配电网网架多变结构组态仿真研究

宋经华 宋江浩 王 营 董梦柯 马 寅

（西安世豪汇科智能科技有限公司，陕西 西安 710061）

0 引言

国内配电网的主接线架构因地域不同、负荷不同，导致供电可靠性的要求有所不同，采用的主接线方式各不相同，输电线路的类型也不同。配电网在运行中受到自然因素的影响，必然会存在诸多问题，为了验证与测试配电网的不同网架主接线变化的潮流分布及故障状态下自动化系统中发生的问题，对实际系统的相应配电网主接线进行仿真研究，并对配电网的运行规律、故障特征及其自动化系统进行试验，来验证并保证配电网与自动化系统设备的可靠性、安全性、选择性及灵敏性［1-3］。现实中的配电网主接线网架结构有多种方式，且各国配电网的结构不一样。因此，使用一个能灵活组态的仿真试验模型，来对配网多种结构进行试验研究［4］。现有的配电网实验室大多是设置几条配电线路，很难对实际接线方式进行全方位的仿真。本研究在对国内配电网网架结构主接线分析的基础上，设计出可灵活组态的配电网网架主接线仿真模型，通过仿真断路器的不同投切，对现有配电网的网架主接线结构模式进行灵活多变的组态，从而仿真出不同的主接线的接线模式，并进行试验研究［5-7］。该仿真模型不仅能对现有的配电网多种主接线方式进行仿真，还能对配电网多融合电源的运行特性进行试验和测试。

1 国内外配电网的主要结构模式

由于我国地域辽阔，不同地区的条件不同，城市与农村的人口密度不同。尤其是大都市圈发展起来后，地域的差异化变得更大，配电网的网架结构因地域不同而有所差异。总结配电网的网架结构特点，可将其归纳为两类典型模型，一种是采用架空线路部分典型接线模式（见图1），另一种是采用电缆部分典型接线模式（见图2）［8-9］。这两种方式都有其应用的环境条件，并产生不同的供电可靠性。

图1 架空线典型配电模式

由于农村的地域宽广，架空线路大多适用于农村电网。而在城市电网中，由于城市人口密度高和工业集中，一般采用电缆型。

2 国外配电网结构模式

在国际上，各国配电网的电压等级不同，结构也不相同。日本、新加坡、英国、德国、法国、美国因条件不同、要求不同，均有着不同的典型接线方式。

日本中压配电网是指22 kV、6.6 kV 的公用电网［10］。T形接线结构作为日本中压配网的主要方式，包括单侧电源双回T形和双侧电源双回T形。此外，日本还采用“点网”的供电方式。如22 kV 供电3 回“点网”方式与400 V 常规配电网直接供电方式相互配合，从而实现22 kV/400 V 一体化的地下配电方式，两种结构的示意图如图3所示。

图3 日本配电网典型接线模式

新加坡22 kV和6.6 kV为中压配电网所采用的电压等级。新加坡采用花瓣状环形的配电网，如图4 所示。由一个变电站的一段母线引出一条总线，通过一个圆环环节变电站后，再回到本变电站的另一条母线，由此来构成一个“花瓣”。多个“花瓣”构成以变电站为中心的一朵“花”。这样由“花瓣”相切的方式能更好地实现负荷的转供，同时也能大大提高拓展型。

图4 新加坡花瓣式配电网结构

英国中压配网电压等级为33 kV 和11 kV。中压配电网的结构主要有网孔型、环型、放射型。

法国中压配网的电压等级为20 kV 和15 kV。法国的中压配电网首选环群/仿垂的接线模式，如图5 所示。通过对开断断路器的操作可改变不同的供电网络结构。

图5 英德法多电源供电断路器操作，改变运行方式典型结构模式

德国中压配网的电压等级分为10 kV 和6 kV。德国的中压配电网主要采用环型/网孔型接线模式。

美国的中压配电网多采用中性点直接接地系统，一般为环网结构，并开环运行。此外，在美国中压配网结构中有一种独特的接线模式，即“4×6”网络接线［11-12］，如图6 所示。该接线模式的优点是经济性与可靠性，美国和加拿大的城市中压配电系统首选“4×6”网络接线。

图6 美4×6模式，4个电源进行，供6边不同线路负荷结构模式

3 电网主接线灵活组态仿真模型设计

在对国内外配电网网架主接线的多种模式进行分析的基础上，本研究采用仿真电源、仿真断路器投切灵活组态的方式，能满足不同接线方式下的仿真试验要求。可灵活组态的仿真试验模型如图7所示。

图7 配电网主接线灵活组态仿真实验模型

在图7 中，仿真电源可采用常规大电网，通过隔离变压器进行供电，也可采用太阳能、风能电源进行供电。采用模拟断路器来模拟断路器与开关的闭合，线路采用架空输电线路模型、架空绝缘线路输电线路模型和电缆输电模型，负荷配置负荷变接在不同节点上，负荷变下接不同的有功和无功负荷，从而达到负荷调节的目的。断路器与开关口可接测量互感器，用于测量运行特性。断路器与开关可配置自动操作与保护模块，根据设定功能可跳合断路器或开关，从而对保护、自动控制部分进行仿真特性研究。

4 基于灵活组态仿真模型的运行方式调整

通过投入不同的设备，断开或闭合不同的断路器和开关，可对不同配电网的网架结构中不同的接线方式进行仿真试验模拟。

4.1 双辐射供电模式仿真试验模型

按照灵活组态仿真模型，可组合出双辐射的供电模式，见图8。

图8 双辐射供电模式仿真实验模型

4.2 单辐射长距离混合供电模式试验模型

通过调整仿真断路器、开关、电源，来完成对架空线路、架空绝缘线和电缆线路混合供电的输电模式的模拟，如图9所示。

图9 单辐射长距离混合供电模式试验模型

4.3 单环网手拉手模式

通过电源1 进行供电，Ⅰ母线与Ⅱ母线经联络开关100 直连，105、106 开关起到联络作用，从而形成环网手拉手模式（见图10）。

图10 单环网手拉手模式

4.4 3-1模式

母线Ⅰ通过联络开关及输电线路到达母线Ⅱ，以母线Ⅱ联络开关形成备用，同时105、106 断路器以联络开关的备用形式出现，形成3-1 模式（见图11）。

图11 3-1模式

4.5 电源各带本地负荷互为备用模式

双电源各带本地负荷互为备用模式，如图12所示，也可采用两电源初始所带负荷的互换模式。图12 所示的103、106 断路器将作为备用联络开关（备用自投开关）。图13 为开关站（开闭所作用）模式。

图12 双电源各带本地负荷互为备用模式

图13 开关站模式

4.6 单T直供，双T备用

单T 直供，双T 备用（见图14）。外环负荷开关在双T 备用模式下可以不投，也可带一些模拟E 类不重要的负荷。

图14 单T直供，双T备用

4.7 新加坡花瓣相切型模式

接线间通过开关可相切互联，从而完成花瓣式环状接线方式的运行（见图15）。

图15 新加坡花瓣相切型模式

4.8 日本三线（2线）并行点网供电模式

一个负荷点三线并行点供，如图16 所示。图中三线并行供给最后变为两线，并互为备用相连。这是因为设备的限制，导致局部只能融合为两线。

图16 日本三线（2线）并行“点网”供电模式

4.9 英德法网孔及4-1模式

英德法网孔和交流电路的网孔计算方式一样（见图17），可直接查看网孔，并通过调整网孔间的断路器或联络开关来构成不同的运行方式，但其是多电源模式，少电源时的网孔连接，只能以所有断路器及联络开关组合进行调整，从而保证每个网孔的供电连续性。

图17 英德法网孔及4-1模式

4.10 美式4×6型的转换

4×6 接线模式为4 个电源点、6 条线路，每条线路各带自身负荷，线路互为备用，适合比较邻近的供电区域，能极大提高供电的可靠性，其组合模式如图18 所示，备用的两个联络开关在此将起到很大作用。

图18 美式4×6型的转换模式

103、1 032、1 033、1 052、105 断路器和两母线联络开关1 021、1 011 构成外四边形，104 所示的104、1 041、1 042、1 104、1 102构成一条对角线，106所示的106、1 061、1 062、1 094、1 092 构成一个对角。同时，109、110开关断开，其所带的负荷由对角线转供。

该接线方式已满足“4×6”，当两个备用电源投入时就成为真实的“4×6”供电模式。在现有模式下将两个备用电源开关接入现有的两个电源母线联络，并进行仿真研究。

5 结语

该灵活组态的配电网网架主接线仿真模型能实现灵活组态配电网的主接线方式。该模型不仅能满足对目前实际电网进行研究的要求，也适合对未来各种运行方式调整、变换、故障短路、自动化配置方案进行研究，并进行比较实践。由于方案的调整方式有很多，详细的调整方法要根据实际需求进行确认。组态仿真模型对研究配电网接线方式与自动化配置和保护装置特性仿真试验具有积极的意义。