配電網(wǎng)網(wǎng)架多變結(jié)構(gòu)組態(tài)仿真研究

宋經(jīng)華 宋江浩 王 營(yíng) 董夢(mèng)柯 馬 寅

（西安世豪匯科智能科技有限公司，陜西 西安 710061）

0 引言

國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)的主接線架構(gòu)因地域不同、負(fù)荷不同，導(dǎo)致供電可靠性的要求有所不同，采用的主接線方式各不相同，輸電線路的類型也不同。配電網(wǎng)在運(yùn)行中受到自然因素的影響，必然會(huì)存在諸多問(wèn)題，為了驗(yàn)證與測(cè)試配電網(wǎng)的不同網(wǎng)架主接線變化的潮流分布及故障狀態(tài)下自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)生的問(wèn)題，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的相應(yīng)配電網(wǎng)主接線進(jìn)行仿真研究，并對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律、故障特征及其自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證并保證配電網(wǎng)與自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性、選擇性及靈敏性［1-3］?，F(xiàn)實(shí)中的配電網(wǎng)主接線網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有多種方式，且各國(guó)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不一樣。因此，使用一個(gè)能靈活組態(tài)的仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?lái)對(duì)配網(wǎng)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究［4］。現(xiàn)有的配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室大多是設(shè)置幾條配電線路，很難對(duì)實(shí)際接線方式進(jìn)行全方位的仿真。本研究在對(duì)國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主接線分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可靈活組態(tài)的配電網(wǎng)網(wǎng)架主接線仿真模型，通過(guò)仿真斷路器的不同投切，對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的網(wǎng)架主接線結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行靈活多變的組態(tài)，從而仿真出不同的主接線的接線模式，并進(jìn)行試驗(yàn)研究［5-7］。該仿真模型不僅能對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)多種主接線方式進(jìn)行仿真，還能對(duì)配電網(wǎng)多融合電源的運(yùn)行特性進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。

1 國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)模式

由于我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)的條件不同，城市與農(nóng)村的人口密度不同。尤其是大都市圈發(fā)展起來(lái)后，地域的差異化變得更大，配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因地域不同而有所差異?？偨Y(jié)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其歸納為兩類典型模型，一種是采用架空線路部分典型接線模式（見(jiàn)圖1），另一種是采用電纜部分典型接線模式（見(jiàn)圖2）［8-9］。這兩種方式都有其應(yīng)用的環(huán)境條件，并產(chǎn)生不同的供電可靠性。

圖1 架空線典型配電模式

由于農(nóng)村的地域?qū)拸V，架空線路大多適用于農(nóng)村電網(wǎng)。而在城市電網(wǎng)中，由于城市人口密度高和工業(yè)集中，一般采用電纜型。

2 國(guó)外配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式

在國(guó)際上，各國(guó)配電網(wǎng)的電壓等級(jí)不同，結(jié)構(gòu)也不相同。日本、新加坡、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)因條件不同、要求不同，均有著不同的典型接線方式。

日本中壓配電網(wǎng)是指22 kV、6.6 kV 的公用電網(wǎng)［10］。T形接線結(jié)構(gòu)作為日本中壓配網(wǎng)的主要方式，包括單側(cè)電源雙回T形和雙側(cè)電源雙回T形。此外，日本還采用“點(diǎn)網(wǎng)”的供電方式。如22 kV 供電3 回“點(diǎn)網(wǎng)”方式與400 V 常規(guī)配電網(wǎng)直接供電方式相互配合，從而實(shí)現(xiàn)22 kV/400 V 一體化的地下配電方式，兩種結(jié)構(gòu)的示意圖如圖3所示。

圖3 日本配電網(wǎng)典型接線模式

新加坡22 kV和6.6 kV為中壓配電網(wǎng)所采用的電壓等級(jí)。新加坡采用花瓣?duì)瞽h(huán)形的配電網(wǎng)，如圖4 所示。由一個(gè)變電站的一段母線引出一條總線，通過(guò)一個(gè)圓環(huán)環(huán)節(jié)變電站后，再回到本變電站的另一條母線，由此來(lái)構(gòu)成一個(gè)“花瓣”。多個(gè)“花瓣”構(gòu)成以變電站為中心的一朵“花”。這樣由“花瓣”相切的方式能更好地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供，同時(shí)也能大大提高拓展型。

圖4 新加坡花瓣式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

英國(guó)中壓配網(wǎng)電壓等級(jí)為33 kV 和11 kV。中壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)孔型、環(huán)型、放射型。

法國(guó)中壓配網(wǎng)的電壓等級(jí)為20 kV 和15 kV。法國(guó)的中壓配電網(wǎng)首選環(huán)群/仿垂的接線模式，如圖5 所示。通過(guò)對(duì)開(kāi)斷斷路器的操作可改變不同的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖5 英德法多電源供電斷路器操作，改變運(yùn)行方式典型結(jié)構(gòu)模式

德國(guó)中壓配網(wǎng)的電壓等級(jí)分為10 kV 和6 kV。德國(guó)的中壓配電網(wǎng)主要采用環(huán)型/網(wǎng)孔型接線模式。

美國(guó)的中壓配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，一般為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并開(kāi)環(huán)運(yùn)行。此外，在美國(guó)中壓配網(wǎng)結(jié)構(gòu)中有一種獨(dú)特的接線模式，即“4×6”網(wǎng)絡(luò)接線［11-12］，如圖6 所示。該接線模式的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性與可靠性，美國(guó)和加拿大的城市中壓配電系統(tǒng)首選“4×6”網(wǎng)絡(luò)接線。

圖6 美4×6模式，4個(gè)電源進(jìn)行，供6邊不同線路負(fù)荷結(jié)構(gòu)模式

3 電網(wǎng)主接線靈活組態(tài)仿真模型設(shè)計(jì)

在對(duì)國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)網(wǎng)架主接線的多種模式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本研究采用仿真電源、仿真斷路器投切靈活組態(tài)的方式，能滿足不同接線方式下的仿真試驗(yàn)要求?？伸`活組態(tài)的仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

圖7 配電網(wǎng)主接線靈活組態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在圖7 中，仿真電源可采用常規(guī)大電網(wǎng)，通過(guò)隔離變壓器進(jìn)行供電，也可采用太陽(yáng)能、風(fēng)能電源進(jìn)行供電。采用模擬斷路器來(lái)模擬斷路器與開(kāi)關(guān)的閉合，線路采用架空輸電線路模型、架空絕緣線路輸電線路模型和電纜輸電模型，負(fù)荷配置負(fù)荷變接在不同節(jié)點(diǎn)上，負(fù)荷變下接不同的有功和無(wú)功負(fù)荷，從而達(dá)到負(fù)荷調(diào)節(jié)的目的。斷路器與開(kāi)關(guān)口可接測(cè)量互感器，用于測(cè)量運(yùn)行特性。斷路器與開(kāi)關(guān)可配置自動(dòng)操作與保護(hù)模塊，根據(jù)設(shè)定功能可跳合斷路器或開(kāi)關(guān)，從而對(duì)保護(hù)、自動(dòng)控制部分進(jìn)行仿真特性研究。

4 基于靈活組態(tài)仿真模型的運(yùn)行方式調(diào)整

通過(guò)投入不同的設(shè)備，斷開(kāi)或閉合不同的斷路器和開(kāi)關(guān)，可對(duì)不同配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中不同的接線方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)?zāi)M。

4.1 雙輻射供電模式仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

按照靈活組態(tài)仿真模型，可組合出雙輻射的供電模式，見(jiàn)圖8。

圖8 雙輻射供電模式仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.2 單輻射長(zhǎng)距離混合供電模式試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

通過(guò)調(diào)整仿真斷路器、開(kāi)關(guān)、電源，來(lái)完成對(duì)架空線路、架空絕緣線和電纜線路混合供電的輸電模式的模擬，如圖9所示。

圖9 單輻射長(zhǎng)距離混合供電模式試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.3 單環(huán)網(wǎng)手拉手模式

通過(guò)電源1 進(jìn)行供電，Ⅰ母線與Ⅱ母線經(jīng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)100 直連，105、106 開(kāi)關(guān)起到聯(lián)絡(luò)作用，從而形成環(huán)網(wǎng)手拉手模式（見(jiàn)圖10）。

圖10 單環(huán)網(wǎng)手拉手模式

4.4 3-1模式

母線Ⅰ通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)及輸電線路到達(dá)母線Ⅱ，以母線Ⅱ聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)形成備用，同時(shí)105、106 斷路器以聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的備用形式出現(xiàn)，形成3-1 模式（見(jiàn)圖11）。

圖11 3-1模式

4.5 電源各帶本地負(fù)荷互為備用模式

雙電源各帶本地負(fù)荷互為備用模式，如圖12所示，也可采用兩電源初始所帶負(fù)荷的互換模式。圖12 所示的103、106 斷路器將作為備用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)（備用自投開(kāi)關(guān)）。圖13 為開(kāi)關(guān)站（開(kāi)閉所作用）模式。

圖12 雙電源各帶本地負(fù)荷互為備用模式

圖13 開(kāi)關(guān)站模式

4.6 單T直供，雙T備用

單T 直供，雙T 備用（見(jiàn)圖14）。外環(huán)負(fù)荷開(kāi)關(guān)在雙T 備用模式下可以不投，也可帶一些模擬E 類不重要的負(fù)荷。

圖14 單T直供，雙T備用

4.7 新加坡花瓣相切型模式

接線間通過(guò)開(kāi)關(guān)可相切互聯(lián)，從而完成花瓣式環(huán)狀接線方式的運(yùn)行（見(jiàn)圖15）。

圖15 新加坡花瓣相切型模式

4.8 日本三線（2線）并行點(diǎn)網(wǎng)供電模式

一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)三線并行點(diǎn)供，如圖16 所示。圖中三線并行供給最后變?yōu)閮删€，并互為備用相連。這是因?yàn)樵O(shè)備的限制，導(dǎo)致局部只能融合為兩線。

圖16 日本三線（2線）并行“點(diǎn)網(wǎng)”供電模式

4.9 英德法網(wǎng)孔及4-1模式

英德法網(wǎng)孔和交流電路的網(wǎng)孔計(jì)算方式一樣（見(jiàn)圖17），可直接查看網(wǎng)孔，并通過(guò)調(diào)整網(wǎng)孔間的斷路器或聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)來(lái)構(gòu)成不同的運(yùn)行方式，但其是多電源模式，少電源時(shí)的網(wǎng)孔連接，只能以所有斷路器及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)組合進(jìn)行調(diào)整，從而保證每個(gè)網(wǎng)孔的供電連續(xù)性。

圖17 英德法網(wǎng)孔及4-1模式

4.10 美式4×6型的轉(zhuǎn)換

4×6 接線模式為4 個(gè)電源點(diǎn)、6 條線路，每條線路各帶自身負(fù)荷，線路互為備用，適合比較鄰近的供電區(qū)域，能極大提高供電的可靠性，其組合模式如圖18 所示，備用的兩個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在此將起到很大作用。

圖18 美式4×6型的轉(zhuǎn)換模式

103、1 032、1 033、1 052、105 斷路器和兩母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)1 021、1 011 構(gòu)成外四邊形，104 所示的104、1 041、1 042、1 104、1 102構(gòu)成一條對(duì)角線，106所示的106、1 061、1 062、1 094、1 092 構(gòu)成一個(gè)對(duì)角。同時(shí)，109、110開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，其所帶的負(fù)荷由對(duì)角線轉(zhuǎn)供。

該接線方式已滿足“4×6”，當(dāng)兩個(gè)備用電源投入時(shí)就成為真實(shí)的“4×6”供電模式。在現(xiàn)有模式下將兩個(gè)備用電源開(kāi)關(guān)接入現(xiàn)有的兩個(gè)電源母線聯(lián)絡(luò)，并進(jìn)行仿真研究。

5 結(jié)語(yǔ)

該靈活組態(tài)的配電網(wǎng)網(wǎng)架主接線仿真模型能實(shí)現(xiàn)靈活組態(tài)配電網(wǎng)的主接線方式。該模型不僅能滿足對(duì)目前實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行研究的要求，也適合對(duì)未來(lái)各種運(yùn)行方式調(diào)整、變換、故障短路、自動(dòng)化配置方案進(jìn)行研究，并進(jìn)行比較實(shí)踐。由于方案的調(diào)整方式有很多，詳細(xì)的調(diào)整方法要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行確認(rèn)。組態(tài)仿真模型對(duì)研究配電網(wǎng)接線方式與自動(dòng)化配置和保護(hù)裝置特性仿真試驗(yàn)具有積極的意義。