許 可,鮮 杏,程 杰,陶 芬
(湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院,湖北武漢430040)
城市高壓配電網(wǎng)典型接線的可靠性經(jīng)濟(jì)分析
許 可,鮮 杏,程 杰,陶 芬
(湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院,湖北武漢430040)
主要對城市高壓配電網(wǎng)的典型接線方式進(jìn)行了可靠性經(jīng)濟(jì)分析。針對國內(nèi)外城市高壓配電網(wǎng)典型接線,在滿足供電安全性和接線方式適應(yīng)性的條件下,將可靠性指標(biāo)折算為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)加入到經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃問題中,以各接線方案的可靠性經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為規(guī)劃目標(biāo),首先給出了配電網(wǎng)的綜合評估體系;然后重點(diǎn)闡述了配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟(jì)成本,給出了各接線方式可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和適應(yīng)性的評價方法,以接線方式的單位負(fù)荷可靠性經(jīng)濟(jì)成本最低為規(guī)劃目標(biāo),得出了推薦的城市高壓配電網(wǎng)接線方式。該研究對于城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義。
高壓配電網(wǎng);接線方式;可靠性經(jīng)濟(jì)成本;故障樹
配電網(wǎng)接線的選擇是城市配電網(wǎng)規(guī)劃的重要內(nèi)容,接線選擇不僅關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性和適應(yīng)性,也直接影響城市美觀和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國配電網(wǎng)規(guī)模龐大,接線方式多樣,且配電網(wǎng)目標(biāo)接線方式不明確,弊端日益突出。因此,需要對現(xiàn)有配網(wǎng)典型接線方式進(jìn)行科學(xué)評價,指導(dǎo)電力規(guī)劃。
配電網(wǎng)接線方式規(guī)劃的評價指標(biāo)主要有可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和適應(yīng)性等。文獻(xiàn)[1~5] 的評價方法是將各評價指標(biāo)通過層次分析法進(jìn)行綜合評估,但由于多個規(guī)劃目標(biāo)權(quán)重的選取具有主觀性,因此方法存在一定的局限性[6]。文獻(xiàn)[7]提出采用兩層規(guī)劃模型解決電網(wǎng)規(guī)劃中經(jīng)濟(jì)性與可靠性相協(xié)調(diào)的問題,但該優(yōu)化規(guī)劃方法較為復(fù)雜,難以應(yīng)用于城市高壓配電網(wǎng)典型接線規(guī)劃方案評價中。
本文考慮國內(nèi)外城市高壓配電網(wǎng)各典型接線方式在滿足安全性和適應(yīng)性的條件下,將可靠性指標(biāo)折算為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)加入到配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃問題中,計(jì)算各接線方式的單位負(fù)荷可靠性經(jīng)濟(jì)成本,以可靠性經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為規(guī)劃目標(biāo)來確定城市高壓配電網(wǎng)的推薦接線方式。
配電網(wǎng)接線方式規(guī)劃的評價指標(biāo)主要有可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和適應(yīng)性等。其中,可靠性指標(biāo)主要反映供電系統(tǒng)的持續(xù)供電能力;經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要反映配電網(wǎng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本;安全性指標(biāo)主要反映配網(wǎng)系統(tǒng)在正常和故障情況下能夠保證正常穩(wěn)定供電的能力;適應(yīng)性指標(biāo)主要反映配電網(wǎng)與電網(wǎng)環(huán)境的配合能力,主要包括新能源接入的適應(yīng)性、未來負(fù)荷發(fā)展的適應(yīng)性等。本文將安全性和適應(yīng)性作為接線方式規(guī)劃的約束條件,重點(diǎn)進(jìn)行配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟(jì)分析。
配電網(wǎng)接線方式的可靠性經(jīng)濟(jì)分析[8]是在滿足配網(wǎng)供電可靠性要求的前提條件下,將可靠性指標(biāo)折算為配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本,其核心在于配電網(wǎng)可靠性經(jīng)濟(jì)成本的計(jì)算。配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟(jì)成本是指在同時滿足配電網(wǎng)的安全性、適應(yīng)性的條件下的配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本,主要包括配電網(wǎng)的建設(shè)成本、運(yùn)行成本以及配電網(wǎng)中斷供電或切負(fù)荷帶來的停電損失。因此,得到配電網(wǎng)的規(guī)劃目標(biāo)和約束條件為:
minER=CC+CR+LO
(1)
(2)
式(1)中:ER,CC,CR,LO分別表示配電網(wǎng)的單位負(fù)荷可靠性經(jīng)濟(jì)成本、單位負(fù)荷建設(shè)成本、單位負(fù)荷運(yùn)行成本和單位負(fù)荷停電損失;式(2)中:Si表示接線方式i的安全裕度系數(shù)。
2.1 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)
文獻(xiàn)[9]提出了很多配電網(wǎng)可靠性評價指標(biāo),本文結(jié)合高壓配電網(wǎng)接線方式研究這一目標(biāo),從中選取的主要可靠性評價指標(biāo)有用戶平均停電持續(xù)時間(TAIHC)、供電可靠率(QRS)、用戶平均停電次數(shù)(KAITC)、系統(tǒng)停電等效小時數(shù)(HSIEH)等[10]。其中,TAIHC和QRS線性相關(guān),反映系統(tǒng)供電的可用度;KAITC反映接線方式的復(fù)雜程度和是否具有轉(zhuǎn)供能力;HSIEH反映的是配電系統(tǒng)容量和損失負(fù)荷的關(guān)系。各指標(biāo)計(jì)算式為:
(3)
式中:m為配電網(wǎng)的負(fù)荷點(diǎn)數(shù)目;Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù);μi為負(fù)荷點(diǎn)i的年平均停電持續(xù)時間;λi為負(fù)荷點(diǎn)i的等效故障率;Si為負(fù)荷點(diǎn)i的停電容量;SN為系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>
2.2 故障樹分析法
故障樹分析是以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件(頂事件)作為分析目標(biāo),應(yīng)用邏輯演繹的方法研究分析造成頂事件發(fā)生的各種直接和間接原因,并用邏輯門將各個可能事件相聯(lián)系,建立起一棵倒立的樹狀圖形,然后應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法定量分析,由基本事件的發(fā)生概率計(jì)算頂事件的發(fā)生概率。
對于城市高壓配電網(wǎng)接線方式的可靠性分析,可構(gòu)造故障樹分析步驟如圖1所示[11]。
圖1 故障樹可靠性分析步驟示意圖
2.3 停電損失
配電網(wǎng)的停電損失主要是由于故障停電對電網(wǎng)和用戶造成的經(jīng)濟(jì)損失,主要包括停電直接損失、社會影響損失等。配電網(wǎng)不同接線方式的單位負(fù)荷停電損失LO計(jì)算式為[12]
(4)
式中:Ri為節(jié)點(diǎn)i每kW負(fù)荷的平均停電持續(xù)時間對應(yīng)的停電損失費(fèi)用,不同的負(fù)荷類型Ri取值不同;Pi為節(jié)點(diǎn)i在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的平均負(fù)荷;γT為變壓器負(fù)載率;cosφ為線路的功率因數(shù)。
同樣的停電時間對于不同的負(fù)荷類型,造成的停電損失一般不同。本文選取了三類典型負(fù)荷:居民用電(Residential)、工業(yè)用電(Industrial)和商業(yè)用電(Commercial)。擬合這三類典型負(fù)荷離散的停電持續(xù)時間與停電損失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[13]曲線,如圖2所示。
圖2 停電持續(xù)時間和停電損失關(guān)系擬合曲線圖
根據(jù)圖2得到不同負(fù)荷類型停電持續(xù)時間與停電損失的函數(shù)關(guān)系為
(5)
式中:RRe,RIn和RCo分別表示居民用電、工業(yè)用電和商業(yè)用電的單位kW停電損失;t為停電持續(xù)時間,可在可靠性指標(biāo)TAIHC計(jì)算的過程中獲得。根據(jù)式(4)則可以計(jì)算各典型接線方式不同停電時間不同負(fù)荷類型的停電損失。
配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析主要包括建設(shè)經(jīng)濟(jì)性分析和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析。其中,配電網(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)備殘余價值等角度進(jìn)行分析;配電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性主要是從運(yùn)行維護(hù)成本、網(wǎng)損率和設(shè)備利用率角度進(jìn)行分析。由于設(shè)備使用年限一般不同,需要進(jìn)行折算才能計(jì)算總經(jīng)濟(jì)成本,故基本的計(jì)算方法采用等年值法。
3.1 建設(shè)成本
配電網(wǎng)的建設(shè)成本主要包括輸電線路、變壓器、開關(guān)等元件設(shè)備??偼顿Y資金Z計(jì)算式為
(6)
式中:ZT為變壓器投資費(fèi)用;ZS為開關(guān)投資費(fèi)用;ZL為線路總投資費(fèi)用。
得到總投資資金的等年值為
(7)
式中:CZn為投資費(fèi)用的等年值;k為電力工業(yè)貼現(xiàn)率;n為設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限。其中,對于不同使用年限的設(shè)備需要分別進(jìn)行等年值折算。
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,其計(jì)算式為
(8)
式中: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,也將其折算為等年值進(jìn)行計(jì)算。將設(shè)備殘余值折算為等年值為
(9)
因此,得到接線方式單位負(fù)荷的建設(shè)成本為
(10)
3.2 運(yùn)行成本
配電網(wǎng)的運(yùn)行成本主要包括設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、變壓器損耗和線路損耗等。運(yùn)行成本ZR由下式計(jì)算
(11)
式中:ZM為變電站和線路的運(yùn)行維護(hù)成本;Zloss為變壓器損耗和線路損耗的運(yùn)行成本。
針對不同高壓配電網(wǎng)接線方式,運(yùn)行維護(hù)成本與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、具體維護(hù)條件有關(guān),難以做到準(zhǔn)確的量化,工程上通常以投資的一定比例給出,即
(12)
式中:λ1為運(yùn)行維護(hù)成本ZM占變電站和開關(guān)投資費(fèi)用的比例系數(shù);λ2為運(yùn)行維護(hù)成本占線路投資費(fèi)用的比例系數(shù)。
損耗造成的成本可按下式計(jì)算
(13)
式中:α為電能電價;ΔAL和ΔAT分別為線路和變壓器的全年電能損失值,可以參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算獲得。
因此,得到接線方式單位負(fù)荷的運(yùn)行成本為
(14)
聯(lián)立式(1)、式(4)、式(10)和式(14)則可以計(jì)算出高壓配電網(wǎng)各典型接線方式的單位負(fù)荷可靠經(jīng)濟(jì)成本。
4.1 配電網(wǎng)接線方式的安全性約束
線路“N-1”校驗(yàn)是評估配電網(wǎng)供電安全性的重要指標(biāo)[14],文獻(xiàn)[9]明確強(qiáng)調(diào)在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中線路“N-1”校驗(yàn)的通過率必須為100%。不同接線方式發(fā)生線路“N-1”故障后,線路的最大負(fù)載功率的大小決定了各接線方式能否實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)供。為了量化各種接線方式的安全裕度,本文基于線路“N-1”單一故障的后果分析,同時考慮其它偶然事故的綜合影響,提出反映配電網(wǎng)接線方式安全性的安全裕度系數(shù)指標(biāo),其表達(dá)式為
(15)
式中:Si為接線方式i的安全裕度系數(shù);Ωi為配電網(wǎng)接線方式i的線路事故集;γl為線路l的故障概率影響因子,本文取為線路的故障率;Pl,Pl,“N-1”和Sl,lim分別表示第l條線路正常運(yùn)行情形下的負(fù)載功率、“N-1”情形下的負(fù)載功率和線路最大負(fù)載功率。
若Si為-1則表示接線方式i的“N-1”通過率達(dá)不到100%,不滿足安全性基本約束;若Si≥0則表示接線方式i的“N-1”校驗(yàn)通過率為100%,滿足安全性約束要求。Si的值越大,表明該接線的轉(zhuǎn)供容量裕度越足,該接線方式安全性指標(biāo)越好。
4.2 配電網(wǎng)接線方式的適應(yīng)性約束
本文主要從配電網(wǎng)的運(yùn)行難易程度和可擴(kuò)展性兩方面評價各接線方式是否滿足適應(yīng)性要求。
配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移供電可用通道數(shù)是指配電網(wǎng)單一故障情形下,可通過其它母線或變電站進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的可行方案數(shù),用TD表示。例如對于單環(huán)網(wǎng)接線,故障時只能通過常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)負(fù)荷供電,TD=1。可以用可用通道數(shù)TD來衡量配電網(wǎng)的運(yùn)行難易程度,TD越大則運(yùn)行越容易,TD=1為最低標(biāo)準(zhǔn),一般要求TD≥2。
配電網(wǎng)接線方式的過渡能力是指配電網(wǎng)在長期規(guī)劃過程中,根據(jù)不同運(yùn)行期的要求接線方式的過渡和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展能力,用G表示,例如單環(huán)網(wǎng)接線在可靠性要求提高時可擴(kuò)展為雙環(huán)網(wǎng)接線。可以用接線的過渡能力來評價配網(wǎng)的可擴(kuò)展性能。
接線方式的適應(yīng)性約束要求TD≥2且接線方式有一定的過渡能力,適應(yīng)度等級評價方法如表1所示,最低適應(yīng)度等級要求為中等。
表1 接線方式適應(yīng)度等級評價方法
5.1 高壓配電網(wǎng)典型接線方式
文獻(xiàn)[15]對配電網(wǎng)的典型供電區(qū)域依據(jù)負(fù)荷密度進(jìn)行了詳細(xì)劃分,按照國家電網(wǎng)A+、A、B、C、D類供電區(qū)域的劃分(供電重要性和可靠性需求依次降低),針對A+、A類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng),主要為3T型接線和雙鏈?zhǔn)浇泳€兩種接線方式;針對B類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng),主要為雙環(huán)網(wǎng)接線、雙輻射接線、單鏈?zhǔn)浇泳€和3T型接線4種接線方式;針對C類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng),主要為雙環(huán)網(wǎng)、單環(huán)網(wǎng)和雙輻射接線三種接線方式;針對D類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng),主要為單環(huán)網(wǎng)和單輻射接線兩種接線方式,如圖3~圖8所示。
圖3 3T型接線示意圖
圖4 雙鏈?zhǔn)浇泳€示意圖
圖5 單鏈?zhǔn)浇泳€示意圖
圖6 單電源雙環(huán)網(wǎng)接線示意
圖7 雙輻射接線
圖8 單電源單環(huán)網(wǎng)接線示意圖
5.2 結(jié)果分析
(1)經(jīng)濟(jì)性結(jié)果分析
根據(jù)各種接線方式經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果,可以得到各類供電區(qū)域下各種高壓配電網(wǎng)接線方式在不同供電架構(gòu)模型和電源容量下,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷密度的變化曲線如圖9~圖12所示。
圖9 A、A+類高壓配電網(wǎng)不同接線方式單位負(fù)荷綜合費(fèi)用
圖10 B類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負(fù)荷綜合費(fèi)用
圖11 C類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負(fù)荷綜合費(fèi)用
圖12 D類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負(fù)荷綜合費(fèi)用
在電源容量、負(fù)荷密度一定的情況下,各種接線方式經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣有以下特點(diǎn):雙鏈>3T(A、A+類),雙輻射>單鏈?zhǔn)健㈦p環(huán)網(wǎng)>3T(B類),單環(huán)網(wǎng)、雙輻射>雙環(huán)網(wǎng)(C類),單輻射>單環(huán)網(wǎng)(D類);在雙電源供電情況下,雙鏈?zhǔn)浇泳€經(jīng)濟(jì)性最好,同時對不同電源分布情況適應(yīng)性很強(qiáng);在單電源供電情況下,雙輻射和單環(huán)網(wǎng)接線的經(jīng)濟(jì)性較好;各接線方式的經(jīng)濟(jì)性,隨著負(fù)荷密度的增大而提高,負(fù)荷密度越高,線路長度越短,線路投資及運(yùn)行費(fèi)用越少;經(jīng)濟(jì)性與電源容量無必然聯(lián)系。
(2)可靠性結(jié)果分析
各種高壓配電網(wǎng)接線方式在不同供電架構(gòu)模型和電源容量下,可靠性指標(biāo)隨負(fù)荷密度的變化曲線如圖13~圖16所示。
圖13 A、A+類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標(biāo)
圖14 B類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標(biāo)
圖15 C類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標(biāo)
圖16 D類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標(biāo)
對于各供電區(qū)域類型下的各種接線方式的可靠性:在電源容量、負(fù)荷密度一定的情況下,各種接線方式安全性的優(yōu)劣有以下特點(diǎn):雙鏈>單鏈>3T(雙電源),雙環(huán)網(wǎng)=雙輻射>單環(huán)網(wǎng)>單輻射(單電源);在雙電源供電情況下,雙鏈?zhǔn)浇泳€可靠性最高,同時對不同電源分布情況適應(yīng)性很強(qiáng);在單電源供電情況下,單環(huán)網(wǎng)接線的可靠性差于雙環(huán)網(wǎng)和雙輻射接線,對不同電源分布情況適應(yīng)性較強(qiáng),當(dāng)負(fù)荷密度較低時宜采用較小容量的電源供電,當(dāng)C類供電區(qū)域負(fù)荷密度≤2 MW/km2時,不宜采用單環(huán)網(wǎng)接線;單輻射接線沒有轉(zhuǎn)移負(fù)荷能力,故障之后只能等到修復(fù)之后才能恢復(fù)供電,可靠性最低,只適用于對供電要求很低的供電區(qū)域,且D類供電區(qū)域負(fù)荷密度≤0.3 MW/km2時,不宜采用單輻射接線;各接線方式的可靠性,隨著負(fù)荷密度的增大而上升,因?yàn)樨?fù)荷密度越高,則線路長度越短,發(fā)生線路故障概率則越低;電源容量越大,接線方式的可靠性越低,因?yàn)殡娫慈萘枯^大時線路長度較長,發(fā)生線路故障概率則較高。
本文考慮配電網(wǎng)的典型接線方式在滿足可靠性、安全性和適應(yīng)性的約束條件下,將配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)以停電損失的形式折算為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)加入到經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃中,以單位負(fù)荷可靠性經(jīng)濟(jì)成本最低來確定城市高壓配電網(wǎng)的推薦接線方式。
(1)對于供電可靠性和安全性要求較高的供電區(qū)域,包括A+、A和B類供電區(qū),以供電安全可靠性為首要目標(biāo),推薦采用雙鏈?zhǔn)浇泳€。
(2)單鏈?zhǔn)交虿煌耆準(zhǔn)浇泳€,建議可作為負(fù)荷未飽和情況下的過渡接線方式。
(3)對于需要兼顧供電安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的供電區(qū)域,包括C類和D類供電區(qū)域,推薦以環(huán)網(wǎng)接線為主的接線方式。D類供電區(qū)域?qū)╇娍煽啃院桶踩砸筝^低,接線方式選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)性,接線方式可以考慮單環(huán)網(wǎng)接線;若安全性和可靠性要求提高,則可在單環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上改造形成雙輻射接線。若供電區(qū)域?qū)╇姲踩院涂煽啃砸筮M(jìn)一步提高,如C類供電地區(qū),則推薦雙環(huán)網(wǎng)接線。
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Reliability-economic Analysis of Typical Connection Modes of Urban High-voltage Distribution Network
Xu Ke,Xian Xing,Cheng Jie, Tao Fen
(Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430040,China)
This paper, focusing on the reliability and economic analysis of typical connection modes of urban high-voltage distribution network, translates the reliability index into economic indicators and aims to find the optimal schemes for various connection modes for domestic and international urban high-voltage distribution network. First, a comprehensive evaluation system of high-voltage distribution network was provided. Then the reliability-economic cost of the distribution network was highlighted and the reliability, economy, security, and adaptability evaluation methods of typical connection modes analyzed. Finaly, with the lowest reliability-economic cost as the planning objective, connection modes of urban high-voltage distribution network were recommended. The study has some significance for high-voltage distribution network planning.
high-voltage distribution network; connection mode; reliability-economic cost; fault tree
2015-05-04。
許可(1984-),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、配電網(wǎng)運(yùn)行及優(yōu)化分析,E-mail:hust1125@ 126.com。
TM721
A
10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.003