靳冰潔，張步涵，代曉康，邵 劍，葛騰宇，鄧韋斯，張凱敏

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

市區(qū)高壓配電網(wǎng)典型接線方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

靳冰潔，張步涵，代曉康，邵 劍，葛騰宇，鄧韋斯，張凱敏

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)頒布的最新配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則，建立均勻分布和條狀分布兩種分布模型，考慮基于N－1安全校驗(yàn)的不同接線方式下的線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成一套基于等年值和故障模式后果分析法（FMEA）的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法，通過(guò)對(duì)市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)典型接線方式進(jìn)行分析計(jì)算，得出典型接線方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，并給出不同情況下的推薦接線方案，不僅為現(xiàn)代市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較提供了完整可靠的方法，還為城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃工作提供了參考。

配電網(wǎng)規(guī)劃；分布模型；接線方式；經(jīng)濟(jì)性；可靠性

隨著電力需求的大幅增長(zhǎng)及用戶對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性要求的提高，城市配電網(wǎng)不同接線模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成為研究熱點(diǎn)［1－9］。目前，我國(guó)對(duì)配電網(wǎng)接線方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的研究主要集中在中壓配電網(wǎng)［1－4］，對(duì)高壓配網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的文獻(xiàn)相對(duì)較少，方法尚不成熟。城市高壓配電網(wǎng)作為城市配電網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)保證城市安全可靠供電起到至關(guān)重要的作用。因此，形成一套完整可靠的城市高壓配電網(wǎng)不同接線方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的方案和方法具有重要意義。文獻(xiàn)［6］通過(guò)對(duì)幾種高壓配電網(wǎng)接線方式可靠性、供電能力和網(wǎng)架過(guò)渡方案等進(jìn)行比較，給出了不同接線方式的適用范圍；文獻(xiàn)［7］提出了基于交流潮流的高壓配電網(wǎng)可靠性評(píng)估算法，對(duì)三種接線方式進(jìn)行了可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析。這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對(duì)高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，卻未考慮不同的分布模型，也沒(méi)有考慮不同接線方式下線路選型的問(wèn)題。在高壓配電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，考慮到地理環(huán)境、負(fù)荷分布等實(shí)際情況以及與中壓配電網(wǎng)總體規(guī)劃的配合問(wèn)題，有可能采用不同的負(fù)荷分布模型，因此，在研究接線方式的同時(shí)考慮不同的分布模型尤為重要。此外，從安全性角度考慮，即使同一種接線方式下不同位置的線路有可能采用不同的線路型號(hào)，從而在滿足系統(tǒng)安全性的前提下兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，在形成不同接線方式的比較方案時(shí)，與之密切相關(guān)的負(fù)荷分布模型及線路選型問(wèn)題都不容忽視。本文結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際情況，建立了均勻分布和條狀分布兩種典型分布模型，考慮基于N－1安全校驗(yàn)的不同接線方式線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成一套基于等年值和系統(tǒng)平均供電可靠率的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法，并通過(guò)具體算例驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 典型接線方案及邊界條件

本文通過(guò)調(diào)研我國(guó)現(xiàn)有電網(wǎng)實(shí)際情況，并結(jié)合地理環(huán)境、負(fù)荷分布等實(shí)際情況，建立了均勻分布和條狀分布兩種典型分布模型（圖1）。

圖1 兩種分布模型示意圖

實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷分布可以抽象成這兩種分布模型的組合，因此本文研究這兩種具有代表性的分布模型，經(jīng)推廣可應(yīng)用到實(shí)際復(fù)雜電網(wǎng)的分析。本文采用圓形供電模型（圓形半徑為R），考慮負(fù)荷密度大于10MW／km2的區(qū)域。

本文分析三種典型接線方式：3T型接線、完全雙鏈?zhǔn)浇泳€和不完全鏈?zhǔn)浇泳€，如圖2至圖4所示。

圖2 3T型接線方式示意圖

圖3 完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式示意圖

圖4 不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式示意圖

由于3T型接線方式主干線所帶110kV主變不宜超過(guò)3臺(tái)。本文考慮四座110kV變電站，每座變電站3臺(tái)主變，共12臺(tái)變壓器，故采用4條主干線的3T型接線方式。根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（Q／GDW1738－2012），在配電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中，110 kV線路導(dǎo)線截面的選取應(yīng)符合以下三條基本要求：

1）線路導(dǎo)線截面宜綜合飽和負(fù)荷狀況、線路全壽命周期選定；

2）線路導(dǎo)線截面應(yīng)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、變壓器容量和臺(tái)數(shù)相匹配；

3）線路導(dǎo)線截面應(yīng)按照安全電流裕度選取，并以經(jīng)濟(jì)載荷范圍校核。

根據(jù)以上3點(diǎn)要求并結(jié)合湖北電網(wǎng)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)3種接線方式進(jìn)行N－1校驗(yàn)，得到線路選型見(jiàn)表1，該選型滿足各接線方式最嚴(yán)重情況下N－1不掉電。計(jì)算時(shí)，線路和變壓器的功率因數(shù)取0.95；γ為變壓器的最大負(fù)載率，取87%（根據(jù)滿足N－1校驗(yàn)計(jì)算得到，并考慮最高30%過(guò)載運(yùn)行）。根據(jù)導(dǎo)則規(guī)范，110kV單臺(tái)主變?nèi)萘糠?0MVA和 63MVA兩種情況考慮，變壓器采用SFL 7－50000／110和SFPL7－63000／110兩種型號(hào)變壓器，變壓器和架空線路經(jīng)濟(jì)使用年限取25年。其他參數(shù)根據(jù)湖北電網(wǎng)實(shí)際情況得到。

表1 三種接線方式下線路選型

2 基礎(chǔ)計(jì)算

電源點(diǎn)的供電區(qū)域設(shè)為圓形，其半徑R、負(fù)荷密度σ、電源容量S和容載比K之間滿足：

城市高壓配電網(wǎng)變電容載比的選擇應(yīng)按城市級(jí)別確定，本文取為2.0，各段線路的長(zhǎng)度按圖5所示計(jì)算，實(shí)際線路長(zhǎng)度應(yīng)在此理想線路長(zhǎng)度基礎(chǔ)上乘以線路曲折系數(shù)。

圖5 線路長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

3 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性主要從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)經(jīng)濟(jì)性兩方面來(lái)考慮。電網(wǎng)的“運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性”主要是從運(yùn)行維護(hù)成本、系統(tǒng)損耗等角度進(jìn)行分析；電網(wǎng)的“建設(shè)經(jīng)濟(jì)性”主要從資金投入、成本回收年限和設(shè)備殘余價(jià)值等角度進(jìn)行分析。

3.1 建設(shè)費(fèi)用

典型接線的綜合投資費(fèi)用主要采用綜合造價(jià)估算綜合投資費(fèi)用。設(shè)總投資資金為Z，通過(guò)下式計(jì)算：

其中ZT為變電站投資費(fèi)用；ZS為開(kāi)關(guān)投資，由圖2至圖4可得不同接線方式變電站開(kāi)關(guān)及斷路器的數(shù)量，進(jìn)而可對(duì)其投資進(jìn)行計(jì)算；ZL為線路總投資，由下式計(jì)算：

式中，β為線路曲折系數(shù)，即用理想線路長(zhǎng)度估算實(shí)際線路長(zhǎng)度的比例系數(shù)，取1.2；Co為單位長(zhǎng)度線路投資（萬(wàn)元／km）；L為線路長(zhǎng)度（km）。通常將壽命期內(nèi)總投資金額用等年值法化為與其等值的年金或等額年成本：

Fn為投資費(fèi)用的等年值，k為電力工業(yè)貼現(xiàn)率，取0.1，n為設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限，Z為配電網(wǎng)的總投資費(fèi)用。設(shè)備殘值是指電力設(shè)備壽命周期結(jié)束時(shí)，設(shè)備所剩余的價(jià)值。設(shè)備殘余值通常由系統(tǒng)初始設(shè)備成本乘以設(shè)備凈殘值率得到：

ZRem為工程壽命期末的殘值。γRem為設(shè)備凈殘值率。設(shè)備殘余值發(fā)生在工程壽命期末，通常也將其折算為等年值進(jìn)行計(jì)算：

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用等于設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本加上損耗造成的費(fèi)用。設(shè)運(yùn)行費(fèi)用為ZR，可由下式計(jì)算：

其中ZTM為變電站運(yùn)行維護(hù)成本，ZLM為線路運(yùn)行維護(hù)成本，ZTloss為變壓器損耗造成的成本，ZLloss為線路損耗造成的成本。設(shè)備運(yùn)行維修費(fèi)貫穿于整個(gè)設(shè)備壽命周期內(nèi)，且相對(duì)穩(wěn)定。工程上通常以占總投資Z的比例系數(shù)λ給出：

本文采用最大負(fù)荷損耗時(shí)間法計(jì)算線路全年電能損耗

其中，τ為最大負(fù)荷損耗時(shí)間。將電能損耗乘以單位電能電價(jià)，得出總損失的費(fèi)用：

其中，α為電能電價(jià)，取0.478元／kWh。對(duì)于線路，其最大總有功損耗（kW）ΔPL按下式計(jì)算：

其中，Wij為線路上流過(guò)的最大有功功率；r為線路單位長(zhǎng)度電阻；U 為變電站高壓側(cè)母線的線電壓（kV）；cosφ為線路的功率因數(shù)；lij為實(shí)際供電線路的長(zhǎng)度（km）。對(duì)于變壓器，其電能損失總值ΔAT（kWh）的計(jì)算如下：

其中，ΔP0、ΔQ0為單臺(tái)變壓器的空載有功損耗（kW）、無(wú)功損耗（kVar），ΔP、ΔQ為單臺(tái)變壓器的短路有功損耗（kW）、無(wú)功損耗（kVar），T0為變壓器全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)（h），取8760（h），γ為變壓器負(fù)載率，取87%，τ為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)（h），取3530h，n為變壓器臺(tái)數(shù)，本文計(jì)算的4所變電站，每個(gè)變電站有3臺(tái)主變，共12臺(tái)變壓器，K為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取0.1kW／kVar。

折算成等年值后的總計(jì)算費(fèi)用ZF由下式計(jì)算：

將其折算成單位負(fù)荷年費(fèi)用如下式：

4 可靠性計(jì)算方法

用戶平均停電持續(xù)時(shí)間（AICH），供電可靠率（RS），用戶平均停電次數(shù)（AITC），系統(tǒng)停電等效小時(shí)數(shù)（SIEH），這四大指標(biāo)共同構(gòu)成了對(duì)各典型接線模式的可靠性評(píng)估體系。為使可靠性評(píng)估結(jié)果更為簡(jiǎn)單明確，有必要選取其中一個(gè)最具代表性且能綜合體現(xiàn)可靠性優(yōu)劣的指標(biāo)作為可靠性評(píng)估的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)［4］。

指標(biāo)AITC與供電半徑和線路故障率有關(guān)，因此，在同一負(fù)荷容量和負(fù)荷密度下，供電半徑固定，該指標(biāo)與接線模式類別無(wú)關(guān)，因此，AITC不適于作為接線模式評(píng)估的關(guān)鍵性指標(biāo)。指標(biāo)SIEH用于評(píng)估系統(tǒng)中停電部分的可靠性，具有局部性的特點(diǎn)，無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng)的供電可靠性，因此，這個(gè)指標(biāo)也不適于作為接線模式評(píng)估的關(guān)鍵性指標(biāo)。指標(biāo)AICH和RS呈線性相關(guān)的關(guān)系，AICH描述的是用戶平均停電時(shí)間，是個(gè)絕對(duì)量；而RS描述的是系統(tǒng)平均供電可靠率，是個(gè)相對(duì)量，能較好體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性情況。因此，本文選取系統(tǒng)平均供電可靠率RS－3作為可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)（“－1”表示可靠性評(píng)價(jià)中計(jì)及一切影響因素，“－2”和“－3”分別表示不計(jì)及外部因素影響和不計(jì)及系統(tǒng)電源不足時(shí)限電），其表示在統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，對(duì)用戶有效供電時(shí)間總小時(shí)數(shù)與統(tǒng)計(jì)期間小時(shí)數(shù)的比值：

本文采用的可靠性評(píng)估方法為故障模式后果分析法（FMEA），其基本原理是：遍歷所有元件故障對(duì)所有負(fù)荷點(diǎn)可靠性的影響，計(jì)算各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，最后綜合所有負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。本文所采用的故障率和故障平均修復(fù)時(shí)間如下表所示［10－11］。

表2 故障率和故障平均修復(fù)時(shí)間

根據(jù)圖2至圖4三種接線方式示意圖和圖5線路長(zhǎng)度計(jì)算示意圖，并結(jié)合式（1）可以得到不同接線方式與不同負(fù)荷分布模型情況下系統(tǒng)可靠性計(jì)算指標(biāo)的表達(dá)式如下：

5 實(shí)例分析

本文以市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)三種典型接線方式為例進(jìn)行分析，考慮負(fù)荷密度大于10MW／km2的區(qū)域，并且考慮4座110kV變電站共12臺(tái)主變的情況。其他相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)［9－12］并結(jié)合湖北配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況得到。市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)典型接線方式經(jīng)濟(jì)性和可靠性指標(biāo)計(jì)算如圖6～圖9所示。

圖6 均勻分布模型下可靠性計(jì)算結(jié)果

圖7 條狀分布模型下可靠性計(jì)算結(jié)果

圖8 均勻分布模型下經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

圖9 條狀分布模型下經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

從圖6和圖7可以看出供電可靠率隨負(fù)荷密度的增加而增加，且3T型接線變化趨勢(shì)較明顯；圖8和圖9說(shuō)明隨著負(fù)荷密度的增加，單位負(fù)荷年費(fèi)用投資降低，這是因?yàn)楣╇姲霃皆叫?，線路長(zhǎng)度越短，線路投資費(fèi)用越少，在相同單位長(zhǎng)度故障率情況下，線路總故障率越低。通過(guò)對(duì)比可看出，相同情況下均勻分布模型的供電可靠率大于條狀分布模型，且均勻分布模型的供電經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于條狀分布模型。一般情況下，供電可靠率隨主變?nèi)萘康脑黾佣档?，單位?fù)荷年費(fèi)用隨主變?nèi)萘康脑黾佣档?。從可靠性角度考慮，完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式高于不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3T型接線方式；從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式優(yōu)于完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式，優(yōu)于3T型接線方式。

綜上分析，從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境及其他條件允許的情況下，110kV變電站應(yīng)當(dāng)優(yōu)先按照均勻分布模型布點(diǎn)，且規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷較大時(shí)，宜選擇大容量主變，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；對(duì)可靠性要求相對(duì)較高的區(qū)域推薦選擇完全雙鏈?zhǔn)浇泳€，對(duì)于經(jīng)濟(jì)性要求較高的區(qū)域推薦選擇不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式，兩種接線方式的可靠性和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于3T型接線方式；除非特殊情況要求，在市區(qū)高壓配電網(wǎng)中不推薦3T型接線方式。

7 結(jié)論

本文根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)頒布的最新配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則，對(duì)市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析；建立了均勻分布和條狀分布兩種分布模型，考慮了基于N－1安全校驗(yàn)的不同接線方式下的線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成了一套基于等年值和系統(tǒng)平均供電可靠率的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法；通過(guò)對(duì)3種典型市區(qū)高壓配電網(wǎng)接線方式進(jìn)行分析計(jì)算，得出了具有指導(dǎo)意義的結(jié)論；本文為現(xiàn)代市區(qū)高壓配電網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較提供了一種完整可靠的方法，該方法還可推廣到對(duì)配電網(wǎng)其他接線方式的分析計(jì)算，對(duì)城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃工作具有借鑒意義。進(jìn)一步研究中，如果能夠結(jié)合安全性、適應(yīng)性等指標(biāo)，結(jié)果將更加具有綜合指導(dǎo)意義。

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［責(zé)任編校：張巖芳］

Technical and Economic Analysis of Urban High Voltage Distribution Network Typical Connection Mode

JIN Bing－jie，ZHANG Bu－h(huán)an，DAI Xiao－kang，SHAO Jian，GE Teng－yu，DENG Wei－si，ZHANG Kai－min

（State Key Lab.of Advanced Electromagnetic Eng.And Tech.，Huazhong Univ.of Sci.and Tech，Wuhan 430074，China）

Urban 110kV high voltage distribution network is an important part of the city distribution network.Sometimes the urban distribution network connection mode and layout is unreasonable.According to the latest distribution network planning guide issued by the state grid，uniform and strip distribution models were established.Considering line selection of different connection modes based on N－1safety verification，a set of urban high voltage distribution network technical and economic comparative method based on uniform annual value method and failure modes and effects analysis（FMEA）was formed.Through the analysis and calculation of urban 110kV high voltage distribution network typical connection mode，the technical and economic characteristics of the typical connection mode were concluded，and the recommended connection schemes under different conditions are given.The complete and reliable method for modern urban high voltage distribution network technical and economic comparison also provides reference for the urban high voltage distribution network planning.

distribution network planning；distribution model；connection mode；economy；reliability

TM715

A

1003－4684（2014）01－0053－05

2013－11－28

靳冰潔（1989－），女，河北蠡縣人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化