城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃接線模式和拓?fù)溆?jì)算分析

田懷源，周步祥，李保生

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.山東電力集團(tuán)公司萊蕪供電公司，山東 萊蕪 271100）

0 引言

配電網(wǎng)位于電力系統(tǒng)末端，直接與用戶相連，只有通過它，整個(gè)電力系統(tǒng)才能最終實(shí)現(xiàn)并保障對(duì)用戶的供電能力和供電質(zhì)量。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，用戶對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性要求越來(lái)越高；電力市場(chǎng)的逐步形成及電價(jià)機(jī)制的完善，也對(duì)供電可靠性提出新的要求。這一切都要求在進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)時(shí)必須把提高配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益及供電可靠性擺在特別重要的地位［1-2］。

目前國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行配電網(wǎng)建設(shè)與改造工程，其中電網(wǎng)接線模式的選擇是一個(gè)非常重要的方面。因?yàn)樗粌H牽涉到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，而且也關(guān)系到供電可靠性，還對(duì)整個(gè)電力工業(yè)和用戶的發(fā)展具有重要意義。因此，有必要對(duì)各種可能的接線模式進(jìn)行定量的計(jì)算分析，以便得出符合實(shí)際供電要求的接線模式［1-4］。

10 kV網(wǎng)絡(luò)作為我國(guó)城市中壓配電網(wǎng)，其地位十分重要，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并達(dá)到接線方式標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的要求，有必要針對(duì)現(xiàn)狀城市中壓配電網(wǎng)過渡到目標(biāo)年網(wǎng)架的過渡方案及網(wǎng)架拓?fù)溆?jì)算進(jìn)行研究。

1 中壓配電網(wǎng)絡(luò)接線模式

10 kV中壓配電網(wǎng)由上一級(jí)變電站的10 kV配電裝置、開關(guān)站、配電所和架空線路或電纜線路等部分組成，其功能是將電力安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理地分配到用戶［2］。一般情況下，城市的配電網(wǎng)由架空線和電纜線混合組成。在研究某地區(qū)特定的供電區(qū)域內(nèi)10 kV配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用架空線路和電纜線路分開進(jìn)行研究的方法［9］，但考慮到網(wǎng)架發(fā)展的總體趨勢(shì)是輻射向環(huán)網(wǎng)接線過渡架空向電纜線路過渡，因此，本文在分析接線模式時(shí)，也將架空和電纜線路進(jìn)行了綜合分析。國(guó)內(nèi)外具有代表性的典型架空和電纜接線模式如圖1～8所示。

圖1 中國(guó)城市配電網(wǎng)10 kV線路接線圖

圖2 倫敦中壓網(wǎng)孔型接線

圖3 巴黎中壓仿垂形接線

圖4 美國(guó)紐約雙回線接線

圖5 美國(guó)“4×6”網(wǎng)絡(luò)接線

圖6 3分段4連接方式（日本）

圖7 香港中華電力公司的典型閉環(huán)網(wǎng)（電纜）

圖8 新加坡環(huán)式接線（電纜）

2 中壓配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃總體思路及過渡方案研究

2.1 中壓配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃總體思路

中壓配電網(wǎng)規(guī)劃思路是根據(jù)目標(biāo)年負(fù)荷分布預(yù)測(cè)結(jié)果和變電站選址方案，將10 kV配電網(wǎng)按供電范圍分區(qū)，對(duì)10 kV配電網(wǎng)絡(luò)按分區(qū)進(jìn)行規(guī)劃。依據(jù)技術(shù)原則、可靠性的要求和采用的主要接線模式，考慮不同110 kV變電站之間10 kV聯(lián)絡(luò)線的設(shè)置（站間聯(lián)絡(luò)率），以及同站不同母線的聯(lián)絡(luò)情況（站內(nèi)聯(lián)絡(luò)率）。規(guī)劃方案需滿足各種系統(tǒng)約束條件（如：短路容量限制、電壓水平限制、線路過負(fù)荷限制及N-1安全性準(zhǔn)則等）。按照理想的供電模式和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃出目標(biāo)的目標(biāo)網(wǎng)架。以目標(biāo)年網(wǎng)架為目標(biāo)，以現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，根據(jù)中間年負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行中間年的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，重點(diǎn)解決現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)存在的問題，盡量考慮中間年網(wǎng)絡(luò)到目標(biāo)年目標(biāo)網(wǎng)架的過渡問題。以近期規(guī)劃年規(guī)劃方案為基礎(chǔ)，排出改造和建設(shè)的工程項(xiàng)目，逐步克服現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)的問題。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)狀配網(wǎng)存在的主要問題，如線路供電半徑過長(zhǎng)、迂回供電、供電范圍不清晰以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱等方面重點(diǎn)加以解決。

目標(biāo)規(guī)劃網(wǎng)架并不是在一個(gè)完全空白的新區(qū)上建設(shè)，而是在現(xiàn)狀負(fù)荷和現(xiàn)狀線路的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展到目標(biāo)網(wǎng)架，所以要求目標(biāo)網(wǎng)架應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，在城市發(fā)展出現(xiàn)新情況時(shí)可以比較靈活地發(fā)展成為其他供電模式。

2.2 中壓配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過渡方案研究

中壓配電網(wǎng)目標(biāo)結(jié)線與過渡結(jié)線標(biāo)準(zhǔn)的演變關(guān)系如圖9所示。

圖9 中壓配電網(wǎng)結(jié)線方式的演變關(guān)系圖

2.2.1 架空線網(wǎng)架建設(shè)及典型供電模式過渡

饋線組發(fā)展的初期，負(fù)荷較小，首先根據(jù)該區(qū)域現(xiàn)有線路的情況形成線路單環(huán)網(wǎng)接線方式（1），此時(shí)兩條線路的負(fù)荷率應(yīng)該都不超過50%；超出兩條線50%負(fù)載率時(shí)，考慮和其他線路建立聯(lián)絡(luò)，形成多分段兩聯(lián)絡(luò)接線（2），線路正常負(fù)載率可達(dá)到67%；負(fù)荷繼續(xù)發(fā)展超出67%負(fù)載率時(shí)，考慮在和其他線路建立聯(lián)絡(luò)，形成多分段三聯(lián)絡(luò)接線（3），線路正常負(fù)載率可達(dá)到75%。

圖10 架空線接線過渡形式

2.2.2 電纜雙“∏”兩聯(lián)絡(luò)接線模式過渡

在饋線組負(fù)荷發(fā)展的初期，負(fù)荷較小，可首先根據(jù)該區(qū)域現(xiàn)有線路的情況形成電纜線路單環(huán)網(wǎng)（1），此時(shí)兩條線路的負(fù)荷率應(yīng)該都不超過50%；饋線組區(qū)域負(fù)荷發(fā)展到超出兩條線50%負(fù)載率時(shí)過渡到（2）或者（3）；若負(fù)荷發(fā)展已經(jīng)趨于飽和，且易于與其他線路建立聯(lián)絡(luò)采用（2）；若本區(qū)域還有很大的負(fù)荷發(fā)展空間或與其他線路建立聯(lián)絡(luò)較為困難采用 （3）；隨著負(fù)荷的繼續(xù)增長(zhǎng)可以發(fā)展到（4）所示的兩聯(lián)絡(luò)雙∏接線模式，四條線正常負(fù)載率均為67%。

2.2.3 電纜主備接線模式過渡

在饋線組負(fù)荷發(fā)展的初期可首先形成電纜線路單環(huán)網(wǎng)接線方式（1），此時(shí)兩條線路的負(fù)荷率應(yīng)該都不超過50%；在饋線組區(qū)域負(fù)荷發(fā)展超出兩條線50%負(fù)載率時(shí)，就可以考慮建設(shè)聯(lián)絡(luò)用的開閉所，并架設(shè)第三條線路，一條主供線路，也可以先上備用線路（2）；負(fù)荷繼續(xù)發(fā)展，必要情況下形成“4-1”饋線組（3）。

圖11 雙“∏”兩聯(lián)絡(luò)接線模式過渡

3 中壓配電網(wǎng)拓?fù)溆?jì)算

3.1 中壓配電網(wǎng)拓?fù)溆?jì)算基本原理

（1）拓?fù)溆?jì)算總體概括。

10 kV網(wǎng)架的拓?fù)溆?jì)算是對(duì)10 kV網(wǎng)架線路走向和下負(fù)荷點(diǎn)配置等進(jìn)行的優(yōu)化計(jì)算，使10 kV網(wǎng)架走向合理、負(fù)荷分配均勻、有功損耗最小和電壓降落最低。

拓?fù)溆?jì)算是基于PW_Flow軟件所進(jìn)行的計(jì)算，軟件輸入數(shù)據(jù)是10 kV線路下負(fù)荷點(diǎn)的有功和無(wú)功、下負(fù)荷點(diǎn)之間的距離，還有線路型號(hào)，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，輸出數(shù)據(jù)是①首節(jié)點(diǎn)分別于2，3，4……n節(jié)點(diǎn)之間的有功損耗、無(wú)功損耗、電壓降落、電流值等；②末節(jié)點(diǎn)n分別于n-1，n-2，n-3，……，1節(jié)點(diǎn)之間的有功損耗、無(wú)功損耗、電壓降落、電流值等；然后通過綜合計(jì)算，找到10kV線路的最優(yōu)開斷點(diǎn)。拓?fù)溆?jì)算流程如圖13所示。

圖12 主備接線模式過渡

圖13 拓?fù)溆?jì)算流程圖

（2）拓?fù)溆?jì)算過程分析。

根據(jù)空間負(fù)荷密度法預(yù)測(cè)的結(jié)果，將地塊負(fù)荷分配到每條10 kV線路上，在分配時(shí)盡量保證：

①供電分區(qū)明確。負(fù)荷分配時(shí)，應(yīng)考慮今后正常運(yùn)行時(shí)的供電范圍，要保證10 kV線路與線路之間供電分區(qū)明確，不存在交叉互供現(xiàn)象。

②負(fù)荷分配合理。負(fù)荷分配合理即為在負(fù)荷分配時(shí)不能將負(fù)荷集中在線路上的某一點(diǎn) （用戶專線除外），要均勻的分布在整條10 kV線路上。

3.2 算例分析

某開發(fā)區(qū)一回10 kV單環(huán)網(wǎng)接線，由新建1線和新建2線組成，中間以環(huán)網(wǎng)柜相連。從某1站出線，穿過負(fù)荷中心和邊緣街道接入某2站，線路全長(zhǎng)7.27 km。負(fù)荷分配如表1所示。

表1 開發(fā)區(qū)一回負(fù)荷分配表

（1）拓?fù)浞治?。根?jù)負(fù)荷分配情況，該線路有功負(fù)荷6 475 kW、無(wú)功3 136 kvar，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。為了節(jié)約投資，又保證負(fù)荷供電的可靠性，并盡可能地減少負(fù)荷損失，該回線路安裝12臺(tái)開關(guān)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)K7常開，其他開關(guān)常閉。表2列出了環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行或一處發(fā)生故障后的開關(guān)動(dòng)作情況和負(fù)荷損失情況，負(fù)荷損失欄目的括號(hào)中給出了當(dāng)前故障損失負(fù)荷以及對(duì)應(yīng)的配電點(diǎn)順序號(hào)。

由表2知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任何一處發(fā)生故障時(shí)，無(wú)負(fù)荷損失，供電可靠性得到了保證，符合n-1原則。不間斷供電的配電點(diǎn)列于表3中。

（2）優(yōu)化計(jì)算。

根據(jù)《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》和《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，配電網(wǎng)應(yīng)滿足如下運(yùn)行要求：

圖14 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表2 開關(guān)狀態(tài)及負(fù)荷損失

表3 滿足n-1原則的配電點(diǎn)

①10 kV額定電壓，允許波動(dòng)：-7%～7%；

②無(wú)功補(bǔ)償電容器配置應(yīng)滿足功率因數(shù)達(dá)到0.9；

③高峰負(fù)荷時(shí)功率因數(shù)達(dá)到0.9～0.95；

④持續(xù)允許負(fù)荷電流密度滿足要求。

優(yōu)化計(jì)算分為多種方案進(jìn)行：選擇YJV-8.4/3×240或YJV-8.4/3×300銅芯電纜。配電線路分別處于正常情況和故障情況。

通過優(yōu)化計(jì)算該10 kV線路最優(yōu)開斷點(diǎn)在第3和第4計(jì)算點(diǎn)之間。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，K7常開，其他開關(guān)常閉，即該線路是一種環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)開環(huán)運(yùn)行方式。

正常開環(huán)運(yùn)行方式（K7斷開，其余開關(guān)閉合）。

表4 正常運(yùn)行方式

表5 嚴(yán)重故障方式

由計(jì)算可知，出現(xiàn)嚴(yán)重故障，選擇300銅芯電纜，線路電壓降落、功率損耗、負(fù)載率滿足設(shè)計(jì)要求。