葛少云，韓 俊，劉 洪，劉 陽(yáng)，王賽一，朱永衛(wèi)，程正敏，梁憶辰

（1.天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.上海市電力公司 市區(qū)供電公司，上海 200080）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架一直存在著復(fù)雜、參差不齊的狀態(tài)，主要是由于地區(qū)負(fù)荷發(fā)展不平衡以及中低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架沒(méi)有統(tǒng)一、整體的規(guī)劃所造成的。對(duì)于管理調(diào)度[1-2]的方便性和配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性[3-5]而言，這種運(yùn)行狀態(tài)都是有隱患的。

目前關(guān)于10kV中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[6-8]的研究工作，主要體現(xiàn)在接線模式[9-14]的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面。這些都是針對(duì)10kV線路本身所展開(kāi)的研究，并沒(méi)有充分考慮110kV／35kV變電站與10kV線路間的關(guān)系，另外，10kV接線模式涉及到的大多數(shù)是主干線路，而對(duì)于從開(kāi)關(guān)站分出來(lái)的次級(jí)10kV線路的研究并不多，沒(méi)有相關(guān)成形的結(jié)論，這也是10kV配電網(wǎng)復(fù)雜混亂的原因所在。因此，有必要對(duì)10kV中壓配電網(wǎng)主、次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及功能特性開(kāi)展相關(guān)研究工作。

鑒于當(dāng)前城市的中心城區(qū)配電網(wǎng)對(duì)供電能力、供電可靠性及城市美觀建設(shè)的需求，10kV中壓電網(wǎng)常常采用電纜線路進(jìn)開(kāi)關(guān)站的供電模式，而現(xiàn)有的中低壓配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則沒(méi)有對(duì)110kV／35kV變電站與開(kāi)關(guān)站的數(shù)量配置關(guān)系、落點(diǎn)、站間聯(lián)絡(luò)的開(kāi)關(guān)站比例、開(kāi)關(guān)站次級(jí)10kV出線配置及裝接配變?nèi)萘看笮〉葐?wèn)題做出相關(guān)明確的規(guī)定。因此，有必要針對(duì)中心城區(qū)配電網(wǎng)的特點(diǎn)及需求構(gòu)建10kV主、次級(jí)網(wǎng)絡(luò)分析模型，為城區(qū)中壓配電網(wǎng)的建設(shè)和精益化管理提供理論指導(dǎo)。限于篇幅，本文重點(diǎn)對(duì)基于開(kāi)關(guān)站供電模式的10kV主干網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展相關(guān)模型的構(gòu)建及算例分析，相關(guān)結(jié)論可以對(duì)中心城區(qū)中低壓配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則的修訂提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 中壓配電網(wǎng)主、次級(jí)網(wǎng)絡(luò)概念的界定

1.1 中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的概念

文獻(xiàn)[15-16]首次提出了中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的基本原則，依據(jù)網(wǎng)架的聯(lián)絡(luò)關(guān)系和供電能力，將該配電電壓層級(jí)再分若干層次；依據(jù)電網(wǎng)建設(shè)的具體區(qū)域性質(zhì)，將該配電電壓層級(jí)劃分為若干區(qū)域，使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)明晰，管理調(diào)度易于進(jìn)行。

1.2 10kV主干網(wǎng)絡(luò)概念的界定

所謂主干網(wǎng)絡(luò)，即從110kV或35kV變電站低壓側(cè)所出的10kV主干線路，主要包括10kV專用線路、K型站及P型站的電源進(jìn)線、架空主干線路等。本文研究構(gòu)建以K型站供電模式為主的主干網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 主干網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of backbone network

1.3 10kV次級(jí)網(wǎng)絡(luò)概念的界定

所謂次級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要指K型站、P型站出線所構(gòu)成的10kV網(wǎng)絡(luò)。次級(jí)網(wǎng)絡(luò)在主變負(fù)荷的分配及如何釋放等方面起著重要的作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 次級(jí)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Schematic diagram of secondary network

特別要指出的是，本文研究的K型站指普通開(kāi)關(guān)站，10kV線路一般采用二進(jìn)十出模式；P型站土建規(guī)模及站內(nèi)配變?nèi)萘勘菿型站稍小，10kV線路一般采用二進(jìn)六（八）出模式；WX型站指的是一般意義上的箱變。

2 主干網(wǎng)絡(luò)分析模型的構(gòu)建與求解

本文所提出的主干網(wǎng)絡(luò)分析模型主要圍繞變電站與K型站間的聯(lián)絡(luò)及空間布局來(lái)構(gòu)建各部分的分析模型，主要包括以下2個(gè)方面：變電站與K型站規(guī)模配置的分析模型；變電站與K型站空間布局的約束性模型。這兩部分計(jì)算模型對(duì)配電網(wǎng)供電能力的提升、變電站及K型站供電范圍的合理劃分都有著重要的指導(dǎo)意義。

2.1 變電站與K型站規(guī)模配置的分析模型

通過(guò)變電站與K型站規(guī)模配置分析模型的構(gòu)建與求解，可以計(jì)算出供電塊內(nèi)變電站在滿足供電能力、站間聯(lián)絡(luò)通道數(shù)等約束條件下主變站間的10kV負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的大小。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合K型站供電模式的特點(diǎn)，可以計(jì)算出變電站裝接K型站的數(shù)量及不同電源進(jìn)線的K型站數(shù)量配置情況，相關(guān)結(jié)論對(duì)于10kV網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的提升及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)范和統(tǒng)一有著重要的指導(dǎo)意義。

2.1.1 供電能力理論分析方法

文獻(xiàn)[17-18]提出了基于主變互聯(lián)和N-1準(zhǔn)則的配電系統(tǒng)供電能力計(jì)算方法，該方法從主變聯(lián)絡(luò)單元入手展開(kāi)供電能力分析，抓住了配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移能力的基本特點(diǎn)，為面向供電能力提高的主變站間聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

2.1.2 主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)置的一般模型

針對(duì)含有多座變電站的供電塊，如何建立供電塊內(nèi)變電站及主變間合理的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，確保整個(gè)供電塊達(dá)到高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的供電效果是建立中心城區(qū)精品化目標(biāo)網(wǎng)架所關(guān)心的問(wèn)題。主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)置問(wèn)題本質(zhì)上就是基于給定目標(biāo)條件下的主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣L的尋優(yōu)過(guò)程。

結(jié)合當(dāng)前城市配電網(wǎng)在發(fā)展過(guò)程中遇到的問(wèn)題，本文以供電能力、主變聯(lián)絡(luò)通道數(shù)及區(qū)域聯(lián)絡(luò)通道總長(zhǎng)度為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建基于多目標(biāo)的主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，如式（1）—（6）所示。

其中，psc（·）為供電能力綜合分析函數(shù)；L為表示主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系的對(duì)稱矩陣，lij表示i號(hào)和j號(hào)主變間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，NΣ為區(qū)域主變總數(shù)；dij為主變間聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度（可由變電站地理坐標(biāo)計(jì)算得出）；dlim為變電站主變間允許建立聯(lián)絡(luò)通道的長(zhǎng)度上限（距離太遠(yuǎn)的變電站間不建議設(shè)立聯(lián)絡(luò)）；δ1為供電塊內(nèi)同站主變站間全局聯(lián)絡(luò)通道數(shù)的均衡性約束；δ2為任意兩變電站同站主變站間聯(lián)絡(luò)通道數(shù)的均衡性約束；Ds為主變站間聯(lián)絡(luò)總數(shù)上限，一般聯(lián)絡(luò)度數(shù)控制在5及以下；a、b為供電塊內(nèi)任意2座變電站的編號(hào)；Ω1a為供電塊內(nèi)第a座變電站的站內(nèi)主變集合。

式（1）表示滿足供電能力最大、聯(lián)絡(luò)通道數(shù)最少、聯(lián)絡(luò)通道總長(zhǎng)度最小3個(gè)目標(biāo)函數(shù)；式（2）和（3）表示初始聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣中變量的生成；式（4）和（5）為主變?nèi)趾途植康恼鹃g聯(lián)絡(luò)均衡性約束；式（6）為主變站間聯(lián)絡(luò)通道總數(shù)約束。

2.1.3 基于主變互聯(lián)的典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型的構(gòu)建

針對(duì)主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析一般性模型所關(guān)注的一系列重要指標(biāo)，本文結(jié)合文獻(xiàn)[19]的相關(guān)工作，主要從互聯(lián)變電站座數(shù)、站內(nèi)主變配置、主變站間聯(lián)絡(luò)關(guān)系、聯(lián)絡(luò)容量大小這4個(gè)維度信息來(lái)構(gòu)建典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型。

為簡(jiǎn)化供電塊聯(lián)絡(luò)關(guān)系的計(jì)算分析過(guò)程，本文針對(duì)聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的邊界條件如下：

a.由于互聯(lián)變電站座數(shù)一般不宜超過(guò)4座，因此本文選取了含2～4座變電站（站內(nèi)主變配置一般為2～3臺(tái)）互聯(lián)的供電塊，同時(shí)將互聯(lián)變電站座數(shù)與站內(nèi)主變配置2個(gè)維度合并，形成2×2、2×3、3×2、3×3、4×2、4×3這 6 種“變電站-主變”的組合模式；

b.假設(shè)供電塊內(nèi)變電站主變?nèi)萘烤嗤?，大小?S，單位為 MV·A；

c.不考慮供電塊內(nèi)變電站間距離的差異性，即認(rèn)為供電塊內(nèi)變電站間的相互距離dij均一致，且均未超過(guò)dlim；

d.取δ1=δ2=0，即供電塊內(nèi)任意變電站主變的站間聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全均衡。

以式（1）—（6）所提出的主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，以基于2～4座變電站互聯(lián)的供電塊的相關(guān)信息為初始數(shù)據(jù)，采用遺傳算法進(jìn)行模型的求解，得出各種“變電站-主變”的組合模式下主變站間的最大負(fù)載率水平、最小聯(lián)絡(luò)通道數(shù)及滿足主變N-1校驗(yàn)時(shí)所需的站間聯(lián)絡(luò)容量大小，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基于2～4座變電站互聯(lián)的典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型的構(gòu)建Tab.1 Construction of contact model for typical power block with 2～4 interconnected substations

以兩主變?yōu)槔?，?對(duì)應(yīng)的最優(yōu)聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣如式（7）—（9）所示，對(duì)應(yīng)的主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.1.4 變電站與K型站數(shù)量配置的實(shí)際案例分析

通過(guò)典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型的構(gòu)建，得出了各“變電站-主變”組合模式下的主變平均負(fù)載率水平、站間聯(lián)絡(luò)通道數(shù)及聯(lián)絡(luò)容量大小等指標(biāo)，結(jié)合中心城區(qū)以K型站供電模式為主的特點(diǎn)，可以得到各種典型供電塊聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，整個(gè)供電區(qū)域共需建設(shè)的K型站數(shù)目、不同電源進(jìn)線的K型站的數(shù)目及比例，由此確定不同供電塊下10kV主干網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。

圖3 主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Interconnection of primary transformers

根據(jù)某大型城市的中心城區(qū)配電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，本文選取主變的允許短時(shí)過(guò)載系數(shù)為1.3，主變?nèi)萘糠謩e取40 MV·A和50 MV·A，中壓電纜線路載流量為400 A。

a.變電站與K型站數(shù)量配置分析與計(jì)算。

基于各供電模型和不同約束條件下變電站與K型站數(shù)量配置分析結(jié)果見(jiàn)表2，其中X、Y、Z分別為主變站間聯(lián)絡(luò)的K型站數(shù)量、整個(gè)區(qū)域K型站數(shù)量和整個(gè)供電區(qū)域不同電源進(jìn)線K型站數(shù)量。表2中：各典型供電模型下的主變負(fù)載率能滿足區(qū)域供電能力達(dá)到最大，因此可以看成是各典型模型在各自尖峰負(fù)荷下的負(fù)載率水平；變電站10kV出線中，用戶專線比例設(shè)為20%，其他出線都為K型站電源進(jìn)線。

表2 不同供電模型的變電站與K型站數(shù)量配置結(jié)果Tab.2 Results of substation and K-station configuration for different power supply models

b.不同電源進(jìn)線的K型站所占比例分析。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，分析不同供電塊下，主變采用不同容量時(shí)，K型站電源線來(lái)自不同變電站的情況及所占比例，結(jié)果如表3所示。

表3 不同電源進(jìn)線K型站所占比例Tab.3 Proportion of K-stations for different in-feed power lines

從表3可以看出，當(dāng)主變?nèi)萘繛?0 MV·A時(shí)，為滿足10kV網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的需求，各典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型中電源進(jìn)線來(lái)自不同變電站的K型站所占比例至少需達(dá)25%；當(dāng)主變?nèi)萘繛?0 MV·A時(shí)，各典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型中電源進(jìn)線來(lái)自不同變電站的K型站所占比例則至少需達(dá)30%。

2.2 變電站及K型站空間布局的約束性分析模型

為了避免由長(zhǎng)距離供電所造成的線路損耗過(guò)大、供電質(zhì)量降低等問(wèn)題，通過(guò)確定變電站和K型站的合理供電范圍，來(lái)提高供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。變電站供電半徑與K型站空間布局約束性分析模型的基本框架如圖4所示。

2.2.1 變電站及K型站的供電半徑計(jì)算模型

本次研究以圓形供電模型為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行分析，即可認(rèn)為變電站或K型站的供電范圍為圓形區(qū)域，變電站或K型站的位置落在圓心處。

圖4 變電站及K型站空間布局的約束性分析模型Fig.4 Binding analysis model of space distribution for substations and K-stations

設(shè)變電站每臺(tái)主變或K型站電源進(jìn)線的容量為S，站內(nèi)主變臺(tái)數(shù)或電源進(jìn)線數(shù)目為n，主變或線路的負(fù)載率為T，供電半徑為r，假定供電區(qū)域負(fù)荷密度均勻且都為M，主變或線路的功率因數(shù)為cos φ，所構(gòu)建的圓形供電模型如圖5所示。

圖5 變電站及K型站的圓形供電模型圖Fig.5 Circular power supply model of substations and K-stations

變電站或K型站的供電半徑與主變或電源進(jìn)線的負(fù)荷供應(yīng)能力的開(kāi)方成正比，與負(fù)荷密度的開(kāi)方成反比，計(jì)算方法如式（10）所示。

2.2.2 變電站與K型站位置的計(jì)算分析

設(shè)變電站主變臺(tái)數(shù)為n，主變?nèi)萘繛镾，主變的運(yùn)行負(fù)載率為T，功率因數(shù)為cos φ，變電站的供電半徑為r；設(shè)K型站電源進(jìn)線數(shù)目為n1，電源進(jìn)線容量為 S1，線路負(fù)載率為 T1，線路功率因數(shù)為 cos φ1，K 型站的供電半徑為r1，供電區(qū)域內(nèi)平均負(fù)荷密度為M。

由于K型站的供電區(qū)域落在變電站的供電區(qū)域內(nèi)，從幾何的角度上當(dāng)K型站的圓形供電區(qū)域與變電站的圓形供電區(qū)域相內(nèi)切（圖5）時(shí)，K型站與變電站的距離最遠(yuǎn)，此距離可稱為變電站與K型站間的距離上限dlim，計(jì)算方法如下：

2.2.3 K型站間相對(duì)位置的計(jì)算分析

如圖6所示，當(dāng)3座K型站的圓形供電區(qū)域相切時(shí)，必然會(huì)造成一部分供電死區(qū)，因此還需進(jìn)一步縮小K型站間的距離，但該距離也不能太小，以免造成大范圍供電重疊。因此，必須尋求合適的距離區(qū)間來(lái)設(shè)置K型站間的相對(duì)位置，使得各K型站的供電重疊區(qū)域最小。

圖6 基于圓形供電模型的K型站相對(duì)位置分析Fig.6 Relative position analysis based on circular power supply model for K-stations

K型站站間距離dk約束范圍的分析流程如圖7所示，虛線框中過(guò)程的目的是消除供電死區(qū)，且使得供電重疊區(qū)域最小。

圖7 K型站站間合適的距離區(qū)間分析流程Fig.7 Analysis of suitable interval between K-stations

2.2.4 變電站及K型站空間布局的實(shí)際案例分析

結(jié)合某大型城市的中心城區(qū)配電網(wǎng)實(shí)際情況，主變?nèi)萘咳?0 MV·A和50 MV·A，主變的功率因數(shù)取0.95，中壓電纜線路載流量為400 A，線路的功率因數(shù)取0.95，供電區(qū)域內(nèi)的平均負(fù)荷密度M取70 MW／km2、50 MW／km2、30 MW／km2。

a.變電站與K型站的距離上限dlim的分析。

基于不同供電塊聯(lián)絡(luò)模型和約束條件下變電站與K型站的距離上限dlim的分析結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，當(dāng)主變?nèi)萘繛?0 MV·A時(shí)，變電站與K型站的距離應(yīng)控制在0.8 km以內(nèi)；當(dāng)主變?nèi)萘繛?0 MV·A時(shí)，變電站與K型站的距離應(yīng)控制在1 km以內(nèi)。

b.K型站與K型站間距離范圍dk的分析。

表4 變電站與K型站距離上限分析結(jié)果Tab.4 Upper limits of interval between substations or K-stations

不同負(fù)荷密度下K型站間合適的距離區(qū)間的分析結(jié)果為：負(fù)荷密度30 MW／km2，距離區(qū)間[0.47，0.54]km；負(fù)荷密度 50MW／km2，距離區(qū)間[0.36，0.42]km；負(fù)荷密度 70 MW／km2，距離區(qū)間[0.31，0.35]km。

從分析結(jié)果可以看出，在不同負(fù)荷密度水平（30～70 MW／km2）下，K 型站與 K 型站間的距離應(yīng)控制在300～550 m之間比較合適。

3 結(jié)論

本文基于中心城區(qū)配電網(wǎng)10kV主干網(wǎng)絡(luò)分析模型的研究主要做了如下工作。

a.結(jié)合中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的基本原則，定義了K型站供電模式下的10kV主干網(wǎng)絡(luò)和次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的基本概念，進(jìn)一步細(xì)化和明確了基于中心城區(qū)特色的10kV中壓配電網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)及功能定位。

b.以供電能力理論計(jì)算方法和供電塊內(nèi)主變聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，建立了基于K型站供電模式下的典型供電塊聯(lián)絡(luò)模型、變電站及K型站空間布局的約束性分析模型，為10kV主干網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力水平的提高及供電范圍的合理規(guī)劃奠定了理論基礎(chǔ)。

c.根據(jù)某大型城市的中心城區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)情，選取合適的參數(shù)對(duì)各模型進(jìn)行計(jì)算和分析，得到了各種典型供電模型在不同主變?nèi)萘亢拓?fù)荷密度情況下及站間聯(lián)絡(luò)K型站的設(shè)置比例、變電站與K型站及K型站間合適的距離區(qū)間，相關(guān)結(jié)論可以對(duì)中心城區(qū)中低壓配電網(wǎng)的建設(shè)和精益化管理、中低壓配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則的修訂提供指導(dǎo)意見(jiàn)。