分布式电源及微网对中压配电网接线模式影响

王丽彬，李春晖，王佳伟，赵海波，李伟，宋晓俊

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原　030002）

分布式电源及微网对中压配电网接线模式影响

王丽彬，李春晖，王佳伟，赵海波，李伟，宋晓俊

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原030002）

对分布式电源及微网接入中压配电网的影响进行研究，从可靠性、经济性2方面定量评估分布式电源及微网对中压配电网典型接线模式的影响，协调分布式电源及微网接入与中压网架建设之间的关系，确定最优的接入位置，探索适用于分布式电源及微网接入的中压配电网的网架建设模式和发展思路。研究结果表明：微网接入架空辐射状电网时对供电可靠性的提升作用较为明显，且远端接入的可靠性提升作用最优；同时，需提高分布式电源及微网接入的经济性。

分布式电源；微网；中压配电网；接线模式

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求也在不断增加，能源的多样化和可循环利用，是满足能源需求的根本途径。分布式电源及微网的应用是20世纪末最受重视的高科技领域之一，随着对环境及能源使用效率的进一步重视，分布式电源在我国的广泛应用是可以预见的［1］。分布式能源是能源的清洁化利用较为现实和经济的一种选择，成为缓解各国能源问题的有效途径［2］。分布式发电作为集中式发电不可缺少的必要补充［3］。

城市中压配电网是电力系统的组成部分，也是城市现代化建设的重要基础设施之一［4］。其网络结构相对密集，是连接高压配电网和低压配电网的桥梁和纽带，直接面对用户，地位十分重要。我国传统的中压配电网架结构采用开环设计，其潮流是从系统侧流向负荷侧。分布式电源和微网的接入，使得大电网在应对自然灾害时显现的不足得到解决，既能提高能源利用率，又对大电网是一种补充。然而，在分布式电源及微网接入后，中压配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流的大小和方向有可能发生巨大改变，这就对中压配电网的规划设计、运行管理提出了新的要求［5］。

本文对分布式电源及微网［6］接入中压配电网的影响进行研究，建立可靠性、经济性定量评估模型，定量评估分布式电源及微网对中压配电网典型接线模式的影响，协调分布式电源及微网接入与中压网架建设之间的关系，确定最优的接入位置，探索适用于分布式电源及微网接入的中压配电网的网架建设模式和发展思路。

1　分布式电源和微网

1.1分布式电源

分布式电源（DG）是指某些靠近用户侧安装的中小型发电装置，容量一般在50 MW以下。它既可独立于公用电网直接为少量用户提供电能，也可将其接入配电网络，与公用电网一起为用户提供电能。分布式电源是以资源和环境效益最大化、能源利用效率最优化确定方式和容量的新型能源系统。

根据技术类型，分布式电源可以分为以下几类：微型燃气轮机发电、风能发电、太阳能光伏发电、燃料电池、生物质能发电、小水电等。

与传统的电源相比，分布式电源由于其容量相对较小、位置灵活、能源清洁等一些特性，具有一些传统电源不具备的特点和优势，包括节能环保效果好、经济性好、供电可靠性高等。

然而，分布式电源并网后，改变了配电网传统的辐射状供电模式，对系统潮流［7］、继电保护［8］、供电可靠性等都带来深刻影响。因此，也给配电网的规划设计和运行维护提出了新的挑战。

1.2微网

微网（MG）是由各种分布式电源、储能装置、负荷、配电系统以及监控和保护装置等组成的小型可控发配电系统，它通过相关控制装置间的协调配合，能在并网模式和孤网模式下运行，具有灵活的运行方式和可调度性能［9-10］。

微网具有可控、可靠、开放、灵活、独立等特点，最为重要的是，微网可以解决分布式电源与配电系统之间的矛盾，促进分布式电源的并网。微网可以充分发挥分布式电源的优势，消除分布式电源对系统的冲击和负面影响，减弱电压波动和闪变。微网可以根据终端用户的需求提供差异化的电能，根据微网用户对电力供给的不同需求将负荷分类，形成对不同负荷的控制策略，有利于电网企业提升供电可靠性和电能质量，提高电网企业服务水平。

随着微网技术日趋成熟，更多的电力用户将微网供电作为一种可供选择的供电方案。因此，有必要对于微网接入对中压配电网的影响和典型的中压配电网接线模式是否适合微网接入进行研究。

2　配电网典型接线模式及接入形式

2.1配电网典型接线模式

根据文献［11］，中压配电网典型接线模式包括架空网辐射状接线、多分段适度联络接线，以及电缆网单环式接线、双环式接线［12］。各种接线模式的基本情况如下。

2.1.1架空网辐射状接线

架空网辐射状接线适用于城郊和农村地区，其优点是比较经济，配电线路和开关数量少、投资小，新增负荷也比较方便。但其缺点也很明显，主要是故障影响范围较大，供电可靠性较差。正常运行时，线路的最大负载率可达到100%。架空网辐射状接线如图1所示。

图1　架空网辐射状接线Fig.1　Radial connection mode of overhead lines

2.1.2架空网多分段适度联络接线

架空网多分段适度联络接线适用于城市和农村地区，通过在干线上加装分段开关把每条线路进行合理分段，并且每一分段都有联络线与其他线路相连接，当任何一段出现故障时，均不影响其他分段正常供电，这样使线路的故障范围缩小，提高了供电可靠性。架空网多分段适度联络接线如图2所示。

图2　架空网多分段适度联络接线Fig.2　Multi-segment and moderate connection mode of overhead lines

2.1.3电缆网单环式接线

电缆网单环式接线由不同母线的电缆出线形成环网，适用于负荷密度较大且供电可靠率要求较高的城区，这种接线的最大优点是可靠性比辐射状接线模式大大提高，接线清晰、运行比较灵活。线路故障或电源故障时，在线路负荷允许的条件下，通过切换操作可以使非故障段恢复供电。正常运行时，每条线路的最大负载率50%。电缆网单环式接线如图3所示。

图3　电缆网单环式接线Fig.3　Single connection mode of underground cables

2.1.4电缆网双环式接线

电缆网双环式接线可以视为2个单环式接线的叠加，4条线路的电源点来自同一变电站的2段母线或不同变电站。适用于负荷密度高、供电可靠性要求高的城市核心区。由于每个环网点都有2个负荷开关，可以隔离任意一段线路的故障，客户的停电时间大为缩短。只有在单台配置的终端配变故障时，客户停电时间是故障处理时间。正常运行时，每条线路的最大负载率50%。电缆网双环式接线如图4所示。

图4　电缆网双环式接线Fig.4　Double connections mode of underground cables

2.2微网的接入形式

当微网接入中压配电网各种接线模式，其接入点可以是中压线路的任意1个或多个负荷点。以架空网辐射状接线和电缆网单环式接线为例，2种接线模式的微网接入形式分别如图5、图6所示。

图5　架空网辐射状接线的微网接入形式Fig.5　Access of microgrid to radial connection mode of overhead lines

3　可靠性经济性评估方法

3.1可靠性评估方法

微网接入不同接线模式的可靠性评估采用故障遍历法，即逐个假设电网中的元件故障，包括线路、柱上开关、环网柜/开关柜、配变、以及微网自身故障，求出每个元件故障时用户停电时户数，最终求出供电可靠性水平［13-15］。

图6　电缆网单环式接线的微网接入形式Fig.6　Access of microgrid to single connection mode of underground cables

衡量可靠性的指标主要包括供电可靠率（RS）和用户平均停电时间（AIHC），2个指标的计算公式分别为：

式中：N总为系统中总用户数；Ni为故障时受影响的用户数，与平均年停运时间Ui相对应；ni为故障时利用微网维持供电的用户数；8 760为1 a的小时数。

3.2经济性评估方法

微网接入不同接线模式的经济性评估，对每一种方案计算其年总费用，包括配电网和微网的综合投资费用年值、年运行费用，以及停电损失。最后将年总费用转化为单位负荷年费用值（CT），作为衡量经济性的主要指标，指标计算公式如下：

式中：CT为单位负荷年费用值；CI为综合投资费用年值；CL为年运行费用；CR为停电损失；P为供电范围的负荷值。

3.2.1综合投资费用年值

综合投资费用年值CI的计算公式为：

式中：C1为线路投资总费用；Ck为开关设备投资总费用；Cj为配变前端线路投资总费用；Cm为微网投资总费用。

3.2.2年运行费用

年运行费用CL包括2方面内容，一是线路的损耗费用；二是线路和微网的检修维护费用。指标计算公式为：

式中：U为线路和微网的运行维护费；P1为不带负荷段线路总损耗；P2为带负荷段线路总损耗；τmax为年损耗利用小时数；p为平均电价。

3.2.3停电损失费用

考虑负荷密度均匀，每个用户所带负荷相等的情况下，停电损失费用计算公式为：

式中：Pi为负荷点i的有功；N为用户总数；AIHC为用户平均停电时间；R为故障停电损失率。

3.3评估模型

由于配电网是直接面向用户的，所以在实际分析时，认为配电网由若干小区组成，且每个小区都由110 kV变电站、10 kV线路和开关设备等构成。为了研究方便，认为每个小区都是以110 kV变电站为中心、以变电站的供电半径为半径的圆形供电区域。将负荷点均匀分布在给定的区域内，并适当加入人工干预。

可靠性经济性评估的边界条件包括：

1）选取架空网辐射状接线、架空网多分段两联络接线、电缆网单环式接线、电缆网双环式接线作为分析对象。

2）110/10 kV变电站主变容量为2×50 MV·A，变电站负载率取为50%。

表1　微网接入各种接线模式的可靠性评估结果（负荷密度为10 MW/km2）Tab.1　Reliability evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 10 MW/km2）

3）功率因数统一取为0.95。

4）各种接线模式均取其最高负载率，如架空网辐射状接线负载率取100%，架空网多分段两联络接线模式取67%，电缆网单环式接线、双环式接线负载率取50%。

5）架空线路导线截面JKLYJ—240，电缆线路导线截面YJV22-3×300。

6）分别考虑负荷密度为10 MW/km2、30 MW/km2的情况。

7）分别考虑不含微网、微网接入出线近端（含MG1）、微网接入出线较远端（含MG2）、微网接入出线远端（含MG3）、微网多处接入（含MG1、MG2、MG3）的情况。

8）各种情况下，微网在负荷中所占比重、类型及运行控制方式均统一。

4　可靠性经济性评估结果

4.1可靠性评估结果

微网接入各种接线模式，在负荷密度为10 MW/km2、30 MW/km2情况下的可靠性评估指标如表1、表2所示。

4.2经济性评估结果

微网接入各种接线模式，在负荷密度为10 MW/km2、30 MW/km2情况下的经济性评估指标如表3、表4所示。

4.3可靠性经济性综合评估

在负荷密度为30 MW/km2情况下，微网接入各种接线模式的可靠性经济性综合评估情况，分别如图7—图10所示。

由图7—图10，得到以下结论：

1）当微网接入架空辐射状电网时，在线路故障情况下，微网可以为部分接入负荷提供电源，对供电可靠性的提升作用较为显著。当微网接入各种环网结构时，由于电网联络线路本身具备转供电能力，而微网本身又存在故障的可能性，造成微网对电网可靠性的提升作用不明显。

表2　微网接入各种接线模式的可靠性评估结果（负荷密度为30 MW/km2）Tab.2　Reliability evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 30 MW/km2）

表3　微网接入各种接线模式的经济性评估结果（负荷密度为10 MW/km2）Tab.3　Economy evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 10 MW/km2）万元·MW-1

表4　微网接入各种接线模式的经济性评估结果（负荷密度为30 MW/km2）Tab.4　Economy evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 30 MW/km2）万元·MW-1

图7　微网接入架空辐射状电网的可靠性经济性综合评估Fig.7　Reliability and economy evaluation of microgrid access to radial connection mode of overhead lines

图8　微网接入架空多分段两联络电网的可靠性经济性综合评估Fig.8　Reliability and economy evaluation of microgrid access to multi-segment and double connections mode of overhead lines

图9　微网接入电缆单环式电网的可靠性经济性综合评估Fig.9　Reliability and economy evaluation of microgrid access to single connection mode of underground cables

图10　微网接入电缆双环式电网的可靠性经济性综合评估Fig.10　Reliability and economy evaluation of microgrid access to double connections mode of underground cables

2）对于微网的接入位置，当微网接入辐射状线路最远端时，其可靠性提升效果最明显，而且可靠性经济性综合评估结果最优。微网接入各种环网线路的不同位置时，对线路可靠性、经济性的影响均不明显。

3）对于同一回线路，多处接入微网与单处接入微网相比，可靠性略有提升，但付出的经济成本巨大。本文将微网投资纳入了经济性评估，实际中如果微网建设费用由用户承担，那么供电企业可以取得较好的可靠性经济性效果。

5　结语

分布式电源及微网接入配电网，是未来电网的发展趋势，同时也给配电网、尤其是中压电网带来了新的冲击和挑战。现有的各种典型接线模式能否适应分布式电源及微网的接入，其接入后对配电网的可靠性、经济性有何影响，成为备受关注的问题。

本文以4种中压配电网典型接线模式为研究对象，探讨分布式电源及微网对各种接线模式产生的影响。以用户平均停电时间，单位负荷年费用为关键指标，建立可靠性、经济性定量评估模型，定量评估分布式电源及微网对中压配电网典型接线模式的影响，确定最优的接入位置。根据建模计算和分析可以得出，微网接入架空辐射状电网时对供电可靠性的提升作用较为明显，且远端接入的可靠性提升作用最优。在经济性评估层面，分布式电源及微网接入会增加配电网的建设和维护投资，这就需要供电企业明确分布式电源及微网的投资界面，鼓励用户承担建设费用，减少供电企业的投资压力，提高分布式电源及微网接入的经济性。

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（编辑董小兵）

Influence of Distributed Generation and Microgrid on Medium Voltage Distribution Network Connection Modes

WANG Libin，LI Chunhui，WANG Jiawei，ZHAO Haibo，LI Wei，SONG Xiaojun
（Economic and Technology Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030002，Shanxi，China）

This paper studies the influence of medium voltage distribution network based on distributed generation and microgrid，and quantitatively evaluates the influence in terms of reliability and economy，coordinates the relationship between the access of distributed generation and microgrid and the construction of medium voltage grid，and discusses the optimal access location，and explores the construction model of medium voltage distribution network suitable for the access of distributed generation and microgrid.The result shows that the access of microgrid to the radial connection mode of overhead lines obviously improves the power supply reliability with the best improvement in the reliability of the remote access and at the same time，the economy of distributed generation and microgrid needs to be improved.

distributed generation；microgrid；medium voltage distribution network；connection modes

1674-3814（2015）12-0106-07

TM61；TM744

A

2015-03-27。

王丽彬（1964—），女，硕士，高级工程师，主要从事电网规划、设计等领域的研究工作；

李春晖（1974—），男，高级工程师，主要从事电网规划、设计等领域的研究工作；

王佳伟（1980—），男，高级工程师，主要从事配电网规划、智能配电网等领域的研究工作；

赵海波（1981—），男，高级工程师，主要从事配电网规划、智能配电网等领域的研究工作；

李伟（1976—），男，高级工程师，主要从事配电网规划、智能配电网等领域的研究工作。