林 韓， 陳 彬， 吳 涵， 張功林， 葛少云， 劉 洪， 何文濤， 楊海森

(1.福建省電力有限公司， 福州 350003； 2.福建省電力科學(xué)研究院， 福州 350007； 3.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072； 4.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

面向遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架的中壓配電網(wǎng)供電模型

林 韓1， 陳 彬2， 吳 涵2， 張功林2， 葛少云3， 劉 洪3， 何文濤3， 楊海森4

(1.福建省電力有限公司， 福州 350003； 2.福建省電力科學(xué)研究院， 福州 350007； 3.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072； 4.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

針對目前國內(nèi)對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究主要集中于接線模式，未能體現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)中不同地形和不同負(fù)荷密度條件下變電站的供電結(jié)構(gòu)的問題，借鑒國外高水平配電網(wǎng)典型供電模型設(shè)計理念，構(gòu)建了適用于我國中壓配電網(wǎng)的典型供電模型。首先分析了國外城市中壓配電網(wǎng)供電模型的特點，然后對供電模型進(jìn)行了定義，總結(jié)了其優(yōu)勢及特點，并提出供電模型構(gòu)建的思路與原則，進(jìn)而分析了供電模型選擇需考慮的因素，最后對供電模型的擴展進(jìn)行了研究。研究成果可為中壓配電網(wǎng)遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃提供指導(dǎo)。

配電網(wǎng)； 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)； 供電模型； 接線模式

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是中壓配電網(wǎng)的“筋骨”，堅強的網(wǎng)架是電網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟優(yōu)質(zhì)運行的基礎(chǔ)[1～3]。長期以來，國內(nèi)對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究和實踐主要集中在接線模式方面[4～6]，而接線模式僅體現(xiàn)了本級線路間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，無法體現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)中不同地形和不同負(fù)荷密度條件下變電站的供電結(jié)構(gòu)，也無法反映該結(jié)構(gòu)的細(xì)化供電指標(biāo)。

目前，很多發(fā)達(dá)國家不再考慮單純應(yīng)用接線模式指導(dǎo)遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架的建設(shè)，而是采用標(biāo)準(zhǔn)化的供電模型來構(gòu)筑高水平的中壓配電網(wǎng)[7，8]。

我國各地區(qū)地形地貌及負(fù)荷分布差異巨大，因此，針對不同地區(qū)的地形地貌與負(fù)荷分布特征構(gòu)建適合我國各地區(qū)特點的供電模型以指導(dǎo)中壓配電網(wǎng)的規(guī)劃和改造，具有重要的現(xiàn)實意義。

為此，本文借鑒國外高水平配電網(wǎng)典型供電模型設(shè)計理念，提出供電模型的構(gòu)建思路，并據(jù)此構(gòu)建了適于我國中壓配電網(wǎng)的典型供電模型，為中壓配電網(wǎng)遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架的規(guī)劃提供了重要指導(dǎo)。

1 國外城市典型供電模型及特點

1.1 巴黎典型供電模型

巴黎的電壓等級序列為400/225/20/0.4 kV，20 kV配電網(wǎng)由放射型的225 kV輸電系統(tǒng)供電。每個225/20 kV變電站引出4條大截面電纜，每條電纜出線又出6條饋線覆蓋一條街道，這6條饋線為一組，與相鄰變電站的另外一組通過手拉手方式互為備用，如圖1所示。

圖1 巴黎電網(wǎng)接線

巴黎城市電網(wǎng)為三環(huán)式結(jié)構(gòu)：外環(huán)、中環(huán)和內(nèi)環(huán)。當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步增加時，可在環(huán)內(nèi)增加變電站，與兩側(cè)已有變電站構(gòu)建聯(lián)絡(luò)，顯示了良好的擴展性，如圖2。

圖2 巴黎典型供電模型

1.2 新加坡典型供電模型

新加坡電網(wǎng)中，變電站每兩回22 kV饋線構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，形成花瓣結(jié)構(gòu)，如圖3。

圖3 新加坡電網(wǎng)接線

一個變電站所出饋線可組成多個花瓣形環(huán)網(wǎng)，每個變電站及其饋線構(gòu)成一朵“梅花”，通過花瓣形環(huán)網(wǎng)相切的形式實現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，實現(xiàn)了分區(qū)供電，并能方便的進(jìn)行擴展，如圖4。

圖4 新加坡典型供電模型

1.3 供電模型的特點

通過對巴黎、新加坡典型供電模型分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用供電模型構(gòu)建中壓配電網(wǎng)具有以下特點：

(1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰化、標(biāo)準(zhǔn)化

采用供電模型構(gòu)建中壓配電網(wǎng)，能夠使網(wǎng)架清晰化、標(biāo)準(zhǔn)化。可根據(jù)遠(yuǎn)景年變電站布點設(shè)定遠(yuǎn)景年目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，據(jù)此制定現(xiàn)狀網(wǎng)架逐步過渡到遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架的平滑過渡方案，逐步梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

(2)考慮了變電站間的聯(lián)絡(luò)方式

接線模式僅體現(xiàn)了線路間聯(lián)絡(luò)關(guān)系，供電模型不僅考慮了接線模式，還考慮變電站間的聯(lián)絡(luò)方式。相較于線路，供電模型作為一個較大的供電單元，其負(fù)荷轉(zhuǎn)帶等運行方式相對固定，易于調(diào)度操作，并利于采用統(tǒng)一的控制策略，實現(xiàn)配電自動化。

(3)考慮了高中壓電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào)

供電模型從整體的角度考慮主變間的聯(lián)絡(luò)方式，優(yōu)化配電網(wǎng)整體供電能力，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際供電能力對線路側(cè)進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)模型總體的供電能力和模型中線路的供電轉(zhuǎn)移能力的匹配，使上下級電網(wǎng)間更加協(xié)調(diào)。

2 理論供電模型的概念及構(gòu)建

2.1 供電模型的基本概念

供電模型及其相關(guān)概念如下：

定義1供電模型：是指以高壓變電站為源、中壓饋線為網(wǎng)的供電網(wǎng)絡(luò)單元。

定義2供電架構(gòu)：是指作為中壓配電網(wǎng)電源的高壓變電站的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2.2 理論供電模型的構(gòu)建思路

根據(jù)地形特點和負(fù)荷密度的不同，供電架構(gòu)可分為點狀供電架構(gòu)、鏈?zhǔn)焦╇娂軜?gòu)和塊狀供電架構(gòu)。點狀供電架構(gòu)中無互聯(lián)變電站，鏈?zhǔn)焦╇娂軜?gòu)中互聯(lián)變電站座數(shù)為2座，塊狀供電架構(gòu)中的互聯(lián)變電站座數(shù)一般≥3座。通過理論分析可知，變電站互聯(lián)規(guī)模達(dá)到4座后，供電能力的提升將不甚明顯[9]。因此，塊狀供電架構(gòu)中互聯(lián)變電站座數(shù)為3座或4座。

供電架構(gòu)給出了變電站座數(shù)、各座站的相對位置、站間是否存在聯(lián)絡(luò)等信息，未體現(xiàn)線路間的聯(lián)絡(luò)方式，是供電模型的雛形，供電模型正是在供電架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的接線模式進(jìn)行構(gòu)建的。

結(jié)合供電架構(gòu)及互聯(lián)變電站座數(shù)的信息，可將供電模型分為點狀類、鏈?zhǔn)筋悺⑷切晤惡退倪呅晤悺?/p>

圖5給出了中壓配電網(wǎng)典型供電模型的示意圖。針對每類供電模型，選擇出合適的接線模式進(jìn)行合理搭配，可以構(gòu)建出實際供電模型。

圖5 中壓配電網(wǎng)典型供電模型圖

2.3 理論供電模型的構(gòu)建原則

在確定各主變的互聯(lián)關(guān)系后，即可確定各主變的最大負(fù)載率[10，11]，據(jù)此得出能夠保證模型內(nèi)全部主變通過“N-1”校驗所需的最小站間聯(lián)絡(luò)數(shù)，以此數(shù)量構(gòu)建模型內(nèi)各個變電站之間的聯(lián)絡(luò)，其余出線構(gòu)建站內(nèi)聯(lián)絡(luò)，這樣可最大程度地減少迂回聯(lián)絡(luò)造成饋線長度增加的情況。

根據(jù)以上原則構(gòu)建理論供電模型，模型內(nèi)各個變電站之間的聯(lián)絡(luò)可定義為強聯(lián)絡(luò)；若變電站間無法達(dá)到構(gòu)建模型所需的最小站間聯(lián)絡(luò)數(shù)，主變“N-1”校驗無法滿足，則可稱變電站之間為弱聯(lián)絡(luò)。其中，強聯(lián)絡(luò)的構(gòu)建目的是保障模型內(nèi)元件“N-1”時的負(fù)荷轉(zhuǎn)供；弱聯(lián)絡(luò)的構(gòu)建目的是發(fā)生更嚴(yán)重故障時提供模型間的負(fù)荷轉(zhuǎn)供。通過對強聯(lián)絡(luò)、弱聯(lián)絡(luò)的量化定義，可在較大規(guī)模的網(wǎng)架中突出供電模型的相對獨立存在，不僅可提高單一元件故障時轉(zhuǎn)供方案制定的簡便性與操作的快速靈活性，而且為多種故障提供了更為清晰的轉(zhuǎn)供通道。

3 實際供電模型的選擇

3.1 實際供電模型的初步選擇

通過對供電區(qū)域自身屬性的分析可對適用于該區(qū)域的實際供電模型進(jìn)行初步的選擇。供電區(qū)域自身的屬性包括地域特性、負(fù)荷特性、人口及經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀等，其中對供電模型存在影響的主要是地域特性和負(fù)荷特性。

3.1.1 地域特性對供電模型初選的影響

地域特性主要包括地形特點、用地性質(zhì)和氣候條件等要素，如圖6。

圖6 地域特性對供電模型初選的影響

地形特點影響供電架構(gòu)的初選。顯然，山區(qū)、丘陵等地形復(fù)雜地區(qū)對變電站的布局和站間聯(lián)絡(luò)都會造成障礙，而平原地帶則容易構(gòu)建站間聯(lián)絡(luò)。

用地性質(zhì)會影響接線模式的初選。架空線路不利于城市市容環(huán)境的美觀，尤其是城市中心區(qū)和重點風(fēng)景旅游區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用電纜線路。

氣候條件也會對接線模式的初選造成一定的影響，如易受熱帶風(fēng)暴侵襲的沿海地區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用電纜線路，而易遭受洪澇災(zāi)害、地震等影響的地區(qū)則宜采用架空線路。

3.1.2 負(fù)荷特性對供電模型初選的影響

負(fù)荷特性一般包括負(fù)荷電壓特性、負(fù)荷頻率特性、負(fù)荷時間特性和負(fù)荷分布特性。其中，負(fù)荷電壓特性、負(fù)荷頻率特性、負(fù)荷時間特性對供電模型的初選無明顯影響。負(fù)荷分布特性一般指負(fù)荷密度，負(fù)荷特性對實際供電模型初選的主要影響因素為負(fù)荷密度，如圖7。

圖7 負(fù)荷特性對供電模型初選的影響

負(fù)荷密度是影響供電架構(gòu)選擇的重要因素。不論是面積較小的供電區(qū)域或是狹長供電區(qū)域，若負(fù)荷密度足夠大，則仍然能夠保證供電區(qū)域內(nèi)變電站的密集分布，從而影響供電架構(gòu)的選擇。

負(fù)荷密度還影響接線模式的選擇。對于負(fù)荷密度不高的區(qū)域，通常線路廊道比較充足，可選擇采用單聯(lián)絡(luò)接線模式。對于負(fù)荷密度較高的區(qū)域，特別是線路廊道稀缺的商業(yè)區(qū)，則需考慮多聯(lián)絡(luò)的接線模式，提高線路利用率。

3.2 實際供電模型的具體選擇

在完成供電模型的初選后，需要對初選供電模型進(jìn)行充分分析和評價，以確定適用于該供電區(qū)域的實際供電模型。然而，當(dāng)前針對配電網(wǎng)的評價研究大多集中于整個配電系統(tǒng)[12～14]，包含了諸多反映電力設(shè)備運行情況的指標(biāo)，無法直接應(yīng)用于供電模型的評價，因此需要建立適用于中壓配電系統(tǒng)供電模型的評價指標(biāo)體系，根據(jù)初選供電模型的評價結(jié)果，完成供電區(qū)域?qū)嶋H供電模型的具體選擇。

4 供電模型的擴展

4.1 擴展的目的和意義

供電模型自身已經(jīng)具有較高的供電可靠性。但是，當(dāng)發(fā)生更為嚴(yán)重的故障(如變電站全停)時，模型無法通過自身實現(xiàn)全部負(fù)荷轉(zhuǎn)供，因此，供電模型需要具備擴展能力，將模型間的聯(lián)絡(luò)作為備用的負(fù)荷轉(zhuǎn)供通道，提升模型應(yīng)對嚴(yán)重故障的能力。

4.2 擴展需滿足的必要條件

供電模型在電網(wǎng)中成為相對獨立的供電單元，因此在擴展過程中，應(yīng)盡量保持模型的相對獨立存在。因此在擴展時需要保證模型內(nèi)的站間聯(lián)絡(luò)數(shù)量繼續(xù)滿足強聯(lián)絡(luò)條件，故只能將模型的站內(nèi)聯(lián)絡(luò)打開使其與模型外變電站構(gòu)建聯(lián)絡(luò)。

4.3 擴展方式

已有供電模型可根據(jù)實際需要選擇模型內(nèi)一座變電站同新增站點構(gòu)建聯(lián)絡(luò)，也可以選擇模型內(nèi)兩座以上(含兩座)變電站與新增站點構(gòu)建聯(lián)絡(luò)。

在模型擴展過程中，需根據(jù)新增站點及實際需要來選擇適用的擴展方法。通過兩種方法擴展出的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同，對模型的影響也不盡相同。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)研究主要集中于接線模式，未能體現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)中不同地形和負(fù)荷密度水平條件下變電站的供電結(jié)構(gòu)，也無法反映該結(jié)構(gòu)的細(xì)化供電指標(biāo)。本文通過對國外高水平配電網(wǎng)典型供電模型的分析，借鑒其先進(jìn)理念，對供電模型進(jìn)行了定義，提出了供電模型的構(gòu)建思路及原則，據(jù)此構(gòu)建了四類適用于我國中壓配電網(wǎng)的典型供電模型，并對供電模型選擇需考慮的因素及供電模型的擴展進(jìn)行了分析和研究，對中壓配電網(wǎng)遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃有著重要的指導(dǎo)意義。

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PowerSupplyModelofMediumVoltageDistributionNetworkforProspectiveTargetFrameworks

LIN Han1， CHEN Bin2， WU Han2， ZHANG Gong-lin2， GE Shao-yun3， LIU Hong3， HE Wen-tao3， YANG Hai-sen4

(1. Fujian Electric Power Co., Ltd., Fuzhou 350003, China； 2.Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, China； 3.Key Laboratory of Smart Grid (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China； 4.Tianjin TDQS Power New Technology Co.， Ltd., Tianjin 300384, China)

Power Supply Model (PSM) of MV distribution system which is learned from typical PSM abroad is presented to resolve the problem that current research only focus on feeder connection mode so as to neglect substation structure in different landform and load density. First, the characteristics of PSM in foreign cities are analyzed. Then, PSM is defined and its advantages are summarized. Second, the method and principle of PSM construction is presented and the features which should be taken into consideration in the selection of PSM is also analyzed. Finally, the expansion of PSM is studied. The PSM offers guidance to the planning of prospective target frameworks of medium voltage distribution network.

distribution network； network structure； power supply model； connection mode

2011-03-04；

2011-10-12

TM7

A

1003-8930(2011)06-0116-05

林 韓(1958-)，男，博士，總工程師，主要從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)、運行和電力企業(yè)與科技管理工作以及系統(tǒng)分析、繼電保護等研究工作。Email:lin_han@fj.sgcc.com.cn 陳 彬(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事城市電網(wǎng)規(guī)劃與改造方面的研究。Email:cb_fz@163.com 吳 涵(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事城市電網(wǎng)規(guī)劃與改造研究。Email:wuhan1307@qq.com 葛少云(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市電網(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行和配電系統(tǒng)自動化等方面的研究和教學(xué)工作。Email:syge@tju.edu.cn