110kV電網(wǎng)pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

石智永，王國民，耿琦，張媛，王天華

110kV電網(wǎng)pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

石智永1，王國民1，耿琦1，張媛2*，王天華2

（1．國網(wǎng)鄭州供電公司，河南省 鄭州市 450000；2．天地電研(北京)科技有限公司，北京市 昌平區(qū) 102206）

110 kV電網(wǎng)pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在實際運行中存在運維量大、靈活性及可擴展性差的問題，無法滿足日益提高的供電可靠性需求。針對上述問題，提出了pT混合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進行技術(shù)經(jīng)濟論證；研究現(xiàn)有pT混合結(jié)構(gòu)向鏈式p接結(jié)構(gòu)過渡的改造方案，并制定110kV電網(wǎng)的組網(wǎng)原則，指導110kV電網(wǎng)pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實施及落地。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；pT混合；鏈式π接；單母分段

0 引言

電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是通過輸電線路、母線及開關(guān)類設備將多個變壓器物理連接起來，實現(xiàn)電流在某一電壓層級內(nèi)的傳輸。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)的頂層設計，不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的運行方式、供電可靠性及靈活性均有所不同。隨著人們生活水平的不斷提升，對電力的依賴度越來越高，對停電的容忍度也越來越低，供電可靠性成為反映供電企業(yè)供電質(zhì)量的重要考核指標。這要求構(gòu)建堅強可靠、靈活高效的電力網(wǎng)絡，做到上、下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互濟，上級電網(wǎng)能給予下級電網(wǎng)安全的電源供應，下級電網(wǎng)也能對上級電網(wǎng)進行可靠支撐。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)安全、可靠供電的關(guān)鍵[1-2]。

目前，國內(nèi)部分城市電網(wǎng)采用鏈式pT混合結(jié)構(gòu)，變電站主接線為“內(nèi)橋+線變組”[3-4]。鏈式pT混合結(jié)構(gòu)在實踐應用中存在運行維護量大、下級無法有效支撐上級電網(wǎng)、可擴展性差等問題。特別是對供電可靠性要求較高的大型城市，pT混合接線的優(yōu)化需求越來越迫切。

本文研究現(xiàn)有pT混合接線在運行中存在的主要問題，對鏈式π接模式進行技術(shù)經(jīng)濟分析，提出pT混合接線向鏈式p接模式改造的方案，制定電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的技術(shù)原則，便于pT混合接線優(yōu)化方案的實施落地。最后給出了某市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃實例。

1 110 kV典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設計技術(shù)導則》Q/GDW 1738—2012，高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要有鏈式、環(huán)網(wǎng)和輻射狀結(jié)構(gòu)，鏈式結(jié)構(gòu)根據(jù)變電站接入方式的不同分為T接、p接、pT混合接線。城區(qū)一般采用鏈式結(jié)構(gòu)，對于上級電源布點不足的區(qū)域可采用環(huán)網(wǎng)及輻射狀結(jié)構(gòu)。國內(nèi)普遍采用鏈式pT混合結(jié)構(gòu)，變電站主接線為內(nèi)橋+線變組。

每個城市電網(wǎng)的110kV變電站主接線模式都有其自身的歷史沿襲性，與城市電網(wǎng)裝備特點密不可分。對于負荷密度較高、土地資源稀缺的大型城市，多采用占地面積較小的線變組單元接線；從節(jié)省投資角度出發(fā)，有些也采用內(nèi)橋+線變組接線。不同的接線模式有其各自的特點，不存在絕對的優(yōu)劣。鏈式πT接線在實際運行中存在一些問題。近年來，部分供電企業(yè)提出將內(nèi)橋接線改為單母分段接線，形成鏈式p接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高其運行靈活性、供電可靠性及可擴展性。

2 pT混合接線在運行中存在的問題

1）T型接線線路故障，主變壓器存在受累停運問題。

變電站主接線為“內(nèi)橋+線變組”模式，采用πT組網(wǎng)。T接的線路組供帶2座110kV變電站的2臺主變壓器，線路組內(nèi)任一段線路故障均會影響2座變電站。T接變壓器待線路故障修復完成后才能恢復供電，存在受累停運的問題。 110kV變電站pT混合接線示意圖如圖1所示。

圖1中，A01線、B02線供帶2臺主變壓器，A01線路供帶110kV變電站A的3號主變壓器、110kV變電站B的1號主變壓器。A站3號主變壓器的進線故障，A01站內(nèi)開關(guān)跳開，A站3號主變壓器進線開關(guān)、B站1號主變壓器進線開關(guān)跳開，B站1號主變壓器受累停運。

2）T型接線線路檢修，需多名運維人員執(zhí)行操作。

圖1 pT混合接線示意圖

對于T接線路組內(nèi)的任一條線路檢修時，線路組各側(cè)開關(guān)均需斷開，實現(xiàn)安全隔離，涉及3座變電站(1座220 kV變電站、2座110kV變電站)，各變電站需至少2人執(zhí)行操作，共計6人次(運維班組設置4~5人/班)，對運維工作壓力較大。

3）主變壓器檢修需要轉(zhuǎn)供負荷時，操作較為復雜。

如圖2所示，110kV內(nèi)橋接線變電站的兩路電源來自同一220kV變電站的2段110kV母線，且2段母線并列運行，則該站需要轉(zhuǎn)供負荷時可以直接并列運行。此外其他任何情況下，該站需要低壓側(cè)轉(zhuǎn)供負荷時必須首先要合上該站的 110kV橋開關(guān)，操作相對較為復雜。

例如1號主變壓器需要檢修時，操作步驟為：①順序合上100開關(guān)、900開關(guān)；②斷開901開關(guān)、123開關(guān)、100開關(guān)；③驗明無電壓；④拉開1211刀閘、901開關(guān)兩側(cè)刀閘；⑤在高、低壓側(cè)做安全措施。

圖2 變電站內(nèi)橋主接線示意圖

需要說明的是，若110kV兩路電源進線由不同的220kV變電站供電，如果900開關(guān)直接合上，存在負荷穿越的可能，開關(guān)潮流過大，極端情況下會出現(xiàn)容量過載，因此必須先合上100開關(guān)，再合900開關(guān)。

4）T型點故障概率較高，110kV間隔無法 擴展。

根據(jù)停電時間統(tǒng)計分析，T接點引起停運事件的占比超過10%，故障概率較高。

“內(nèi)橋+線變組”接線的變電站間隔無法擴展，隨著城市大型綜合體的不斷涌現(xiàn)，110kV專用變電站用戶越來越多，只能搶占稀缺的220 kV變電站的110kV間隔資源。

3 pT混合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究

3.1 優(yōu)化方案

基于第2節(jié)分析的pT混合接線存在的主要問題，本文提出的優(yōu)化方案為鏈式p接模式。根據(jù)主變壓器臺數(shù)的不同可以形成雙鏈p式、三鏈p式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[5-9]。優(yōu)化方案如圖3所示。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟分析

pT網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本是站內(nèi)主接線模式由“內(nèi)橋+線變組”向單母分段轉(zhuǎn)變。本節(jié)分別從運行靈活性、可靠性及可擴展性等方面[10-11]分析單母分段的可行性。

3.2.1 運行靈活性

1）正常運行。

“內(nèi)橋+線變組”接線正常運行時，一回線路供帶1臺主變壓器，或者母線橋開關(guān)閉合由1條線路供帶2臺主變壓器，運行方式較為固定。單母分段接線可以通過調(diào)整母聯(lián)開關(guān)由任一回或多回線路供電，高壓側(cè)也可以并列運行，單母分段正常運行方式較為靈活。

2）故障、檢修情況。

若線路故障或檢修的情況下，內(nèi)橋接線由1條線路供帶2臺主變壓器，單母分段接線可由另外一條線路或者2條線路供帶2臺主變壓器。主變壓器故障、檢修情況與之相同，單母分段運行方式更靈活。

3.2.2 可擴展性

1）間隔擴展。

內(nèi)橋接線110kV側(cè)間隔較為固定(3個間隔)，單母分段110kV側(cè)間隔可以在規(guī)劃階段根據(jù)用戶專線、完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等需求擴展間隔。

2）大用戶接入。

城市市區(qū)普遍存在變電站“落地難”的問題，220kV變電站“落地難”的問題尤為突出。因此220kV變電站的110kV間隔顯得彌足珍貴。在110kV公用變電站接入需求尚且無法全部滿足的情形下，更無法保障110kV大用戶的接入需求。因此電廠、軌道交通、移動通信等大用戶通過 110kV變電站的110kV間隔接入系統(tǒng)成為首要選項。單母分段接線可滿足相關(guān)用戶的接入需求。

3.2.3 供電可靠性

1）同一變電站進線、主變壓器-1-1。內(nèi)橋接線損失部分負荷，單母分段不損失負荷。如圖1所示，若變電站A的3號進線故障、1號主變壓器故障，則1號主變和3號主變停運。2號主變壓器通過低壓側(cè)供帶1號、3號主變壓器的負荷，2號主變壓器滿載，損失負荷為-50MW (為變電站總負荷)；單母分段，2條進線供帶2臺主變壓器，不損失負荷。

2）不同變電站進線、主變壓器-1-1：均不損失負荷。

3）同一段高壓母線上2條進線-1-1：內(nèi)橋接線損失負荷為-50MW，單母線分段不損失負荷。如圖1所示，若變電站A的1號進線檢修、2號進線故障，雙鏈πT混合接線時，1號、2號主變壓器停電，3號主變壓器滿載供帶負荷，損失為-50MW；單母分段接線時，另外一條線路通過母線供帶3臺主變壓器，不損失負荷。

4）不同段高壓母線2條進線-1-1：均不損失負荷。

若-50MW￡0，則工況3）不損失負荷，可得變電站總負荷應不大于50MW，變電站負載率不大于33%。

綜上可知，若變電站負載率小于33%時，2種接線供電可靠性相同；若變電站負載率大于33%時，雙鏈pT混合接線與雙鏈雙p接線在同一段高壓母線上2條進線-1-1情況有所差別。采用故障枚舉法對2種典型接線方式進行供電可靠性定量評估，計算參數(shù)源自《2017年全國電力可靠性年度報告》，計算結(jié)果如表1所示。

表1 2種主接線形式的供電可靠性分析

3.2.4 經(jīng)濟性

單母分段較內(nèi)橋+線變組接線需要增加4臺斷路器、7臺隔離刀閘及相應的二次設備。采用2018年電力公司協(xié)議庫存的設備單價，對于全戶內(nèi)變電站，靜態(tài)投資為3024萬元；“內(nèi)橋+線變組”接線靜態(tài)投資為2890萬元，相差134萬元，占比4.6%。

優(yōu)化方案增加了部分投資，但在一定程度上提升了供電可靠性，同時運行靈活，可擴展性強，因此推薦單母分段接線。從技術(shù)、經(jīng)濟方面分析單母分段可知，其優(yōu)點為運行靈活、可擴展性強、可靠性高(相比提升25%)；缺點為占地面積大(相比大1.7%)，投資大(主體相比增加4.6%)。

4 πT混合向鏈式π接改造方案研究

新建區(qū)域110kV電網(wǎng)可直接采用鏈式結(jié)構(gòu)，對于建成區(qū)域有條件的可逐步改造為鏈式p接。

4.1 站內(nèi)主接線改造方案

站內(nèi)主接線改造方案為：“內(nèi)橋+線變組”改造為單母分段主接線。當110kV變電站主變壓器終期規(guī)模為3臺時，由于變電站終期需要擴建主變壓器，因此對于變電站原內(nèi)橋接線的母線需要改造延伸，同時考慮到終期2號主變壓器需要跨接在不同的母線上，因此在主接線改造時將2號主變壓器跨接在兩回母線上[12-13]。終期擴建變電站為3臺主變壓器，新增變電站兩回110kV出線。終期3臺主變壓器的內(nèi)橋接線變電站改造為終期3臺主變壓器的單母分段接線變電站，改造示意圖如圖4所示。

圖4 單母分段主接線改造示意圖

根據(jù)圖4可知，在其他條件允許變電站主接線改造的情況下，可首先將原母線進行延伸改造，增加2臺斷路器、2臺隔離刀閘，同時將2號主變壓器跨接在2段母線上。當達到變電站終期規(guī)模時，需擴建3號主變壓器，增加110 kV側(cè)的兩回進線。

4.2 組網(wǎng)模式改造方案

組網(wǎng)模式改造方案為：鏈式πT結(jié)構(gòu)混合改造為鏈式雙p、鏈式三p結(jié)構(gòu)。將現(xiàn)有的2座110kV 變電站改造為110kV側(cè)主接線為單母分段接線的變電站，2號主變壓器跨接到I、II號母線上。將改造后的單母分段單p入110kV電網(wǎng)改造為鏈式雙p的110kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，2座變電站的I、II號母線分別新出1回線路，構(gòu)成雙p結(jié)構(gòu)。變電站2臺主變壓器擴建為終期3臺主變壓器接至II號母線。雙p組網(wǎng)模式如圖5所示。

將改造后的單母分段單p入110kV電網(wǎng)也可與周邊第3座110kV變電站組網(wǎng)，形成三鏈π接的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

5 110 kV電網(wǎng)網(wǎng)架組網(wǎng)原則制定

1）110kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用雙鏈p接、三鏈p接，限制pT混合。

2）現(xiàn)有110kV電網(wǎng)為pT混合接線方式時，隨新建工程并結(jié)合通道可行性情況將原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改造為鏈式p接方式；無法改造時可延續(xù)原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，原則上同一鏈內(nèi)避免2種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

圖5 110 kV變電站雙鏈p接線方式示意圖

圖6 110 kV變電站三鏈π接組網(wǎng)示意圖

3）原規(guī)劃110 kV電網(wǎng)為pT混合接線宜隨規(guī)劃滾動調(diào)整為鏈式結(jié)構(gòu)。對于已立項的110kV電網(wǎng)建設項目，核準前視情況改為鏈式結(jié)構(gòu)。對于已核準的110 kV電網(wǎng)建設項目按可研批復執(zhí)行。

6 算例分析

以某新建經(jīng)濟開發(fā)區(qū)為例進行算例分析。開發(fā)區(qū)面積為11.56km2，用地性質(zhì)以高端產(chǎn)業(yè)、科技研發(fā)、商務居住為主。原有電網(wǎng)規(guī)劃采用pT混合接線，在此基礎上進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃。

6.1 變電站規(guī)模

基于空間負荷密度法預測開發(fā)區(qū)地塊負荷，并考慮地塊間的同時系數(shù)預測開發(fā)區(qū)的飽和負荷值。飽和年該區(qū)域負荷預測值為1250MW。進行電力平衡，確定110kV變電站座數(shù)及容量，遠景年需新增110kV變電容量1840MV×A。電力平衡分析如表2所示。

6.2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)有的3座110kV變電站，遠景年形成6組鏈式接線和1組三射接線。在原有規(guī)劃方案基礎上，對pT混合接線進行網(wǎng)架優(yōu)化，改造方案如 表3所示。

表2 某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)電力平衡分析

6.3 改造規(guī)模及成效

遠景年新建17座110kV變電站，新建及改造110kV線路87km，共計投資17.1億元。110kV線路、主變壓器及10kV線路-1通過率均為100%，戶均配變?nèi)萘繛?.5kV·A；10kV線路供電半徑為2.5km。

與原規(guī)劃的pT混合接線相比，優(yōu)化方案共計增加投資0.96億元，占總投資的5.6%；原方案戶均停電時間為35min，優(yōu)化方案戶均停電時間為25 min。供電可靠性提升了28%，投入產(chǎn)出成效較為明顯。

表3 某網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化規(guī)劃情況

7 結(jié)論

提出了110kV電網(wǎng)pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，研究了pT混合向鏈式p接的過渡方式，制定了110kV網(wǎng)架的組網(wǎng)原則，主要結(jié)論如下：

1）在實際運行中，pT混合接線任一段線路故障時會帶來受累停運，運維檢修占用人力資源大，轉(zhuǎn)供負荷操作復雜，T節(jié)點故障率高，110 kV變電站間隔無法擴展。

2）鏈式p接與pT混合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，運行靈活、可擴展性強、可靠性高(相比提高25%)，但占地面積大(相比大1.7%)，投資大(主體相比增加4.6%)。

3）站內(nèi)主接線由“內(nèi)橋+線變組”改造為單母分段主接線，第3臺主變壓器采用跨接模式。對于現(xiàn)有變電站，若不具備變電站主接線改造條件時，可考慮2臺主變壓器運行，形成鏈式雙π接模式。

城市電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及變電站主接線選擇有其歷史沿襲的特點，不存在絕對的優(yōu)劣，本文僅對πT混合接線的優(yōu)化方式提供一些技術(shù)參考。

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Optimization ofpT Hybrid Structure of 110kV Power Grid

SHI Zhiyong1, WANG Guomin1, GENG Qi1, ZHANG Yuan2*, WANG Tianhua2

(1. State Grid Zhengzhou Power Supply Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan Province, China; 2. Beijing T&D Power Research Co., Ltd., Changping District, Beijing 102206, China)

There are some operational problems of thepT hybrid structure, such as large workload of operation and maintenance, poor flexibility and scalability, which can not meet the increasing demand for power supply reliability. In this paper, the optimization scheme of thepT hybrid structure connection structure was put forward, and the technical and economic demonstration of the optimization scheme was carried out. The concrete alteration scheme ofpT mode to chain π connection mode was studied, and the networking principle of 110 kV power grid was established, which can direct the implementation and landing of the optimization of the 110 kV power grid withpT hybrid structure.

network structure;pt hybrid; chain type π connection; single-bus section

10.12096/j.2096-4528.pgt.18070

TM 72

2019-02-08 。

(責任編輯 車德競)