黃偉，楊江，劉鵬飛

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.天地電研(北京)科技有限公司，北京 102206)

高可靠性“三雙”接線在佛山電網(wǎng)的應(yīng)用

黃偉1，楊江2，劉鵬飛2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.天地電研(北京)科技有限公司，北京 102206)

摘要：“三雙”接線即“雙電源、雙線路、雙接入”接線方式，其可為實(shí)現(xiàn)高可靠性目標(biāo)提供技術(shù)支撐，基于此采用故障模式后果分析法論證“三雙”接線的高可靠性，并應(yīng)用年費(fèi)用最小法對比分析各種中壓典型接線的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而得出“三雙”接線的適用范圍。結(jié)合佛山電網(wǎng)的實(shí)際情況，提出網(wǎng)架過渡典型方案、配變“雙接入”典型方案、“三雙”接線自動化建設(shè)方案，選取佛山新城作為試點(diǎn)區(qū)域開展“三雙”規(guī)劃。通過試點(diǎn)工程驗(yàn)證了“三雙”接線能實(shí)現(xiàn)高可靠的目標(biāo)，并在高負(fù)荷密度下展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：“三雙”接線；高可靠性；經(jīng)濟(jì)性；佛山電網(wǎng)

“十二五”期間，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司(以下簡稱“南方電網(wǎng)公司”)著力解決配電網(wǎng)薄弱問題，增強(qiáng)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)供電能力，提高供電可靠性，扭轉(zhuǎn)配電網(wǎng)發(fā)展滯后的局面。但從供電可靠性指標(biāo)來看，與先進(jìn)國家的配電網(wǎng)相比，仍有較大差距。無論是外部需求還是內(nèi)部壓力，都把進(jìn)一步提高配電網(wǎng)供電可靠性的工作提上日程。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是影響可靠性水平的關(guān)鍵因素，大量的施工停電、計劃檢修停電都可以通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、提高轉(zhuǎn)供能力來避免，一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，高可靠性“三雙”接線模式的研究工作對提高供電可靠性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。國網(wǎng)浙江省電力公司對“三雙”接線的研究時間早而且較為深入，對“三雙”的接線模式和故障處理策略[1-3]、配電自動化應(yīng)用[4-5]、試點(diǎn)工程[6-7]均開展過相關(guān)研究，并創(chuàng)造性地提出了擴(kuò)展型“三雙”接線。然而這一系列研究中并沒有通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[8-9]來科學(xué)地論證“三雙”接線的適用范圍。此外，在南方電網(wǎng)公司范圍內(nèi)尚未開展“三雙”接線的相關(guān)研究。因此有必要選取南方電網(wǎng)范圍內(nèi)典型城市電網(wǎng)作為研究對象開展相關(guān)“三雙”接線的應(yīng)用性研究。

本文將通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的視角，采用故障模式后果分析法論證“三雙”接線的高可靠性，應(yīng)用年費(fèi)用最小法對比分析各種中壓典型接線的經(jīng)濟(jì)性，從而得出“三雙”接線的適用范圍。結(jié)合佛山電網(wǎng)的實(shí)際情況，提出了網(wǎng)架過渡典型方案、配電變壓器(以下簡稱“配變”)“雙接入”典型方案、“三雙”接線自動化建設(shè)方案，并選取佛山新城作為試點(diǎn)區(qū)域開展“三雙”規(guī)劃。

1高可靠性“三雙”接線模型

中壓配電網(wǎng)“三雙”接線即“雙電源、雙線路、雙接入”。其中，雙電源指兩個上級高壓變電站；雙線路指連接雙電源的兩條中壓電纜或架空線路；雙接入指公用配變通過自動投切的開關(guān)接入雙線路。雙電源和雙線路概括了該模型主干網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電纜網(wǎng)中雙環(huán)式、擴(kuò)展型雙環(huán)式2種接線滿足“三雙”接線對主干網(wǎng)架的要求；架空網(wǎng)中多分段多聯(lián)絡(luò)、多分段交叉聯(lián)絡(luò)接線滿足“三雙”接線對主干網(wǎng)架的要求。“雙接入”概括了該模型配變接入的的特點(diǎn)，配變高壓側(cè)通過雙向負(fù)荷開關(guān)接入兩路不同的電源，雙向負(fù)荷開關(guān)具有自動投切功能，可實(shí)現(xiàn)在主備電源之間的自動切換。在“三雙”接線中雙環(huán)式“三雙”接線應(yīng)用較為廣泛，其接線模型如圖1所示[10]。

合為常閉，非合則為常開。圖1　雙環(huán)式“三雙”接線模型

該接線方式自同一供電區(qū)域的兩個變電站(開關(guān)站)的不同段母線各引出一回線路，構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)接線。每臺公用配變均從不同的主干電纜上引入兩路電源，一路為主供電源，另一路為熱備用。由于配變在主供電源故障時可通過自動投切裝置切換至備用電源，并恢復(fù)供電，主干電纜故障診斷和愈合的時間不會直接影響用戶停電時間和供電可靠性，因此可適當(dāng)簡化主干電纜的配電自動化配置。

2技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1供電可靠性分析

本節(jié)通過故障模式后果分析法計算各種典型電纜接線的可靠性指標(biāo)，并對比分析雙環(huán)式“三雙”接線的高可靠性特性。

2.1.1可靠性評估指標(biāo)

用于評估配電系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)很多，根據(jù)實(shí)際需要，為了反映系統(tǒng)停運(yùn)的嚴(yán)重程度和重要性，一般選定平均用電有效度IRS作為評估指標(biāo)。計算公式為：

(1)

式中：NA為用戶總數(shù)；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；ti為負(fù)荷點(diǎn)i的年平均停運(yùn)時間。

2.1.2可靠性計算結(jié)果

故障模式后果分析法是利用元件的可靠性數(shù)據(jù)，在計算系統(tǒng)故障指標(biāo)之前先選定某些合適的故障判據(jù)，然后根據(jù)判據(jù)將系統(tǒng)狀態(tài)分為完好和故障兩大類的一種檢驗(yàn)方法。具體做法是建立故障模式后果表，查清每個基本故障事件及其后果，然后加以綜合分析。該方法以配電系統(tǒng)的元件組合關(guān)系、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對分析不同接線模式的可靠性有較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此應(yīng)用較為廣泛。采用該方法對電纜單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)、“三供一備”、“3-1”單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)式“三雙”接線在不同負(fù)荷密度情況下的供電可靠性進(jìn)行評估，其計算結(jié)果如圖2所示，可看出各種接線模式可靠性由高到低的順序?yàn)椋弘p環(huán)式“三雙”接線>雙環(huán)網(wǎng)>“3-1”單環(huán)網(wǎng)>單環(huán)網(wǎng)>“三供一備”。隨著負(fù)荷密度的增大，各種接線模式的供電可靠性均有所提高(這主要是由于滿足同等用電需求的情況下負(fù)荷密度越大耗費(fèi)的線路越短，故障概率越小)，但只有雙環(huán)式“三雙”接線供電可靠性能達(dá)到了99.999%。

圖2　電纜網(wǎng)各種接線模式可靠性計算結(jié)果

2.2經(jīng)濟(jì)性分析

本節(jié)將通過年費(fèi)用最小法來比較不同接線模式經(jīng)濟(jì)性[11-12]，最終得出雙環(huán)式“三雙”接線的適用范圍。

2.2.1經(jīng)濟(jì)性評估方法

年費(fèi)用包括投資成本、運(yùn)行成本和停電損失3部分，計算公式為

(2)

式中：Ci為投資成本；Cl為運(yùn)行成本；Cr為停電損失成本。

a) 投資成本Ci。

投資成本為初始投資的年值，計算公式為

(3)

式中：CP為初始投資(包括變電站間隔、線路、開關(guān)站、配變的投資成本)的現(xiàn)值；T為經(jīng)濟(jì)使用壽命，配網(wǎng)設(shè)備常取20年；a為折現(xiàn)率，取10%。

b) 運(yùn)行成本Cl。

運(yùn)行成本包括兩個方面的內(nèi)容，一是線路的損耗費(fèi)用，一是檢修、維護(hù)的費(fèi)用。計算公式為

(4)

式中：ΔP為帶負(fù)荷段線路總損耗；tmax為年損耗利用時間；q為平均電價。

c) 停電損失Cr。

停電損失是指單位時間(通常一年)內(nèi)，因各種設(shè)備故障和預(yù)安排造成的用戶停電的總損失。停電對用戶的影響一般有即時性和后效性兩種表現(xiàn)形式。對于前者，是指發(fā)生停電的當(dāng)時就立即顯示出其影響的，如因停電而造成的生產(chǎn)停頓；對于后者，是指停電的影響要在發(fā)生停電之后的一段時間以后才能顯示出來的，一般公用設(shè)施的停電大多屬于此類。因此用戶的停電損失也可依據(jù)影響層次分為直接停電損失和間接停電損失。由于間接損失的認(rèn)定比較復(fù)雜，而且涉及到諸如道德等因素，如工商業(yè)用戶關(guān)系到多個行業(yè)或地區(qū)間的協(xié)作、給普通居民造成的心理恐慌等，難以準(zhǔn)確計算。因此本次研究基于用戶調(diào)查法[13]給出了A、B、C、D、E類供區(qū)單位停電損失參考值，分別為：300元/kWh、115元/kWh、75元/kWh、20元/kWh、10元/kWh。

停電損失

(5)

式中：Pi為負(fù)荷點(diǎn)i的有功功率；Ti為負(fù)荷點(diǎn)i的年故障停電時間；R為單位電量停電損失。

2.2.2經(jīng)濟(jì)性評估基本參數(shù)

各類設(shè)備造價為：YJV22-3×300電纜，100萬元/km；環(huán)網(wǎng)柜，48 萬元/座；開關(guān)站，250 萬元/座；開關(guān)(雙向負(fù)荷開關(guān))，5 萬元/臺；配變前端電纜，70 萬元/km。運(yùn)行費(fèi)用計算相關(guān)參數(shù)見表1。

表1費(fèi)用計算相關(guān)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值YJV22-3×300電纜單位電阻/(Ω·km-1)0.063最大損耗時間/h3400平均電價/(元·(kWh)-1)0.65運(yùn)維費(fèi)用占比/%2.5

2.2.3經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果

各種典型接線在不同負(fù)荷密度情況下的單位負(fù)荷年費(fèi)用曲線如圖3所示。

圖3　典型接線經(jīng)濟(jì)性曲線

從圖3可看出：隨著負(fù)荷密度的增大，雙環(huán)式“三雙”接線的年費(fèi)用逐漸下降；而其余4種接線在5～15MW/km2區(qū)段年費(fèi)用逐漸下降，而在15～40MW/km2區(qū)段年費(fèi)用逐漸上升，究其原因主要是因?yàn)樵诳傌?fù)荷保持不變的情況下，負(fù)荷密度增大，供電半徑會相應(yīng)縮短，線路等設(shè)備投資減少，然而負(fù)荷密度越大、供電分區(qū)級別越高單位電量停電損失越多。當(dāng)投資成本費(fèi)用減少值大于停電損失費(fèi)用增加值時，接線模式經(jīng)濟(jì)性曲線呈下降趨勢；當(dāng)投資成本費(fèi)用減少值小于停電損失費(fèi)用增加值時，接線模式經(jīng)濟(jì)性曲線呈上升趨勢。另外，雙環(huán)式“三雙”接線在負(fù)荷密度為20MW/km2時經(jīng)濟(jì)性開始好于非“三雙”接線。

可以得出這樣的結(jié)論：雙環(huán)式“三雙”接線隨著負(fù)荷密度的增加，經(jīng)濟(jì)性逐漸趨好，適宜應(yīng)用在負(fù)荷密度大于20MW/km2的供電區(qū)域。

3“三雙”接線在佛山電網(wǎng)的應(yīng)用

3.1網(wǎng)架過渡典型方案

對于城市新建區(qū)域，電網(wǎng)建設(shè)初期，由于負(fù)荷較小，主干線上接入的環(huán)網(wǎng)單元數(shù)較少，尚不具備環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的條件，可考慮按雙射網(wǎng)方式運(yùn)行。在缺乏對側(cè)110kV電源的情況下，可采取本站自環(huán)的方式，遠(yuǎn)景逐步過渡到站間雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并配置“雙接入”，實(shí)現(xiàn)“三雙”。

對于已建成區(qū)域，中壓配網(wǎng)已具規(guī)模，改造難度較大，為降低投資，避免改造過程中的大拆大建。就佛山中壓配網(wǎng)而言，單環(huán)網(wǎng)占電纜線路的60%，可選取具備環(huán)網(wǎng)單元建設(shè)條件的線路，近期逐步構(gòu)建成雙環(huán)網(wǎng)，遠(yuǎn)景過渡到雙環(huán)式“三雙”接線；其他電纜接線由于改造難道較大，不推薦過渡到雙環(huán)式“三雙”接線。

3.2配變“雙接入”典型方案

通過對佛山電纜網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，配變“雙接入”可采用以下4種典型接入方式：

a) 直接接入：即適用公用配變直接接入環(huán)網(wǎng)單元(如環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)站等)。

b) 級聯(lián)接入：即一臺公用配變直接接入環(huán)網(wǎng)單元，另一臺公用配變通過第一臺配變內(nèi)開關(guān)柜接入環(huán)網(wǎng)單元。

c) 混合接入：即通過下級環(huán)網(wǎng)單元接入主環(huán)環(huán)網(wǎng)單元。

d) 電纜分支箱接入：即多臺公用配變通過同一個電纜分支箱接入主環(huán)環(huán)網(wǎng)單元。

無論采用上述哪種接入方式，均需使用雙向負(fù)荷開關(guān)。雙向負(fù)荷開關(guān)是配變“雙接入”的關(guān)鍵設(shè)備，其安裝位置根據(jù)不同的應(yīng)用場景而異?！叭p”接線模型推出后，國內(nèi)一些廠家研制出了新型的智能雙電源開關(guān)設(shè)備，在部分試點(diǎn)區(qū)域已實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。

3.3配電自動化建設(shè)方案

由于目前佛山光纖通道匱乏，不具備實(shí)施“三遙”自動化的通信條件，現(xiàn)階段電纜網(wǎng)配電自動化采用“運(yùn)行監(jiān)測型+就地控制型”建設(shè)模式。在這種建設(shè)模式下，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局提出了電纜網(wǎng)“主干配”節(jié)點(diǎn)自動化典型配置方案。

a) 主干線“主干配”節(jié)點(diǎn)，在主干線出線柜處配置具備通信終端的“二遙”電纜型故障指示器。

b) 分支線采用智能分界斷路器柜成套設(shè)備，暫不具備更換改造的分支線柜可配置電纜型故障指示器。

c) 主進(jìn)出線柜按斷路器柜選型，暫不配置控制單元，但預(yù)留相應(yīng)接口和安裝位置。

d) 自動化建設(shè)應(yīng)結(jié)合配網(wǎng)基建工程：對于新建“主干配”配電站(開關(guān)站)按照以上原則進(jìn)行配置；對現(xiàn)有“主干配”配電站(開關(guān)站)應(yīng)結(jié)合配網(wǎng)改造項(xiàng)目，按照以上要求，進(jìn)行自動化設(shè)備的配置。

雙環(huán)式“三雙”接線在采用“主干配”節(jié)點(diǎn)自動化典型配置方案后，由于使用了智能分界斷路器柜成套設(shè)備，當(dāng)環(huán)網(wǎng)單元(開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜等)至雙向負(fù)荷開關(guān)之間的線路出現(xiàn)故障時可就地隔離，不會導(dǎo)致線路出口斷路器動作。當(dāng)具備光纖通道后，可升級為“三遙”，按照“集中控制型”建設(shè)模式進(jìn)行建設(shè)。

4試點(diǎn)工程驗(yàn)算

4.1試點(diǎn)區(qū)域概況

選取佛山新城A區(qū)作為試點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域由東平河、嶺南大道、荷岳路、佛山大道的圍合而成，面積約為5.53km2，遠(yuǎn)景負(fù)荷156.25MW，負(fù)荷密度28.28MW/km2，滿足雙環(huán)式“三雙”接線經(jīng)濟(jì)性對負(fù)荷密度的要求。

4.2方案對比

方案一：該區(qū)域?qū)ｍ?xiàng)規(guī)劃報告規(guī)劃了9組饋線組，目標(biāo)網(wǎng)架以“三供一備”、“兩供一備”為主，需建設(shè)中心開關(guān)站9座，電纜86.19km，配電房82座，總投資約為15 009萬元。

方案二：“三雙”規(guī)劃方案規(guī)劃了11組饋線組，目標(biāo)網(wǎng)架以雙環(huán)式“三雙”接線為主，需建設(shè)開關(guān)站35座，電纜105.09km，配電房82座，自動投切開關(guān)柜82套，總投資約為22 477萬元。

4.3供電可靠性指標(biāo)對比

方案一饋線組結(jié)構(gòu)分類：6組“三供一備”、2組“兩供一備”、1組單環(huán)網(wǎng)。依據(jù)第2章的計算方法，供電可靠性為99.992 2%。

方案二饋線組結(jié)構(gòu)分類：10組雙環(huán)式“三雙”接線、1組“兩供一備”。依據(jù)第2章的計算方法，供電可靠性為99.999%。

4.4經(jīng)濟(jì)性對比

2種方案的經(jīng)濟(jì)性對比見表2，依據(jù)第3章的計算方法，原方案的年費(fèi)用為3 361萬元，“三雙”方案的年費(fèi)用為3 359萬元。

表2經(jīng)濟(jì)性對比萬元

方案CiClCrC方案一176437512223361方案二26415621563359

注：B類供區(qū)單位電量停電損失取115元/kWh。

綜上所述：佛山新城A片區(qū)若采用“三雙”方案在供電可靠性上較之方案一有較大提升，在經(jīng)濟(jì)性上“三雙”方案也略勝一籌。

5結(jié)束語

采用故障模式后果分析法論證“三雙”接線的高可靠性，應(yīng)用年費(fèi)用最小法對比分析各種中壓典型接線的經(jīng)濟(jì)性，從而得出“三雙”接線的適用范圍。結(jié)合佛山電網(wǎng)的實(shí)際情況，提出了網(wǎng)架過渡典型方案、配變“雙接入”典型方案、“三雙”接線自動化建設(shè)方案，并選取佛山新城作為試點(diǎn)區(qū)域開展“三雙”規(guī)劃。通過試點(diǎn)工程驗(yàn)證，“三雙”接線能實(shí)現(xiàn)高可靠的目標(biāo)，并在高負(fù)荷密度下展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性。

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Application of High-reliability “Three Double” Connection Mode in Foshan Power Grid

HUANG Wei1, YANG Jiang2, LIU Pengfei2

(1.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China; 2.Beijing Electric Power Research World Co., Ltd., Beijing 102206, China)

Abstract：“Three double” means connection mode of double power source, double lines and double accessing which may provide technical support for realizing high-reliability target. Therefore, this paper uses failure mode and effect analysis method to demonstrate high-reliability of “three double” connection mode and applies minimum-annual expense method for comparing and analyzing economy of various typical medium-voltage connection modes and then gets range of application of “three double” connection mode. Combining with actual conditions of Foshan power grid, typical scheme for grid structure transition, typical scheme for “double accessing” of distribution transformer and automatic construction scheme for “three double” connection mode are presented and the Foshan new town is selected as a pilot area for developing “three double ” planning. Pilot project verifies that “three double” connection mode is useful to realize high-reliability target and will show good economy under high load density.

Key words：“three double” connection mode; high-reliability; economy; Foshan power grid

收稿日期：2015-12-07修回日期：2016-02-26

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.012

中圖分類號：TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)05-0061-06

作者簡介：

黃偉(1979)，男，廣東韶關(guān)人。工程師，工程碩士，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及工程前期管理。

楊江(1982)，男，江西南昌人。工程師，工程碩士，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃與自動化。

劉鵬飛(1986)，男，湖北仙桃人。工程師，工程碩士，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃及后評價。

(編輯王朋)