基于柔性環網控制裝置的交直流混合配電網接線模式研究

張偉，韋濤，崔艷妍，劉偉，王宗禮，李芳，黃仁樂

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.山東國研電力股份有限公司，濟南市 250101；3.國網北京市電力公司，北京市100031)

基于柔性環網控制裝置的交直流混合配電網接線模式研究

張偉1，韋濤1，崔艷妍1，劉偉1，王宗禮2，李芳2，黃仁樂3

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192；2.山東國研電力股份有限公司，濟南市 250101；3.國網北京市電力公司，北京市100031)

隨著分布式電源、電動汽車等直流電源和直流負荷的大規模接入及用戶對供電可靠性要求的提高，柔性直流技術在配電網中的應用越來越廣泛。該文研究了含多端柔性環網控制裝置的交直流混合配電網的典型網架結構；提出了傳統交流配電網向交直流混合配電網的過渡目標、過渡原則、過渡過程，并給出了幾種典型網架的過渡方式；最后，以三端柔性環網控制裝置為例，通過對運行方式的劃分，明確了含柔性環網控制裝置的交直流混合配電網的運行方式及轉換過程，為傳統配電網向交直流混合配電網的升級提供理論依據。

交直流混合配電網；柔性環網控制裝置；接線模式；升級改造

0 引 言

傳統能源發展方式難以為繼，可再生能源取代化石能源將是大勢所趨。可再生能源不存在資源耗盡的問題，日益受到世界各國的重視，尤其是能源短缺的國家，并將開發利用可再生能源作為未來的能源發展戰略[1-2]。隨著以風電、光伏為代表的直流電源及以電動汽車為代表的直流負荷等直流設備的大規模接入，傳統的交流配電網由于電能變換環節多[3-5]，難以適應分布式電源(distributed generation, DG)和直流負荷量小面大的特點，供配電的效率受到影響。近年來，隨著電力電子技術的快速發展，采用柔性直流技術對傳統交流配電網進行升級改造成為了可能。與傳統交流配電網相比，通過柔性環網控制裝置實現柔性互聯的交直流混合配電網不存在同步問題，可實現輸送功率的靈活控制，適用于DG、直流負荷等設備的直接接入，減少DG、計算中心、電動汽車等直流設備接入所需的換流環節，降低了電能損耗，提升了配電系統的電能質量、靈活性、可靠性與運行效率[6-8]。

因此，隨著配電網中DG的廣泛接入和直流負荷的大量增加，在現有交流配電網的基礎上，發展交直流混合型配電網將是未來配電網的一大趨勢。國內外在柔性直流輸配電技術的相關研究中，高壓方面主要集中在分區互聯裝置應用于大區異步互聯、大規模新能源并網及分區互聯裝置的選址定容等方面[9-10]；中壓方面主要集中在柔性環網控制裝置特性及裝置接入電網前后對電網可靠性、供電能力等關鍵指標的影響等方面[11-13]，對交直流混合配電網網架和接線模式的研究相對滯后。

基于上述研究背景，本文對含多端柔性環網控制裝置的交直流混合配電網典型網架結構、傳統交流配電網向交直流混合配電網過渡的方式、交直流混合配電網的運行方式進行深入研究，為中壓示范工程的順利實施奠定理論基礎。需要注意的是，本文假設在進行升級改造的同時配合保護升級和分布式自動化等技術措施，以減少非故障/檢修區段的短時供電中斷，提高用戶供電可靠性。因為，僅在電網中安裝柔性環網控制裝置，在當前技術條件下，考慮柔性環網控制裝置自身故障率，升級改造后的電網可靠性可能會降低[13]。

1 傳統配電網典型網架結構

傳統配電網典型網架結構[14]主要分為架空網絡和電纜網絡，目前國內現存的中壓架空網結構主要有輻射式、多分段單聯絡、多分段多聯絡等3種類型，中壓電纜網的典型接線方式主要有單射式、雙射式、對射式、單環式、雙環式、N供一備等6種。為了精簡網絡結構類型，國家電網公司發布的企業標準Q/GDW 1738—2012《配電網規劃設計技術導則》[15]中推薦的中壓配電網典型電網結構有4種，其中：中壓架空網主要包括輻射式接線和多分段適度聯絡接線2種模式；中壓電纜網主要包括單環式接線和雙環式接線2種模式。因此，后續研究主要圍繞這4種網架結構展開。

2 基于柔性環網控制裝置的交直流混合配電網網架結構

2.1 含兩端柔性環網控制裝置的接線模式

利用兩端柔性環網控制裝置實現交流配電線路互聯環網運行，主要適用于架空網中的單聯絡及輻射式和電纜網中的單環式，如圖1所示。

圖1 含兩端柔性環網控制裝置的配電網接線模式

對于輻射式線路，可以利用兩端柔性環網控制裝置對兩條輻射式線路進行互聯，實現閉環運行。但是對于輻射式線路，在正常情況下負載率保持較高水平，直至100%；一旦實現環網運行后，在滿足“N-1”安全準則情況下，線路的負載率在正常情況下應保持在50%以下，以保證非正常情況下的轉供，因此要對線路進行增容改造或負荷切改，以保證在線路或母線發生故障時，負荷轉供可以順利實現。

對于電纜單環式接線，由于其正常工作下開環運行，在出現故障時，利用分段開關，隔離故障，并通過聯絡開關(環網柜)實現負荷轉移。通過在系統關鍵節點處安裝兩端柔性環網控制裝置，可以實現正常工作時的閉環運行，故障情況下實現負荷的快速轉移，提高供電可靠性。

架空輻射式線路要實現環網運行，需要對線路進行增容，改造成本相對較大，而電纜單環網的升級改造一般不需要對線路進行增容，經濟性更好。

2.2 含三端柔性環網控制裝置的接線模式

含三端柔性環網控制裝置的配電網接線模式如圖2所示，正常運行時，饋線1、2、3通過三端柔性環網控制裝置實現閉環運行，3條線路之間的潮流能夠靈活控制，某條饋線發生故障時，其他饋線通過柔性環網控制裝置提供緊急功率支援，及時恢復供電，且負荷能夠連續分配；檢修時，由于閉環運行，檢修區兩側負荷均可避免短時供電中斷。

利用三端柔性環網控制裝置升級改造后的網架結構，雖然實現了環網運行，但對線路容量限制也提出了新要求：故障情況下，要滿足“N-1”安全約束，3條線路的負載率之和應控制在200%以內，即線路平均負載率控制在66.7%以內；對于供電可靠性要求特別高的地區，若要滿足“N-2”安全約束，線路平均負載率需控制在33.3%以內，這樣才能保證在2條線路發生故障情況下，仍能通過柔性環網控制裝置滿足負荷轉移的需求，增強系統的持續供電能力。

圖2 含三端柔性環網控制裝置的配電網接線模式

2.3 交直流混合配電網絡結構

柔性環網控制裝置推廣應用后，可形成柔性直流閉環運行的新型網絡結構，如圖3所示。饋線2、3、9、10通過四端柔性環網控制裝置形成多聯絡線路，饋線1、4通過兩端柔性環網控制裝置形成單聯絡線路，饋線5、6、7通過三端柔性環網控制裝置形成兩聯絡線路。

利用柔性環網控制裝置進行多饋線閉環運行，不僅可以在故障/檢修或線路/設備過載時，快速完成負荷轉移，還可以通過提供動態無功支持穩定節點電壓，提高供電可靠性和電壓質量；與此同時，柔性環網控制裝置可以調控系統功率分布來平衡饋線負載，改善配電網的供電能力，提高設備利用率。

圖3 交直流混合配電網絡

3 傳統電網升級改造的過渡方式

通過柔性環網控制裝置對10 kV交流電網網架結構進行升級改造，應根據地區電網網架情況及用戶可靠性需求，實行差異化過渡。

過渡目標：減少傳統配電網中因故障/檢修引起的非故障區段的短時停電，提高供電可靠性。

過渡原則：不減少現有分段數。

過渡條件：根據用戶可靠性需求，有選擇地將傳統負荷開關升級成斷路器，并配合保護升級及分布式自動化等技術措施，對故障/檢修區段進行瞬時定點隔離，縮短非故障區段停電時間。

基本過渡過程：

(1)經過選址定容，確定柔性環網控制裝置安裝位置及容量；

(2)根據用戶可靠性需求，有選擇地將傳統負荷開關升級成斷路器，并配合保護升級及分布式自動化等技術措施，對故障/檢修區段進行瞬時定點隔離，縮短非故障區段停電時間；

(3)在擬改造點處安裝柔性環網控制裝置。

3.1 架空單聯絡線路

如圖4所示，架空單聯絡線路經過柔性環網控制裝置升級改造后，逐步過渡為含柔性環網控制裝置的交直流混合配電網，其過渡過程按照上述基本過渡過程即可。

對于單輻射線路，由于其升級改造需要對線路進行增容，改造量相對較大，宜過渡到單聯絡后再進行升級改造，或在具備條件時通過三端柔性環網控制裝置與單聯絡線路同時升級改造。

圖4 架空單聯絡的過渡方式

3.2 架空兩聯絡線路

如圖5所示，架空兩聯絡線路經過三端柔性環網

控制裝置升級改造后，逐步過渡為含柔性環網控制裝置的交直流混合中壓配電網，其基本過渡過程如下：

(1)經過選址定容，確定柔性環網控制裝置安裝位置及容量；

(2)將其他相關聯絡開關的運行狀態由常開變為常閉，實現互聯饋線(1,2,3)的閉環運行；

(3)經過拓撲分析，發現原有聯絡開關FN在新拓撲中為冗余開關，需要將其拆除；

(4)根據用戶可靠性需求，有選擇地將傳統負荷開關升級成斷路器，并配合保護升級及分布式自動化等技術措施，對故障、檢修區段進行瞬時定點隔離，縮短非故障區段停電時間；

(5)在擬改造點處安裝柔性環網控制裝置。

圖5 架空兩聯絡的過渡方式

3.3 電纜單環式線路

電纜單環式(兩端互聯)電網的升級改造與架空單聯絡線路相似，此處不予贅述。對于電纜單環式(三端互聯)電網的升級改造，其過渡過程如圖6所示，2個電纜單環式電網通過三端柔性環網控制裝置進行互聯，互聯后實現3條饋線的閉環運行。

其過渡過程與架空兩聯絡線路的過渡過程類似，需要注意的是，三端柔性環網控制裝置安裝在不同的位置，所需升級/改造的工程量不一樣，例如，在CB1處進行升級改造，則需要將聯絡開關CB移動到聯絡線對端，此差別應在不同接入方案的經濟性論證中有所體現。

4 網絡結構方案對比論證

重點對含兩端、三端柔性環網控制裝置的典型電網結構進行對比論證。不同網架結構的特點及適用范圍如下詳述。

(1)兩端(架空網)。特點：滿足“N-1”安全約束要求，主干線正常運行時的負載率需控制在50%以下；可靠性較高，但不滿足“N-2”安全約束要求；由于需留有50%的備用容量，線路投資較大。過渡方式：一般由2條輻射式線路或1對單聯絡線路利用柔性環網控制裝置升級改造得到。適用范圍：兩端口的架空網接線模式是含柔性環網控制裝置的架空網中最為基本的形式，適用于負荷密度不高，負荷對供電可靠性有較高要求的地區，隨著電網的發展，可以逐步過渡為三端口或更多端口的接線模式。

(2)兩端(電纜網)。特點：滿足“N-1”安全約束要求，主干線正常運行時的負載率需控制在50%以下；可靠性較高，但不滿足“N-2”安全約束要求；由于需留有50%的備用容量，線路投資較大。過渡方式：一般由單環網線路利用柔性環網控制裝置升級

圖6 電纜單環式(三端互聯)的過渡方式

改造得到。適用范圍：適用于負荷密度不高、對供電可靠性要求較高的城市電網建設初期，隨著電網的發展，可以逐步過渡為三端口或更多端口的接線模式。

(3)三端(架空網)。特點：滿足“N-1”安全約束要求，主干線正常運行時的負載率需控制在67%以下；可靠性較高，可滿足“N-2”安全約束要求；增加了聯絡線路數量，減少了每條線路的備用容量，提高了線路的利用率。過渡方式：一般由1對單聯絡線路和1條輻射式線路利用柔性環網控制裝置升級改造得到。適用范圍：適用于負荷密度較大，可靠性要求較高的區域。

(4)三端單環式(電纜網)。特點：滿足“N-1”安全約束要求，主干線正常運行時的負載率需控制在67%以下；可靠性高，可滿足“N-2”安全約束要求；增加了聯絡線路數量，減少了每條線路的備用容量，提高了線路的利用率。過渡方式：一般由1對單環網和1條單射式線路利用柔性環網控制裝置升級改造得到。適用范圍：適用于負荷密度較高、可靠性要求較高、開發比較成熟的區域，以及城市核心區、繁華地區，重要用戶的供電等。

(5)三端開閉站式(電纜網)。特點：滿足“N-1”安全約束要求，主干線正常運行時的負載率需控制在67%以下；可靠性高，可滿足“N-2”安全約束要求；增加了聯絡線路數量，減少了每條線路的備用容量，提高了線路的利用率。過渡方式：一般由1對單環網和1條單射式線路或三條單射式線路利用柔性環網控制裝置升級改造得到。適用范圍：開閉站宜建于負荷中心區，適用于負荷密度較高、可靠性要求較高的區域，尤其是用戶容量較大的地區。

5 利用柔性環網控制裝置升級改造的交直流混合中壓配電網運行方式

含柔性環網控制裝置的交直流混合配電網的工作模式主要分為正常工作模式、故障工作模式和檢修工作模式，下面以三端柔性環網控制裝置互聯的2個電纜單環網為例進行介紹。

5.1 正常運行方式

圖7為通過三端柔性環網控制裝置實現交直流混合配電網的閉環運行，在正常運行模式下，柔性環網控制裝置可控制潮流，實現饋線潮流均勻分布，能夠降低網損，改善電壓。

5.2 故障運行方式

5.2.1 1條饋線電源側故障(場景1)

圖8為饋線3發生電源側故障，引起出口斷路器跳閘，故障饋線的非故障區段由柔性環網控制裝置互聯的饋線1和饋線4提供緊急功率支援，因為是閉環運行，消除了傳統電網中的倒閘時間(如閉合聯絡開關等)，減少了非故障區段用戶的短時供電中斷，提高了供電可靠性。

圖7 正常工作模式

圖8 1條饋線電源側故障

5.2.2 1條饋線任意處故障(場景2)

圖9為饋線3任意處發生故障，故障區段兩側斷路器直接跳開故障(需配合保護升級及分布式自動化等技術措施)，故障區上游負荷由原電源點供電，故障區下游負荷可由柔性環網控制裝置互聯饋線進行緊急功率支援。

圖9 1條饋線任意處故障

而傳統配電網在同樣位置發生故障，其過程為：

(1)跳開故障饋線的出口斷路器，造成故障饋線全線停電；

(2)通過故障定位，找到故障點，斷開故障區段兩側的負荷開關；

(3)閉合出口斷路器和聯絡開關，非故障區段恢復供電。

可見，利用柔性環網控制裝置升級改造后，可減少非故障區段用戶的短時供電中斷，提高系統供電可靠性。

5.2.3 2條饋線電源側故障(場景3)

圖10為饋線1和饋線3發生電源側故障，引起出口斷路器跳閘，故障饋線的非故障區段由柔性環網控制裝置互聯的饋線4提供緊急功率支援。

需要注意的是，如果饋線4的緊急支援功率能夠滿足饋線1和饋線3的負荷需求，則該次故障不會引起用戶停電，否則，需要按用戶重要程度，切除一部分負荷，待故障消除后，閉合出口斷路器，各饋線恢復正常運行。

5.2.4 2條饋線任意處故障(場景4)

圖11為饋線1和饋線4任意處發生故障，故障區段兩側開關直接跳開故障區段，故障區段上游由原電源點供電，故障區段下游可由柔性環網控制裝置互聯饋線進行緊急功率支援，減少非故障區段停電時間，提高供電可靠性。與場景3同理，如果饋線3緊急功率支援裕度充足時，非故障區段不用切負荷；否則，按負荷重要程度切除部分負荷。

圖11 2條饋線任意處故障

5.3 檢修運行方式

圖12為傳統兩聯絡(饋線1與饋線2、4形成兩聯絡)電纜單環式線路檢修示意圖，其中，負荷開關FN1和FN2之間為檢修區，其檢修過程中開關操作如下：

(1)斷開檢修區上游負荷開關FN1，FN1下游負荷全部停電；

(2)斷開檢修區下游負荷開關FN2；

(3)閉合聯絡開關CB1或CB2，非檢修區段恢復供電；

(4)檢修完成后，為避免合環沖擊電流過大，需要先斷開CB1或CB2，非檢修區短時停電；

(5)閉合檢修區兩側負荷開關FN2和FN1，使饋線1恢復正常運行。

由上述過程可知，在檢修過程中，會導致非檢修區段用戶的2次短時供電中斷。

圖12 傳統配電網檢修示意圖

如圖13所示，2個電纜單環式線路通過柔性環網控制裝置實現閉環運行，其檢修過程較傳統配電網要方便很多，即直接斷開檢修區兩側的斷路器FN1和FN2即可，不會造成非檢修區段的短時供電中斷，在一定程度上提高了用戶供電可靠性。

圖13 含柔直環控裝置檢修示意圖

6 結 論

柔性環網控制裝置的應用可實現互聯饋線的柔性連接和閉環運行，減少傳統電網中因故障/檢修引起的非故障/檢修區段的短時供電中斷，提高供電可靠性；同時，柔性環網控制裝置能夠使饋線潮流均勻分布，提高系統供電能力，降低網損、改善電壓。本文對基于柔性環網控制裝置升級改造的交直流混合配電網典型接線模式、不同網架結構的特點和適用范圍、傳統電網升級改造的過渡方式及交直流混合配電網的運行方式進行了深入研究，為示范區中壓交直流混合配電網接線模式的最終確定奠定了理論基礎。

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(編輯 張小飛)

Connection Modes of AC/DC Hybrid Distribution Network Based on Flexible DC Loop Network Controller

ZHANG Wei1, WEI Tao1,CUI Yanyan1, LIU Wei1, WANG Zongli2, LI Fang2, HUANG Renle3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. Shandong Guoyan Electirc Power Technology Co., Ltd., Jinan 250101, China; 3. Beijing Electric Power Corporation, Beijing 100031, China)

The flexible DC technology is applied more and more widely in distribution network with the large-scale access of DC power supply and DC load including distributed generation and electric vehicle and the improvement of the power supply reliability. This paper studies a typical network structure of AC/DC hybrid distribution network including multi-terminal flexible DC loop network controller, proposes the transition targets, principle and process of the traditional AC grid to AC/DC hybrid distribution network, and presents the transition way of several typical grid. Finally, the mode and conversion process of the AC/DC hybrid distribution network including flexible DC loop network controller are cleared through dividing the work modes in case of the three-terminal flexible DC loop network controller, which provides the theoretical basis for the upgrading of the traditional distribution network to the AC / DC hybrid distribution network.

AC/DC hybrid distribution network; flexible DC loop network controller; connection mode; upgrading

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)

TM 726

A

1000-7229(2016)12-0032-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.004

2016-08-10

張偉(1988)，男，碩士，工程師，主要從事配電網優化規劃技術、分布式能源接入等方面的研究工作；

韋濤(1976)，男，碩士，高級工程師，主要從事配電網規劃計算分析、主動配電網規劃與分析等方面的研究和管理工作；

崔艷妍(1983)，女，碩士，高級工程師，主要從事配電網規劃、評估等方面的工作；

劉偉(1975)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事配電網規劃、配電網可靠性分析等方面的研究和管理工作；

王宗禮(1989)，男，碩士，工程師，主要從事微電網經濟性分析、配電網規劃及供電可靠性分析等方面的工作；

李芳(1990)，女，碩士，工程師，主要從事配電網規劃、供電可靠性評估等方面的工作；

黃仁樂(1963)，男，碩士，教授級高級工程師，長期從事電力系統自動化和電網技術等方面的研究和管理工作。

Project supported by National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)