配電網網架結構對供電可靠性的影響分析

褚紅飛

摘 要:配電系統可靠性評價指標根據實際需要分為兩大類,計23個指標。但配電網網架結構對供電可靠性的影響最為主要。配電系統供電可靠性直接反映配電系統對用戶供電能力,是配電系統可靠性管理的基礎。本文就揚州市開發區的配電網的網架結構進行了分析,提出了自己的觀點。

關鍵詞:可靠性 配電網網架結構 網架結構的應用

中圖分類號:TM72 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0102-03

配電自動化系統的功能是實時監控配電網安全,使其可靠運行,在線路開關的自動化、智能化程度較低的配電網中,系統性能對主站與通信的依賴性強,而配電網的廣域分布,使供電可靠性成為建設配電網自動化的難點之一。配電系統供電可靠性統計,可以直接反映配電系統對用戶供電能力,是配電系統可靠性管理的基礎,也是電力工業可靠性管理的一個重要組成部分。其統計對象是以對用戶是否停電為標準。

1 供電可靠性指標

配電系統供電可靠性—— 配電系統對用戶連續供電能力的程度。與供電質量有關的基本指標是配電網的可靠性?？煽啃允侵敢粋€元件、設備或系統在預定時間內,在規定的條件下完成規定功能的能力。度量可靠性特性的指標稱作可靠度或稱可靠率?？煽慷缺硎驹O備或系統成功的概率或其工作成功的比值。在設計中壓配電網時,一般都是閉環設計開環運行模式,這是由于城市配網與用戶直接相關聯。據不完全統計,用戶80%的停電事故都是由配電網故障所引發的。因此在城市配網規劃中,決策最終方案的重要因素是配電網的可靠性評估。常用的可靠性指標有以下幾種:(1)系統與用戶的停電平均頻率;(2)系統與用戶停電平均持續時間;(3)均供電的不可靠率;(4)供電平均可靠率。特別是供電平均可靠率對于城市配電網來說反映了該城市的電網建設情況,設備完好率和電力部門停電管理水平的一個綜合指標,同時也是衡量城市配電網規劃方案的一個重要指標。

這些指標與各種因素有關,例如網架的結構、不同設備的可靠性、線路的長度及負載情況、綜合自動化水平以及現有負荷轉供能力等。可靠性分析用于評估配電系統結構的可靠性,同時還討論比較可靠性的相對水平,評價提供某種特定可靠性水平所需的費用、制定可靠性的方針和政策。

量化可靠性方法是采用數據統計方法來完成的,比如在揚州開發區統計出中壓配電網故障率分別為架空線路0.1次/公里年,電纜線路0.04次/公里年,開關0.03次/臺年。由于將供電出現故障的地區分成三個區域:不受故障影響,當故障發生后通過開關正確動作使停電時間為零的區域被稱為正常區域?？赏ㄟ^另外供電電源來恢復供電的區域被稱為隔離操作時間的故障區域。不可通過其他供電電源恢復供電,故障時間為元件修復時間的區域被稱為隔離操作加聯絡切換操作時間的故障區域。根據線路各區域停電類型,再結合配電網運行、管理和檢修水平,則可確定故障后的停電時間為:正常區域只能有0.1 h,隔離操作時間的故障區域只能有0.2 h,隔離操作和聯絡開關切換兩部分操作時間的故障區域只能有3 h。

中低壓配電網一般由架空線、架空及電纜混合線路與電纜線路組合而成。整個配電網設備包含開閉所、戶外環網柜、配電所(含箱式變電站)、柱上變壓器、電纜分接箱、柱上開關、接戶線、計量裝置及配電自動化裝置等。城市中壓配電網的接線方式應在滿足供電可靠性的前提下力求簡潔, 便于實現配網自動化。應因地制宜地選擇不同供電區域的中壓配網接線方式,但同一城市的中壓配網接線方式應盡量減少。城市10 kV配電網地位十分重要。為了實現配電網的安全、經濟和可靠運行,針對不同的110 kV/10 kV變電所容量,在不同的負荷密度下,進行配電網網架研究,力求接線方式標準化、統一化。

配電網直接面向用戶,在實際分析時可將配電網分成若干區域,且每個區域都應由110 kV電站、10 kV線路與其他設備構成;設計每個區域應以區域變配電站為中心、其供電半徑為圓形設定供電區域來分析其可靠性。主要思路是:考慮每個元件的平均年故障率、每個元件出現故障時受影響的用戶數和平均修復時間,同時結合負荷轉移的情況,再算出用電有效度的平均值,用該指標比較不同方案的可靠性高低。根據統計規律,所得到的結論應適用于實際配電系統。

2 配電網網架結構對供電可靠性的影響

2.1 單電源輻射接線

單電源輻射接線的配電線路短,投資小,新增負荷時連接比較方便。優點是比較經濟,缺點是故障影響時間長、范圍大,供電可靠性較差。

這種簡單的接線模式忽略了線路的備用容量,每條出線(主干線)都是滿載運行出現故障時無法進行負荷轉移。特別當母線出現故障時全線用戶受影響,母線的平均修復時間就是平均停運時間。另外在正常運行時斷路器出現跳閘等故障的情況很少,最有可能出現需要跳閘時斷路器拒動故障,因此這種故障也應予以考慮。一般情況下不予考慮配電變壓器的故障。

2.2 不同環式接線

取自同一變電所的兩段母線或不同變電所構成不同環式接線方式。該接線形式因為有兩個電源,所以采用開環運行方式。其運行方式靈活,供電可靠性較高。在正常運行時,每條線路留有50%的裕量。但由于自動化使用較少,線路或設備一旦發生故障,需運行維護人員到現場操作實現負荷轉供,使得停電時間較長。

2.3 分段聯絡接線

分段聯絡接線提高供電可靠性方法是:在干線上加裝分段開關把每條線路進行分段,用聯絡線來連接線路。故障出現在任何一段時,保證不會影響到其他段線路的正常供電,從而縮小故障范圍。與環網結構相比,優點:分段聯絡的接線方法提高了饋線的利用率;缺點:由于需要建立聯絡線在線路之間,線路投資加大,留有一定備用容量。

2.4 “N-1”主備接線模式

“N-1”主備接線是將線路連成環網,那條公共備用線路正常時空載運行,而其它線路滿載運行。當某條線路運行時出現故障,就把備用線路通過線路切換投入運行。其接線的運行靈活性、可靠性和線路的平均負載率均與“N”值相關。一般采用“3-1”和“4-1”模式,這時線路總利用率分別為66%和75%?！?-1”以上的接線結構比較復雜,操作繁瑣,聯絡線長度較長,投資較大,而提高線路載流量的利用率已不明顯。優點是線路的理論利用率與供電可靠性較高。

針對以上典型供配電網架結構,在等負荷容量、等用戶數的條件下分別應用網絡等值法進行配電網的可靠性分析與系統可靠性指標測算,測算中使用我國配電系統實際運行對元件可靠性參數記錄材料,見表1,測算結果見表2。

通過以上分析:配電網網架結構的可靠性由低到高的排序是單輻射接線、環式接線、分段聯絡接線和N-1接線模式。

（圖1）表示了可靠性指標在不同配電網接線模式下的情況,圖中用相鄰柱狀圖代表不同方案的可靠性指標負荷密度曲線。

對于同一種接線方式,在一定的變電站容量下,供電區域負荷密度的增加導致了含有架空和電纜線路配電網的可靠性提高。如變電站容量和負荷密度不變,采用完全由架空線組成的配電網,可靠性由高到底的順序依次是分段三聯絡網架結構、分段兩聯絡網架結構、手拉手網架結構和單輻射網架結構。對于完全由電纜線組成的電網,可靠性由高到低的順序依次是分段兩聯絡網架結構、N-1網架結構、手拉手網架結構和單輻射網架結構。

3 配電網網架結構的應用

揚州市開發區配電網電壓等級為10 kV，變配電站電壓等級為220或110 kV,配電網接地方式為不接地或經消弧線圈接地。開發區配網結構已基本實現合理分段與聯絡,配電網線路負荷分布比較均勻,線路分段、聯絡點設置合理。該區域所涉及的變電站共有6座,分別為110 kV港口變、開發變、呂橋變、八里變、花園變、施橋變。包括10 kV線路43條,20 kV線路8條。所涉及一次設備包括10 kV柱上開關101臺,10 kV臺架變263臺,10 kV戶外環網柜72臺,10 kV高壓分支箱29臺,20 kV柱上開關14臺,20 kV臺架變5臺。該區域10 kV線路總長349.77 km,其中架空裸導線209.36 km,絕緣電纜140.41 km;20 kV線路總長24.46 km,其中架空裸導線17.42 km,絕緣電纜7.04 km。其配電網網架結構有多種形式。

揚州開發區配電網的網架結構采用供電面積可調的分析方法,根據負荷密度和變電所容量大小來改變所在區域供電半徑,對110 kV／10 kV中高壓配電網形成的組合電網進行研究,并考慮區域供電的負荷密度情況、變壓器臺數、容量和組合方案,并其隨負荷密度和變電所容量變化的趨勢,以及在相同條件下不同接線模式之間的比較。對配電網接線模式組合方案的可靠性和經濟性指標進行分析比較。建議在開發區配電網的網架結構采用架空接線的不同母線出線的環式接線模式,在可靠性要求較高的區域例如開發區的城區段等建議采用電纜接線的網群接線模式、架空接線的三分段四聯絡接線模式,也可以采用網群和三分段四聯絡混合接線方式。見圖2、圖3、圖4。

3.1 網群結構

架空線路中的三分段四聯絡的網絡結構被稱為網群結構,見圖2。主要是變電站出線通過環網柜一分為三,每一段通過開關和另外兩個電源點相聯,供電可靠性遠遠超過單環網,達到“N-2”。而線路的運行率不低于75%。但網群結構接線復雜,只有配合配電網自動化系統才能發揮其優勢。

3.2 三段四聯絡環網

三分段四聯絡環網結構見圖3所示,線路上每個分段可由三個不同電源供電,即使失去兩個電源,仍然可以保證供電,當主供電源停電時,線路各個分段可導至不同的電源供電,減少了線路的備用容量,線路運行率達到75%,和手拉手、普通環網結構相比,大大提高了導線利用率。

3.3 架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

對于混合式接線,架空線和電纜線路的供電范圍宜進行分隔,兩者之間可設聯絡點,但正常時應打開,只在故障時利用,如圖4所示。

目前隨著我國社會用電需求量的增多,配電網在分配電能中的作用更加顯著,其關系著整個電力系統的運行效率。城市中壓配電網對整個社會供電發揮了無可替代的作用,電網網架結構的正確與否直接關系著線路電網供電性能的發揮。不同結構的城市電網的負荷密度、變配電站和主站的保護方式、配電網中性點的接地方式等都是不同的,因此配電網網架結構要因地制宜并具備當地特點。對于日趨復雜的配電網,如何通過更為先進的手段,使之更安全、可靠、經濟地運行;如何迅速、準確地處理配電網的事故,使配電網和用戶的損失最小;如何進一步提高供電可靠性。

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