中心城區(qū)10kV主干網絡分析模型研究

葛少云，韓 俊，劉 洪，劉 陽，王賽一，朱永衛(wèi)，程正敏，梁憶辰

（1.天津大學 智能電網教育部重點實驗室，天津 300072；2.上海市電力公司 市區(qū)供電公司，上海 200080）

0 引言

長期以來，10kV配電網網架一直存在著復雜、參差不齊的狀態(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網架沒有統(tǒng)一、整體的規(guī)劃所造成的。對于管理調度[1-2]的方便性和配電網運行的安全可靠性[3-5]而言，這種運行狀態(tài)都是有隱患的。

目前關于10kV中壓配電網網架結構[6-8]的研究工作，主要體現在接線模式[9-14]的適應性、經濟性和可靠性等方面。這些都是針對10kV線路本身所展開的研究，并沒有充分考慮110kV／35kV變電站與10kV線路間的關系，另外，10kV接線模式涉及到的大多數是主干線路，而對于從開關站分出來的次級10kV線路的研究并不多，沒有相關成形的結論，這也是10kV配電網復雜混亂的原因所在。因此，有必要對10kV中壓配電網主、次級網絡的結構及功能特性開展相關研究工作。

鑒于當前城市的中心城區(qū)配電網對供電能力、供電可靠性及城市美觀建設的需求，10kV中壓電網常常采用電纜線路進開關站的供電模式，而現有的中低壓配電網技術導則沒有對110kV／35kV變電站與開關站的數量配置關系、落點、站間聯絡的開關站比例、開關站次級10kV出線配置及裝接配變容量大小等問題做出相關明確的規(guī)定。因此，有必要針對中心城區(qū)配電網的特點及需求構建10kV主、次級網絡分析模型，為城區(qū)中壓配電網的建設和精益化管理提供理論指導。限于篇幅，本文重點對基于開關站供電模式的10kV主干網絡開展相關模型的構建及算例分析，相關結論可以對中心城區(qū)中低壓配電網技術導則的修訂提供指導意見。

1 中壓配電網主、次級網絡概念的界定

1.1 中壓配電網分層分區(qū)的概念

文獻[15-16]首次提出了中壓配電網分層分區(qū)的基本原則，依據網架的聯絡關系和供電能力，將該配電電壓層級再分若干層次；依據電網建設的具體區(qū)域性質，將該配電電壓層級劃分為若干區(qū)域，使配電網結構明晰，管理調度易于進行。

1.2 10kV主干網絡概念的界定

所謂主干網絡，即從110kV或35kV變電站低壓側所出的10kV主干線路，主要包括10kV專用線路、K型站及P型站的電源進線、架空主干線路等。本文研究構建以K型站供電模式為主的主干網絡，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 主干網絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of backbone network

1.3 10kV次級網絡概念的界定

所謂次級網絡，主要指K型站、P型站出線所構成的10kV網絡。次級網絡在主變負荷的分配及如何釋放等方面起著重要的作用，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 次級網絡示意圖Fig.2 Schematic diagram of secondary network

特別要指出的是，本文研究的K型站指普通開關站，10kV線路一般采用二進十出模式；P型站土建規(guī)模及站內配變容量比K型站稍小，10kV線路一般采用二進六（八）出模式；WX型站指的是一般意義上的箱變。

2 主干網絡分析模型的構建與求解

本文所提出的主干網絡分析模型主要圍繞變電站與K型站間的聯絡及空間布局來構建各部分的分析模型，主要包括以下2個方面：變電站與K型站規(guī)模配置的分析模型；變電站與K型站空間布局的約束性模型。這兩部分計算模型對配電網供電能力的提升、變電站及K型站供電范圍的合理劃分都有著重要的指導意義。

2.1 變電站與K型站規(guī)模配置的分析模型

通過變電站與K型站規(guī)模配置分析模型的構建與求解，可以計算出供電塊內變電站在滿足供電能力、站間聯絡通道數等約束條件下主變站間的10kV負荷轉移能力的大小。在此基礎上，結合K型站供電模式的特點，可以計算出變電站裝接K型站的數量及不同電源進線的K型站數量配置情況，相關結論對于10kV網絡負荷轉移能力的提升及網絡結構的規(guī)范和統(tǒng)一有著重要的指導意義。

2.1.1 供電能力理論分析方法

文獻[17-18]提出了基于主變互聯和N-1準則的配電系統(tǒng)供電能力計算方法，該方法從主變聯絡單元入手展開供電能力分析，抓住了配電系統(tǒng)網絡互聯產生轉移能力的基本特點，為面向供電能力提高的主變站間聯絡結構優(yōu)化奠定了重要的理論基礎。

2.1.2 主變聯絡結構優(yōu)化設置的一般模型

針對含有多座變電站的供電塊，如何建立供電塊內變電站及主變間合理的聯絡關系，確保整個供電塊達到高效、可靠、經濟的供電效果是建立中心城區(qū)精品化目標網架所關心的問題。主變聯絡結構的優(yōu)化設置問題本質上就是基于給定目標條件下的主變聯絡關系矩陣L的尋優(yōu)過程。

結合當前城市配電網在發(fā)展過程中遇到的問題，本文以供電能力、主變聯絡通道數及區(qū)域聯絡通道總長度為目標函數構建基于多目標的主變聯絡結構優(yōu)化模型，如式（1）—（6）所示。

其中，psc（·）為供電能力綜合分析函數；L為表示主變聯絡關系的對稱矩陣，lij表示i號和j號主變間的聯絡關系，NΣ為區(qū)域主變總數；dij為主變間聯絡通道長度（可由變電站地理坐標計算得出）；dlim為變電站主變間允許建立聯絡通道的長度上限（距離太遠的變電站間不建議設立聯絡）；δ1為供電塊內同站主變站間全局聯絡通道數的均衡性約束；δ2為任意兩變電站同站主變站間聯絡通道數的均衡性約束；Ds為主變站間聯絡總數上限，一般聯絡度數控制在5及以下；a、b為供電塊內任意2座變電站的編號；Ω1a為供電塊內第a座變電站的站內主變集合。

式（1）表示滿足供電能力最大、聯絡通道數最少、聯絡通道總長度最小3個目標函數；式（2）和（3）表示初始聯絡關系矩陣中變量的生成；式（4）和（5）為主變全局和局部的站間聯絡均衡性約束；式（6）為主變站間聯絡通道總數約束。

2.1.3 基于主變互聯的典型供電塊聯絡模型的構建

針對主變聯絡結構優(yōu)化分析一般性模型所關注的一系列重要指標，本文結合文獻[19]的相關工作，主要從互聯變電站座數、站內主變配置、主變站間聯絡關系、聯絡容量大小這4個維度信息來構建典型供電塊聯絡模型。

為簡化供電塊聯絡關系的計算分析過程，本文針對聯絡結構優(yōu)化模型的邊界條件如下：

a.由于互聯變電站座數一般不宜超過4座，因此本文選取了含2～4座變電站（站內主變配置一般為2～3臺）互聯的供電塊，同時將互聯變電站座數與站內主變配置2個維度合并，形成2×2、2×3、3×2、3×3、4×2、4×3這 6 種“變電站-主變”的組合模式；

b.假設供電塊內變電站主變容量均相同，大小為 S，單位為 MV·A；

c.不考慮供電塊內變電站間距離的差異性，即認為供電塊內變電站間的相互距離dij均一致，且均未超過dlim；

d.取δ1=δ2=0，即供電塊內任意變電站主變的站間聯絡結構完全均衡。

以式（1）—（6）所提出的主變聯絡結構優(yōu)化模型為基礎，以基于2～4座變電站互聯的供電塊的相關信息為初始數據，采用遺傳算法進行模型的求解，得出各種“變電站-主變”的組合模式下主變站間的最大負載率水平、最小聯絡通道數及滿足主變N-1校驗時所需的站間聯絡容量大小，詳細結果見表1。

表1 基于2～4座變電站互聯的典型供電塊聯絡模型的構建Tab.1 Construction of contact model for typical power block with 2～4 interconnected substations

以兩主變?yōu)槔?對應的最優(yōu)聯絡關系矩陣如式（7）—（9）所示，對應的主變聯絡結構示意圖如圖3所示。

2.1.4 變電站與K型站數量配置的實際案例分析

通過典型供電塊聯絡模型的構建，得出了各“變電站-主變”組合模式下的主變平均負載率水平、站間聯絡通道數及聯絡容量大小等指標，結合中心城區(qū)以K型站供電模式為主的特點，可以得到各種典型供電塊聯絡結構下，整個供電區(qū)域共需建設的K型站數目、不同電源進線的K型站的數目及比例，由此確定不同供電塊下10kV主干網絡的基本結構。

圖3 主變聯絡結構Fig.3 Interconnection of primary transformers

根據某大型城市的中心城區(qū)配電網運行的實際情況，本文選取主變的允許短時過載系數為1.3，主變容量分別取40 MV·A和50 MV·A，中壓電纜線路載流量為400 A。

a.變電站與K型站數量配置分析與計算。

基于各供電模型和不同約束條件下變電站與K型站數量配置分析結果見表2，其中X、Y、Z分別為主變站間聯絡的K型站數量、整個區(qū)域K型站數量和整個供電區(qū)域不同電源進線K型站數量。表2中：各典型供電模型下的主變負載率能滿足區(qū)域供電能力達到最大，因此可以看成是各典型模型在各自尖峰負荷下的負載率水平；變電站10kV出線中，用戶專線比例設為20%，其他出線都為K型站電源進線。

表2 不同供電模型的變電站與K型站數量配置結果Tab.2 Results of substation and K-station configuration for different power supply models

b.不同電源進線的K型站所占比例分析。

根據上述計算結果，分析不同供電塊下，主變采用不同容量時，K型站電源線來自不同變電站的情況及所占比例，結果如表3所示。

表3 不同電源進線K型站所占比例Tab.3 Proportion of K-stations for different in-feed power lines

從表3可以看出，當主變容量為40 MV·A時，為滿足10kV網絡負荷轉移能力的需求，各典型供電塊聯絡模型中電源進線來自不同變電站的K型站所占比例至少需達25%；當主變容量為50 MV·A時，各典型供電塊聯絡模型中電源進線來自不同變電站的K型站所占比例則至少需達30%。

2.2 變電站及K型站空間布局的約束性分析模型

為了避免由長距離供電所造成的線路損耗過大、供電質量降低等問題，通過確定變電站和K型站的合理供電范圍，來提高供電的可靠性和經濟性。變電站供電半徑與K型站空間布局約束性分析模型的基本框架如圖4所示。

2.2.1 變電站及K型站的供電半徑計算模型

本次研究以圓形供電模型為基礎來進行分析，即可認為變電站或K型站的供電范圍為圓形區(qū)域，變電站或K型站的位置落在圓心處。

圖4 變電站及K型站空間布局的約束性分析模型Fig.4 Binding analysis model of space distribution for substations and K-stations

設變電站每臺主變或K型站電源進線的容量為S，站內主變臺數或電源進線數目為n，主變或線路的負載率為T，供電半徑為r，假定供電區(qū)域負荷密度均勻且都為M，主變或線路的功率因數為cos φ，所構建的圓形供電模型如圖5所示。

圖5 變電站及K型站的圓形供電模型圖Fig.5 Circular power supply model of substations and K-stations

變電站或K型站的供電半徑與主變或電源進線的負荷供應能力的開方成正比，與負荷密度的開方成反比，計算方法如式（10）所示。

2.2.2 變電站與K型站位置的計算分析

設變電站主變臺數為n，主變容量為S，主變的運行負載率為T，功率因數為cos φ，變電站的供電半徑為r；設K型站電源進線數目為n1，電源進線容量為 S1，線路負載率為 T1，線路功率因數為 cos φ1，K 型站的供電半徑為r1，供電區(qū)域內平均負荷密度為M。

由于K型站的供電區(qū)域落在變電站的供電區(qū)域內，從幾何的角度上當K型站的圓形供電區(qū)域與變電站的圓形供電區(qū)域相內切（圖5）時，K型站與變電站的距離最遠，此距離可稱為變電站與K型站間的距離上限dlim，計算方法如下：

2.2.3 K型站間相對位置的計算分析

如圖6所示，當3座K型站的圓形供電區(qū)域相切時，必然會造成一部分供電死區(qū)，因此還需進一步縮小K型站間的距離，但該距離也不能太小，以免造成大范圍供電重疊。因此，必須尋求合適的距離區(qū)間來設置K型站間的相對位置，使得各K型站的供電重疊區(qū)域最小。

圖6 基于圓形供電模型的K型站相對位置分析Fig.6 Relative position analysis based on circular power supply model for K-stations

K型站站間距離dk約束范圍的分析流程如圖7所示，虛線框中過程的目的是消除供電死區(qū)，且使得供電重疊區(qū)域最小。

圖7 K型站站間合適的距離區(qū)間分析流程Fig.7 Analysis of suitable interval between K-stations

2.2.4 變電站及K型站空間布局的實際案例分析

結合某大型城市的中心城區(qū)配電網實際情況，主變容量取40 MV·A和50 MV·A，主變的功率因數取0.95，中壓電纜線路載流量為400 A，線路的功率因數取0.95，供電區(qū)域內的平均負荷密度M取70 MW／km2、50 MW／km2、30 MW／km2。

a.變電站與K型站的距離上限dlim的分析。

基于不同供電塊聯絡模型和約束條件下變電站與K型站的距離上限dlim的分析結果如表4所示。

從表4可以看出，當主變容量為40 MV·A時，變電站與K型站的距離應控制在0.8 km以內；當主變容量為50 MV·A時，變電站與K型站的距離應控制在1 km以內。

b.K型站與K型站間距離范圍dk的分析。

表4 變電站與K型站距離上限分析結果Tab.4 Upper limits of interval between substations or K-stations

不同負荷密度下K型站間合適的距離區(qū)間的分析結果為：負荷密度30 MW／km2，距離區(qū)間[0.47，0.54]km；負荷密度 50MW／km2，距離區(qū)間[0.36，0.42]km；負荷密度 70 MW／km2，距離區(qū)間[0.31，0.35]km。

從分析結果可以看出，在不同負荷密度水平（30～70 MW／km2）下，K 型站與 K 型站間的距離應控制在300～550 m之間比較合適。

3 結論

本文基于中心城區(qū)配電網10kV主干網絡分析模型的研究主要做了如下工作。

a.結合中壓配電網分層分區(qū)的基本原則，定義了K型站供電模式下的10kV主干網絡和次級網絡的基本概念，進一步細化和明確了基于中心城區(qū)特色的10kV中壓配電網的層次結構及功能定位。

b.以供電能力理論計算方法和供電塊內主變聯絡結構優(yōu)化模型為基礎，建立了基于K型站供電模式下的典型供電塊聯絡模型、變電站及K型站空間布局的約束性分析模型，為10kV主干網絡負荷轉移能力水平的提高及供電范圍的合理規(guī)劃奠定了理論基礎。

c.根據某大型城市的中心城區(qū)配電網的實情，選取合適的參數對各模型進行計算和分析，得到了各種典型供電模型在不同主變容量和負荷密度情況下及站間聯絡K型站的設置比例、變電站與K型站及K型站間合適的距離區(qū)間，相關結論可以對中心城區(qū)中低壓配電網的建設和精益化管理、中低壓配電網技術導則的修訂提供指導意見。