目前,乡村存量电网的综合管理和技术指标并不能满足要求,低压台区、重过载变压器、高损线路等问题仍是制约乡村配电网智能化的关键瓶颈。b.受惠于国家政策和市场下沉等有力导向因素,以及“新能源下乡”有利要素,乡村新能源“发、变、配、用”等供用电环节需求明显上升,而新能源电量接入电网的主流方式有并联和联络开关切换接入 2 种,这都对乡村配电网可靠性提升提出更大挑战。1.2 供电可靠性评估关键计算a.关键设备可靠性影响计算乡村配电网可靠性首要制约因素是配电变压器、继电保护装置、重合闸自动投切装置、配电线路及相关配件等电气设备的可靠性。工程上,常用序贯蒙特卡洛法进行分析,即某一电气设备的可靠性概率 P 为P=MTTFMTTF+MTTR=+(1)式中:MTTF 为元件平均正常运转时间;MTTR 为元件平均故障修复时间;为设备修复率;为设备故障率。通过采用在线监测、无人机巡线、4G 布控球等新技术投入和营配融合等管理革新,乡村配电网供电设备全寿命无故障运行率明显提升7。b.关键事件可靠性影响计算乡村地区较易出现“单线单变”辐射区域,考虑到因地质、天气、人为等原因造成跳闸、重合闸不良等情况时,需要对故障起因、过程及影响进行规范的量化分析和计算,通常采用的计算项目有等效停电次数和电压合格率。其中,衡量低压台区在遭遇冲击或干扰时电能质量的标准为等效停电次数,其关注在任一时段内,因电能质量波动(而非系统调度)引发的用户侧跳闸或用户主要用电设备失电的事件次数为EOT=Pm(2)式中:Pm为计量区域电网第 m 个设备单元或用电单元在此期间的停电事件次数。与造成乡村地区用户生产生活较大影响的关键事件相对的是,日常供用电过程中用户所获得的电能质量合格率。其中,电压合格率是指在任一时段内,需求侧可以有效计量的合格电压持续时长与统计总时长的比率为VER=tvmT 100%(3)式中:tvm为计量区域内电网 m 个设备单元或用电单元在此期间的合格电压持续时长;T 为此计量时段的总时长。c.关键管理流程可靠性影响分析基于乡村配电网运维工作实际,从工作班综合能力、10 kV 线路工况、变压器在运分析等综合判断影响供电可靠性的关键因素,如表 1 所示。表 1 供电可靠性关键影响因素项别标准培训质量培训记录及培训合格率达到 100%10 kV 线路供电半径/km80变压器三相不平衡度/%15低压线路供电半径/m380 V 供电架空线路350电缆线路25032 东北电力技术2023 年第 44 卷第 7 期1.3 关键技术路径优化结合新型配电网系统的建设目标和技术架构可以进一步明确乡村配电网供电可靠性优化的完整思路,分为长期总体架构延伸和短期增长需求解决。a.建立“智云网边端”架构“智”面向电网调度、管理、运营的“神经中枢”一级,主要依靠 AI 技术搭建基于“供电一张网”的智能供用电服务体系,确定乡村新型配电网可持续发展的阶段目标和长远规划;“云”面向支撑电网“超级 AI”的云计算和云存储 2 个基础能力,依托国网新能源云平台,逐步实现企业中台体系;“网”面向物理空间的基础配电网,需要5G 无线通信、光纤通信、新型材料等领域的进步与支撑,进而实现网架坚强、状态可控、智能运维、安全经济的乡村新型配电网目标;“边”主要利用边缘计算为代表的关键技术,满足新能源接入后在变电储能、多站协同、冗余计算的工程实际需求8;“端”是与一般用户较常接触的智能感知终端,近年来基于物联网感知层的核心技术在电网中大量应用,被称为电力三次设备,是电网信息物理融合系统(cyber-physical systems,CPS)的基础。b.建立“站线变户”整体优化方案乡村配电网需要综合考虑投资成本、回报周期、社会效益、民生保障、运维力量等因素,现有通行方案包括新建 220 kV 或 66 kV 变电站、配电变压器改造、加装无功补偿装置、优化变电站管理模式等9。依据响应区位的约束条件进行最优解逐一规划实施,是对乡村地区用户生产生活影响较小且改善措施灵活、效果效益明显的合理方案。本文通过选取典型乡村配电网运行及事故特征,依托PMS 系统、在线监测等数据手段,针对故障台区实施定点定向清理、优化的模式,在减少乡村地区等待新变电站、新线路建设时长的同时,达到台区三相平衡,有效缓解中性点漂移,减少中性线电流的关键技术目标,维护用户经济效益和降低供电公司线路损耗,符合技术可行、经济合理原则。2 应用实例本文以辽宁某地级市供电公司服务范围展开实例验证,该地区供电面积涉及 6 个镇共 317 km2,供电用户 12.27 万户;共有 5 座 220 kV 变电站、14 座 66 kV 变电站;10 kV 配电变压器 1689 台,容量为 454.48 MVA;10 kV 配电线路 119 条,长为 868.5 km,属于典型的城区和乡村、平原和山地、3 个产业全覆盖的综合经济开发区,具备较好的研究条件。现行实施方案包括新建一次或二次变电站、配电变压器改造、加装无功补偿装置、优化变电站管理模式,主要问题是低压台区功率因数低和变压器三相不平衡,工程评估指标包括关键设备可靠性及关键事件可靠性计算,实现“用电无感知,运维零中断”。综上所述,从解决用户需求和配电网升级改造入手,提出符合价值工程最优化原理的改造方案,最大限度实现社会效益、经济效益、环境效益。某地区 10 kV 线路低压台区数量如表 2 所示。表 2 某地区 10 kV 线路低压台区数量项别8 月9 月10 月 11 月 12 月平均值低压台区数量/个10171812813根据乡村配电网及设备分布实际情况,按照不同用户类型划分理论供电可靠性、故障调整率、电压合格率等控制目标。在升级改造中,以低压台区变压器为例,除关注非晶合金配电变压器投运比例,还需关注乡村地区日常负载率低,农忙或丰收时期负荷激增的变压器运行特征。基于地理信息系统(geographic information system,GIS)、营销 SG186系统和资产管理系统的可靠性综合数据源支撑模块,有助于在规划、实施、运维升级改造区域低压台区的综合表现。在新型配电网精准投资约束条件下,进一步精准设备选型和升级改造是形成智能化供电可靠性管理的关键。某地区线路问题改造方案如表 3 所示。表 3 某地区线路问题改造方案问题特征改造方案加装 JP 柜型电容器组台区功率因数低加装电力电子型无功补偿装置加装电容型三相不平衡调节装置变压器三相不平衡加装电力电子型三相不平衡调节装置人工换相调整三相负荷3 实施效益a.经济效益提升按每台区每日减少损耗 3 kWh 计算,全年减少损耗约 1000 kWh,减少经济损失约 500 元,14台低压台区加装无功补偿装置,全年减少经济损失7000 元,仅单一台区升级改造即可取得明显供用电环境改善,经济效益提升十分明显。2023 年第 44 卷第 7 期李星举,等:乡村配电网供电可靠性提升研究33 b.供电可靠性改善2022 年 1 月,低压台区电力电子型三相不平衡装置升级改造后投入使用,低压台区功率因数均大于 0.8,三相不平衡度均低于 15%,用户电能质量提升效果显著;故障率由月均13 个降为3.5 个,剔除不良天气等客观因素影响,供电可靠性明显改善。c.社会效益提升在不进行长期升级改造、避免频繁停电等情况下,可更好服务于农耕生产,便于秋季丰收季节果农储存水果,支持农村建设果鲜仓储、冷链物流、直播销售等新兴业态,发挥了基础性和保障性作用,具有重要的社会价值10。综上,依据新型配电网和“站线变户”梯次升级改造路径,不仅具备符合能源互联网建设的思路,而且具备融合各类新兴技术和“获得电力”的保障基础,相较于传统模式具备较好综合效益,供电可靠性指标如表 4 所示。表 4 供电可靠性指标序号项别功率因数三相不平衡度/%治理前治理后治理前治理后1摩云干 203 右 7 号摩云线0.720.9141112摩云干 183 左 6 号摩云线0.690.9225123摩云干 228 号摩云线0.740.91654摩云干 236 号摩云线0.710.9532145摩云干 162 右 5 号摩云线0.720.963696水库分 16 号摩云线0.680.9442127金家峪分 22 号摩云线0.740.9311108摩云干 201 左 6 号0.780.9737119摩云线号 2090.760.9156810摩云干 153 号摩云线0.790.9248911摩云干 144 右 11 右 1 变压器0.710.94521012摩云干 187 号摩云线0.680.95421113摩云干 144 右 7 号摩云线0.740.9318714金家峪分 44 号摩云线0.810.8962124 结语本文结合新型配电网的建设思路和可行方案,针对乡村配电网运行、改造中的实际问题,提出供电设施梯次升级和营配融合管理优化的供电可靠性提升综合策略。通过量化分析对比新建变电站、变压器升级、加装无功补偿装置等不同应用场景,探索提升用户经济效益和供电公司发展目标的可行路径,最终选定符合供用电规模和效果明显的工程方案,并通过对比计算其在某 10 kV 线路试运行 1 年以上的效益效果,验证了其对于改善供电可靠性等用户“获得电力”关键影响因素的可行性和经济性,为加快建设乡村新型电力系统和指导未来乡村电网工程实践提供有益探索和实例参考。参考文献:1 李星举,王贺,孙文浩,等.城区配电网小数据量灾备策略研究 J.电子元器件与信息技术,2021,5(8):153-155,158.2 葛磊蛟,李元良,陈艳波,等.智能配电网态势感知关键技术及实施效果评价 J.高电压技术,2021,47(7):2269-2280.3 郭宏业,陈启鑫,夏清,等.电力市场中的灵活调节服务:基本概念,均衡模型与研究方向 J.中国电机工程学报,2017,37(11):3057-3066.4 李 锐,彭明洋,顾衍璋.数字化转型下的南方电网供电可靠性发展策略 J.供用电,2021,38(3):38-44.5 刘丽媛.兼顾用户用电体验和电能质量的配电网供电可靠性评估研究 D.广州:华南理工大学,2018.6 刘 健,林涛,赵江河,等.面向供电可靠性的配电自动化系统规划研究 J.电力系统保护与控制,2014,42(11):52-60.7 刘凯成,钟鸣,曾平良,等.考虑分布式可再生电源和储能的智能配电网可靠性评估综述 J.电测与仪表,2021,58(7):1-11.8 伍也凡,刘浩田,肖振锋,等.考虑源-网-荷不确定性的增量配电网规划研究综述 J.电力系统保护与控制,2021,49(8):177-187.9 魏 凯,陈晓燕.面向新型源荷接入的交直流混合配电网关键技术探索 J.通信电源技术,2021,38(4):143-145.10 朱 征,李依泽,顾黎强,等.新型配电网同步相量装置测试与实际电网应用 J.电工电能新技术,2021,40(4):27-34.作者简介:李星举(1989),男,硕士,工程师,从事电力系统智能化与配电网融合技术领域研究。(收稿日期 2023-02-26)(编辑:赵 涛)