基于供電可靠性量化分析的110 kV電網典型接線方式選擇

尹建兵，黃民翔，許 諾

（1.杭州市電力局，杭州 310009；2.浙江大學電力經濟及信息化研究所，杭州 310027）

0 引言

110 kV電網是目前國內城市主要的高壓配電網絡。隨著城市發展，用戶對供電可靠性要求越來越高，而電力公司基于優質服務和經營目標，也致力于構建經濟可靠的供電網絡。由于110 kV電網的接線方式是影響電網供電可靠性的關鍵因素之一，因此科學選擇110 kV電網接線方式具有十分重要的社會效益和經濟效益。

通常選擇110 kV電網接線方式主要基于經濟性和可靠性2個指標，而可靠性分析主要是基于N-1的定性分析，對接線方式選擇無法進行進一步比較分析。目前國外已普遍采用計算機軟件進行可靠性定量計算分析，而國內關于可靠性定量計算方面的文獻則主要偏重于對算法的理論研究[1-5]，對具體網絡進行可靠性定量計算的文獻很少[6-8]，文獻[6]對輸電網的可靠性進行了定量分析研究，文獻[7]、[8]針對高壓配電網進行了可靠性定量分析計算，但文獻[7]中并沒有考慮主接線方式，文獻[8]的計算也只涉及到N-1故障。

本文通過理論計算選擇110 kV變電站最優規模，在此基礎上選擇包括主接線模式在內的幾種國內典型且通用的110 kV電網接線方式，再應用德國亞琛工業大學電力系統及電力經濟研究所的大型可靠性分析程序RAMSES，計算各種接線方式下的平均停電時間及國內常用的RS-1可靠性指標，并進行可靠性定量分析比較，計算過程中考慮了雙重故障的影響，在此基礎上推薦幾種經濟可靠的110 kV典型接線方式。

1 110 kV變電站規模優化選擇

1.1 110 kV變電站最優容量計算

選擇110 kV變電站規模應同時滿足經濟性和可靠性要求。根據國內外研究資料，110 kV變電站規模的選擇與負荷密度、中壓饋線長度和中壓接線方式等有關，其中負荷密度是一個非常關鍵的因素。根據參考文獻[9]，110 kV變電站的最優容量可通過以下公式估算：

式中：k1≈50；S為變電站容量；σ為考慮同時率后的平均負荷密度。

根據上式計算的110 kV變電站優化規模結果見表1。

表1 110 kV變電站最優容量計算表

1.2 110 kV變電站主變組合

根據N-1原則，考慮主變壓器1.3倍過載率，計算滿足N-1準則下的各方案變電站最大負載率見表2。從中可以看出，4臺以下主變時，主變臺數越多，負載率越高；4臺及以上主變時，很可能因受短路電流限制而無法并列運行，負載率反而下降。考慮4臺及以上主變時，電網接線通常較復雜，因此一般不推薦4臺以上主變組合。

1.3 110 kV變電站推薦規模

根據以上110 kV變電站最優容量、最大負載率的分析，110 kV變電站的推薦規模見表3。

根據國內大多數城市遠景負荷預測，負荷密度一般為20～30 MW/km2，110 kV變電站規模為3臺40 MVA或50 MVA的主變組合。因此，本文主要以3臺主變為基礎開展接線方式可靠性分析。

表2 變電站最大負載率

表3 110 kV變電站推薦規模

2 110 kV電網接線方式選擇

2.1 變電站主接線方式選擇

主接線方式選擇包括220 kV變電站110 kV側主接線、110 kV變電站110 kV側主接線和110 kV變電站10 kV側主接線。根據國家電網公司關于變電站典型化設計及“兩型一化”等規定，110 kV電氣主接線一般選擇以下方式：

（1）220 kV變電站110 kV側電氣主接線采用雙母線、雙母線分段、單母線分段接線。

（2）110 kV變電站110 kV側主接線采用線路變壓器組單元接線或內橋加線路變壓器組單元接線等。

（3）110 kV變電站10 kV側主接線采用單母線四分段的接線。

2.2 110 kV電網典型接線方式選擇

以3臺主變為主的城市110 kV變電站主要有圖1所示的幾種典型接線模型。模型1為單電源輻射結構，模型2－6為雙電源輻射結構，其中：模型2為雙電源獨立輻射結構，模型3－5為雙電源2T輻射結構，模型6為雙電源3T輻射結構。

模型選擇一般考慮以下因素：

（1）雙電源輻射網絡在一個上級變電站停運時，仍能保證110 kV電網正常供電，因此比單電源輻射網絡有更高的可靠性，但隨著電源數量和網絡建設費用增加，網絡構造和運行也相應復雜。

（2）應根據供電可靠性要求，因地制宜選用合適的網絡結構。一般情況下，在城區范圍以選用雙電源輻射網絡為主，而在農村區域主要選用單電源輻射網絡。

圖1 3臺主變的110 kV變電站電網接線模型

以上模型選擇時雖然考慮了可靠性和經濟性，但可靠性只有定性分析。如模型1與模型2－6的比選可以通過可靠性定性分析得出結論，但簡單的可靠性定性分析不適用于模型2－6之間的比選，還需要進行可靠性定量分析。

3 可靠性計算

3.1 可靠性計算模型

浙江大學引進了德國亞琛工業大學電力系統及電力經濟研究所的大型可靠性分析程序RAMSES，可以對110 kV電網的典型接線進行計及主接線模式并考慮雙重故障的可靠性計算。以模型1為例，根據軟件要求搭建計算模型如圖2所示。

可靠性計算參數采用德國的可靠性典型參數。電網其他的計算分析條件如下：

（1）110 kV 變電站規模為 3×50 MVA， 主接線方式及正常運行方式如圖3所示。主變考慮可過載30%。

圖2 模型1的網絡計算模型

圖3 110 kV變電站正常運行方式

（2）10 kV側負荷按主變容量87.5%選取，功率因數取0.9。

（3）110 kV線路長度取平均長度2 km，電纜截面630 mm2，最大電流700 A，線路不考慮過載。

（4）對電源的假設：220 kV變電站規模按3×240 MVA考慮，110 kV側主接線采用單母三分段，正常時2臺并列運行，另1臺獨立運行。將每臺主變等效為一個等值電源，作為網絡的電源點。

3.2 可靠性計算結果

基于德國可靠性典型參數的可靠性計算結果如表4-5所示。

表4 可靠性計算結果：年平均停電時間

表5 以RS-1表示的可靠性計算結果

3.3 可靠性計算結果比較分析

將可靠性計算結果按年平均停電時間排序，如表6所示。

表6 可靠性計算結果排序表

從表6中可看出，供電可靠性從高到低依次為：模型2＞模型1＞模型4＞模型5＞模型3＞模型6。模型2為雙電源輻射網絡，2座220 kV變電站向1座110 kV變電站供電，故可靠性較高；模型6為雙電源3T網絡結構，由2座220 kV變電站向3座110 kV變電站供電，供電可靠性最差；模型1雖為輻射網絡，因上述可靠性計算沒有考慮220 kV變電站全停的情況，故其可靠性較高。

綜上所述，如果考慮220 kV變電站全停，則模型1的110 kV變電站全所失電時的停電時間最長，且沒有轉供能力，恢復時間長，因此模型1只能應用在可靠性要求不高的區域；模型6可靠性最差，并且停一條線路需要同時停3臺主變，影響范圍大；模型2可靠性最好，但2個220 kV變電站供1個110 kV變電站，且均為獨立線路，接線不經濟，因此也不推薦；模型3－5均為雙電源2T輻射網絡，從可靠性看，模型4＞模型5＞模型3，從經濟性看也是模型4＞模型5＞模型3，因此模型3不推薦，模型4、5可靠性基本相同，但模型5有1回直接聯絡線，運行較為靈活，可以在220 kV變電站間需要直接聯絡線時采用。

4 結論

根據電網接線供電可靠性定量計算分析，城市電網接線方式主要推薦模型4、模型5，其中模型4可作為最常用接線，模型5在220 kV變電站間需要直接聯絡線時采用；農村電網等可靠性要求不高的區域可采用模型1。

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