計(jì)及報(bào)裝容量階躍性的中壓配電網(wǎng)接線模式研究

徐晶，李娟，謝秦，劉洪，郭寅昌

(1.天津市電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300040; 2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津300072)

計(jì)及報(bào)裝容量階躍性的中壓配電網(wǎng)接線模式研究

徐晶1，李娟1，謝秦1，劉洪2，郭寅昌2

(1.天津市電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300040; 2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津300072)

將用戶報(bào)裝容量納入接線模式研究過程，建立了供電能力“死區(qū)”模型。對用戶報(bào)裝容量概率分布條件下的線路期望負(fù)荷、期望接入用戶數(shù)進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)提出了計(jì)及“死區(qū)”影響的線路負(fù)載率、變電站出線間隔利用系數(shù)和用戶平均占用出線間隔數(shù)等指標(biāo)的計(jì)算方法。實(shí)際算例表明，該方法能夠有效降低“死區(qū)”造成的不利影響，大幅度提升饋線實(shí)際接入能力和電網(wǎng)資源實(shí)際利用率，對提高配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

中壓配電網(wǎng);接線模式;供電能力“死區(qū)”;負(fù)載率;出線間隔利用系數(shù);用戶平均占用出線間隔數(shù)

1 引言

近年來隨著高密度商業(yè)區(qū)、超高層建筑的不斷密集，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)成為城市電網(wǎng)規(guī)劃與改造工作的重點(diǎn)。接線模式作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本反映，不僅牽扯到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，而且對于整個電力工業(yè)發(fā)展具有重要意義［1］。鑒于中壓配電網(wǎng)接線模式的重要地位，在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究工作，其中文獻(xiàn)［2］建立了系、族和結(jié)構(gòu)元的3層分類結(jié)構(gòu)體系，提高了接線模式研究的全面性和系統(tǒng)性;文獻(xiàn)［3，4］從投資、網(wǎng)損、單位負(fù)荷年費(fèi)用、可靠性和電壓質(zhì)量等方面對不同接線模式進(jìn)行了橫向的對比分析;文獻(xiàn)［5，6］則建立了負(fù)荷密度、變電站容量和供電面積可調(diào)狀態(tài)下的接線模式分析模型。

以上研究成果在對各類接線模式進(jìn)行定量分析的過程中均以滿足“N-1”要求的負(fù)載率上限作為計(jì)算線路供電能力和接入用戶數(shù)的邊界條件而沒有考慮用戶報(bào)裝容量的影響，即認(rèn)為當(dāng)線路實(shí)際負(fù)載率接近但尚未達(dá)到該接線模式允許的理論上限時總可以找到合適的用戶接入以充分利用線路的供電能力。實(shí)際電網(wǎng)中，當(dāng)空余供電能力低于用戶最大負(fù)荷(以視在功率計(jì)，下同)時，線路雖然負(fù)載率未達(dá)到理論上限但已無法繼續(xù)接入新的用戶，導(dǎo)致部分供電能力無法被利用，即出現(xiàn)供電能力“死區(qū)”。一般情況下，中壓配電網(wǎng)主要以為公用配電站和小容量用戶供電為主，單戶最大負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線路的供電能力，“死區(qū)”較小可忽略不計(jì)，上述假設(shè)基本成立。但近年來隨著高密度商業(yè)區(qū)、超高層建筑的不斷密集，出現(xiàn)了很多以大容量用戶為主體的10kV供電區(qū)域，單戶最大負(fù)荷已經(jīng)接近甚至超過線路供電能力的1/2，線路實(shí)際負(fù)載率上限較之前研究形成的理論計(jì)算結(jié)果明顯下降，“死區(qū)”在線路供電能力中所占的比重不斷提高，大量寶貴的電網(wǎng)資源無法得到充分利用，逐漸成為中壓配電網(wǎng)建設(shè)新的“瓶頸”。針對這一問題，本文在考慮用戶報(bào)裝容量影響的基礎(chǔ)上給出了線路負(fù)載率、出線間隔利用系數(shù)等重要指標(biāo)的計(jì)算方法，以便于在中壓配電網(wǎng)規(guī)劃過程中根據(jù)用戶特點(diǎn)選擇合理的接線模式，從而提高電網(wǎng)資源和配電設(shè)備的利用效率，確保配電網(wǎng)的健康發(fā)展。

2 用戶容量分布數(shù)學(xué)模型

實(shí)際電網(wǎng)中，用戶總是根據(jù)自身的生產(chǎn)、生活需要和用電設(shè)備情況向供電企業(yè)提出用電申請，其報(bào)裝容量主要取決于用戶的用電性質(zhì)、行業(yè)、規(guī)模等自身因素。所謂報(bào)裝容量的階躍性，是指不同用戶申請的一系列報(bào)裝容量多呈離散的隨機(jī)數(shù)列。對此供電企業(yè)只能以用戶提出的報(bào)裝容量為依據(jù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)定的要求和電網(wǎng)實(shí)際情況確定合理的供電方案而無法對用戶的用電需求和報(bào)裝容量進(jìn)行直接干預(yù)。因此，在分析中壓配電網(wǎng)接線模式的過程中，用戶報(bào)裝容量可以視為在一定區(qū)間(即供電企業(yè)規(guī)定的用戶接入容量范圍)內(nèi)以概率P分布的隨機(jī)變量，即

式中，s為用戶報(bào)裝容量(對于雙、多電源用戶，多個電源報(bào)裝容量分別計(jì)算);smin、smax為供電企業(yè)規(guī)定的10(20)kV用戶報(bào)裝容量上、下限;f(x)為用戶報(bào)裝容量的概率分布函數(shù)，可以通過對現(xiàn)有用戶報(bào)裝容量統(tǒng)計(jì)資料的回歸分析得出。由于接線模式研究中涉及的用戶總數(shù)較大，因此不同用戶報(bào)裝容量的概率分布可視為相互獨(dú)立。

3 供電能力“死區(qū)”

中壓配電網(wǎng)中，對最大載流量為Imax的任意線路，令

式中，L為線路已接入用戶的集合;si為用戶報(bào)裝容量(smin≤s≤smax);η為用戶的最大負(fù)載率;k為該供電區(qū)域內(nèi)不同用戶間的同時性系數(shù);ηksi為最大負(fù)荷時刻用戶i的負(fù)荷;β為當(dāng)前接線模式允許的線路理論負(fù)載率上限。當(dāng)Δ＜ηksmin時，雖然線路負(fù)載率尚未達(dá)到理論上限β，但由于任意負(fù)荷為ηks的用戶接入后將出現(xiàn)設(shè)備過負(fù)荷或負(fù)載率超過“N-1”準(zhǔn)則要求的上限的情況，該線路無法繼續(xù)接入用戶，而此時的空余供電能力Δ即為供電能力“死區(qū)”。

當(dāng)線路的空余供電能力Δ＞ηksmin時，該線路繼續(xù)接入用戶的概率為:

式(3)表明，當(dāng)Δ介于ηksmin與ηksmax之間時，0＜P＜1，線路具備繼續(xù)接入用戶的條件，但受制于報(bào)裝容量概率分布的影響，可能因?yàn)闊o法找到容量足夠小的用戶以“填充”空余供電能力Δ，從而呈現(xiàn)出一種“概率性死區(qū)”的特點(diǎn)。

4 計(jì)及用戶報(bào)裝容量影響的接線模式分析

供電能力、供電可靠性、供電質(zhì)量和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是現(xiàn)階段接線模式評價的核心［3］，其中供電能力主要關(guān)注主變、出線間隔、線路等電力設(shè)備的利用情況和最大輸送能力是否得到充分發(fā)揮。

由于供電能力“死區(qū)”的存在，線路實(shí)際最大負(fù)載率一般無法達(dá)到其理論上限，允許接入的用戶數(shù)量和容量也有一定幅度的降低，進(jìn)而對線路負(fù)載率、出線間隔利用系數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生影響。通過第3節(jié)的分析可以看出，供電能力“死區(qū)”的大小與線路輸送能力和用戶報(bào)裝容量及其分布直接掛鉤。因此，在考慮用戶報(bào)裝容量范圍影響的情況下，上述指標(biāo)的計(jì)算方法是本文研究的核心問題。

4.1 負(fù)載率分析

由第2節(jié)的分析可知，對于供電能力為SL(SL，β為當(dāng)前接線模式允許的線路理論負(fù)載率上限)的任意線路，隨著用戶的接入，當(dāng)線路空余供電能力Δ小于可能接入的最小用戶負(fù)荷ηksmin時，線路繼續(xù)接入用戶的概率降為0，負(fù)荷達(dá)到實(shí)際上限。令此時的接入用戶集合為Lmax，則線路負(fù)載率可表示為

式中，rL為線路負(fù)載率;g(SL)為Lmax中接入用戶的總負(fù)荷。由于用戶報(bào)裝容量si為區(qū)間［smin，smax］上的隨機(jī)變量，rL無法用定值表示，其概率學(xué)意義上的期望值為

其中，E(si)為用戶i負(fù)荷的接入期望，采用迭代的方法逐個用戶依次計(jì)算。其計(jì)算公式如下:

隨著用戶報(bào)裝容量的增大，雙電源和多電源用戶比例不斷提高。由于此類用戶專用配電站(室)一般具備低壓側(cè)負(fù)荷互投能力，出于運(yùn)行方便和降損方面的考慮，用戶可能根據(jù)自身需要對不同電源間的低壓負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致η、k值與單電源用戶差異較大。因此，在計(jì)算中對單電源和雙(多)電源用戶應(yīng)當(dāng)分別予以考慮。

設(shè)供電區(qū)域內(nèi)單電源、雙(多)電源用戶比例為1:h(概率分布相互獨(dú)立)，最大負(fù)載率分別為m、n。此時先按照式(6)分別針對兩種用戶計(jì)算線路負(fù)載率期望，分別記為E(rL(m))和E(rL(n))。

4.2 出線間隔利用情況分析

受到變電站數(shù)量和建設(shè)規(guī)模的限制，一定供電區(qū)域內(nèi)某個電壓等級的變電站出線間隔總數(shù)往往較為有限，是配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)中一項(xiàng)非常重要的資源。變電站設(shè)計(jì)出線間隔數(shù)一般由中、低壓側(cè)設(shè)計(jì)容量和每回出線的送出功率共同決定。由4.1節(jié)的分析可知，不同用戶報(bào)裝容量范圍下線路實(shí)際負(fù)載率上限將與原有的理論計(jì)算值產(chǎn)生一定的偏差。如果出線負(fù)載率上限降低，在出線間隔數(shù)量保持不變的情況下該電壓等級總送出功率將較預(yù)期值有所下降，從而造成主變?nèi)萘繜o法被充分利用;反之，則可能導(dǎo)致部分出線間隔由于受到主變?nèi)萘康南拗贫焕速M(fèi)。

用戶報(bào)裝容量對出線間隔利用情況的影響可以從以下兩個方面分別進(jìn)行分析:

(1)出線間隔利用系數(shù)

出線間隔利用系數(shù)rinterval指按照主變?nèi)萘颗c線路實(shí)際負(fù)載率上限期望值計(jì)算得出的實(shí)際出線數(shù)與該電壓等級設(shè)計(jì)出線間隔數(shù)的比值，具體公式如下:

式中，nL為實(shí)際出線數(shù);Stransformer為主變考慮“N-1”條件下負(fù)荷轉(zhuǎn)移要求時的供電能力;E(rL)為線路的期望負(fù)載率;Avg IPL為聯(lián)絡(luò)組內(nèi)平均每條主供線路占用的出線間隔數(shù)(單環(huán)網(wǎng)、多分段多聯(lián)絡(luò)、4×6網(wǎng)孔等接線模式由于每條線路均需要為用戶供電，其Avg IPL可取1;3-1、4-1接線模式將備用線路占用的倉位折算到到主供線路，其Avg IPL應(yīng)分別取1.5和1.33);ninterval為每臺主變的設(shè)計(jì)出線間隔數(shù)。

出線間隔利用系數(shù)接近1，說明實(shí)際出線情況與設(shè)計(jì)水平較為一致，主變?nèi)萘亢统鼍€間隔均得到了充分的利用。

(2)用戶平均占用出線間隔數(shù)

令E為線路L期望接入的用戶數(shù)

按照4.1節(jié)中對線路期望負(fù)載率E(rL)的分析，可采取以下方法計(jì)算E:存在整數(shù)k，當(dāng)i＞k時，都有E(si)=0，且E(sk－1)≠0，則E=k。

考慮雙電源用戶的影響后，理同式(7)

用戶平均占用出線間隔數(shù)Avg IPU反映的是折算至單個用戶的出線間隔資源占用情況。該指標(biāo)不僅取決于線路接入的期望用戶數(shù)，還與各類接線模式中聯(lián)絡(luò)組內(nèi)每條主供線路占用的出線間隔數(shù)密切相關(guān)，其計(jì)算公式如下:

5 算例分析

以下利用本文給出的分析方法，對以大容量用戶(單側(cè)電源報(bào)裝容量2000～8000kVA)為主體的某供電區(qū)域10kV電網(wǎng)的接線模式進(jìn)行優(yōu)選。經(jīng)過調(diào)研，該區(qū)域用戶容量近似服從區(qū)間［smin，smax］上的均勻分布，其分布函數(shù)為:

計(jì)算過程中，假定上級變電站均為110/10kV站，容量3×50MVA，48個出線間隔。線路均按電纜考慮，最大載流量470A。

在上述用戶報(bào)裝容量分布的基礎(chǔ)上，對單環(huán)網(wǎng)、多分段三聯(lián)絡(luò)、兩主一備、三主一備和雙電源開閉站五類接線模式進(jìn)行對比分析的結(jié)果如表1所示。

需要說明的是，多分段三聯(lián)絡(luò)接線受故障條件下負(fù)荷轉(zhuǎn)移方式的限制，單戶負(fù)荷理論上不應(yīng)大于，否則在線路負(fù)載率達(dá)三聯(lián)絡(luò)極限時單段線路負(fù)荷無法轉(zhuǎn)移，故分析過程中將每一條三聯(lián)絡(luò)線路分解為三個供電能力為的部分進(jìn)行等效處理。

表1 典型接線模式對比分析Tab.1 Comparative study on different typical connectionmodes

通過分析結(jié)果不難看出，線路利用率方面，該區(qū)域內(nèi)線路實(shí)際負(fù)載率上限均未能達(dá)到其理論值，因空余供電能力Δ小于用戶負(fù)荷而無法繼續(xù)接入用戶的情況非常明顯，電網(wǎng)資源無法充分利用的問題非常嚴(yán)重。而隨著Δ/SL的增大，上述現(xiàn)象愈發(fā)明顯。各類接線模式中，主備接線由于主供線路理論負(fù)載率上限可以達(dá)到100%，Δ/SL較高，實(shí)際負(fù)載能力上限分別達(dá)到理論值的72.86%(兩主一備)和73.24%(三主一備)，明顯優(yōu)于其他幾種接線模式。

從用戶平均占用出線間隔數(shù)的角度來看，多分段三聯(lián)絡(luò)接線模式受制于較低的出線實(shí)際負(fù)載率上限，Avg IPU超過1.6，每個用戶接入電網(wǎng)時均將占用電力系統(tǒng)大量的出線間隔資源;相對而言，主備接線模式由于線路接入的期望用戶數(shù)較高，其Avg IPU值分別只有0.78(兩主一備)和0.69(三主一備)，有效緩解了變電站出線間隔緊張的局面。

綜上所述，在此類供電區(qū)域中，考慮用戶報(bào)裝容量概率分布的影響后，主備接線模式具備較高的實(shí)際負(fù)載率上限和較低的用戶平均占用出線間隔數(shù)，電網(wǎng)資源得到了最大程度的充分利用，適合作為主要接線模式。此外，考慮到該接線模式的出線間隔利用效率較高，可以在規(guī)劃中適度降低變電站低壓側(cè)出線間隔建設(shè)規(guī)模，以進(jìn)一步壓縮投資，提升電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)營效率。

6 結(jié)論

作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本反映，接線模式研究是配電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)領(lǐng)域的核心問題之一。當(dāng)10kV單戶接入容量與負(fù)荷增長至一定程度時，原有的接線模式分析結(jié)果將與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差。為此，本文對線路空余供電能力和可能接入的用戶期望負(fù)荷之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了深入研究，建立了供電能力“死區(qū)”模型，分析了制約線路供電能力利用率提升的“瓶頸”所在。繼而，以上述結(jié)果為基礎(chǔ)，對負(fù)載率、出線間隔利用系數(shù)和用戶平均占用出線間隔數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了定量分析。最后的算例表明，在以大容量用戶為主的高負(fù)荷密度區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃過程中，該方法能夠有效降低“死區(qū)”在線路供電能力中所占的比重，大幅度提升饋線的接入能力，提高電網(wǎng)資源的整體利用率，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

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Research on connection mode ofm id-voltage distribution network considering user’s stepw ise capacity

XU Jing1，LIJuan1，XIE Qin1，LIU Hong2，GUO Yin-chang2
(1.Tianjin Electric Power Economics＆Technology Research Institute，Tianjin 300040，China; 2.Key Laboratory of Smart Grid，Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Considering the influence caused by user’s stepwise capacity in mid-voltage distribution network，the dead zonemodel of power supply capability，which reflects the shortfall in actual load supply capability compared by the ideal one，is presented in this paper.Expectation of load and number of users in one feeder is firstly analyzed based on the probability distribution of user’s capacity.According to the results above，this paper also gives out the formulation of several indices by using dead zonemodel，such as load ratio of feeder，utilization ratio of intervals in substation and average interval occupation per user，which are used to evaluate the efficiency of different types of connectionmode inmid-voltage distribution network.The final example shows that，in order to promote the operational economy，this kind ofmethod can greatly enhance the access capacity of one feeder and resource utilization in distribution network，meanwhile decreasing the negative impact caused by dead zone.

mid-voltage distribution network;connectionmodes;dead zone of power supply capability;load ratio; utilization ratio of intervals;average interval occupation per user

TM727.2

A

1003-3076(2014)08-0067-05

2012-12-12

徐晶(1982-)，男，河北籍，工程師，碩士，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃;李娟(1982-)，女，天津籍，工程師，碩士，從事配電網(wǎng)規(guī)劃方向的工作和研究。