新加坡电网高可靠性供电方案分析

2015-06-21黄河田浩解进军黄俊辉程林谈建李琥

电力建设 2015年11期

黄河，田浩，解进军，黄俊辉，程林，谈建，李琥

(1.国网江苏省电力公司，南京市210024；2.电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市100084；3.北方工业大学，北京市100041；4.国网江苏省电力公司经济技术研究院，南京市210024)

新加坡电网高可靠性供电方案分析

黄河1，田浩2，解进军3，黄俊辉4，程林2，谈建4，李琥4

随着我国经济社会的快速发展和生活水平的提高，用户对供电可靠性需求不断攀升。相比新加坡等先进国家的电网，我国电网的供电可靠性水平相对落后，不少研究学者希望按照新加坡“梅花”状网架结构打造“世界一流电网”。目前对新加坡电网的研究主要集中在“梅花”状网架结构和合环运行上，也有论文对其自动化水平、管理水平等因素开展研究，但对新加坡电网的研究比较零散，缺乏全面系统的剖析，该文围绕高可靠性供电，从一次网架结构与二次系统配合、全电压等级协同合环运行、技术要素与管理要素相结合等3个方面深入剖析新加坡电网高可靠性供电方案，为提升我国电网规划、运行和管理提供科学参考和借鉴依据。

新加坡电网；可靠性；网架结构；全电压等级；合环运行；配电自动化

0 引言

电力系统可靠性，是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应电力和电能能力的度量[1]，供电可靠性同时也是衡量电力系统供电水平的重要指标。目前，供电可靠性较高的城市有新加坡、巴黎、东京等地区，以新加坡电网最为典型，新加坡2013年的平均供电可用率指标(average service availability index，ASAI)为99.999 86%，系统平均停电持续时间指标(system average interruption duration index，SAIDI)为0.74 min/(户·a)。相比之下，我国城市电网供电可靠性差距较为明显，2013年我国城市(市中心＋市区＋城镇)系统平均供电可用率为99.9582%，系统平均停电持续时间为3.66 h/(户·a)，系统平均停电持续时间指标比新加坡电网长3.648 h/(户·a)。

因此，国内外有专家学者纷纷对新加坡电网从网架结构、运行方式、自动化水平、管理手段等各个角度展开了相关研究。

(1)在一次网架结构方面:文献[2-5]介绍了新加坡各电压等级网架结构，认为新加坡22 kV“梅花瓣”[6]状网架结构、合环运行方式是其电网高可靠性的基础，并按照该网架结构进行我国城市配电网的规划、设计。

(2)在二次配电自动化方面:新加坡于1988年投入使用数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统[7]；近年来新加坡电网已经形成了具备自愈功能的成熟配网自动化系统[8-9]，实现了配电站的集中监控，配电站通过远程终端控制单位(remote terminal unit，RTU)采集传输三遥信息上送主站，能够实时监视配电网线路的潮流、开关位置、保护动作和各类设备报警信号等，并对断路器进行远方遥控。

(3)在电网管理方面:文献[10-12]介绍了新加坡电网的电力改革，促进发电与供电市场竞争，为新加坡电网的健康发展提供了温床；文献[13]介绍了新加坡电网在规划、建设、运行、资产管理等方面，都取得了显著的成就，为高可靠性电网的建设提供了有力保障；文献[14]介绍了以状态监测和状态检修为核心的设备管理策略，既提高了电网运行的可靠性，同时又能够带来可观的经济效益[15]。

然而，目前对新加坡电网都是从一次网架结构、二次自动化和电网管理等不同角度开展的研究，还没有文献综合以上几种因素，系统、全面地对新加坡电网进行剖析。因此，论文将从一次网架结构与二次自动化配合、全电压等级协同合环运行、技术要素与管理要素相结合等3个方面深入介绍新加坡电网供电方案，剖析新加坡电网高可靠性运行的原因，为提升我国电网规划、运行和管理提供科学参考和借鉴依据。

1 新加坡电网一次网架结构与二次系统的配合

新加坡电网坚强、可靠的网架结构是其高可靠性供电的基础，辅以配电自动化技术可以使故障定位、隔离及非故障段恢复供电时间缩短至秒级，从而进一步提高供电可靠性，达到高可靠性供电的目标。

目前新加坡已经形成了66 kV及以上电压等级电网“网状”连接，22 kV配电网“梅花”状网架结构，各电压等级实现N-1设计、重要用户实现N-2设计的网架结构；新加坡电网实现一、二次设备同步建设，目前已经全面实现了配网自动化系统。

1.1 一次网架结构

新加坡目前电压等级分为400 kV、230 kV、66 kV、22 kV、6.6 kV和400/230 V等，其中66 kV及以上为输电网，22 kV及以下为配电网。各电压等级线路全部采用地下电缆，全户内配电装置。新加坡电压等级如图1所示。

图1 新加坡电压等级Fig.1 Voltage level in Singapore

新加坡于20世纪90年代中期发展400 kV网络。为控制短路电流，先于2000年将230 kV网络分成2个分区，又于2007年继续将230 kV网络分成4个分区。2007年新加坡的大型发电厂、400 kV和230 kV输电线路结构如图2所示。为保证较高的供电可靠性，发电厂有2路或2路以上的线路向外输出；变电站输电线路采用网状结构模式，每个变电站均有2路或2路以上的上级电源供电，确保符合N-1或N-2原则。即使变电站发生故障也可以通过相应的操作来快速恢复供电。事实上，变电站发生故障的概率非常小，即使是小概率事件，新加坡都会认真的思考怎样消除或减小其带来的停电影响。

图2 新加坡4OO kV和23O kV输电线路结构Fig.2 4OO kV and 23O kV transmission line structure in Singapore

由图2可见，新加坡高压输电网之间形成了较强的联络，保证了输电系统较高的供电可靠性，但同样增加了输电保护、调度与管理的复杂性，以及维护、修理等人力和物力的投入。

新加坡输电网通过2根容量为250 MW的230 kV海底电缆连接到马来西亚国家电网，以应对紧急事件与电荒，正常情况下并无功率交换[15]。

新加坡66/22 kV配电网如图3所示，变电站每2回馈线构成一个环，闭环运行，称之为梅花状供电模型。不同变电站的每2个环网又相互连接，闭环运行，互为备用，每个花瓣状配电网的负载率控制在不超过50%。

图3 新加坡梅花状供电模型Fig.3 Quincunx power supply model in Singapore

新加坡关于供电可靠性要求较高:对于66 kV系统，要求符合N-2、供电无中断设计；对于22 kV系统要求符合N-2或N-1、供电可短暂中断设计。新加坡几乎所有的重要负荷，如银行、机场、车站、政府机关与公共场所，均满足N-2设计；对于住宅区、部分商业地区等，也均满足N-1设计。

对于低压400 V的接线模式，新加坡也格外重视。按照负荷大小与重要程度的不同，可分为如图4中的几种情况。

图4(a)单环负荷小于400 A，采用电缆单环网接线，闭环设计，开环运行，适用于低密度住宅区；

图4(b)单环负荷小于400 A，采用双回路电缆供电，适用于高密度住宅区；

图4(c)单环负荷大于800 A，采用电缆单环网带备用接线，适用于高密度住宅区；

图4(d)单环负荷大于800 A，采用双变电站电缆单环网接线，适用于重要住宅区。

1.2 二次系统设备

新加坡对于设备选型标准较高，配电网采用全电缆、全户内少维护设备。1993—1994年新加坡实现22 kV合环改造时，即实现了光纤差动保护全覆盖。400 V采用环网接线开环运行，变压器低压出线采用隔离开关不带断路器保护，分支路出线采用RTO熔断器保护。继电保护装置的动作时间均为ms级，均为高自动化设备，减少了人为干预，保证了供电的高可靠性。

图4 低压4OOV接线模式Fig.4 Connection mode of 4OO V line

新加坡采用了高度自动化的开关设备，为了保证设备的可靠性，除了定期的巡检、维护之外，新加坡还实施状态监测与状态检修，在设备故障之前以及故障范围扩大之前将问题解决。

新加坡配电网采用了先进的双向通信频道监管控制及数据采集与监控系统，配有专用的通讯电缆，保证数据的可靠传输；结合远程终端控制单元，这样随时都可以自动检测供电过程中的遥测信息(负荷/电压量数据采集)与遥信信息(开关状态监视)。RTU采用环状连接，确保当一条通信通道故障时数据的可靠传输，如图5所示。计算机分析并处理RTU所采集的数据，同时为避免计算机故障设置有备用计算机。计算机将信息传送至区域控制中心(areacontrolcenter，ACC)与配网控制中心(distribution control center，DCC)，由ACC制定相应的处理策略，DCC作为ACC的备用。

图5 RTU通信环Fig.5 RTU communication ring

2 新加坡电网全电压等级协同合环运行

新加坡电网通过全面实施配电自动化技术，使供电可靠性得到了大幅度提升。然而，由于通讯、自动化等二次设备自身的不可靠，也影响了供电可靠性的进一步提高；即便采用配电自动化技术也会出现短暂的停电，对重要敏感性负荷带来较大的经济损失。新加坡电网通过全电压等级合环运行，既可以从一次系统角度弥补二次系统不可靠性，进一步提升供电可靠性，又可以提高供电质量，降低重要敏感性负荷的经济损失。

电网合环运行会带来短路电流偏大的问题，因此需要进行全网全电压等级分析，避免由于短路电流超标造成的设备损坏及电网安全性问题，如新加坡电网出于对系统短路电流控制因素的考虑，2000年将230 kV网络分成2个分区，2007年继续将230 kV网络分成东、西、南、北4个分区运行，230 kV采用150 MVA的小容量变压器等一系列的短路电流限制措施。

新加坡典型的全电压等级运行，从400 kV到400 V的电网结构如图6所示。

由图6可知，新加坡每一电压等级均满足N-2或N-1原则，22 kV采用合环运行、环间联络，400 V采用闭环设计、开环运行。其中，22 kV“梅花”状供电模型，是配电网合环供电的典范，如图7所示。

图6 新加坡电网结构Fig.6 Singapore power grid structure

图7 22 kV配电网故障模拟Fig.7 Fault simulation of 22 kV distribution network

22 kV“梅花”状配电网某段故障时，故障区域将会快速、准确地切除，非故障区域不停电，故障区域故障修护后恢复供电。图7中:当负荷A处故障时，开关K1与K2迅速断开，隔离故障，其余负荷不受故障影响，供电无中断，故障区域经过维修，恢复供电。当负荷A处与负荷B处同时故障，经过开关自动隔离故障，通过花瓣间联络开关L1恢复非故障区域供电。当变电站1故障时，D1与D2迅速断开，花瓣间联络开关L1迅速闭合，恢复供电。

新加坡电网结构复杂，从电网规划、建设，到运行、管理，都有着自己的独特之处。

3 新加坡电网管理

在我国城市电网，停电主要是由计划停电造成的，如2013年我国城市电网系统平均停电持续时间为3.66 h/(户·a)，其中故障停电为0.71 h，计划停电为2.95 h，占停电时间的80.6%。因此，全面学习借鉴新加坡电网的管理理念、管理方法、管理手段，解决目前我国对计划停电影响较大的用户报装、电网施工及运行维护等问题，将对提高供电可靠性意义重大。

3.1 新加坡电网管理理念

新能源电网有限公司始终以“高可靠性和高质量的供电”为唯一目标，所有的部门和工作必须围绕这个目标，改善电网运营效率。

3.2 新加坡电力改革

20世纪90年代，新加坡政府对电力进行了公司化改革，旨在发电侧和零售侧引入竞争。整个电力市场的监管职能由能源市场管理局(energy market authority，EMA)承担。新加坡新能源集团公司经过体制改革，逐步脱离政府机构，成为一家完全按市场化模式运作、管理的公司。21世纪初，新能源集团公司再次进行内部体制改革，所有电网资产归属于新能源资产有限公司，而电网的建设和运行管理则完全委托于新能源电网有限公司，电网资产与电网管理相互分开，互相监督，有利于电网发展。

3.3 电网规划建设

新加坡各地区的历史负荷和历史用电量数据较齐全，拥有一套较为完善的负荷分析预测计算机系统，提高了负荷预测的精度。输、配电网规划时，不仅要分析现状负荷的大小与分布，还要考虑到未来的负荷增长情况，确保电网的扩展性与灵活性，满足电网的可持续发展。

输电项目工程量大，建设周期长，项目实施方案确定以后，会由新能源电网有限公司进行项目招标，且是面向国际的招标；输电项目一般只招标一次，中标单位最终会签订一份整体项目的合同。对于配电项目，其工程量相对较小，建设周期短，项目数量多，一般会同中标施工单位签订期限合同，以保证高效率业绩。新能源电网有限公司将整个新加坡分为九个地区，每次招标时，都会将某地区与临近的2个地区合起来一同招标，这样可以保证每个地区都有2～3个施工单位支持。

新加坡是最先使用电网建模与规划系统(grid modeling and planning system，GMAP)来规划地下电缆网络的国家之一。GMAP提供一个综合的信息，包括土地信息、电网设备信息、电网接线信息、设备地理位置和设备连接信息等，并以此为平台形成了强大的设备管理系统。整个系统以SCADA为支撑，于每天夜间在后台进行数据交换，保证数据的实时性与唯一性。

据统计，在新加坡电缆损坏事件中，有七成以上是因为土地施工引起的。为此，新能源电网有限公司专门设立的土地施工监督与电缆保护部门(earthworks monitoring＆cable protection section，EMCP)协助施工单位。新加坡政府通过法律手段，强制规范地面施工审批程序，对于施工破环电缆的责任人，将会处以1～100万元新币罚款，并将面临1～5年的监禁。

3.4 电网运行

新加坡输电网包括400 kV、230 kV和66 kV这3个电压等级，230 kV电网划分为东、西、南、北4个分区运行，以限制电网短路电流，减少故障影响的范围。新加坡电力系统控制中心(power system control center，PSCC)使用能源管理系统(energy management system，EMS)监控和控制输电网络，使用配网管理系统(distribution management system，DMS)监控和控制配电网络。新加坡22 kV配电网划分为东、西、南、北、中五大分区，每个分区都设置了管理机构负责电网设备维护运行。在调度中心下有紧急服务中心，分为低压团队和高压团队，分别负责不同电压等级事故的维修。低压检修小组在接到通知后30 min内到达现场，小组配有移动发电车，确保3 h内恢复供电。新能源电网有限公司根据事故性质的严重程度交于3个组深入调查:调查组、调查委员会和调查团。轻微事故由事故发生的部门组织调查组调查和上报，比较严重的事故以第三方部门成立调查委员会或调查团对事故进行调查和上报。

自2001年起，新能源电网有限公司就开始开展状态监测和状态检修的工作。状态监测和状态检修是新能源电网公司电网管理的两大支柱，也是他们在全球引以为傲的技术和管理成就，真正做到防患于未然。状态检修是在对设备运行状态进行监测的基础上进行的。状态检修可以减少电力设备停电检修，及时发现电力设备故障隐患，提高供电可靠性，准确反映高压设备的使用寿命程度、安全指标，保证系统始终处于可控状态。

新加坡推行状态监测10年以来，避免了500多起事故，成本节约了62%，保证了供电可靠性与质量，大大降低停电时间和检修成本[9]。

3.5 资产管理与监督

新能源电网有限公司设立资产管理部，负责制定资产战略、规定设备技术参数等，此外该部门还负责监督，主要包括电网绩效的监督和项目绩效的监督，以保证公司的经济效益和电网业绩。资产管理部使用“项目跟踪系统软件”，同SCADA系统连接，可以准确地跟进每个项目的进度，实现了信息及时共享、有效跟踪、全方位监督、资源合理安排等。新能源电网有限公司建立了风险评估与管理体系，明确了风险的评估方法和管理程序，规定了各级部门在体系的位置与职责，将风险对电网的影响程度降到最低。在财务管理上，各级部门分工明确，并且只有有限的权限，使得任何部门或人员不能控制及干涉到全部过程。

3.6 用户申请用电管理

避免用户随意报装问题，新加坡电网规定低压用户申请用电，根据用户申请的供电容量收取申请费。高压用户申请用电，用户必须与新能源电网公司签订合同，确保其5年内的用电不低于一定的标准，从而确保新能源电网的投资得到回报。

对于22 kV的用电申请规定如下:2回22 kV供电，5年内签约容量不得小于2 MVA；4回22 kV供电，5年内签约容量不得小于15 MVA；6回22 kV供电，5年内签约容量不得小于30 MVA。

4 配电网合环在我国的应用

借鉴新加坡高可靠性配电网结构，我国在部分示范区实现了配电网“梅花”状网架结构、合环运行的供电模式。

南京奥体中心为青奥会A类重要场馆，其负荷等级为特级重要负荷，由110 kV奥体变同一母线出线形成环网、合环运行，2个环网之间通过常开联络开关连接，构成“梅花”状网架结构。奥体中心接线模式使用10 kV电缆线路、纵联差动保护，正常运行下110 kV奥体变至10 kV奥体中心变按照2个独立的闭环网运行，接线模式如图8所示。

图8 南京奥体中心接线模式Fig.8 Connection mode of Nanjing Olympic Sports Center

2015年7月，江苏省泰州供电公司在医药高新技术产业园区的10 kV桥开116线、桥药126线带负荷验证性试验获得成功，该项目采用同一变压器下2段不同母线配出的2回10 kV线路构成“梅花”状接线模式、合环运行，用户年平均停电时间将控制在1 min以内，接线模式如图9所示。

图9 泰州示范区接线模式Fig.9 Connection mode of Taizhou demonstration area

南京奥体中心和泰州的10 kV配电网均是同一变压器下的母线出线形成的“梅花”状供电模式、合环运行，这种接线模式可以避免配电网合环运行时短路电流过大及电磁环网的问题。但与新加坡电网从400 kV到22 kV形成全电压等级合环运行相比，南京奥体中心和泰州的合环运行方式，若发生变电站主变故障仍然会出现短时停电的问题，影响供电可靠性的进一步提升。

5 对我国电网启示及结论

新加坡高可靠性电网是一次网架结构与二次系统的配合、全电压等级协同合环运行、技术要素与管理要素相结合等多种因素共同作用的结果，对我国电网规划、运行和建设的启示如下:

(1)电网需要实现一次网架和二次系统同步规划和建设。新加坡电网供电方案中，全电压等级实现N-1设计、重要用户实现N-2设计的网架结构，并全面实现配电自动化，这是电网高可靠性供电的基础，可以将故障定位、隔离及非故障段恢复供电时间缩短至秒级。

(2)电网需要全电压等级协同实现合环运行，既克服了单一电压等级合环运行的困难，又在最大程度上提高了全系统的供电可靠性。电网合环运行既可以弥补自动化等二次设备自身不可靠的缺陷，又可以避免采用自动化技术出现的短时中断问题，从而进一步提高供电可靠性和供电质量。

(3)管理要素和技术要素对提高电网供电可靠性同等重要，管理和技术要互相配合，相得益彰。可以通过提升管理理念、管理方法、管理手段，加强电网运行维护、用户报装、施工作业管理，减少系统计划停电时间，从而提高供电可靠性。

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(编辑：张媛媛)

High-Reliability Power Supply Scheme Analysis for Singapore Power Grid

HUANG He1，TIAN Hao2，XIE Jinjun3，HUANG Junhui4，CHENG Lin2，TAN Jian4，LI Hu4
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China；2.State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.North China University of Technology，Beijing 100041，China；4.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute，Nanjing 210024，China)

With the economy developing rapidly and the living standard improving continuously in our country，customers need much higher demand for power supply reliability.Compared with the power grid in other advanced countries such as Singapore，the level of power supply reliability in our country is backward.So many researchers hope to build，a world-class power grid，in China according to the Quincunx-type power grid in Singapore.At present，the researches on Singapore power grid have mainly focused on its Quincunx-type structure and closed-loop operation.In addition，several papers study its automation level，management level and other factors，but the researches on Singapore power grid are relatively scattered and lack comprehensive and systematic analysis.Around the high reliability of power supply，this paper deeply analyzed the high-reliability power supply scheme of Singapore power grid from three aspects:the cooperation between primary grid structure and secondary system，the coordinated closed-loop operation with full voltage level，the combination of technology factor and management factor，which could provide scientific references for the promotion of power grid，s planning，operation and management in China.

Singaporepowergrid；reliability；gridstructure；fullvoltagelevel；closedloopoperation；distribution automation

TM 715

1000-7229(2015)11-0091-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.014

2015-05-15

2015-07-14

黄河(1978)，男，高级工程师，主要从事电力发展规划的研究工作；

田浩(1981)，男，工程师，主要从事电力系统可靠性的研究工作；

解进军(1990)，男，硕士研究生，主要从事电力系统可靠性的研究工作；

黄俊辉(1964)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划设计的研究工作；

程林(1973)，男，副教授，博士生导师，主要从事电力系统可靠性、主动配电网与电力系统规划方面的研究工作。

国家自然科学基金项目(51177078)；国家电网公司科技项目(GHJS1500008)。