市區(qū)高壓配電網(wǎng)典型接線方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

靳冰潔，張步涵，代曉康，邵 劍，葛騰宇，鄧韋斯，張凱敏

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

市區(qū)高壓配電網(wǎng)典型接線方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

靳冰潔，張步涵，代曉康，邵 劍，葛騰宇，鄧韋斯，張凱敏

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

根據(jù)國家電網(wǎng)頒布的最新配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則，建立均勻分布和條狀分布兩種分布模型，考慮基于N－1安全校驗的不同接線方式下的線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成一套基于等年值和故障模式后果分析法（FMEA）的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法，通過對市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)典型接線方式進(jìn)行分析計算，得出典型接線方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點，并給出不同情況下的推薦接線方案，不僅為現(xiàn)代市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較提供了完整可靠的方法，還為城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃工作提供了參考。

配電網(wǎng)規(guī)劃；分布模型；接線方式；經(jīng)濟(jì)性；可靠性

隨著電力需求的大幅增長及用戶對配電網(wǎng)供電可靠性要求的提高，城市配電網(wǎng)不同接線模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成為研究熱點［1－9］。目前，我國對配電網(wǎng)接線方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的研究主要集中在中壓配電網(wǎng)［1－4］，對高壓配網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的文獻(xiàn)相對較少，方法尚不成熟。城市高壓配電網(wǎng)作為城市配電網(wǎng)的重要組成部分，對保證城市安全可靠供電起到至關(guān)重要的作用。因此，形成一套完整可靠的城市高壓配電網(wǎng)不同接線方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的方案和方法具有重要意義。文獻(xiàn)［6］通過對幾種高壓配電網(wǎng)接線方式可靠性、供電能力和網(wǎng)架過渡方案等進(jìn)行比較，給出了不同接線方式的適用范圍；文獻(xiàn)［7］提出了基于交流潮流的高壓配電網(wǎng)可靠性評估算法，對三種接線方式進(jìn)行了可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析。這些文獻(xiàn)從不同側(cè)面對高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，卻未考慮不同的分布模型，也沒有考慮不同接線方式下線路選型的問題。在高壓配電網(wǎng)的實際應(yīng)用中，考慮到地理環(huán)境、負(fù)荷分布等實際情況以及與中壓配電網(wǎng)總體規(guī)劃的配合問題，有可能采用不同的負(fù)荷分布模型，因此，在研究接線方式的同時考慮不同的分布模型尤為重要。此外，從安全性角度考慮，即使同一種接線方式下不同位置的線路有可能采用不同的線路型號，從而在滿足系統(tǒng)安全性的前提下兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，在形成不同接線方式的比較方案時，與之密切相關(guān)的負(fù)荷分布模型及線路選型問題都不容忽視。本文結(jié)合現(xiàn)有實際情況，建立了均勻分布和條狀分布兩種典型分布模型，考慮基于N－1安全校驗的不同接線方式線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成一套基于等年值和系統(tǒng)平均供電可靠率的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法，并通過具體算例驗證所提方法的有效性。

1 典型接線方案及邊界條件

本文通過調(diào)研我國現(xiàn)有電網(wǎng)實際情況，并結(jié)合地理環(huán)境、負(fù)荷分布等實際情況，建立了均勻分布和條狀分布兩種典型分布模型（圖1）。

圖1 兩種分布模型示意圖

實際電網(wǎng)中負(fù)荷分布可以抽象成這兩種分布模型的組合，因此本文研究這兩種具有代表性的分布模型，經(jīng)推廣可應(yīng)用到實際復(fù)雜電網(wǎng)的分析。本文采用圓形供電模型（圓形半徑為R），考慮負(fù)荷密度大于10MW／km2的區(qū)域。

本文分析三種典型接線方式：3T型接線、完全雙鏈?zhǔn)浇泳€和不完全鏈?zhǔn)浇泳€，如圖2至圖4所示。

圖2 3T型接線方式示意圖

圖3 完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式示意圖

圖4 不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式示意圖

由于3T型接線方式主干線所帶110kV主變不宜超過3臺。本文考慮四座110kV變電站，每座變電站3臺主變，共12臺變壓器，故采用4條主干線的3T型接線方式。根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（Q／GDW1738－2012），在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中，110 kV線路導(dǎo)線截面的選取應(yīng)符合以下三條基本要求：

1）線路導(dǎo)線截面宜綜合飽和負(fù)荷狀況、線路全壽命周期選定；

2）線路導(dǎo)線截面應(yīng)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、變壓器容量和臺數(shù)相匹配；

3）線路導(dǎo)線截面應(yīng)按照安全電流裕度選取，并以經(jīng)濟(jì)載荷范圍校核。

根據(jù)以上3點要求并結(jié)合湖北電網(wǎng)實際情況，通過對3種接線方式進(jìn)行N－1校驗，得到線路選型見表1，該選型滿足各接線方式最嚴(yán)重情況下N－1不掉電。計算時，線路和變壓器的功率因數(shù)取0.95；γ為變壓器的最大負(fù)載率，取87%（根據(jù)滿足N－1校驗計算得到，并考慮最高30%過載運行）。根據(jù)導(dǎo)則規(guī)范，110kV單臺主變?nèi)萘糠?0MVA和 63MVA兩種情況考慮，變壓器采用SFL 7－50000／110和SFPL7－63000／110兩種型號變壓器，變壓器和架空線路經(jīng)濟(jì)使用年限取25年。其他參數(shù)根據(jù)湖北電網(wǎng)實際情況得到。

表1 三種接線方式下線路選型

2 基礎(chǔ)計算

電源點的供電區(qū)域設(shè)為圓形，其半徑R、負(fù)荷密度σ、電源容量S和容載比K之間滿足：

城市高壓配電網(wǎng)變電容載比的選擇應(yīng)按城市級別確定，本文取為2.0，各段線路的長度按圖5所示計算，實際線路長度應(yīng)在此理想線路長度基礎(chǔ)上乘以線路曲折系數(shù)。

圖5 線路長度計算示意圖

3 經(jīng)濟(jì)性計算方法

配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性主要從運行經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)經(jīng)濟(jì)性兩方面來考慮。電網(wǎng)的“運行經(jīng)濟(jì)性”主要是從運行維護(hù)成本、系統(tǒng)損耗等角度進(jìn)行分析；電網(wǎng)的“建設(shè)經(jīng)濟(jì)性”主要從資金投入、成本回收年限和設(shè)備殘余價值等角度進(jìn)行分析。

3.1 建設(shè)費用

典型接線的綜合投資費用主要采用綜合造價估算綜合投資費用。設(shè)總投資資金為Z，通過下式計算：

其中ZT為變電站投資費用；ZS為開關(guān)投資，由圖2至圖4可得不同接線方式變電站開關(guān)及斷路器的數(shù)量，進(jìn)而可對其投資進(jìn)行計算；ZL為線路總投資，由下式計算：

式中，β為線路曲折系數(shù)，即用理想線路長度估算實際線路長度的比例系數(shù)，取1.2；Co為單位長度線路投資（萬元／km）；L為線路長度（km）。通常將壽命期內(nèi)總投資金額用等年值法化為與其等值的年金或等額年成本：

Fn為投資費用的等年值，k為電力工業(yè)貼現(xiàn)率，取0.1，n為設(shè)備經(jīng)濟(jì)運行年限，Z為配電網(wǎng)的總投資費用。設(shè)備殘值是指電力設(shè)備壽命周期結(jié)束時，設(shè)備所剩余的價值。設(shè)備殘余值通常由系統(tǒng)初始設(shè)備成本乘以設(shè)備凈殘值率得到：

ZRem為工程壽命期末的殘值。γRem為設(shè)備凈殘值率。設(shè)備殘余值發(fā)生在工程壽命期末，通常也將其折算為等年值進(jìn)行計算：

3.2 運行費用

運行費用等于設(shè)備運行維護(hù)成本加上損耗造成的費用。設(shè)運行費用為ZR，可由下式計算：

其中ZTM為變電站運行維護(hù)成本，ZLM為線路運行維護(hù)成本，ZTloss為變壓器損耗造成的成本，ZLloss為線路損耗造成的成本。設(shè)備運行維修費貫穿于整個設(shè)備壽命周期內(nèi)，且相對穩(wěn)定。工程上通常以占總投資Z的比例系數(shù)λ給出：

本文采用最大負(fù)荷損耗時間法計算線路全年電能損耗

其中，τ為最大負(fù)荷損耗時間。將電能損耗乘以單位電能電價，得出總損失的費用：

其中，α為電能電價，取0.478元／kWh。對于線路，其最大總有功損耗（kW）ΔPL按下式計算：

其中，Wij為線路上流過的最大有功功率；r為線路單位長度電阻；U 為變電站高壓側(cè)母線的線電壓（kV）；cosφ為線路的功率因數(shù)；lij為實際供電線路的長度（km）。對于變壓器，其電能損失總值ΔAT（kWh）的計算如下：

其中，ΔP0、ΔQ0為單臺變壓器的空載有功損耗（kW）、無功損耗（kVar），ΔP、ΔQ為單臺變壓器的短路有功損耗（kW）、無功損耗（kVar），T0為變壓器全年運行小時數(shù)（h），取8760（h），γ為變壓器負(fù)載率，取87%，τ為最大負(fù)荷損耗小時數(shù)（h），取3530h，n為變壓器臺數(shù)，本文計算的4所變電站，每個變電站有3臺主變，共12臺變壓器，K為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取0.1kW／kVar。

折算成等年值后的總計算費用ZF由下式計算：

將其折算成單位負(fù)荷年費用如下式：

4 可靠性計算方法

用戶平均停電持續(xù)時間（AICH），供電可靠率（RS），用戶平均停電次數(shù)（AITC），系統(tǒng)停電等效小時數(shù)（SIEH），這四大指標(biāo)共同構(gòu)成了對各典型接線模式的可靠性評估體系。為使可靠性評估結(jié)果更為簡單明確，有必要選取其中一個最具代表性且能綜合體現(xiàn)可靠性優(yōu)劣的指標(biāo)作為可靠性評估的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)［4］。

指標(biāo)AITC與供電半徑和線路故障率有關(guān)，因此，在同一負(fù)荷容量和負(fù)荷密度下，供電半徑固定，該指標(biāo)與接線模式類別無關(guān)，因此，AITC不適于作為接線模式評估的關(guān)鍵性指標(biāo)。指標(biāo)SIEH用于評估系統(tǒng)中停電部分的可靠性，具有局部性的特點，無法體現(xiàn)系統(tǒng)的供電可靠性，因此，這個指標(biāo)也不適于作為接線模式評估的關(guān)鍵性指標(biāo)。指標(biāo)AICH和RS呈線性相關(guān)的關(guān)系，AICH描述的是用戶平均停電時間，是個絕對量；而RS描述的是系統(tǒng)平均供電可靠率，是個相對量，能較好體現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性情況。因此，本文選取系統(tǒng)平均供電可靠率RS－3作為可靠性評價指標(biāo)（“－1”表示可靠性評價中計及一切影響因素，“－2”和“－3”分別表示不計及外部因素影響和不計及系統(tǒng)電源不足時限電），其表示在統(tǒng)計期間內(nèi)，對用戶有效供電時間總小時數(shù)與統(tǒng)計期間小時數(shù)的比值：

本文采用的可靠性評估方法為故障模式后果分析法（FMEA），其基本原理是：遍歷所有元件故障對所有負(fù)荷點可靠性的影響，計算各負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)，最后綜合所有負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)，得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。本文所采用的故障率和故障平均修復(fù)時間如下表所示［10－11］。

表2 故障率和故障平均修復(fù)時間

根據(jù)圖2至圖4三種接線方式示意圖和圖5線路長度計算示意圖，并結(jié)合式（1）可以得到不同接線方式與不同負(fù)荷分布模型情況下系統(tǒng)可靠性計算指標(biāo)的表達(dá)式如下：

5 實例分析

本文以市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)三種典型接線方式為例進(jìn)行分析，考慮負(fù)荷密度大于10MW／km2的區(qū)域，并且考慮4座110kV變電站共12臺主變的情況。其他相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)［9－12］并結(jié)合湖北配電網(wǎng)實際運行情況得到。市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)典型接線方式經(jīng)濟(jì)性和可靠性指標(biāo)計算如圖6～圖9所示。

圖6 均勻分布模型下可靠性計算結(jié)果

圖7 條狀分布模型下可靠性計算結(jié)果

圖8 均勻分布模型下經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果

圖9 條狀分布模型下經(jīng)濟(jì)性計算結(jié)果

從圖6和圖7可以看出供電可靠率隨負(fù)荷密度的增加而增加，且3T型接線變化趨勢較明顯；圖8和圖9說明隨著負(fù)荷密度的增加，單位負(fù)荷年費用投資降低，這是因為供電半徑越小，線路長度越短，線路投資費用越少，在相同單位長度故障率情況下，線路總故障率越低。通過對比可看出，相同情況下均勻分布模型的供電可靠率大于條狀分布模型，且均勻分布模型的供電經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于條狀分布模型。一般情況下，供電可靠率隨主變?nèi)萘康脑黾佣档停瑔挝回?fù)荷年費用隨主變?nèi)萘康脑黾佣档汀目煽啃越嵌瓤紤]，完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式高于不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3T型接線方式；從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式優(yōu)于完全雙鏈?zhǔn)浇泳€方式，優(yōu)于3T型接線方式。

綜上分析，從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境及其他條件允許的情況下，110kV變電站應(yīng)當(dāng)優(yōu)先按照均勻分布模型布點，且規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷較大時，宜選擇大容量主變，從而提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；對可靠性要求相對較高的區(qū)域推薦選擇完全雙鏈?zhǔn)浇泳€，對于經(jīng)濟(jì)性要求較高的區(qū)域推薦選擇不完全鏈?zhǔn)浇泳€方式，兩種接線方式的可靠性和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于3T型接線方式；除非特殊情況要求，在市區(qū)高壓配電網(wǎng)中不推薦3T型接線方式。

7 結(jié)論

本文根據(jù)國家電網(wǎng)頒布的最新配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則，對市區(qū)110kV高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析；建立了均勻分布和條狀分布兩種分布模型，考慮了基于N－1安全校驗的不同接線方式下的線路選型，并在此基礎(chǔ)上形成了一套基于等年值和系統(tǒng)平均供電可靠率的市區(qū)高壓配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法；通過對3種典型市區(qū)高壓配電網(wǎng)接線方式進(jìn)行分析計算，得出了具有指導(dǎo)意義的結(jié)論；本文為現(xiàn)代市區(qū)高壓配電網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較提供了一種完整可靠的方法，該方法還可推廣到對配電網(wǎng)其他接線方式的分析計算，對城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃工作具有借鑒意義。進(jìn)一步研究中，如果能夠結(jié)合安全性、適應(yīng)性等指標(biāo)，結(jié)果將更加具有綜合指導(dǎo)意義。

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［責(zé)任編校：張巖芳］

Technical and Economic Analysis of Urban High Voltage Distribution Network Typical Connection Mode

JIN Bing－jie，ZHANG Bu－h(huán)an，DAI Xiao－kang，SHAO Jian，GE Teng－yu，DENG Wei－si，ZHANG Kai－min

（State Key Lab.of Advanced Electromagnetic Eng.And Tech.，Huazhong Univ.of Sci.and Tech，Wuhan 430074，China）

Urban 110kV high voltage distribution network is an important part of the city distribution network.Sometimes the urban distribution network connection mode and layout is unreasonable.According to the latest distribution network planning guide issued by the state grid，uniform and strip distribution models were established.Considering line selection of different connection modes based on N－1safety verification，a set of urban high voltage distribution network technical and economic comparative method based on uniform annual value method and failure modes and effects analysis（FMEA）was formed.Through the analysis and calculation of urban 110kV high voltage distribution network typical connection mode，the technical and economic characteristics of the typical connection mode were concluded，and the recommended connection schemes under different conditions are given.The complete and reliable method for modern urban high voltage distribution network technical and economic comparison also provides reference for the urban high voltage distribution network planning.

distribution network planning；distribution model；connection mode；economy；reliability

TM715

A

1003－4684（2014）01－0053－05

2013－11－28

靳冰潔（1989－），女，河北蠡縣人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化