配電網目標接線模式和網架構建方法及其應用

穆永強，王榮茂，王春生，艾芳馨

（遼寧省電力有限公司，沈陽110006）

配電網目標接線模式和網架構建方法及其應用

穆永強，王榮茂，王春生，艾芳馨

（遼寧省電力有限公司，沈陽110006）

為明確不同供電區(qū)域的配電網建設目標，理清配電網運行及管理相關工作的思路，該文研究出一種配電網目標接線模式和網架構建的方法。首先，對規(guī)劃區(qū)進行供電區(qū)域劃分；其次，對規(guī)劃區(qū)常用的典型接線模式進行可靠性計算、全壽命周期的經濟性計算和電氣分析，通過綜合評價，確定規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的理論最優(yōu)接線模式；最后，結合規(guī)劃區(qū)的實際情況，以現(xiàn)狀接線模式為基礎，分析其向理論最優(yōu)接線模式過渡的難易程度，確定規(guī)劃區(qū)推薦的目標接線模式。以此為基礎，構建規(guī)劃區(qū)的配電網目標網架。以某市某區(qū)為例，應用此方法確定的配電網目標接線模式和網架科學、合理，驗證了該方法的科學性和有效性。

供電區(qū)域；接線模式；網架構建；可靠性計算；經濟性計算；綜合評價

隨著國民經濟的高速發(fā)展及人民生活水平的日益提高，電力的供應和消費已經遍及到社會生產、人民生活的各個環(huán)節(jié)，社會對電力的需求量越來越大。配電網是直接向用戶供電的重要環(huán)節(jié)，如何選擇科學、合理的接線模式一直是令供電部門感到困惑的問題。配電網的網架結構是城市電網規(guī)劃與改造工作中的一個重點，接線模式是網架結構的基本反映，它不僅牽涉到電網建設的經濟性和可靠性，而且對于整個電力工業(yè)發(fā)展具有重要意義。

以往的配電網接線模式研究僅從理論供電可靠率和電網投資、運行經濟性方面對不同接線模式進行分析、計算[1-3]，一方面考慮較為單一，另一方面不能很好地結合規(guī)劃區(qū)的實際情況，故得出的研究結果存在一定的局限性。

本文首先對規(guī)劃區(qū)常用的典型接線模式進行多方面的理論計算（可靠性、經濟性、電氣分析）；其次，通過綜合評價來確定規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的理論最優(yōu)接線模式；最后，結合不同地區(qū)現(xiàn)狀電網水平、向理論最優(yōu)接線模式過渡的難易程度等情況進行綜合分析，得出適用于規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的接線模式及網架構建原則。

1 配電網接線模式和網架構建原則研究思路

配電網接線模式和網架構建原則研究思路框圖如圖1所示。

圖1 配電網接線模式和網架構建原則研究思路框圖Fig.1Flow chart of the study on distribution network connection mode and frame construction principle

2 理論計算的邊界條件

2.1 規(guī)劃區(qū)供電區(qū)域劃分

電網規(guī)劃應堅持與經濟、社會、環(huán)境協(xié)調發(fā)展、適度超前和可持續(xù)發(fā)展的原則，因此，為適應不同地區(qū)中壓配電網發(fā)展的差異化，應根據城市的地位、經濟發(fā)展水平、負荷性質和負荷密度等條件劃分供電區(qū)。不同類別的供電區(qū)應采用不同的建設標準，根據《“十二五”110 kV及以下配電網規(guī)劃編制技術規(guī)定》[4]中關于供電區(qū)劃分規(guī)定，對規(guī)劃區(qū)電網各類供電區(qū)進行劃分，供電區(qū)分類標準見表1。

2.2 規(guī)劃區(qū)供電區(qū)域供電可靠率

不同供電區(qū)域理論計算供電可靠率（RS-3）控制目標見表2。

表1 規(guī)劃區(qū)電網供電區(qū)分類標準Tab.1Classification standard of power supply areas in the planning area

表2 不同供電區(qū)域理論計算供電可靠率（RS-3）控制目標Tab.2Control targets of theoretical power supply reliability（RS-3）in different power supply areas

3 接線模式理論分析

3.1 接線模式可靠性計算

配電網接線模式的可靠性分析思路主要是對各個不同的接線模式考慮每個元件的平均年故障率及其故障時受影響的用戶數(shù)和平均修復時間，同時考慮到某些接線模式可以轉移負荷的情況，然后算出平均用電有效度指標ASAI（average service availability index）、系統(tǒng)平均停電頻率指標SAIFI（system average interruption frequency index）和系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標SAIDI（system average interruption duration index），用這些指標來比較不同接線模式的可靠性高低。上述指標的計算公式為

式中：Ntotal為系統(tǒng)中總用戶數(shù)；Ui為平均年停運時間；Ni為故障時受影響的用戶數(shù)；λi為給定元件i的平均故障率。

配電網供電可靠性的計算方法有很多，如故障模式后果分析法、可靠度預測分析法、狀態(tài)空間圖評估法、近似法及網絡簡化法等。以元件組合關系為基礎的故障模式后果分析法使用較為廣泛，并已經實踐證明比較切合實際，能夠反映配電系統(tǒng)結構和運行特點，故本次研究采用故障模式后果分析法[5]進行接線模式的可靠性計算。

3.2 接線模式經濟性計算

傳統(tǒng)的經濟性計算分析著重考慮投入成本，對其余成本的考慮不夠重視。而從長遠的觀點看，設施未來的運行、維護等成本要遠遠大于它的投入成本，因此不應使用傳統(tǒng)的經濟性分析模式進行計算，應將設備或系統(tǒng)的各個成本加以綜合考慮。

全壽命周期費用[5]LCC（life cycle cost）管理是從企業(yè)的長期經濟效益出發(fā)，全面考慮設備或系統(tǒng)的建造、運行、維護、直至報廢的全過程，使LCC最小的一種管理理念和方法。在“全壽命周期”的概念和框架中，系統(tǒng)安全下整體費用最優(yōu)是宗旨，以企業(yè)總體效益為出發(fā)點，尋求最佳方案。

LCC計算模型為

式中：CI為投入成本，是在電力設備獲得之前將要發(fā)生的成本；CM為維護成本，指電力設備在正常使用過程中發(fā)生的維護費用，包括搶修、維護等費用；CF為故障成本，指由于電力設備因故障而導致的損失，即停電損失費用；CD為廢棄成本，指設備在退役后所發(fā)生的費用，即電力設備的殘值費用；CO為運行成本，指電力設備在正常使用過程中發(fā)生的運行費用，包括線損、利息以及所繳稅款這3個方面。

3.3 接線模式電氣分析

由于地域差異，規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的10 kV線路主干長度各不相同，且不同接線模式的線路負載率也存在一定的差異，這些因素將會使各地不同接線模式下的線路末端電壓水平有所不同，從而影響用戶的用電質量。

配電網的線損是電力企業(yè)一項綜合性的經濟、技術指標。它不僅可以綜合反映一個單位或一個區(qū)域的供電經濟性，而且也可以間接反映供電的技術條件和管理水平。

綜上所述，有必要對不同接線模式的線損及末端電壓水平進行計算、分析研究，本次研究利用供電網計算分析及輔助決策仿真軟件對接線模式進行電氣分析。

4 確定目標接線模式

4.1 接線模式綜合評價

本次研究利用文獻[7]的方法，依據接線模式可靠性計算、經濟性計算、電氣分析的結果，對不同接線模式進行綜合評價，綜合評價的步驟如圖2所示。

圖2 接線模式綜合評價步驟Fig.2Comprehensive evaluation steps of connection mode

4.2 確定目標接線模式

對規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀接線模式進行調研，根據規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的接線模式情況，分析其現(xiàn)狀電網的發(fā)展水平及各地市已經廣泛應用的接線模式，并結合綜合評價結論中的規(guī)劃區(qū)理論最優(yōu)接線模式，分析其以現(xiàn)狀電網為基礎的構建難易程度，最終得出本次研究推薦的規(guī)劃區(qū)不同供電區(qū)域的目標接線模式。

4.3 校核供電可靠性

根據規(guī)劃區(qū)不同供電分區(qū)的最優(yōu)接線模式，根據不同接線模式所占的比例及其供電可靠性，計算得出規(guī)劃區(qū)不同供電分區(qū)的供電可靠性并與表2的指標進行對比，如沒有達到該指標，則需要對接線模式重新綜合評價。

5 構建配電網網架

規(guī)劃區(qū)中壓配電網確定適宜的接線模式后，還需對中、高壓配電網的配合進行研究，最終得到整套構建方案。

本文主要計算規(guī)劃區(qū)不同供電模型下的變電站供電能力及為使變電站達到更高的利用率所需配置的出線間隔和站間聯(lián)絡線路回數(shù)。

5.1 典型供電模型

配電網供電模型是指采用不同的互聯(lián)變電站座數(shù)、不同站內主變配置和不同的低壓側主接線形式和不同的中壓配電網接線模式通過合理組合所形成的供電方案。

5.2 主變最大供電能力

對于典型供電模型，在滿足主變N-1校驗的情況下所能提供的最大供電能力。為實現(xiàn)主變最大供電能力，既要求主變有足夠的出線承接負荷，也要求有足夠的站間聯(lián)絡容量實現(xiàn)主變N-1校驗時的負荷轉供，考慮下級線路轉供能力充足，主變1.3的過載系數(shù)情況下，計算典型供電模型下的主變最大負載率。

6 實例應用

應用上述研究方法對某市某區(qū)進行目標接線模式和網架構建的研究。

6.1 供區(qū)劃分

某區(qū)位于某市中心，是該省的政治、經濟中心。根據負荷預測的結果，該區(qū)2012年的負荷達到1 019.40 MW，負荷密度都超過30 MW/km2，故把該區(qū)定位為A類供電區(qū)。

6.2 接線模式理論分析

根據《“十二五”110 kV及以下配電網規(guī)劃編制技術規(guī)定》，適合該區(qū)（A類供電區(qū)）的目標接線模式有“2-1”單環(huán)網、“3-1”單環(huán)網、兩供一備、三供一備、兩個獨立單環(huán)構成的雙環(huán)網、開關站形式的雙環(huán)網。

1）可靠性分析

計算的邊界條件如下：

各接線模式單回10 kV線路均為N-1情況下所帶最大負荷，主干長度相同并且分為3段；各接線模式在出現(xiàn)故障時的轉供電時間相同；僅考慮故障情況，不考慮預安排停電的情況；考慮饋線組內單線故障及雙線同時故障。

根據上述的計算邊界條件，各接線模式的可靠性計算結果見表3。

“2-1”單環(huán)網由兩回10kV電纜線路組成，開環(huán)運行的環(huán)網接線，優(yōu)點為接線簡單、運行方便、可滿足N-1安全準則，但運行負載率較低，僅為50%。

表3 各接線模式的可靠性計算結果Tab.3Calculation results of reliability for all wiring mode

“3-1”單環(huán)網由三回10 kV電纜線路組成，開環(huán)運行的環(huán)網接線，其接線相對“2-1”單環(huán)網較為復雜，但運行可靠性更高（因既有站內聯(lián)絡，也有站間聯(lián)絡），運行負載率可達66.67%。

兩供一備、三供一備分別由三回、四回10 kV電纜線路組成，開環(huán)運行的環(huán)網接線，均能夠滿足N-1安全準則，組網靈活，轉供電簡便；運行負載率較高，兩供一備為66.67%，三供一備為75%。

兩個獨立單環(huán)構成的雙環(huán)網接線滿足N-1安全準則，運行負載率為50%，方便為沿線可靠性要求高的中小用戶提供雙電源。

對于開關站形式的雙環(huán)網接線，其供電可靠性高，結構復雜，可滿足N-1安全準則，運行負載率可達50%；滿足N-1情況下，運行負載率可達75%。

2）經濟性分析

各種接線模式的10 kV線路均取其最高負載率（N-1情況下），研究以目標年作為起始年，考慮適合該區(qū)設備的綜合造價等具體情況，計算各接線模式的10 kV線路在全壽命周期內（一般為20 a）的全部費用，計算結果見表4。

表4 各接線模式的經濟性計算結果Tab.4Calculation results of economy for all wiring mode

3）電氣分析

利用供電網計算分析及輔助決策仿真軟件，對各接線模式進行電氣分析，末端電壓水平和線損率的計算結果見表5。

6.3 接線模式綜合評價

根據圖2的研究方法，各接線模式的綜合評價結果見表6。

表5 各接線模式的電氣分析結果Tab.5Electrical analysis results for all wiring mode

表6 各接線模式的綜合評價結果Tab.6Comprehensive evaluation results for all wiring mode

6.4 目標接線模式構建

結合該區(qū)現(xiàn)狀年實際情況，以現(xiàn)狀接線模式為基礎，分析其向理論計算最優(yōu)接線模式的過渡難易，最終得出本次研究推薦的目標接線模式，具體結果見表7。

表7 推薦的目標接線模式Tab.7Recommended target connection mode

6.5 供電可靠性目標驗證

以“3-1”單環(huán)網和三供一備為目標接線模式，對該區(qū)進行規(guī)劃。根據本文提出的供電可靠性的計算方法，目標年該區(qū)的供電可靠率達到99.999 5%，由此可見，本次研究推薦的目標接線模式組成的配電網的供電可靠率已超過表2的指標。

6.6 配電網網架構建

1）典型供電模型

將變電站座數(shù)與站內主變配置組合，根據該區(qū)的配電網現(xiàn)狀及未來發(fā)展情況，選取2～4座變電站進行互聯(lián)，站內采用2～3臺主變，形成2×2、2×3、3×2、3×3、4×2、4×3等6種“變電站—主變”的組合模型，見表8。

表8 不同座數(shù)的變電站典型供電模型Tab.8Typical power supply model of different substations

2）主變供電能力

典型供電模型下的主變最大負載率的計算結果見表9。

表9 典型供電模型下的主變最大負載率Tab.9Maximum load rate of the main transformers in typical power supply modes

主變理論聯(lián)絡容量是指某一主變需要向與該主變直接互聯(lián)的其他變電站主變轉移的最大負荷，該聯(lián)絡容量取決于主變之間聯(lián)絡線路的容量裕度，如果能夠滿足該容量需求，則可實現(xiàn)主變的理論最大負載率。

主變理論最大負載率僅與供電模式有關，通過表9可以看出，隨著站內主變臺數(shù)的增加，主變的負載率不一定隨之提高。對于3臺主變構成的變電站，如果主變不可并列運行，且采用了單母線分段的低壓側主接線或者單母線四分段情況下沒有自切連跳裝置，各項參數(shù)與2臺主變相同。隨著互聯(lián)變電站座數(shù)的增加，負載率為升高趨勢，但由于1.3過載系數(shù)的限制，3×2模式與4×2模式下的負載率有所降低。在4×3模式下的主變負載率已可達到91.67%，設備利用率提升較大。

3）結論

根據該區(qū)“3-1”單環(huán)網和三供一備的目標接線模式，構建的2～4座變電站互聯(lián)的供電模型能夠科學指導該區(qū)的配電網的規(guī)劃和建設。故規(guī)劃區(qū)配電網網架構建原則可總結為：首先，確定適合規(guī)劃區(qū)的10 kV線路目標接線模式；其次，確定適合規(guī)劃區(qū)高壓變電站的聯(lián)絡類型，如2座變電站互聯(lián)、3座變電站互聯(lián)等；最后，依據目標接線模式和高壓變電站的聯(lián)絡類型，確定規(guī)劃區(qū)的供電模型及主變的供電能力。

7 結語

本文提出的配電網接線模式和網架構建原則的方法，首先對規(guī)劃區(qū)進行合理的供區(qū)劃分，其次根據接線模式的可靠性計算、經濟性計算和電氣分析的結果，對接線模式進行綜合評價，得出理論最優(yōu)的接線模式；最后，根據規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀電網的接線模式和向理論最優(yōu)供電模式過渡的難易程度，確定規(guī)劃區(qū)推薦的目標網架接線模式，以此為基礎，研究規(guī)劃區(qū)配電網的網架構建原則。應用上述方法對某市某區(qū)進行目標接線模式研究和配電網網架構建，得出的結論科學、合理，從而能夠較好地指導規(guī)劃區(qū)配電網的規(guī)劃和建設。

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Method and Application of Target Connection Mode and Frame Construction for Distribution Network

MU Yong-qiang，WANG Rong-mao，WANG Chun-sheng，AI Fang-xin
（Liaoning Electric Power Company Limited，Shenyang 110006，China）

In order to achieve the targets of distribution network construction in different power supply areas and to clarify the operation and management of power distribution network，a method is developed in this paper for connection mode and network frame of distribution network.First of all，the power supply areas are divided for the planning.Secondly，reliability calculation，whole life cycle economy calculation and electrical analysis for typical connection models are conducted，which is the basis for figuring out the theoretical optimal connection mode.Finally，considering practical situation and existing connection modes of the planning area，the difficulty in achieving the optimal connection mode is evaluated and the recommended target connection mode is determined.Then，the target frame for distribution network of the planning area is constructed.The proposed method was applied in a district of a city，and has been proved reasonably and validly.

power supply area；connection mode；frame construction；reliability calculation；economy calculation；comprehensive evaluation

TM715

A

1003-8930（2014）08-0085-06

穆永強（1971—），男，碩士，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃及相關方面研究與應用。Email：myq@ln.sgcc.com.cn

2014-01-04；

2014-03-21

王榮茂（1972—），男，碩士，工程師，主要從事電網規(guī)劃及相關方面的研究與應用。Email：wrmzhj@126.com

王春生（1969—），男，本科，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃及電源規(guī)劃研究工作。Email：chunsheng·w@163.com