中压配电网接线模式的N－1 准则评估分析

马 龙，杨建华，方 芹，苏 剑，韦 涛，刘 军

(1．中国农业大学 信息与电气工程学院，北京100083;2．中国电力科学研究院，北京100192)

0 引言

在配电网规划、运行及调度时，通常要采用“N－1”安全准则进行配电网接线模式评估［1，2］。目前，在输电网中已经形成了比较成熟的“N －1”安全准则校验方法［3，4］，但中压配电网通常具有闭环设计、开环运行的特点，一些常闭、常开开关分别构成分段开关和联络开关。因此，中压配电网“N－1”安全准则的接线模式评估与输电网有所不同，它主要是面向用户，在电气元件发生故障后，对能否通过分段、联络开关隔离故障区域，并恢复未故障区域供电，实现负荷转供、线路不过载和用户电压不越限等方面进行分析［2，5］。对于中压配电网综合评估，虽然提出了一定的量化指标［2，6］，但是由于配电网涉及面广、信息量大，所以并没有将这些指标严格应用于实际规划工程中。已有的研究成果中，文献［7］探讨了城市10 kV 配电网的各典型网架接线模式，提出了在电网发展各个时期应该采用的接线模式;文献［8］针对供电能力、供电质量、转供能力、经济性、协调性5 个方面建立了供电模型评价指标体系，并对典型供电模型进行了评价;文献［9］综述了配电网各种接线方式的特点，从可靠性、利用率、投资等方面对接线方式进行了比较;文献［10］考虑中压配电网的网损和可靠性指标，建立配电网故障重构评估的数学模型，分析接线模式的优缺点;文献［11］针对供电能力、供电质量、转供能力、经济性、协调性5 个方面建立了供电模型评价指标体系，并对典型供电模型进行了评价;文献［12］计算各种典型接线模式在不同负荷密度下的可靠性与经济性指标，由此确定该负荷密度下各接线模式的最优分段数。这些文献尚缺乏在变压器和中压线路故障后，应用“N －1”安全准则对中压配电网任意接线模式的全面应用分析。

本文在评述闭环设计、开环运行的中压配电网接线模式的基础上，运用深度优先搜索的拓扑方法对线路故障后负荷转供方案进行分析，提出满足“N－1”安全准则的多种转供方案;当单馈线无法承担转供负荷时，可以提出多馈线分担转供负荷的方案。评估过程不仅可以处理配电网故障后任意馈线转供负荷情况，而且能够解决故障后双电源自动转切负荷对线路载流量预度影响的问题。此外，对变压器故障后负荷转供方式进行了分析，以达到应用“N－1”安全准则对中压配电网任意接线模式进行全面分析和评估的目的。

1 配电网闭环设计的主要接线模式

对于单电源辐射式接线模式的中压配电网，虽然其接线简单清晰、运行方便、建设投资省，主干线路可以分3，4 段，当线路或设备故障、检修时，有些情况下可以通过重合器、分段器达到自动隔离和恢复供电的目的，但总体供电可靠性差，无法实现线路故障后的负荷转移。对于闭环设计、开环运行的中压配电网，电力线路采用架空线结构和电缆结构时，考虑到电缆结构对环网柜的需求等因素，导致这两种结构的接线方案有所不同［13，14］。

1.1 架空线结构

架空线结构可以进行“N－1”安全准则评估的中压配电网接线模式主要为“手拉手”接线模式，如图1 所示，其优点是可靠性比单电源辐射式接线模式提高，运行灵活。该接线模式包括多个分段开关、单个联络开关。根据需要也可以将该模式逐步过渡到多分段、多联络的模式。同时根据配电区域内供电可靠性以及负荷发展的要求，最终向网格式(多电源“#”字网架)或N 供1备方式转变。

图1 手拉手接线方式示意图Fig．1 Connection mode of hand in hand

1.2 电缆结构

电缆结构时，第一类配电网接线模式为单侧电源双射式，如图2 所示，每一用户配置至少两台配电变压器，可以通过自动投切开关保证其供电可靠性。第二类为单环形接线，如图3 所示，电源取自两段母线，也可以取自同一母线或不同变电站，网络中任何一段电缆检修时不会造成任意一用户停电。第三类为双环形接线，如图4 所示，每台配电变压器都可以从一个独立环网取得电源，可靠性更高。第四类配电网接线模式为双电源双“T”形接线，如图5 所示，两回线分别接自不同的母线，线路并行敷设，而每一个用户可以从两回电缆上取得电源。

图5 双电源双“T”型接线方式Fig．5 Connection mode of dual sources with double T type

2 配电网接线方式评估方式

2.1 变电站的“N－1”准则评估

定义如下“1 －0”函数:

式中:L1，L2，L3分别表示不同的参量。

对任意变电站i，假定其承担负荷最多或最大容量的变压器退出运行，所需转供负荷大小为Si，站内其他变压器所能转带负荷为STi，其他变电站通过中压配电线路的联络关系所能转带负荷为SLi，判断“1 －0”函数f (Si，STi，SLi)取值。如果f (Si，STi，SLi) =1，则认为该座变电站满足“N－1”安全准则;否则，f (Si，STi，SLi) =0，该表示变电站不能满足“N－1”安全准则。

为使变压器“N－1”准则通过率提升，应加强变电站之间配电线路的联络关系，以保证当有一台主变压器停运时，通过配电网进行负荷转移，其余变压器不至于长时超载［15］。

2.2 配电线路的“N－1”准则评估

由配电线路的导线允许载流量和额定电压可以确定线路的额定容量Slim，线路的负载率αratio为

式中:PL为线路通过的实际有功负荷;cosφ 为功率因数。

αratio的约束值可以取为100%或其他由实际情况而定的值。如果馈线j 供电的任一区段线路故障后，配电网重构，通过分段、联络开关隔离故障区域，可以由其他馈线实现负荷转供，恢复未故障区域供电，并且其他馈线的线路负载率不大于线路负载率约束值，则表明馈线j 通过“N－1”安全准则评估［2］。

为了在线路故障重构中尽量减少失电负荷，在正常工作情况下，αratio应该有所控制。例如，取αratio的约束值为100%，在图1 所示的“手拉手”接线模式中，假定联络开关两侧的负荷大小基本相同，则母线出口的线路应控制αratio≤50%;在图2 所示的单环形接线模式中，假定各负荷点的负荷大小基本相同，则母线1 出口的线路应控制αratio≤40%，母线2 出口的线路应控制αratio≤60%。

如果负荷安装了双电源自动投切开关，则当配电网中线路出现故障后，首先要将双电源用户的负荷进行投切、转换，然后再进行其他用电用户的转供，最后进行线路负载率的校验。

在单馈线或电源无法承担转供负荷时，需提出多馈线分担转供负荷的方案，实现多馈线组合分担转供负荷，相应的流程图如图6 所示。

图6 多电源分摊负荷流程图Fig．6 Flow diagram of multiple feeders sharing

3 算例及分析

某市部分10 kV 配电网电气接线图如图7 所示，10 kV 线路联络情况如表1 所示。

图7 某市配电网的部分接线图Fig．7 Part diagram of distribution network in a city

表1 10 kV 线路联络情况Tab．1 Situation of 10 kV line contact

考虑负荷增长、数据精度和中压配电网运行方式等因素，如果在图7 配电网中线路负载率约束值取为65%，则线路故障重构“N －1”安全准则评估的部分计算结果如表2 所示，10 kV 馈线“N －1”安全准则评估通过率为66.7%，其中尧化门和尧新两条馈线未通过“N －1”准则评估。馈线未通过“N－1”安全准则评估的原因主要有两个:

(1)馈线含有无联络开关的支路上。对这些线路应随着负荷的发展进行相应的改造，增加与其联络的馈线线路。

(2)馈线与其他馈线有联络线路，但该馈线所带负荷较重，或者与之联络的馈线转带能力不足，导致该馈线负荷无法完全转移出去。对这些线路可以适当切改线路负荷或增加新的联络开关，以便通过“N－1”准则评估。

表2 线路“N－1”准则评估的部分结果Tab．2 Part results of line N－1 criterion evaluation

在图7 中变电站的“N －1”准则评估结果如表3 所示。

表3 变电站“N－1”准则评估Tab．3 Substation N－1 criterion evaluation

从表3 中可以看出，其中一个变电站不能满足“N －1”安全准则，其主要原因是能通过10 kV 线路转带的负荷较少，这就从侧面反映出中压配电网接线模式的不合理性。可以通过如下措施提高中压配电网的“N－1”安全准则通过率:

(1)提高单位变电站容量。可以增加变电站站内主变压器台数或增加主变容量，从而通过提高变电站的站内供电能力来达到提高整个电网供电能力的目的。

(2)提高中压配电线路的容量。可以增加中压配电线路的条数或提高单条配电线路的导线截面积。中压配电线路的出线条数要根据变电站容量以及负荷情况确定，在变电站建设初期，负荷较小时，可以预留出线间隔。待负荷增大以后，可以通过增加中压出线的方法来增大中压配电线路供电能力。

(3)提高中压配电线路的联络数。采用合理有效的中压配电线路接线模式，既可以在很大程度上提高中压配电网的供电质量，也能提高电网的供电能力。但中压配电线路的联络开关数过多，投资较高，维护工作量加大，运行操作较为复杂，在实际工程中并不利于提高中压配电线路的负荷转移能力。因此，对于中压配电馈电线路的每个分段区域，一般配置1 ～2 个联络开关较为合理。

4 结论

中压配电网接线模式是配电网规划和配电自动化研究领域中的重要组成部分，各接线模式有着各自的优缺点和适用范围，应根据具体情况，结合实际要求，选择相应的合理接线模式。变电站之间的“手拉手”接线方式既能提高供电可靠性，又能有效地利用主变容量，提升中压配电网供电能力。多分段、每个分段配置1 ～2 个联络开关的接线模式运行灵活、可靠性高，在实际工程中应得到更广泛的应用。本文依据配电网“N－1”安全准则，所开发的中压配电网变电站、线路“N－1”安全准则评估分析软件，可以较全面地分析和评估变压器、线路故障后的负荷转供情况，提供可能的转供馈线、需闭合的联络开关、需分断的分段开关、实际转带负荷大小等相关数据，为中压配电网整改方案、综合评估奠定了基础。

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