中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

高 翔， 朱 昊， 陳本柱， 韋 鋼

（1.長樂市供電有限公司，福建 長樂 350200； 2.上海電力學(xué)院，上海 200090）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各大、中城市中心城區(qū)面臨大規(guī)模的功能改造[1-2]。由于中心城區(qū)負(fù)荷密度高且增長速度快，對(duì)電力需求愈來愈大，中心城區(qū)電網(wǎng)同時(shí)還含有大量的老城區(qū)電網(wǎng)，使得城市的大規(guī)模建設(shè)和負(fù)荷的快速增長與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱形成了較大的矛盾。因此，如何利用現(xiàn)狀電網(wǎng)，因地制宜地規(guī)劃、設(shè)計(jì)與城市建設(shè)相適應(yīng)的10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，是電力部門面臨的重要問題。

在建設(shè)中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架的過程中，需要特別關(guān)注變電站間的聯(lián)絡(luò)，加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)，提升區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力和供電可靠性；要探索能夠滿足大容量主變壓器釋放負(fù)荷的接線模式，并保證一定的靈活性和可擴(kuò)展性；另外還需充分結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況和負(fù)荷發(fā)展特點(diǎn)來構(gòu)建中心城區(qū)的目標(biāo)網(wǎng)架[3]。

合理的主變壓器互聯(lián)模型應(yīng)能夠滿足商住型中心城區(qū)的負(fù)荷增長需要，提高供電可靠性，提升配電網(wǎng)的供電能力。本文主要針對(duì)主變壓器互聯(lián)模式，重點(diǎn)考慮以帶分段自切保護(hù)的10 kV開關(guān)站（以下簡稱K型站）為主的10 kV電纜接線模式，提出了商住型中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架模型。通過算例分析，驗(yàn)證了該模型的有效性，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 10 kV配電網(wǎng)構(gòu)建原則

中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架建設(shè)應(yīng)著重滿足負(fù)荷的需求、適應(yīng)負(fù)荷的快速發(fā)展；要求運(yùn)行靈活、調(diào)度方便、操作簡單；負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)，供電可靠性高；投資少，擴(kuò)展性好。將10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分成主干網(wǎng)絡(luò)和次級(jí)網(wǎng)絡(luò)，可使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)明晰，便于調(diào)度管理，10 kV配電網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要分析商住型中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

圖1 商住型中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

2 主變壓器互聯(lián)模型

目前，中心城區(qū)常用的配電網(wǎng)變電站有110/10 kV和35/10 kV 2種，變電站主變壓器數(shù)量一般為2～3臺(tái)。變電站主接線、互聯(lián)數(shù)量、站間聯(lián)絡(luò)、擴(kuò)展模式等是配電網(wǎng)變電站聯(lián)絡(luò)主要考慮的問題。

在區(qū)域電網(wǎng)供電中，通常不是由單一變電站供電，而是由不同變電站互聯(lián)，實(shí)際電網(wǎng)中變電站間的聯(lián)絡(luò)問題復(fù)雜且多樣化，是配電網(wǎng)優(yōu)化的難點(diǎn)。近年來，國家電網(wǎng)公司對(duì)供電塊及變電站互聯(lián)開展研究，起到了一定的作用，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。

考慮到變電站間聯(lián)絡(luò)的供電可靠性及可擴(kuò)展性，本文以三變電站互聯(lián)為例對(duì)主變壓器互聯(lián)模式進(jìn)行分析。

假定雙主變壓器變電站站內(nèi)低壓側(cè)采用單母線分段接線，三主變壓器變電站站內(nèi)低壓側(cè)采用單母線四分段或單母線六分段環(huán)式接線，并假定任一主變壓器故障后其負(fù)荷能夠平均轉(zhuǎn)移至相聯(lián)絡(luò)的變電站。

分別選取主變壓器容量為50 MVA，63 MVA和80 MVA，且變電站間聯(lián)絡(luò)均衡，不同容量的主變壓器互聯(lián)模式相關(guān)數(shù)據(jù)分析如表1所示。

由表1可知，采用3個(gè)變電站互聯(lián)供電模式時(shí)，若變電站配置2臺(tái)主變壓器，未互聯(lián)時(shí)主變壓器理論負(fù)載率為50%，建立互聯(lián)供電模式后主變壓器理論負(fù)載率可達(dá)83.3%，供電能力提升33.3%；若配置3臺(tái)主變壓器，未互聯(lián)時(shí)主變壓器理論負(fù)載率為66.7%，互聯(lián)供電后主變壓器理論負(fù)載率可達(dá)88.9%，供電能力提升22.2%。

表1 三變電站互聯(lián)數(shù)據(jù)分析（功率因數(shù)取0.95）

可見，互聯(lián)后主變壓器負(fù)載率、供電能力均有所提高，且三變電站3臺(tái)主變壓器互聯(lián)模式的主變壓器理論負(fù)載率高于三變電站2臺(tái)主變壓器互聯(lián)模式。隨著主變壓器容量的增大，供電能力提升量越來越大。

3 10 kV配電網(wǎng)接線模式優(yōu)化

3.1 典型10 kV電纜網(wǎng)接線模式

商住型中心城區(qū)主要以電纜網(wǎng)為主，本文著重對(duì)商住型中心城區(qū)10 kV電纜網(wǎng)架提出優(yōu)化接線模式。典型10 kV電纜網(wǎng)接線模式見表2[4-7]。

表2 10 kV電纜網(wǎng)典型接線模式分析

在表2所示的接線模式中，單輻射接線的故障影響范圍較大，供電可靠性較差，一般用于供電可靠性要求不高的地區(qū)，線路最高負(fù)載率可達(dá)100%；單環(huán)網(wǎng)接線可靠性較高，接線清晰、運(yùn)行比較靈活，線路最高負(fù)載率可達(dá)50%；雙環(huán)網(wǎng)接線可靠性高，適合對(duì)可靠性要求較高的商業(yè)區(qū)，線路最高負(fù)載率可達(dá)66.7%；“N-1”主備接線可靠性很高，隨著N值的不同，其接線的運(yùn)行靈活性、可靠性和線路平均負(fù)載率均有所不同，線路最高負(fù)載率與“N”有關(guān)。

3.2 以K型站為主的接線模式

由于K型站接線方式清晰、靈活，出線帶繼電保護(hù)，且10 kV母線帶自切，故障點(diǎn)容易判斷，可較快實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，具有較強(qiáng)的負(fù)荷釋放能力等諸多優(yōu)勢(shì)，因而受到廣泛關(guān)注。

在優(yōu)化10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的過程中，K型站起到了“中介點(diǎn)”的作用，尤其在負(fù)荷相對(duì)集中的地區(qū)，可充分釋放35 kV或110 kV變電站的供電能力，解決變電站倉位不足的矛盾。

以二進(jìn)線K型站和二供一備K型站為例。二進(jìn)線K型站為2路電源進(jìn)線，若考慮滿足“N-1”原則，每回進(jìn)線的理論負(fù)載率為50%。標(biāo)準(zhǔn)型二進(jìn)線K型站適用于負(fù)荷比較分散的供電區(qū)域，其接線模式如圖2所示。二供一備K型站共有3路電源，其中2路為工作電源，1路為備用電源。在滿足“N-1”原則下，二供一備K型站的2路工作進(jìn)線負(fù)載率可達(dá)100%，提升了進(jìn)線電纜的有效利用率，供電可靠性明顯增強(qiáng)。這種K型站接線模式適用于負(fù)荷比較集中、可靠性要求高且用地比較緊張的供電區(qū)域，其接線模式如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)型K型站接線

4 中心城區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)建

對(duì)于商住型中心城區(qū)，供電負(fù)荷主要是商業(yè)和居民，對(duì)供電能力的要求較高，用地比較緊張，市容美化要求也相對(duì)較高，遠(yuǎn)期將廣泛采用輸電線路入地方式。商住型中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)主干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和主變壓器互聯(lián)模式[8]分別如圖4、圖5所示。

圖3 二供一備K型站接線

圖4 商住型中心城區(qū)主干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖5 商住型中心城區(qū)主變壓器互聯(lián)模式

由圖4、圖5可知，遠(yuǎn)期商住型中心城區(qū)將形成以二進(jìn)線K型站和二供一備K型站混合接線模式為主的目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，此外還包括少量的電纜饋線組（多供一備）和架空線路，主要通過二供一備K型站實(shí)現(xiàn)變電站間負(fù)荷轉(zhuǎn)移[9]。

二進(jìn)線K型站的2路進(jìn)線電源應(yīng)來自同一變電站的不同母線段；二供一備K型站的2路工作線路來自同一變電站的不同母線段，備用線路來自不同變電站，從而保證供電可靠性和變電站間負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，條件允許的情況下3路進(jìn)線電源均來自不同變電站。對(duì)于小型住宅區(qū)和小型商業(yè)區(qū)，可以由架空線路掛出桿變或P型站供電，對(duì)于部分超大型住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)，采用電纜饋線組（多供一備）供電，保證供電能力的需求。

5 算例分析

以某商住型中心城區(qū)為例，供電總面積為15.34 km2，至2011年底，該地區(qū)共有變電站3座， 分別為 A1站（2×20 MVA），A2站（2×20 MVA），A3站（2×40 MVA），主變壓器總?cè)萘繛?60 MW。遠(yuǎn)期負(fù)荷為573.94～644.76 MW，負(fù)荷密度為37.42～42.03 MW/km2。 新增 4 座 110 kV 變電站（3×80 MVA），分別為B1站、B2站、B3站和B4站。

5.1 10 kV配電網(wǎng)主干網(wǎng)架構(gòu)建

根據(jù)該地區(qū)10 kV配電網(wǎng)的實(shí)際情況，遠(yuǎn)期變電站間構(gòu)成2路聯(lián)絡(luò)。聯(lián)絡(luò)1包括A1站（3×20 MVA）、B1 站（3×80 MVA）以及 B2 站（3×80 MVA），主變壓器間互聯(lián)通過K型站實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 聯(lián)絡(luò)1主變壓器互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

聯(lián)絡(luò) 2包括 A2站（3×20 MVA）、 A3站（3×40 MVA）、B3 站（3×80 MVA）以及 B4（3×80 MVA），主變壓器間互聯(lián)通過K型站實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

由理論分析可知，主變壓器互聯(lián)模型通過以K型站為主的接線模式實(shí)現(xiàn)主變壓器間的互聯(lián)，可有效加強(qiáng)配電網(wǎng)的互聯(lián)性能，提升區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力和供電可靠性，并保證一定的靈活性和可擴(kuò)展性。

圖7 聯(lián)絡(luò)2主變壓器互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意

5.2 相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括地區(qū)變電站互聯(lián)前后的主變壓器理論負(fù)載率、供電能力及負(fù)荷轉(zhuǎn)移率等[10]。

5.2.1 主變壓器理論負(fù)載率及供電能力

聯(lián)絡(luò)1和聯(lián)絡(luò)2遠(yuǎn)期主變壓器理論負(fù)載率及供電能力數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3、表4。

表3 聯(lián)絡(luò)1主變壓器理論負(fù)載率及供電能力

表4 聯(lián)絡(luò)2主變壓器理論負(fù)載率及供電能力

由表3可知，經(jīng)過變電站互聯(lián)優(yōu)化后，聯(lián)絡(luò)1的各變電站理論負(fù)載率至少可以達(dá)到83.3%，區(qū)域負(fù)載率至少可以達(dá)到84.8%，供電能力至少可以提升97.86 MW，相當(dāng)于增加了1～2座35 kV變電站。

由表4可知，經(jīng)過變電站互聯(lián)優(yōu)化后，聯(lián)絡(luò)2的各變電站理論負(fù)載率至少可以達(dá)到83.3%，區(qū)域負(fù)載率至少可以達(dá)到86.23%，供電能力至少可以提升 128.88 MW，相當(dāng)于增加了2～3座35 kV變電站。

5.2.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移率

聯(lián)絡(luò)1主變壓器“N-1”校驗(yàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率數(shù)據(jù)見表5。

表5 聯(lián)絡(luò)1主變壓器“N-1”校驗(yàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率

由表5可知，聯(lián)絡(luò)1中各變電站主變壓器間具有較好的站間聯(lián)絡(luò)，平均約70%以上的負(fù)荷可通過站間10 kV聯(lián)絡(luò)通道轉(zhuǎn)移，能夠滿足“N-1”校驗(yàn)，且有較高的站間負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。

聯(lián)絡(luò)2主變壓器“N-1”校驗(yàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率數(shù)據(jù)見表6。

表6 聯(lián)絡(luò)2主變壓器“N-1”校驗(yàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率

由表6可知，聯(lián)絡(luò)2中各變電站主變壓器間具有較好的站間聯(lián)絡(luò)，平均約66.7%以上的負(fù)荷可通過站間10 kV聯(lián)絡(luò)通道轉(zhuǎn)移，能夠滿足“N-1”校驗(yàn)，且有較高的站間負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。

由此可知，下級(jí)10 kV線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的充分應(yīng)用對(duì)提升主變壓器負(fù)載率水平和“N-1”通過率具有重要意義。

6 結(jié)語

本文對(duì)商住型中心城區(qū)10 kV配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，提出了主變壓器互聯(lián)模型，及K型站和二供一備K型站混合接線的10 kV接線模式，并構(gòu)建了10 kV配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，滿足了商住型中心城區(qū)日益增長的負(fù)荷需要，大大提升了配電網(wǎng)的供電可靠性。

通過變電站間的主變壓器互聯(lián)，提高了主變壓器負(fù)載率、10 kV配電網(wǎng)的供電能力和站間負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力；二供一備K型站的使用，較之二進(jìn)線K型站，供電容量增加了一倍，提高了負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量，保證了主變壓器“N-1”校驗(yàn)。

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