陳 寧 韓 蓬 王傳勇 王 坤 康文文

（國網(wǎng)棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

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基于可靠性的10kV城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結構優(yōu)化方案

陳 寧 韓 蓬 王傳勇 王 坤 康文文

（國網(wǎng)棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

配電網(wǎng)作為聯(lián)系終端用戶與發(fā)、輸電系統(tǒng)的紐帶，在保證用戶安全可靠的連續(xù)供電方面是一個十分重要的環(huán)節(jié)。目前，棗莊市配電網(wǎng)還普遍存在網(wǎng)架結構薄弱、設備利用率低、電網(wǎng)規(guī)劃不合理等問題，已在程度上滯后于城市的經(jīng)濟發(fā)展，成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。本文結合國內(nèi)典型城市網(wǎng)架結構基于可靠性進行分析研究，最終得出適應棗莊市城市配電網(wǎng)發(fā)展的目標網(wǎng)架結構。

配電網(wǎng)網(wǎng)架結構；可靠性；目標網(wǎng)架

本文通過利用可靠性評估模型對城市 10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結構優(yōu)化方案進行研究，分析各種目標網(wǎng)架的可靠性，結合棗莊市現(xiàn)狀城市配電網(wǎng)結構，給出棗莊市推薦目標網(wǎng)架結構。

1　棗莊市10kV電網(wǎng)結構現(xiàn)狀分析

1.1架空網(wǎng)

棗莊市10kV城網(wǎng)線路主干線均已實現(xiàn)絕緣化，棗莊市城區(qū)10kV公用架空線路共92回，分段總數(shù)311段，平均分段數(shù)為3.38段/條；其中，單輻射線路共有9回，單聯(lián)絡線路共54回，兩聯(lián)絡及多聯(lián)絡線路共29回，分別占線路總回數(shù)的9.78%、58.7% 和31.52%。

1.2電纜網(wǎng)結構

棗莊市全電纜網(wǎng)僅在高新區(qū)直配城網(wǎng)存在，其他分區(qū)僅在變電站出線和線路路徑困難的局部區(qū)段使用電纜。電纜網(wǎng)主要采用環(huán)網(wǎng)結構，開環(huán)運行。共14條電纜線路，其中單射線路2條，所占比例為14.29%，雙射線路4條，所占比例為28.57%，環(huán)網(wǎng)線路8條，所占比例為57.14%。

棗莊市電纜網(wǎng)絡結構情況見表2。

1.310kV電網(wǎng)運行指標

棗莊市10kV公用線路共72回通過N?1校驗，占城區(qū)10kV線路總數(shù)的67.92%，棗莊市城區(qū)尚存在34條10kV線路無法通過線路的N?1校驗。

1.4小結

棗莊城區(qū)現(xiàn)狀電網(wǎng)結構如下所述。

表1　棗莊市10kV架空網(wǎng)結構統(tǒng)計表

表2　棗莊市10kV電纜網(wǎng)絡結構統(tǒng)計表

表3　棗莊市10kV電網(wǎng)主要運行指標

架空網(wǎng)：單輻射、多分段單聯(lián)絡、多分段多聯(lián)絡。

電纜網(wǎng)：單射、雙射、環(huán)網(wǎng)。

架空網(wǎng)多分段單聯(lián)絡結構為主，單輻射比例較高；電纜網(wǎng)雖以環(huán)網(wǎng)為主，但是單射和雙射結構占比為42.86%。

綜上所述，棗莊城區(qū)電網(wǎng)結構薄弱，供電可靠性較低。

2　國內(nèi)城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結構

2.1架空（混合）網(wǎng)

中壓架空網(wǎng)的典型網(wǎng)架結構主要包括輻射式、多分段單聯(lián)絡、多分段多聯(lián)絡3種，其特點如下：

1）輻射式

特點：輻射式接線簡單清晰、運行方便、建設投資低。當出現(xiàn)故障或進行檢修時，用戶停電范圍大；供電可靠性差，不能滿足N?1要求，但主干線正常運行時的負載率可達到100%。

2）多分段單聯(lián)絡

特點：該接線模式的可靠性比輻射式接線模式大大提高，接線清晰、運行比較靈活。任何一個區(qū)段發(fā)生故障，閉合聯(lián)絡開關，將負荷轉供到相鄰饋線，完成轉供。滿足N?1要求，但主干線正常運行時的負載率僅為50%。

3）多分段多聯(lián)絡

特點：該接線模式由于每一段線路都有與其相聯(lián)絡的電源，任何一段線路發(fā)生故障時，均不影響其他線路段正常供電，使每條線路的故障范圍縮小，提高了供電可靠性；由于聯(lián)絡較多，也提高了線路的利用率，兩聯(lián)絡和三聯(lián)絡接線模式的負載率可分別達到67%和75%。

2.2電纜網(wǎng)

中壓電纜網(wǎng)典型網(wǎng)架結構主要包括單射式、雙射式、單環(huán)式、雙環(huán)式、N供一備5種類型，其特點如下。

1）單射式

特點：該接線方式不滿足N?1要求，但主干線正常運行時的負載率可達到100%。

2）雙射式

特點：該接線方式不滿足N?1要求，但主干線正常運行時的負載率可達到100%。

3）單環(huán)式

特點：這種接線的接線清晰、運行比較靈活，可靠性比單電源輻射式大大提高。在這種接線模式中，線路的備用容量為50%。一般采用異站單環(huán)接線方式，不具備條件時采用同站不同母線單環(huán)接線方式；在單環(huán)網(wǎng)尚未形成時，可與現(xiàn)狀架空線路暫時拉手。

4）雙環(huán)式

特點：雙環(huán)網(wǎng)為最可靠、最靈活的接線方式。這種接線模式能夠提高線路理論負；可以使客戶同時得到兩個方向的電源，滿足從上一級 10kV線路到客戶側10kV配電變壓器的整個網(wǎng)絡的“N?1”要求，供電可靠性高，運行較為靈活。

5）N供一備

特點：該種模式隨著“N”值的不同，其接線的運行靈活性、可靠性和線路的平均負載率均有所不同。一般N最大取4。大于4的接線模式比較復雜，操作也比較繁瑣，同時聯(lián)絡線的長度較長，投資較大，線路負載率的提高也不再明顯。

3　城市10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結構可靠性研究

3.1可靠性評估模型

1）邊界條件

研究在相同的供電需求下采用不同網(wǎng)架結構時，網(wǎng)架結構可靠性的差別。即在一定的區(qū)域范圍內(nèi)、一定的負荷的密度下，對比各種負荷密度下計算的結果。

（1）供電區(qū)域

選取面積為7km2的圓形區(qū)域（半徑1.5km）作為研究對象。

（2）總負荷和用戶數(shù)

供電區(qū)域內(nèi)的總負荷為36MW，負荷密度大約為5MW/km2。這些負荷平均分布在供電區(qū)域內(nèi)供電區(qū)域內(nèi)。中壓用戶數(shù)為36，戶均容量為1MW/戶。

（3）變電站

兩個變電站對該區(qū)域供電，容量不限。不考慮變電站故障，變電站母線的可靠率認為是0.99999。

（4）線路

為了滿足網(wǎng)架結構的經(jīng)濟負載率，線路條數(shù)不限。

（5）其他邊界條件和假設

每個環(huán)網(wǎng)柜用三個開關模擬。

表4　可靠性評估的參數(shù)設定

2）評估方法

采用最小割集法進行網(wǎng)架結構的可靠性評估，其原理是配電系統(tǒng)的故障模式與系統(tǒng)的最小割集有直接的關聯(lián)。最小割集是一些元件的集合，當它們失效時，必然會導致系統(tǒng)失效。每個割集中的元件存在并聯(lián)關系，近似認為系統(tǒng)的失效度可以簡化為各個最小割集不可靠度的總和。

最小割集法的優(yōu)點是：將計算的狀態(tài)限制在最小割集內(nèi)，避免計算系統(tǒng)的全部狀態(tài)，從而大大減少了計算量；考慮到了負荷的恢復過程，及網(wǎng)絡的約束條件，使評估結果更加全面，更符合系統(tǒng)運行的實際情況；通過對故障影響范圍搜索，能找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為采取增強措施提供參考。

3）可靠性參數(shù)

可靠性評估計算使用下表所示的可靠性參數(shù)，包括故障率、故障修復時間和切換時間。其中，假設系統(tǒng)中使用的同類型設備具有相同的可靠性參數(shù)。

表5　可靠性評估使用的設備可靠性參數(shù)

3.2評估結果

架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)目標網(wǎng)架結構的可靠性評估結構見表6。

表6　目標網(wǎng)架結構可靠性評估結果

線路可靠性參數(shù)的設定直接關系到架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)評估數(shù)值的相對大小。架空線路的故障率高但修復時間短，電纜網(wǎng)故障率低但修復時間較長，故電纜網(wǎng)的可靠率指標較高。

因為單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)的中壓電氣接線結構完全相同，故二者的可靠率指標相同。但考慮到雙環(huán)網(wǎng)一般用來滿足有雙電源供電需求的用戶負荷，用戶可以通過低壓側轉負荷來提高其可靠性。即低壓用戶實際擁有較高的可靠性，但沒有體現(xiàn)在中壓網(wǎng)架結構的評估中。

三供一備的可靠率與單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)接近，這是因為一般情況下線路的負載率較高，備用線路只能滿足一條供電線路的轉供需要。如果供電線路的負載率較低，則其可靠率還可以提升。

4　基于可靠性研究的基本結論

4.1給出目標網(wǎng)架結構的可靠性評估結果

根據(jù)可靠性評估模型，通過計算和分析，得到如下結果：

可靠性評估結果：①架空網(wǎng)中，可靠性由低至高依次為多分段單聯(lián)絡和多分段多聯(lián)絡；②電纜網(wǎng)中，可靠性由低至高依次為單環(huán)網(wǎng)（雙環(huán)網(wǎng)）、三供一備；③由于未考慮低壓用戶的接入方式，因此評估結果中雙環(huán)網(wǎng)和單環(huán)網(wǎng)的可靠性相同。

4.2提煉出國內(nèi)31個重點城市10kV配電網(wǎng)典型網(wǎng)架結構

1）對于架空網(wǎng)

除北京和杭州無輻射式外，31個重點城市都同時采用了輻射式、單聯(lián)絡和多聯(lián)絡3種接線方式，但東部地帶多聯(lián)絡所占比例明顯高于中部內(nèi)陸地區(qū)和西部邊遠地區(qū)，單聯(lián)絡和輻射式和地域的關系不大。

多聯(lián)絡比例最高的為北京，達到96%；達到60%以上的除北京外有5個城市，即上海、西寧、杭州、南京、石家莊；分布在20%～60%之間的有20個城市。

單聯(lián)絡比例最高的為成都，達到78%；其次為長春，達到60%；分布在20%～60%之間的有28個城市。

綜上所述，國內(nèi)架空網(wǎng)選擇單聯(lián)絡和多聯(lián)絡作為典型網(wǎng)架結構和目標網(wǎng)架結構。

2）對于電纜網(wǎng)

30個城市都存在單環(huán)式，28個城市都存在單射式，19個城市采用雙環(huán)網(wǎng)，18個城市采用雙射式，僅10個城市采用對射式和N供一備。

單環(huán)式比例超過80%的有4個城市，其中比例最高的為武漢，達到97%，其次為成都，達到92%；所占比例分布在60%～80%之間的有10個城市；分布在40%～60%之間的有5個城市，分布在20%～40%之間的有6個城市。

雙環(huán)式比例最高的為寧波，達到84%；其次為杭州，達到54%；分布在20%～50%之間的有6個城市。

綜上所述，國內(nèi)電纜網(wǎng)選擇單環(huán)式和雙環(huán)式作為典型網(wǎng)架結構和目標網(wǎng)架結構。

4.3提出棗莊城市10kV配電網(wǎng)目標網(wǎng)架結構

根據(jù)棗莊城市經(jīng)濟發(fā)展水平和不同目標網(wǎng)架結構的特點與適用范圍，給出棗莊城區(qū)目標網(wǎng)架結構見表7。

表7　棗莊目標結構網(wǎng)架表

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Research on Optimization Scheme of Urban Distribution Network Structure of Zaozhuang 10 Thousand Volt based on Reliability

Chen Ning Han Peng Wang Chuanyong Wang Kun Kang Wenwen
(State Grid Zaozhuang Power Supply Company, Zaozhuang, Shandong 277100)

As the link between the terminal user and t generation and transmission system, the distribution network is a very important link to ensure the safety and reliability of the continuous power supply. At present, Zaozhuang City distribution network structure is weak, the equipment utilization rate is low, power grid planning is unreasonable, has been in the extent lags behind the economic growth of the cities, become the bottleneck of economic development. In this paper, based on the analysis of the reliability of the typical urban grid structure in China, this paper finally obtains the goal of adapting to the development of urban distribution network in Zaozhuang city.

distribution network structure; reliability; target network

陳 寧（1968-），男，本科，高級工程師，主任，主要研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、工程建設、工商管理。