城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案分析

賈玉偉，張明文，高冬那，黃家棟

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.河北省電力公司，石家莊 050021)

電網(wǎng)規(guī)劃是電網(wǎng)發(fā)展的重要依托，其規(guī)劃水平和質(zhì)量直接影響到電網(wǎng)供電的安全性、可靠性和經(jīng)濟性水平。《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》規(guī)定，配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性是指設(shè)備停運時，對用戶連續(xù)供電的可靠程度，應(yīng)該滿足N-1安全準則和用戶用電可靠程度的具體規(guī)定。這些規(guī)定還不是到最終用戶的N-1準則，而且在不同的網(wǎng)絡(luò)模式及變壓器接線方式下，N-1所能夠達到的級別也不同。

1 城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃的主要技術(shù)原則

1.1 供電可靠性

城網(wǎng)規(guī)劃考慮的供電可靠性是指電網(wǎng)設(shè)備停運時，對用戶連續(xù)供電的可靠程度，應(yīng)滿足電網(wǎng)供電安全準則和用戶用電可靠程度兩方面具體規(guī)定。城市中壓配電網(wǎng)的供電安全采用N一1安全準則，即中壓配電網(wǎng)中1條架空線，或1條電纜，或變電站中1臺降壓變電器發(fā)生故障停運時，在正常情況下，除故障段外不停電，并不得發(fā)生電壓過低和設(shè)備不允許的過負荷；在計劃停運情況下，又發(fā)生故障停運時， 允許部分停電， 但應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)供電。

滿足用戶用電的程度是指電網(wǎng)故障造成用戶停電時間，允許停電的容量和恢復(fù)供電的目標時間。電壓等級越高、負荷越大的用戶，目標時間越短。主要原則是：兩回路供電的用戶，失去一回路后，應(yīng)不停電；三回路供電的用戶，失去一回路后，應(yīng)不停電，再失去一回路后，應(yīng)滿足50%～70%用電；一回路和多回路供電的用戶電源全停時，恢復(fù)供電的目標時間為一回路故障處理的時間；開環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的用戶，環(huán)網(wǎng)故障時需通過電網(wǎng)操作恢復(fù)供電的，其目標時間為操作所需的時間。滿足用戶用電的程度通常用配電網(wǎng)的供電可靠率來評估，即系統(tǒng)年均斷電時間(h/戶·年)。

1.2 城網(wǎng)結(jié)構(gòu)

城網(wǎng)結(jié)構(gòu)是城網(wǎng)規(guī)劃的主體，應(yīng)滿足靈活適應(yīng)城市建設(shè)規(guī)模、負荷密度、供電需要以及經(jīng)濟性和可靠性。變電站應(yīng)根據(jù)城網(wǎng)總體負荷、分區(qū)負荷需求預(yù)測和地理環(huán)境條件，本著便于形成規(guī)劃目標網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和有利于網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟運行的原則進行布局，并留有插入新建變電站的可能性。

1.2.1 結(jié)構(gòu)要求

規(guī)劃的城網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)達到各級電壓電網(wǎng)的接線標準化，提高可靠性，減少維護、檢修費用；高壓配電網(wǎng)接線簡化，實現(xiàn)自動化和無人值班；下一級電網(wǎng)能支持上一級電網(wǎng)。同時規(guī)劃城網(wǎng)還應(yīng)滿足電源送出要求和形成穩(wěn)定可靠的供電能力，以適應(yīng)電力市場拓展和消費需要；有一定裕度和應(yīng)變能力，具有前瞻性；電網(wǎng)運行要靈活、經(jīng)濟，線損及成本應(yīng)相對較低；接線簡明、層次清晰；結(jié)構(gòu)形式和潮流流向合理，避免電磁環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)環(huán)流；采取措施限制短路電流[1]。

1.2.2 結(jié)構(gòu)形式

城網(wǎng)接線的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：

a. 放射型，只由一端電源供電；

b. 環(huán)型，由單電源構(gòu)成的完整的環(huán)形回路；

c. 群型，多電源(至少2個)，呈鏈狀的網(wǎng)絡(luò)，如兩電源之間的2條或3條線路上進行多次“T”接變壓器或兩電源之間形成“手拉手”形式；

d. 紡錘型，雙側(cè)電源，正常時單電源運行，當工作電源失電時另一側(cè)電源自動閉合；

e. 網(wǎng)孔型，由多個環(huán)形回路組成，由多電源供電；

f. 袋型，單電源多回路帶幾個變電站的供電形式；

g. “4×6”網(wǎng)絡(luò)，由4個電源節(jié)點通過6條線路相互連接，每條線路可以分成兩段及以上，正常運行時可單電源供電，形成放射型。也屬于網(wǎng)孔型的一種。

1.2.3 主接線形式

城網(wǎng)結(jié)構(gòu)中最重要的是變電站的電氣主接線選擇。目前，變電站主接線形式主要有：單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段帶旁路、雙母線分段(包括單分段、雙分段)和3/2接線以及橋式接線(包括內(nèi)橋和外橋)、角形接線和線路變壓器組單元接線等[2]。

2 提高中壓配電網(wǎng)供電可靠性的方法

基于可靠性的規(guī)劃是一種以性能或目標為基礎(chǔ)的規(guī)劃方法。結(jié)合客戶的供電特性，規(guī)劃人員必須考慮系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI)、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間(SAIDI)和短時停電頻率(MAIFI)。

規(guī)劃人員參照某個目標，如配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性對系統(tǒng)進行評估，然后識別系統(tǒng)對既定目標的實現(xiàn)，哪些地方有缺陷以及為什么會出現(xiàn)這種缺陷，并按照主次、輕重對發(fā)現(xiàn)的缺陷排序，最后確定解決辦法，以使系統(tǒng)達到性能目標。

中壓配電網(wǎng)規(guī)劃的供電可靠性考慮切換速度、分段、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和備用線路容量四方面的相互影響，切換速度的需求在很大程度上取決于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和備用線路容量，以便于在事故過程中系統(tǒng)能夠由另外一條饋電路徑供電；一條饋線如何實現(xiàn)分段，取決于該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；采用分段的線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有相似的短路電流分布和保護配合特性[3]。

3 城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案分析

3.1 10 kV中壓配電網(wǎng)接線

城市10 kV中壓配電網(wǎng)由架空線和電纜混合組成。隨著城市的改造和發(fā)展以及道路的拓寬，應(yīng)加快發(fā)展電纜網(wǎng)絡(luò)，包括現(xiàn)存架空線的“下地”。10 kV中壓配電網(wǎng)需要根據(jù)高壓變電站的布局、負荷分布和行政區(qū)以及功能小區(qū)，劃分成若干個相對獨立的配電分區(qū)。各分區(qū)配電網(wǎng)應(yīng)有大致明確的供電范圍，一般不交叉重疊。為了保證中壓配電網(wǎng)的供電可靠性，每個分區(qū)配電網(wǎng)應(yīng)有多個供電電源，滿足N-1安全準則。

3.1.1 組網(wǎng)接線原則

a. 10 kV中壓配電網(wǎng)逐步實現(xiàn)電纜化。新建線路均采用電纜環(huán)網(wǎng)結(jié)線方式，并逐步對舊架空線進行電纜化改造，舊架空線上一般不允許再增接新用戶。

b. 新用戶只能由架空線供電者，不直接T接架空線，應(yīng)與由該架空線供電的附近其它用戶“手拉手”環(huán)網(wǎng)，以利于今后電纜化改造。

c. 10 kV中壓配電網(wǎng)應(yīng)有較強的適應(yīng)性，新建和改造的主干線導(dǎo)線截面應(yīng)按長遠規(guī)劃選型，線路走廊、開閉所和配電所的土建均應(yīng)按發(fā)展規(guī)劃規(guī)模一次建成，以保證在相當長的時間內(nèi)不需要更換導(dǎo)線和超規(guī)模擴建。即使是由于負荷增長不滿足需要時，增加新的饋入點或插入新的變電站，而其結(jié)構(gòu)保持基本不變。

d. 10 kV中壓配電網(wǎng)必須具有足夠的備用容量，特別是高壓變電站之間的中壓網(wǎng)應(yīng)有足夠的聯(lián)絡(luò)容量，確保負荷能夠轉(zhuǎn)移。一般應(yīng)有1/3裕度，過渡期間應(yīng)留1/2裕度，即：“3-1”和“2-1”要求。

e. 10 kV中壓架空配電網(wǎng)應(yīng)采用“多分段多聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)”。 沿道路架設(shè)線路的格子形布局網(wǎng)絡(luò)，在道路交叉口互聯(lián)。為縮小架空配電線路檢修和事故時的停電范圍，應(yīng)裝設(shè)分段斷路器。一般主干線分為2～3段，裝分段斷路器1～2臺，較大的支線也應(yīng)裝斷路斷路器。架空配電線路之間應(yīng)裝設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器，以實現(xiàn)配電線路的互倒互帶，提高運行靈活性。

f. 電纜網(wǎng)主要采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開環(huán)(輻射)或閉環(huán)運行。原則上，每條10 kV線路分3段，每段長度按負荷劃分，每段線路所供用戶的裝機容量控制在2 000 kVA左右。也可以按供電半徑進行控制。

3.1.2 具體接線方案

a. 樹干式接線，適用于架空線、非重要用戶，干線可以分段。

b. T接式接線，又可分單T、雙T、三T、均單T運行。對老城區(qū)架空線變電纜的改造，考慮多數(shù)用戶未設(shè)置高壓開關(guān)柜，且無安裝地點，故宜采用T接方式，即在電纜線路上，利用高壓電纜分支箱或戶外箱式變壓器T接各用戶。對于雙電源用戶，可分別從兩條不同線路的電纜上T接。為提高干線電纜及配電變壓器的利用率，還可考慮三T方式。

c. 環(huán)形接線，其中包括單環(huán)形接線和雙環(huán)形接線。電纜線路普遍采用環(huán)形結(jié)構(gòu)開環(huán)運行的方式。這種接線簡單清晰，可靠性較高。無論是雙電源雙T接線還是環(huán)形接線，均需要較大的備用，備用容量達50%，正常時最大負荷只能達到線路安全載流量的1/2。

d. 三電源環(huán)形接線，這是一種可靠性高，適合高密度負荷區(qū)的配電網(wǎng)接線方式，能夠提高線路的利用率。這種接線方式宜成為規(guī)劃城市10 kV中壓配電網(wǎng)的標準模式。該接線的結(jié)構(gòu)是，網(wǎng)絡(luò)有3(或4)個電源(可以取自同一變電站的3段母線或不同的變電站)，當失去一個電源時，網(wǎng)絡(luò)全部負荷由其余2個電源(或2個電源加備用電源)供電，有3種接線方式。

三供一備接線(即“Y0 ”型接線)，回路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別取自不同變電站或同一變電站的不同主變壓器。正常時，各回路供給本回路用戶。當一回路故障時，由備用回路承擔(dān)故障回路負荷，設(shè)置備用電源開閉所(或備用電源開閉所加配電變壓器)及備用電源柜。與3個獨立的環(huán)型接線相比，此接線方式提高了電纜利用率(由1/2提高至3/4)。當一個區(qū)域的供電容量較大、配電所較多時，采用此種接線。對于重要高層的配電所，可以由2個回路供電。根據(jù)負荷增長情況還可適當增加主供回路，形成四供一備接線，可以節(jié)省電纜和10 kV出線柜的投資。同時，這種接線組網(wǎng)方式靈活，可以根據(jù)用戶的地理位置及竣工時間的不同，組網(wǎng)順序隨機掌握，逐步形成，一般應(yīng)先建備用電源回路。具體接線見圖1。

圖1 三供一備接線示意

分段聯(lián)絡(luò)接線，將3條電源回路二分段，在回路的中間及末端用聯(lián)絡(luò)線連接在一起。一組3回饋線需設(shè)置4個聯(lián)絡(luò)開閉所，配電所內(nèi)設(shè)一進一出的環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜。具體接線示意見圖2。

圖2 分段聯(lián)絡(luò)接線

分片配電網(wǎng)絡(luò)接線，設(shè)3個雙電源配電聯(lián)絡(luò)開閉所，每個開閉所有一個電源，3 個電源來自同一變電站的3段不同母線或3個不同變電站。每個開閉所按地段就近分片分配負荷，把各片配電所連成環(huán)型接在所屬開閉所的同一母線上。小環(huán)的電纜截面按小環(huán)實際預(yù)測負荷選擇。當一個電源出現(xiàn)故障時，接通相應(yīng)聯(lián)絡(luò)線，即能恢復(fù)供電[4]。分片配電網(wǎng)絡(luò)接線示意見圖3。

圖3 分片配電網(wǎng)絡(luò)接線示意

3.2 10 kV開閉所設(shè)計

10 kV開閉所是實現(xiàn)10 kV 中壓配電網(wǎng)分片聯(lián)絡(luò)和進行功率再分配，彌補高壓變電站出線回路不足和線路走廊困難，在負荷較集中區(qū)域設(shè)置的重要設(shè)施。開閉所可設(shè)配電變壓器以便向周圍的低壓用戶供電，只要附近有低壓負荷，“均應(yīng)設(shè)置配電變壓器。開閉所應(yīng)作為市政建設(shè)的配套工程，與市政工程建設(shè)、高層建筑建設(shè)、居民小區(qū)樓群建設(shè)同步進行。

3.3 10 kV配電所變壓器選擇

配電變壓器單臺容量的選擇與所供面積大小、負荷密度、壓降及低壓線路有關(guān)。一般可選以下幾種等級：31 kV、400 kV、500 kV和630 kV，其土建設(shè)計均按630 kV考慮。特殊情況下，可以選更大容量的配電變壓器，如800 kV、1 000 kV、1 250 kV等。配電所配電變壓器一般按2～3臺規(guī)劃，負荷密度較高區(qū)域可按4臺考慮，不多于4臺。

室外臺架配電變壓器應(yīng)逐步改為室內(nèi)公用配電所或箱式變壓器，最終取消臺架配電變壓器。對于負荷較小且較分散的用戶，宜推廣采用箱式變壓器，考慮其防腐性能，并適應(yīng)雙電源或接入環(huán)網(wǎng)的條件，提高供電可靠性。

配電所一次側(cè)主接線，應(yīng)采用單母線接線，低壓側(cè)采用單母線分段接線。一般情況下，配電所配電變壓器和箱式變壓器高壓側(cè)采用負荷開關(guān)加熔斷器保護，處于環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)采用環(huán)網(wǎng)柜，其低壓側(cè)設(shè)刀熔斷路器或自動斷路器。

4 規(guī)劃方案應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用情況

上面介紹的各種接線形式多為環(huán)型或網(wǎng)孔型，但實際運行多為開環(huán)運行，呈輻射狀。根據(jù)實際情況，在青島城網(wǎng)建設(shè)過程中，采取循序漸進的方式。首先按規(guī)劃目標建設(shè)輻射型網(wǎng)絡(luò)，并按遠景目標網(wǎng)絡(luò)逐步實施，包括預(yù)留走廊，插入配電所、開閉所的位置等。市區(qū)內(nèi)線路先實現(xiàn)“手拉手”，部分負荷密集區(qū)實現(xiàn)“三源”接線，隨著負荷的增長，逐步由“三源”接線、“手拉手”向“四源”、“三源”接線過渡。該方案主要推薦三供一備(或四供一備)接線和分段聯(lián)絡(luò)接線。

開閉所10 kV側(cè)采用單母線分段，母線之間加聯(lián)絡(luò)開關(guān)。凡具有聯(lián)絡(luò)性質(zhì)的進出線配置開關(guān)柜，以滿足配電系統(tǒng)自動化自動切除故障電纜的要求。直接配出線(輻射型)采用負荷開關(guān)加熔絲保護。凡設(shè)置了配電變壓器的，其配電變壓器總進線采用開關(guān)柜，低壓側(cè)采用單母線分段接線。根據(jù)高壓變電站出線設(shè)備的容量，開閉所的轉(zhuǎn)供供電容量一般控制在7 000～10 000 kV。開閉所的進線電源可來自同一變電站的不同母線或不同的變電站，出線按10回考慮。中壓直供用戶采用雙電源的采用單根電纜，單電源的采用雙根電纜。允許2個雙電源用戶共用2個出線柜。配電變壓器單臺容量按630 kV考慮，配電所配電變壓器按2～3臺規(guī)劃，負荷密度較高區(qū)域可按4臺考慮，但不多于4臺。

配電所或開閉所的中壓設(shè)備選用性能好、質(zhì)量高，檢修周期長或多年不檢修，小型化、無油化和具有可控性的設(shè)備，如SF6開關(guān)柜、真空開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)單元、小型封閉式配電裝置及各種新型熔斷器，優(yōu)先采用環(huán)網(wǎng)單元。建于高層建筑物內(nèi)的配電變壓器采用干式變壓器，在繁華地區(qū)及受場地限制無法建設(shè)配電室的處所采用箱式變壓器。

4.2 應(yīng)用效果

10 kV中壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案在青島應(yīng)用以后，達到了以下的水平：

a. 具有充分的供電能力，能滿足用電負荷增長的需要；

b. 有功和無功容量之間比例協(xié)調(diào)；

c. 供電質(zhì)量、可靠性達到規(guī)劃目標的要求；

d. 建設(shè)資金和建設(shè)時間取得恰當?shù)慕?jīng)濟效益；

e. 設(shè)備得到更新，網(wǎng)絡(luò)完善合理，與社會環(huán)境協(xié)調(diào)一致，技術(shù)水平達到較先進的現(xiàn)代化程度。

5 結(jié)束語

基于可靠性的城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃增強了10 kV配電網(wǎng)的供電能力，加強了城網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)施的標準化，做到了遠近相結(jié)合、新建和改造相結(jié)合，可以保證電力設(shè)施的安全運轉(zhuǎn)，為電力企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 張茂春.淺析城市電網(wǎng)規(guī)劃的編制過程與技術(shù)原則[C]//山東電機工程學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會論文集.山東:中國電機工程學(xué)會,2006.

[2] 陳章潮.城市電網(wǎng)規(guī)劃與改造[M].北京:中國電力出版社,2007.

[3] 鞠 佳.基于可靠性的城市中壓配電網(wǎng)規(guī)劃——訪北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院夏泉副院長[J].電氣應(yīng)用,2011,30(1):8-10.

[4] 戴晰臣.濟南城市電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃研究[D].山東:山東大學(xué),2002.