基于可靠性的10kV城市配电网网架结构优化方案

陈 宁 韩 蓬 王传勇 王 坤 康文文

（国网枣庄供电公司，山东 枣庄 277100）



基于可靠性的10kV城市配电网网架结构优化方案

陈 宁 韩 蓬 王传勇 王 坤 康文文

（国网枣庄供电公司，山东 枣庄 277100）

配电网作为联系终端用户与发、输电系统的纽带，在保证用户安全可靠的连续供电方面是一个十分重要的环节。目前，枣庄市配电网还普遍存在网架结构薄弱、设备利用率低、电网规划不合理等问题，已在程度上滞后于城市的经济发展，成为制约经济发展的瓶颈。本文结合国内典型城市网架结构基于可靠性进行分析研究，最终得出适应枣庄市城市配电网发展的目标网架结构。

配电网网架结构；可靠性；目标网架

本文通过利用可靠性评估模型对城市 10kV配电网网架结构优化方案进行研究，分析各种目标网架的可靠性，结合枣庄市现状城市配电网结构，给出枣庄市推荐目标网架结构。

1　枣庄市10kV电网结构现状分析

1.1架空网

枣庄市10kV城网线路主干线均已实现绝缘化，枣庄市城区10kV公用架空线路共92回，分段总数311段，平均分段数为3.38段/条；其中，单辐射线路共有9回，单联络线路共54回，两联络及多联络线路共29回，分别占线路总回数的9.78%、58.7% 和31.52%。

1.2电缆网结构

枣庄市全电缆网仅在高新区直配城网存在，其他分区仅在变电站出线和线路路径困难的局部区段使用电缆。电缆网主要采用环网结构，开环运行。共14条电缆线路，其中单射线路2条，所占比例为14.29%，双射线路4条，所占比例为28.57%，环网线路8条，所占比例为57.14%。

枣庄市电缆网络结构情况见表2。

1.310kV电网运行指标

枣庄市10kV公用线路共72回通过N−1校验，占城区10kV线路总数的67.92%，枣庄市城区尚存在34条10kV线路无法通过线路的N−1校验。

1.4小结

枣庄城区现状电网结构如下所述。

表1　枣庄市10kV架空网结构统计表

表2　枣庄市10kV电缆网络结构统计表

表3　枣庄市10kV电网主要运行指标

架空网：单辐射、多分段单联络、多分段多联络。

电缆网：单射、双射、环网。

架空网多分段单联络结构为主，单辐射比例较高；电缆网虽以环网为主，但是单射和双射结构占比为42.86%。

综上所述，枣庄城区电网结构薄弱，供电可靠性较低。

2　国内城市配电网网架结构

2.1架空（混合）网

中压架空网的典型网架结构主要包括辐射式、多分段单联络、多分段多联络3种，其特点如下：

1）辐射式

特点：辐射式接线简单清晰、运行方便、建设投资低。当出现故障或进行检修时，用户停电范围大；供电可靠性差，不能满足N−1要求，但主干线正常运行时的负载率可达到100%。

2）多分段单联络

特点：该接线模式的可靠性比辐射式接线模式大大提高，接线清晰、运行比较灵活。任何一个区段发生故障，闭合联络开关，将负荷转供到相邻馈线，完成转供。满足N−1要求，但主干线正常运行时的负载率仅为50%。

3）多分段多联络

特点：该接线模式由于每一段线路都有与其相联络的电源，任何一段线路发生故障时，均不影响其他线路段正常供电，使每条线路的故障范围缩小，提高了供电可靠性；由于联络较多，也提高了线路的利用率，两联络和三联络接线模式的负载率可分别达到67%和75%。

2.2电缆网

中压电缆网典型网架结构主要包括单射式、双射式、单环式、双环式、N供一备5种类型，其特点如下。

1）单射式

特点：该接线方式不满足N−1要求，但主干线正常运行时的负载率可达到100%。

2）双射式

特点：该接线方式不满足N−1要求，但主干线正常运行时的负载率可达到100%。

3）单环式

特点：这种接线的接线清晰、运行比较灵活，可靠性比单电源辐射式大大提高。在这种接线模式中，线路的备用容量为50%。一般采用异站单环接线方式，不具备条件时采用同站不同母线单环接线方式；在单环网尚未形成时，可与现状架空线路暂时拉手。

4）双环式

特点：双环网为最可靠、最灵活的接线方式。这种接线模式能够提高线路理论负；可以使客户同时得到两个方向的电源，满足从上一级 10kV线路到客户侧10kV配电变压器的整个网络的“N−1”要求，供电可靠性高，运行较为灵活。

5）N供一备

特点：该种模式随着“N”值的不同，其接线的运行灵活性、可靠性和线路的平均负载率均有所不同。一般N最大取4。大于4的接线模式比较复杂，操作也比较繁琐，同时联络线的长度较长，投资较大，线路负载率的提高也不再明显。

3　城市10kV配电网网架结构可靠性研究

3.1可靠性评估模型

1）边界条件

研究在相同的供电需求下采用不同网架结构时，网架结构可靠性的差别。即在一定的区域范围内、一定的负荷的密度下，对比各种负荷密度下计算的结果。

（1）供电区域

选取面积为7km2的圆形区域（半径1.5km）作为研究对象。

（2）总负荷和用户数

供电区域内的总负荷为36MW，负荷密度大约为5MW/km2。这些负荷平均分布在供电区域内供电区域内。中压用户数为36，户均容量为1MW/户。

（3）变电站

两个变电站对该区域供电，容量不限。不考虑变电站故障，变电站母线的可靠率认为是0.99999。

（4）线路

为了满足网架结构的经济负载率，线路条数不限。

（5）其他边界条件和假设

每个环网柜用三个开关模拟。

表4　可靠性评估的参数设定

2）评估方法

采用最小割集法进行网架结构的可靠性评估，其原理是配电系统的故障模式与系统的最小割集有直接的关联。最小割集是一些元件的集合，当它们失效时，必然会导致系统失效。每个割集中的元件存在并联关系，近似认为系统的失效度可以简化为各个最小割集不可靠度的总和。

最小割集法的优点是：将计算的状态限制在最小割集内，避免计算系统的全部状态，从而大大减少了计算量；考虑到了负荷的恢复过程，及网络的约束条件，使评估结果更加全面，更符合系统运行的实际情况；通过对故障影响范围搜索，能找到系统的薄弱环节，为采取增强措施提供参考。

3）可靠性参数

可靠性评估计算使用下表所示的可靠性参数，包括故障率、故障修复时间和切换时间。其中，假设系统中使用的同类型设备具有相同的可靠性参数。

表5　可靠性评估使用的设备可靠性参数

3.2评估结果

架空网和电缆网目标网架结构的可靠性评估结构见表6。

表6　目标网架结构可靠性评估结果

线路可靠性参数的设定直接关系到架空网和电缆网评估数值的相对大小。架空线路的故障率高但修复时间短，电缆网故障率低但修复时间较长，故电缆网的可靠率指标较高。

因为单环网和双环网的中压电气接线结构完全相同，故二者的可靠率指标相同。但考虑到双环网一般用来满足有双电源供电需求的用户负荷，用户可以通过低压侧转负荷来提高其可靠性。即低压用户实际拥有较高的可靠性，但没有体现在中压网架结构的评估中。

三供一备的可靠率与单环网和双环网接近，这是因为一般情况下线路的负载率较高，备用线路只能满足一条供电线路的转供需要。如果供电线路的负载率较低，则其可靠率还可以提升。

4　基于可靠性研究的基本结论

4.1给出目标网架结构的可靠性评估结果

根据可靠性评估模型，通过计算和分析，得到如下结果：

可靠性评估结果：①架空网中，可靠性由低至高依次为多分段单联络和多分段多联络；②电缆网中，可靠性由低至高依次为单环网（双环网）、三供一备；③由于未考虑低压用户的接入方式，因此评估结果中双环网和单环网的可靠性相同。

4.2提炼出国内31个重点城市10kV配电网典型网架结构

1）对于架空网

除北京和杭州无辐射式外，31个重点城市都同时采用了辐射式、单联络和多联络3种接线方式，但东部地带多联络所占比例明显高于中部内陆地区和西部边远地区，单联络和辐射式和地域的关系不大。

多联络比例最高的为北京，达到96%；达到60%以上的除北京外有5个城市，即上海、西宁、杭州、南京、石家庄；分布在20%～60%之间的有20个城市。

单联络比例最高的为成都，达到78%；其次为长春，达到60%；分布在20%～60%之间的有28个城市。

综上所述，国内架空网选择单联络和多联络作为典型网架结构和目标网架结构。

2）对于电缆网

30个城市都存在单环式，28个城市都存在单射式，19个城市采用双环网，18个城市采用双射式，仅10个城市采用对射式和N供一备。

单环式比例超过80%的有4个城市，其中比例最高的为武汉，达到97%，其次为成都，达到92%；所占比例分布在60%～80%之间的有10个城市；分布在40%～60%之间的有5个城市，分布在20%～40%之间的有6个城市。

双环式比例最高的为宁波，达到84%；其次为杭州，达到54%；分布在20%～50%之间的有6个城市。

综上所述，国内电缆网选择单环式和双环式作为典型网架结构和目标网架结构。

4.3提出枣庄城市10kV配电网目标网架结构

根据枣庄城市经济发展水平和不同目标网架结构的特点与适用范围，给出枣庄城区目标网架结构见表7。

表7　枣庄目标结构网架表

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Research on Optimization Scheme of Urban Distribution Network Structure of Zaozhuang 10 Thousand Volt based on Reliability

Chen Ning Han Peng Wang Chuanyong Wang Kun Kang Wenwen
(State Grid Zaozhuang Power Supply Company, Zaozhuang, Shandong 277100)

As the link between the terminal user and t generation and transmission system, the distribution network is a very important link to ensure the safety and reliability of the continuous power supply. At present, Zaozhuang City distribution network structure is weak, the equipment utilization rate is low, power grid planning is unreasonable, has been in the extent lags behind the economic growth of the cities, become the bottleneck of economic development. In this paper, based on the analysis of the reliability of the typical urban grid structure in China, this paper finally obtains the goal of adapting to the development of urban distribution network in Zaozhuang city.

distribution network structure; reliability; target network

陈 宁（1968-），男，本科，高级工程师，主任，主要研究方向：电网规划、工程建设、工商管理。