配電網網架多變結構組態仿真研究

宋經華 宋江浩 王 營 董夢柯 馬 寅

（西安世豪匯科智能科技有限公司，陜西 西安 710061）

0 引言

國內配電網的主接線架構因地域不同、負荷不同，導致供電可靠性的要求有所不同，采用的主接線方式各不相同，輸電線路的類型也不同。配電網在運行中受到自然因素的影響，必然會存在諸多問題，為了驗證與測試配電網的不同網架主接線變化的潮流分布及故障狀態下自動化系統中發生的問題，對實際系統的相應配電網主接線進行仿真研究，并對配電網的運行規律、故障特征及其自動化系統進行試驗，來驗證并保證配電網與自動化系統設備的可靠性、安全性、選擇性及靈敏性［1-3］。現實中的配電網主接線網架結構有多種方式，且各國配電網的結構不一樣。因此，使用一個能靈活組態的仿真試驗模型，來對配網多種結構進行試驗研究［4］。現有的配電網實驗室大多是設置幾條配電線路，很難對實際接線方式進行全方位的仿真。本研究在對國內配電網網架結構主接線分析的基礎上，設計出可靈活組態的配電網網架主接線仿真模型，通過仿真斷路器的不同投切，對現有配電網的網架主接線結構模式進行靈活多變的組態，從而仿真出不同的主接線的接線模式，并進行試驗研究［5-7］。該仿真模型不僅能對現有的配電網多種主接線方式進行仿真，還能對配電網多融合電源的運行特性進行試驗和測試。

1 國內外配電網的主要結構模式

由于我國地域遼闊，不同地區的條件不同，城市與農村的人口密度不同。尤其是大都市圈發展起來后，地域的差異化變得更大，配電網的網架結構因地域不同而有所差異。總結配電網的網架結構特點，可將其歸納為兩類典型模型，一種是采用架空線路部分典型接線模式（見圖1），另一種是采用電纜部分典型接線模式（見圖2）［8-9］。這兩種方式都有其應用的環境條件，并產生不同的供電可靠性。

圖1 架空線典型配電模式

由于農村的地域寬廣，架空線路大多適用于農村電網。而在城市電網中，由于城市人口密度高和工業集中，一般采用電纜型。

2 國外配電網結構模式

在國際上，各國配電網的電壓等級不同，結構也不相同。日本、新加坡、英國、德國、法國、美國因條件不同、要求不同，均有著不同的典型接線方式。

日本中壓配電網是指22 kV、6.6 kV 的公用電網［10］。T形接線結構作為日本中壓配網的主要方式，包括單側電源雙回T形和雙側電源雙回T形。此外，日本還采用“點網”的供電方式。如22 kV 供電3 回“點網”方式與400 V 常規配電網直接供電方式相互配合，從而實現22 kV/400 V 一體化的地下配電方式，兩種結構的示意圖如圖3所示。

圖3 日本配電網典型接線模式

新加坡22 kV和6.6 kV為中壓配電網所采用的電壓等級。新加坡采用花瓣狀環形的配電網，如圖4 所示。由一個變電站的一段母線引出一條總線，通過一個圓環環節變電站后，再回到本變電站的另一條母線，由此來構成一個“花瓣”。多個“花瓣”構成以變電站為中心的一朵“花”。這樣由“花瓣”相切的方式能更好地實現負荷的轉供，同時也能大大提高拓展型。

圖4 新加坡花瓣式配電網結構

英國中壓配網電壓等級為33 kV 和11 kV。中壓配電網的結構主要有網孔型、環型、放射型。

法國中壓配網的電壓等級為20 kV 和15 kV。法國的中壓配電網首選環群/仿垂的接線模式，如圖5 所示。通過對開斷斷路器的操作可改變不同的供電網絡結構。

圖5 英德法多電源供電斷路器操作，改變運行方式典型結構模式

德國中壓配網的電壓等級分為10 kV 和6 kV。德國的中壓配電網主要采用環型/網孔型接線模式。

美國的中壓配電網多采用中性點直接接地系統，一般為環網結構，并開環運行。此外，在美國中壓配網結構中有一種獨特的接線模式，即“4×6”網絡接線［11-12］，如圖6 所示。該接線模式的優點是經濟性與可靠性，美國和加拿大的城市中壓配電系統首選“4×6”網絡接線。

圖6 美4×6模式，4個電源進行，供6邊不同線路負荷結構模式

3 電網主接線靈活組態仿真模型設計

在對國內外配電網網架主接線的多種模式進行分析的基礎上，本研究采用仿真電源、仿真斷路器投切靈活組態的方式，能滿足不同接線方式下的仿真試驗要求。可靈活組態的仿真試驗模型如圖7所示。

圖7 配電網主接線靈活組態仿真實驗模型

在圖7 中，仿真電源可采用常規大電網，通過隔離變壓器進行供電，也可采用太陽能、風能電源進行供電。采用模擬斷路器來模擬斷路器與開關的閉合，線路采用架空輸電線路模型、架空絕緣線路輸電線路模型和電纜輸電模型，負荷配置負荷變接在不同節點上，負荷變下接不同的有功和無功負荷，從而達到負荷調節的目的。斷路器與開關口可接測量互感器，用于測量運行特性。斷路器與開關可配置自動操作與保護模塊，根據設定功能可跳合斷路器或開關，從而對保護、自動控制部分進行仿真特性研究。

4 基于靈活組態仿真模型的運行方式調整

通過投入不同的設備，斷開或閉合不同的斷路器和開關，可對不同配電網的網架結構中不同的接線方式進行仿真試驗模擬。

4.1 雙輻射供電模式仿真試驗模型

按照靈活組態仿真模型，可組合出雙輻射的供電模式，見圖8。

圖8 雙輻射供電模式仿真實驗模型

4.2 單輻射長距離混合供電模式試驗模型

通過調整仿真斷路器、開關、電源，來完成對架空線路、架空絕緣線和電纜線路混合供電的輸電模式的模擬，如圖9所示。

圖9 單輻射長距離混合供電模式試驗模型

4.3 單環網手拉手模式

通過電源1 進行供電，Ⅰ母線與Ⅱ母線經聯絡開關100 直連，105、106 開關起到聯絡作用，從而形成環網手拉手模式（見圖10）。

圖10 單環網手拉手模式

4.4 3-1模式

母線Ⅰ通過聯絡開關及輸電線路到達母線Ⅱ，以母線Ⅱ聯絡開關形成備用，同時105、106 斷路器以聯絡開關的備用形式出現，形成3-1 模式（見圖11）。

圖11 3-1模式

4.5 電源各帶本地負荷互為備用模式

雙電源各帶本地負荷互為備用模式，如圖12所示，也可采用兩電源初始所帶負荷的互換模式。圖12 所示的103、106 斷路器將作為備用聯絡開關（備用自投開關）。圖13 為開關站（開閉所作用）模式。

圖12 雙電源各帶本地負荷互為備用模式

圖13 開關站模式

4.6 單T直供，雙T備用

單T 直供，雙T 備用（見圖14）。外環負荷開關在雙T 備用模式下可以不投，也可帶一些模擬E 類不重要的負荷。

圖14 單T直供，雙T備用

4.7 新加坡花瓣相切型模式

接線間通過開關可相切互聯，從而完成花瓣式環狀接線方式的運行（見圖15）。

圖15 新加坡花瓣相切型模式

4.8 日本三線（2線）并行點網供電模式

一個負荷點三線并行點供，如圖16 所示。圖中三線并行供給最后變為兩線，并互為備用相連。這是因為設備的限制，導致局部只能融合為兩線。

圖16 日本三線（2線）并行“點網”供電模式

4.9 英德法網孔及4-1模式

英德法網孔和交流電路的網孔計算方式一樣（見圖17），可直接查看網孔，并通過調整網孔間的斷路器或聯絡開關來構成不同的運行方式，但其是多電源模式，少電源時的網孔連接，只能以所有斷路器及聯絡開關組合進行調整，從而保證每個網孔的供電連續性。

圖17 英德法網孔及4-1模式

4.10 美式4×6型的轉換

4×6 接線模式為4 個電源點、6 條線路，每條線路各帶自身負荷，線路互為備用，適合比較鄰近的供電區域，能極大提高供電的可靠性，其組合模式如圖18 所示，備用的兩個聯絡開關在此將起到很大作用。

圖18 美式4×6型的轉換模式

103、1 032、1 033、1 052、105 斷路器和兩母線聯絡開關1 021、1 011 構成外四邊形，104 所示的104、1 041、1 042、1 104、1 102構成一條對角線，106所示的106、1 061、1 062、1 094、1 092 構成一個對角。同時，109、110開關斷開，其所帶的負荷由對角線轉供。

該接線方式已滿足“4×6”，當兩個備用電源投入時就成為真實的“4×6”供電模式。在現有模式下將兩個備用電源開關接入現有的兩個電源母線聯絡，并進行仿真研究。

5 結語

該靈活組態的配電網網架主接線仿真模型能實現靈活組態配電網的主接線方式。該模型不僅能滿足對目前實際電網進行研究的要求，也適合對未來各種運行方式調整、變換、故障短路、自動化配置方案進行研究，并進行比較實踐。由于方案的調整方式有很多，詳細的調整方法要根據實際需求進行確認。組態仿真模型對研究配電網接線方式與自動化配置和保護裝置特性仿真試驗具有積極的意義。