馬 龍，楊建華，方 芹，蘇 劍，韋 濤，劉 軍

(1．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

在配電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行及調(diào)度時(shí)，通常要采用“N－1”安全準(zhǔn)則進(jìn)行配電網(wǎng)接線模式評(píng)估［1，2］。目前，在輸電網(wǎng)中已經(jīng)形成了比較成熟的“N －1”安全準(zhǔn)則校驗(yàn)方法［3，4］，但中壓配電網(wǎng)通常具有閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的特點(diǎn)，一些常閉、常開(kāi)開(kāi)關(guān)分別構(gòu)成分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。因此，中壓配電網(wǎng)“N－1”安全準(zhǔn)則的接線模式評(píng)估與輸電網(wǎng)有所不同，它主要是面向用戶，在電氣元件發(fā)生故障后，對(duì)能否通過(guò)分段、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)隔離故障區(qū)域，并恢復(fù)未故障區(qū)域供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供、線路不過(guò)載和用戶電壓不越限等方面進(jìn)行分析［2，5］。對(duì)于中壓配電網(wǎng)綜合評(píng)估，雖然提出了一定的量化指標(biāo)［2，6］，但是由于配電網(wǎng)涉及面廣、信息量大，所以并沒(méi)有將這些指標(biāo)嚴(yán)格應(yīng)用于實(shí)際規(guī)劃工程中。已有的研究成果中，文獻(xiàn)［7］探討了城市10 kV 配電網(wǎng)的各典型網(wǎng)架接線模式，提出了在電網(wǎng)發(fā)展各個(gè)時(shí)期應(yīng)該采用的接線模式;文獻(xiàn)［8］針對(duì)供電能力、供電質(zhì)量、轉(zhuǎn)供能力、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性5 個(gè)方面建立了供電模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)典型供電模型進(jìn)行了評(píng)價(jià);文獻(xiàn)［9］綜述了配電網(wǎng)各種接線方式的特點(diǎn)，從可靠性、利用率、投資等方面對(duì)接線方式進(jìn)行了比較;文獻(xiàn)［10］考慮中壓配電網(wǎng)的網(wǎng)損和可靠性指標(biāo)，建立配電網(wǎng)故障重構(gòu)評(píng)估的數(shù)學(xué)模型，分析接線模式的優(yōu)缺點(diǎn);文獻(xiàn)［11］針對(duì)供電能力、供電質(zhì)量、轉(zhuǎn)供能力、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性5 個(gè)方面建立了供電模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)典型供電模型進(jìn)行了評(píng)價(jià);文獻(xiàn)［12］計(jì)算各種典型接線模式在不同負(fù)荷密度下的可靠性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，由此確定該負(fù)荷密度下各接線模式的最優(yōu)分段數(shù)。這些文獻(xiàn)尚缺乏在變壓器和中壓線路故障后，應(yīng)用“N －1”安全準(zhǔn)則對(duì)中壓配電網(wǎng)任意接線模式的全面應(yīng)用分析。

本文在評(píng)述閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的中壓配電網(wǎng)接線模式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用深度優(yōu)先搜索的拓?fù)浞椒▽?duì)線路故障后負(fù)荷轉(zhuǎn)供方案進(jìn)行分析，提出滿足“N－1”安全準(zhǔn)則的多種轉(zhuǎn)供方案;當(dāng)單饋線無(wú)法承擔(dān)轉(zhuǎn)供負(fù)荷時(shí)，可以提出多饋線分擔(dān)轉(zhuǎn)供負(fù)荷的方案。評(píng)估過(guò)程不僅可以處理配電網(wǎng)故障后任意饋線轉(zhuǎn)供負(fù)荷情況，而且能夠解決故障后雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)切負(fù)荷對(duì)線路載流量預(yù)度影響的問(wèn)題。此外，對(duì)變壓器故障后負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式進(jìn)行了分析，以達(dá)到應(yīng)用“N－1”安全準(zhǔn)則對(duì)中壓配電網(wǎng)任意接線模式進(jìn)行全面分析和評(píng)估的目的。

1 配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計(jì)的主要接線模式

對(duì)于單電源輻射式接線模式的中壓配電網(wǎng)，雖然其接線簡(jiǎn)單清晰、運(yùn)行方便、建設(shè)投資省，主干線路可以分3，4 段，當(dāng)線路或設(shè)備故障、檢修時(shí)，有些情況下可以通過(guò)重合器、分段器達(dá)到自動(dòng)隔離和恢復(fù)供電的目的，但總體供電可靠性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)線路故障后的負(fù)荷轉(zhuǎn)移。對(duì)于閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的中壓配電網(wǎng)，電力線路采用架空線結(jié)構(gòu)和電纜結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到電纜結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的需求等因素，導(dǎo)致這兩種結(jié)構(gòu)的接線方案有所不同［13，14］。

1.1 架空線結(jié)構(gòu)

架空線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行“N－1”安全準(zhǔn)則評(píng)估的中壓配電網(wǎng)接線模式主要為“手拉手”接線模式，如圖1 所示，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性比單電源輻射式接線模式提高，運(yùn)行靈活。該接線模式包括多個(gè)分段開(kāi)關(guān)、單個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。根據(jù)需要也可以將該模式逐步過(guò)渡到多分段、多聯(lián)絡(luò)的模式。同時(shí)根據(jù)配電區(qū)域內(nèi)供電可靠性以及負(fù)荷發(fā)展的要求，最終向網(wǎng)格式(多電源“#”字網(wǎng)架)或N 供1備方式轉(zhuǎn)變。

圖1 手拉手接線方式示意圖Fig．1 Connection mode of hand in hand

1.2 電纜結(jié)構(gòu)

電纜結(jié)構(gòu)時(shí)，第一類配電網(wǎng)接線模式為單側(cè)電源雙射式，如圖2 所示，每一用戶配置至少兩臺(tái)配電變壓器，可以通過(guò)自動(dòng)投切開(kāi)關(guān)保證其供電可靠性。第二類為單環(huán)形接線，如圖3 所示，電源取自兩段母線，也可以取自同一母線或不同變電站，網(wǎng)絡(luò)中任何一段電纜檢修時(shí)不會(huì)造成任意一用戶停電。第三類為雙環(huán)形接線，如圖4 所示，每臺(tái)配電變壓器都可以從一個(gè)獨(dú)立環(huán)網(wǎng)取得電源，可靠性更高。第四類配電網(wǎng)接線模式為雙電源雙“T”形接線，如圖5 所示，兩回線分別接自不同的母線，線路并行敷設(shè)，而每一個(gè)用戶可以從兩回電纜上取得電源。

圖5 雙電源雙“T”型接線方式Fig．5 Connection mode of dual sources with double T type

2 配電網(wǎng)接線方式評(píng)估方式

2.1 變電站的“N－1”準(zhǔn)則評(píng)估

定義如下“1 －0”函數(shù):

式中:L1，L2，L3分別表示不同的參量。

對(duì)任意變電站i，假定其承擔(dān)負(fù)荷最多或最大容量的變壓器退出運(yùn)行，所需轉(zhuǎn)供負(fù)荷大小為Si，站內(nèi)其他變壓器所能轉(zhuǎn)帶負(fù)荷為STi，其他變電站通過(guò)中壓配電線路的聯(lián)絡(luò)關(guān)系所能轉(zhuǎn)帶負(fù)荷為SLi，判斷“1 －0”函數(shù)f (Si，STi，SLi)取值。如果f (Si，STi，SLi) =1，則認(rèn)為該座變電站滿足“N－1”安全準(zhǔn)則;否則，f (Si，STi，SLi) =0，該表示變電站不能滿足“N－1”安全準(zhǔn)則。

為使變壓器“N－1”準(zhǔn)則通過(guò)率提升，應(yīng)加強(qiáng)變電站之間配電線路的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，以保證當(dāng)有一臺(tái)主變壓器停運(yùn)時(shí)，通過(guò)配電網(wǎng)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，其余變壓器不至于長(zhǎng)時(shí)超載［15］。

2.2 配電線路的“N－1”準(zhǔn)則評(píng)估

由配電線路的導(dǎo)線允許載流量和額定電壓可以確定線路的額定容量Slim，線路的負(fù)載率αratio為

式中:PL為線路通過(guò)的實(shí)際有功負(fù)荷;cosφ 為功率因數(shù)。

αratio的約束值可以取為100%或其他由實(shí)際情況而定的值。如果饋線j 供電的任一區(qū)段線路故障后，配電網(wǎng)重構(gòu)，通過(guò)分段、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)隔離故障區(qū)域，可以由其他饋線實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，恢復(fù)未故障區(qū)域供電，并且其他饋線的線路負(fù)載率不大于線路負(fù)載率約束值，則表明饋線j 通過(guò)“N－1”安全準(zhǔn)則評(píng)估［2］。

為了在線路故障重構(gòu)中盡量減少失電負(fù)荷，在正常工作情況下，αratio應(yīng)該有所控制。例如，取αratio的約束值為100%，在圖1 所示的“手拉手”接線模式中，假定聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)兩側(cè)的負(fù)荷大小基本相同，則母線出口的線路應(yīng)控制αratio≤50%;在圖2 所示的單環(huán)形接線模式中，假定各負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷大小基本相同，則母線1 出口的線路應(yīng)控制αratio≤40%，母線2 出口的線路應(yīng)控制αratio≤60%。

如果負(fù)荷安裝了雙電源自動(dòng)投切開(kāi)關(guān)，則當(dāng)配電網(wǎng)中線路出現(xiàn)故障后，首先要將雙電源用戶的負(fù)荷進(jìn)行投切、轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行其他用電用戶的轉(zhuǎn)供，最后進(jìn)行線路負(fù)載率的校驗(yàn)。

在單饋線或電源無(wú)法承擔(dān)轉(zhuǎn)供負(fù)荷時(shí)，需提出多饋線分擔(dān)轉(zhuǎn)供負(fù)荷的方案，實(shí)現(xiàn)多饋線組合分擔(dān)轉(zhuǎn)供負(fù)荷，相應(yīng)的流程圖如圖6 所示。

圖6 多電源分?jǐn)傌?fù)荷流程圖Fig．6 Flow diagram of multiple feeders sharing

3 算例及分析

某市部分10 kV 配電網(wǎng)電氣接線圖如圖7 所示，10 kV 線路聯(lián)絡(luò)情況如表1 所示。

圖7 某市配電網(wǎng)的部分接線圖Fig．7 Part diagram of distribution network in a city

表1 10 kV 線路聯(lián)絡(luò)情況Tab．1 Situation of 10 kV line contact

考慮負(fù)荷增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)精度和中壓配電網(wǎng)運(yùn)行方式等因素，如果在圖7 配電網(wǎng)中線路負(fù)載率約束值取為65%，則線路故障重構(gòu)“N －1”安全準(zhǔn)則評(píng)估的部分計(jì)算結(jié)果如表2 所示，10 kV 饋線“N －1”安全準(zhǔn)則評(píng)估通過(guò)率為66.7%，其中堯化門(mén)和堯新兩條饋線未通過(guò)“N －1”準(zhǔn)則評(píng)估。饋線未通過(guò)“N－1”安全準(zhǔn)則評(píng)估的原因主要有兩個(gè):

(1)饋線含有無(wú)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的支路上。對(duì)這些線路應(yīng)隨著負(fù)荷的發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)的改造，增加與其聯(lián)絡(luò)的饋線線路。

(2)饋線與其他饋線有聯(lián)絡(luò)線路，但該饋線所帶負(fù)荷較重，或者與之聯(lián)絡(luò)的饋線轉(zhuǎn)帶能力不足，導(dǎo)致該饋線負(fù)荷無(wú)法完全轉(zhuǎn)移出去。對(duì)這些線路可以適當(dāng)切改線路負(fù)荷或增加新的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，以便通過(guò)“N－1”準(zhǔn)則評(píng)估。

表2 線路“N－1”準(zhǔn)則評(píng)估的部分結(jié)果Tab．2 Part results of line N－1 criterion evaluation

在圖7 中變電站的“N －1”準(zhǔn)則評(píng)估結(jié)果如表3 所示。

表3 變電站“N－1”準(zhǔn)則評(píng)估Tab．3 Substation N－1 criterion evaluation

從表3 中可以看出，其中一個(gè)變電站不能滿足“N －1”安全準(zhǔn)則，其主要原因是能通過(guò)10 kV 線路轉(zhuǎn)帶的負(fù)荷較少，這就從側(cè)面反映出中壓配電網(wǎng)接線模式的不合理性?？梢酝ㄟ^(guò)如下措施提高中壓配電網(wǎng)的“N－1”安全準(zhǔn)則通過(guò)率:

(1)提高單位變電站容量?？梢栽黾幼冸娬菊緝?nèi)主變壓器臺(tái)數(shù)或增加主變?nèi)萘?，從而通過(guò)提高變電站的站內(nèi)供電能力來(lái)達(dá)到提高整個(gè)電網(wǎng)供電能力的目的。

(2)提高中壓配電線路的容量?？梢栽黾又袎号潆娋€路的條數(shù)或提高單條配電線路的導(dǎo)線截面積。中壓配電線路的出線條數(shù)要根據(jù)變電站容量以及負(fù)荷情況確定，在變電站建設(shè)初期，負(fù)荷較小時(shí)，可以預(yù)留出線間隔。待負(fù)荷增大以后，可以通過(guò)增加中壓出線的方法來(lái)增大中壓配電線路供電能力。

(3)提高中壓配電線路的聯(lián)絡(luò)數(shù)。采用合理有效的中壓配電線路接線模式，既可以在很大程度上提高中壓配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，也能提高電網(wǎng)的供電能力。但中壓配電線路的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)數(shù)過(guò)多，投資較高，維護(hù)工作量加大，運(yùn)行操作較為復(fù)雜，在實(shí)際工程中并不利于提高中壓配電線路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。因此，對(duì)于中壓配電饋電線路的每個(gè)分段區(qū)域，一般配置1 ～2 個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)較為合理。

4 結(jié)論

中壓配電網(wǎng)接線模式是配電網(wǎng)規(guī)劃和配電自動(dòng)化研究領(lǐng)域中的重要組成部分，各接線模式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，應(yīng)根據(jù)具體情況，結(jié)合實(shí)際要求，選擇相應(yīng)的合理接線模式。變電站之間的“手拉手”接線方式既能提高供電可靠性，又能有效地利用主變?nèi)萘?，提升中壓配電網(wǎng)供電能力。多分段、每個(gè)分段配置1 ～2 個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的接線模式運(yùn)行靈活、可靠性高，在實(shí)際工程中應(yīng)得到更廣泛的應(yīng)用。本文依據(jù)配電網(wǎng)“N－1”安全準(zhǔn)則，所開(kāi)發(fā)的中壓配電網(wǎng)變電站、線路“N－1”安全準(zhǔn)則評(píng)估分析軟件，可以較全面地分析和評(píng)估變壓器、線路故障后的負(fù)荷轉(zhuǎn)供情況，提供可能的轉(zhuǎn)供饋線、需閉合的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、需分?jǐn)嗟姆侄伍_(kāi)關(guān)、實(shí)際轉(zhuǎn)帶負(fù)荷大小等相關(guān)數(shù)據(jù)，為中壓配電網(wǎng)整改方案、綜合評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

［1］Q/GDW 156-2006，城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］．

［2］Q/GDW 565-2010，城市配電網(wǎng)運(yùn)行水平和供電能力評(píng)估導(dǎo)則［S］．

［3］Silva I J，Rider M J，Romero R，et al．Transmission network expansion planning with security constraints ［J］．IEEE Proceedings of Generation，Transmission and Distribution，2005，152 (6):828-836．

［4］Kazerooni A K，Mutale J．Transmission network planning under security and environmental constraints ［J］．IEEE Transaction on Power System， 2010， 25 (2):1169-1178．

［5］潘晶．城市配電網(wǎng)規(guī)劃自動(dòng)N－1 校驗(yàn)研究［D］．天津:天津大學(xué)，2008．

［6］Heydt G T，Graf T J．Distribution system reliability evaluation using enhanced samples in a monte carlo approach［J］．IEEE Transaction on Power System，2010，25 (4):2006-2008．

［7］孫立峰．城市電網(wǎng)規(guī)劃中10 kV 配電網(wǎng)接線模式研究［J］．電力科學(xué)與工程，2009，25 (12):69-72．Sun Lifeng．Research on connection mode of 10 kV distribution network in city power network layout ［J］．Electric Power Science and Engineering，2009，25 (12):69-72．

［8］葛少云，何文濤，劉洪，等．中壓配電系統(tǒng)供電模型綜合評(píng)價(jià)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40 (13):104-109．Ge Shaoyun，He Wentao，Liu Hong，et al．Comprehensive evaluation of power supply model of medium voltage distribution system ［J］．Power System Protection and Control，2012，40 (13):104-109．

［9］姚莉娜，張軍利，劉華，等．城市中壓配電網(wǎng)典型接線方式分析［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26 (7):26-29．Yao Lina，Zhang Junli，Liu Hua，et al．Analysis of typical connection modes of urban middle voltage distribution network ［J］．Electric Power Automation Equipment，2006，26 (7):26-29．

［10］Mendoza J E，Lopez M E，Coello C，et al．Microgenetic multiobjective reconfiguration algorithm considering power losses and reliability indices for medium voltage distribution network ［J］．Generation Transmission ＆ Distribution，2009，9 (3):825-840．

［11］歐陽(yáng)武，程浩忠，張秀彬，等．城市中壓配電網(wǎng)最大供電能力評(píng)估方法［J］．高電壓技術(shù)，2009，35(2):403-407．Ouyang Wu，Cheng Haozhong，Zhang Xiubin，et al．Evaluation method for maximum load capabi lity of urban medium-voltage distribution system ［J］．High Voltage Engineering，2009，35 (2):403-407．

［12］戴仲覆，高強(qiáng)，謝敏，等．城市中壓配電網(wǎng)典型接線模式的綜合評(píng)估［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5 (1):57-80．Dai Zhongfu，Gao Qiang，Xie Min，et al．A comprehensive evaluation of typical connection modes of urban medium-voltage distribution networks ［J］．Southern Power System Technology，2011，5 (1):57-80．

［13］Q/GDW 370-2009，城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則［S］．

［14］Q/CSG 1 0012-2005，中國(guó)南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則［S］．

［15］程浩忠，姜祥生．20 kV 配電網(wǎng)規(guī)劃與改造［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2010．99-105．