中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡分析模型

王賽一，李露瑩，劉 鋼，劉 海，劉 洪，韓 俊，劉 陽

（1.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；2.上海浦海求實電力新技術(shù)有限公司，上海 200090；3.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384；4.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

長期以來，10 k V配電網(wǎng)網(wǎng)架一直存在著復雜、參差不齊的混沌狀態(tài)，主要是由于地區(qū)負荷發(fā)展不平衡以及中低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架沒有統(tǒng)一、整體的規(guī)劃所造成的。這種運行狀態(tài)無論是從管理調(diào)度［1，2］的方便性，還是從配電網(wǎng)運行的安全可靠性［3～6］講，都是有隱患的。

目前關(guān)于10 k V中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)［7～9］的研究工作，主要體現(xiàn)在接線模式［10～13］的適應性、經(jīng)濟性和可靠性等方面的研究上，而10 k V接線模式涉及到的大多數(shù)是主干線路，對于從開關(guān)站分出來的次級10 k V線路的研究并不多，沒有相關(guān)成型的結(jié)論，這恰恰正是10 k V配電網(wǎng)混亂的地方所在。因此，有必要對10 k V中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)及功能特性開展相關(guān)研究工作。

針對上述問題，本文首先界定10 k V中壓配電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡和次級網(wǎng)絡的概念，綜合考慮次級網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和功能特性構(gòu)建了次級網(wǎng)絡分析模型，并且根據(jù)實際配電網(wǎng)運行情況，合理設置參數(shù)邊界條件，進行模型簡化和計算分析。

1 中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡概念的定義

1.1 中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的概念

10 k V配電網(wǎng)“分層分區(qū)”原則是指在10 k V中壓配電層級上，依據(jù)網(wǎng)架的聯(lián)絡關(guān)系和供電能力，將該配電電壓層級再分若干層次；依據(jù)電網(wǎng)建設的具體區(qū)域性質(zhì)，將該配電電壓層級劃分為若干區(qū)域，使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)明晰，管理調(diào)度易于進行，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 10 k V配電網(wǎng)“分層分區(qū)”結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of divided 10k V distribution network

從圖1可以看出，10 k V中壓配電網(wǎng)可以分為兩個層次：層次一即從變電站低壓側(cè)所出的主干線路（包括重要用戶的10 k V專線、K型站和P型站電源進線、架空主干線路等）；層次二即從K型站出線到P型站、WX型站及10 k V用戶的網(wǎng)絡。根據(jù)10 k V線路性質(zhì)可將中壓配電網(wǎng)分為兩個區(qū)域：即“電纜網(wǎng)絡”和“架空網(wǎng)絡”，在具體規(guī)劃工作中，應注意電纜網(wǎng)絡及架空網(wǎng)絡的適度交錯。

1.2 主干網(wǎng)絡概念的界定

所謂主干網(wǎng)絡，即從110 k V或35 k V變電站低壓側(cè)所出的10 k V主干線路，主要包括10 k V專用線路、K型站及P型站的電源進線、架空主干線路等。以K型站供電模式為主的主干網(wǎng)絡示意如圖2所示。

圖2 K型站供電模式為主的主干網(wǎng)絡示意Fig.2 Schematic diagram of K－Station backbone grid

1.3 次級網(wǎng)絡概念的界定

次級網(wǎng)絡，主要指K型站、P型站出線所構(gòu)成的10 k V網(wǎng)絡，次級網(wǎng)絡在主變負荷的合理分配等方面起著重要的作用。其結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 次級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of secondary grid

特別要指出的是：本文研究的K型站指普通開關(guān)站，10 k V線路一般采用二進十出模式；P型站指土建規(guī)模及站內(nèi)配變?nèi)萘勘菿型站稍小，10 k V線路一般采用二進六（八）出模式，另外P型站又分為兩種，即PF站（無站內(nèi)配變）和PTZ（有1－2臺站內(nèi)配變）站；WX型站指的是一般意義上的箱變。

2 次級網(wǎng)絡分析模型的構(gòu)建與求解

2.1 次級網(wǎng)絡分析模型構(gòu)建的整體思路

本文次級網(wǎng)絡分析模型主要圍繞K型站及其進出線來構(gòu)建各部分的計算模型，主要包括以下三個方面：

①10 k V線路裝接配變?nèi)萘康拇笮〉姆治瞿Ｐ停?/p>

②K型站不同型號電纜出線的分配方案及其線路負載率區(qū)間分析模型；

③K型站串接P型站及WX型站的規(guī)則設置分析模型。

次級網(wǎng)絡分析模型的整體流程如圖4所示。

圖4 次級網(wǎng)絡分析模型的整體流程及框架Fig.4 Schematic diagram of analysis model for secondary grid

2.2 10 k V線路裝接配變?nèi)萘看笮》治瞿Ｐ?/h3>

2.2.1 10 k V線路裝接配變?nèi)萘康挠嬎隳Ｐ?/p>

在充分考慮中壓線路裝接配變?nèi)萘看笮〉挠绊懸蛩氐那闆r下，構(gòu)建了10 k V線路裝接配變?nèi)萘康姆治瞿Ｐ?，?/p>

式中：U為線路平均電壓；Ilmax為線路安全載流量上限；Tl為線路所允許最大負載率，cosφl為線路平均功率因數(shù)；Sl為線路允許裝接配變?nèi)萘浚籘lt為配變經(jīng)濟運行負載率；cosφlt為配變平均功率因數(shù)；a為負荷同時率；β為用戶配變備用系數(shù)。

2.2.2 10 k V電纜線路裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間分析

1）邊界條件的確定

結(jié)合國內(nèi)某大型城市配電網(wǎng)建設、運行的實際情況，制定了約束變量的邊界條件，如表1所示。

2）計算結(jié)果分析

根據(jù)所確定的邊界條件，利用式（1）和式（2）計算出不同型號電纜線路允許裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間，詳細結(jié)果如表2所示。

2.3 K型站各型號電纜出線及負載率區(qū)間分析模型

2.3.1 問題提出及模型的構(gòu)建

K型站作為聯(lián)系主干網(wǎng)絡和次級網(wǎng)絡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其電源進線屬于10 k V主干網(wǎng)絡范疇，其10 k V出線可歸結(jié)為次級網(wǎng)絡范疇，為了很好地規(guī)范和梳理次級網(wǎng)絡，針對K型站出線的線路型號、數(shù)量及負載率大小等問題展開建模分析是很有必要的，K型站不同型號電纜出線數(shù)及負載率區(qū)間分析的一般模型為

式中，Ti和xi分別為型號i線路負載率和出線數(shù)目。

表1 基于某城市配電網(wǎng)實情的邊界條件的制定Tab.1 Boundary conditions as for actual distribution network

表2 不同型號10 k V電纜線路允許裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間Tab.2 Capacity tolerance of various 10 k V cable lines

在此基礎上，建立求解上述模型的多變量不等式方程組為式中：n為K型站每段母線允許出線的倉位數(shù)（帶站內(nèi)配變的倉位除外）；m為K型站常見的電纜出線型號類型總數(shù)；S為K型站一回電源進線允許裝接的負荷量；Ri為第i類型號電纜線路的額定容量大小；Ti為第i類型號電纜線路的負載率大?。粁i為K型站每段母線上第i類型號電纜線路的條數(shù)，取0到n間的整數(shù)。

2.3.2 模型簡化及計算分析

1）計算模型的簡化及邊界條件的確定

考慮到線路負載率均衡的原則和遠景目標網(wǎng)架下為了最大限度的利用K型站倉位數(shù)和分配最多的負荷量，原不等式方程組的前兩個不等式約束可取等號，模型計算所需邊界條件選取結(jié)果如表3所示。

表3 K型站電纜出線及負載率區(qū)間模型邊界條件選取Tab.3 Selection of boundary conditions for models

2）計算結(jié)果分析

根據(jù)簡化后的分析模型計算出K型站每段母線出線分配方案、線路分攤負荷量及負載率大小，詳細結(jié)果見表4所示。

從表4可以看出，在K型站每段母線出4回線的各種分配方案中不同型號電纜線路的負載率區(qū)間如圖5所示。

2.4 K型站與P（WX）型站規(guī)模配置的分析模型

2.4.1 問題的提出及模型的構(gòu)建

通過分析每座K型站供電范圍內(nèi)需設置的P型站、WX型站的數(shù)量，制定K型站、P型站及WX型站間合理的配置規(guī)模，可為構(gòu)建合理、經(jīng)濟、可靠的次級配電網(wǎng)絡提供重要參考價值。

表4 K型站每段母線出線分配方案及負載率大小Tab.4 Outlet plan and load rate of K－Station bus sector

圖5 K型站不同出線方案下電纜線路的負載率區(qū)間Fig.5 Load rate interval of cable lines under various schemes

K型站與P型站及WX型站的數(shù)量配置問題主要與P型站和WX型站所帶負荷有關(guān)，以負荷等價為紐帶構(gòu)建K型站與P型站及WX型站規(guī)模配置的一般模型為

式中：e可表示P型站或WX型站；ze為一座K型站允許裝接的P型站或WX型站的數(shù)量；ye為K型站每段母線倉位出線中裝接P型站或WX型站的數(shù)量；L為一座P型站或WX型站所帶的負荷，其中P型站所帶負荷包括10 k V倉位出線所帶負荷和站內(nèi)配變所帶負荷兩部分。

在此基礎上，建立求解上述模型的多變量不等式方程組為

式中：n為K型站每段母線允許出線的倉位數(shù)（帶站內(nèi)配變的倉位除外）；β為P型站或WX型站站內(nèi)配變臺數(shù)系數(shù)（當為PTZ站時，β＝2；當為PF站時，β＝0；當為WX型站時，β＝1）；N（j）i為K型站每段母線一條出線以及對應另一段母線出線共同所帶P型站或一條出線所帶WX型站的數(shù)目（j＝1，2，3分別代表K型站出線電纜型號為YJV－3×70、YJV－3×120、YJV－3×240）；Lj為電源進線型號為j時，每個P型站10 k V出線所帶負荷的大小（當為WX型站時，由于WX型站沒有出線，只有配變負荷，故Lj＝0）；Te、Se分別為P型站或WX型站站內(nèi)配變的經(jīng)濟負載率及單臺配變?nèi)萘看笮　?/p>

2.4.2 模型簡化及計算分析

（1）模型簡化及極端情況分析

由于K型站出線的線路數(shù)量、線路型號、所帶P型站及WX型站的負荷量都是不確定的，為了便于求解方程組（6），本文以式（4）中K型站不同型號電纜出線及負載率區(qū)間分析模型的15種計算結(jié)果為基礎，分析K型站在不同出線組合方案下分別帶的PTZ站、PF站及WX站的最大數(shù)目，并且采用最佳平方逼近統(tǒng)計出K型站分別裝接PTZ站、PF站及WX型站的最大的期望數(shù)量，詳細結(jié)果如表5所示。

表5 K型站不同出線方案下分別裝帶的PTZ站、PF站和WX型站的最大數(shù)目Tab.5 Maximum number of PTZ－Station，PF－Station and WX－Station under various K－Station outlet schemes

（2）K型站與P（WX）型站規(guī)模配置的組合模式分析

以負荷總量不越限為約束，建立K型站與P型站及WX站數(shù)量配置的不等式為

式中：a和LPTZ分別代表PTZ型站的數(shù)目及所帶負荷大?。籦和LPF分別代表PF型站的數(shù)目及所帶負荷大?。籧和LWX分別代表WX型站的數(shù)目及所帶負荷大??；SK為K型站允許裝接的負荷大小（除去站內(nèi)配變所帶負荷量）。

根據(jù)表5的分析結(jié)果可以得到式（7）的幾個臨界解，分別為（4，0，0），（0，12，0）和（0，0，16），在此基礎上確定負荷系數(shù)LPTZ、LPF和LWX，然后分析K型站裝接不同數(shù)目PTZ型站時，裝接PF型站及WX型站的數(shù)量組合情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 K型站與P（WX）型站數(shù)量配置組合方案結(jié)果Fig.6 Quantity configuration of K－Station and P（WX）－Station

3 結(jié)論

本文基于中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡分析模型的研究主要做了如下工作：

（1）提出了中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的思想及概念，在此基礎上，定義了主干網(wǎng)絡和次級網(wǎng)絡的基本概念，進一步細化和明確了中壓配電網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)及功能定位。

（2）結(jié)合國內(nèi)某大型城市市區(qū)供電模式的特點，構(gòu)建了中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡分析模型，主要有如下三部分：

①10 k V線路裝接配變?nèi)萘康姆治瞿Ｐ停?/p>

②K型站不同型號電纜出線的分配方案及其線路負載率區(qū)間分析模型；

③K型站串接P型站及WX型站的規(guī)則設置分析模型。

這三類子模型客觀的反映了次級網(wǎng)絡的功能及結(jié)構(gòu)特性。

（3）根據(jù)地區(qū)實際情況，選取合適的參數(shù)對各模型進行簡化和計算，相關(guān)結(jié)論對于梳理和規(guī)范次級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)起到了重要的指導作用，為負荷的合理分配提供了合理、經(jīng)濟、可靠的通道。

［1］ 楊華，顧強，劉洪，等（Yang Hua，Gu Qiang，Liu Hong，et al）.城市配電網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)研究（Research on integrated management system of distribution network）［J］.高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2006，32（11）：153－156.

［2］ 翁穎鈞，朱仲英（Weng Yingjun，Zhu Zhongying）.基于WebGIS的配電網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)（A dispatch management system for the strategy WebGIS－based distribution network）［J］.電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2003，27（18）：83－86.

［3］ 萬國成，任震，吳日昇，等（Wan Guocheng，Ren Zhen，Wu Risheng，et al）.混合法在復雜配電網(wǎng)可靠性評估中的應用（Hybrid method for the reliability evaluation of the complex distribution system）［J］.中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2004，24（9）：92－98.

［4］ 徐荊州，李揚（Xu Jingzhou，Li Yang）.基于GO法的復雜配電系統(tǒng)可靠性評估（Reliability assessment of complex distribution system using GO method）［J］.電工技術(shù)學報（Transactions of China Electrotechnical Society），2007，22（1）：149－153.

［5］ 楊京燕，倪偉，肖湘寧，等（Yang Jingyan，Ni Wei，Xiao Xiangning，et al）.計及電壓暫降的配網(wǎng)可靠性評估（Reliability evaluation of distribution network considering voltage sags）［J］.中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2005，25（18）：28－33.

［6］ 徐荊州，李揚，陳霄（Xu Jingzhou，Li Yang，Chen Xiao）.基于GO法的配電網(wǎng)可靠性評估（Distribution system reliability assessment based on GO methodology）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2006，18（5）：66－69.

［7］ 李可，馬孝義，甘學濤，等（Li Ke，Ma Xiaoyi，Gan Xuetao，et al）.配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和饋線截面同步優(yōu)化模型與算法（Electricity distribution structure and conductor cross sections simultaneous optimization method）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（1）：13－19.

［8］ 孔濤，程浩忠，王建民，等（Kong Tao，Cheng Haozhong，Wang Jianmin，et al）.城市電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與分區(qū)方式的兩層多目標聯(lián)合規(guī)劃（United urban power grid planning for network structure and partition scheme based on bi－level multi－objective optimization with genetic algorithm）［J］.中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2009，29（10）：59－66.

［9］ 盧志剛，劉健，吳杰，等（Lu Zhigang，Liu Jian，Wu Jie，et al）.人工魚群算法在配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃中的應用（Application of artificial fish swarm algorithm in power distribution network planning）［J］.高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2008，34（3）：565－568，602.

［10］葛少云，張菁，陳麗君（Ge Shaoyun，Zhang Jing，Chen Lijun）.基于兩聯(lián)絡接線模式的城市配網(wǎng)聯(lián)絡線優(yōu)化（Optimization of the tie lines in urban distribution network based on two－tie connection mode）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2007，19（5）：98－104.

［11］王成山，王賽一，葛少云，等（Wang Chengshan，Wang Saiyi，Ge Shaoyun，et al）.中壓配電網(wǎng)不同接線模式經(jīng)濟性和可靠性分析（Economy and reliability analysis of different connection modes in MV distribution systems）［J］.電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2002，26（24）：34－39.

［12］葛少云，張國良，申剛，等（Ge Shaoyun，Zhang Guoliang，Shen Gang，et al）.中壓配電網(wǎng)各種接線模式的最優(yōu)分段（Optimal sectioning of connection modes in medium voltage distribution systems）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2006，30（4）：87－91.

［13］謝曉文，劉洪（Xie Xiaowen，Liu Hong）.中壓配電網(wǎng)接線模式綜合比較（Integrated contrast on connection modes of mid－voltage distribution networks）［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSUEPSA），2009，21（4）：94－99.