配電網(wǎng)負(fù)荷分區(qū)及其規(guī)劃研究

趙樹軍，楊普，郝鵬飛，呂振邦，王鵬，王曉楠

（1.河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北邯鄲 056002；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200082）

配電網(wǎng)負(fù)荷分區(qū)及其規(guī)劃研究

趙樹軍1，楊普1，郝鵬飛1，呂振邦2，王鵬2，王曉楠1

（1.河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北邯鄲 056002；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200082）

隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快及配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，單純對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)進(jìn)行改造已經(jīng)無法滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求，需對(duì)新型城鎮(zhèn)配電網(wǎng)重新規(guī)劃。分析并借鑒了國外大都市的配電網(wǎng)典型接線模式，闡述了負(fù)荷分區(qū)方法、配電網(wǎng)接線模式的選取方法及可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法。在以負(fù)荷密度為供電區(qū)域劃分原則的基礎(chǔ)上，將負(fù)荷區(qū)域按照功能性和可靠性等其他屬性再次劃分，并對(duì)每一小區(qū)域選取合理的接線模式，以滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求。通過河北南部某地級(jí)市電網(wǎng)實(shí)際算例，分析并驗(yàn)證了改方法的合理性和可行性。結(jié)果表明，所提的負(fù)荷分區(qū)的方法更能滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的對(duì)用電的需求。

負(fù)荷分區(qū)；配電網(wǎng)；規(guī)劃；接線模式；可靠性

目前，我國正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，能源需求還將合理增加，構(gòu)建城鎮(zhèn)化與能源供給協(xié)調(diào)發(fā)展的能源供應(yīng)體系是實(shí)現(xiàn)低碳城鎮(zhèn)化的首要任務(wù)[1]。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異化形態(tài)下，城鄉(xiāng)間的用電負(fù)荷需求也呈現(xiàn)出明顯差異，故需研究適應(yīng)城鎮(zhèn)化建設(shè)的負(fù)荷分區(qū)方法[2]。

現(xiàn)有關(guān)于負(fù)荷分區(qū)方法的研究眾多，基本依據(jù)是規(guī)劃地區(qū)的負(fù)荷密度。如文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則，但僅依靠負(fù)荷密度劃分供電區(qū)域較為粗糙，也不利于體現(xiàn)模塊化供電的思想。文獻(xiàn)[4]根據(jù)負(fù)荷密度建立了優(yōu)化電網(wǎng)分區(qū)的數(shù)學(xué)模型，但沒有考慮城鎮(zhèn)化建設(shè)帶來的用電需求差異。城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的電力特征存在顯著的差異。在負(fù)荷用電方面，區(qū)域間用電負(fù)荷發(fā)展不均衡、無功需求大、季節(jié)性和時(shí)段性負(fù)荷波動(dòng)大等[5]，在供電質(zhì)量上，農(nóng)村電網(wǎng)存在供電可靠率低、電壓低等問題。故應(yīng)采用更為精細(xì)的分區(qū)方式，做到遠(yuǎn)期規(guī)劃更能貼近實(shí)際[6]。

隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快及配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，單純對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)進(jìn)行改造已經(jīng)無法滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求，需對(duì)新型城鎮(zhèn)配電網(wǎng)重新規(guī)劃。本文分析并借鑒了國外大都市的配電網(wǎng)典型接線模式，闡述了負(fù)荷分區(qū)方法、配電網(wǎng)接線模式的選取方法及可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法。在以負(fù)荷密度為供電區(qū)域劃分原則的基礎(chǔ)上，將負(fù)荷區(qū)域按照功能性和可靠性等其他屬性再次劃分，并對(duì)每一小區(qū)域選取合理的接線模式，以滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求。通過河北南部某地級(jí)市電網(wǎng)實(shí)際算例，分析并驗(yàn)證了改方法的合理性和可行性。結(jié)果表明，本文所提的負(fù)荷分區(qū)方法更能滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求。

1 配電網(wǎng)接線模式

若根據(jù)接線模式的供電范圍劃分供電區(qū)域，則基于各站點(diǎn)的供電半徑便是細(xì)分區(qū)域的基本單元。對(duì)每個(gè)不同用戶而言，其受電范圍也可作為負(fù)荷分區(qū)的基本單元，這樣便可根據(jù)供電接線模式來劃分供電區(qū)域。

1.1 國外大都市典型接線模式

以巴黎、東京和新加坡等國外國際化大都市配電系統(tǒng)接線模式為例，分析各接線模式的供電特點(diǎn)。

1.1.1 巴黎配電網(wǎng)接線模式

巴黎高壓配電網(wǎng)的接線模式為400 kV與225 kV雙層環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。中壓配電網(wǎng)接線模式為20 kV環(huán)網(wǎng)，并經(jīng)配電變壓器放射至低壓用戶，圖2為其三環(huán)網(wǎng)示意圖。巴黎20 kV配電網(wǎng)中主干網(wǎng)架使用4×6= 24條20 kV電纜與單一變電站相連，故可確保225 kV變電站的供電可靠性。各低壓變電站都有2回20 kV進(jìn)線，在進(jìn)線故障時(shí)可自動(dòng)切換。2條并行線路同時(shí)向中/低壓負(fù)荷供電，并通過自動(dòng)切換裝置實(shí)現(xiàn)備用電源切換。該接線方式相對(duì)復(fù)雜，且對(duì)自動(dòng)化要求較高，成本也較高。

圖1 巴黎高壓電網(wǎng)接線模式Fig.1 Connection mode of the high voltage distribution network in Paris

1.1.2 東京配電網(wǎng)接線模式

日本東京97%的配電網(wǎng)為6.6 kV不接地電網(wǎng)，3%為20 kV小電阻接地電網(wǎng)。6.6 kV架空線路的接線模式采用3分段4聯(lián)絡(luò)、6分段3聯(lián)絡(luò)等，6.6 kV電纜網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)的接線模式，負(fù)荷密集區(qū)則采用20 kV電纜網(wǎng)供電。圖3為電纜網(wǎng)4分段2并網(wǎng)地下系統(tǒng)圖，該接線模式可提高線路負(fù)載率，且可保證在故障發(fā)生時(shí)具有足夠的負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力，較為實(shí)用。

圖2 巴黎配電網(wǎng)三環(huán)網(wǎng)示意圖Fig.2 Three ring network of distribution network in Paris

圖3 東京中壓配網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.3 Middle voltage distribution network in Tokyo

1.1.3 新加坡配電網(wǎng)接線模式

新加坡22 kV配電網(wǎng)接線模式形如花瓣，如圖4所示?；ò晷途W(wǎng)絡(luò)中的電纜截面均取300 mm2，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的拓展性和適應(yīng)性。每個(gè)花瓣型網(wǎng)絡(luò)引入第3個(gè)電源點(diǎn)，故明顯提高供電可靠性。每個(gè)花瓣的容量按50%考慮，確保網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)改造從對(duì)供電可靠性要求較高的區(qū)域開始且成片實(shí)施，確?！盎ò辍币淮谓ǔ?。該接線模式充分考慮了配電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展快的特點(diǎn)，便于配電網(wǎng)的改造擴(kuò)建。

基于此，各地區(qū)的配電網(wǎng)建設(shè)完全符合當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷特點(diǎn)，且與負(fù)荷需求直接相關(guān)。巴黎的配電網(wǎng)接線模式具有高可靠性，日本的配電網(wǎng)接線模式具有高實(shí)用性，新加坡的配電網(wǎng)接線模式具有高延展性。巴黎中壓配電網(wǎng)為20 kV三環(huán)網(wǎng)，東京中壓配電網(wǎng)為多分段多聯(lián)絡(luò)，新加坡中壓配電網(wǎng)為花瓣型環(huán)網(wǎng)，都可視為一種供電模塊。根據(jù)所選設(shè)備的不同，供電范圍也有所不同?？梢姴煌挠秒妳^(qū)域可選取不同的接線模式。

圖4 新加坡花瓣型配網(wǎng)接線示意圖Fig.4 Connection modes of petalling distribution networks in Singapore

1.2 高壓配電網(wǎng)接線模式選取原則

高壓配電網(wǎng)架使用的電壓等級(jí)一般為110 kV或者66 kV[7]。在選擇高壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，B類及以上供電區(qū)域多數(shù)采用如圖5所示的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以保證具有較高的供電安全水平。上級(jí)電源點(diǎn)不足時(shí)則可采用圖6所示的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。C類及以下供電區(qū)域可適當(dāng)采用鏈?zhǔn)?、環(huán)網(wǎng)或輻射狀接線模式。

圖5 高壓配網(wǎng)鏈?zhǔn)浇泳€示意圖（單鏈T接，雙鏈T接，雙鏈π接）Fig.5 Connection mode of high voltage distribution network of chain（single chain T，double chain T，double chain π）

雙鏈接線模式運(yùn)行靈活，且滿足線路“N-1”校驗(yàn)，適用于負(fù)荷密度較高的且要求雙電源供電的區(qū)域，適用于B類供電區(qū)。

環(huán)網(wǎng)接線模式運(yùn)行較為靈活，滿足線路“N-1”校驗(yàn)，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，可適當(dāng)選用雙環(huán)網(wǎng)接線，以滿足負(fù)荷增長的需求。該模式主要適用于電源點(diǎn)較少，且電源點(diǎn)之間線路走廊打通較為困難的地區(qū)，適用于B、C類供電區(qū)。

圖6 高壓配網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)接線示意圖Fig.6 Connection mode of high voltage distribution network of double ring network

輻射狀接線方式結(jié)構(gòu)簡單，投資較省，滿足線路“N-1”校驗(yàn)。適用于電源點(diǎn)較少，且對(duì)供電可靠性有一定要求的地區(qū)[8]。該接線方式一般廣泛應(yīng)用于D類供電區(qū)。

1.3 中壓配電網(wǎng)接線模式選取原則

中壓配電網(wǎng)架使用的電壓等級(jí)一般為35 kV或10 kV[9]。架空線主要采用圖7所示的多分段多聯(lián)絡(luò)接線模式，電纜網(wǎng)主要采用如圖8所示的單環(huán)網(wǎng)或者雙環(huán)網(wǎng)。

圖7 中壓配網(wǎng)架空線多分段多聯(lián)絡(luò)接線示意圖Fig.7 Connection mode of middle voltage distribution network of mult-segment and mult-contact

多分段多聯(lián)絡(luò)接線模式可有效提高線路的負(fù)載率，降低備用容量，適用于人口密度較大且供電可靠性要求較高的地區(qū)。

電纜單環(huán)網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，其電源可以來自不同變電站或同一變電站的不同母線。電纜雙環(huán)網(wǎng)可進(jìn)一步提高供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，保證在一路電源失電的情況下用戶能夠從另外一路電源供電。

圖8 中壓配網(wǎng)電纜單、雙環(huán)網(wǎng)接線示意圖Fig.8 Connection mode of middle voltage distribution network of single ring and double ring of cable

2 負(fù)荷分區(qū)與高壓變電站站址布置

2.1 負(fù)荷分區(qū)方法

目前負(fù)荷劃分主要依據(jù)行政級(jí)別或規(guī)劃水平年的負(fù)荷密度，同時(shí)考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、用戶重要程度、用電水平、GDP增長速度等因素，可分為A+、A、B、C、D、E等負(fù)荷類型，并以負(fù)荷密度的取值區(qū)間加以區(qū)分[3]。但該區(qū)分方式較為粗略，不能詳細(xì)說明規(guī)劃區(qū)域的特點(diǎn)與用途，同時(shí)在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的大背景下，較難滿足客戶差異化的用電需求[10]。故本文在以負(fù)荷密度為供電區(qū)域劃分原則的基礎(chǔ)上，將負(fù)荷區(qū)域按照功能性和可靠性等其他屬性再次劃分。

負(fù)荷區(qū)域按照功能性可劃分為公共服務(wù)區(qū)域（包括醫(yī)療、教育、電力、通信、供水、金融等），工業(yè)制造區(qū)域（包括制造業(yè)、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、工程等），行政管理區(qū)（行政服務(wù)、資源管理、政府服務(wù)等），居住生活區(qū)（包括居民區(qū)、餐飲、超市等）。負(fù)荷區(qū)域按照功能性劃分之后，再根據(jù)各區(qū)域?qū)╇娏俊⒐╇娍煽啃缘刃枨蟮牟煌x擇合適的高壓、中壓配電網(wǎng)接線模式，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷區(qū)域劃分和模塊化供電，滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求。

2.2 高壓變電站站址布置方法

由1.2節(jié)和1.3節(jié)可知，中壓配電網(wǎng)的接線模式基本固定，選擇高壓配電網(wǎng)的接線模式區(qū)別在于電源點(diǎn)的位置[11]。對(duì)某負(fù)荷區(qū)域而言，若其規(guī)劃目標(biāo)年的負(fù)荷密度基本確定，則電源點(diǎn)的數(shù)量也基本確定，故此時(shí)需確定電源點(diǎn)的位置，但涉及到對(duì)區(qū)域的地理概況、交通、氣候、施工條件等諸多因素[12]。站址布置方法如下。

變電站的選址須符合地區(qū)總體規(guī)劃，盡可能靠近負(fù)荷中心，可借助于遞歸法計(jì)算得到變電站的最優(yōu)幾何位置。核心思路為根據(jù)各個(gè)區(qū)塊的負(fù)荷中心點(diǎn)進(jìn)行兩兩變換合并，經(jīng)多級(jí)變換后將區(qū)域內(nèi)所有負(fù)荷集中到一個(gè)幾何中心點(diǎn)，則自該點(diǎn)到達(dá)各個(gè)區(qū)塊的供電線路空間距離長度為最優(yōu)。具體流程見圖9，實(shí)際建設(shè)中應(yīng)在該中心點(diǎn)附近選取合適的建設(shè)位置。

圖9 遞歸法確定高壓站點(diǎn)流程圖Fig.9 Flow chart of better-recursion to determine the site of high voltage substation

對(duì)于地塊負(fù)荷類型明確且呈現(xiàn)網(wǎng)狀格狀分布的新型城鎮(zhèn)，利用遞歸法進(jìn)行高壓站點(diǎn)規(guī)劃具有優(yōu)勢(shì)。但遞歸法也有其局限性，并不適用于地塊負(fù)荷類型不明確、非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及地理分布高低起伏明顯的城鎮(zhèn)。

2.3 可靠性指標(biāo)計(jì)算

配電網(wǎng)不同的接線模式具有不同的供電可靠性[13]。配電系統(tǒng)的供電可靠性可采用系統(tǒng)平均停電率指標(biāo)SAIFI（次/（戶·a））、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)SAIDI（h/（戶·a））、用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)CAIDI（h/（停電戶·次））、平均供電可靠率指標(biāo)ASAI（%）、系統(tǒng)總的電量不足指標(biāo)ENSI（MW·h/a）、平均電量不足指標(biāo)AENS（WM·h/（a·戶））、系統(tǒng)總的停電損失LOSS（萬元/a）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。各指標(biāo)的計(jì)算公式如下。

系統(tǒng)平均停電率指標(biāo)SAIFI為：

系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)SAIDI為：

用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)CAIDI為：

平均供電可靠率指標(biāo)ASAI為：

系統(tǒng)總的電量不足指標(biāo)ENSI為：

式中：Uj為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)j的年停電時(shí)間；Lj為第j個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率。

平均電量不足指標(biāo)AENS為：

系統(tǒng)總的停電損失LOSS為：

式中：IEAR為缺電損失評(píng)價(jià)率。

3 算例分析

本文以河北南部某地級(jí)市配電網(wǎng)因城區(qū)改造需對(duì)新區(qū)重新規(guī)劃進(jìn)行算例分析。該地區(qū)總體負(fù)荷雖屬于B類負(fù)荷，但其內(nèi)部包含眾多重要負(fù)荷，如醫(yī)院、高等院校等，同時(shí)包含工業(yè)負(fù)荷等用電大戶，還包含居民區(qū)與行政單位等，從某種意義上說該地區(qū)負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到A類負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)負(fù)荷區(qū)域按照功能性劃分后，再根據(jù)不同區(qū)域?qū)╇娏俊⒖煽啃缘鹊牟煌枨筮x擇相應(yīng)的接線模式。對(duì)每一個(gè)分區(qū)設(shè)置一個(gè)110 kV變電站作為電源點(diǎn)，不同負(fù)荷區(qū)域的配電網(wǎng)接線模式如下所述。

對(duì)于公共服務(wù)區(qū)，供電可靠性要求最高，同時(shí)負(fù)荷水平較高，但負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量有限，可選擇雙環(huán)網(wǎng)接線模式，如圖10所示。

對(duì)于工業(yè)制造區(qū)，負(fù)荷水平較大，可靠性要求較高，負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量較多，可選擇雙鏈接線模式，如圖11所示。

對(duì)于行政管理區(qū)，負(fù)荷水平中等，可靠性要求中等，負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量較少，可選擇單環(huán)網(wǎng)接線模式，如圖12所示。

圖10 公共服務(wù)區(qū)規(guī)劃圖Fig.10 Planning map of the public services district

圖11 工業(yè)制造區(qū)規(guī)劃圖Fig.11 Planning map of the industry manufacture district

圖12 行政管理區(qū)規(guī)劃圖Fig.12 Planning map of the administrative management district

對(duì)于居住生活區(qū)，負(fù)荷水平中等，可靠性要求一般，負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量較多，可選擇單環(huán)網(wǎng)與輻射式接線模式，如圖13所示。

圖13 居住生活區(qū)規(guī)劃圖Fig.13 Planning map of the living district

該地區(qū)的負(fù)荷情況及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 負(fù)荷區(qū)域參數(shù)Tab.1 Information of the load district

各負(fù)荷區(qū)域的配電網(wǎng)接線模式確定之后，根據(jù)表1中的相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算得出可靠性指標(biāo)，如表2所示。

表2 可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of index of reliability

表2各項(xiàng)可靠性指標(biāo)基本達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，供電可靠性達(dá)到99.993 2%。4個(gè)負(fù)荷分區(qū)（由4個(gè)110 kV變電站為電源構(gòu)成）的配電網(wǎng)容量接近600 MV·A。作為遠(yuǎn)期規(guī)劃，已能夠滿足A+類負(fù)荷區(qū)域的指標(biāo)要求。后期可適度根據(jù)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)度、負(fù)荷重要程度及工程投資等分不同階段進(jìn)行城區(qū)改造。

4 結(jié)論

本文提出了適用于新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的負(fù)荷分區(qū)方法，結(jié)果比直接利用遠(yuǎn)期負(fù)荷密度劃分更可靠、準(zhǔn)確，能夠滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電負(fù)荷的需求。通過對(duì)負(fù)荷分區(qū)和選擇高壓變電站站址，并分析了各負(fù)荷區(qū)域?qū)╇姷男枨?，可選取相應(yīng)的高壓和中低壓配電網(wǎng)接線模式，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷區(qū)域的模塊化供電。通過配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的計(jì)算，證明了規(guī)劃結(jié)果的合理性。

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（編輯 董小兵）

Load Partition and Planning Research of Distribution Networks

ZHAO Shujun1，YANG Pu1，HAO Pengfei1，Lü Zhenbang2，WANG Peng2，WANG Xiaonan1
（1.Handan Power Supply Company，State Grid Hebei Electric Power Company，Handan 056002，Hebei，China；2.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200082，China）

With acceleration of the new urbanization process and rapid development of distribution network，demands for electricity requirement can hardly be met only by transformation of the existing distribution network，therefore distribution networks for new urban areas should be re-planned.This paper analyzes and draws on the typical connection modes of distribution network in foreign countries，and expounds the load distribution method，the selection method of distribution network connection mode and the calculation method of reliability index.Based on the principle of dividing areas according to the load density，load areas are further divided according to the function and reliability and other attributes and the proper and reasonable connection mode is selected for each sub-area to meet the electricity demand of the new urbanization construction.The rationality and feasibility of the method is analyzed and verified by the actual example of the power grid in a prefecture-level city in southern Hebei.The results show that the proposed method is more able to meet the needs of electricity for the new urbanization construction.

load partition；distribution network；planning；connection modes；reliability

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71403098）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（71403098）.

1674-3814（2016）08-0079-07

TM715

A

2016-01-23。

趙樹軍（1972—），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃。