高中压配电网网架结构协调规划方案

2021-05-07张永斌王主丁庞祥璐韦婷婷

电力系统自动化 2021年9期

张永斌，张漫，王主丁，，庞祥璐，韦婷婷

（1. 国网河南省电力公司，河南省郑州市450018；2. 重庆大学电气工程学院，重庆市400044；3. 重庆星能电气有限公司，重庆市400039；4. 国网四川省电力公司仁寿县供电分公司，四川省眉山市620500）

0 引言

配电网直接与电力用户相连，对其供电可靠性及电能质量的要求越来越高。目前，高压和中压配电网（简称“高中压配电网”）由多种结构组成，同时，还存在辐射型支路，这是造成供电安全可靠性较低的原因之一。截至2017 年年底，国家电网有限公司城、乡供电可靠率分别为99.948% 和99.784%［1］。为了实现供电安全可靠性目标（例如A 类供电区域的用户年平均停电时间不大于52 min）［2］，在电网规划与改造工作中，应对网架结构进行优化，尽量在提高供电质量的同时减少资金的投入。

传统的配电网规划多是将高中压配电网分开进行规划。这样可能导致配电网上、下级之间的协调性不佳，且目前高供电安全可靠性规划方案多以高中压配电网“强-强”的配合模式为主，侧重方案的安全性和可靠性而尚未统筹考虑其经济性问题。这一问题已引起相关部门的重视，文献［2］明确提出“高压、中压和低压配电网3 个层级应相互配合、强简有序和相互支援，以实现配电网技术经济的整体最优”。目前，国内外学者对高中压配电网的整体协调规划有了一定研究，以实现高中压配电网规划与改造的整体最优或次优［3-20］。文献［3-5］就网架的相互协调提出了高中压“强、简”等概念及其配合方式，但缺乏明确的定义和定量计算分析；文献［6-8］主要考虑电网与电源、负荷和外部环境（例如经营环境、经济发展、环评和城市其他规划等）的协调发展；文献［9-10］考虑了高压变电站与其供电范围之间的相互协调；文献［11-14］建立了电网协调性评估体系，侧重于方案的评估；文献［15-19］在总费用中考虑了停电损失费用，但仅涉及高压或中压配电网；文献［20］基于接线模式对两级配电网形成的多种组合电网分别进行了经济性和可靠性指标的量化计算。上述文献均没有对高中压网架“强、简、弱”进行明确定义，未能全面地从供电安全性、可靠性和经济性方面对相应典型协调方案进行定量计算分析和对比，也未由此得出较为具体的一般性结论或建议。

本文分别对高中压配电网的“强、简、弱”给予明确的定义，建立了一套基于安全性、可靠性和经济性评估的高中压配电网网架结构协调方案优选模型，并采用计及停电损失费用的总费用最小评估模型进行方案优选。通过高中压网架结构典型协调方案安全性、可靠性和经济性的计算分析，总结出各协调方案的适用范围，为实际配电网规划工作提供了参考。

1 典型网架结构协调实例

法国巴黎电网是20 世纪40 年代网架规划战略的具体体现，本文首先以巴黎电网作为典型实例进行了高中压网架结构协调的调研。

1.1 巴黎电网

法国巴黎中心城区面积为105 km2，负荷密度为30.9 MW/km2，年户均停电时间为10 min，供电可靠率为99.997 15%；巴黎电网的电压等级分别为400 kV、225 kV、20 kV 和0.4 kV。

1）高压配电网的网架结构

巴黎城区外围分别形成了400 kV 和225 kV 的环式组网形态，再通过城内27 条225 kV 线路为含56 台主变压器的36 座变电站供电（即每条225 kV高压辐射线路含有1 个或2 个变电站）。从外到内由辐射状线路供电的这36 座225 kV 高压变电站形成了3 层环式布局。

2）中压配电网的网架结构

巴黎中压配电网为三环组网形态，如附录A图A1 所示。该三环组网形态仅在环路方向进行联络，相对于联络方向不固定的网孔型组网形态更为标准化，可减少规划设计部门的工作量，有利于实现自动化和采用统一的控制策略。不同环路的变电站大多由同一条从外到内的225 kV 线路供电。

1.2 调研启示

巴黎中压环网结构保证了供电质量，扩展性强。225 kV 辐射型电网虽然相对薄弱，但减少了通道占用和不必要的资金投入。值得注意的是，尽管高压配电网呈相对薄弱的单辐射状组网形态，高中压组网形态的合理配合并没有影响电网整体供电的安全可靠性和经济性。

2 高压和中压“强、简、弱”的定义

基于典型网架结构协调实例的启示，对高压和中压网架结构“强、简、弱”进行了较为明确的定义。

2.1 接线模式

1）高压配电网

为了使配电网建设标准化和规范化，中国配电网规划导则针对不同的供电区域类型有推荐的高压典型接线模式［2］。其中，根据是否满足上级供电变电站、通道和线路“N-1”供电安全性，高压典型接线模式可分为链式、环网式和辐射式（包括双辐射和单辐射）三大类，每一大类又可分为T 形接线和π 形接线。

2）中压配电网

中国配电网规划导则针对不同的供电区域类型也有推荐的中压典型接线模式［2］。其中，架空接线主要有辐射式和多分段适度联络2 种类型；电缆接线主要有辐射式、单环式、双环式和“N 供1 备”式4 种类型。根据是否满足变电站和通道“N-1”供电安全性，这些接线又可分为站间联络接线、自环接线和辐射形接线。

2.2 “强、简、弱”的分类思路

高中压配电网网架结构典型协调需要分别给出高压和中压“强、简、弱”的定义。一般情况下，高压或中压从“弱”到“简”再到“强”，安全可靠性越来越高，但投资会越来越大。其中，相关技术导则中的供电可靠性指标通常是由多个电压等级电网（例如高中压配电网）共同作用的结果，而且相关的影响因素也较多（例如故障/计划停电率），难以据此分别对不同电压等级进行“强、简、弱”的分类。而基于供电安全标准的分析方法与可靠性评估方法不同，仅涉及单次停电后果（即停电负荷大小和时间长短）但不考虑停电概率［21-23］。因此，本文主要基于供电安全性分别对高中压配电网的“强、简、弱”进行定义。

2.3 “强、简、弱”的定义

高中压配电网网架结构涉及点（例如变电站）和线（例如线路及其通道），其“强、简、弱”可分别从供电安全性角度进行定义，如接线模式和馈线自动化（feeder automation，FA）水平，如表1 所示。其中，供电安全性为涉及“N-1”停运（包括自然灾害和输电线路倒塔等造成的停电）的供电安全标准［22］，即在最大负荷时不同电压等级配电网单一元件停运后在规定时间内必须恢复一定大小的最低负荷。可见，“强”的配电网满足上级变电站和通道“N-1”安全校验，但占用通道较多，投资大；“简”的配电网满足线路和主变压器“N-1”安全校验但不满足上级电源或上级变电站“N-1”安全校验，通道占用和投资居中；“弱”的配电网不满足线路或主变压器“N-1”安全校验，通道占用少，投资相对较小。

由表1 可知，中压配电网“强、简、弱”的定义与高压配电网的相应定义基本相同，差别在于影响停电时间的技术装备水平，特别是FA 水平。

表1 高中压配电网“强、简、弱”的分类Table 1 Classification of“strong, simple and weak”in high- and medium- voltage distribution networks

3 网架结构协调方案优选模型

以含停电损失费用的总费用最小为目标，建立高中压网架结构典型协调方案的优选模型，用于寻求可实现安全性、可靠性和经济性之间平衡的合理协调方案。

3.1 典型协调方案

基于上述高中压配电网“强、简、弱”的分类，可对高压和中压“强、简、弱”进行组合，得到9 种典型高中压“强、简、弱”配合模式（即高中压典型网架协调方案），分别为“强-强”“强-简”“强-弱”“简-强”“简-简”“简-弱”“弱-强”“弱-简”和“弱-弱”（其中，符号“-”的左右分别代表高压和中压网架结构“强、简、弱”的类别），如附录A 图A2 所示。

3.2 方案优选模型

基于“技术可行、经济最优”的基本规划理念，以总费用最小为目标，在满足电网的基本技术要求（例如潮流和短路）以及相应供电安全可靠性的条件下，高中压网架结构协调方案优选模型可表示为：

3.3 费用估算

3.3.1 高压配电网年费用

高压配电网年费用CHV包括高压线路投资年费用Chvxt、高压开关投资年费用Chvkt和高压线路电能损耗年费用Chvxs，即CHV=Chvxt+Chvkt+Chvxs。

1）高压线路投资年费用

高压线路投资年费用Chvxt可表示为：

式中：LhV为高压线路的长度；ChV为高压线路单位长度的综合造价（含通道费用）；ε=kz+ky+kh为系数，其中，kz、ky和kh分别为折旧系数、运行维护费用系数和投资回报系数。

2）高压开关投资年费用

开关投资年费用Chvkt可表示为：

式中：Nk为开关总数；Ck为单个开关的价格。

3）高压线路电能损耗年费用

线路电能损耗年费用Chvxs可表示为：

式中：Ce为购电电价；ΔPmax为线路的最大功率损耗；τmax为最大负荷损耗的时间。

3.3.2 中压配电网年费用

中压配电网年费用CMV主要包括中压线路投资年费用Cmvxt、中压线路电能损耗年费用Cmvxs和中压配电自动化费用Cmvda，即CMV=Cmvxt+Cmvxs+Cmvda。

1）中压线路投资年费用

中压线路投资年费用Cmvxt可表示为：

式中：kq为考虑了支线的中压线路曲折系数；Rmv为中压线路的供电半径；Ns为110 kV 变电站的数量；nt为1 座110 kV 变电站的主变压器平均台数；nl为单台主变压器的平均出线数；cmvl为中压线路单位长度的综合造价（含通道费用）。

2）中压线路电能损耗年费用

中压线路电能损耗年费用Cmvxs的计算公式与高压相应计算公式类似，但需要考虑涉及沿线负荷分布形式的功率损耗系数［24］。对于有联络的中压线路，由于呈辐射状运行的中压线路电能损耗年费用通常相近，对各协调方案的费用比选结果影响很小，可以忽略不计；但对于中压双辐射和单辐射接线比选的情况，由于电能损耗不同，在方案比选中应计入相应的电能损耗年费用。

3）配电自动化费用

由于城市的中压配电网“强”或“简”的网架结构区别在于影响停电时间的配电自动化程度。因此，还需要考虑配电自动化费用的差异。

3.3.3 年停电费用

年停电损失费用CHMT可简化表示为：

式中：CE为单位电量的（故障和预安排）平均停电成本，该值一般根据产电比法估计，计算简单且资料易得［25］；Pmax为最大负荷值；ξ 为负荷率（即平均负荷与最大负荷之比）；TSAIDI为用户年平均停电持续时间，可根据高中压配电网可靠性协调评估模型计算得到［25］。

4 基于安全可靠和经济的典型方案优选

4.1 方案优选思路

由于本文主要是基于供电安全性对高压和中压“强、简、弱”分别进行的定义，通过高压和中压“强、简、弱”组合得到的典型方案还需要综合考虑高中压配电网整体的安全性、可靠性和经济性。鉴于A+、A、B、C、D 和E 类供电区域对供电可靠性有不同的具体要求［2］，本文在对有限个候选典型方案基于“技术可行、经济最优”进行优选时，按照相关要求对候选方案的“技术可行”进行校验，以体现不同供电区域规划的差异化。

对于式（1）所示的优选模型，假设潮流和短路约束满足相关要求，针对城市配电网和农村配电网典型案例，在满足相应供电区域安全性和可靠性要求的条件下，基于总费用最小化原则进行方案优选，以获得高中压网架结构典型协调方案较为具体的一般性结论或建议。其中，城市配电网和农村配电网在本文中分别定义为中压馈线可以实现有效的站间联络和难于实现有效站间联络的电网。城市配电网主要涉及相关导则中定义的A+、A、B 和C 类供电区域，农村配电网主要涉及D 和E 类供电区域。

4.2 典型案例

本案例城市配电网为含有2 个110 kV 变电站的供电单元。2 个变电站在空间上均匀分布于上级变电站之间且容量均为100 MVA（2×50 MVA），高压线路为电缆，高压“强、简、弱”接线模式具体如下。

1）“双链π 接+2 站”，即双侧电源（此处电源指220 kV 或330 kV 变电站）的接线模式为双链式中的π 形接线，连接2 座110 kV 变电站。

2）“2×（双辐射+1 站）”，即2 组“单侧电源的接线模式为双辐射，并连接1 座110 kV 变电站”（站间无联络）。

3）“2×（单辐射+1 站）”，即2 组“单侧电源的接线模式为单辐射，并连接1 座110 kV 变电站”（站间无联络）。

农村配电网为含有3 个110 kV 变电站的供电单元（3 个变电站在空间上均匀分布于上级变电站之间且容量均为2×31.5 MVA），高中压线路均为架空线，高压“强、简、弱”接线模式具体如下。

1）“双链π 接+3 站+2 变”，即双侧电源的接线模式为双链式中的π 形接线，并连接3 座110 kV 变电站，每座变电站有2 台主变压器。

2）“双辐射π 接+3 站+2 变”，即单侧电源的接线模式为双辐射中的π 形接线，并连接3 座110 kV变电站，每座变电站有2 台主变压器。

3）“单辐射π 接+3 站+2 变”，即单侧电源的接线模式为单辐射中的π 形接线，并连接3 座110 kV变电站，每座变电站有2 台主变压器。

高压和中压网架结构采用附录A 表A1 中的常见接线模式。

4.3 基础数据

1）系统参数

对于城市配电网和农村配电网，负荷率分别为0.7 和0.5，主变压器负载率分别为0.65 和0.60，最大负荷损耗时间分别为2 000 h 和1 250 h；单台主变压器10 kV 出线的平均出线数为9；涉及沿线负荷分布形式的10 kV 线路功率损耗系数为0.81；线路曲折系数为2。

2）经济参数

折旧系数、运行维护费用系数和投资回报系数分别为0.045、0.025 和0.100；110 kV 购电电价为0.45 元/（kW·h）。

城市和农村中压架空线路（型号为JKLYJ-185）综合造价分别为30 万元/km 和20 万元/km，城市中压电缆线路（型号为YJV22-3×300）综合造价为130 万元/km；高压单回架空线路（型号为LGJ-240）和双回架空线路综合造价分别为51 万元/km 和74 万元/km，高压电缆线路（YJLV-500）综合造价为450 万元/km；高压和中压开关价格分别为65 万元/台和5 万元/台。

经费用调研，中压配电自动化费用Cmvda可根据附录A 表A2 和表A3 估算。

3）可靠性参数

高压配电网负荷转供时间为5 s（备用电源自动投入装置动作时间），城市配电网中压“强”电网转供时间为1 min，城市配电网和农村配电网中压“简”电网的转供时间分别为1.5 h 和2 h；城市配电网单位电量平均停电成本分别考虑了0.5 元/（kW·h）和20 元/（kW·h）的情况，而农村的单位电量平均停电成本则分别考虑了0.5 元/（kW·h）和10 元/（kW·h）的情况。对于城市配电网和农村配电网，变电站低压母线的负荷在高压侧配电网停运时可通过10 kV线路转供的比例分别为1 和0；10 kV 馈线采用负荷开关分为3 段；高压和中压元件典型可靠性参数分别如附录A 表A2 至表A5 所示。

4）安全性和可靠性要求

根据相关导则［2］，A+、A、B、C、D 和E 类供电区域的用户年平均停电时间应分别为不大于5 min、52 min、3 h、12 h、24 h 和相应承诺指标。根据相关供电安全标准［22］，若变电站或主变压器“N-1”停运，其所带的大部分负荷（不小于2/3）应在15 min内恢复供电，其余负荷应在3 h 内恢复供电；若10 kV 线路“N-1”停运，其所带负荷中除去2 MW外的部分负荷应在3 h 内恢复供电。

4.4 供电安全性分析

基于供电安全性要求，9 种典型高中压网架结构“强、简、弱”协调方案的“N-1”安全性分析结果如表2 所示（表中“√”表示满足“N-1”校验，“×”表示部分满足“N-1”校验，例如站间联络或自环满足，而相同通道的多辐射不满足）。可见，“强-强”“简-强”和“弱-强”的安全性最高，满足各种“N-1”安全性要求，且从安全性来看中压“强”时高压不必“强”；“弱-弱”对于所有“N-1”都不能满足安全性要求；“强-简”和“简-简”除部分高压“N-1”外基本满足安全性要求；“强-弱”和“简-弱”仅能满足部分高压“N-1”校验；“弱-简”仅能基本满足中压通道和线路“N-1”校验。

表2 典型协调方案不同“N-1”情况下的安全性分析Table 2 Security analysis of typical coordinated scheme with different“N-1”situations

4.5 可靠性计算分析

针对典型协调方案，采用高中压配电网可靠性协调评估方法［25］，分别对考虑了高压配电网影响的城市配电网和农村配电网可靠性指标进行计算，结果如附录A 表A6 和表A7 所示。

1）当中压配电网为“强”时，无论高压配电网是“强”“简”或“弱”，停电时间都较短，可靠性水平均较高，即中压做“强”时，高压“强、简、弱”对配电网整体可靠性影响较小。

2）“弱-弱”模式停电时间最长，可靠性极差，停电时间大于15 h。

3）供电可靠率达到99.999%的条件一般为：中压尽量做强，供电半径较短，采用电缆。

4.6 经济性计算分析

基于高中压配电网可靠性协调计算的结果，计算各典型协调方案的年投资费用、运行费用、年停电损失费用和总费用，结果如附录A 表A8 至表A10所示。

1）高中压配电网均为“弱”且停电损失费用远大于常规电价（即0.5 元/（kW·h））时，经济效益特别差，但仅为“强”或“简”的高压或中压配电网均能大幅提升经济效益。高中压配电网均为“强”时，经济效益与“强-简”“强-弱”“简-简”和“简-弱”相比差别不大。城市配电网为“强”中压相对于“强”高压效果更好，“弱-强”模式费用最低；农村配电网为“强”高压相对于“简”中压效果更好，“简-简”模式费用最低，但在中压只可能为“弱”的情况下，“简-弱”模式费用最低。农村配电网高压为“强”或“简”时，T形接线模式更为经济，高压为“弱”时，π 形接线模式更为经济。

2）在停电损失费用为常规电价时，城市配电网“弱-强”模式费用最低；农村配电网“弱-简”模式费用最低，但在中压只可能为“弱”的情况下，“弱-弱”模式费用最低。农村配电网高压T 形接线模式较π 形接线模式更为经济。