基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式

國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司 李靜 王夢(mèng)琪 龍青山 林琪蔚 王延安 孫謙

基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式

國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司 李靜 王夢(mèng)琪 龍青山 林琪蔚 王延安 孫謙

為解決配電網(wǎng)建設(shè)改造面臨的電力廊道建設(shè)滯后、重過載、輕載現(xiàn)象并存，配電網(wǎng)自愈能力差一系列新問題，提出一種基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式。該結(jié)構(gòu)可有效減少電力廊道規(guī)模，實(shí)現(xiàn)能量共享。經(jīng)過物理模型仿真和規(guī)劃實(shí)踐驗(yàn)證，初步證明該配電網(wǎng)供電模式實(shí)用有效。

配電網(wǎng)規(guī)劃；配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；配電自動(dòng)化

0 引言

隨著電力體制改革的深入實(shí)施和“一流配電網(wǎng)”的建設(shè)發(fā)展，面對(duì)“兩個(gè)替代”、分布式電源接入、智能用電、高可靠性供電需求[1-5]，科學(xué)合理的電力系統(tǒng)規(guī)劃更加重要。

目前，配電網(wǎng)建設(shè)改造面臨一系列新問題[6-12]。一是電力廊道建設(shè)滯后，部分區(qū)域電力廊道建設(shè)與變電站配套送出等工程缺乏通盤長遠(yuǎn)規(guī)劃，制約電力送出。二是“兩個(gè)替代”給配電網(wǎng)建設(shè)帶來很大壓力，電動(dòng)汽車充換電設(shè)施建設(shè)、“煤改電”[6]等新的負(fù)荷增長給配電網(wǎng)建設(shè)帶來困難，部分區(qū)域變電站布點(diǎn)不足、供電適應(yīng)性弱，難以滿足新增負(fù)荷需求。光伏發(fā)電等分布式電源的接入給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來較大沖擊。三是業(yè)擴(kuò)戶表方案制定與規(guī)劃嚴(yán)重脫節(jié)，業(yè)擴(kuò)戶表方案未從規(guī)劃角度制定，導(dǎo)致部分區(qū)域中壓線路間隔不足，新上項(xiàng)目接入困難。四是現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備用電能力挖潛難度大，例如重過載、輕載現(xiàn)象并存，電網(wǎng)自愈能力差、供電可靠性不高。

為解決上述問題，本論文以實(shí)現(xiàn)電力能量流靈活配置，供電容量高度共享為目標(biāo)，提出一種基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式。

首先梳理了目前配電網(wǎng)的常見結(jié)構(gòu)，分析了各類結(jié)構(gòu)的適用范圍。其次從配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型、配電自動(dòng)化配置原則兩方面介紹了基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式的原理。再次結(jié)合典型網(wǎng)架對(duì)多層雙環(huán)網(wǎng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)論述。最后分別從物理模型仿真和規(guī)劃實(shí)踐兩方面，對(duì)該模式進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)踐初步證明，該配電網(wǎng)供電模式實(shí)用有效。

1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

10kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分兩類，一類是架空網(wǎng)，另一類是電纜網(wǎng)[13]。

架空網(wǎng)又包括三分段三聯(lián)絡(luò)接線方式、三分段單聯(lián)絡(luò)接線方式、三分段單輻射接線方式等，分別如圖1、2、3所示。

三分段、單聯(lián)絡(luò)接線方式，即線路末端聯(lián)絡(luò)接線方式。在周邊電源點(diǎn)數(shù)量有限，且線路負(fù)載率低于50%的情況下，不具備多聯(lián)絡(luò)條件時(shí)，可采用。

三分段單輻射接線方式，在周邊沒有其他電源點(diǎn)，且供電可靠性要求較低的地區(qū)，目前暫不具備與其他線路聯(lián)絡(luò)的條件，可采用。

電纜網(wǎng)又包括單環(huán)網(wǎng)接線方式、雙射接線方式、雙環(huán)網(wǎng)接線方式和對(duì)射接線方式，其中雙射接線方式和對(duì)射接線方式可過渡到雙環(huán)網(wǎng)接線方式。如圖4、5、6所示。

單環(huán)網(wǎng)接線方式為自同一供電區(qū)域兩座變電站的中壓母線（或一座變電站的不同中壓母線）、或兩座中壓開關(guān)站的中壓母線（或一座中壓開關(guān)站的不同中壓母線）饋出單回線路構(gòu)成單環(huán)網(wǎng)，開環(huán)運(yùn)行。

圖1 三分段、三聯(lián)絡(luò)接線方式

圖2 三分段、單聯(lián)絡(luò)接線方式

雙射接線方式為自同一變電站（或中壓開關(guān)站）的不同中壓母線引出雙回路線路，形成雙射線接線方式；或自同一供電區(qū)域的不同變電站引出雙回線路，形成雙射線接線方式。有條件、必要時(shí)，可過渡到雙環(huán)網(wǎng)接線方式。

圖3 三分段單輻射接線方式

圖4 單環(huán)網(wǎng)接線方式

圖5 雙射接線方式

圖6 雙環(huán)網(wǎng)接線方式

雙環(huán)網(wǎng)接線方式為自同一區(qū)域的兩座變電站（或兩座中壓開關(guān)站）的不同中壓母線各引出二對(duì)（4回）線路，構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)的接線方式。

對(duì)射接線方式為自不同方向電源的兩座變電站（或中壓開關(guān)站）的中壓母線饋出單回線路組成對(duì)射接線方式，一般由雙射改造形成。

1.2 各種結(jié)構(gòu)適用范圍

不同的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有不同的適用范圍[14]，如表1所示。

每類配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都有各自的適用范圍，但是在實(shí)際規(guī)劃過程中，在某一區(qū)域難以采用單一的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，例如在A區(qū)域，往往含有城內(nèi)湖、樹林、草坪和小山等。并且，為了生態(tài)城市建設(shè)，在城市規(guī)劃階段需要充分考慮環(huán)境優(yōu)化因素，導(dǎo)致高負(fù)荷密度區(qū)（例如，商務(wù)中心區(qū)）與低負(fù)荷密度區(qū)（例如，綠地、小山等）交錯(cuò)布局，形成商業(yè)、金融、居住、休閑以及河流、山地、植被錯(cuò)綜交叉。

復(fù)雜的土地使用性質(zhì)，采用傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方式，往往產(chǎn)生變電站負(fù)載率和間隔利用率低、重過載線路、業(yè)擴(kuò)受限、戶表裝接困難、道路反復(fù)開挖等問題日益嚴(yán)重。

2 供電模式原理

2.1 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

通過梳理典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，針對(duì)城市規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)和目前電網(wǎng)存在的問題，提出基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)規(guī)劃方法，以電纜網(wǎng)為例，基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)框圖，如圖8所示。

基于中壓雙環(huán)網(wǎng)分層規(guī)劃理念，通過中壓多層雙環(huán)網(wǎng)規(guī)劃方式，實(shí)現(xiàn)變電站10kV母線延伸，達(dá)到電力潮流在多層多環(huán)配電網(wǎng)架構(gòu)的靈活配置，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的供電能力，最大限度實(shí)現(xiàn)容量共享，能夠顯著提升公用配電設(shè)備、變電站間隔利用率。

2.2 配電自動(dòng)化配置原則

對(duì)于供電半徑較長、分段數(shù)較少的開環(huán)運(yùn)行農(nóng)村配電架空線路，在線路發(fā)生故障時(shí)，故障位置上游各個(gè)分段開關(guān)處的短路電流水平差異比較明顯時(shí)，可以采取電流定值與延時(shí)級(jí)差配合的方式（如3 段式過流保護(hù)或反時(shí)限過流保護(hù)）實(shí)現(xiàn)多級(jí)保護(hù)配合，有選擇性地快速切除故障。

但是，對(duì)于供電半徑較短的開環(huán)運(yùn)行城市配電電纜線路，在線路發(fā)生故障時(shí)，故障位置上游給個(gè)進(jìn)出線開關(guān)處的短路電流水平往往差異比較小，無法針對(duì)不同的開關(guān)設(shè)置不同的電流定值，此時(shí)僅能依靠保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間級(jí)差配合和電流方向?qū)崿F(xiàn)故障有選擇性的切除[15-18]。

以圖8為例，來說明配電自動(dòng)化配置原則，即“兩級(jí)級(jí)差+兩類差動(dòng)保護(hù)+集中式+三遙”的配置原則。

2.2.1 開關(guān)類型組合配置原則

開關(guān)類型組合配置的原則如下：

（1）變電站出線開關(guān)采用斷路器。

（2）主環(huán)網(wǎng)開關(guān)站進(jìn)出線開關(guān)采用斷路器。

（3）次環(huán)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線及與開關(guān)站連接的出線開關(guān)采用負(fù)荷開關(guān)。

（4）次環(huán)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜出線及非與開關(guān)站連接的出線（用戶開關(guān)）開關(guān)采用斷路器。

斷路器采用常規(guī)的彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器，其分閘時(shí)間一般為60～80 ms，采用全波傅氏算法故障檢測(cè)的保護(hù)出口時(shí)間在30 ms左右，繼電器驅(qū)動(dòng)時(shí)間一般為5 ms左右，一般在100 ms左右可快速切除故障電流。考慮到變壓器低壓側(cè)低后備保護(hù)的最小設(shè)置延時(shí)（一般設(shè)置在0.5s左右）和變電站出線斷路器過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間（一般設(shè)置為0.5～0.7 s）。同時(shí)考慮變壓器、斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、線路以及電流互感器的熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)間為2 s的要求，多級(jí)級(jí)差保護(hù)配合延時(shí)時(shí)間級(jí)差可以設(shè)置為200ms。

2.2.2 保護(hù)配置原則

保護(hù)配置的原則如下：

（1）變電站出線保護(hù)：采用過流保護(hù)，取消重合閘和瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，斷路器過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為0.5s。

（2）主環(huán)網(wǎng)開關(guān)站之間、開關(guān)站與變電站出線間隔之間采用光纖差動(dòng)保護(hù)，延時(shí)0s。用于保護(hù)主環(huán)網(wǎng)電纜線路。

（3）每個(gè)開關(guān)站兩回進(jìn)線之間采用帶方向的光纖差動(dòng)保護(hù)（反向求和，定值大于2倍的主環(huán)網(wǎng)最大電纜限流值），延時(shí)0s，保護(hù)動(dòng)作跳開該開關(guān)站的連接環(huán)網(wǎng)柜的兩回出線。用于保護(hù)開關(guān)站內(nèi)部故障和次環(huán)網(wǎng)故障。

（4）次環(huán)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜出線及非與開關(guān)站連接的出線（用戶開關(guān)），采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，延時(shí)0s。

2.2.3 故障處理方式

故障處理方式采用集中式，配電終端采用“三遙”終端。

（1）用戶側(cè)故障：環(huán)網(wǎng)柜用戶側(cè)斷路器速斷動(dòng)作，自動(dòng)隔離故障，防止用戶側(cè)事故波及到公用線路并確定事故責(zé)任分界點(diǎn)。此類故障可能引起開關(guān)站連接環(huán)網(wǎng)柜的兩回出線開關(guān)的越級(jí)跳閘，但是不影響主環(huán)網(wǎng)的正常供電。在產(chǎn)生越級(jí)跳閘后，由配電自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)收到的故障信息判斷出故障區(qū)域，通過遙控相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作完成故障區(qū)域的隔離并恢復(fù)對(duì)健全區(qū)域的供電。

圖7 對(duì)射接線方式

表1 各類結(jié)構(gòu)適用范圍

圖8 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型框圖

圖9 主、次環(huán)網(wǎng)典型供電模式結(jié)構(gòu)圖

（2）開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜CT外側(cè)（母線側(cè)）以及次環(huán)網(wǎng)線路故障：開關(guān)站兩回進(jìn)線之間帶方向的光纖差動(dòng)保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，隔離故障。隔離故障和恢復(fù)供電處理方式同“用戶側(cè)故障”。

（3）主環(huán)網(wǎng)線路故障：主環(huán)網(wǎng)開關(guān)站之間、開關(guān)站與變電站出線間隔之間的光纖差動(dòng)保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，隔離故障。隔離故障和恢復(fù)供電處理方式同“用戶側(cè)故障”。

（4）變電站出線間隔過流保護(hù)作為所有以上保護(hù)的后備，且為變壓器低后備保護(hù)留出足夠配合時(shí)間。

3 典型網(wǎng)架

以圖9主、次環(huán)網(wǎng)典型供電模式為例說明中壓多層雙環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

包含如下結(jié)構(gòu)：

（1）變電站出線以開關(guān)站為連接單元形成的第一層雙環(huán)網(wǎng)（即主環(huán)網(wǎng)）。雙側(cè)電源變電站直供開關(guān)站，開關(guān)站作為變電站母線的延伸，這是實(shí)現(xiàn)容量共享的主通道，減少電力廊道規(guī)模。

（2）主環(huán)網(wǎng)的開關(guān)站出線直接帶負(fù)荷。面向兩類負(fù)荷，一類是特別重要且可靠性要求高的負(fù)荷，一般采用來自不同開關(guān)站的雙電源進(jìn)線；一類是容量大、供電可靠性要求不高的負(fù)荷，例如“煤改電”等，滿足“兩個(gè)替代”需求。

（3）主環(huán)網(wǎng)的開關(guān)站出線以環(huán)網(wǎng)柜為連接單元形成的第二層單、雙環(huán)網(wǎng)（即次環(huán)網(wǎng)）。主要面向整個(gè)片區(qū)負(fù)荷密度大、可靠性要求高，而所開發(fā)地塊碎小、單地塊負(fù)荷不大，采用傳統(tǒng)業(yè)擴(kuò)方式導(dǎo)致變電站間隔、環(huán)網(wǎng)柜間隔不夠的情況。增加業(yè)擴(kuò)、戶表接帶能力。

（4）變電站直接出線接帶負(fù)荷。面向從高負(fù)荷密度區(qū)內(nèi)變電站出線向低負(fù)荷密度區(qū)且長距離供電的場(chǎng)合，例如，從中央商務(wù)區(qū)內(nèi)的變電站向鄰近中央商務(wù)區(qū)的休閑濕地、小山丘等地帶供電。

圖10 典型供電模式實(shí)驗(yàn)板

圖11 某核心區(qū)域的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

以上綜合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可在不同層級(jí)、不同環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中復(fù)合靈活接入電動(dòng)汽車、分布電源等?；谥鳝h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電力能量流晝、夜及不同負(fù)荷性質(zhì)負(fù)載間的削峰填谷。

相對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以減少變電站間隔使用數(shù)量，增加負(fù)荷接入點(diǎn)，對(duì)重過載治理、聯(lián)絡(luò)率提升等配電網(wǎng)建設(shè)指標(biāo)提高提供綜合解決方案。同時(shí)也適應(yīng)了目前城市開發(fā)的“小馬路、小廣場(chǎng)、小拐角、小綠地、小地塊的“五小”城市建設(shè)改造的新理念。

4 供電模式驗(yàn)證

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

采用PCB板技術(shù)模擬高中壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，搭建PCB板模型，模擬正常運(yùn)行和故障后負(fù)荷改切、網(wǎng)絡(luò)自愈等特性，實(shí)驗(yàn)證明，主、次環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良。基于PCB的環(huán)狀分層配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)典型供電模式實(shí)驗(yàn)板如圖10所示。

如圖10所示，藍(lán)色線代表第一層環(huán)網(wǎng)，紅色線代表第二層環(huán)網(wǎng)。不同變電站10kV間隔之間形成共享能量流的主通道，一般以雙環(huán)網(wǎng)或者多環(huán)網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，此為第一層環(huán)網(wǎng)。第一層環(huán)網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際需要接帶負(fù)荷，如果某區(qū)域地塊分布密集，且每個(gè)地塊的用電需求也不大，則可以在第一層環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)分支形成第二層環(huán)網(wǎng)，繼而實(shí)現(xiàn)能量流的共享。環(huán)狀分層配電網(wǎng)并沒有固定的模式，設(shè)計(jì)起來非常靈活，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同的模式來滿足本區(qū)域負(fù)荷發(fā)展的需求。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，在邏輯上實(shí)現(xiàn)了上述配電自動(dòng)化配置原則，滿足了變電站10kV母線延伸、電力潮流在多層多環(huán)配電網(wǎng)架構(gòu)的靈活配置等的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 規(guī)劃實(shí)踐

如圖11所示，采用基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)規(guī)劃方法對(duì)某城市某核心區(qū)域的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

如圖所示，KB1和KB2為開關(guān)站，形成第一層雙環(huán)網(wǎng)（即主環(huán)網(wǎng)），雙側(cè)電源變電站直供開關(guān)站，開關(guān)站作為變電站母線的延伸，這是實(shí)現(xiàn)容量共享的主通道，減少電力廊道規(guī)模。HK0X、HK1X、HK2X為環(huán)網(wǎng)柜，以開關(guān)站出線形成第二層單、雙環(huán)網(wǎng)（即次環(huán)網(wǎng)），節(jié)省變電站間隔，提升變電站負(fù)載率，增加業(yè)擴(kuò)、戶表接帶能力。運(yùn)行實(shí)踐證明實(shí)現(xiàn)了變配電容量的充分共享。

5 結(jié)語

（1）提出了基于共享理念的分層環(huán)狀配電網(wǎng)供電模式。依據(jù)該模式的分層環(huán)狀配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，變電站出線以開關(guān)站為連接單元形成第一層主環(huán)網(wǎng)；主環(huán)網(wǎng)的開關(guān)站出線以環(huán)網(wǎng)柜為連接單元形成第二層單、雙環(huán)網(wǎng)（即次環(huán)網(wǎng)）。開關(guān)站作是變電站母線延伸，實(shí)現(xiàn)容量共享主通道，減少電力廊道規(guī)模。同時(shí)實(shí)現(xiàn)變配電容量的充分共享，公用配電設(shè)備、變電站間隔利用率的顯著提升。

（2）針對(duì)分層環(huán)狀配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)，提出“兩級(jí)級(jí)差+兩類差動(dòng)保護(hù)+集中式+三遙”的配電自動(dòng)化配置原則。

（3）基于該供電模式可以有效解決變電站負(fù)載率低、間隔使用率過高、業(yè)擴(kuò)受限、“兩個(gè)替代”接入困難、線路重過載等問題。

[1]關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見,中發(fā)〔2015〕9號(hào).

[2]關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見,國辦發(fā)〔2015〕73號(hào).

[3]電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）,發(fā)改能源〔2015〕1454號(hào).

[4]國家發(fā)展改革委關(guān)于加快配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)意見，發(fā)改能源〔2015〕1899號(hào).

[5]關(guān)于印發(fā)配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015--2020年）,國能電力〔2015〕290號(hào).

[6]曲子清,辛潔晴,吳亮,鄭思源.商業(yè)用戶電能采暖替代技術(shù)選型的邊界條件論證[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(13):48-54.

[7]魯宗相,李海波,喬穎.含高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃及挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(13):147-158.

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