基于可靠性的10kV城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

陳 寧 韓 蓬 王傳勇 王 坤 康文文

（國(guó)網(wǎng)棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

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基于可靠性的10kV城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

陳 寧 韓 蓬 王傳勇 王 坤 康文文

（國(guó)網(wǎng)棗莊供電公司，山東 棗莊 277100）

配電網(wǎng)作為聯(lián)系終端用戶(hù)與發(fā)、輸電系統(tǒng)的紐帶，在保證用戶(hù)安全可靠的連續(xù)供電方面是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。目前，棗莊市配電網(wǎng)還普遍存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、設(shè)備利用率低、電網(wǎng)規(guī)劃不合理等問(wèn)題，已在程度上滯后于城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)典型城市網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基于可靠性進(jìn)行分析研究，最終得出適應(yīng)棗莊市城市配電網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；可靠性；目標(biāo)網(wǎng)架

本文通過(guò)利用可靠性評(píng)估模型對(duì)城市 10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行研究，分析各種目標(biāo)網(wǎng)架的可靠性，結(jié)合棗莊市現(xiàn)狀城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，給出棗莊市推薦目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

1　棗莊市10kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

1.1架空網(wǎng)

棗莊市10kV城網(wǎng)線路主干線均已實(shí)現(xiàn)絕緣化，棗莊市城區(qū)10kV公用架空線路共92回，分段總數(shù)311段，平均分段數(shù)為3.38段/條；其中，單輻射線路共有9回，單聯(lián)絡(luò)線路共54回，兩聯(lián)絡(luò)及多聯(lián)絡(luò)線路共29回，分別占線路總回?cái)?shù)的9.78%、58.7% 和31.52%。

1.2電纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)

棗莊市全電纜網(wǎng)僅在高新區(qū)直配城網(wǎng)存在，其他分區(qū)僅在變電站出線和線路路徑困難的局部區(qū)段使用電纜。電纜網(wǎng)主要采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行。共14條電纜線路，其中單射線路2條，所占比例為14.29%，雙射線路4條，所占比例為28.57%，環(huán)網(wǎng)線路8條，所占比例為57.14%。

棗莊市電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況見(jiàn)表2。

1.310kV電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)

棗莊市10kV公用線路共72回通過(guò)N?1校驗(yàn)，占城區(qū)10kV線路總數(shù)的67.92%，棗莊市城區(qū)尚存在34條10kV線路無(wú)法通過(guò)線路的N?1校驗(yàn)。

1.4小結(jié)

棗莊城區(qū)現(xiàn)狀電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如下所述。

表1　棗莊市10kV架空網(wǎng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

表2　棗莊市10kV電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

表3　棗莊市10kV電網(wǎng)主要運(yùn)行指標(biāo)

架空網(wǎng)：?jiǎn)屋椛?、多分段單?lián)絡(luò)、多分段多聯(lián)絡(luò)。

電纜網(wǎng)：?jiǎn)紊洹㈦p射、環(huán)網(wǎng)。

架空網(wǎng)多分段單聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，單輻射比例較高；電纜網(wǎng)雖以環(huán)網(wǎng)為主，但是單射和雙射結(jié)構(gòu)占比為42.86%。

綜上所述，棗莊城區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，供電可靠性較低。

2　國(guó)內(nèi)城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2.1架空（混合）網(wǎng)

中壓架空網(wǎng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要包括輻射式、多分段單聯(lián)絡(luò)、多分段多聯(lián)絡(luò)3種，其特點(diǎn)如下：

1）輻射式

特點(diǎn)：輻射式接線簡(jiǎn)單清晰、運(yùn)行方便、建設(shè)投資低。當(dāng)出現(xiàn)故障或進(jìn)行檢修時(shí)，用戶(hù)停電范圍大；供電可靠性差，不能滿足N?1要求，但主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率可達(dá)到100%。

2）多分段單聯(lián)絡(luò)

特點(diǎn)：該接線模式的可靠性比輻射式接線模式大大提高，接線清晰、運(yùn)行比較靈活。任何一個(gè)區(qū)段發(fā)生故障，閉合聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將負(fù)荷轉(zhuǎn)供到相鄰饋線，完成轉(zhuǎn)供。滿足N?1要求，但主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率僅為50%。

3）多分段多聯(lián)絡(luò)

特點(diǎn)：該接線模式由于每一段線路都有與其相聯(lián)絡(luò)的電源，任何一段線路發(fā)生故障時(shí)，均不影響其他線路段正常供電，使每條線路的故障范圍縮小，提高了供電可靠性；由于聯(lián)絡(luò)較多，也提高了線路的利用率，兩聯(lián)絡(luò)和三聯(lián)絡(luò)接線模式的負(fù)載率可分別達(dá)到67%和75%。

2.2電纜網(wǎng)

中壓電纜網(wǎng)典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要包括單射式、雙射式、單環(huán)式、雙環(huán)式、N供一備5種類(lèi)型，其特點(diǎn)如下。

1）單射式

特點(diǎn)：該接線方式不滿足N?1要求，但主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率可達(dá)到100%。

2）雙射式

特點(diǎn)：該接線方式不滿足N?1要求，但主干線正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率可達(dá)到100%。

3）單環(huán)式

特點(diǎn)：這種接線的接線清晰、運(yùn)行比較靈活，可靠性比單電源輻射式大大提高。在這種接線模式中，線路的備用容量為50%。一般采用異站單環(huán)接線方式，不具備條件時(shí)采用同站不同母線單環(huán)接線方式；在單環(huán)網(wǎng)尚未形成時(shí)，可與現(xiàn)狀架空線路暫時(shí)拉手。

4）雙環(huán)式

特點(diǎn)：雙環(huán)網(wǎng)為最可靠、最靈活的接線方式。這種接線模式能夠提高線路理論負(fù)；可以使客戶(hù)同時(shí)得到兩個(gè)方向的電源，滿足從上一級(jí) 10kV線路到客戶(hù)側(cè)10kV配電變壓器的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“N?1”要求，供電可靠性高，運(yùn)行較為靈活。

5）N供一備

特點(diǎn)：該種模式隨著“N”值的不同，其接線的運(yùn)行靈活性、可靠性和線路的平均負(fù)載率均有所不同。一般N最大取4。大于4的接線模式比較復(fù)雜，操作也比較繁瑣，同時(shí)聯(lián)絡(luò)線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，投資較大，線路負(fù)載率的提高也不再明顯。

3　城市10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性研究

3.1可靠性評(píng)估模型

1）邊界條件

研究在相同的供電需求下采用不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性的差別。即在一定的區(qū)域范圍內(nèi)、一定的負(fù)荷的密度下，對(duì)比各種負(fù)荷密度下計(jì)算的結(jié)果。

（1）供電區(qū)域

選取面積為7km2的圓形區(qū)域（半徑1.5km）作為研究對(duì)象。

（2）總負(fù)荷和用戶(hù)數(shù)

供電區(qū)域內(nèi)的總負(fù)荷為36MW，負(fù)荷密度大約為5MW/km2。這些負(fù)荷平均分布在供電區(qū)域內(nèi)供電區(qū)域內(nèi)。中壓用戶(hù)數(shù)為36，戶(hù)均容量為1MW/戶(hù)。

（3）變電站

兩個(gè)變電站對(duì)該區(qū)域供電，容量不限。不考慮變電站故障，變電站母線的可靠率認(rèn)為是0.99999。

（4）線路

為了滿足網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率，線路條數(shù)不限。

（5）其他邊界條件和假設(shè)

每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜用三個(gè)開(kāi)關(guān)模擬。

表4　可靠性評(píng)估的參數(shù)設(shè)定

2）評(píng)估方法

采用最小割集法進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估，其原理是配電系統(tǒng)的故障模式與系統(tǒng)的最小割集有直接的關(guān)聯(lián)。最小割集是一些元件的集合，當(dāng)它們失效時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。每個(gè)割集中的元件存在并聯(lián)關(guān)系，近似認(rèn)為系統(tǒng)的失效度可以簡(jiǎn)化為各個(gè)最小割集不可靠度的總和。

最小割集法的優(yōu)點(diǎn)是：將計(jì)算的狀態(tài)限制在最小割集內(nèi)，避免計(jì)算系統(tǒng)的全部狀態(tài)，從而大大減少了計(jì)算量；考慮到了負(fù)荷的恢復(fù)過(guò)程，及網(wǎng)絡(luò)的約束條件，使評(píng)估結(jié)果更加全面，更符合系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況；通過(guò)對(duì)故障影響范圍搜索，能找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為采取增強(qiáng)措施提供參考。

3）可靠性參數(shù)

可靠性評(píng)估計(jì)算使用下表所示的可靠性參數(shù)，包括故障率、故障修復(fù)時(shí)間和切換時(shí)間。其中，假設(shè)系統(tǒng)中使用的同類(lèi)型設(shè)備具有相同的可靠性參數(shù)。

表5　可靠性評(píng)估使用的設(shè)備可靠性參數(shù)

3.2評(píng)估結(jié)果

架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6。

表6　目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估結(jié)果

線路可靠性參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到架空網(wǎng)和電纜網(wǎng)評(píng)估數(shù)值的相對(duì)大小。架空線路的故障率高但修復(fù)時(shí)間短，電纜網(wǎng)故障率低但修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，故電纜網(wǎng)的可靠率指標(biāo)較高。

因?yàn)閱苇h(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)的中壓電氣接線結(jié)構(gòu)完全相同，故二者的可靠率指標(biāo)相同。但考慮到雙環(huán)網(wǎng)一般用來(lái)滿足有雙電源供電需求的用戶(hù)負(fù)荷，用戶(hù)可以通過(guò)低壓側(cè)轉(zhuǎn)負(fù)荷來(lái)提高其可靠性。即低壓用戶(hù)實(shí)際擁有較高的可靠性，但沒(méi)有體現(xiàn)在中壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的評(píng)估中。

三供一備的可靠率與單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)接近，這是因?yàn)橐话闱闆r下線路的負(fù)載率較高，備用線路只能滿足一條供電線路的轉(zhuǎn)供需要。如果供電線路的負(fù)載率較低，則其可靠率還可以提升。

4　基于可靠性研究的基本結(jié)論

4.1給出目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估結(jié)果

根據(jù)可靠性評(píng)估模型，通過(guò)計(jì)算和分析，得到如下結(jié)果：

可靠性評(píng)估結(jié)果：①架空網(wǎng)中，可靠性由低至高依次為多分段單聯(lián)絡(luò)和多分段多聯(lián)絡(luò)；②電纜網(wǎng)中，可靠性由低至高依次為單環(huán)網(wǎng)（雙環(huán)網(wǎng)）、三供一備；③由于未考慮低壓用戶(hù)的接入方式，因此評(píng)估結(jié)果中雙環(huán)網(wǎng)和單環(huán)網(wǎng)的可靠性相同。

4.2提煉出國(guó)內(nèi)31個(gè)重點(diǎn)城市10kV配電網(wǎng)典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1）對(duì)于架空網(wǎng)

除北京和杭州無(wú)輻射式外，31個(gè)重點(diǎn)城市都同時(shí)采用了輻射式、單聯(lián)絡(luò)和多聯(lián)絡(luò)3種接線方式，但東部地帶多聯(lián)絡(luò)所占比例明顯高于中部?jī)?nèi)陸地區(qū)和西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，單聯(lián)絡(luò)和輻射式和地域的關(guān)系不大。

多聯(lián)絡(luò)比例最高的為北京，達(dá)到96%；達(dá)到60%以上的除北京外有5個(gè)城市，即上海、西寧、杭州、南京、石家莊；分布在20%～60%之間的有20個(gè)城市。

單聯(lián)絡(luò)比例最高的為成都，達(dá)到78%；其次為長(zhǎng)春，達(dá)到60%；分布在20%～60%之間的有28個(gè)城市。

綜上所述，國(guó)內(nèi)架空網(wǎng)選擇單聯(lián)絡(luò)和多聯(lián)絡(luò)作為典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2）對(duì)于電纜網(wǎng)

30個(gè)城市都存在單環(huán)式，28個(gè)城市都存在單射式，19個(gè)城市采用雙環(huán)網(wǎng)，18個(gè)城市采用雙射式，僅10個(gè)城市采用對(duì)射式和N供一備。

單環(huán)式比例超過(guò)80%的有4個(gè)城市，其中比例最高的為武漢，達(dá)到97%，其次為成都，達(dá)到92%；所占比例分布在60%～80%之間的有10個(gè)城市；分布在40%～60%之間的有5個(gè)城市，分布在20%～40%之間的有6個(gè)城市。

雙環(huán)式比例最高的為寧波，達(dá)到84%；其次為杭州，達(dá)到54%；分布在20%～50%之間的有6個(gè)城市。

綜上所述，國(guó)內(nèi)電纜網(wǎng)選擇單環(huán)式和雙環(huán)式作為典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

4.3提出棗莊城市10kV配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

根據(jù)棗莊城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和不同目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與適用范圍，給出棗莊城區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)見(jiàn)表7。

表7　棗莊目標(biāo)結(jié)構(gòu)網(wǎng)架表

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Research on Optimization Scheme of Urban Distribution Network Structure of Zaozhuang 10 Thousand Volt based on Reliability

Chen Ning Han Peng Wang Chuanyong Wang Kun Kang Wenwen
(State Grid Zaozhuang Power Supply Company, Zaozhuang, Shandong 277100)

As the link between the terminal user and t generation and transmission system, the distribution network is a very important link to ensure the safety and reliability of the continuous power supply. At present, Zaozhuang City distribution network structure is weak, the equipment utilization rate is low, power grid planning is unreasonable, has been in the extent lags behind the economic growth of the cities, become the bottleneck of economic development. In this paper, based on the analysis of the reliability of the typical urban grid structure in China, this paper finally obtains the goal of adapting to the development of urban distribution network in Zaozhuang city.

distribution network structure; reliability; target network

陳 寧（1968-），男，本科，高級(jí)工程師，主任，主要研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、工程建設(shè)、工商管理。