劉娟楠，于廣亮，李文輝，王芝麟，張文韜

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710075；2.國網(wǎng)西安供電公司，陜西西安710032；3.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；4.西安交通大學(xué)，陜西西安 710068）

配電網(wǎng)規(guī)劃一般首先根據(jù)變電容量需求以及輸電線路容量確定滿足電力需求的一個(gè)或者幾個(gè)方案[1]，然后對(duì)待選方案進(jìn)行潮流、可靠性等的計(jì)算分析，技術(shù)人員或?qū)＜覍?duì)方案進(jìn)行綜合比較得出推薦方案[2]。但開始設(shè)置方案時(shí)一般只是憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定，初始方案的可靠性與要求可能偏差較大。近年來，有人提出計(jì)算中壓線路接線模式的可靠性指標(biāo)[3]，但一是未將各個(gè)電壓等級(jí)考慮在內(nèi)，二是在參數(shù)選擇時(shí)，未考慮供電安全水平的要求。

1 配電網(wǎng)中壓線路接線模式

中壓配電網(wǎng)分為架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)，它們又分別有很多種接線形式[4]。

1.1 架空網(wǎng)

架空網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)主要有輻射式、多分段單聯(lián)絡(luò)、多分段適度聯(lián)絡(luò)等結(jié)構(gòu)。

單輻射結(jié)構(gòu)一般將線路分段，線路故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致線路全停，但電源故障時(shí)將會(huì)導(dǎo)致整條線路停電。單電源單射式供電不考慮故障備用問題，正常方式下可以滿載運(yùn)行，見圖1。

圖1 單輻射Fig.1 Single radial structure

單聯(lián)絡(luò)接線形式將不同變電站的兩條饋線或同一變電站不同中母線的2條饋線，通過一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接起來，是中壓饋線聯(lián)絡(luò)的最簡單形式，其供電可靠性較單輻射方式大大增加。當(dāng)任意一個(gè)區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，分段開關(guān)閉合，可將負(fù)荷通過另一條饋線轉(zhuǎn)供。該接線形式滿足線路和電源的N-1校核，但需考慮備用容量，正常運(yùn)行時(shí)線路負(fù)載率僅為50%，單位負(fù)荷的線路投資較單射式有所增加。單聯(lián)絡(luò)見圖2。

圖2 單聯(lián)絡(luò)Fig.2 Single connection structure

多分段適度聯(lián)絡(luò)是架空線路環(huán)網(wǎng)采用的接線形式，通常開環(huán)運(yùn)行。分段數(shù)量與聯(lián)絡(luò)數(shù)量根據(jù)負(fù)荷密度、負(fù)荷性質(zhì)、線路長度、用戶數(shù)量及環(huán)境等因素確定。目前使用較多的多分段適度聯(lián)絡(luò)有三分段兩聯(lián)絡(luò)和三分段三聯(lián)絡(luò)兩種接線。多分段適度聯(lián)絡(luò)見圖3。

圖3 多分段適度聯(lián)絡(luò)Fig.3 Multi segments and proper connection structure

1.2 電纜網(wǎng)

中壓電纜網(wǎng)的典型接線方式主要有單射式、雙射式、單環(huán)式、雙環(huán)式、N供一備等類型[5-6]。

自一座變電站或開關(guān)站的一條中壓母線出一回電纜，形成單射式接線方式。該接線方式不滿足“N-1”校核，由于不考慮故障備用，主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率可達(dá)到100%。該接線方式通常僅作為一種過渡接線形式。單射式見圖4。

圖4 單射式Fig.4 Single radial structure

自一座變電站或開關(guān)站的不同中壓母線或同一供電區(qū)域兩個(gè)變電站或開關(guān)站引出雙回電纜，形成雙射接線方式。雙環(huán)網(wǎng)一般也作為一種過渡方式，隨著網(wǎng)絡(luò)的加強(qiáng)，可逐步發(fā)展為雙環(huán)式接線。雙射式供電可以為用戶提供雙電源供電，一條電纜故障時(shí)，用戶配變可切換到另一條電纜上。雙射式見圖5。

圖5 雙射式Fig.5 Double radial structure

自一座變電站或開關(guān)站的不同中壓母線或同一供電區(qū)域兩個(gè)變電站或開關(guān)站引出單回電纜構(gòu)成單環(huán)網(wǎng)，開環(huán)運(yùn)行。任何一個(gè)區(qū)段故障，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可將負(fù)荷轉(zhuǎn)供到與其拉手的饋線，供電可靠性比單射式大大提高。該供電模式滿足N-1校核，但主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率僅為50%。從規(guī)劃建設(shè)的角度考慮，一般采用異站單環(huán)接線方式，僅在不具備條件時(shí)采用同站不同母線單環(huán)接線方式。單環(huán)式見圖6。

圖6 單環(huán)式Fig.6 Single ring structure

自一座變電站或開關(guān)站的不同中壓母線或同一供電區(qū)域兩個(gè)變電站或開關(guān)站不同中壓母線引出雙回電纜構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)，開環(huán)運(yùn)行。雙環(huán)網(wǎng)的接線形式主要依賴變電站或開關(guān)站不同母線的母聯(lián)開關(guān)構(gòu)成，若變電站或開關(guān)站母線之間無分段開關(guān)，則仍為單環(huán)網(wǎng)接線。該接線方式滿足N-1校核，主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率僅為50%。與電纜單環(huán)網(wǎng)相比，雙環(huán)網(wǎng)更易于為用戶提供雙路電源供電，可靠性更高。雙環(huán)式見圖7。

圖7 雙環(huán)式Fig.7 Double ring structure

N供一備是指N條電纜線路連成電纜環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，另外一條線路作為公共的備用線路。非備用線路可滿載運(yùn)行，若某條運(yùn)行線路出現(xiàn)故障，可以通過切換將備用線路投入運(yùn)行，其設(shè)備利用率為N/（N+1）。綜合考慮設(shè)備利用率和運(yùn)行操作復(fù)雜程度，一般N最大取4。N供1備見圖8。

圖8 N供1備Fig.8 N supply lines with one backup line structure

2 基于可靠性的中壓接線模式選擇方法

2.1 建立可靠性評(píng)估模型

根據(jù)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，將要進(jìn)行的可靠性計(jì)算分為高壓層、饋線層、配變層、低壓線路層等4個(gè)層級(jí)，建立各層級(jí)的可靠性評(píng)估模型[7]。

2.1.1 高壓層

高壓層故障停電時(shí)，若中壓層可以轉(zhuǎn)移負(fù)荷，則故障停電時(shí)間為零，若不可轉(zhuǎn)移，停電時(shí)間t0為：

式中：T0為高壓層平均故障停電時(shí)間；λ01為主變故障概率；λ02為線路故障概率；l0為線路平均長度；t0為恢復(fù)供電時(shí)間。

高壓層檢修預(yù)安排停電時(shí)，所帶負(fù)荷可以轉(zhuǎn)供，不損失負(fù)荷[9]。

2.1.2 中壓線路層

1）架空線路故障停電時(shí)間：若故障后其他未故障段可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間T11為

式中：T11為架空線路平均故障停電時(shí)間；λ11為架空線路故障概率；l1為架空線路長度；t11為故障隔離時(shí)間；t12為故障檢修時(shí)間；n為分段數(shù)；a為配變雙接入比例。

若故障后其他未故障段不可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間T11為

2）架空線路預(yù)安排停電時(shí)間：若其他段可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間如下式：

式中：T12為架空線路平均預(yù)安排停電時(shí)間；λ12為架空線路預(yù)安排停運(yùn)率；t13為架空線路預(yù)安排檢修時(shí)間。

若后段不可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間如下式：

3）電纜線路故障停電時(shí)間：若故障后其他未故障段可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間T13為

式中：T13為電纜線路平均故障停電時(shí)間；λ13為電纜線路故障率；l2為電纜線路長度；t14為電纜線路故障隔離時(shí)間。

若故障后其他未故障段不可以轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間如下式：

4）電纜線路預(yù)安排停電時(shí)間：若負(fù)荷可以轉(zhuǎn)供，則不停電。

若不可轉(zhuǎn)供，則停電時(shí)間T14為

式中：T14為電纜線路平均預(yù)安排停電時(shí)間；λ14為電纜線路預(yù)安排停運(yùn)率；t16為電纜線路預(yù)安排檢修時(shí)間。

2.1.3 中壓配變層

配變層故障平均停電時(shí)間：

式中：T21為配變層故障平均停電時(shí)間；λ21為配變故障停運(yùn)率；t21為配變故障檢修時(shí)間；

配變層預(yù)安排平均停電時(shí)間：

式中：T22—配變層預(yù)安排平均停電時(shí)間；λ22為配變預(yù)安排停運(yùn)率；t22為配變預(yù)安排檢修時(shí)間。

2.1.4 低壓線路層

低壓線路一般為輻射式運(yùn)行，當(dāng)?shù)蛪褐鞲删€發(fā)生故障時(shí)，低壓線路全線停電。

低壓線路故障平均停電時(shí)間：

式中：T3為低壓線路故障平均停電時(shí)間；λ3為低壓線路故障率；l3為低壓線路平均長度；t3為低壓線路故障修復(fù)時(shí)間。

2.2 接線模式選擇

1）分析本地區(qū)的地形及配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，并根據(jù)地域特征分析各種接線模式的利弊，剔除完全不適合的接線模式。

2）根據(jù)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，將要進(jìn)行的可靠性計(jì)算分為高壓層、饋線層、配變層、低壓線路層等4個(gè)層級(jí)，建立各層級(jí)的可靠性評(píng)估模型。

3）根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則對(duì)供電安全水平的要求并結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際情況，分不同供電區(qū)域給定相關(guān)計(jì)算參數(shù)，包括中壓線路平均長度、中壓線路分段數(shù)、設(shè)備故障停運(yùn)率、檢修預(yù)安排停運(yùn)率、故障隔離時(shí)間和故障恢復(fù)時(shí)間。

4）應(yīng)用對(duì)4個(gè)層級(jí)建立的可靠性評(píng)估模型對(duì)架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)的各個(gè)接線模式進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，得到每個(gè)接線模式的供電可靠率指標(biāo)，并比對(duì)導(dǎo)則中給出的每個(gè)供電區(qū)的指標(biāo)要求，選擇合適本區(qū)域的接線模式。接線模式選擇流程見圖9。

圖9 接線模式選擇流程Fig.9 Medium Voltage Distribution Line Connection Model Selection Process

3 算例分析

首先需選取典型參數(shù)。

配電網(wǎng)可靠性來自于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備水平、管理水平和上級(jí)電網(wǎng)技術(shù)的綜合作用。其中電網(wǎng)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和管理技術(shù)參數(shù)的典型參數(shù)取值如下：

3.1 中壓線路平均長度

根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》[10]，A、B類供電區(qū)域供電半徑不宜超過3 km，C類供電區(qū)域供電半徑不宜超過5 km，D類供電區(qū)域供電半徑不易超過15 km。因此，結(jié)合陜西實(shí)際情況，A類供電區(qū)域中壓線路平均長度均設(shè)置為2 km，B類供電區(qū)域中壓線路平均長度均設(shè)置為3 km，C類供電區(qū)域中壓線路平均長度設(shè)置為5 km，D類供電區(qū)域中壓線路平均長度設(shè)置為15 km。

3.2 設(shè)備故障及檢修預(yù)安排停運(yùn)率典型值

配電網(wǎng)可靠性受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備水平、管理水平和上級(jí)電網(wǎng)技術(shù)的制約。本文主要是為了分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)可靠性的影響，因此要弱化設(shè)備水平管理水平的影響，則各類供電區(qū)域中配變、開關(guān)、電纜線路、架空線路等設(shè)備的故障概率和體現(xiàn)管理水平的配變、開關(guān)、電纜線路、架空線路等設(shè)備的預(yù)安排停運(yùn)率均采用高檔設(shè)備和高管理水平的可靠性參數(shù)，如表1所示。

表1 設(shè)備故障及檢修預(yù)安排停運(yùn)率典型值Tab.1 Typical values of the outage rate of equipment failure and scheduled maintenance

3.3 故障排查和修復(fù)時(shí)間

假定高中壓配電網(wǎng)均滿足供電安全標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)高壓層發(fā)生“N-1”故障時(shí)，A類要求恢復(fù)供電時(shí)間≤15min，B、C類要求2/3負(fù)荷恢復(fù)供電時(shí)間≤15 min，其余負(fù)荷恢復(fù)供電時(shí)間≤3 h，因此設(shè)定高壓故障的停電時(shí)間A類供電區(qū)域?yàn)?5 min，B、C類供電區(qū)域?yàn)?h，D類供電區(qū)域?yàn)?小時(shí)。

當(dāng)饋線層發(fā)生“N-1”故障時(shí)，A類供電區(qū)域要求在15 min內(nèi)恢復(fù)供電，說明A類供電區(qū)域也要求有配電自動(dòng)化，并逐步實(shí)現(xiàn)全覆蓋；B、C、D類供電區(qū)域要求在3 h內(nèi)恢復(fù)供電，故障后主要靠人工排查故障。因此結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)定中壓故障排查時(shí)間A類供電區(qū)域?yàn)?5 min，B、C類供電區(qū)域?yàn)? h，D類供電區(qū)域3 h。

中壓故障線路的非故障段要求在3 h內(nèi)恢復(fù)供電，故障段的恢復(fù)供電時(shí)間一般大于等于3 h，因此設(shè)定中壓故障修復(fù)時(shí)間為3 h。

各類供區(qū)的故障排查時(shí)間和修復(fù)時(shí)間典型取值如表2所示。

表2 故障排查時(shí)間和修復(fù)時(shí)間典型值Tab.2 Typical values of fault checking time and repairing time

應(yīng)用可靠性評(píng)估模型，采用故障模式后果分析法，根據(jù)供電安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別計(jì)算A、B、C、D4類供電區(qū)域中架空線的單輻射、單聯(lián)絡(luò)、三分段三聯(lián)絡(luò)和電纜線路的單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)的用戶平均停電時(shí)間，如表3—表6所示。

表3 A類供電區(qū)域可靠性計(jì)算Tab.3 reliability calculation of A-type power supply area min

根據(jù)上述供電可靠性計(jì)算結(jié)果及A、B、C、D四類供電區(qū)域的可靠性規(guī)劃目標(biāo)，為各類供電區(qū)匹配相應(yīng)的接線方式，結(jié)果如下。

表4 B類供電區(qū)域可靠性計(jì)算Tab.4 reliability calculation of B-type power supply area min

表5 C類供電區(qū)域可靠性計(jì)算Tab.5 reliability calculation of C-type power supply area min

表6 D類供電區(qū)域可靠性計(jì)算Tab.6 reliability calculation of D-type power supply area min

A類供電區(qū)域的供電可靠率目標(biāo)要求用戶年平均停電時(shí)間不高于52 min（RS-3≥99.990%）。由表3可知，架空網(wǎng)不能滿足A類供電區(qū)域的供電可靠性要求，電纜網(wǎng)的兩種接線方式均能滿足。而且，由于A類均為中心城區(qū)，城市規(guī)劃一般不允許再架設(shè)架空線路，故該區(qū)域內(nèi)僅考慮電纜網(wǎng)，單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)均在可選范圍內(nèi)。

B類供電區(qū)域的供電可靠率目標(biāo)要求用戶年平均停電時(shí)間不高于3 h（RS-3≥99.965%）。由表4可知，架空網(wǎng)的單聯(lián)絡(luò)方式和三分段三聯(lián)絡(luò)方式、電纜網(wǎng)的兩種接線方式均可滿足B類供電區(qū)域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。而且由于B類供電區(qū)主要為地級(jí)市的中心城區(qū)、重要城區(qū)、重要園區(qū)，在綜合區(qū)域，一般不允許再架設(shè)架空線路，在這種區(qū)域內(nèi)僅考慮電纜網(wǎng)，以單環(huán)網(wǎng)為主，必要時(shí)可以考慮雙環(huán)網(wǎng)；在一些產(chǎn)業(yè)園區(qū)，能夠采用架空線路的，優(yōu)先考慮采用架空網(wǎng)多分段適度聯(lián)絡(luò)，架空線路實(shí)施困難的路段采用電纜單環(huán)網(wǎng)。

C類供電區(qū)域的供電可靠率目標(biāo)要求用戶年平均停電時(shí)間不高于9 h（RS-3≥99.897%）。由表可知，架空網(wǎng)的單聯(lián)絡(luò)方式和三分段三聯(lián)絡(luò)方式、電纜網(wǎng)的兩種接線方式均可滿足C類供電區(qū)域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。而且由于C類供電區(qū)一般為縣城或縣級(jí)園區(qū)，按照目前各省的110kV布點(diǎn)密度，大多能夠保證兩座110kV變電站，優(yōu)先考慮采用架空網(wǎng)多分段適度聯(lián)絡(luò)，在縣城內(nèi)架空線路實(shí)施困難的路段采用電纜單環(huán)網(wǎng)。

D類供電區(qū)域的供電可靠率目標(biāo)要求用戶年平均停電時(shí)間不高于15 h（RS-3≥99.828%）。由表6可知，架空網(wǎng)的單聯(lián)絡(luò)方式和三分段三聯(lián)絡(luò)方式、電纜網(wǎng)的兩種接線方式均可滿足D類供電區(qū)域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，D類供電區(qū)域推薦全部采用架空網(wǎng)，接線方式以單聯(lián)絡(luò)和三分段三聯(lián)絡(luò)為主，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)若難以實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)，可采用單輻射方式。

4 結(jié)論

本文提出了中壓線路接線模式的快速選擇方法，計(jì)算典型接線模式下的各個(gè)電壓等級(jí)的可靠性指標(biāo)，在初始規(guī)劃方案設(shè)定前就可以確定合適的接線模式，利用此接線模式規(guī)劃的配電網(wǎng)必然滿足可靠性的要求。

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