含氣田負荷的農村配電網電壓治理及饋線自動化規(guī)劃

薛文景，楊志杰，靳開元，郭潤生，凌 剛，王敏正，楊建華

（1.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 海淀100083；2.中石化華北油氣分公司，河南 鄭州450006）

西北地區(qū)某氣田是中石化重要的天然氣生產基地，隨著氣田的開采，為氣田設備供電的農村配電網凸顯的問題也日益增多，供電可靠性及電能質量無法滿足要求，時常影響氣田的日常開采工作。

近年來，農村配電網電壓問題一直令人關注。文獻[1]分析了農村配電網“低電壓”在當前配電網規(guī)劃中的現(xiàn)狀及難點，探討了農村低壓配電網電壓質量問題的成因和解決措施。文獻[2]分析了配電網10 kV 線路“低電壓”的產生原因，對并聯(lián)補償裝置的工作原理、核心技術及特點進行了論述。文獻[3]針對湖北地區(qū)配電網進行分析，提出基于“低電壓”治理的配電網優(yōu)化策略與目標。

本文對西北地區(qū)含氣田負荷的農村配電網近幾年故障與電壓問題的相關數(shù)據(jù)進行全面的分析，針對電壓質量差、停電多的問題，提出針對性的解決措施和方案，通過仿真分析驗證方案的有效性，為提高農村配電網可靠性、改善整體網架電壓運行質量提供技術支撐。

1 故障統(tǒng)計分析

1.1 氣田范圍內的農村配電網故障

西北地區(qū)某縣含氣田負荷的農村配電網停電的主要故障原因包括電壓波動、雷電和接地故障等，2019、2020 年4 個區(qū)域內的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示，其中電壓波動導致的停電故障最多，兩年達266次，占比72.48%；雷電導致停電為78 次，占比21.25%；接地事故次數(shù)23次，占比6.27%。

1.2 停電時間分析

兩年內含氣田負荷的農村配電網每次停電故障時間統(tǒng)計如圖1 所示，其中小于1 h 的停電次數(shù)為122次，占比35.2%；1～2 h的停電次數(shù)為84次，占比24.2%；2～3 h 的停電次數(shù)為35 次，占比10.1%；3～4 h 的停電次數(shù)為25 次，占比7.2%?？梢?9.4%的停電在2 h內，線路主要故障為短時停電。

表1 2019—2020各區(qū)域停電主要故障原因統(tǒng)計表

1.3 B區(qū)域農村配電網可靠性分析

由表1 可知，B 區(qū)域停電次數(shù)最多，占比64.41%，電壓質量問題最為嚴重，電壓波動導致停電占其總停電次數(shù)的63.63%。

根據(jù)2016版電力行業(yè)的供電可靠性評價規(guī)程[4]，對B 區(qū)域4 回10 kV 線路可靠性主要指標進行計算，結果如表2所示。

《配電網規(guī)劃設計技術導則》[5]中指出：對于負荷密度比較小的農村供電區(qū)域，其平均供電可靠率要求不小于99.726%。由表2 可知，4 條線路均不滿足要求，并且第4回線路情況最為嚴重。

表2 B區(qū)域各線路可靠性主要指標

1.4 第4回線路電壓分析

對B區(qū)域第4回10 kV線路最大負荷進行仿真計算，可得到計算結果如表3所示。

1.4 觀察指標 對比觀察組與對照組新生兒結局及產婦結局；對比觀察組中28～33周者與24～37周者母嬰結局；對比A組和B組母嬰結局。

表3 線路改造前電壓計算結果 kV

根據(jù)《電能質量供電電壓允許偏差》[6]的規(guī)定，10 kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%，可以看到該線路3個集氣站均不滿足要求。

2 配電網電壓問題治理方案

2.1 線路改造方案

由于58號集氣站的產氣量較大，所配備的高壓壓縮機功率高達1120 kW，集氣站附近又有造磚廠的沖擊性負荷，所以對該集氣站宜提供獨立的一回10 kV 專線，以提高其本身的供電可靠性，并保證電壓質量；另一方面也可以減少B區(qū)域第4回10 kV線路上的總負荷，保證56號和62號集氣站的電壓質量；該專線與B區(qū)域第4回10 kV線路還可以形成聯(lián)絡關系，提高B區(qū)域的供電可靠性。

增加一回10 kV 專線的改造后，幾個集氣站最大負荷的電壓計算結果如表4、表5所示。

表4 改造后第4回線路電壓計算結果 kV

表5 58號集氣站專線電壓計算結果 kV

從仿真計算結果可以看出，在為58號集氣站提供單獨的電源線路后，56、58和62號3座集氣站電壓質量符合規(guī)定，同時58號集氣站還免受附近造磚廠的沖擊性負荷影響。

2.2 線路防雷措施

自然災害是影響農村配電網安全穩(wěn)定運行的重要因素，因此需進一步提升電網防雷水平和防雷設施運行可靠性。目前10 kV 線路配電網線路中的防雷措施主要是通過合理配置防雷裝置[7]，如避雷器、過電壓保護器等裝置，并通過接地方式為雷電流提供通道，從而減少配電網線路的雷害事故。此外，可以更換10 kV線路絕緣子，進一步提升10 kV 配電網架空絕緣線路的絕緣性能，降低桿塔的接地電阻和在重要線路首段加裝自動重合閘。

在線路首端加裝重合閘及進行相應的防雷改造后，因雷擊造成的停電時間有所減少，各項可靠性指標如表6所示。

表6 防雷改造前后系統(tǒng)可靠性指標

3 饋線自動化規(guī)劃

氣田電力負荷密度不高，集氣站布點分散，中壓線路供電距離長，且以架空線路為主，多經農村空曠地帶，中壓網架較為薄弱，聯(lián)絡開關較少，線路故障多。含氣田負荷的農村配電網信息化建設落后，主要依靠人工巡線檢修、值守變電站，造成故障處理時間長、停電范圍大。因此，需要安裝接地饋線自動化裝置。

3.1 規(guī)劃思路

氣田配電網自動化技術路線主要包括：就地饋線自動化、故障自動定位裝置和配電網自動化簡易主站3部分內容[8]，具體流程如圖2所示。

3.2 饋線自動化改造

3.2.1 饋線自動化

該地區(qū)屬于《配電網規(guī)劃設計技術導則》[5]的D類供電區(qū)域，配電網中以架空線路為主，中低壓混合線路較多，線路故障率相對較高，光纖未完全覆蓋，重新進行光纖鋪設施工困難、投資大，采用經濟實用且不依賴通信的就地式饋線自動化建設模式，以滿足配電網快速故障定位和隔離的需求。

圖2 氣田配電網自動化規(guī)劃思路

就地型饋線自動化通過變電站出線開關和10 kV線路自動化開關1～2 次跳閘、重合，完成10 kV 線路故障定位、隔離與負荷轉供，需時3～5 min。

就地型重合器式饋線自動化包括3 種應用模式[9]，其中，自適應綜合型饋線自動化當線路結構、運行方式發(fā)生變化時，無需調整定值，可有效減輕運維壓力，優(yōu)先選擇自適應綜合型饋線自動化。

現(xiàn)有柱上斷路器型號主要為ZW8-12G/T630，具有彈簧儲能式操動機構、可實現(xiàn)電動儲能，電動分、合閘。斷路器起分段功能，將操作模式改為自動，在加裝電壓互感器和饋線終端裝置后可實現(xiàn)自動控制。每臺斷路器需在電源側和負荷側加裝三相電壓互感器，選用具備單相接地故障暫態(tài)特征量檢出功能的新型配電終端。

3.2.2 故障自動定位系統(tǒng)

結合氣田地區(qū)故障自動定位的實際需求，考慮架空線路新建和改造原則上每2 km應安裝一組故障指示器，交通不便、巡線困難的地方應選用帶通信功能的智能型故障指示器，其他地區(qū)可使用普通故障指示器。

氣田新建10 kV 線路時同步建設故障自動定位裝置，并逐年加裝10 kV線路的故障自動定位裝置。第4回線路需要新增柱上故障指示器如表7所示。

3.2.3 主站功能選擇

結合該含氣田負荷配電網的實際水平和技術條件，以及可投資能力，先行建設配電網調度自動化簡易主站是合適的，因為即使建設了各種高級應用的配電網自動化主站，如果沒有配置足夠的配電網自動化子站和終端，則這些高級應用功能也暫時無法實現(xiàn)。

表7 第4回線路需新裝故障指示器

簡易主站基本功能包括監(jiān)視配電網一次、二次設備的正常運行狀況。記錄并告警提示配電環(huán)節(jié)的異常信息。遠方控制配電網的饋線開關和負荷開關。

饋線自動化改造后，當線路發(fā)生短路故障時，若為瞬時故障，故障自動定位會縮短巡視人員判定故障區(qū)域所耗費的時間，并且有效縮短故障尋找所耗費時間。參考其他農村地區(qū)安裝配電自動化后的運行情況，平均故障定位時間大致可以減少80%，平均故障隔離時間可以減少20%，平均故障區(qū)段恢復時間能減少40%。對B區(qū)域第4回10 kV線路安裝配電自動化系統(tǒng)，可靠性指標的對比如表8所示。

表8 配電自動化改造前后系統(tǒng)可靠性指標

3.3 經濟性對比

頻繁的停電為氣田的開采帶來影響，造成了大量的經歷損失，以第4 回線為例，因其停電減少的產氣量為374.92 萬m3，天然氣價格為2.2 元/m3，則2019年和2020年這兩年內因第4回線停電帶來的直接經濟損失達777.68萬元。

饋線自動化改造全部費用如表9所示。

按照預期平均故障區(qū)段恢復時間能減少40%，則未來每年因天然氣減產造成的經濟損失將減少155.54 萬元，線路改造總投資為303.71 萬元，預計兩年即可收回成本。

表9 饋線自動化改造花費

4 結束語

隨著氣田的開采，用電負荷逐年增加，考慮壓縮機對電壓質量的要求，可采取變電站增容或者新建變電站、增設專線等措施，并改善網絡結構使其滿足供電可靠性和電能質量要求。

為降低雷電的影響，在加裝避雷器、過電壓保護器等裝置的同時，可以根據(jù)現(xiàn)場情況更換10 kV線路絕緣子，降低桿塔的接地電阻，在10 kV 線路首段加裝自動重合閘。

針對農村配電網負荷密度不高，線路供電距離長的現(xiàn)狀，可以安裝就地饋線自動化系統(tǒng)，為農村配電網的安全可靠運行提供重要保障。