高中壓配電網網架結構協(xié)調規(guī)劃方案

張永斌，張 漫，王主丁，，龐祥璐，韋婷婷

（1. 國網河南省電力公司，河南省鄭州市450018；2. 重慶大學電氣工程學院，重慶市400044；3. 重慶星能電氣有限公司，重慶市400039；4. 國網四川省電力公司仁壽縣供電分公司，四川省眉山市620500）

0 引言

配電網直接與電力用戶相連，對其供電可靠性及電能質量的要求越來越高。目前，高壓和中壓配電網（簡稱“高中壓配電網”）由多種結構組成，同時，還存在輻射型支路，這是造成供電安全可靠性較低的原因之一。截至2017 年年底，國家電網有限公司城、鄉(xiāng)供電可靠率分別為99.948% 和99.784%［1］。為了實現(xiàn)供電安全可靠性目標（例如A 類供電區(qū)域的用戶年平均停電時間不大于52 min）［2］，在電網規(guī)劃與改造工作中，應對網架結構進行優(yōu)化，盡量在提高供電質量的同時減少資金的投入。

傳統(tǒng)的配電網規(guī)劃多是將高中壓配電網分開進行規(guī)劃。這樣可能導致配電網上、下級之間的協(xié)調性不佳，且目前高供電安全可靠性規(guī)劃方案多以高中壓配電網“強-強”的配合模式為主，側重方案的安全性和可靠性而尚未統(tǒng)籌考慮其經濟性問題。這一問題已引起相關部門的重視，文獻［2］明確提出“高壓、中壓和低壓配電網3 個層級應相互配合、強簡有序和相互支援，以實現(xiàn)配電網技術經濟的整體最優(yōu)”。目前，國內外學者對高中壓配電網的整體協(xié)調規(guī)劃有了一定研究，以實現(xiàn)高中壓配電網規(guī)劃與改造的整體最優(yōu)或次優(yōu)［3-20］。文獻［3-5］就網架的相互協(xié)調提出了高中壓“強、簡”等概念及其配合方式，但缺乏明確的定義和定量計算分析；文獻［6-8］主要考慮電網與電源、負荷和外部環(huán)境（例如經營環(huán)境、經濟發(fā)展、環(huán)評和城市其他規(guī)劃等）的協(xié)調發(fā)展；文獻［9-10］考慮了高壓變電站與其供電范圍之間的相互協(xié)調；文獻［11-14］建立了電網協(xié)調性評估體系，側重于方案的評估；文獻［15-19］在總費用中考慮了停電損失費用，但僅涉及高壓或中壓配電網；文獻［20］基于接線模式對兩級配電網形成的多種組合電網分別進行了經濟性和可靠性指標的量化計算。上述文獻均沒有對高中壓網架“強、簡、弱”進行明確定義，未能全面地從供電安全性、可靠性和經濟性方面對相應典型協(xié)調方案進行定量計算分析和對比，也未由此得出較為具體的一般性結論或建議。

本文分別對高中壓配電網的“強、簡、弱”給予明確的定義，建立了一套基于安全性、可靠性和經濟性評估的高中壓配電網網架結構協(xié)調方案優(yōu)選模型，并采用計及停電損失費用的總費用最小評估模型進行方案優(yōu)選。通過高中壓網架結構典型協(xié)調方案安全性、可靠性和經濟性的計算分析，總結出各協(xié)調方案的適用范圍，為實際配電網規(guī)劃工作提供了參考。

1 典型網架結構協(xié)調實例

法國巴黎電網是20 世紀40 年代網架規(guī)劃戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)，本文首先以巴黎電網作為典型實例進行了高中壓網架結構協(xié)調的調研。

1.1 巴黎電網

法國巴黎中心城區(qū)面積為105 km2，負荷密度為30.9 MW/km2，年戶均停電時間為10 min，供電可靠率為99.997 15%；巴黎電網的電壓等級分別為400 kV、225 kV、20 kV 和0.4 kV。

1）高壓配電網的網架結構

巴黎城區(qū)外圍分別形成了400 kV 和225 kV 的環(huán)式組網形態(tài)，再通過城內27 條225 kV 線路為含56 臺主變壓器的36 座變電站供電（即每條225 kV高壓輻射線路含有1 個或2 個變電站）。從外到內由輻射狀線路供電的這36 座225 kV 高壓變電站形成了3 層環(huán)式布局。

2）中壓配電網的網架結構

巴黎中壓配電網為三環(huán)組網形態(tài)，如附錄A圖A1 所示。該三環(huán)組網形態(tài)僅在環(huán)路方向進行聯(lián)絡，相對于聯(lián)絡方向不固定的網孔型組網形態(tài)更為標準化，可減少規(guī)劃設計部門的工作量，有利于實現(xiàn)自動化和采用統(tǒng)一的控制策略。不同環(huán)路的變電站大多由同一條從外到內的225 kV 線路供電。

1.2 調研啟示

巴黎中壓環(huán)網結構保證了供電質量，擴展性強。225 kV 輻射型電網雖然相對薄弱，但減少了通道占用和不必要的資金投入。值得注意的是，盡管高壓配電網呈相對薄弱的單輻射狀組網形態(tài)，高中壓組網形態(tài)的合理配合并沒有影響電網整體供電的安全可靠性和經濟性。

2 高壓和中壓“強、簡、弱”的定義

基于典型網架結構協(xié)調實例的啟示，對高壓和中壓網架結構“強、簡、弱”進行了較為明確的定義。

2.1 接線模式

1）高壓配電網

為了使配電網建設標準化和規(guī)范化，中國配電網規(guī)劃導則針對不同的供電區(qū)域類型有推薦的高壓典型接線模式［2］。其中，根據(jù)是否滿足上級供電變電站、通道和線路“N-1”供電安全性，高壓典型接線模式可分為鏈式、環(huán)網式和輻射式（包括雙輻射和單輻射）三大類，每一大類又可分為T 形接線和π 形接線。

2）中壓配電網

中國配電網規(guī)劃導則針對不同的供電區(qū)域類型也有推薦的中壓典型接線模式［2］。其中，架空接線主要有輻射式和多分段適度聯(lián)絡2 種類型；電纜接線主要有輻射式、單環(huán)式、雙環(huán)式和“N 供1 備”式4 種類型。根據(jù)是否滿足變電站和通道“N-1”供電安全性，這些接線又可分為站間聯(lián)絡接線、自環(huán)接線和輻射形接線。

2.2 “強、簡、弱”的分類思路

高中壓配電網網架結構典型協(xié)調需要分別給出高壓和中壓“強、簡、弱”的定義。一般情況下，高壓或中壓從“弱”到“簡”再到“強”，安全可靠性越來越高，但投資會越來越大。其中，相關技術導則中的供電可靠性指標通常是由多個電壓等級電網（例如高中壓配電網）共同作用的結果，而且相關的影響因素也較多（例如故障/計劃停電率），難以據(jù)此分別對不同電壓等級進行“強、簡、弱”的分類。而基于供電安全標準的分析方法與可靠性評估方法不同，僅涉及單次停電后果（即停電負荷大小和時間長短）但不考慮停電概率［21-23］。因此，本文主要基于供電安全性分別對高中壓配電網的“強、簡、弱”進行定義。

2.3 “強、簡、弱”的定義

高中壓配電網網架結構涉及點（例如變電站）和線（例如線路及其通道），其“強、簡、弱”可分別從供電安全性角度進行定義，如接線模式和饋線自動化（feeder automation，F(xiàn)A）水平，如表1 所示。其中，供電安全性為涉及“N-1”停運（包括自然災害和輸電線路倒塔等造成的停電）的供電安全標準［22］，即在最大負荷時不同電壓等級配電網單一元件停運后在規(guī)定時間內必須恢復一定大小的最低負荷。可見，“強”的配電網滿足上級變電站和通道“N-1”安全校驗，但占用通道較多，投資大；“簡”的配電網滿足線路和主變壓器“N-1”安全校驗但不滿足上級電源或上級變電站“N-1”安全校驗，通道占用和投資居中；“弱”的配電網不滿足線路或主變壓器“N-1”安全校驗，通道占用少，投資相對較小。

由表1 可知，中壓配電網“強、簡、弱”的定義與高壓配電網的相應定義基本相同，差別在于影響停電時間的技術裝備水平，特別是FA 水平。

表1 高中壓配電網“強、簡、弱”的分類Table 1 Classification of“strong, simple and weak”in high- and medium- voltage distribution networks

3 網架結構協(xié)調方案優(yōu)選模型

以含停電損失費用的總費用最小為目標，建立高中壓網架結構典型協(xié)調方案的優(yōu)選模型，用于尋求可實現(xiàn)安全性、可靠性和經濟性之間平衡的合理協(xié)調方案。

3.1 典型協(xié)調方案

基于上述高中壓配電網“強、簡、弱”的分類，可對高壓和中壓“強、簡、弱”進行組合，得到9 種典型高中壓“強、簡、弱”配合模式（即高中壓典型網架協(xié)調方案），分別為“強-強”“強-簡”“強-弱”“簡-強”“簡-簡”“簡-弱”“弱-強”“弱-簡”和“弱-弱”（其中，符號“-”的左右分別代表高壓和中壓網架結構“強、簡、弱”的類別），如附錄A 圖A2 所示。

3.2 方案優(yōu)選模型

基于“技術可行、經濟最優(yōu)”的基本規(guī)劃理念，以總費用最小為目標，在滿足電網的基本技術要求（例如潮流和短路）以及相應供電安全可靠性的條件下，高中壓網架結構協(xié)調方案優(yōu)選模型可表示為：

3.3 費用估算

3.3.1 高壓配電網年費用

高壓配電網年費用CHV包括高壓線路投資年費用Chvxt、高壓開關投資年費用Chvkt和高壓線路電能損耗年費用Chvxs，即CHV=Chvxt+Chvkt+Chvxs。

1）高壓線路投資年費用

高壓線路投資年費用Chvxt可表示為：

式中：LhV為高壓線路的長度；ChV為高壓線路單位長度的綜合造價（含通道費用）；ε=kz+ky+kh為系數(shù)，其中，kz、ky和kh分別為折舊系數(shù)、運行維護費用系數(shù)和投資回報系數(shù)。

2）高壓開關投資年費用

開關投資年費用Chvkt可表示為：

式中：Nk為開關總數(shù)；Ck為單個開關的價格。

3）高壓線路電能損耗年費用

線路電能損耗年費用Chvxs可表示為：

式中：Ce為購電電價；ΔPmax為線路的最大功率損耗；τmax為最大負荷損耗的時間。

3.3.2 中壓配電網年費用

中壓配電網年費用CMV主要包括中壓線路投資年費用Cmvxt、中壓線路電能損耗年費用Cmvxs和中壓配電自動化費用Cmvda，即CMV=Cmvxt+Cmvxs+Cmvda。

1）中壓線路投資年費用

中壓線路投資年費用Cmvxt可表示為：

式中：kq為考慮了支線的中壓線路曲折系數(shù)；Rmv為中壓線路的供電半徑；Ns為110 kV 變電站的數(shù)量；nt為1 座110 kV 變電站的主變壓器平均臺數(shù)；nl為單臺主變壓器的平均出線數(shù)；cmvl為中壓線路單位長度的綜合造價（含通道費用）。

2）中壓線路電能損耗年費用

中壓線路電能損耗年費用Cmvxs的計算公式與高壓相應計算公式類似，但需要考慮涉及沿線負荷分布形式的功率損耗系數(shù)［24］。對于有聯(lián)絡的中壓線路，由于呈輻射狀運行的中壓線路電能損耗年費用通常相近，對各協(xié)調方案的費用比選結果影響很小，可以忽略不計；但對于中壓雙輻射和單輻射接線比選的情況，由于電能損耗不同，在方案比選中應計入相應的電能損耗年費用。

3）配電自動化費用

由于城市的中壓配電網“強”或“簡”的網架結構區(qū)別在于影響停電時間的配電自動化程度。因此，還需要考慮配電自動化費用的差異。

3.3.3 年停電費用

年停電損失費用CHMT可簡化表示為：

式中：CE為單位電量的（故障和預安排）平均停電成本，該值一般根據(jù)產電比法估計，計算簡單且資料易得［25］；Pmax為最大負荷值；ξ 為負荷率（即平均負荷與最大負荷之比）；TSAIDI為用戶年平均停電持續(xù)時間，可根據(jù)高中壓配電網可靠性協(xié)調評估模型計算得到［25］。

4 基于安全可靠和經濟的典型方案優(yōu)選

4.1 方案優(yōu)選思路

由于本文主要是基于供電安全性對高壓和中壓“強、簡、弱”分別進行的定義，通過高壓和中壓“強、簡、弱”組合得到的典型方案還需要綜合考慮高中壓配電網整體的安全性、可靠性和經濟性。鑒于A+、A、B、C、D 和E 類供電區(qū)域對供電可靠性有不同的具體要求［2］，本文在對有限個候選典型方案基于“技術可行、經濟最優(yōu)”進行優(yōu)選時，按照相關要求對候選方案的“技術可行”進行校驗，以體現(xiàn)不同供電區(qū)域規(guī)劃的差異化。

對于式（1）所示的優(yōu)選模型，假設潮流和短路約束滿足相關要求，針對城市配電網和農村配電網典型案例，在滿足相應供電區(qū)域安全性和可靠性要求的條件下，基于總費用最小化原則進行方案優(yōu)選，以獲得高中壓網架結構典型協(xié)調方案較為具體的一般性結論或建議。其中，城市配電網和農村配電網在本文中分別定義為中壓饋線可以實現(xiàn)有效的站間聯(lián)絡和難于實現(xiàn)有效站間聯(lián)絡的電網。城市配電網主要涉及相關導則中定義的A+、A、B 和C 類供電區(qū)域，農村配電網主要涉及D 和E 類供電區(qū)域。

4.2 典型案例

本案例城市配電網為含有2 個110 kV 變電站的供電單元。2 個變電站在空間上均勻分布于上級變電站之間且容量均為100 MVA（2×50 MVA），高壓線路為電纜，高壓“強、簡、弱”接線模式具體如下。

1）“雙鏈π 接+2 站”，即雙側電源（此處電源指220 kV 或330 kV 變電站）的接線模式為雙鏈式中的π 形接線，連接2 座110 kV 變電站。

2）“2×（雙輻射+1 站）”，即2 組“單側電源的接線模式為雙輻射，并連接1 座110 kV 變電站”（站間無聯(lián)絡）。

3）“2×（單輻射+1 站）”，即2 組“單側電源的接線模式為單輻射，并連接1 座110 kV 變電站”（站間無聯(lián)絡）。

農村配電網為含有3 個110 kV 變電站的供電單元（3 個變電站在空間上均勻分布于上級變電站之間且容量均為2×31.5 MVA），高中壓線路均為架空線，高壓“強、簡、弱”接線模式具體如下。

1）“雙鏈π 接+3 站+2 變”，即雙側電源的接線模式為雙鏈式中的π 形接線，并連接3 座110 kV 變電站，每座變電站有2 臺主變壓器。

2）“雙輻射π 接+3 站+2 變”，即單側電源的接線模式為雙輻射中的π 形接線，并連接3 座110 kV變電站，每座變電站有2 臺主變壓器。

3）“單輻射π 接+3 站+2 變”，即單側電源的接線模式為單輻射中的π 形接線，并連接3 座110 kV變電站，每座變電站有2 臺主變壓器。

高壓和中壓網架結構采用附錄A 表A1 中的常見接線模式。

4.3 基礎數(shù)據(jù)

1）系統(tǒng)參數(shù)

對于城市配電網和農村配電網，負荷率分別為0.7 和0.5，主變壓器負載率分別為0.65 和0.60，最大負荷損耗時間分別為2 000 h 和1 250 h；單臺主變壓器10 kV 出線的平均出線數(shù)為9；涉及沿線負荷分布形式的10 kV 線路功率損耗系數(shù)為0.81；線路曲折系數(shù)為2。

2）經濟參數(shù)

折舊系數(shù)、運行維護費用系數(shù)和投資回報系數(shù)分別為0.045、0.025 和0.100；110 kV 購電電價為0.45 元/（kW·h）。

城市和農村中壓架空線路（型號為JKLYJ-185）綜合造價分別為30 萬元/km 和20 萬元/km，城市中壓電纜線路（型號為YJV22-3×300）綜合造價為130 萬元/km；高壓單回架空線路（型號為LGJ-240）和雙回架空線路綜合造價分別為51 萬元/km 和74 萬元/km，高壓電纜線路（YJLV-500）綜合造價為450 萬元/km；高壓和中壓開關價格分別為65 萬元/臺和5 萬元/臺。

經費用調研，中壓配電自動化費用Cmvda可根據(jù)附錄A 表A2 和表A3 估算。

3）可靠性參數(shù)

高壓配電網負荷轉供時間為5 s（備用電源自動投入裝置動作時間），城市配電網中壓“強”電網轉供時間為1 min，城市配電網和農村配電網中壓“簡”電網的轉供時間分別為1.5 h 和2 h；城市配電網單位電量平均停電成本分別考慮了0.5 元/（kW·h）和20 元/（kW·h）的情況，而農村的單位電量平均停電成本則分別考慮了0.5 元/（kW·h）和10 元/（kW·h）的情況。對于城市配電網和農村配電網，變電站低壓母線的負荷在高壓側配電網停運時可通過10 kV線路轉供的比例分別為1 和0；10 kV 饋線采用負荷開關分為3 段；高壓和中壓元件典型可靠性參數(shù)分別如附錄A 表A2 至表A5 所示。

4）安全性和可靠性要求

根據(jù)相關導則［2］，A+、A、B、C、D 和E 類供電區(qū)域的用戶年平均停電時間應分別為不大于5 min、52 min、3 h、12 h、24 h 和相應承諾指標。根據(jù)相關供電安全標準［22］，若變電站或主變壓器“N-1”停運，其所帶的大部分負荷（不小于2/3）應在15 min內恢復供電，其余負荷應在3 h 內恢復供電；若10 kV 線路“N-1”停運，其所帶負荷中除去2 MW外的部分負荷應在3 h 內恢復供電。

4.4 供電安全性分析

基于供電安全性要求，9 種典型高中壓網架結構“強、簡、弱”協(xié)調方案的“N-1”安全性分析結果如表2 所示（表中“√”表示滿足“N-1”校驗，“×”表示部分滿足“N-1”校驗，例如站間聯(lián)絡或自環(huán)滿足，而相同通道的多輻射不滿足）?？梢姡皬?強”“簡-強”和“弱-強”的安全性最高，滿足各種“N-1”安全性要求，且從安全性來看中壓“強”時高壓不必“強”；“弱-弱”對于所有“N-1”都不能滿足安全性要求；“強-簡”和“簡-簡”除部分高壓“N-1”外基本滿足安全性要求；“強-弱”和“簡-弱”僅能滿足部分高壓“N-1”校驗；“弱-簡”僅能基本滿足中壓通道和線路“N-1”校驗。

表2 典型協(xié)調方案不同“N-1”情況下的安全性分析Table 2 Security analysis of typical coordinated scheme with different“N-1”situations

4.5 可靠性計算分析

針對典型協(xié)調方案，采用高中壓配電網可靠性協(xié)調評估方法［25］，分別對考慮了高壓配電網影響的城市配電網和農村配電網可靠性指標進行計算，結果如附錄A 表A6 和表A7 所示。

1）當中壓配電網為“強”時，無論高壓配電網是“強”“簡”或“弱”，停電時間都較短，可靠性水平均較高，即中壓做“強”時，高壓“強、簡、弱”對配電網整體可靠性影響較小。

2）“弱-弱”模式停電時間最長，可靠性極差，停電時間大于15 h。

3）供電可靠率達到99.999%的條件一般為：中壓盡量做強，供電半徑較短，采用電纜。

4.6 經濟性計算分析

基于高中壓配電網可靠性協(xié)調計算的結果，計算各典型協(xié)調方案的年投資費用、運行費用、年停電損失費用和總費用，結果如附錄A 表A8 至表A10所示。

1）高中壓配電網均為“弱”且停電損失費用遠大于常規(guī)電價（即0.5 元/（kW·h））時，經濟效益特別差，但僅為“強”或“簡”的高壓或中壓配電網均能大幅提升經濟效益。高中壓配電網均為“強”時，經濟效益與“強-簡”“強-弱”“簡-簡”和“簡-弱”相比差別不大。城市配電網為“強”中壓相對于“強”高壓效果更好，“弱-強”模式費用最低；農村配電網為“強”高壓相對于“簡”中壓效果更好，“簡-簡”模式費用最低，但在中壓只可能為“弱”的情況下，“簡-弱”模式費用最低。農村配電網高壓為“強”或“簡”時，T形接線模式更為經濟，高壓為“弱”時，π 形接線模式更為經濟。

2）在停電損失費用為常規(guī)電價時，城市配電網“弱-強”模式費用最低；農村配電網“弱-簡”模式費用最低，但在中壓只可能為“弱”的情況下，“弱-弱”模式費用最低。農村配電網高壓T 形接線模式較π 形接線模式更為經濟。

4.7 基于綜合分析的方案優(yōu)選

基于高中壓配電網典型協(xié)調方案技術經濟分析，可得到以下3 點有關配電網高中壓網架結構協(xié)調的優(yōu)化思路。

1）“強-強”模式安全可靠性最高，但需要投入大量建設資金；“弱-弱”模式投資費用最少，但安全可靠性最低。綜合考慮安全性、可靠性和經濟性時，這2 種極端模式在高中壓網架結構協(xié)調模式中均不理想。

2）對于城市配電網的高中壓網架協(xié)調而言，做“強”中壓是配電網整體安全可靠且經濟的必要條件；“弱-強”的配合模式具有較大的優(yōu)勢，其總費用低且安全可靠性較高。綜合考慮安全性、可靠性和經濟性，推薦“弱-強”的配合模式作為城市配電網高中壓網架建設方案，但應考慮如下情況。

情況1：在建設初期，中壓配電網難以在較短時間內做“強”的情況下，為保證供電安全可靠性可適當加強高壓配電網，先構建成“強/簡-簡/弱”的配合模式。

情況2：隨著中壓配電網由“簡/弱”變強，可適當減少對高壓配電網的擴建或改建工程，形成“簡/弱-強”的配合模式，在滿足供電安全可靠的條件下減輕城市配電網通道壓力和降低投資。

情況3：在有條件的情況下，應首選具有站間聯(lián)絡的中壓“簡”模式，而不是非站間聯(lián)絡的中壓“簡”模式。

3）對于農村配電網，中壓一般為單輻射線路（即“弱”），為避免形成“弱-弱”的配合模式，應盡量加強高壓配電網，故推薦“簡-弱”的配合模式；且當農村配電網為“簡-弱”的配合模式時，高壓T 形接線模式優(yōu)于π 形接線模式。

5 結語

高中壓網架結構的相互配合有利于從全局上實現(xiàn)配電網整體的“技術可行、經濟最優(yōu)”。

1）第一次分別給出了高中壓配電網“強、簡、弱”較為明確的定義，并通過高中壓典型協(xié)調方案供電安全性、可靠性和經濟性的定量計算分析，針對中國配電網網架結構的協(xié)調發(fā)展戰(zhàn)略提出了建議。

2）做“強”中壓是解決配電網諸多問題瓶頸的關鍵，是配電網整體安全可靠且經濟的必要條件。

3）中壓配電網應盡量為“強”，高壓配電網在過渡年宜為“強/簡”，而遠景年不必為“強”；對于以輻射形接線為主的農村配電網，推薦高中壓“簡-弱”的配合模式，高壓采用T 形接線模式。

4）長期以來中國配電網建設改造通常要求電網層層為“強”，造成重復投資，難以設計出高中壓協(xié)調的網架結構。因此，應因地制宜地構建相互配合的高中壓配電網宏觀網架結構，進一步規(guī)范高中壓配電網的協(xié)調發(fā)展

5）本文結論是基于典型基礎數(shù)據(jù)計算所得，若這些基礎數(shù)據(jù)與實際差別較大，可利用本文模型和方法進行計算分析后歸納總結出相應的結論。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。