中壓配電網(wǎng)的可靠性評估及新型接線模式研究

陳 濤， 孫 輝， 王 焱， 黃民翔

（1.余姚市供電局，浙江 寧波 315400；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

0 引言

配電系統(tǒng)可靠性是指整個配電系統(tǒng)及設(shè)備按可接受標(biāo)準(zhǔn)及期望數(shù)量滿足用戶對電力和電能需求能力的度量[1]。迄今為止，可靠性研究大多集中在發(fā)輸電系統(tǒng)，對配電系統(tǒng)可靠性評價關(guān)注相對較少，而據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，約80%的停電事件是由配電系統(tǒng)故障引起的[2]。近年來，智能電網(wǎng)、配電網(wǎng)自動化等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使配電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制日趨復(fù)雜，人們也越來越意識到定量可靠性評估的重要性。

配電系統(tǒng)可靠性分析的常用方法有解析法和模擬法兩大類。目前研究配電網(wǎng)可靠性評估的文獻(xiàn)大多集中在可靠性模型和算法上[3-8]，文獻(xiàn)[5]考慮故障后的潮流和電壓約束，提出了結(jié)合最小割集法的適用于大型配電系統(tǒng)的FMEA法。文獻(xiàn)[6]給出了修正的網(wǎng)絡(luò)等值法數(shù)學(xué)模型，綜合考慮了熔斷器、斷路器、備用變壓器等設(shè)備的影響。文獻(xiàn)[7]建立了基于Markov過程的區(qū)間可靠性分析模型，很好地考慮了可靠性參數(shù)的不確定性。文獻(xiàn)[8]結(jié)合饋線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了區(qū)域非序貫蒙特卡羅仿真法進(jìn)行可靠性評估，通過統(tǒng)計分析，得到指標(biāo)的期望值和概率分布。

本文使用德國亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)的基于解析法的輸配電系統(tǒng)可靠性計算軟件RAMSES，對余姚市10 kV配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行定量評估。分別就架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)各引入一種新型的高可靠性“三雙”接線，從供電能力與可靠性角度將其與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)接線模式進(jìn)行對比。并從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、技術(shù)、設(shè)備、管理等方面提出針對性的措施，以提高系統(tǒng)可靠性。本文的分析結(jié)果可以為余姚配電網(wǎng)的進(jìn)一步規(guī)劃和管理提供決策和科學(xué)依據(jù)。

1 基于RAMSES的余姚中壓配電網(wǎng)建模

RAMSES可靠性評估流程如圖1所示。

圖1 可靠性評估流程

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、元件建模

（1）建模范圍：從城區(qū)變電站10 kV出線母線側(cè)刀閘開始至配電變壓器。

（2）電源：以各變電站主變壓器容量作為等效電源的容量，其可靠性事件等效為由于系統(tǒng)10 kV母線部分的原因所導(dǎo)致的停電。

（3）線路、開關(guān)和配電變壓器均嚴(yán)格按照余姚市中壓配電網(wǎng)CAD圖建模。其中各元件的電氣參數(shù)由《電力工程電氣設(shè)計手冊》查得，可靠性數(shù)據(jù)由統(tǒng)計得出。

（4）由變電站10 kV饋線口徑潮流與該饋線所帶配電變壓器容量和的比值得到配電變壓器容載比的統(tǒng)計值，將統(tǒng)計容載比與各配電變壓器的容量相乘即得到該配電變壓器所帶負(fù)荷的統(tǒng)計值：

為了便于處理，參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均有功負(fù)荷取配電變壓器容量的40%，平均無功負(fù)荷取配電變壓器容量的13.3%，最大有功負(fù)荷取配電變壓器容量的60%，最大無功負(fù)荷取配電變壓器容量的20%。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

考慮到各種元件可靠性參數(shù)的不確定性，在余姚市供電局可靠性管理系統(tǒng)提供的2011年設(shè)備指標(biāo)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，參考中電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，又統(tǒng)計了余姚市2009—2011年的檢修和故障動作情況記錄，共有故障動作記錄1 143次，其中重合閘成功635次，占總數(shù)的55.56%。故障原因大致可分為4類：

（1）設(shè)備故障：配電變壓器燒壞、開關(guān)故障等，占28%。

（2）自然因素：雷擊、臺風(fēng)等自然惡劣條件造成的故障動作，占37%。

（3）人為外力因素：包括挖機(jī)撞線、施工碰線，人為偷挖電纜，以及小動物、毛竹、樹枝等外力導(dǎo)致的意外事故，占17%。

（4）事故原因不明，占18%。

由此可見，雷擊、臺風(fēng)等自然因素對余姚配電網(wǎng)的可靠性影響較大。

在以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎(chǔ)上，采用基于S型曲線的時間加權(quán)平均法，得到2011年的可靠性數(shù)據(jù)輸入文件。

1.3 可靠性計算指標(biāo)

通過上述建模和數(shù)據(jù)處理后，可以計算得到每個負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)：年平均停電頻率λ（次/年）、 平均停電持續(xù)時間 U（Tu）（h/次）和年平均停電時間 U（h/年）。

由這3個數(shù)據(jù)可以計算每條饋線乃至整個區(qū)域的可靠性評估指標(biāo)，由于評估不計及系統(tǒng)電源容量不足的限電，所以最終得到的指標(biāo)主要是：

（1）用戶平均停電時間（AIHC-3）：

（2）供電可靠率（RS-3）：

2 計算實例

截至2011年底，余姚全市范圍內(nèi)共有10 kV線路483條，線路總長4 167.548 km，其中電纜線路767.217 km；公用變壓器4 957臺，總?cè)萘? 115 481 kVA；專用變壓器10 898臺，總?cè)萘? 157 373 kVA；10 kV柱上開關(guān)1 478個，全部為無油開關(guān)，其中SF6開關(guān)36個。以架空線為主，絕緣化水平較高；網(wǎng)絡(luò)以聯(lián)絡(luò)接線為主，也有一定比例的單輻射線路；部分線路裝接的配電變壓器容量較大；少數(shù)線路不能滿足主干線路“N-1”校驗。經(jīng)過處理后的可靠性數(shù)據(jù)見表1。

表1 余姚市10 kV配電網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)

本次評估計算了余姚市城北、城南13座變電站的176條10 kV線路的供電可靠性，得到綜合指標(biāo)如下：用戶平均停電時間（AIHC-3）為10.324 21 h；供電可靠率（RS-3）為 99.882 1%；用戶平均停電次數(shù)（AITC-3）為3.717 872次/年；系統(tǒng)停電等效小時數(shù)（SIEH-3）為10.220 97 h。

計算所得供電可靠率略高于余姚市可靠性管理系統(tǒng)的全網(wǎng)統(tǒng)計結(jié)果（99.853 9%），主要是因為城北、城南供電所均屬于城網(wǎng)，可靠性一般會高于農(nóng)網(wǎng)。

3 評估結(jié)果分析

3.1 線路長度與可靠性

在評估的176條線路中，有26條線路的供電可靠性低于99.85%，其中有20條的長度超過10 km；除了負(fù)荷密度特別小的虹橋C803線外，供電可靠性高于99.95%的另外11條線路的長度都低于4 km。 根據(jù)線路的總長度，設(shè)定1～5 km為短線路，5～10 km的為中線路，10 km以上的為長線路，并除去配電變壓器容量低于2 000 kVA或高于10 000 kVA的59條線路后，線路長度與可靠性的關(guān)系見表2，可以看出其趨勢是隨著線路長度的增加，供電可靠性逐漸降低。

表2 線路可靠性與總長度關(guān)系

3.2 配電變壓器容量與可靠性

在線路長度低于8 km且供電可靠性低于99.85%的6條線路中，配電變壓器容量都大于10 000 kVA，而風(fēng)廟C746線總長度超過8 km，但配電變壓器總?cè)萘恐挥?80 kVA，所以可靠性仍高達(dá)99.97%?？梢娫谙嗤闆r下，負(fù)荷容量越大，供電可靠性越低。線路配電變壓器容量和供電可靠性關(guān)系的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 線路配電變壓器容量和供電可靠性關(guān)系

3.3 線路聯(lián)絡(luò)方式與配電網(wǎng)可靠性

配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對可靠性非常重要，雙電源或多電源環(huán)網(wǎng)供電是可靠性較高的供電方式。各種聯(lián)絡(luò)方式的線路可靠性統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 各種聯(lián)絡(luò)方式的線路可靠性統(tǒng)計

可見，單電源供電、無聯(lián)絡(luò)線的線路供電可靠性較低，是全市配電網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)。有1條以上聯(lián)絡(luò)線的供電線路在發(fā)生故障時可以進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，因而可靠性大大提高，在新建和改造線路時應(yīng)優(yōu)先考慮這種接線方式。但聯(lián)絡(luò)也不是越多越好，因為聯(lián)絡(luò)越多說明線路負(fù)荷越大、線路也越長，從而抵消了一部分聯(lián)絡(luò)的優(yōu)勢，同時聯(lián)絡(luò)較多時對檢修和操作均有很大的影響，也會降低供電可靠性。

3.4 分段數(shù)目與配電網(wǎng)可靠性

線路分段方式對供電可靠性有一定影響。當(dāng)線路較短時，分段數(shù)對系統(tǒng)可靠性的影響不明顯，因為線路較短時線路的故障率也較低，分段的優(yōu)勢將被開關(guān)的故障率所抵消；當(dāng)線路較長、配電變壓器容量較大時，供電可靠性將隨著分段數(shù)的增加而提高，但考慮到分段開關(guān)本身的故障率對線路可靠性的影響，分段也不宜過多，以2～4段為好。

4 新型接線模式

4.1 新型架空網(wǎng)接線

采用如圖3所示的新型架空網(wǎng)接線方式的110 kV變電站，其每條10 kV出線在負(fù)荷集中區(qū)經(jīng)分路開關(guān)分為2條支路，近期與來自同一變電站不同母線的分支線路自環(huán)，遠(yuǎn)景實現(xiàn)站間“手拉手”結(jié)構(gòu)，任意1條主干線均有來自3個不同方向的電源。該接線方式通過主干線的交錯布置，為配電變壓器提供可即時切換的雙電源接入條件，縮短主干線故障時的用戶平均停電時間，提高供電可靠性。同時，適當(dāng)增加主干線分段數(shù)，每段線路的掛接負(fù)荷相應(yīng)減少，單段線路故障的停電范圍也縮小。

圖3 新型架空網(wǎng)接線方式

4.1.1 供電能力分析

每個標(biāo)準(zhǔn)單元（由4個10 kV間隔所組成的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)）的供電能力約為15 MW。假定每個110 kV變電站的規(guī)模為3×5萬kVA，有30個10 kV間隔。若滿足1 000 MW的用電負(fù)荷，需67個標(biāo)準(zhǔn)單元，占用267個10 kV間隔，同時考慮變電容量的合理配置，需建設(shè)10座110 kV變電站，容載比可達(dá)到1.5。

4.1.2 可靠性分析

考慮故障類型為“N-1”和“N-2”。假設(shè)架空線路發(fā)生故障的概率為0.2次/km·年，故障修復(fù)時間為2 h，同時假定50%用戶采用可快速切換的雙電源接入。經(jīng)過理論計算分析，新型架空網(wǎng)接線的平均停電時間為0.701 6 h/用戶·年，系統(tǒng)可靠率可達(dá)到99.991 9%。而目前國內(nèi)常用的可靠性較高的三分段二聯(lián)絡(luò)接線方式的平均停電時間為1.205 8 h/用戶·年。顯然新型架空網(wǎng)接線的可靠性較高。

4.2 新型電纜網(wǎng)接線

采用如圖4所示的新型電纜網(wǎng)接線方式的110 kV變電站，其每條10 kV出線經(jīng)站外分路開關(guān)分為2條支路，每條支路可與來自不同母線段的另一條支路同路徑敷設(shè)，構(gòu)成電纜雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。每臺公用配電變壓器均從不同的主干電纜上引入2路電源，通過自動投切裝置實現(xiàn)主、備電源之間的切換。

圖4 新型電纜網(wǎng)接線方式

4.2.1 供電能力分析

該接線方式下標(biāo)準(zhǔn)單元（由4個10 kV出線間隔構(gòu)成）的供電能力為12 MW，假定每個110 kV變電站的規(guī)模為3×5萬kVA，有30個10 kV間隔。若滿足1 000 MW的用電負(fù)荷，大約需要84個標(biāo)準(zhǔn)單元，占用336個10 kV間隔，需要110 kV變電站12座，容載比可以達(dá)到1.8左右。

4.2.2 可靠性分析

“三雙”接線模式故障停電時間較短（僅為備自投動作的時間），處理邏輯簡單。主干電纜故障診斷和愈合的時間不會直接影響用戶停電時間和供電可靠性，因此，該接線方式的可靠性水平對配電網(wǎng)自動化的依賴程度較低。假設(shè)電纜發(fā)生故障的概率為0.04次/km·年，故障修復(fù)時間為4 h，配電網(wǎng)自動化進(jìn)行電網(wǎng)重構(gòu)的時間為0.5 h，備自投動作時間為15 s，經(jīng)計算，傳統(tǒng)電纜雙環(huán)網(wǎng)的平均停電時間為0.179 7 h/用戶·年，而新型電纜網(wǎng)接線的平均停電時間為0.002 7 h/用戶·年，可靠性大大提高。

5 提高供電可靠性的建議和措施

影響配電網(wǎng)供電可靠性的主要因素可以歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、技術(shù)和管理4個方面。其中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是影響可靠性水平最關(guān)鍵的因素，大量的施工停電、計劃檢修停電都可以通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、提高轉(zhuǎn)供能力來避免，一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

5.1 優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

（1）相鄰變電站之間或同一變電站不同母線的10 kV線路，應(yīng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)線，開環(huán)運(yùn)行?；緦崿F(xiàn)2個變電站之間部分線路的聯(lián)絡(luò)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰可靠，對復(fù)雜多聯(lián)絡(luò)的接線方式應(yīng)進(jìn)行簡化改造，盡量做到雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)或雙T結(jié)構(gòu)。

（2）10 kV線路正常運(yùn)行最大負(fù)荷電流應(yīng)控制在其安全電流的1/2～2/3，對負(fù)荷較大的線路進(jìn)行負(fù)荷分流和網(wǎng)架補(bǔ)強(qiáng)改造。根據(jù)未來負(fù)荷變動情況，有針對性地通過新出線路或負(fù)荷割接的方法降低最大負(fù)荷，使線路滿足N-1的負(fù)荷轉(zhuǎn)供要求，保證試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的線路N-1率為100%。

（3）供電半徑不宜過大，每條10 kV線路裝接變壓器總?cè)萘恳瞬淮笥?萬kVA，當(dāng)負(fù)荷較大時，應(yīng)均勻設(shè)置分段開關(guān)，每個分段配電變壓器總?cè)萘恳丝刂圃? 000 kVA以內(nèi)。

（4）在部分可靠性要求較高的地區(qū)嘗試引入高可靠配電網(wǎng)新型接線方式，如上節(jié)提到的“雙電源、雙線路、雙接入”的“三雙”接線模式。

5.2 完善管理措施

（1）強(qiáng)化停電過程管理，加強(qiáng)檢修施工停電方案的審核與優(yōu)化，檢修現(xiàn)場推行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)模式，以提高檢修效率、縮短檢修停電時間。配電網(wǎng)設(shè)備日常維護(hù)和缺陷處理優(yōu)先考慮帶電作業(yè)，考慮采用發(fā)電車和移動式箱式變電站等形式作為作業(yè)范圍內(nèi)停電用戶的保供電手段，在可靠性要求特別高的區(qū)域還可嘗試引入旁路作業(yè)法。

（2）加強(qiáng)配電自動化建設(shè)，進(jìn)一步完善饋線自動化功能，加快故障判斷和隔離，并恢復(fù)非故障區(qū)域供電。加強(qiáng)對電網(wǎng)及用戶設(shè)備在運(yùn)行、維護(hù)工作等方面的檢查，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和缺陷閉環(huán)管理，進(jìn)一步提高絕緣化率以應(yīng)對惡劣自然條件的影響。加快老舊設(shè)備更換進(jìn)程，提高電網(wǎng)設(shè)備健康水平。

（3）加大對用戶的宣傳和管理力度，規(guī)范用戶工程管理，嚴(yán)格驗收，零缺陷投運(yùn)。加強(qiáng)用電營業(yè)普查，定期進(jìn)行年檢，引導(dǎo)用戶安全用電，發(fā)現(xiàn)缺陷時要督促用戶及時做好整改工作。研究低壓接線模式，試行低壓線路環(huán)網(wǎng)等。

6 結(jié)語

本文對余姚市中壓配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行了定量評估，發(fā)現(xiàn)了配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，并從網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、技術(shù)和管理等方面提出針對性的改進(jìn)措施，為今后的電網(wǎng)規(guī)劃指明了方向。

“三雙”接線是目前配電網(wǎng)接線模式中可靠性最高的接線方式之一，但所需設(shè)備多、投資大，余姚市可因地制宜，挑選負(fù)荷密度大、用電可靠性要求高、現(xiàn)有網(wǎng)架設(shè)施成熟的區(qū)域，先進(jìn)行試點(diǎn)并積累經(jīng)驗，根據(jù)實際運(yùn)行效果再推廣應(yīng)用。

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