城市高压配电网典型接线的可靠性经济分析

许 可，鲜 杏，程 杰，陶 芬

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040)

城市高压配电网典型接线的可靠性经济分析

许 可，鲜 杏，程 杰，陶 芬

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430040)

主要对城市高压配电网的典型接线方式进行了可靠性经济分析。针对国内外城市高压配电网典型接线，在满足供电安全性和接线方式适应性的条件下，将可靠性指标折算为经济性指标加入到经济性规划问题中，以各接线方案的可靠性经济最优为规划目标，首先给出了配电网的综合评估体系；然后重点阐述了配电网的可靠性经济成本，给出了各接线方式可靠性、经济性、安全性和适应性的评价方法，以接线方式的单位负荷可靠性经济成本最低为规划目标，得出了推荐的城市高压配电网接线方式。该研究对于城市高压配电网规划有一定的指导意义。

高压配电网；接线方式；可靠性经济成本；故障树

0 引言

配电网接线的选择是城市配电网规划的重要内容，接线选择不仅关系到电网运行的经济性、可靠性、安全性和适应性，也直接影响城市美观和城市经济发展。我国配电网规模庞大，接线方式多样，且配电网目标接线方式不明确，弊端日益突出。因此，需要对现有配网典型接线方式进行科学评价，指导电力规划。

配电网接线方式规划的评价指标主要有可靠性、经济性、安全性和适应性等。文献[1～5] 的评价方法是将各评价指标通过层次分析法进行综合评估，但由于多个规划目标权重的选取具有主观性，因此方法存在一定的局限性[6]。文献[7]提出采用两层规划模型解决电网规划中经济性与可靠性相协调的问题，但该优化规划方法较为复杂，难以应用于城市高压配电网典型接线规划方案评价中。

本文考虑国内外城市高压配电网各典型接线方式在满足安全性和适应性的条件下，将可靠性指标折算为经济性指标加入到配电网经济性规划问题中，计算各接线方式的单位负荷可靠性经济成本，以可靠性经济最优为规划目标来确定城市高压配电网的推荐接线方式。

1 可靠性经济分析

配电网接线方式规划的评价指标主要有可靠性、经济性、安全性和适应性等。其中，可靠性指标主要反映供电系统的持续供电能力；经济性指标主要反映配电网的建设成本和运行维护成本；安全性指标主要反映配网系统在正常和故障情况下能够保证正常稳定供电的能力；适应性指标主要反映配电网与电网环境的配合能力，主要包括新能源接入的适应性、未来负荷发展的适应性等。本文将安全性和适应性作为接线方式规划的约束条件，重点进行配电网的可靠性经济分析。

配电网接线方式的可靠性经济分析[8]是在满足配网供电可靠性要求的前提条件下，将可靠性指标折算为配电网的经济成本，其核心在于配电网可靠性经济成本的计算。配电网的可靠性经济成本是指在同时满足配电网的安全性、适应性的条件下的配网经济成本，主要包括配电网的建设成本、运行成本以及配电网中断供电或切负荷带来的停电损失。因此，得到配电网的规划目标和约束条件为：

minER=CC+CR+LO

(1)

(2)

式(1)中：ER，CC，CR，LO分别表示配电网的单位负荷可靠性经济成本、单位负荷建设成本、单位负荷运行成本和单位负荷停电损失；式(2)中：Si表示接线方式i的安全裕度系数。

2 基于故障树法的接线可靠性分析

2.1 配电网可靠性指标

文献[9]提出了很多配电网可靠性评价指标，本文结合高压配电网接线方式研究这一目标，从中选取的主要可靠性评价指标有用户平均停电持续时间(TAIHC)、供电可靠率(QRS)、用户平均停电次数(KAITC)、系统停电等效小时数(HSIEH)等[10]。其中，TAIHC和QRS线性相关，反映系统供电的可用度；KAITC反映接线方式的复杂程度和是否具有转供能力；HSIEH反映的是配电系统容量和损失负荷的关系。各指标计算式为：

(3)

式中:m为配电网的负荷点数目；Ni为负荷点i的用户数；μi为负荷点i的年平均停电持续时间；λi为负荷点i的等效故障率；Si为负荷点i的停电容量；SN为系统总容量。

2.2 故障树分析法

故障树分析是以系统最不希望发生的事件(顶事件)作为分析目标，应用逻辑演绎的方法研究分析造成顶事件发生的各种直接和间接原因，并用逻辑门将各个可能事件相联系，建立起一棵倒立的树状图形,然后应用概率统计方法定量分析，由基本事件的发生概率计算顶事件的发生概率。

对于城市高压配电网接线方式的可靠性分析，可构造故障树分析步骤如图1所示[11]。

图1 故障树可靠性分析步骤示意图

2.3 停电损失

配电网的停电损失主要是由于故障停电对电网和用户造成的经济损失，主要包括停电直接损失、社会影响损失等。配电网不同接线方式的单位负荷停电损失LO计算式为[12]

(4)

式中：Ri为节点i每kW负荷的平均停电持续时间对应的停电损失费用，不同的负荷类型Ri取值不同；Pi为节点i在统计期内的平均负荷；γT为变压器负载率；cosφ为线路的功率因数。

同样的停电时间对于不同的负荷类型，造成的停电损失一般不同。本文选取了三类典型负荷：居民用电(Residential)、工业用电(Industrial)和商业用电(Commercial)。拟合这三类典型负荷离散的停电持续时间与停电损失统计数据[13]曲线，如图2所示。

图2 停电持续时间和停电损失关系拟合曲线图

根据图2得到不同负荷类型停电持续时间与停电损失的函数关系为

(5)

式中：RRe，RIn和RCo分别表示居民用电、工业用电和商业用电的单位kW停电损失；t为停电持续时间，可在可靠性指标TAIHC计算的过程中获得。根据式(4)则可以计算各典型接线方式不同停电时间不同负荷类型的停电损失。

3 配网建设运行经济性分析

配电网的经济性分析主要包括建设经济性分析和运行经济性分析。其中，配电网的建设经济性主要从资金投入、成本回收年限和设备残余价值等角度进行分析；配电网的运行经济性主要是从运行维护成本、网损率和设备利用率角度进行分析。由于设备使用年限一般不同，需要进行折算才能计算总经济成本，故基本的计算方法采用等年值法。

3.1 建设成本

配电网的建设成本主要包括输电线路、变压器、开关等元件设备。总投资资金Z计算式为

(6)

式中：ZT为变压器投资费用；ZS为开关投资费用；ZL为线路总投资费用。

得到总投资资金的等年值为

(7)

式中：CZn为投资费用的等年值；k为电力工业贴现率；n为设备经济运行年限。其中，对于不同使用年限的设备需要分别进行等年值折算。

设备残余值通常由系统初始设备成本乘以设备净残值率得到，其计算式为

(8)

式中：ZRem为工程寿命期末的残值；γRem为设备净残值率。

设备残余值发生在工程寿命期末，也将其折算为等年值进行计算。将设备残余值折算为等年值为

(9)

因此，得到接线方式单位负荷的建设成本为

(10)

3.2 运行成本

配电网的运行成本主要包括设备运行维护成本、变压器损耗和线路损耗等。运行成本ZR由下式计算

(11)

式中：ZM为变电站和线路的运行维护成本；Zloss为变压器损耗和线路损耗的运行成本。

针对不同高压配电网接线方式，运行维护成本与网络结构、具体维护条件有关，难以做到准确的量化，工程上通常以投资的一定比例给出，即

(12)

式中：λ1为运行维护成本ZM占变电站和开关投资费用的比例系数;λ2为运行维护成本占线路投资费用的比例系数。

损耗造成的成本可按下式计算

(13)

式中：α为电能电价；ΔAL和ΔAT分别为线路和变压器的全年电能损失值，可以参考文献[7]计算获得。

因此，得到接线方式单位负荷的运行成本为

(14)

联立式(1)、式(4)、式(10)和式(14)则可以计算出高压配电网各典型接线方式的单位负荷可靠经济成本。

4 配电网接线方式的约束条件分析

4.1 配电网接线方式的安全性约束

线路“N-1”校验是评估配电网供电安全性的重要指标[14]，文献[9]明确强调在配电网规划过程中线路“N-1”校验的通过率必须为100%。不同接线方式发生线路“N-1”故障后，线路的最大负载功率的大小决定了各接线方式能否实现安全转供。为了量化各种接线方式的安全裕度，本文基于线路“N-1”单一故障的后果分析，同时考虑其它偶然事故的综合影响，提出反映配电网接线方式安全性的安全裕度系数指标，其表达式为

(15)

式中：Si为接线方式i的安全裕度系数；Ωi为配电网接线方式i的线路事故集；γl为线路l的故障概率影响因子，本文取为线路的故障率；Pl，Pl,“N-1”和Sl,lim分别表示第l条线路正常运行情形下的负载功率、“N-1”情形下的负载功率和线路最大负载功率。

若Si为-1则表示接线方式i的“N-1”通过率达不到100%，不满足安全性基本约束；若Si≥0则表示接线方式i的“N-1”校验通过率为100%，满足安全性约束要求。Si的值越大，表明该接线的转供容量裕度越足，该接线方式安全性指标越好。

4.2 配电网接线方式的适应性约束

本文主要从配电网的运行难易程度和可扩展性两方面评价各接线方式是否满足适应性要求。

配电网转移供电可用通道数是指配电网单一故障情形下，可通过其它母线或变电站进行负荷转移的可行方案数，用TD表示。例如对于单环网接线，故障时只能通过常开联络开关恢复负荷供电，TD=1。可以用可用通道数TD来衡量配电网的运行难易程度，TD越大则运行越容易，TD=1为最低标准，一般要求TD≥2。

配电网接线方式的过渡能力是指配电网在长期规划过程中，根据不同运行期的要求接线方式的过渡和网架结构的扩展能力，用G表示，例如单环网接线在可靠性要求提高时可扩展为双环网接线。可以用接线的过渡能力来评价配网的可扩展性能。

接线方式的适应性约束要求TD≥2且接线方式有一定的过渡能力，适应度等级评价方法如表1所示，最低适应度等级要求为中等。

表1 接线方式适应度等级评价方法

5 城市高压配电网推荐接线方式

5.1 高压配电网典型接线方式

文献[15]对配电网的典型供电区域依据负荷密度进行了详细划分，按照国家电网A+、A、B、C、D类供电区域的划分(供电重要性和可靠性需求依次降低)，针对A+、A类供电区域的高压配电网，主要为3T型接线和双链式接线两种接线方式；针对B类供电区域的高压配电网，主要为双环网接线、双辐射接线、单链式接线和3T型接线4种接线方式；针对C类供电区域的高压配电网，主要为双环网、单环网和双辐射接线三种接线方式；针对D类供电区域的高压配电网，主要为单环网和单辐射接线两种接线方式，如图3～图8所示。

图3 3T型接线示意图

图4 双链式接线示意图

图5 单链式接线示意图

图6 单电源双环网接线示意

图7 双辐射接线

图8 单电源单环网接线示意图

5.2 结果分析

(1)经济性结果分析

根据各种接线方式经济性指标计算结果，可以得到各类供电区域下各种高压配电网接线方式在不同供电架构模型和电源容量下，经济性指标随负荷密度的变化曲线如图9～图12所示。

图9 A、A+类高压配电网不同接线方式单位负荷综合费用

图10 B类高压配电网不同接线方式下单位负荷综合费用

图11 C类高压配电网不同接线方式下单位负荷综合费用

图12 D类高压配电网不同接线方式下单位负荷综合费用

在电源容量、负荷密度一定的情况下，各种接线方式经济性的优劣有以下特点：双链>3T(A、A+类)，双辐射>单链式、双环网>3T(B类)，单环网、双辐射>双环网(C类)，单辐射>单环网(D类)；在双电源供电情况下，双链式接线经济性最好，同时对不同电源分布情况适应性很强；在单电源供电情况下，双辐射和单环网接线的经济性较好；各接线方式的经济性，随着负荷密度的增大而提高，负荷密度越高，线路长度越短，线路投资及运行费用越少；经济性与电源容量无必然联系。

(2)可靠性结果分析

各种高压配电网接线方式在不同供电架构模型和电源容量下，可靠性指标随负荷密度的变化曲线如图13～图16所示。

图13 A、A+类高压配电网不同接线方式下可靠性指标

图14 B类高压配电网不同接线方式下可靠性指标

图15 C类高压配电网不同接线方式下可靠性指标

图16 D类高压配电网不同接线方式下可靠性指标

对于各供电区域类型下的各种接线方式的可靠性：在电源容量、负荷密度一定的情况下，各种接线方式安全性的优劣有以下特点：双链>单链>3T(双电源)，双环网=双辐射>单环网>单辐射(单电源)；在双电源供电情况下，双链式接线可靠性最高，同时对不同电源分布情况适应性很强；在单电源供电情况下，单环网接线的可靠性差于双环网和双辐射接线，对不同电源分布情况适应性较强，当负荷密度较低时宜采用较小容量的电源供电，当C类供电区域负荷密度≤2 MW/km2时，不宜采用单环网接线；单辐射接线没有转移负荷能力，故障之后只能等到修复之后才能恢复供电，可靠性最低，只适用于对供电要求很低的供电区域，且D类供电区域负荷密度≤0.3 MW/km2时，不宜采用单辐射接线；各接线方式的可靠性，随着负荷密度的增大而上升，因为负荷密度越高，则线路长度越短，发生线路故障概率则越低；电源容量越大，接线方式的可靠性越低，因为电源容量较大时线路长度较长，发生线路故障概率则较高。

6 结论

本文考虑配电网的典型接线方式在满足可靠性、安全性和适应性的约束条件下，将配电网的可靠性指标以停电损失的形式折算为经济性指标加入到经济性规划中，以单位负荷可靠性经济成本最低来确定城市高压配电网的推荐接线方式。

(1)对于供电可靠性和安全性要求较高的供电区域，包括A+、A和B类供电区，以供电安全可靠性为首要目标，推荐采用双链式接线。

(2)单链式或不完全链式接线，建议可作为负荷未饱和情况下的过渡接线方式。

(3)对于需要兼顾供电安全可靠性和经济性的供电区域，包括C类和D类供电区域，推荐以环网接线为主的接线方式。D类供电区域对供电可靠性和安全性要求较低，接线方式选择主要考虑经济性，接线方式可以考虑单环网接线；若安全性和可靠性要求提高，则可在单环网基础上改造形成双辐射接线。若供电区域对供电安全性和可靠性要求进一步提高，如C类供电地区，则推荐双环网接线。

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Reliability-economic Analysis of Typical Connection Modes of Urban High-voltage Distribution Network

Xu Ke,Xian Xing,Cheng Jie, Tao Fen

(Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430040,China)

This paper, focusing on the reliability and economic analysis of typical connection modes of urban high-voltage distribution network, translates the reliability index into economic indicators and aims to find the optimal schemes for various connection modes for domestic and international urban high-voltage distribution network. First, a comprehensive evaluation system of high-voltage distribution network was provided. Then the reliability-economic cost of the distribution network was highlighted and the reliability, economy, security, and adaptability evaluation methods of typical connection modes analyzed. Finaly, with the lowest reliability-economic cost as the planning objective, connection modes of urban high-voltage distribution network were recommended. The study has some significance for high-voltage distribution network planning.

high-voltage distribution network; connection mode; reliability-economic cost; fault tree

2015-05-04。

许可(1984-)，男，博士研究生，研究方向为电力系统规划、配电网运行及优化分析，E-mail:hust1125@ 126.com。

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.003