基于柔性环网控制装置的交直流混合配电网接线模式研究

2017-01-09张伟韦涛崔艳妍刘伟王宗礼李芳黄仁乐

电力建设 2016年12期

关键词：交直流环网馈线

张伟，韦涛，崔艳妍，刘伟，王宗礼，李芳，黄仁乐

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.山东国研电力股份有限公司，济南市 250101；3.国网北京市电力公司，北京市100031)

基于柔性环网控制装置的交直流混合配电网接线模式研究

张伟1，韦涛1，崔艳妍1，刘伟1，王宗礼2，李芳2，黄仁乐3

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192；2.山东国研电力股份有限公司，济南市 250101；3.国网北京市电力公司，北京市100031)

随着分布式电源、电动汽车等直流电源和直流负荷的大规模接入及用户对供电可靠性要求的提高，柔性直流技术在配电网中的应用越来越广泛。该文研究了含多端柔性环网控制装置的交直流混合配电网的典型网架结构；提出了传统交流配电网向交直流混合配电网的过渡目标、过渡原则、过渡过程，并给出了几种典型网架的过渡方式；最后，以三端柔性环网控制装置为例，通过对运行方式的划分，明确了含柔性环网控制装置的交直流混合配电网的运行方式及转换过程，为传统配电网向交直流混合配电网的升级提供理论依据。

交直流混合配电网；柔性环网控制装置；接线模式；升级改造

0 引言

传统能源发展方式难以为继，可再生能源取代化石能源将是大势所趋。可再生能源不存在资源耗尽的问题，日益受到世界各国的重视，尤其是能源短缺的国家，并将开发利用可再生能源作为未来的能源发展战略[1-2]。随着以风电、光伏为代表的直流电源及以电动汽车为代表的直流负荷等直流设备的大规模接入，传统的交流配电网由于电能变换环节多[3-5]，难以适应分布式电源(distributed generation, DG)和直流负荷量小面大的特点，供配电的效率受到影响。近年来，随着电力电子技术的快速发展，采用柔性直流技术对传统交流配电网进行升级改造成为了可能。与传统交流配电网相比，通过柔性环网控制装置实现柔性互联的交直流混合配电网不存在同步问题，可实现输送功率的灵活控制，适用于DG、直流负荷等设备的直接接入，减少DG、计算中心、电动汽车等直流设备接入所需的换流环节，降低了电能损耗，提升了配电系统的电能质量、灵活性、可靠性与运行效率[6-8]。

因此，随着配电网中DG的广泛接入和直流负荷的大量增加，在现有交流配电网的基础上，发展交直流混合型配电网将是未来配电网的一大趋势。国内外在柔性直流输配电技术的相关研究中，高压方面主要集中在分区互联装置应用于大区异步互联、大规模新能源并网及分区互联装置的选址定容等方面[9-10]；中压方面主要集中在柔性环网控制装置特性及装置接入电网前后对电网可靠性、供电能力等关键指标的影响等方面[11-13]，对交直流混合配电网网架和接线模式的研究相对滞后。

基于上述研究背景，本文对含多端柔性环网控制装置的交直流混合配电网典型网架结构、传统交流配电网向交直流混合配电网过渡的方式、交直流混合配电网的运行方式进行深入研究，为中压示范工程的顺利实施奠定理论基础。需要注意的是，本文假设在进行升级改造的同时配合保护升级和分布式自动化等技术措施，以减少非故障/检修区段的短时供电中断，提高用户供电可靠性。因为，仅在电网中安装柔性环网控制装置，在当前技术条件下，考虑柔性环网控制装置自身故障率，升级改造后的电网可靠性可能会降低[13]。

1 传统配电网典型网架结构

传统配电网典型网架结构[14]主要分为架空网络和电缆网络，目前国内现存的中压架空网结构主要有辐射式、多分段单联络、多分段多联络等3种类型，中压电缆网的典型接线方式主要有单射式、双射式、对射式、单环式、双环式、N供一备等6种。为了精简网络结构类型，国家电网公司发布的企业标准Q/GDW 1738—2012《配电网规划设计技术导则》[15]中推荐的中压配电网典型电网结构有4种，其中：中压架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式；中压电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。因此，后续研究主要围绕这4种网架结构展开。

2 基于柔性环网控制装置的交直流混合配电网网架结构

2.1 含两端柔性环网控制装置的接线模式

利用两端柔性环网控制装置实现交流配电线路互联环网运行，主要适用于架空网中的单联络及辐射式和电缆网中的单环式，如图1所示。

图1 含两端柔性环网控制装置的配电网接线模式

对于辐射式线路，可以利用两端柔性环网控制装置对两条辐射式线路进行互联，实现闭环运行。但是对于辐射式线路，在正常情况下负载率保持较高水平，直至100%；一旦实现环网运行后，在满足“N-1”安全准则情况下，线路的负载率在正常情况下应保持在50%以下，以保证非正常情况下的转供，因此要对线路进行增容改造或负荷切改，以保证在线路或母线发生故障时，负荷转供可以顺利实现。

对于电缆单环式接线，由于其正常工作下开环运行，在出现故障时，利用分段开关，隔离故障，并通过联络开关(环网柜)实现负荷转移。通过在系统关键节点处安装两端柔性环网控制装置，可以实现正常工作时的闭环运行，故障情况下实现负荷的快速转移，提高供电可靠性。

架空辐射式线路要实现环网运行，需要对线路进行增容，改造成本相对较大，而电缆单环网的升级改造一般不需要对线路进行增容，经济性更好。

2.2 含三端柔性环网控制装置的接线模式

含三端柔性环网控制装置的配电网接线模式如图2所示，正常运行时，馈线1、2、3通过三端柔性环网控制装置实现闭环运行，3条线路之间的潮流能够灵活控制，某条馈线发生故障时，其他馈线通过柔性环网控制装置提供紧急功率支援，及时恢复供电，且负荷能够连续分配；检修时，由于闭环运行，检修区两侧负荷均可避免短时供电中断。

利用三端柔性环网控制装置升级改造后的网架结构，虽然实现了环网运行，但对线路容量限制也提出了新要求：故障情况下，要满足“N-1”安全约束，3条线路的负载率之和应控制在200%以内，即线路平均负载率控制在66.7%以内；对于供电可靠性要求特别高的地区，若要满足“N-2”安全约束，线路平均负载率需控制在33.3%以内，这样才能保证在2条线路发生故障情况下，仍能通过柔性环网控制装置满足负荷转移的需求，增强系统的持续供电能力。

图2 含三端柔性环网控制装置的配电网接线模式

2.3 交直流混合配电网络结构

柔性环网控制装置推广应用后，可形成柔性直流闭环运行的新型网络结构，如图3所示。馈线2、3、9、10通过四端柔性环网控制装置形成多联络线路，馈线1、4通过两端柔性环网控制装置形成单联络线路，馈线5、6、7通过三端柔性环网控制装置形成两联络线路。

利用柔性环网控制装置进行多馈线闭环运行，不仅可以在故障/检修或线路/设备过载时，快速完成负荷转移，还可以通过提供动态无功支持稳定节点电压，提高供电可靠性和电压质量；与此同时，柔性环网控制装置可以调控系统功率分布来平衡馈线负载，改善配电网的供电能力，提高设备利用率。

图3 交直流混合配电网络

3 传统电网升级改造的过渡方式

通过柔性环网控制装置对10 kV交流电网网架结构进行升级改造，应根据地区电网网架情况及用户可靠性需求，实行差异化过渡。

过渡目标：减少传统配电网中因故障/检修引起的非故障区段的短时停电，提高供电可靠性。

过渡原则：不减少现有分段数。

过渡条件：根据用户可靠性需求，有选择地将传统负荷开关升级成断路器，并配合保护升级及分布式自动化等技术措施，对故障/检修区段进行瞬时定点隔离，缩短非故障区段停电时间。

基本过渡过程：

(1)经过选址定容，确定柔性环网控制装置安装位置及容量；

(2)根据用户可靠性需求，有选择地将传统负荷开关升级成断路器，并配合保护升级及分布式自动化等技术措施，对故障/检修区段进行瞬时定点隔离，缩短非故障区段停电时间；

(3)在拟改造点处安装柔性环网控制装置。

3.1 架空单联络线路

如图4所示，架空单联络线路经过柔性环网控制装置升级改造后，逐步过渡为含柔性环网控制装置的交直流混合配电网，其过渡过程按照上述基本过渡过程即可。

对于单辐射线路，由于其升级改造需要对线路进行增容，改造量相对较大，宜过渡到单联络后再进行升级改造，或在具备条件时通过三端柔性环网控制装置与单联络线路同时升级改造。

图4 架空单联络的过渡方式

3.2 架空两联络线路

如图5所示，架空两联络线路经过三端柔性环网

控制装置升级改造后，逐步过渡为含柔性环网控制装置的交直流混合中压配电网，其基本过渡过程如下：

(1)经过选址定容，确定柔性环网控制装置安装位置及容量；

(2)将其他相关联络开关的运行状态由常开变为常闭，实现互联馈线(1,2,3)的闭环运行；

(3)经过拓扑分析，发现原有联络开关FN在新拓扑中为冗余开关，需要将其拆除；

(4)根据用户可靠性需求，有选择地将传统负荷开关升级成断路器，并配合保护升级及分布式自动化等技术措施，对故障、检修区段进行瞬时定点隔离，缩短非故障区段停电时间；

(5)在拟改造点处安装柔性环网控制装置。

图5 架空两联络的过渡方式

3.3 电缆单环式线路

电缆单环式(两端互联)电网的升级改造与架空单联络线路相似，此处不予赘述。对于电缆单环式(三端互联)电网的升级改造，其过渡过程如图6所示，2个电缆单环式电网通过三端柔性环网控制装置进行互联，互联后实现3条馈线的闭环运行。

其过渡过程与架空两联络线路的过渡过程类似，需要注意的是，三端柔性环网控制装置安装在不同的位置，所需升级/改造的工程量不一样，例如，在CB1处进行升级改造，则需要将联络开关CB移动到联络线对端，此差别应在不同接入方案的经济性论证中有所体现。

4 网络结构方案对比论证

重点对含两端、三端柔性环网控制装置的典型电网结构进行对比论证。不同网架结构的特点及适用范围如下详述。

(1)两端(架空网)。特点：满足“N-1”安全约束要求，主干线正常运行时的负载率需控制在50%以下；可靠性较高，但不满足“N-2”安全约束要求；由于需留有50%的备用容量，线路投资较大。过渡方式：一般由2条辐射式线路或1对单联络线路利用柔性环网控制装置升级改造得到。适用范围：两端口的架空网接线模式是含柔性环网控制装置的架空网中最为基本的形式，适用于负荷密度不高，负荷对供电可靠性有较高要求的地区，随着电网的发展，可以逐步过渡为三端口或更多端口的接线模式。

(2)两端(电缆网)。特点：满足“N-1”安全约束要求，主干线正常运行时的负载率需控制在50%以下；可靠性较高，但不满足“N-2”安全约束要求；由于需留有50%的备用容量，线路投资较大。过渡方式：一般由单环网线路利用柔性环网控制装置升级

图6 电缆单环式(三端互联)的过渡方式

改造得到。适用范围：适用于负荷密度不高、对供电可靠性要求较高的城市电网建设初期，随着电网的发展，可以逐步过渡为三端口或更多端口的接线模式。

(3)三端(架空网)。特点：满足“N-1”安全约束要求，主干线正常运行时的负载率需控制在67%以下；可靠性较高，可满足“N-2”安全约束要求；增加了联络线路数量，减少了每条线路的备用容量，提高了线路的利用率。过渡方式：一般由1对单联络线路和1条辐射式线路利用柔性环网控制装置升级改造得到。适用范围：适用于负荷密度较大，可靠性要求较高的区域。

(4)三端单环式(电缆网)。特点：满足“N-1”安全约束要求，主干线正常运行时的负载率需控制在67%以下；可靠性高，可满足“N-2”安全约束要求；增加了联络线路数量，减少了每条线路的备用容量，提高了线路的利用率。过渡方式：一般由1对单环网和1条单射式线路利用柔性环网控制装置升级改造得到。适用范围：适用于负荷密度较高、可靠性要求较高、开发比较成熟的区域，以及城市核心区、繁华地区，重要用户的供电等。

(5)三端开闭站式(电缆网)。特点：满足“N-1”安全约束要求，主干线正常运行时的负载率需控制在67%以下；可靠性高，可满足“N-2”安全约束要求；增加了联络线路数量，减少了每条线路的备用容量，提高了线路的利用率。过渡方式：一般由1对单环网和1条单射式线路或三条单射式线路利用柔性环网控制装置升级改造得到。适用范围：开闭站宜建于负荷中心区，适用于负荷密度较高、可靠性要求较高的区域，尤其是用户容量较大的地区。

5 利用柔性环网控制装置升级改造的交直流混合中压配电网运行方式

含柔性环网控制装置的交直流混合配电网的工作模式主要分为正常工作模式、故障工作模式和检修工作模式，下面以三端柔性环网控制装置互联的2个电缆单环网为例进行介绍。

5.1 正常运行方式

图7为通过三端柔性环网控制装置实现交直流混合配电网的闭环运行，在正常运行模式下，柔性环网控制装置可控制潮流，实现馈线潮流均匀分布，能够降低网损，改善电压。

5.2 故障运行方式

5.2.1 1条馈线电源侧故障(场景1)

图8为馈线3发生电源侧故障，引起出口断路器跳闸，故障馈线的非故障区段由柔性环网控制装置互联的馈线1和馈线4提供紧急功率支援，因为是闭环运行，消除了传统电网中的倒闸时间(如闭合联络开关等)，减少了非故障区段用户的短时供电中断，提高了供电可靠性。

图7 正常工作模式

图8 1条馈线电源侧故障

5.2.2 1条馈线任意处故障(场景2)

图9为馈线3任意处发生故障，故障区段两侧断路器直接跳开故障(需配合保护升级及分布式自动化等技术措施)，故障区上游负荷由原电源点供电，故障区下游负荷可由柔性环网控制装置互联馈线进行紧急功率支援。

图9 1条馈线任意处故障

而传统配电网在同样位置发生故障，其过程为：

(1)跳开故障馈线的出口断路器，造成故障馈线全线停电；

(2)通过故障定位，找到故障点，断开故障区段两侧的负荷开关；

(3)闭合出口断路器和联络开关，非故障区段恢复供电。

可见，利用柔性环网控制装置升级改造后，可减少非故障区段用户的短时供电中断，提高系统供电可靠性。

5.2.3 2条馈线电源侧故障(场景3)

图10为馈线1和馈线3发生电源侧故障，引起出口断路器跳闸，故障馈线的非故障区段由柔性环网控制装置互联的馈线4提供紧急功率支援。

需要注意的是，如果馈线4的紧急支援功率能够满足馈线1和馈线3的负荷需求，则该次故障不会引起用户停电，否则，需要按用户重要程度，切除一部分负荷，待故障消除后，闭合出口断路器，各馈线恢复正常运行。

5.2.4 2条馈线任意处故障(场景4)

图11为馈线1和馈线4任意处发生故障，故障区段两侧开关直接跳开故障区段，故障区段上游由原电源点供电，故障区段下游可由柔性环网控制装置互联馈线进行紧急功率支援，减少非故障区段停电时间，提高供电可靠性。与场景3同理，如果馈线3紧急功率支援裕度充足时，非故障区段不用切负荷；否则，按负荷重要程度切除部分负荷。

图11 2条馈线任意处故障

5.3 检修运行方式

图12为传统两联络(馈线1与馈线2、4形成两联络)电缆单环式线路检修示意图，其中，负荷开关FN1和FN2之间为检修区，其检修过程中开关操作如下：

(1)断开检修区上游负荷开关FN1，FN1下游负荷全部停电；

(2)断开检修区下游负荷开关FN2；

(3)闭合联络开关CB1或CB2，非检修区段恢复供电；

(4)检修完成后，为避免合环冲击电流过大，需要先断开CB1或CB2，非检修区短时停电；

(5)闭合检修区两侧负荷开关FN2和FN1，使馈线1恢复正常运行。

由上述过程可知，在检修过程中，会导致非检修区段用户的2次短时供电中断。

图12 传统配电网检修示意图

如图13所示，2个电缆单环式线路通过柔性环网控制装置实现闭环运行，其检修过程较传统配电网要方便很多，即直接断开检修区两侧的断路器FN1和FN2即可，不会造成非检修区段的短时供电中断，在一定程度上提高了用户供电可靠性。

图13 含柔直环控装置检修示意图

6 结论

柔性环网控制装置的应用可实现互联馈线的柔性连接和闭环运行，减少传统电网中因故障/检修引起的非故障/检修区段的短时供电中断，提高供电可靠性；同时，柔性环网控制装置能够使馈线潮流均匀分布，提高系统供电能力，降低网损、改善电压。本文对基于柔性环网控制装置升级改造的交直流混合配电网典型接线模式、不同网架结构的特点和适用范围、传统电网升级改造的过渡方式及交直流混合配电网的运行方式进行了深入研究，为示范区中压交直流混合配电网接线模式的最终确定奠定了理论基础。

[1]李春来，杨小库．太阳能与风能发电并网技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2011：158-164．

[2]张新昌，周逢权．智能电网引领智能家居及能源消费革新[J]．电力系统保护与控制，2014，42(5)：59-67．

ZHANG Xinchang，ZHOU Fengquan．Smart grid leads the journey to innovative smart home and energy consumption patterns [J]．Power System Protection and Control，2014，42(5)：59-67．

[3]朱克平，江道灼，胡鹏飞．含电动汽车充电站的新型直流配电网研究[J]．电网技术，2012，36(10)：35-41．

ZHU Keping，JIANG Daozhuo，HU Pengfei．Study on a new type of DC distribution network containing electric vehicle charge station [J]．Power System Technology，2012，36(10)：35-41．

[4]雍静，徐欣，曾礼强，等．低压直流供电系统研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(7)：42-52．

YONG Jing，XU Xin，ZENG Liqiang，et al．A review of low voltage DC power distribution system [J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(7)：42-52．

[5]杨秋霞，刘大鹏，王海臣，等．光伏并网发电与电能质量调节统一控制系统[J]．电力系统保护与控制，2015，43(5)：69-74．

YANG Qiuxia，LIU Dapeng，WANG Haichen，et al．A combined control approach for grid-connected photovoltaic and power quality regulatory systems [J]．Power System Protection and Control，2015，43(5)：69-74．

[6]江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望[J]．电力系统自动化，2012，36(8)：98-104．

JIANG Daozhuo，ZHENG Huan．Research status and developing prospect of DC distribution network [J] ． Automation of Electric Power Systems，2012，36(8)：98-104．

[7]OKADA N．A method to determine the distributed control setting of looping devices for active distribution systems [C]//IEEE Bucharest PowerTech 2009. Bucharest, Romania:IEEE：1-6．

[8]SITHIMOLADA V，SAUER P W．Facility-level DC vs. typical AC distribution for data centers: a comparative reliability study [C]//TENCON 2010—2010 IEEE Region 10 Conference．Fukuoka：IEEE，2010：2102-2107．

[9]肖峻，李思岑，黄仁乐，等．城市电网分区柔性互联选址方法及示范应用[J]．电力建设，2016，37(5)：10-20．

XIAO Jun，LI Sicen，HUANG Renle，et al．Siting method and demonstration application of flexible interconnection in urban power grid partition [J]．Electric Power Construction，2016，37(5)：10-20．

[10]孙国萌，韩蓓，李国杰．基于概率方法的全寿命周期交直流混合配电网经济性评估[J]．电力建设，2016，37(5)：21-27．

SUN Guomeng，HAN Bei，LI Guojie．Economic evaluation of AC/DC hybrid distribution network based on probabilistic life cycle cost method [J]．Electric Power Construction，2016，37(5)：21-27．

[11]程林，王旭，黄俊辉，等．基于配网重构的交直流混联配电网可靠性分析[J]．电力建设，2016，37(5)：2-9．

CHENG Lin，WANG Xu，HUANG Junhui，et al．Reliability analysis of AC/DC hybrid distribution network based on network reconfiguration [J]．Electric Power Construction，2016，37(5)：2-9．

[12]宋强，赵彪，刘文华，等．智能直流配电网研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(25)：9-19．

SONG Qiang，ZHAO Biao，LIU Wenhua，et al．An overview of research on smart DC distribution power network [J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(25)：9-19．

[13]曾嘉思，徐习东，赵宇明．交直流配电网可靠性对比[J]．电网技术，2014，38(9)：2582-2589．

ZENG Jiasi，XU Xidong，ZHAO Yuming．Reliability comparison of AC and DC distribution network [J]．Power System Technology，2014，38(9)：2582-2589．

[14]陈庭记，程浩忠，何明，等．城市中压配电网接线模式研究[J]．电网技术，2000，24(9)：35-38．

CHEN Tingji，CHENG Haozhong，HE Ming，et al．Research on connection modes of urban middle voltage distribution networks [J]．Power System Technology，2000，24(9)：35-38．

[15]国家电网公司.配电网规划设计技术导则:Q/GDW 1738—2012 [S]．北京：国家电网公司，2012．

(编辑张小飞)

Connection Modes of AC/DC Hybrid Distribution Network Based on Flexible DC Loop Network Controller

ZHANG Wei1, WEI Tao1,CUI Yanyan1, LIU Wei1, WANG Zongli2, LI Fang2, HUANG Renle3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. Shandong Guoyan Electirc Power Technology Co., Ltd., Jinan 250101, China; 3. Beijing Electric Power Corporation, Beijing 100031, China)

The flexible DC technology is applied more and more widely in distribution network with the large-scale access of DC power supply and DC load including distributed generation and electric vehicle and the improvement of the power supply reliability. This paper studies a typical network structure of AC/DC hybrid distribution network including multi-terminal flexible DC loop network controller, proposes the transition targets, principle and process of the traditional AC grid to AC/DC hybrid distribution network, and presents the transition way of several typical grid. Finally, the mode and conversion process of the AC/DC hybrid distribution network including flexible DC loop network controller are cleared through dividing the work modes in case of the three-terminal flexible DC loop network controller, which provides the theoretical basis for the upgrading of the traditional distribution network to the AC / DC hybrid distribution network.

AC/DC hybrid distribution network; flexible DC loop network controller; connection mode; upgrading

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)

TM 726

1000-7229(2016)12-0032-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.004

2016-08-10

张伟(1988)，男，硕士，工程师，主要从事配电网优化规划技术、分布式能源接入等方面的研究工作；

韦涛(1976)，男，硕士，高级工程师，主要从事配电网规划计算分析、主动配电网规划与分析等方面的研究和管理工作；

崔艳妍(1983)，女，硕士，高级工程师，主要从事配电网规划、评估等方面的工作；

刘伟(1975)，男，博士，教授级高级工程师，主要从事配电网规划、配电网可靠性分析等方面的研究和管理工作；

王宗礼(1989)，男，硕士，工程师，主要从事微电网经济性分析、配电网规划及供电可靠性分析等方面的工作；

李芳(1990)，女，硕士，工程师，主要从事配电网规划、供电可靠性评估等方面的工作；