基于N-1准则的中压配电线转供能力实用测算分析

朱雪飞，周长城，杨建华，黄磊，张杰超，王志勇

(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市 100083；2.国网北京市电力公司，北京市 100031)



基于N-1准则的中压配电线转供能力实用测算分析

朱雪飞1，周长城1，杨建华1，黄磊2，张杰超2，王志勇2

(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市 100083；2.国网北京市电力公司，北京市 100031)

为了确定配电网中压馈线之间的负荷转供情况，结合线路的最大负荷电流、允许载流量和多种约束条件，提出了基于“N-1”准则的负荷转供实用测算和分析方法。在了解馈线联络情况的基础上，确定由单馈线或多馈线承担负荷转供的可能性；在满足多种约束条件下，计算、分析并获得馈线首端故障后的转供负荷容量和多种转供方案。通过对变电站各回馈线转供数据进行汇总，可以得出变电站不同故障情况下的负荷损失率。经过实际配电网转供的工程应用，验证了测算分析方法的实用性和有效性。

配电网；中压；N-1准则；负荷转供；对端载流量；负荷损失率

0 引 言

目前，中压配电网多采用闭环结构，但单电源辐射网具有继电保护配置简单和短路电流小等优点，所以中压配电网一般以开环方式运行。为了提高配电网供电可靠性、消除线路过载、均衡负荷和降低网损，配电网中通常安装有一定量的联络开关和分段开关。基于“N-1”准则的中压配电线路负荷转供是指在满足配电网开环方式运行、电压幅值和载流量等基本要求的前提下，通过联络开关和分段开关的操作与不同组合，改变供电路径，将故障或检修范围内、以及重载区域内的线路负荷转带至其余配电线路[1]，从而达到降低故障或检修带来的失电损失和减少过载配电线路的目的，提高配电网运行的可靠性与经济性。

以前的研究工作关注更多的是输电网中的“N1”安全准则校验[2-3]，但用户停电的主要原因通常是配电网故障，因此，更需要对配电网的“N-1”准则应用进行深入研究，这对评估配电网性能水平[4]、优化配电网结构、设计配电网规划与改造方案、配电网运行调度等都具有一定的现实意义。目前，配电网负荷转供比较常用的办法是找出故障或检修馈线的联络线路，直接利用其备用容量进行代数计算，如果备用容量大于负荷转供所需承担容量，则认为该馈线满足要求[5-6]。这种方法虽然直接快速，但没有考虑转供后对端主变压器负载率、线路末端电压要求以及其它约束条件。此外，文献[7]以馈线偶为单位，计算最佳馈线偶的转移负荷，实现配电网负荷均衡化的目的；文献[8]充分计及高中压配电网的网架结构对负荷转供的支持作用，探讨了在配电线路和主变压器N-1校验下的负荷转供情况；文献[9]基于自适应免疫算法的转供最优方案的快速判断方法；文献[10]结合一个镇的实际10 kV配电网接线方式，总结了配电网接线方式和转供能力的关系；文献[11]将电容器配置和负荷转供相结合，以便提高配电网的负载能力。这些文献尚缺乏在全面考虑降压变电站主变压器、中压馈线约束条件和转供负荷损失率的情况下，应用“N-1”安全准则对中压配电网负荷转供的详尽分析。

本文基于配电网“N-1”安全准则的基本定义，通过转供情况的分类，分析转供容量确定的多种影响因素和约束条件，在满足转供容量要求的基础上提出中压配电线路故障或检修后的各种可行转供方案；通过计算变电站变压器、母线和全站故障或检修停运情况下的负荷损失率，直观体现变电站的供电可靠性。通过实际配电网的工程应用，验证所提出的负荷转供测算方法的实用性和有效性。

1 负荷转供的基本思路

中压配电网通常采用分段开关和联络开关将馈线多分段和适度联络，实现环网结构、开环运行，分段水平与联络数量应根据配电变压器数量多少与安装位置、供电用户性质、架空线路长短和周边环境等因素确定，并且线路分段处的位置应随配电网络的变化以及负荷的切改情况而进行对应的调整[12]。当其中一回馈线首端故障或检修时，应用“N-1”准则，通过联络开关及分段开关的重新组合，可以将这回馈线上的负荷全部转移到邻近的线路上。这里的负荷在实际工程计算时通常以最大负荷来考虑。为此，被测算馈线正常运行时的最大负载不应超过邻近段线路的预留备用容量，即

ILoc_Max≤IAdj_Lim-IAdj_Max

(1)

式中：ILoc_Max表示被测算馈线正常运行时的最大负荷电流，A；IAdj_Lim为邻近段线路安全电流限值的导线允许载流量，A；IAdj_Max为邻近段线路的最大负荷电流，A。

此外，确定负荷转供方案还需考虑几个方面：

(1)如果单辐射线路无联络开关，则该线路无法实现“N-1”准则的负荷转供。

(2)被测算馈线满足“N-1”准则的完全负荷转供只需一回转供对端线路或一个联络开关。

对于这种情况，先统计与被测算馈线有联络关系的线路；然后分别计算这些线路的备用电流裕度，如果其邻近段某一回联络线路所提供电流裕度大于被测算馈线最大电流，即满足式(1)，则被测算馈线可以实现“N-1”准则的完全负荷转供；否则，无法实现“N-1”准则的完全负荷转供。

例如，一个实际工程的10 kV配电线路相互联络的主要部分如图1所示，A站有三回10 kV出线，分别是4号母线连接的211路、5号母线连接的222路和223路，各路馈线的允许载流量和负荷电流如表1和表2所示。

图1 A站、B站10 kV馈线的联络关系

A

表2 部分支路的最大负荷电流

如图1所示，被测算馈线为A站211路，与其有联络关系的线路包括A站222路、A站223路和B站213路，由表1可知，它们的预留备用容量分别为110，190和72 A。由式(1)可见，只有A站223路可以实现A站211路的“N-1”准则的完全负荷转供，即A站211路的全部负荷可以经联络开关2026或2027由A站223路实现转供。

(3)通过一回转供对端线路实现被测算馈线的部分负荷转供。

例如，如图1所示，当被测算馈线为A站222路时，由表1可知，邻近段线路A站211路的负荷备用裕度为120 A，小于A站222路的最大负荷电流190 A，所以无法通过A站211路实现A站222路的完全负荷转供。但如图1所示，可以通过断开A站222路的一个分段开关1220，将222路的剩余部分负荷经联络开关2025由211路转供，这时222路开关1220后的负荷不得不停运，转供负荷的比例为 (190-75)/190×100%=60.5%，如表3的转供方案1所示，即存在39.5%的负荷损失率。

表3 A站222路的转供方案

Table 3 Load transfer schemes of line 222 in substation

A

在实际工程中，有些用户可以满足需求侧管理和控制，因此，也可以根据邻近段线路的负荷备用裕度，直接按需调控被测算馈线的部分用户负荷减少量，然后进行被测算馈线剩余负荷的转供。

(4)先将被测算馈线的一回邻近段线路的部分负荷转供至其他线路，以增大该邻近段线路的备用裕度，然后实现被测算馈线的完全负荷转供。这个过程需要几回线路的多个联络开关和分段开关的重新开闭或关断组合。

例如，如图1所示，同样对于被测算馈线A站222路，其邻近段线路为A站211路，由表3的转供方案1所示，直接借助A站211路仅能转供A站222路的部分负荷。但通过断开分段开关1225、闭合联络开关2027，可以将A站211路的部分负荷转供到A站223路，然后就可以通过闭合联络开关2025由A站211路承担A站222路的全部转供负荷，如表3的转供方案2所示。类似地，也可以先将邻近段线路的部分负荷转供到直接与其相连的二回以上线路，即以“并联”传递形式分流负荷，见表3的转供方案3；或者可以先将邻近段线路的部分负荷转供到直接与其相连的一回线路(可以认为是第一级分流线路)，根据需要可以再将第一级分流线路转供到直接与之相连的另一回线路(可以认为是第二级分流线路)，……，即以这种“串联”传递形式多级分流负荷，见表3的转供方案4。

(5)在进行邻近段几回线路的多个联络开关和分段开关的重新开闭或关断组合后，完成被测算馈线的完全负荷转供。

有时，根据网架结构，一回被测算馈线可以直接有2个及以上的联络开关与有多回邻近段线路相连，这样可以将被测算馈线的负荷同时向多回邻近段联络线路转供。在检验计算时，可以先选择其中几回电流裕度较大的线路进行裕度叠加校验，要求这几回邻近段联络线路的电流裕度之和必须大于被测算馈线的最大负荷电流。

例如，如图1所示，当被测算馈线为B站213路时，该回线路直接连接有2个联络开关2167和2168，将这2个联络开关闭合，并同时断开B站213路的分段开关1028，则可以实现B站213路全部负荷的转供。

(6)负荷转供后降压变电站主变压器不过载或短时过载率符合要求。

例如，在表3的转供方案1中，需要校验A站4号母线所连接的主变压器的负载率；在转供方案3中，需要分别校验A站4号母线和B站4号母线所连接的主变压器的负载率。

(7)转供后线路电压在允许的范围内，10 kV线路各节点的电压偏移应不超过±7%[13]。

通过潮流计算可以获得各节点电压的幅值。在负荷转供后馈线总长度会增加很多，较长的线路可能会导致转供后线路末端电压过低，无法满足用户侧的电能质量要求。在转供后线路末端电压低于9.3 kV时，可以采用串联电压调节器[14]，它能够对末端电压在较大范围内进行调节，从而满足电压质量要求。

(8)在统计一个变电站的负荷损失率时，如果考虑一台主变压器故障或检修的情况，联络线路不能选择与被测算馈线是同一台主变压器出线的馈线；如果考虑母线故障或检修的情况，联络线路不能选择与被测算馈线共用一条母线的馈线；如果考虑一个变电站全站停电故障的情况，联络线路不能选择与被测算馈线是一个变电站出线的馈线。

综合考虑一个变电站的负荷损失率时，可以有3个定义加以描述：(1)主变压器故障或检修负荷损失率，其定义为该主变压器故障或检修时未能转供馈线数除以该主变压器所带总馈线数；(2)母线故障或检修负荷损失率，其定义为该母线故障或检修时未能转供馈线数除以该母线所带总馈线数；(3)变电站全停负荷损失率，其定义为该变电站全停时未能转供馈线数除以该变电站所带总馈线数。

2 转供方案的确定

2.1 转供遵循的基本原则

在选择可行的负荷转供方案时，虽然实际的配电网接线形式比较复杂，但负荷转供应总体遵循以下基本原则：

(1)应尽量实现被测算馈线的完全负荷转供，即转供负荷的比例接近或达到100%。

由于较少的负荷切除可以尽量减少由于故障或检修带来的经济损失，所以转供负荷损失率为0是最重要的转供目标。对于可以按需调控的用户负荷，可以根据邻近段联络线路的备用电流裕度确定减少转供负荷的大小。

(2)互导互带的开关操作次数最少。

当操作联络开关和分段开关次数过多时，不仅不便于电力公司运行人员操作，扩大操作失误的概率，用户供电的恢复时间也可能无法满足要求，而且还会使得中压配电网的结构变化过大，在故障消除或检修结束后，给配电网恢复至原运行方式增加更多的难度。

(3)在负荷转供后每回馈线的负荷尽量均衡，站内各台主变压器的负载率尽量均衡。

(4)转供后配电线路各节点的电压质量满足要求。

(5)转供后配电网有功功率损耗或网损率尽量小，实现经济运行。

2.2 转供的约束条件

为确定中压配电网的各回被测算馈线的转供容量大小，需要考虑多个约束条件。

当被测算馈线负荷较少，与其他邻近段线路联络关系比较简单清晰时，可以只选择一回转供对端线路来完成被测算馈线的完全负荷转供。

当被测算馈线负荷较重或邻近段联络线路的容量裕度较小，需要多回对端线路来完成转供时，对端线路容量裕度多的馈线可以多承担负荷，对端裕度小的馈线可以少承担负荷，但是需要同时结合线路具体的联络开关和分段开关连接情况，确定每一个对端馈线承担负荷的比例。

(1)转供对端线路的负荷和备用裕度约束。

假设有n回对端线路承担被测算馈线的负荷转供，则需要满足的负荷约束条件为

(2)

式中：Ineed为被测算馈线需要转供出去的总负荷电流，A；Ii为第i回转供对端线路所承担的转供负荷电流，A；IiLim为第i回转供对端线路安全电流限值的导线允许载流量，A；IiMax为第i回转供对端馈线的最大负荷电流，A。

(2)转供对端线路的节点电压约束。

对于10 kV线路，需要满足的节点电压要求为

UkMin≤Uk≤UkMax

(3)

式中：Uk为转供后第k节点的电压计算值， kV；UkMax、UkMin分别为第k节点的电压上、下限值， kV。通过潮流计算可以获得各节点电压大小，根据国家标准[13]，可以取UkMax=10.7 kV，UkMin=9.3 kV。

(3)互导互带的开关操作次数约束。

随着经济及科技发展，我国器官移植数量位居世界第二，仅次于美国，移植技术及移植受者术后存活率已达到国际水平，但是器官捐献数量、公众器官捐献意识远远落后于发达国家[1]。每天都会有许多患者在等待器官的过程中死亡，又有许多健康的器官随死亡者被焚烧，造成了巨大的浪费。因此，如何能使这部分器官得以有效利用，增强公众捐献器官的意愿，成为研究的热点。患者在医院救治过程中，接触最多的医务工作者是临床护士，了解护士对器官捐献的态度及其影响因素，能为探索护士说服临终患者家属捐献临终者器官的措施，缓解器官短缺现状提供理论依据。

在选择转供负荷方案时，应该尽量操作联络开关和分段开关的次数最少：

(4)

式中：OSum为实现转供方案所需的联络开关和分段开关的操作总次数；Oi为第i回转供对端线路所需的开关操作次数。

(4)馈线负荷均衡约束。

负荷转供后中压馈线负荷均衡的约束条件为

(5)

式中：DLine为转供后馈线负载率的标准差；TiLine为转供后第i回转供对端馈线的负载率，%；TavLine为转供后该馈线所属降压变电站主变压器出线负载率的平均值，%。

(5)主变压器负载率约束。

为了安全可靠运行，在负荷转供后，对端馈线所属主变压器的负载率不能超过允许值。假设一个降压变电站内共有m台主变压器，则其应该满足的约束条件为

(6)

式中：Tj为第j台主变压器的负载率，%；TTr_max为变电站各台主变压器负载率的上限允许值，%。

按照国家电网公司和北京市电力公司的相关标准[12]，110～35 kV降压变电站最终规模应配置2～4台主变压器，当一台主变压器故障或检修停运时，其他正常运行的主变压器承担变电站全部或部分负荷，此时正常运行的主变压器一般不应过载；如果主变压器需要过载，短时允许的过载率不应超过1.3，过载时间不超过2 h，并且在规定时间内必须将停运的变压器恢复正常运行。因此，2台及以上主变压器运行的变电站，其各台变压器上限允许值TTr_max可以取为100%(不考虑过载)或130%(考虑短时过载率1.3)。

(6)主变压器负载率均衡约束。

满足转供后降压变电站内各台主变压器负载率均衡的约束条件为

(7)

式中：DTr为转供后变电站内主变压器负载率的标准差；TjTr为转供后第j台主变压器的负载率；TavTr为转供后站内主变压器负载率的平均值。

(7)转供负荷切除量约束。

满足转供负荷切除量最少的约束条件为

minLCut=∑(wkIkCut)

(8)

式中：LCut为转供负荷电流的可能切除量，A；wk为第k节点处被切负荷的权重系数，0≤wk≤1；IkCut为第k节点处的负荷电流大小，A。

由于用户负荷种类的不同，所以其重要程度和供电可靠性也不同。此外，对于可以实现需求侧管理和控制要求的用户，按需调控用户负荷更方便、简易。因此，可以根据配电网实际情况确定wk的取值范围。

(8)经济运行约束。

满足转供负荷有功功率损耗最小的约束条件为

(9)

式中：ΔPΣ为转供负荷的有功功率损耗近似值，W；Ri为第i回转供对端馈线从联络开关到变电站10 kV母线之间支路的电阻，Ω。

约束条件1、2和5都可以通过具体计算来校验、分析，而约束条件3、4、6、7和8都是求最小值，所以可以通过下式把这5个约束条件形成归一化目标函数综合考虑：

minC=λ1OSum+λ2DLine+λ3DTr+λ4LCut+λ5ΔPΣ

(10)

式中：λ1、λ2、λ3、λ4和λ5分别为各项的权重系数，取值范围均为0～1，各权重系数的大小与各项在目标函数中的重要性、选择转供方案时考虑问题的侧重点和配电网的结构等因素有关。取λi=0，则意味着在转供分析中可以不考虑对应的约束条件。通过模拟退火免疫等优化算法[15]，可以确定出合理的配电网转供方案。

3 算例分析

假设C站、D站均各有2台主变压器，10 kV侧均为单母线分段接线方式；C站10 kV的4号母线有3路出线，分别为215路、216路和217路；5号母线有3路出线，分别为235路、236路和237路；D站10 kV 4号母线的其中一回出线是218路；C、D变电站和10 kV馈线联络的主要部分如图2所示，部分基本数据如表4所示。

图2 C站、D站10 kV馈线的联络关系

C站217路和237路两回线路分别接在同站的4号和5号母线，通过联络开关2336形成转供互补的关系。由于这两回线路的型号相同，所以最大允许载流量相同，只需计算两回线路的最大负荷电流之和即可，一旦其和小于线路的最大允许载流量，即可实现线路的完全转供。但同时要注意转供后线路的末端电压、C站主变压器的负载率是否满足要求。类似的，C站216路和236路通过开闭站也可以互相转供。各回线路转供情况的综合分析如表4和表5所示。

当C站215路通过联络开关2368向对端D站218路完全负荷转供时，会导致D站218路所连接的变电站主变压器负载率之和大于130%，使得变压器过载运行，如表5中C站215路的转供方案1所示。为了在C站215路故障或检修时不损失负荷，可以将C站215路按照C站235路和D站218路2个转供对端来实现“N-1”准则的完全负荷转供，如表5中C站215路的转供方案2所示。

在C站236路负荷全部向C站216路转供后，对端站内主变压器负载率之和接近100%，站内主变压器负载率标准差最小，如表5[1]所示，此种转供方案较为合理。

表4 10 kV线路、C站和D站的基本信息

Table 4 Basic information of 10 kV lines, substation C and D

表5 C站出线转供分析

注(1)表中各转供方案的电压质量均满足要求，未进行经济运行约束的分析；(2)进行开闭站内的开关操作。

对C站的各回馈线的转供能力分析后，可以对C站的各个负荷损失率指标进行计算。计算后可得C站主变压器故障或检修负荷损失率为0，4号、5号母线故障或检修负荷损失率均为0，变电站全停负荷损失率为85.71%。C站全停时，215路、217路、237路、216路和236路的负荷均无法转供至其余变电站。可见，C站线路的转供多为站内不同母线及主变压器之间的转供，与其余变电站之间的联络较差。为了改善C站所带负荷的可靠性，应增加C站中压馈线与其余变电站联络线的改造建设工作。

4 结 论

本文在配电网“N-1”安全准则定义的基础上，提出了中压配电网馈线负荷转供能力测算的基本思路，分析了转供容量和方案确定所需考虑的多种影响因素和8种可选的约束条件。通过对变电站变压器、中压母线和全站故障或检修停运情况下的负荷损失率加以总结，更直观地表现出变电站的供电可靠性。测算分析方法已经在实际区、县的配电网规划中得到应用，工程应用也验证了该测算方法的实用性和有效性。

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(编辑：刘文莹)

Practical Calculation and Analysis of Load Transfer Ability of Medium Voltage Distribution Lines Based onN-1 Security Criterion

ZHU Xuefei1, ZHOU Changcheng1, YANG Jianhua1, HUANG Lei2, ZHANG Jiechao2, WANG Zhiyong2

(1.College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2.State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

To determine the load transfer between medium voltage feeders in distribution network, combining with the maximum load current and allowable peer ampacity of the lines and some constraints, a practical method is proposed to calculate and analyze the load transfer based onN-1 security criterion.On the basis of understanding the basic connection relation between the feeders, the possibility of the load transfer is determined, which might be supported by a single feeder or multiple feeders.The transfer capacity and the transfer solution schemes to meet the constraints could be calculated, analyzed and obtained when a feeder starting terminal was in failure.The load loss rate under different fault conditions of one single substation could be obtained by summarizing all the transfer information of the lines from the substation.The practicability and the effectiveness of the method have been verified through the practical engineering application in a real distribution network.

distribution network; medium voltage;N-1 security criterion; load transfer; peer ampacity; load loss rate

TM 715

A

1000-7229(2015)08-0095-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.016

2015-05-16

2015-07-10

朱雪飞(1992)，男，硕士研究生，研究方向为配电网规划与可靠性分析；

周长城(1993)，男，硕士研究生，研究方向为配电网规划与分布式电源技术；

杨建华(1963)，男，教授，本文通信作者，主要研究方向为电力系统规划与仿真、新能源发电技术、智能微电网等;

黄磊(1974)，男，高级工程师，研究方向为配电网规划、运行与自动化技术；

张杰超(1981)，男，工程师，研究方向为配电网规划与营销；

王志勇(1979)，男，高级工程师，研究方向为配电网自动化技术。