新型城鎮配電網形態特征及典型供電模式

向　馳，石文娟，于　偉，周建華，孫　蓉

（1.國網電力科學研究院，北京102200；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

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新型城鎮配電網形態特征及典型供電模式

向馳1，石文娟1，于偉1，周建華2，孫蓉2

（1.國網電力科學研究院，北京102200；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

摘要：介紹了傳統城鎮配電網的現狀及局限性，分析了新型城鎮配電網的形態特征，重點闡述了配電網運行指標的影響因素及相應的技術措施，進一步研究了電網結構、設備水平、自動化水平、分布式電源并網、無功補償幾個方面對配電網運行指標的量化影響。以《國家新型城鎮化規劃》為指導，綜合考慮配電網規劃的影響因素，將新型城鎮配電網供電模式分為綠色型、智慧型、人文型三大類，以綠色型子類綠色能源型為例，分析了配電網建設的必要性及供電模式建設目標、建設內容和模式配置，提出了6種供電模式建設的重點內容、指標要求及技術措施。

關鍵詞：供電模式；分布式電源；新型城鎮；配電網

由于能源分布、經濟發展水平、負荷密度、環境等因素的差異，我國配電網主要采用輻射狀配電網架，饋線分段數較少且不夠合理，部分區域雖已實現了“手拉手”聯絡，但饋線備用容量不足，故障時難以實現大量負荷轉供。新加坡配電網主要采用花瓣狀環形設計，有效縮短停電時間，減小停電頻度，提高供電可靠性。歐美國家以雙電源單輻射供電方式為主，供電電源容量較大，且滿足N-1要求，出線為單輻射方式，供電半徑較長，采用重合器分段，線路簡單、供電可靠。日本配電網的發展途徑與歐美國家不同，采用環網供電方式，線路上安裝自動故障識別的柱上開關，并與重合器、分段器、變電站饋線開關等相互配合，實現故障自動定位、故障隔離和非故障區恢復供電。

目前，針對我國配電網供電模式已有相關研究，小城鎮典型供電模式兼顧不同經濟水平和負荷特性的城鎮發展需求，滿足城鎮用電需求增長快、供電可靠性高等要求，以中壓電網為主，并兼顧低壓電網［ 1 ］。新農村供電模式主要針對農網規劃建設層面的實際需要，著眼于優化電網資源配置，滿足農網差異化供電需求，具有結構緊湊、維護方便、節約占地、建設周期短等特點［ 2 ］。2種供電模式未能充分體現新型城鎮“低碳、綠色”的建設宗旨，配電網規劃未考慮分布式電源（DG）接入對電網的影響，僅依靠增加配電網的設備裕度難以消納高滲透率的分布式能源，實現清潔能源的充分利用。根據我國城鎮地域分布、能源結構、產業結構、經濟發展水平等因素，分析了新型城鎮配電網的形態及發展需求。文中討論了配電網指標的影響因素及配電網規劃的影響因素，在此基礎上提出6種供電模式建設的內容及目標。

1　傳統城鎮配電網與新型城鎮配電網的形態特征

我國各地城鎮產業結構與地域特征不同，配電網規劃也存在差異性。牧區城鎮配電網存在供電面積大、人口密度低、用電負荷單一分散、供電距離長、配電網結構簡單、電網運行和建設環境復雜等特點。旅游城鎮配電網線路布置較亂、架空線路縱橫交錯、既不與原生態建筑物美觀協調又不利于運行管理［ 3 ］。農業城鎮配電網壓合格率低、網損較大、供電可靠性差、自動化程度低。工業城鎮的配電網供電可靠性不高，電壓質量較差，電力線走廊緊張，擴建困難，影響城鎮規劃擴張發展。具有豐富新能源資源的城鎮，其配電網對新能源的接納能力不高，未實現高滲透新能源的平滑入網。

《國家新型城鎮化規劃》中指出推動城鎮綠色發展，提高智能化水平，增強歷史文化魅力是新型城鎮的發展趨勢。新型城鎮電網應從我國配電系統建設相對滯后的現狀出發，優化網絡結構，優化電壓等級，降低網損，提高供電能力，滿足迅速增長的電力需求。同時，按照智能電網的建設要求，在規劃流程、建設模式、工具和方法等方面做出相應創新和發展，充分利用分布式電源、微電網、智能用電、電動汽車等新能源產業的清潔環保、發電靈活優勢，有效解決大電網的多種弊端。分布式電源的接入對配電網的規劃設計、接入管理、運行檢修、安全協調控制等也提出了更高要求。為滿足城鎮的經濟發展和電力擴張需求，實現配電網升級，新型城鎮電網規劃建設應具有分布式電源即插即用、“自愈”和優化運行、網絡拓撲靈活、電網與用戶互動等功能，實現堅強配電網智能化、自動化。

2　城鎮配電網運行評價指標及技術措施

配電網電能質量、可靠性、經濟性已成為是否滿足用戶基本需求、實現社會利益最大化的重要指標。

2.1電能質量

根據《電能質量》標準，電能質量包含4個方面，其中電壓合格率為最重要指標。分布式能源并網產生的諧波使配電網電壓產生畸變，造成配電網電壓不達標，電能質量下降［ 4 ］，因此，解決電能質量問題仍迫在眉睫。目前，主要的技術手段有有載調容變、線路調壓器、各類無功補償裝置、諧波治理、電壓無功三級聯調等，但某些地方自動化程度低，無法依據負荷變化實現有載調壓、無功補償設備自動投切［ 5，6 ］。

2.2供電可靠性

供電可靠性是衡量配電網系統的重要指標，建立雙回路供電及多分段多聯絡的網絡結構，增大設備裕度、線路之間聯絡和切換能力是提高可靠性的重要手段［ 7 ］。隨著技術的發展，采用帶電作業故障處理技術、饋線自動化、生產搶修指揮平臺等技術和系統縮短故障處理時間［ 8 ］。

2.3網架結構

配電網的網架結構和設備參數決定配電網的最大供電能力，通過比較多種網絡結構的供電能力和設備利用率，4×6網絡設利用率最高，供電能力最優［ 9 ］。配電自動化技術和智能開關設備的使用、DG接入也將擴增配電網供電能力。文獻［10］指出增加變電站聯絡數量、優化聯絡分布、增大聯絡極限容量和分段開關配置等措施優化電網結構，合理配置主變容量和臺數、主變負載率上下限及導線截面積等是提高配電網供電能力的主要措施。

2.4經濟性

配電網經濟性是配電網建設和運行過程中的重要指標，其運行經濟性主要在線損率和設備利用率角度分析。文獻［11］在設備利用率、可靠性、短路容量、網損、電能質量等方面對配電網絡的接線方式進行了比較，指出配電網的接線方式直接影響設備利用率和可靠性。配網規劃中采用年最小收入的數學模型確定電網供電方案和最經濟可靠的接線模式，實現更好的經濟效益和社會效益。文獻［12］在電網規劃建設因素、電網技術因素、運行管理因素、外在因素4個方面對配電網線損進行了分析，其中配電變壓器損耗在配網損耗中所占比重較大，而線損是影響配電網經濟性的直接因素。通過調研分析，對提高配電網運行指標的主要技術措施進行了總結，如圖1所示。

根據上述文獻總結和現場工作經驗，總結了電網建設內容對電網評估指標的影響，詳情見表1。

3　新型城鎮配電網供電模式影響因素及分類

文獻［13］研究了經濟發展水平、自然災害、地區特點對配電網安全性、可靠性、經濟性、抗災性的評價指標影響，并根據區域實際狀況調整權重權，規劃符合實際需要的配電網。通過文獻調研分析，參考配電網規劃建設的影響因素，并結合專家意見確定了對配電網規劃建設的影響因素指標，包括城鎮人口、產業結構、人均GDP、環境、能源結構、負荷性質、公共服務等因素，決定著電網的可靠性、電能質量、電網結構、新能源滲透率、供電能力等不同等級的要求。浙江嘉興建立光伏產業“五位一體”創新綜合試點，開展屋頂光伏發電集中連片開發模式，成為綠色能源型城鎮建設的標本。中新天津生態城配電網自動化系統具有智能分析、自愈控制功能，滿足分布式電源的接入要求，有利于實現風、光等可再生能源在生態城的廣泛開發利用。

表1　配電網建設內容對評價指標的影響

新型城鎮典型供電模式以中壓電網為主，并兼顧低壓電網，將城鎮配電網分為A （綠色型）、B（智慧型）、C（人文型）三類，如表2所示。

4　綠色能源型城鎮配電網供電模式

4.1綠色能源型城鎮配電網建設需求

以綠色能源型為例，配電網規劃發展要充分考慮新能源（如電動汽車、DG）帶來的影響。分布式發電與傳統發現形勢相比，優點尤為突出。發電成本低，能源利用率高，具有較好的經濟性，與配電網充分協調，具有調峰作用，減小電網發展壓力；投資小，建設周期短，且有利于保護環境。但DG的接入及其布點給配電網規劃、運行、管理等帶來了挑戰。具有隨機波動性、間歇性的DG給配電網準確預測負荷增長帶來困難，雙向潮流直接影響傳統配電網調壓和繼電保護，DG 并網過程中逆變器產生高頻諧波影響電能質量，給電網造成污染。文獻［14］指出DG的接入位置和接入容量直接影響著配電網的電壓分布、潮流方向和線損。

表2　新型城鎮配電網分類

配電網建設鼎力支撐新型城鎮“綠色”發展，充分發揮綠色能源的優勢。要求配電網在供電可靠性、電能質量、電力裝備、運行管理等方面具有較高的水平。文獻［15］針對DG出力隨機性、安全可靠運行、電力設備利用率降低等問題分別建立電網規劃規劃模型，并進行安全性、經濟性、適應性比較。文獻［16］研究了采用先進的粒子群算法進行網絡重構、無功優化，實現配電網優化運行。因此，配電網若大量消納DG，并保證配電網可靠、安全、經濟運行，必須采用先進的通信技術、配電自動化、傳感測量技術等實現配電網智能化、自動化、規范化、標準化。

4.2綠色能源型城鎮配電網供電模式

綠色能源型城鎮的供電電源主要有電網和DG，其供電模式轉變為集中、分散相結合的方式。線路以環網和含分布式電源的輻射結構為主，具有靈活的電網拓撲結構和網絡重構功能，滿足高滲透率DG并網。同時，積極發展儲能技術，如燃料電池、UPS電源等儲能裝置，更好的服務于電網的錯峰調谷、資源優化配置。綠色能源型供電模式詳細內容如表3、表4所示。

表3　綠色能源型配電網建設目標和內容

表4　綠色能源型配電網模式配置

5　新型城鎮配電網供電模式

依據第二節的分析結果，不同類型的配電網供電模式采取相應的技術措施，保障配電網的適應性和安全可靠性。以《國家新型城鎮化規劃》、《小城鎮典型供電模式》《新農村典型供電模式》、《配電網規劃設計技術導則》及關于主動配電網課題的863項目中數據指標為指導，按照城鎮的發展趨勢和資源優勢進行子類劃分，將新型城鎮配電網分為三大類，A類主要是以綠色能源的利用與消費為主；B類以提高智能化水平為主，實現電網與用戶互動；C類以提高服務水平為主。在此基礎上，按照城鎮的發展趨勢和資源優勢進行子類劃分，每種子類的具體建設指標如表5所示；由于每種供電模式建設目標側重點不同，采用的技術措施也不同，如表6所示。

表5　配電網供電模式類型指標

表6　配電網供電模式技術措施

6　結束語

分析了新型城鎮配電網的形態特征及發展趨勢，提出了6種供電模式，兼顧不同經濟水平、不同環境、不同資源結構的城鎮發展需求，保證電網布局合理、供電可靠、安全經濟，逐步實現線路絕緣化、裝備智能化、配電自動化和管理信息化，滿足需要，適當超前，建設具有標準性、可復制性、差異性的配電網供電模式。

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向馳（1974），男，北京人，高級工程師，從事配電網相關技術研究及配套產品研發工作；

石文娟（1986），女，北京人，碩士研究生，從事配電網相關技術研究工作；

于偉（1979），男，北京人，高級工程師，從事配電網運行分析與控制工作；

周建華（1983），男，江蘇鎮江人，工程師，從事新能源發電并網控制技術研究工作；

孫蓉（1979），女，江蘇江都人，高級工程師，從事電力系統仿真分析工作。

The Distribution Network Morphological Characteristics and Typical Power Supply Modes for the New-type Towns

XIANG Chi1， SHI Wenjuan1， YU Wei1， ZHOU Jianhua2， SUN Rong2
（1. State Grid Electric Power Research Institute， Beijing 102200， China；2. Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：This paper introduces the status and limits of traditional urban distribution network， analyzes the morphological characteristics of distribution network of new-type towns， focuses on the influence factors and technical measures of operating evaluation for distribution network， and further studies the quantitative effects of network topology， equipment level，automation level， distribution generation connections and reactive power compensation on operating evaluation indexes. Taking "National Model Town Planning" as the guidance， the power supply modes of distribution network of new-type towns are classified into three types： namely the green， the intelligent and the humane. Taking green energy as an example， the necessities of grid construction， as well as the construction targets， the construction content and the mode configuration of supply power modes are analyzed. At last， the key contents of construction， index requirements， and technical measures of the six supply power modes are proposed.

Key words：power supply mode； distributed generation； new-type towns； distribution network

中圖分類號：TM727

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0064-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -11-05；修回日期：2016-02-03