配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對供電可靠性的影響分析

褚紅飛

摘 要:配電系統(tǒng)可靠性評價指標根據(jù)實際需要分為兩大類,計23個指標。但配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對供電可靠性的影響最為主要。配電系統(tǒng)供電可靠性直接反映配電系統(tǒng)對用戶供電能力,是配電系統(tǒng)可靠性管理的基礎(chǔ)。本文就揚州市開發(fā)區(qū)的配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了分析,提出了自己的觀點。

關(guān)鍵詞:可靠性 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

中圖分類號:TM72 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0102-03

配電自動化系統(tǒng)的功能是實時監(jiān)控配電網(wǎng)安全,使其可靠運行,在線路開關(guān)的自動化、智能化程度較低的配電網(wǎng)中,系統(tǒng)性能對主站與通信的依賴性強,而配電網(wǎng)的廣域分布,使供電可靠性成為建設(shè)配電網(wǎng)自動化的難點之一。配電系統(tǒng)供電可靠性統(tǒng)計,可以直接反映配電系統(tǒng)對用戶供電能力,是配電系統(tǒng)可靠性管理的基礎(chǔ),也是電力工業(yè)可靠性管理的一個重要組成部分。其統(tǒng)計對象是以對用戶是否停電為標準。

1 供電可靠性指標

配電系統(tǒng)供電可靠性—— 配電系統(tǒng)對用戶連續(xù)供電能力的程度。與供電質(zhì)量有關(guān)的基本指標是配電網(wǎng)的可靠性?？煽啃允侵敢粋€元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi),在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。度量可靠性特性的指標稱作可靠度或稱可靠率?？煽慷缺硎驹O(shè)備或系統(tǒng)成功的概率或其工作成功的比值。在設(shè)計中壓配電網(wǎng)時,一般都是閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行模式,這是由于城市配網(wǎng)與用戶直接相關(guān)聯(lián)。據(jù)不完全統(tǒng)計,用戶80%的停電事故都是由配電網(wǎng)故障所引發(fā)的。因此在城市配網(wǎng)規(guī)劃中,決策最終方案的重要因素是配電網(wǎng)的可靠性評估。常用的可靠性指標有以下幾種:(1)系統(tǒng)與用戶的停電平均頻率;(2)系統(tǒng)與用戶停電平均持續(xù)時間;(3)均供電的不可靠率;(4)供電平均可靠率。特別是供電平均可靠率對于城市配電網(wǎng)來說反映了該城市的電網(wǎng)建設(shè)情況,設(shè)備完好率和電力部門停電管理水平的一個綜合指標,同時也是衡量城市配電網(wǎng)規(guī)劃方案的一個重要指標。

這些指標與各種因素有關(guān),例如網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)、不同設(shè)備的可靠性、線路的長度及負載情況、綜合自動化水平以及現(xiàn)有負荷轉(zhuǎn)供能力等?？煽啃苑治鲇糜谠u估配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性,同時還討論比較可靠性的相對水平,評價提供某種特定可靠性水平所需的費用、制定可靠性的方針和政策。

量化可靠性方法是采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法來完成的,比如在揚州開發(fā)區(qū)統(tǒng)計出中壓配電網(wǎng)故障率分別為架空線路0.1次/公里年,電纜線路0.04次/公里年,開關(guān)0.03次/臺年。由于將供電出現(xiàn)故障的地區(qū)分成三個區(qū)域:不受故障影響,當故障發(fā)生后通過開關(guān)正確動作使停電時間為零的區(qū)域被稱為正常區(qū)域?？赏ㄟ^另外供電電源來恢復(fù)供電的區(qū)域被稱為隔離操作時間的故障區(qū)域。不可通過其他供電電源恢復(fù)供電,故障時間為元件修復(fù)時間的區(qū)域被稱為隔離操作加聯(lián)絡(luò)切換操作時間的故障區(qū)域。根據(jù)線路各區(qū)域停電類型,再結(jié)合配電網(wǎng)運行、管理和檢修水平,則可確定故障后的停電時間為:正常區(qū)域只能有0.1 h,隔離操作時間的故障區(qū)域只能有0.2 h,隔離操作和聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換兩部分操作時間的故障區(qū)域只能有3 h。

中低壓配電網(wǎng)一般由架空線、架空及電纜混合線路與電纜線路組合而成。整個配電網(wǎng)設(shè)備包含開閉所、戶外環(huán)網(wǎng)柜、配電所(含箱式變電站)、柱上變壓器、電纜分接箱、柱上開關(guān)、接戶線、計量裝置及配電自動化裝置等。城市中壓配電網(wǎng)的接線方式應(yīng)在滿足供電可靠性的前提下力求簡潔, 便于實現(xiàn)配網(wǎng)自動化。應(yīng)因地制宜地選擇不同供電區(qū)域的中壓配網(wǎng)接線方式,但同一城市的中壓配網(wǎng)接線方式應(yīng)盡量減少。城市10 kV配電網(wǎng)地位十分重要。為了實現(xiàn)配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟和可靠運行,針對不同的110 kV/10 kV變電所容量,在不同的負荷密度下,進行配電網(wǎng)網(wǎng)架研究,力求接線方式標準化、統(tǒng)一化。

配電網(wǎng)直接面向用戶,在實際分析時可將配電網(wǎng)分成若干區(qū)域,且每個區(qū)域都應(yīng)由110 kV電站、10 kV線路與其他設(shè)備構(gòu)成;設(shè)計每個區(qū)域應(yīng)以區(qū)域變配電站為中心、其供電半徑為圓形設(shè)定供電區(qū)域來分析其可靠性。主要思路是:考慮每個元件的平均年故障率、每個元件出現(xiàn)故障時受影響的用戶數(shù)和平均修復(fù)時間,同時結(jié)合負荷轉(zhuǎn)移的情況,再算出用電有效度的平均值,用該指標比較不同方案的可靠性高低。根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律,所得到的結(jié)論應(yīng)適用于實際配電系統(tǒng)。

2 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對供電可靠性的影響

2.1 單電源輻射接線

單電源輻射接線的配電線路短,投資小,新增負荷時連接比較方便。優(yōu)點是比較經(jīng)濟,缺點是故障影響時間長、范圍大,供電可靠性較差。

這種簡單的接線模式忽略了線路的備用容量,每條出線(主干線)都是滿載運行出現(xiàn)故障時無法進行負荷轉(zhuǎn)移。特別當母線出現(xiàn)故障時全線用戶受影響,母線的平均修復(fù)時間就是平均停運時間。另外在正常運行時斷路器出現(xiàn)跳閘等故障的情況很少,最有可能出現(xiàn)需要跳閘時斷路器拒動故障,因此這種故障也應(yīng)予以考慮。一般情況下不予考慮配電變壓器的故障。

2.2 不同環(huán)式接線

取自同一變電所的兩段母線或不同變電所構(gòu)成不同環(huán)式接線方式。該接線形式因為有兩個電源,所以采用開環(huán)運行方式。其運行方式靈活,供電可靠性較高。在正常運行時,每條線路留有50%的裕量。但由于自動化使用較少,線路或設(shè)備一旦發(fā)生故障,需運行維護人員到現(xiàn)場操作實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)供,使得停電時間較長。

2.3 分段聯(lián)絡(luò)接線

分段聯(lián)絡(luò)接線提高供電可靠性方法是:在干線上加裝分段開關(guān)把每條線路進行分段,用聯(lián)絡(luò)線來連接線路。故障出現(xiàn)在任何一段時,保證不會影響到其他段線路的正常供電,從而縮小故障范圍。與環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比,優(yōu)點:分段聯(lián)絡(luò)的接線方法提高了饋線的利用率;缺點:由于需要建立聯(lián)絡(luò)線在線路之間,線路投資加大,留有一定備用容量。

2.4 “N-1”主備接線模式

“N-1”主備接線是將線路連成環(huán)網(wǎng),那條公共備用線路正常時空載運行,而其它線路滿載運行。當某條線路運行時出現(xiàn)故障,就把備用線路通過線路切換投入運行。其接線的運行靈活性、可靠性和線路的平均負載率均與“N”值相關(guān)。一般采用“3-1”和“4-1”模式,這時線路總利用率分別為66%和75%。“5-1”以上的接線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,操作繁瑣,聯(lián)絡(luò)線長度較長,投資較大,而提高線路載流量的利用率已不明顯。優(yōu)點是線路的理論利用率與供電可靠性較高。

針對以上典型供配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu),在等負荷容量、等用戶數(shù)的條件下分別應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)等值法進行配電網(wǎng)的可靠性分析與系統(tǒng)可靠性指標測算,測算中使用我國配電系統(tǒng)實際運行對元件可靠性參數(shù)記錄材料,見表1,測算結(jié)果見表2。

通過以上分析:配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性由低到高的排序是單輻射接線、環(huán)式接線、分段聯(lián)絡(luò)接線和N-1接線模式。

（圖1）表示了可靠性指標在不同配電網(wǎng)接線模式下的情況,圖中用相鄰柱狀圖代表不同方案的可靠性指標負荷密度曲線。

對于同一種接線方式,在一定的變電站容量下,供電區(qū)域負荷密度的增加導(dǎo)致了含有架空和電纜線路配電網(wǎng)的可靠性提高。如變電站容量和負荷密度不變,采用完全由架空線組成的配電網(wǎng),可靠性由高到底的順序依次是分段三聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、分段兩聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、手拉手網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和單輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。對于完全由電纜線組成的電網(wǎng),可靠性由高到低的順序依次是分段兩聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、N-1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、手拉手網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和單輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

揚州市開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)電壓等級為10 kV，變配電站電壓等級為220或110 kV,配電網(wǎng)接地方式為不接地或經(jīng)消弧線圈接地。開發(fā)區(qū)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)已基本實現(xiàn)合理分段與聯(lián)絡(luò),配電網(wǎng)線路負荷分布比較均勻,線路分段、聯(lián)絡(luò)點設(shè)置合理。該區(qū)域所涉及的變電站共有6座,分別為110 kV港口變、開發(fā)變、呂橋變、八里變、花園變、施橋變。包括10 kV線路43條,20 kV線路8條。所涉及一次設(shè)備包括10 kV柱上開關(guān)101臺,10 kV臺架變263臺,10 kV戶外環(huán)網(wǎng)柜72臺,10 kV高壓分支箱29臺,20 kV柱上開關(guān)14臺,20 kV臺架變5臺。該區(qū)域10 kV線路總長349.77 km,其中架空裸導(dǎo)線209.36 km,絕緣電纜140.41 km;20 kV線路總長24.46 km,其中架空裸導(dǎo)線17.42 km,絕緣電纜7.04 km。其配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有多種形式。

揚州開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用供電面積可調(diào)的分析方法,根據(jù)負荷密度和變電所容量大小來改變所在區(qū)域供電半徑,對110 kV／10 kV中高壓配電網(wǎng)形成的組合電網(wǎng)進行研究,并考慮區(qū)域供電的負荷密度情況、變壓器臺數(shù)、容量和組合方案,并其隨負荷密度和變電所容量變化的趨勢,以及在相同條件下不同接線模式之間的比較。對配電網(wǎng)接線模式組合方案的可靠性和經(jīng)濟性指標進行分析比較。建議在開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用架空接線的不同母線出線的環(huán)式接線模式,在可靠性要求較高的區(qū)域例如開發(fā)區(qū)的城區(qū)段等建議采用電纜接線的網(wǎng)群接線模式、架空接線的三分段四聯(lián)絡(luò)接線模式,也可以采用網(wǎng)群和三分段四聯(lián)絡(luò)混合接線方式。見圖2、圖3、圖4。

3.1 網(wǎng)群結(jié)構(gòu)

架空線路中的三分段四聯(lián)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為網(wǎng)群結(jié)構(gòu),見圖2。主要是變電站出線通過環(huán)網(wǎng)柜一分為三,每一段通過開關(guān)和另外兩個電源點相聯(lián),供電可靠性遠遠超過單環(huán)網(wǎng),達到“N-2”。而線路的運行率不低于75%。但網(wǎng)群結(jié)構(gòu)接線復(fù)雜,只有配合配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.2 三段四聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)

三分段四聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3所示,線路上每個分段可由三個不同電源供電,即使失去兩個電源,仍然可以保證供電,當主供電源停電時,線路各個分段可導(dǎo)至不同的電源供電,減少了線路的備用容量,線路運行率達到75%,和手拉手、普通環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比,大大提高了導(dǎo)線利用率。

3.3 架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

對于混合式接線,架空線和電纜線路的供電范圍宜進行分隔,兩者之間可設(shè)聯(lián)絡(luò)點,但正常時應(yīng)打開,只在故障時利用,如圖4所示。

目前隨著我國社會用電需求量的增多,配電網(wǎng)在分配電能中的作用更加顯著,其關(guān)系著整個電力系統(tǒng)的運行效率。城市中壓配電網(wǎng)對整個社會供電發(fā)揮了無可替代的作用,電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的正確與否直接關(guān)系著線路電網(wǎng)供電性能的發(fā)揮。不同結(jié)構(gòu)的城市電網(wǎng)的負荷密度、變配電站和主站的保護方式、配電網(wǎng)中性點的接地方式等都是不同的,因此配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)要因地制宜并具備當?shù)靥攸c。對于日趨復(fù)雜的配電網(wǎng),如何通過更為先進的手段,使之更安全、可靠、經(jīng)濟地運行;如何迅速、準確地處理配電網(wǎng)的事故,使配電網(wǎng)和用戶的損失最小;如何進一步提高供電可靠性。

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