基于可靠性的中壓配電線路接線模式快速選擇

劉娟楠，于廣亮，李文輝，王芝麟，張文韜

（1.國網陜西省電力公司經濟技術研究院，陜西西安 710075；2.國網西安供電公司，陜西西安710032；3.國網陜西省電力公司，陜西西安 710048；4.西安交通大學，陜西西安 710068）

配電網規劃一般首先根據變電容量需求以及輸電線路容量確定滿足電力需求的一個或者幾個方案[1]，然后對待選方案進行潮流、可靠性等的計算分析，技術人員或專家對方案進行綜合比較得出推薦方案[2]。但開始設置方案時一般只是憑經驗來設定，初始方案的可靠性與要求可能偏差較大。近年來，有人提出計算中壓線路接線模式的可靠性指標[3]，但一是未將各個電壓等級考慮在內，二是在參數選擇時，未考慮供電安全水平的要求。

1 配電網中壓線路接線模式

中壓配電網分為架空網和電纜網，它們又分別有很多種接線形式[4]。

1.1 架空網

架空網的典型結構主要有輻射式、多分段單聯絡、多分段適度聯絡等結構。

單輻射結構一般將線路分段，線路故障時不會導致線路全停，但電源故障時將會導致整條線路停電。單電源單射式供電不考慮故障備用問題，正常方式下可以滿載運行，見圖1。

圖1 單輻射Fig.1 Single radial structure

單聯絡接線形式將不同變電站的兩條饋線或同一變電站不同中母線的2條饋線，通過一個聯絡開關連接起來，是中壓饋線聯絡的最簡單形式，其供電可靠性較單輻射方式大大增加。當任意一個區段發生故障時，分段開關閉合，可將負荷通過另一條饋線轉供。該接線形式滿足線路和電源的N-1校核，但需考慮備用容量，正常運行時線路負載率僅為50%，單位負荷的線路投資較單射式有所增加。單聯絡見圖2。

圖2 單聯絡Fig.2 Single connection structure

多分段適度聯絡是架空線路環網采用的接線形式，通常開環運行。分段數量與聯絡數量根據負荷密度、負荷性質、線路長度、用戶數量及環境等因素確定。目前使用較多的多分段適度聯絡有三分段兩聯絡和三分段三聯絡兩種接線。多分段適度聯絡見圖3。

圖3 多分段適度聯絡Fig.3 Multi segments and proper connection structure

1.2 電纜網

中壓電纜網的典型接線方式主要有單射式、雙射式、單環式、雙環式、N供一備等類型[5-6]。

自一座變電站或開關站的一條中壓母線出一回電纜，形成單射式接線方式。該接線方式不滿足“N-1”校核，由于不考慮故障備用，主干線正常運行時的負載率可達到100%。該接線方式通常僅作為一種過渡接線形式。單射式見圖4。

圖4 單射式Fig.4 Single radial structure

自一座變電站或開關站的不同中壓母線或同一供電區域兩個變電站或開關站引出雙回電纜，形成雙射接線方式。雙環網一般也作為一種過渡方式，隨著網絡的加強，可逐步發展為雙環式接線。雙射式供電可以為用戶提供雙電源供電，一條電纜故障時，用戶配變可切換到另一條電纜上。雙射式見圖5。

圖5 雙射式Fig.5 Double radial structure

自一座變電站或開關站的不同中壓母線或同一供電區域兩個變電站或開關站引出單回電纜構成單環網，開環運行。任何一個區段故障，閉合聯絡開關，可將負荷轉供到與其拉手的饋線，供電可靠性比單射式大大提高。該供電模式滿足N-1校核，但主干線正常運行時的負載率僅為50%。從規劃建設的角度考慮，一般采用異站單環接線方式，僅在不具備條件時采用同站不同母線單環接線方式。單環式見圖6。

圖6 單環式Fig.6 Single ring structure

自一座變電站或開關站的不同中壓母線或同一供電區域兩個變電站或開關站不同中壓母線引出雙回電纜構成雙環網，開環運行。雙環網的接線形式主要依賴變電站或開關站不同母線的母聯開關構成，若變電站或開關站母線之間無分段開關，則仍為單環網接線。該接線方式滿足N-1校核，主干線正常運行時的負載率僅為50%。與電纜單環網相比，雙環網更易于為用戶提供雙路電源供電，可靠性更高。雙環式見圖7。

圖7 雙環式Fig.7 Double ring structure

N供一備是指N條電纜線路連成電纜環網運行，另外一條線路作為公共的備用線路。非備用線路可滿載運行，若某條運行線路出現故障，可以通過切換將備用線路投入運行，其設備利用率為N/（N+1）。綜合考慮設備利用率和運行操作復雜程度，一般N最大取4。N供1備見圖8。

圖8 N供1備Fig.8 N supply lines with one backup line structure

2 基于可靠性的中壓接線模式選擇方法

2.1 建立可靠性評估模型

根據配電網的特點，將要進行的可靠性計算分為高壓層、饋線層、配變層、低壓線路層等4個層級，建立各層級的可靠性評估模型[7]。

2.1.1 高壓層

高壓層故障停電時，若中壓層可以轉移負荷，則故障停電時間為零，若不可轉移，停電時間t0為：

式中：T0為高壓層平均故障停電時間；λ01為主變故障概率；λ02為線路故障概率；l0為線路平均長度；t0為恢復供電時間。

高壓層檢修預安排停電時，所帶負荷可以轉供，不損失負荷[9]。

2.1.2 中壓線路層

1）架空線路故障停電時間：若故障后其他未故障段可以轉供，則停電時間T11為

式中：T11為架空線路平均故障停電時間；λ11為架空線路故障概率；l1為架空線路長度；t11為故障隔離時間；t12為故障檢修時間；n為分段數；a為配變雙接入比例。

若故障后其他未故障段不可以轉供，則停電時間T11為

2）架空線路預安排停電時間：若其他段可以轉供，則停電時間如下式：

式中：T12為架空線路平均預安排停電時間；λ12為架空線路預安排停運率；t13為架空線路預安排檢修時間。

若后段不可以轉供，則停電時間如下式：

3）電纜線路故障停電時間：若故障后其他未故障段可以轉供，則停電時間T13為

式中：T13為電纜線路平均故障停電時間；λ13為電纜線路故障率；l2為電纜線路長度；t14為電纜線路故障隔離時間。

若故障后其他未故障段不可以轉供，則停電時間如下式：

4）電纜線路預安排停電時間：若負荷可以轉供，則不停電。

若不可轉供，則停電時間T14為

式中：T14為電纜線路平均預安排停電時間；λ14為電纜線路預安排停運率；t16為電纜線路預安排檢修時間。

2.1.3 中壓配變層

配變層故障平均停電時間：

式中：T21為配變層故障平均停電時間；λ21為配變故障停運率；t21為配變故障檢修時間；

配變層預安排平均停電時間：

式中：T22—配變層預安排平均停電時間；λ22為配變預安排停運率；t22為配變預安排檢修時間。

2.1.4 低壓線路層

低壓線路一般為輻射式運行，當低壓主干線發生故障時，低壓線路全線停電。

低壓線路故障平均停電時間：

式中：T3為低壓線路故障平均停電時間；λ3為低壓線路故障率；l3為低壓線路平均長度；t3為低壓線路故障修復時間。

2.2 接線模式選擇

1）分析本地區的地形及配電網的現狀，并根據地域特征分析各種接線模式的利弊，剔除完全不適合的接線模式。

2）根據配電網的特點，將要進行的可靠性計算分為高壓層、饋線層、配變層、低壓線路層等4個層級，建立各層級的可靠性評估模型。

3）根據配電網規劃設計導則對供電安全水平的要求并結合本地區的實際情況，分不同供電區域給定相關計算參數，包括中壓線路平均長度、中壓線路分段數、設備故障停運率、檢修預安排停運率、故障隔離時間和故障恢復時間。

4）應用對4個層級建立的可靠性評估模型對架空網和電纜網的各個接線模式進行評估計算，得到每個接線模式的供電可靠率指標，并比對導則中給出的每個供電區的指標要求，選擇合適本區域的接線模式。接線模式選擇流程見圖9。

圖9 接線模式選擇流程Fig.9 Medium Voltage Distribution Line Connection Model Selection Process

3 算例分析

首先需選取典型參數。

配電網可靠性來自于電網結構、設備水平、管理水平和上級電網技術的綜合作用。其中電網參數、設備參數和管理技術參數的典型參數取值如下：

3.1 中壓線路平均長度

根據《配電網規劃設計技術導則》[10]，A、B類供電區域供電半徑不宜超過3 km，C類供電區域供電半徑不宜超過5 km，D類供電區域供電半徑不易超過15 km。因此，結合陜西實際情況，A類供電區域中壓線路平均長度均設置為2 km，B類供電區域中壓線路平均長度均設置為3 km，C類供電區域中壓線路平均長度設置為5 km，D類供電區域中壓線路平均長度設置為15 km。

3.2 設備故障及檢修預安排停運率典型值

配電網可靠性受電網結構、設備水平、管理水平和上級電網技術的制約。本文主要是為了分析電網結構對可靠性的影響，因此要弱化設備水平管理水平的影響，則各類供電區域中配變、開關、電纜線路、架空線路等設備的故障概率和體現管理水平的配變、開關、電纜線路、架空線路等設備的預安排停運率均采用高檔設備和高管理水平的可靠性參數，如表1所示。

表1 設備故障及檢修預安排停運率典型值Tab.1 Typical values of the outage rate of equipment failure and scheduled maintenance

3.3 故障排查和修復時間

假定高中壓配電網均滿足供電安全標準。

當高壓層發生“N-1”故障時，A類要求恢復供電時間≤15min，B、C類要求2/3負荷恢復供電時間≤15 min，其余負荷恢復供電時間≤3 h，因此設定高壓故障的停電時間A類供電區域為15 min，B、C類供電區域為1h，D類供電區域為3小時。

當饋線層發生“N-1”故障時，A類供電區域要求在15 min內恢復供電，說明A類供電區域也要求有配電自動化，并逐步實現全覆蓋；B、C、D類供電區域要求在3 h內恢復供電，故障后主要靠人工排查故障。因此結合實際情況，設定中壓故障排查時間A類供電區域為15 min，B、C類供電區域為1 h，D類供電區域3 h。

中壓故障線路的非故障段要求在3 h內恢復供電，故障段的恢復供電時間一般大于等于3 h，因此設定中壓故障修復時間為3 h。

各類供區的故障排查時間和修復時間典型取值如表2所示。

表2 故障排查時間和修復時間典型值Tab.2 Typical values of fault checking time and repairing time

應用可靠性評估模型，采用故障模式后果分析法，根據供電安全標準的要求，分別計算A、B、C、D4類供電區域中架空線的單輻射、單聯絡、三分段三聯絡和電纜線路的單環網、雙環網的用戶平均停電時間，如表3—表6所示。

表3 A類供電區域可靠性計算Tab.3 reliability calculation of A-type power supply area min

根據上述供電可靠性計算結果及A、B、C、D四類供電區域的可靠性規劃目標，為各類供電區匹配相應的接線方式，結果如下。

表4 B類供電區域可靠性計算Tab.4 reliability calculation of B-type power supply area min

表5 C類供電區域可靠性計算Tab.5 reliability calculation of C-type power supply area min

表6 D類供電區域可靠性計算Tab.6 reliability calculation of D-type power supply area min

A類供電區域的供電可靠率目標要求用戶年平均停電時間不高于52 min（RS-3≥99.990%）。由表3可知，架空網不能滿足A類供電區域的供電可靠性要求，電纜網的兩種接線方式均能滿足。而且，由于A類均為中心城區，城市規劃一般不允許再架設架空線路，故該區域內僅考慮電纜網，單環網和雙環網均在可選范圍內。

B類供電區域的供電可靠率目標要求用戶年平均停電時間不高于3 h（RS-3≥99.965%）。由表4可知，架空網的單聯絡方式和三分段三聯絡方式、電纜網的兩種接線方式均可滿足B類供電區域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。而且由于B類供電區主要為地級市的中心城區、重要城區、重要園區，在綜合區域，一般不允許再架設架空線路，在這種區域內僅考慮電纜網，以單環網為主，必要時可以考慮雙環網；在一些產業園區，能夠采用架空線路的，優先考慮采用架空網多分段適度聯絡，架空線路實施困難的路段采用電纜單環網。

C類供電區域的供電可靠率目標要求用戶年平均停電時間不高于9 h（RS-3≥99.897%）。由表可知，架空網的單聯絡方式和三分段三聯絡方式、電纜網的兩種接線方式均可滿足C類供電區域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。而且由于C類供電區一般為縣城或縣級園區，按照目前各省的110kV布點密度，大多能夠保證兩座110kV變電站，優先考慮采用架空網多分段適度聯絡，在縣城內架空線路實施困難的路段采用電纜單環網。

D類供電區域的供電可靠率目標要求用戶年平均停電時間不高于15 h（RS-3≥99.828%）。由表6可知，架空網的單聯絡方式和三分段三聯絡方式、電纜網的兩種接線方式均可滿足D類供電區域的供電可靠性要求，而架空線的單輻射模式不能滿足要求。綜合考慮可靠性和經濟性，D類供電區域推薦全部采用架空網，接線方式以單聯絡和三分段三聯絡為主，部分偏遠地區若難以實現聯絡，可采用單輻射方式。

4 結論

本文提出了中壓線路接線模式的快速選擇方法，計算典型接線模式下的各個電壓等級的可靠性指標，在初始規劃方案設定前就可以確定合適的接線模式，利用此接線模式規劃的配電網必然滿足可靠性的要求。

參考文獻

[1]張植華，李健，林毓，等.級網格化城市配電網目標網架動態構建方法[J].陜西電力，2015，43（2）：23-29.ZHANG Zhihua，LI Jian，LIN Yu，et al.Grid city distribu?tion network target network dynamic construction method[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（2）：23-29.

[2]羅國東，梅敏，林楨敏.配電網規劃方案及項目后評價方法[J].陜西電力，2011，39（6）：16-20.LUO Guodong，MEI min，LIN Zhenmin.Methods of distri?bution network planning and project evaluation scheme[J].Shaanxi Electric Power，2011，39（6）：16-20.

[3]王成山，王賽一，葛少云，等.中壓配電網不同接線模式經濟性和可靠性分析[J].電力系統自動化，2002，26（24）：34-39.WANG Chengshan，WANG Saiyi，GE Shaoyun，et al.Economy and reliability analysis of different connection modes in MV distribution systems[J].Automation of Elec?tric Power Systems，2002，26（24）：34-39

[4]莊雷明，張建華，劉自發，等.級中壓配電網接線模式分析[J].電網與清潔能源，2010，26（6）：33-37.ZHUANG Leiming，ZHANG Jianhua，LIU Zifa，et al.Con?nection modes of medium voltage distribution networks[J].Power System and Clean Energy，2010，26（6）：33-37.

[5]謝曉文，劉洪.中壓配電網接線模式綜合比較[J].電力系統及其自動化學報，2009，21（4）：94-99.XIE Xiaowen，LIU Hong.Integrated contrast on connec?tion modes of mid-voltage distribution networks[J].Pro?ceedings of the Chinese Society of Universities for Electric Power System&Its Automation，2009，21（4）：94-99.

[6]趙樹仁，何林泰.配電網電纜化改造中的網架結構與自動化方案[J].陜西電力，2007（9）：13-17.ZHAO Shuren，HE Lintai.Network frame structure and automation scheme in cable transformation of distribution network[J].Shaanxi Electric Power，2007（9）：13-17.

[7]葛少云，郭寅昌，劉洪，等.基于供電能力計算的高壓配電網接線模式分析[J].電網技術，2014，38（2）：405-411.GE Shaoyun，GUO Yinchang，LIU Hong，et al.Key labo?ratory of smart grid tianjin university.load supply capabili?ty based analysis of hv distribution network connection mode[J].Power System Technology，2014，38（2）：405-411.

[8]葛少云，郭明星，王成山，等.城市高壓配電網接線模式比較研究[J].電力自動化設備，2004，24（2）：33-37.GE Shaoyun，GUO Mingxing，WANG Chengshan，et al.Comparative study of connection modes in high-voltage distribution networks[J].Electric Power Automation Equip?ment，2004，24（2）：33-37（in Chinese）.

[9]劉向軍，馬爽，許剛.基元接線模型構建的配電網典型接線方式[J].電網技術，2012，36（2）：58-63.LIU Xiangjun，MA Shuang，XU Gang.Formation of typi?cal connection mode for distribution network by elementa?ry connection model[J].Power System Technology，2012，36（2）：58-63.

[10]國家能源局.配電網規劃設計技術導則[Z].2016.