中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡(luò)分析模型

王賽一，李露瑩，劉 鋼，劉 海，劉 洪，韓 俊，劉 陽

（1.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；2.上海浦海求實(shí)電力新技術(shù)有限公司，上海 200090；3.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384；4.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

長期以來，10 k V配電網(wǎng)網(wǎng)架一直存在著復(fù)雜、參差不齊的混沌狀態(tài)，主要是由于地區(qū)負(fù)荷發(fā)展不平衡以及中低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架沒有統(tǒng)一、整體的規(guī)劃所造成的。這種運(yùn)行狀態(tài)無論是從管理調(diào)度［1，2］的方便性，還是從配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性［3～6］講，都是有隱患的。

目前關(guān)于10 k V中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)［7～9］的研究工作，主要體現(xiàn)在接線模式［10～13］的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面的研究上，而10 k V接線模式涉及到的大多數(shù)是主干線路，對于從開關(guān)站分出來的次級10 k V線路的研究并不多，沒有相關(guān)成型的結(jié)論，這恰恰正是10 k V配電網(wǎng)混亂的地方所在。因此，有必要對10 k V中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及功能特性開展相關(guān)研究工作。

針對上述問題，本文首先界定10 k V中壓配電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)和次級網(wǎng)絡(luò)的概念，綜合考慮次級網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能特性構(gòu)建了次級網(wǎng)絡(luò)分析模型，并且根據(jù)實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行情況，合理設(shè)置參數(shù)邊界條件，進(jìn)行模型簡化和計算分析。

1 中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡(luò)概念的定義

1.1 中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的概念

10 k V配電網(wǎng)“分層分區(qū)”原則是指在10 k V中壓配電層級上，依據(jù)網(wǎng)架的聯(lián)絡(luò)關(guān)系和供電能力，將該配電電壓層級再分若干層次；依據(jù)電網(wǎng)建設(shè)的具體區(qū)域性質(zhì)，將該配電電壓層級劃分為若干區(qū)域，使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)明晰，管理調(diào)度易于進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 10 k V配電網(wǎng)“分層分區(qū)”結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of divided 10k V distribution network

從圖1可以看出，10 k V中壓配電網(wǎng)可以分為兩個層次：層次一即從變電站低壓側(cè)所出的主干線路（包括重要用戶的10 k V專線、K型站和P型站電源進(jìn)線、架空主干線路等）；層次二即從K型站出線到P型站、WX型站及10 k V用戶的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)10 k V線路性質(zhì)可將中壓配電網(wǎng)分為兩個區(qū)域：即“電纜網(wǎng)絡(luò)”和“架空網(wǎng)絡(luò)”，在具體規(guī)劃工作中，應(yīng)注意電纜網(wǎng)絡(luò)及架空網(wǎng)絡(luò)的適度交錯。

1.2 主干網(wǎng)絡(luò)概念的界定

所謂主干網(wǎng)絡(luò)，即從110 k V或35 k V變電站低壓側(cè)所出的10 k V主干線路，主要包括10 k V專用線路、K型站及P型站的電源進(jìn)線、架空主干線路等。以K型站供電模式為主的主干網(wǎng)絡(luò)示意如圖2所示。

圖2 K型站供電模式為主的主干網(wǎng)絡(luò)示意Fig.2 Schematic diagram of K－Station backbone grid

1.3 次級網(wǎng)絡(luò)概念的界定

次級網(wǎng)絡(luò)，主要指K型站、P型站出線所構(gòu)成的10 k V網(wǎng)絡(luò)，次級網(wǎng)絡(luò)在主變負(fù)荷的合理分配等方面起著重要的作用。其結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 次級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of secondary grid

特別要指出的是：本文研究的K型站指普通開關(guān)站，10 k V線路一般采用二進(jìn)十出模式；P型站指土建規(guī)模及站內(nèi)配變?nèi)萘勘菿型站稍小，10 k V線路一般采用二進(jìn)六（八）出模式，另外P型站又分為兩種，即PF站（無站內(nèi)配變）和PTZ（有1－2臺站內(nèi)配變）站；WX型站指的是一般意義上的箱變。

2 次級網(wǎng)絡(luò)分析模型的構(gòu)建與求解

2.1 次級網(wǎng)絡(luò)分析模型構(gòu)建的整體思路

本文次級網(wǎng)絡(luò)分析模型主要圍繞K型站及其進(jìn)出線來構(gòu)建各部分的計算模型，主要包括以下三個方面：

①10 k V線路裝接配變?nèi)萘康拇笮〉姆治瞿Ｐ停?/p>

②K型站不同型號電纜出線的分配方案及其線路負(fù)載率區(qū)間分析模型；

③K型站串接P型站及WX型站的規(guī)則設(shè)置分析模型。

次級網(wǎng)絡(luò)分析模型的整體流程如圖4所示。

圖4 次級網(wǎng)絡(luò)分析模型的整體流程及框架Fig.4 Schematic diagram of analysis model for secondary grid

2.2 10 k V線路裝接配變?nèi)萘看笮》治瞿Ｐ?/h3>

2.2.1 10 k V線路裝接配變?nèi)萘康挠嬎隳Ｐ?/p>

在充分考慮中壓線路裝接配變?nèi)萘看笮〉挠绊懸蛩氐那闆r下，構(gòu)建了10 k V線路裝接配變?nèi)萘康姆治瞿Ｐ停?/p>

式中：U為線路平均電壓；Ilmax為線路安全載流量上限；Tl為線路所允許最大負(fù)載率，cosφl為線路平均功率因數(shù)；Sl為線路允許裝接配變?nèi)萘浚籘lt為配變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載率；cosφlt為配變平均功率因數(shù)；a為負(fù)荷同時率；β為用戶配變備用系數(shù)。

2.2.2 10 k V電纜線路裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間分析

1）邊界條件的確定

結(jié)合國內(nèi)某大型城市配電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行的實(shí)際情況，制定了約束變量的邊界條件，如表1所示。

2）計算結(jié)果分析

根據(jù)所確定的邊界條件，利用式（1）和式（2）計算出不同型號電纜線路允許裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

2.3 K型站各型號電纜出線及負(fù)載率區(qū)間分析模型

2.3.1 問題提出及模型的構(gòu)建

K型站作為聯(lián)系主干網(wǎng)絡(luò)和次級網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其電源進(jìn)線屬于10 k V主干網(wǎng)絡(luò)范疇，其10 k V出線可歸結(jié)為次級網(wǎng)絡(luò)范疇，為了很好地規(guī)范和梳理次級網(wǎng)絡(luò)，針對K型站出線的線路型號、數(shù)量及負(fù)載率大小等問題展開建模分析是很有必要的，K型站不同型號電纜出線數(shù)及負(fù)載率區(qū)間分析的一般模型為

式中，Ti和xi分別為型號i線路負(fù)載率和出線數(shù)目。

表1 基于某城市配電網(wǎng)實(shí)情的邊界條件的制定Tab.1 Boundary conditions as for actual distribution network

表2 不同型號10 k V電纜線路允許裝接配變?nèi)萘繀^(qū)間Tab.2 Capacity tolerance of various 10 k V cable lines

在此基礎(chǔ)上，建立求解上述模型的多變量不等式方程組為式中：n為K型站每段母線允許出線的倉位數(shù)（帶站內(nèi)配變的倉位除外）；m為K型站常見的電纜出線型號類型總數(shù)；S為K型站一回電源進(jìn)線允許裝接的負(fù)荷量；Ri為第i類型號電纜線路的額定容量大小；Ti為第i類型號電纜線路的負(fù)載率大小；xi為K型站每段母線上第i類型號電纜線路的條數(shù)，取0到n間的整數(shù)。

2.3.2 模型簡化及計算分析

1）計算模型的簡化及邊界條件的確定

考慮到線路負(fù)載率均衡的原則和遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架下為了最大限度的利用K型站倉位數(shù)和分配最多的負(fù)荷量，原不等式方程組的前兩個不等式約束可取等號，模型計算所需邊界條件選取結(jié)果如表3所示。

表3 K型站電纜出線及負(fù)載率區(qū)間模型邊界條件選取Tab.3 Selection of boundary conditions for models

2）計算結(jié)果分析

根據(jù)簡化后的分析模型計算出K型站每段母線出線分配方案、線路分?jǐn)傌?fù)荷量及負(fù)載率大小，詳細(xì)結(jié)果見表4所示。

從表4可以看出，在K型站每段母線出4回線的各種分配方案中不同型號電纜線路的負(fù)載率區(qū)間如圖5所示。

2.4 K型站與P（WX）型站規(guī)模配置的分析模型

2.4.1 問題的提出及模型的構(gòu)建

通過分析每座K型站供電范圍內(nèi)需設(shè)置的P型站、WX型站的數(shù)量，制定K型站、P型站及WX型站間合理的配置規(guī)模，可為構(gòu)建合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的次級配電網(wǎng)絡(luò)提供重要參考價值。

表4 K型站每段母線出線分配方案及負(fù)載率大小Tab.4 Outlet plan and load rate of K－Station bus sector

圖5 K型站不同出線方案下電纜線路的負(fù)載率區(qū)間Fig.5 Load rate interval of cable lines under various schemes

K型站與P型站及WX型站的數(shù)量配置問題主要與P型站和WX型站所帶負(fù)荷有關(guān)，以負(fù)荷等價為紐帶構(gòu)建K型站與P型站及WX型站規(guī)模配置的一般模型為

式中：e可表示P型站或WX型站；ze為一座K型站允許裝接的P型站或WX型站的數(shù)量；ye為K型站每段母線倉位出線中裝接P型站或WX型站的數(shù)量；L為一座P型站或WX型站所帶的負(fù)荷，其中P型站所帶負(fù)荷包括10 k V倉位出線所帶負(fù)荷和站內(nèi)配變所帶負(fù)荷兩部分。

在此基礎(chǔ)上，建立求解上述模型的多變量不等式方程組為

式中：n為K型站每段母線允許出線的倉位數(shù)（帶站內(nèi)配變的倉位除外）；β為P型站或WX型站站內(nèi)配變臺數(shù)系數(shù)（當(dāng)為PTZ站時，β＝2；當(dāng)為PF站時，β＝0；當(dāng)為WX型站時，β＝1）；N（j）i為K型站每段母線一條出線以及對應(yīng)另一段母線出線共同所帶P型站或一條出線所帶WX型站的數(shù)目（j＝1，2，3分別代表K型站出線電纜型號為YJV－3×70、YJV－3×120、YJV－3×240）；Lj為電源進(jìn)線型號為j時，每個P型站10 k V出線所帶負(fù)荷的大小（當(dāng)為WX型站時，由于WX型站沒有出線，只有配變負(fù)荷，故Lj＝0）；Te、Se分別為P型站或WX型站站內(nèi)配變的經(jīng)濟(jì)負(fù)載率及單臺配變?nèi)萘看笮　?/p>

2.4.2 模型簡化及計算分析

（1）模型簡化及極端情況分析

由于K型站出線的線路數(shù)量、線路型號、所帶P型站及WX型站的負(fù)荷量都是不確定的，為了便于求解方程組（6），本文以式（4）中K型站不同型號電纜出線及負(fù)載率區(qū)間分析模型的15種計算結(jié)果為基礎(chǔ)，分析K型站在不同出線組合方案下分別帶的PTZ站、PF站及WX站的最大數(shù)目，并且采用最佳平方逼近統(tǒng)計出K型站分別裝接PTZ站、PF站及WX型站的最大的期望數(shù)量，詳細(xì)結(jié)果如表5所示。

表5 K型站不同出線方案下分別裝帶的PTZ站、PF站和WX型站的最大數(shù)目Tab.5 Maximum number of PTZ－Station，PF－Station and WX－Station under various K－Station outlet schemes

（2）K型站與P（WX）型站規(guī)模配置的組合模式分析

以負(fù)荷總量不越限為約束，建立K型站與P型站及WX站數(shù)量配置的不等式為

式中：a和LPTZ分別代表PTZ型站的數(shù)目及所帶負(fù)荷大小；b和LPF分別代表PF型站的數(shù)目及所帶負(fù)荷大小；c和LWX分別代表WX型站的數(shù)目及所帶負(fù)荷大小；SK為K型站允許裝接的負(fù)荷大小（除去站內(nèi)配變所帶負(fù)荷量）。

根據(jù)表5的分析結(jié)果可以得到式（7）的幾個臨界解，分別為（4，0，0），（0，12，0）和（0，0，16），在此基礎(chǔ)上確定負(fù)荷系數(shù)LPTZ、LPF和LWX，然后分析K型站裝接不同數(shù)目PTZ型站時，裝接PF型站及WX型站的數(shù)量組合情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 K型站與P（WX）型站數(shù)量配置組合方案結(jié)果Fig.6 Quantity configuration of K－Station and P（WX）－Station

3 結(jié)論

本文基于中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡(luò)分析模型的研究主要做了如下工作：

（1）提出了中壓配電網(wǎng)分層分區(qū)的思想及概念，在此基礎(chǔ)上，定義了主干網(wǎng)絡(luò)和次級網(wǎng)絡(luò)的基本概念，進(jìn)一步細(xì)化和明確了中壓配電網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)及功能定位。

（2）結(jié)合國內(nèi)某大型城市市區(qū)供電模式的特點(diǎn)，構(gòu)建了中壓配電網(wǎng)次級網(wǎng)絡(luò)分析模型，主要有如下三部分：

①10 k V線路裝接配變?nèi)萘康姆治瞿Ｐ停?/p>

②K型站不同型號電纜出線的分配方案及其線路負(fù)載率區(qū)間分析模型；

③K型站串接P型站及WX型站的規(guī)則設(shè)置分析模型。

這三類子模型客觀的反映了次級網(wǎng)絡(luò)的功能及結(jié)構(gòu)特性。

（3）根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況，選取合適的參數(shù)對各模型進(jìn)行簡化和計算，相關(guān)結(jié)論對于梳理和規(guī)范次級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到了重要的指導(dǎo)作用，為負(fù)荷的合理分配提供了合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的通道。

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