城市中壓配電網規劃接線模式和拓撲計算分析

田懷源，周步祥，李保生

（1.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；2.山東電力集團公司萊蕪供電公司，山東 萊蕪 271100）

0 引言

配電網位于電力系統末端，直接與用戶相連，只有通過它，整個電力系統才能最終實現并保障對用戶的供電能力和供電質量。隨著國民經濟的高速發展及人民生活水平的不斷提高，用戶對配電網供電可靠性要求越來越高；電力市場的逐步形成及電價機制的完善，也對供電可靠性提出新的要求。這一切都要求在進行配電網規劃和建設時必須把提高配電網經濟效益及供電可靠性擺在特別重要的地位［1-2］。

目前國內正在進行配電網建設與改造工程，其中電網接線模式的選擇是一個非常重要的方面。因為它不僅牽涉到電網建設的經濟性，而且也關系到供電可靠性，還對整個電力工業和用戶的發展具有重要意義。因此，有必要對各種可能的接線模式進行定量的計算分析，以便得出符合實際供電要求的接線模式［1-4］。

10 kV網絡作為我國城市中壓配電網，其地位十分重要，為實現電網的安全、經濟運行，并達到接線方式標準化、統一化的要求，有必要針對現狀城市中壓配電網過渡到目標年網架的過渡方案及網架拓撲計算進行研究。

1 中壓配電網絡接線模式

10 kV中壓配電網由上一級變電站的10 kV配電裝置、開關站、配電所和架空線路或電纜線路等部分組成，其功能是將電力安全、可靠、經濟、合理地分配到用戶［2］。一般情況下，城市的配電網由架空線和電纜線混合組成。在研究某地區特定的供電區域內10 kV配電網的網絡結構時，可采用架空線路和電纜線路分開進行研究的方法［9］，但考慮到網架發展的總體趨勢是輻射向環網接線過渡架空向電纜線路過渡，因此，本文在分析接線模式時，也將架空和電纜線路進行了綜合分析。國內外具有代表性的典型架空和電纜接線模式如圖1～8所示。

圖1 中國城市配電網10 kV線路接線圖

圖2 倫敦中壓網孔型接線

圖3 巴黎中壓仿垂形接線

圖4 美國紐約雙回線接線

圖5 美國“4×6”網絡接線

圖6 3分段4連接方式（日本）

圖7 香港中華電力公司的典型閉環網（電纜）

圖8 新加坡環式接線（電纜）

2 中壓配電網絡規劃總體思路及過渡方案研究

2.1 中壓配電網絡規劃總體思路

中壓配電網規劃思路是根據目標年負荷分布預測結果和變電站選址方案，將10 kV配電網按供電范圍分區，對10 kV配電網絡按分區進行規劃。依據技術原則、可靠性的要求和采用的主要接線模式，考慮不同110 kV變電站之間10 kV聯絡線的設置（站間聯絡率），以及同站不同母線的聯絡情況（站內聯絡率）。規劃方案需滿足各種系統約束條件（如：短路容量限制、電壓水平限制、線路過負荷限制及N-1安全性準則等）。按照理想的供電模式和網架結構規劃出目標的目標網架。以目標年網架為目標，以現狀網絡為基礎，根據中間年負荷預測的結果進行中間年的網絡規劃，重點解決現狀網絡存在的問題，盡量考慮中間年網絡到目標年目標網架的過渡問題。以近期規劃年規劃方案為基礎，排出改造和建設的工程項目，逐步克服現狀網絡的問題。同時，針對現狀配網存在的主要問題，如線路供電半徑過長、迂回供電、供電范圍不清晰以及網架結構薄弱等方面重點加以解決。

目標規劃網架并不是在一個完全空白的新區上建設，而是在現狀負荷和現狀線路的基礎上逐步發展到目標網架，所以要求目標網架應具有較強的適應性和靈活性，在城市發展出現新情況時可以比較靈活地發展成為其他供電模式。

2.2 中壓配電網絡規劃過渡方案研究

中壓配電網目標結線與過渡結線標準的演變關系如圖9所示。

圖9 中壓配電網結線方式的演變關系圖

2.2.1 架空線網架建設及典型供電模式過渡

饋線組發展的初期，負荷較小，首先根據該區域現有線路的情況形成線路單環網接線方式（1），此時兩條線路的負荷率應該都不超過50%；超出兩條線50%負載率時，考慮和其他線路建立聯絡，形成多分段兩聯絡接線（2），線路正常負載率可達到67%；負荷繼續發展超出67%負載率時，考慮在和其他線路建立聯絡，形成多分段三聯絡接線（3），線路正常負載率可達到75%。

圖10 架空線接線過渡形式

2.2.2 電纜雙“∏”兩聯絡接線模式過渡

在饋線組負荷發展的初期，負荷較小，可首先根據該區域現有線路的情況形成電纜線路單環網（1），此時兩條線路的負荷率應該都不超過50%；饋線組區域負荷發展到超出兩條線50%負載率時過渡到（2）或者（3）；若負荷發展已經趨于飽和，且易于與其他線路建立聯絡采用（2）；若本區域還有很大的負荷發展空間或與其他線路建立聯絡較為困難采用 （3）；隨著負荷的繼續增長可以發展到（4）所示的兩聯絡雙∏接線模式，四條線正常負載率均為67%。

2.2.3 電纜主備接線模式過渡

在饋線組負荷發展的初期可首先形成電纜線路單環網接線方式（1），此時兩條線路的負荷率應該都不超過50%；在饋線組區域負荷發展超出兩條線50%負載率時，就可以考慮建設聯絡用的開閉所，并架設第三條線路，一條主供線路，也可以先上備用線路（2）；負荷繼續發展，必要情況下形成“4-1”饋線組（3）。

圖11 雙“∏”兩聯絡接線模式過渡

3 中壓配電網拓撲計算

3.1 中壓配電網拓撲計算基本原理

（1）拓撲計算總體概括。

10 kV網架的拓撲計算是對10 kV網架線路走向和下負荷點配置等進行的優化計算，使10 kV網架走向合理、負荷分配均勻、有功損耗最小和電壓降落最低。

拓撲計算是基于PW_Flow軟件所進行的計算，軟件輸入數據是10 kV線路下負荷點的有功和無功、下負荷點之間的距離，還有線路型號，經過優化計算，輸出數據是①首節點分別于2，3，4……n節點之間的有功損耗、無功損耗、電壓降落、電流值等；②末節點n分別于n-1，n-2，n-3，……，1節點之間的有功損耗、無功損耗、電壓降落、電流值等；然后通過綜合計算，找到10kV線路的最優開斷點。拓撲計算流程如圖13所示。

圖12 主備接線模式過渡

圖13 拓撲計算流程圖

（2）拓撲計算過程分析。

根據空間負荷密度法預測的結果，將地塊負荷分配到每條10 kV線路上，在分配時盡量保證：

①供電分區明確。負荷分配時，應考慮今后正常運行時的供電范圍，要保證10 kV線路與線路之間供電分區明確，不存在交叉互供現象。

②負荷分配合理。負荷分配合理即為在負荷分配時不能將負荷集中在線路上的某一點 （用戶專線除外），要均勻的分布在整條10 kV線路上。

3.2 算例分析

某開發區一回10 kV單環網接線，由新建1線和新建2線組成，中間以環網柜相連。從某1站出線，穿過負荷中心和邊緣街道接入某2站，線路全長7.27 km。負荷分配如表1所示。

表1 開發區一回負荷分配表

（1）拓撲分析。根據負荷分配情況，該線路有功負荷6 475 kW、無功3 136 kvar，網絡拓撲如圖2所示。為了節約投資，又保證負荷供電的可靠性，并盡可能地減少負荷損失，該回線路安裝12臺開關。系統正常運行時，開關K7常開，其他開關常閉。表2列出了環網正常運行或一處發生故障后的開關動作情況和負荷損失情況，負荷損失欄目的括號中給出了當前故障損失負荷以及對應的配電點順序號。

由表2知，當網絡中任何一處發生故障時，無負荷損失，供電可靠性得到了保證，符合n-1原則。不間斷供電的配電點列于表3中。

（2）優化計算。

根據《電力系統技術導則》和《城市電力網規劃設計導則》，配電網應滿足如下運行要求：

圖14 網絡拓撲圖

表2 開關狀態及負荷損失

表3 滿足n-1原則的配電點

①10 kV額定電壓，允許波動：-7%～7%；

②無功補償電容器配置應滿足功率因數達到0.9；

③高峰負荷時功率因數達到0.9～0.95；

④持續允許負荷電流密度滿足要求。

優化計算分為多種方案進行：選擇YJV-8.4/3×240或YJV-8.4/3×300銅芯電纜。配電線路分別處于正常情況和故障情況。

通過優化計算該10 kV線路最優開斷點在第3和第4計算點之間。系統正常運行時，K7常開，其他開關常閉，即該線路是一種環網結構開環運行方式。

正常開環運行方式（K7斷開，其余開關閉合）。

表4 正常運行方式

表5 嚴重故障方式

由計算可知，出現嚴重故障，選擇300銅芯電纜，線路電壓降落、功率損耗、負載率滿足設計要求。