配电网目标接线模式和网架构建方法及其应用

穆永强，王荣茂，王春生，艾芳馨

（辽宁省电力有限公司，沈阳110006）

配电网目标接线模式和网架构建方法及其应用

穆永强，王荣茂，王春生，艾芳馨

（辽宁省电力有限公司，沈阳110006）

为明确不同供电区域的配电网建设目标，理清配电网运行及管理相关工作的思路，该文研究出一种配电网目标接线模式和网架构建的方法。首先，对规划区进行供电区域划分；其次，对规划区常用的典型接线模式进行可靠性计算、全寿命周期的经济性计算和电气分析，通过综合评价，确定规划区不同供电区域的理论最优接线模式；最后，结合规划区的实际情况，以现状接线模式为基础，分析其向理论最优接线模式过渡的难易程度，确定规划区推荐的目标接线模式。以此为基础，构建规划区的配电网目标网架。以某市某区为例，应用此方法确定的配电网目标接线模式和网架科学、合理，验证了该方法的科学性和有效性。

供电区域；接线模式；网架构建；可靠性计算；经济性计算；综合评价

随着国民经济的高速发展及人民生活水平的日益提高，电力的供应和消费已经遍及到社会生产、人民生活的各个环节，社会对电力的需求量越来越大。配电网是直接向用户供电的重要环节，如何选择科学、合理的接线模式一直是令供电部门感到困惑的问题。配电网的网架结构是城市电网规划与改造工作中的一个重点，接线模式是网架结构的基本反映，它不仅牵涉到电网建设的经济性和可靠性，而且对于整个电力工业发展具有重要意义。

以往的配电网接线模式研究仅从理论供电可靠率和电网投资、运行经济性方面对不同接线模式进行分析、计算[1-3]，一方面考虑较为单一，另一方面不能很好地结合规划区的实际情况，故得出的研究结果存在一定的局限性。

本文首先对规划区常用的典型接线模式进行多方面的理论计算（可靠性、经济性、电气分析）；其次，通过综合评价来确定规划区不同供电区域的理论最优接线模式；最后，结合不同地区现状电网水平、向理论最优接线模式过渡的难易程度等情况进行综合分析，得出适用于规划区不同供电区域的接线模式及网架构建原则。

1 配电网接线模式和网架构建原则研究思路

配电网接线模式和网架构建原则研究思路框图如图1所示。

图1 配电网接线模式和网架构建原则研究思路框图Fig.1Flow chart of the study on distribution network connection mode and frame construction principle

2 理论计算的边界条件

2.1 规划区供电区域划分

电网规划应坚持与经济、社会、环境协调发展、适度超前和可持续发展的原则，因此，为适应不同地区中压配电网发展的差异化，应根据城市的地位、经济发展水平、负荷性质和负荷密度等条件划分供电区。不同类别的供电区应采用不同的建设标准，根据《“十二五”110 kV及以下配电网规划编制技术规定》[4]中关于供电区划分规定，对规划区电网各类供电区进行划分，供电区分类标准见表1。

2.2 规划区供电区域供电可靠率

不同供电区域理论计算供电可靠率（RS-3）控制目标见表2。

表1 规划区电网供电区分类标准Tab.1Classification standard of power supply areas in the planning area

表2 不同供电区域理论计算供电可靠率（RS-3）控制目标Tab.2Control targets of theoretical power supply reliability（RS-3）in different power supply areas

3 接线模式理论分析

3.1 接线模式可靠性计算

配电网接线模式的可靠性分析思路主要是对各个不同的接线模式考虑每个元件的平均年故障率及其故障时受影响的用户数和平均修复时间，同时考虑到某些接线模式可以转移负荷的情况，然后算出平均用电有效度指标ASAI（average service availability index）、系统平均停电频率指标SAIFI（system average interruption frequency index）和系统平均停电持续时间指标SAIDI（system average interruption duration index），用这些指标来比较不同接线模式的可靠性高低。上述指标的计算公式为

式中：Ntotal为系统中总用户数；Ui为平均年停运时间；Ni为故障时受影响的用户数；λi为给定元件i的平均故障率。

配电网供电可靠性的计算方法有很多，如故障模式后果分析法、可靠度预测分析法、状态空间图评估法、近似法及网络简化法等。以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法使用较为广泛，并已经实践证明比较切合实际，能够反映配电系统结构和运行特点，故本次研究采用故障模式后果分析法[5]进行接线模式的可靠性计算。

3.2 接线模式经济性计算

传统的经济性计算分析着重考虑投入成本，对其余成本的考虑不够重视。而从长远的观点看，设施未来的运行、维护等成本要远远大于它的投入成本，因此不应使用传统的经济性分析模式进行计算，应将设备或系统的各个成本加以综合考虑。

全寿命周期费用[5]LCC（life cycle cost）管理是从企业的长期经济效益出发，全面考虑设备或系统的建造、运行、维护、直至报废的全过程，使LCC最小的一种管理理念和方法。在“全寿命周期”的概念和框架中，系统安全下整体费用最优是宗旨，以企业总体效益为出发点，寻求最佳方案。

LCC计算模型为

式中：CI为投入成本，是在电力设备获得之前将要发生的成本；CM为维护成本，指电力设备在正常使用过程中发生的维护费用，包括抢修、维护等费用；CF为故障成本，指由于电力设备因故障而导致的损失，即停电损失费用；CD为废弃成本，指设备在退役后所发生的费用，即电力设备的残值费用；CO为运行成本，指电力设备在正常使用过程中发生的运行费用，包括线损、利息以及所缴税款这3个方面。

3.3 接线模式电气分析

由于地域差异，规划区不同供电区域的10 kV线路主干长度各不相同，且不同接线模式的线路负载率也存在一定的差异，这些因素将会使各地不同接线模式下的线路末端电压水平有所不同，从而影响用户的用电质量。

配电网的线损是电力企业一项综合性的经济、技术指标。它不仅可以综合反映一个单位或一个区域的供电经济性，而且也可以间接反映供电的技术条件和管理水平。

综上所述，有必要对不同接线模式的线损及末端电压水平进行计算、分析研究，本次研究利用供电网计算分析及辅助决策仿真软件对接线模式进行电气分析。

4 确定目标接线模式

4.1 接线模式综合评价

本次研究利用文献[7]的方法，依据接线模式可靠性计算、经济性计算、电气分析的结果，对不同接线模式进行综合评价，综合评价的步骤如图2所示。

图2 接线模式综合评价步骤Fig.2Comprehensive evaluation steps of connection mode

4.2 确定目标接线模式

对规划区现状接线模式进行调研，根据规划区不同供电区域的接线模式情况，分析其现状电网的发展水平及各地市已经广泛应用的接线模式，并结合综合评价结论中的规划区理论最优接线模式，分析其以现状电网为基础的构建难易程度，最终得出本次研究推荐的规划区不同供电区域的目标接线模式。

4.3 校核供电可靠性

根据规划区不同供电分区的最优接线模式，根据不同接线模式所占的比例及其供电可靠性，计算得出规划区不同供电分区的供电可靠性并与表2的指标进行对比，如没有达到该指标，则需要对接线模式重新综合评价。

5 构建配电网网架

规划区中压配电网确定适宜的接线模式后，还需对中、高压配电网的配合进行研究，最终得到整套构建方案。

本文主要计算规划区不同供电模型下的变电站供电能力及为使变电站达到更高的利用率所需配置的出线间隔和站间联络线路回数。

5.1 典型供电模型

配电网供电模型是指采用不同的互联变电站座数、不同站内主变配置和不同的低压侧主接线形式和不同的中压配电网接线模式通过合理组合所形成的供电方案。

5.2 主变最大供电能力

对于典型供电模型，在满足主变N-1校验的情况下所能提供的最大供电能力。为实现主变最大供电能力，既要求主变有足够的出线承接负荷，也要求有足够的站间联络容量实现主变N-1校验时的负荷转供，考虑下级线路转供能力充足，主变1.3的过载系数情况下，计算典型供电模型下的主变最大负载率。

6 实例应用

应用上述研究方法对某市某区进行目标接线模式和网架构建的研究。

6.1 供区划分

某区位于某市中心，是该省的政治、经济中心。根据负荷预测的结果，该区2012年的负荷达到1 019.40 MW，负荷密度都超过30 MW/km2，故把该区定位为A类供电区。

6.2 接线模式理论分析

根据《“十二五”110 kV及以下配电网规划编制技术规定》，适合该区（A类供电区）的目标接线模式有“2-1”单环网、“3-1”单环网、两供一备、三供一备、两个独立单环构成的双环网、开关站形式的双环网。

1）可靠性分析

计算的边界条件如下：

各接线模式单回10 kV线路均为N-1情况下所带最大负荷，主干长度相同并且分为3段；各接线模式在出现故障时的转供电时间相同；仅考虑故障情况，不考虑预安排停电的情况；考虑馈线组内单线故障及双线同时故障。

根据上述的计算边界条件，各接线模式的可靠性计算结果见表3。

“2-1”单环网由两回10kV电缆线路组成，开环运行的环网接线，优点为接线简单、运行方便、可满足N-1安全准则，但运行负载率较低，仅为50%。

表3 各接线模式的可靠性计算结果Tab.3Calculation results of reliability for all wiring mode

“3-1”单环网由三回10 kV电缆线路组成，开环运行的环网接线，其接线相对“2-1”单环网较为复杂，但运行可靠性更高（因既有站内联络，也有站间联络），运行负载率可达66.67%。

两供一备、三供一备分别由三回、四回10 kV电缆线路组成，开环运行的环网接线，均能够满足N-1安全准则，组网灵活，转供电简便；运行负载率较高，两供一备为66.67%，三供一备为75%。

两个独立单环构成的双环网接线满足N-1安全准则，运行负载率为50%，方便为沿线可靠性要求高的中小用户提供双电源。

对于开关站形式的双环网接线，其供电可靠性高，结构复杂，可满足N-1安全准则，运行负载率可达50%；满足N-1情况下，运行负载率可达75%。

2）经济性分析

各种接线模式的10 kV线路均取其最高负载率（N-1情况下），研究以目标年作为起始年，考虑适合该区设备的综合造价等具体情况，计算各接线模式的10 kV线路在全寿命周期内（一般为20 a）的全部费用，计算结果见表4。

表4 各接线模式的经济性计算结果Tab.4Calculation results of economy for all wiring mode

3）电气分析

利用供电网计算分析及辅助决策仿真软件，对各接线模式进行电气分析，末端电压水平和线损率的计算结果见表5。

6.3 接线模式综合评价

根据图2的研究方法，各接线模式的综合评价结果见表6。

表5 各接线模式的电气分析结果Tab.5Electrical analysis results for all wiring mode

表6 各接线模式的综合评价结果Tab.6Comprehensive evaluation results for all wiring mode

6.4 目标接线模式构建

结合该区现状年实际情况，以现状接线模式为基础，分析其向理论计算最优接线模式的过渡难易，最终得出本次研究推荐的目标接线模式，具体结果见表7。

表7 推荐的目标接线模式Tab.7Recommended target connection mode

6.5 供电可靠性目标验证

以“3-1”单环网和三供一备为目标接线模式，对该区进行规划。根据本文提出的供电可靠性的计算方法，目标年该区的供电可靠率达到99.999 5%，由此可见，本次研究推荐的目标接线模式组成的配电网的供电可靠率已超过表2的指标。

6.6 配电网网架构建

1）典型供电模型

将变电站座数与站内主变配置组合，根据该区的配电网现状及未来发展情况，选取2～4座变电站进行互联，站内采用2～3台主变，形成2×2、2×3、3×2、3×3、4×2、4×3等6种“变电站—主变”的组合模型，见表8。

表8 不同座数的变电站典型供电模型Tab.8Typical power supply model of different substations

2）主变供电能力

典型供电模型下的主变最大负载率的计算结果见表9。

表9 典型供电模型下的主变最大负载率Tab.9Maximum load rate of the main transformers in typical power supply modes

主变理论联络容量是指某一主变需要向与该主变直接互联的其他变电站主变转移的最大负荷，该联络容量取决于主变之间联络线路的容量裕度，如果能够满足该容量需求，则可实现主变的理论最大负载率。

主变理论最大负载率仅与供电模式有关，通过表9可以看出，随着站内主变台数的增加，主变的负载率不一定随之提高。对于3台主变构成的变电站，如果主变不可并列运行，且采用了单母线分段的低压侧主接线或者单母线四分段情况下没有自切连跳装置，各项参数与2台主变相同。随着互联变电站座数的增加，负载率为升高趋势，但由于1.3过载系数的限制，3×2模式与4×2模式下的负载率有所降低。在4×3模式下的主变负载率已可达到91.67%，设备利用率提升较大。

3）结论

根据该区“3-1”单环网和三供一备的目标接线模式，构建的2～4座变电站互联的供电模型能够科学指导该区的配电网的规划和建设。故规划区配电网网架构建原则可总结为：首先，确定适合规划区的10 kV线路目标接线模式；其次，确定适合规划区高压变电站的联络类型，如2座变电站互联、3座变电站互联等；最后，依据目标接线模式和高压变电站的联络类型，确定规划区的供电模型及主变的供电能力。

7 结语

本文提出的配电网接线模式和网架构建原则的方法，首先对规划区进行合理的供区划分，其次根据接线模式的可靠性计算、经济性计算和电气分析的结果，对接线模式进行综合评价，得出理论最优的接线模式；最后，根据规划区现状电网的接线模式和向理论最优供电模式过渡的难易程度，确定规划区推荐的目标网架接线模式，以此为基础，研究规划区配电网的网架构建原则。应用上述方法对某市某区进行目标接线模式研究和配电网网架构建，得出的结论科学、合理，从而能够较好地指导规划区配电网的规划和建设。

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[2]谢莹华，王成山，葛少云，等（Xie Yinghua，Wang Chengshan，Ge Shaoyun，et al）．城市配电网接线模式经济性和可靠性分析（Economy and reliability analysis of connection modes in urban distribution networks）[J]．电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2005，25（7）：12-17．

[3]谢晓文，刘洪（Xie Xiaowen，Liu Hong）．中压配电网接线模式综合比较（Integrated contrast on connection modes of mid-voltage distribution networks）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（4）：94-99．

[4]Q/CSG10703—2009，110 kV及以下配电网规划编制技术规定[S].

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[6]周涛（Zhou Tao）．基于全寿命周期的电网主设备成本分析与应用研究（Research on Cost Analysis of Main Devices and Its Application Based on Life Cycle）[D]．北京：华北电力大学电气与电子工程学院（Beijing：School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University），2012．

[7]李志勇（Li Zhiyong）．重庆地区10kV配电网网架结构模式的研究（Study on the Connection Mode of 10 kV Distribution Network in Chongqing）[D]．重庆：重庆大学电气工程学院（Chongqing：College of Electrical Engineering，Chongqing University），2005．

Method and Application of Target Connection Mode and Frame Construction for Distribution Network

MU Yong-qiang，WANG Rong-mao，WANG Chun-sheng，AI Fang-xin
（Liaoning Electric Power Company Limited，Shenyang 110006，China）

In order to achieve the targets of distribution network construction in different power supply areas and to clarify the operation and management of power distribution network，a method is developed in this paper for connection mode and network frame of distribution network.First of all，the power supply areas are divided for the planning.Secondly，reliability calculation，whole life cycle economy calculation and electrical analysis for typical connection models are conducted，which is the basis for figuring out the theoretical optimal connection mode.Finally，considering practical situation and existing connection modes of the planning area，the difficulty in achieving the optimal connection mode is evaluated and the recommended target connection mode is determined.Then，the target frame for distribution network of the planning area is constructed.The proposed method was applied in a district of a city，and has been proved reasonably and validly.

power supply area；connection mode；frame construction；reliability calculation；economy calculation；comprehensive evaluation

TM715

A

1003-8930（2014）08-0085-06

穆永强（1971—），男，硕士，高级工程师，主要从事电网规划及相关方面研究与应用。Email：myq@ln.sgcc.com.cn

2014-01-04；

2014-03-21

王荣茂（1972—），男，硕士，工程师，主要从事电网规划及相关方面的研究与应用。Email：wrmzhj@126.com

王春生（1969—），男，本科，高级工程师，主要从事电网规划及电源规划研究工作。Email：chunsheng·w@163.com