中壓配電網接線模式的N－1 準則評估分析

馬 龍，楊建華，方 芹，蘇 劍，韋 濤，劉 軍

(1．中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京100083;2．中國電力科學研究院，北京100192)

0 引言

在配電網規劃、運行及調度時，通常要采用“N－1”安全準則進行配電網接線模式評估［1，2］。目前，在輸電網中已經形成了比較成熟的“N －1”安全準則校驗方法［3，4］，但中壓配電網通常具有閉環設計、開環運行的特點，一些常閉、常開開關分別構成分段開關和聯絡開關。因此，中壓配電網“N－1”安全準則的接線模式評估與輸電網有所不同，它主要是面向用戶，在電氣元件發生故障后，對能否通過分段、聯絡開關隔離故障區域，并恢復未故障區域供電，實現負荷轉供、線路不過載和用戶電壓不越限等方面進行分析［2，5］。對于中壓配電網綜合評估，雖然提出了一定的量化指標［2，6］，但是由于配電網涉及面廣、信息量大，所以并沒有將這些指標嚴格應用于實際規劃工程中。已有的研究成果中，文獻［7］探討了城市10 kV 配電網的各典型網架接線模式，提出了在電網發展各個時期應該采用的接線模式;文獻［8］針對供電能力、供電質量、轉供能力、經濟性、協調性5 個方面建立了供電模型評價指標體系，并對典型供電模型進行了評價;文獻［9］綜述了配電網各種接線方式的特點，從可靠性、利用率、投資等方面對接線方式進行了比較;文獻［10］考慮中壓配電網的網損和可靠性指標，建立配電網故障重構評估的數學模型，分析接線模式的優缺點;文獻［11］針對供電能力、供電質量、轉供能力、經濟性、協調性5 個方面建立了供電模型評價指標體系，并對典型供電模型進行了評價;文獻［12］計算各種典型接線模式在不同負荷密度下的可靠性與經濟性指標，由此確定該負荷密度下各接線模式的最優分段數。這些文獻尚缺乏在變壓器和中壓線路故障后，應用“N －1”安全準則對中壓配電網任意接線模式的全面應用分析。

本文在評述閉環設計、開環運行的中壓配電網接線模式的基礎上，運用深度優先搜索的拓撲方法對線路故障后負荷轉供方案進行分析，提出滿足“N－1”安全準則的多種轉供方案;當單饋線無法承擔轉供負荷時，可以提出多饋線分擔轉供負荷的方案。評估過程不僅可以處理配電網故障后任意饋線轉供負荷情況，而且能夠解決故障后雙電源自動轉切負荷對線路載流量預度影響的問題。此外，對變壓器故障后負荷轉供方式進行了分析，以達到應用“N－1”安全準則對中壓配電網任意接線模式進行全面分析和評估的目的。

1 配電網閉環設計的主要接線模式

對于單電源輻射式接線模式的中壓配電網，雖然其接線簡單清晰、運行方便、建設投資省，主干線路可以分3，4 段，當線路或設備故障、檢修時，有些情況下可以通過重合器、分段器達到自動隔離和恢復供電的目的，但總體供電可靠性差，無法實現線路故障后的負荷轉移。對于閉環設計、開環運行的中壓配電網，電力線路采用架空線結構和電纜結構時，考慮到電纜結構對環網柜的需求等因素，導致這兩種結構的接線方案有所不同［13，14］。

1.1 架空線結構

架空線結構可以進行“N－1”安全準則評估的中壓配電網接線模式主要為“手拉手”接線模式，如圖1 所示，其優點是可靠性比單電源輻射式接線模式提高，運行靈活。該接線模式包括多個分段開關、單個聯絡開關。根據需要也可以將該模式逐步過渡到多分段、多聯絡的模式。同時根據配電區域內供電可靠性以及負荷發展的要求，最終向網格式(多電源“#”字網架)或N 供1備方式轉變。

圖1 手拉手接線方式示意圖Fig．1 Connection mode of hand in hand

1.2 電纜結構

電纜結構時，第一類配電網接線模式為單側電源雙射式，如圖2 所示，每一用戶配置至少兩臺配電變壓器，可以通過自動投切開關保證其供電可靠性。第二類為單環形接線，如圖3 所示，電源取自兩段母線，也可以取自同一母線或不同變電站，網絡中任何一段電纜檢修時不會造成任意一用戶停電。第三類為雙環形接線，如圖4 所示，每臺配電變壓器都可以從一個獨立環網取得電源，可靠性更高。第四類配電網接線模式為雙電源雙“T”形接線，如圖5 所示，兩回線分別接自不同的母線，線路并行敷設，而每一個用戶可以從兩回電纜上取得電源。

圖5 雙電源雙“T”型接線方式Fig．5 Connection mode of dual sources with double T type

2 配電網接線方式評估方式

2.1 變電站的“N－1”準則評估

定義如下“1 －0”函數:

式中:L1，L2，L3分別表示不同的參量。

對任意變電站i，假定其承擔負荷最多或最大容量的變壓器退出運行，所需轉供負荷大小為Si，站內其他變壓器所能轉帶負荷為STi，其他變電站通過中壓配電線路的聯絡關系所能轉帶負荷為SLi，判斷“1 －0”函數f (Si，STi，SLi)取值。如果f (Si，STi，SLi) =1，則認為該座變電站滿足“N－1”安全準則;否則，f (Si，STi，SLi) =0，該表示變電站不能滿足“N－1”安全準則。

為使變壓器“N－1”準則通過率提升，應加強變電站之間配電線路的聯絡關系，以保證當有一臺主變壓器停運時，通過配電網進行負荷轉移，其余變壓器不至于長時超載［15］。

2.2 配電線路的“N－1”準則評估

由配電線路的導線允許載流量和額定電壓可以確定線路的額定容量Slim，線路的負載率αratio為

式中:PL為線路通過的實際有功負荷;cosφ 為功率因數。

αratio的約束值可以取為100%或其他由實際情況而定的值。如果饋線j 供電的任一區段線路故障后，配電網重構，通過分段、聯絡開關隔離故障區域，可以由其他饋線實現負荷轉供，恢復未故障區域供電，并且其他饋線的線路負載率不大于線路負載率約束值，則表明饋線j 通過“N－1”安全準則評估［2］。

為了在線路故障重構中盡量減少失電負荷，在正常工作情況下，αratio應該有所控制。例如，取αratio的約束值為100%，在圖1 所示的“手拉手”接線模式中，假定聯絡開關兩側的負荷大小基本相同，則母線出口的線路應控制αratio≤50%;在圖2 所示的單環形接線模式中，假定各負荷點的負荷大小基本相同，則母線1 出口的線路應控制αratio≤40%，母線2 出口的線路應控制αratio≤60%。

如果負荷安裝了雙電源自動投切開關，則當配電網中線路出現故障后，首先要將雙電源用戶的負荷進行投切、轉換，然后再進行其他用電用戶的轉供，最后進行線路負載率的校驗。

在單饋線或電源無法承擔轉供負荷時，需提出多饋線分擔轉供負荷的方案，實現多饋線組合分擔轉供負荷，相應的流程圖如圖6 所示。

圖6 多電源分攤負荷流程圖Fig．6 Flow diagram of multiple feeders sharing

3 算例及分析

某市部分10 kV 配電網電氣接線圖如圖7 所示，10 kV 線路聯絡情況如表1 所示。

圖7 某市配電網的部分接線圖Fig．7 Part diagram of distribution network in a city

表1 10 kV 線路聯絡情況Tab．1 Situation of 10 kV line contact

考慮負荷增長、數據精度和中壓配電網運行方式等因素，如果在圖7 配電網中線路負載率約束值取為65%，則線路故障重構“N －1”安全準則評估的部分計算結果如表2 所示，10 kV 饋線“N －1”安全準則評估通過率為66.7%，其中堯化門和堯新兩條饋線未通過“N －1”準則評估。饋線未通過“N－1”安全準則評估的原因主要有兩個:

(1)饋線含有無聯絡開關的支路上。對這些線路應隨著負荷的發展進行相應的改造，增加與其聯絡的饋線線路。

(2)饋線與其他饋線有聯絡線路，但該饋線所帶負荷較重，或者與之聯絡的饋線轉帶能力不足，導致該饋線負荷無法完全轉移出去。對這些線路可以適當切改線路負荷或增加新的聯絡開關，以便通過“N－1”準則評估。

表2 線路“N－1”準則評估的部分結果Tab．2 Part results of line N－1 criterion evaluation

在圖7 中變電站的“N －1”準則評估結果如表3 所示。

表3 變電站“N－1”準則評估Tab．3 Substation N－1 criterion evaluation

從表3 中可以看出，其中一個變電站不能滿足“N －1”安全準則，其主要原因是能通過10 kV 線路轉帶的負荷較少，這就從側面反映出中壓配電網接線模式的不合理性。可以通過如下措施提高中壓配電網的“N－1”安全準則通過率:

(1)提高單位變電站容量。可以增加變電站站內主變壓器臺數或增加主變容量，從而通過提高變電站的站內供電能力來達到提高整個電網供電能力的目的。

(2)提高中壓配電線路的容量。可以增加中壓配電線路的條數或提高單條配電線路的導線截面積。中壓配電線路的出線條數要根據變電站容量以及負荷情況確定，在變電站建設初期，負荷較小時，可以預留出線間隔。待負荷增大以后，可以通過增加中壓出線的方法來增大中壓配電線路供電能力。

(3)提高中壓配電線路的聯絡數。采用合理有效的中壓配電線路接線模式，既可以在很大程度上提高中壓配電網的供電質量，也能提高電網的供電能力。但中壓配電線路的聯絡開關數過多，投資較高，維護工作量加大，運行操作較為復雜，在實際工程中并不利于提高中壓配電線路的負荷轉移能力。因此，對于中壓配電饋電線路的每個分段區域，一般配置1 ～2 個聯絡開關較為合理。

4 結論

中壓配電網接線模式是配電網規劃和配電自動化研究領域中的重要組成部分，各接線模式有著各自的優缺點和適用范圍，應根據具體情況，結合實際要求，選擇相應的合理接線模式。變電站之間的“手拉手”接線方式既能提高供電可靠性，又能有效地利用主變容量，提升中壓配電網供電能力。多分段、每個分段配置1 ～2 個聯絡開關的接線模式運行靈活、可靠性高，在實際工程中應得到更廣泛的應用。本文依據配電網“N－1”安全準則，所開發的中壓配電網變電站、線路“N－1”安全準則評估分析軟件，可以較全面地分析和評估變壓器、線路故障后的負荷轉供情況，提供可能的轉供饋線、需閉合的聯絡開關、需分斷的分段開關、實際轉帶負荷大小等相關數據，為中壓配電網整改方案、綜合評估奠定了基礎。

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