新加坡電網高可靠性供電方案分析

黃河，田浩，解進軍，黃俊輝，程林，談建，李琥

(1.國網江蘇省電力公司，南京市210024；2.電力系統國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市100084；3.北方工業大學，北京市100041；4.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，南京市210024)

新加坡電網高可靠性供電方案分析

黃河1，田浩2，解進軍3，黃俊輝4，程林2，談建4，李琥4

(1.國網江蘇省電力公司，南京市210024；2.電力系統國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市100084；3.北方工業大學，北京市100041；4.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，南京市210024)

隨著我國經濟社會的快速發展和生活水平的提高，用戶對供電可靠性需求不斷攀升。相比新加坡等先進國家的電網，我國電網的供電可靠性水平相對落后，不少研究學者希望按照新加坡“梅花”狀網架結構打造“世界一流電網”。目前對新加坡電網的研究主要集中在“梅花”狀網架結構和合環運行上，也有論文對其自動化水平、管理水平等因素開展研究，但對新加坡電網的研究比較零散，缺乏全面系統的剖析，該文圍繞高可靠性供電，從一次網架結構與二次系統配合、全電壓等級協同合環運行、技術要素與管理要素相結合等3個方面深入剖析新加坡電網高可靠性供電方案，為提升我國電網規劃、運行和管理提供科學參考和借鑒依據。

新加坡電網；可靠性；網架結構；全電壓等級；合環運行；配電自動化

0 引 言

電力系統可靠性，是對電力系統按可接受的質量標準和所需數量不間斷地向電力用戶供應電力和電能能力的度量[1]，供電可靠性同時也是衡量電力系統供電水平的重要指標。目前，供電可靠性較高的城市有新加坡、巴黎、東京等地區，以新加坡電網最為典型，新加坡2013年的平均供電可用率指標(average service availability index，ASAI)為99.999 86%，系統平均停電持續時間指標(system average interruption duration index，SAIDI)為0.74 min/(戶·a)。相比之下，我國城市電網供電可靠性差距較為明顯，2013年我國城市(市中心＋市區＋城鎮)系統平均供電可用率為99.9582%，系統平均停電持續時間為3.66 h/(戶·a)，系統平均停電持續時間指標比新加坡電網長3.648 h/(戶·a)。

因此，國內外有專家學者紛紛對新加坡電網從網架結構、運行方式、自動化水平、管理手段等各個角度展開了相關研究。

(1)在一次網架結構方面:文獻[2-5]介紹了新加坡各電壓等級網架結構，認為新加坡22 kV“梅花瓣”[6]狀網架結構、合環運行方式是其電網高可靠性的基礎，并按照該網架結構進行我國城市配電網的規劃、設計。

(2)在二次配電自動化方面:新加坡于1988年投入使用數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統[7]；近年來新加坡電網已經形成了具備自愈功能的成熟配網自動化系統[8-9]，實現了配電站的集中監控，配電站通過遠程終端控制單位(remote terminal unit，RTU)采集傳輸三遙信息上送主站，能夠實時監視配電網線路的潮流、開關位置、保護動作和各類設備報警信號等，并對斷路器進行遠方遙控。

(3)在電網管理方面:文獻[10-12]介紹了新加坡電網的電力改革，促進發電與供電市場競爭，為新加坡電網的健康發展提供了溫床；文獻[13]介紹了新加坡電網在規劃、建設、運行、資產管理等方面，都取得了顯著的成就，為高可靠性電網的建設提供了有力保障；文獻[14]介紹了以狀態監測和狀態檢修為核心的設備管理策略，既提高了電網運行的可靠性，同時又能夠帶來可觀的經濟效益[15]。

然而，目前對新加坡電網都是從一次網架結構、二次自動化和電網管理等不同角度開展的研究，還沒有文獻綜合以上幾種因素，系統、全面地對新加坡電網進行剖析。因此，論文將從一次網架結構與二次自動化配合、全電壓等級協同合環運行、技術要素與管理要素相結合等3個方面深入介紹新加坡電網供電方案，剖析新加坡電網高可靠性運行的原因，為提升我國電網規劃、運行和管理提供科學參考和借鑒依據。

1 新加坡電網一次網架結構與二次系統的配合

新加坡電網堅強、可靠的網架結構是其高可靠性供電的基礎，輔以配電自動化技術可以使故障定位、隔離及非故障段恢復供電時間縮短至秒級，從而進一步提高供電可靠性，達到高可靠性供電的目標。

目前新加坡已經形成了66 kV及以上電壓等級電網“網狀”連接，22 kV配電網“梅花”狀網架結構，各電壓等級實現N-1設計、重要用戶實現N-2設計的網架結構；新加坡電網實現一、二次設備同步建設，目前已經全面實現了配網自動化系統。

1.1 一次網架結構

新加坡目前電壓等級分為400 kV、230 kV、66 kV、22 kV、6.6 kV和400/230 V等，其中66 kV及以上為輸電網，22 kV及以下為配電網。各電壓等級線路全部采用地下電纜，全戶內配電裝置。新加坡電壓等級如圖1所示。

圖1 新加坡電壓等級Fig.1 Voltage level in Singapore

新加坡于20世紀90年代中期發展400 kV網絡。為控制短路電流，先于2000年將230 kV網絡分成2個分區，又于2007年繼續將230 kV網絡分成4個分區。2007年新加坡的大型發電廠、400 kV和230 kV輸電線路結構如圖2所示。為保證較高的供電可靠性，發電廠有2路或2路以上的線路向外輸出；變電站輸電線路采用網狀結構模式，每個變電站均有2路或2路以上的上級電源供電，確保符合N-1或N-2原則。即使變電站發生故障也可以通過相應的操作來快速恢復供電。事實上，變電站發生故障的概率非常小，即使是小概率事件，新加坡都會認真的思考怎樣消除或減小其帶來的停電影響。

圖2 新加坡4OO kV和23O kV輸電線路結構Fig.2 4OO kV and 23O kV transmission line structure in Singapore

由圖2可見，新加坡高壓輸電網之間形成了較強的聯絡，保證了輸電系統較高的供電可靠性，但同樣增加了輸電保護、調度與管理的復雜性，以及維護、修理等人力和物力的投入。

新加坡輸電網通過2根容量為250 MW的230 kV海底電纜連接到馬來西亞國家電網，以應對緊急事件與電荒，正常情況下并無功率交換[15]。

新加坡66/22 kV配電網如圖3所示，變電站每2回饋線構成一個環，閉環運行，稱之為梅花狀供電模型。不同變電站的每2個環網又相互連接，閉環運行，互為備用，每個花瓣狀配電網的負載率控制在不超過50%。

圖3 新加坡梅花狀供電模型Fig.3 Quincunx power supply model in Singapore

新加坡關于供電可靠性要求較高:對于66 kV系統，要求符合N-2、供電無中斷設計；對于22 kV系統要求符合N-2或N-1、供電可短暫中斷設計。新加坡幾乎所有的重要負荷，如銀行、機場、車站、政府機關與公共場所，均滿足N-2設計；對于住宅區、部分商業地區等，也均滿足N-1設計。

對于低壓400 V的接線模式，新加坡也格外重視。按照負荷大小與重要程度的不同，可分為如圖4中的幾種情況。

圖4(a)單環負荷小于400 A，采用電纜單環網接線，閉環設計，開環運行，適用于低密度住宅區；

圖4(b)單環負荷小于400 A，采用雙回路電纜供電，適用于高密度住宅區；

圖4(c)單環負荷大于800 A，采用電纜單環網帶備用接線，適用于高密度住宅區；

圖4(d)單環負荷大于800 A，采用雙變電站電纜單環網接線，適用于重要住宅區。

1.2 二次系統設備

新加坡對于設備選型標準較高，配電網采用全電纜、全戶內少維護設備。1993—1994年新加坡實現22 kV合環改造時，即實現了光纖差動保護全覆蓋。400 V采用環網接線開環運行，變壓器低壓出線采用隔離開關不帶斷路器保護，分支路出線采用RTO熔斷器保護。繼電保護裝置的動作時間均為ms級，均為高自動化設備，減少了人為干預，保證了供電的高可靠性。

圖4 低壓4OOV接線模式Fig.4 Connection mode of 4OO V line

新加坡采用了高度自動化的開關設備，為了保證設備的可靠性，除了定期的巡檢、維護之外，新加坡還實施狀態監測與狀態檢修，在設備故障之前以及故障范圍擴大之前將問題解決。

新加坡配電網采用了先進的雙向通信頻道監管控制及數據采集與監控系統，配有專用的通訊電纜，保證數據的可靠傳輸；結合遠程終端控制單元，這樣隨時都可以自動檢測供電過程中的遙測信息(負荷/電壓量數據采集)與遙信信息(開關狀態監視)。RTU采用環狀連接，確保當一條通信通道故障時數據的可靠傳輸，如圖5所示。計算機分析并處理RTU所采集的數據，同時為避免計算機故障設置有備用計算機。計算機將信息傳送至區域控制中心(areacontrolcenter，ACC)與配網控制中心(distribution control center，DCC)，由ACC制定相應的處理策略，DCC作為ACC的備用。

圖5 RTU通信環Fig.5 RTU communication ring

2 新加坡電網全電壓等級協同合環運行

新加坡電網通過全面實施配電自動化技術，使供電可靠性得到了大幅度提升。然而，由于通訊、自動化等二次設備自身的不可靠，也影響了供電可靠性的進一步提高；即便采用配電自動化技術也會出現短暫的停電，對重要敏感性負荷帶來較大的經濟損失。新加坡電網通過全電壓等級合環運行，既可以從一次系統角度彌補二次系統不可靠性，進一步提升供電可靠性，又可以提高供電質量，降低重要敏感性負荷的經濟損失。

電網合環運行會帶來短路電流偏大的問題，因此需要進行全網全電壓等級分析，避免由于短路電流超標造成的設備損壞及電網安全性問題，如新加坡電網出于對系統短路電流控制因素的考慮，2000年將230 kV網絡分成2個分區，2007年繼續將230 kV網絡分成東、西、南、北4個分區運行，230 kV采用150 MVA的小容量變壓器等一系列的短路電流限制措施。

新加坡典型的全電壓等級運行，從400 kV到400 V的電網結構如圖6所示。

由圖6可知，新加坡每一電壓等級均滿足N-2或N-1原則，22 kV采用合環運行、環間聯絡，400 V采用閉環設計、開環運行。其中，22 kV“梅花”狀供電模型，是配電網合環供電的典范，如圖7所示。

圖6 新加坡電網結構Fig.6 Singapore power grid structure

圖7 22 kV配電網故障模擬Fig.7 Fault simulation of 22 kV distribution network

22 kV“梅花”狀配電網某段故障時，故障區域將會快速、準確地切除，非故障區域不停電，故障區域故障修護后恢復供電。圖7中:當負荷A處故障時，開關K1與K2迅速斷開，隔離故障，其余負荷不受故障影響，供電無中斷，故障區域經過維修，恢復供電。當負荷A處與負荷B處同時故障，經過開關自動隔離故障，通過花瓣間聯絡開關L1恢復非故障區域供電。當變電站1故障時，D1與D2迅速斷開，花瓣間聯絡開關L1迅速閉合，恢復供電。

新加坡電網結構復雜，從電網規劃、建設，到運行、管理，都有著自己的獨特之處。

3 新加坡電網管理

在我國城市電網，停電主要是由計劃停電造成的，如2013年我國城市電網系統平均停電持續時間為3.66 h/(戶·a)，其中故障停電為0.71 h，計劃停電為2.95 h，占停電時間的80.6%。因此，全面學習借鑒新加坡電網的管理理念、管理方法、管理手段，解決目前我國對計劃停電影響較大的用戶報裝、電網施工及運行維護等問題，將對提高供電可靠性意義重大。

3.1 新加坡電網管理理念

新能源電網有限公司始終以“高可靠性和高質量的供電”為唯一目標，所有的部門和工作必須圍繞這個目標，改善電網運營效率。

3.2 新加坡電力改革

20世紀90年代，新加坡政府對電力進行了公司化改革，旨在發電側和零售側引入競爭。整個電力市場的監管職能由能源市場管理局(energy market authority，EMA)承擔。新加坡新能源集團公司經過體制改革，逐步脫離政府機構，成為一家完全按市場化模式運作、管理的公司。21世紀初，新能源集團公司再次進行內部體制改革，所有電網資產歸屬于新能源資產有限公司，而電網的建設和運行管理則完全委托于新能源電網有限公司，電網資產與電網管理相互分開，互相監督，有利于電網發展。

3.3 電網規劃建設

新加坡各地區的歷史負荷和歷史用電量數據較齊全，擁有一套較為完善的負荷分析預測計算機系統，提高了負荷預測的精度。輸、配電網規劃時，不僅要分析現狀負荷的大小與分布，還要考慮到未來的負荷增長情況，確保電網的擴展性與靈活性，滿足電網的可持續發展。

輸電項目工程量大，建設周期長，項目實施方案確定以后，會由新能源電網有限公司進行項目招標，且是面向國際的招標；輸電項目一般只招標一次，中標單位最終會簽訂一份整體項目的合同。對于配電項目，其工程量相對較小，建設周期短，項目數量多，一般會同中標施工單位簽訂期限合同，以保證高效率業績。新能源電網有限公司將整個新加坡分為九個地區，每次招標時，都會將某地區與臨近的2個地區合起來一同招標，這樣可以保證每個地區都有2～3個施工單位支持。

新加坡是最先使用電網建模與規劃系統(grid modeling and planning system，GMAP)來規劃地下電纜網絡的國家之一。GMAP提供一個綜合的信息，包括土地信息、電網設備信息、電網接線信息、設備地理位置和設備連接信息等，并以此為平臺形成了強大的設備管理系統。整個系統以SCADA為支撐，于每天夜間在后臺進行數據交換，保證數據的實時性與唯一性。

據統計，在新加坡電纜損壞事件中，有七成以上是因為土地施工引起的。為此，新能源電網有限公司專門設立的土地施工監督與電纜保護部門(earthworks monitoring＆cable protection section，EMCP)協助施工單位。新加坡政府通過法律手段，強制規范地面施工審批程序，對于施工破環電纜的責任人，將會處以1～100萬元新幣罰款，并將面臨1～5年的監禁。

3.4 電網運行

新加坡輸電網包括400 kV、230 kV和66 kV這3個電壓等級，230 kV電網劃分為東、西、南、北4個分區運行，以限制電網短路電流，減少故障影響的范圍。新加坡電力系統控制中心(power system control center，PSCC)使用能源管理系統(energy management system，EMS)監控和控制輸電網絡，使用配網管理系統(distribution management system，DMS)監控和控制配電網絡。新加坡22 kV配電網劃分為東、西、南、北、中五大分區，每個分區都設置了管理機構負責電網設備維護運行。在調度中心下有緊急服務中心，分為低壓團隊和高壓團隊，分別負責不同電壓等級事故的維修。低壓檢修小組在接到通知后30 min內到達現場，小組配有移動發電車，確保3 h內恢復供電。新能源電網有限公司根據事故性質的嚴重程度交于3個組深入調查:調查組、調查委員會和調查團。輕微事故由事故發生的部門組織調查組調查和上報，比較嚴重的事故以第三方部門成立調查委員會或調查團對事故進行調查和上報。

自2001年起，新能源電網有限公司就開始開展狀態監測和狀態檢修的工作。狀態監測和狀態檢修是新能源電網公司電網管理的兩大支柱，也是他們在全球引以為傲的技術和管理成就，真正做到防患于未然。狀態檢修是在對設備運行狀態進行監測的基礎上進行的。狀態檢修可以減少電力設備停電檢修，及時發現電力設備故障隱患，提高供電可靠性，準確反映高壓設備的使用壽命程度、安全指標，保證系統始終處于可控狀態。

新加坡推行狀態監測10年以來，避免了500多起事故，成本節約了62%，保證了供電可靠性與質量，大大降低停電時間和檢修成本[9]。

3.5 資產管理與監督

新能源電網有限公司設立資產管理部，負責制定資產戰略、規定設備技術參數等，此外該部門還負責監督，主要包括電網績效的監督和項目績效的監督，以保證公司的經濟效益和電網業績。資產管理部使用“項目跟蹤系統軟件”，同SCADA系統連接，可以準確地跟進每個項目的進度，實現了信息及時共享、有效跟蹤、全方位監督、資源合理安排等。新能源電網有限公司建立了風險評估與管理體系，明確了風險的評估方法和管理程序，規定了各級部門在體系的位置與職責，將風險對電網的影響程度降到最低。在財務管理上，各級部門分工明確，并且只有有限的權限，使得任何部門或人員不能控制及干涉到全部過程。

3.6 用戶申請用電管理

避免用戶隨意報裝問題，新加坡電網規定低壓用戶申請用電，根據用戶申請的供電容量收取申請費。高壓用戶申請用電，用戶必須與新能源電網公司簽訂合同，確保其5年內的用電不低于一定的標準，從而確保新能源電網的投資得到回報。

對于22 kV的用電申請規定如下:2回22 kV供電，5年內簽約容量不得小于2 MVA；4回22 kV供電，5年內簽約容量不得小于15 MVA；6回22 kV供電，5年內簽約容量不得小于30 MVA。

4 配電網合環在我國的應用

借鑒新加坡高可靠性配電網結構，我國在部分示范區實現了配電網“梅花”狀網架結構、合環運行的供電模式。

南京奧體中心為青奧會A類重要場館，其負荷等級為特級重要負荷，由110 kV奧體變同一母線出線形成環網、合環運行，2個環網之間通過常開聯絡開關連接，構成“梅花”狀網架結構。奧體中心接線模式使用10 kV電纜線路、縱聯差動保護，正常運行下110 kV奧體變至10 kV奧體中心變按照2個獨立的閉環網運行，接線模式如圖8所示。

圖8 南京奧體中心接線模式Fig.8 Connection mode of Nanjing Olympic Sports Center

2015年7月，江蘇省泰州供電公司在醫藥高新技術產業園區的10 kV橋開116線、橋藥126線帶負荷驗證性試驗獲得成功，該項目采用同一變壓器下2段不同母線配出的2回10 kV線路構成“梅花”狀接線模式、合環運行，用戶年平均停電時間將控制在1 min以內，接線模式如圖9所示。

圖9 泰州示范區接線模式Fig.9 Connection mode of Taizhou demonstration area

南京奧體中心和泰州的10 kV配電網均是同一變壓器下的母線出線形成的“梅花”狀供電模式、合環運行，這種接線模式可以避免配電網合環運行時短路電流過大及電磁環網的問題。但與新加坡電網從400 kV到22 kV形成全電壓等級合環運行相比，南京奧體中心和泰州的合環運行方式，若發生變電站主變故障仍然會出現短時停電的問題，影響供電可靠性的進一步提升。

5 對我國電網啟示及結論

新加坡高可靠性電網是一次網架結構與二次系統的配合、全電壓等級協同合環運行、技術要素與管理要素相結合等多種因素共同作用的結果，對我國電網規劃、運行和建設的啟示如下:

(1)電網需要實現一次網架和二次系統同步規劃和建設。新加坡電網供電方案中，全電壓等級實現N-1設計、重要用戶實現N-2設計的網架結構，并全面實現配電自動化，這是電網高可靠性供電的基礎，可以將故障定位、隔離及非故障段恢復供電時間縮短至秒級。

(2)電網需要全電壓等級協同實現合環運行，既克服了單一電壓等級合環運行的困難，又在最大程度上提高了全系統的供電可靠性。電網合環運行既可以彌補自動化等二次設備自身不可靠的缺陷，又可以避免采用自動化技術出現的短時中斷問題，從而進一步提高供電可靠性和供電質量。

(3)管理要素和技術要素對提高電網供電可靠性同等重要，管理和技術要互相配合，相得益彰。可以通過提升管理理念、管理方法、管理手段，加強電網運行維護、用戶報裝、施工作業管理，減少系統計劃停電時間，從而提高供電可靠性。

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(編輯：張媛媛)

High-Reliability Power Supply Scheme Analysis for Singapore Power Grid

HUANG He1，TIAN Hao2，XIE Jinjun3，HUANG Junhui4，CHENG Lin2，TAN Jian4，LI Hu4
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.North China University of Technology，Beijing 100041，China；4.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute，Nanjing 210024，China)

With the economy developing rapidly and the living standard improving continuously in our country，customers need much higher demand for power supply reliability.Compared with the power grid in other advanced countries such as Singapore，the level of power supply reliability in our country is backward.So many researchers hope to build，a world-class power grid，in China according to the Quincunx-type power grid in Singapore.At present，the researches on Singapore power grid have mainly focused on its Quincunx-type structure and closed-loop operation.In addition，several papers study its automation level，management level and other factors，but the researches on Singapore power grid are relatively scattered and lack comprehensive and systematic analysis.Around the high reliability of power supply，this paper deeply analyzed the high-reliability power supply scheme of Singapore power grid from three aspects:the cooperation between primary grid structure and secondary system，the coordinated closed-loop operation with full voltage level，the combination of technology factor and management factor，which could provide scientific references for the promotion of power grid，s planning，operation and management in China.

Singaporepowergrid；reliability；gridstructure；fullvoltagelevel；closedloopoperation；distribution automation

TM 715

A

1000-7229(2015)11-0091-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.014

2015-05-15

2015-07-14

黃河(1978)，男，高級工程師，主要從事電力發展規劃的研究工作；

田浩(1981)，男，工程師，主要從事電力系統可靠性的研究工作；

解進軍(1990)，男，碩士研究生，主要從事電力系統可靠性的研究工作；

黃俊輝(1964)，男，高級工程師，主要從事電力系統規劃設計的研究工作；

程林(1973)，男，副教授，博士生導師，主要從事電力系統可靠性、主動配電網與電力系統規劃方面的研究工作。

國家自然科學基金項目(51177078)；國家電網公司科技項目(GHJS1500008)。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (51177078).