配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)供電模型及過渡方案

李科，田春箏，劉巍，劉洪，范博宇

（1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450000；3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)供電模型及過渡方案

李科1，田春箏1，劉巍2，劉洪3，范博宇3

（1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450000；3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

針對(duì)當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃只考慮單電壓級(jí)的問題，提出了多電壓級(jí)協(xié)調(diào)模型及過渡方案。首先，提出了多電壓級(jí)協(xié)調(diào)程度的衡量指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，分析了變電站互聯(lián)對(duì)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)程度的影響；然后，以三座站互聯(lián)為例，構(gòu)建供電模型，提出模型屬性參數(shù)合理取值的計(jì)算方法；最后，構(gòu)建了可盡量平滑過渡到遠(yuǎn)景年供電模型的過渡方案，為區(qū)域電網(wǎng)各個(gè)階段的建設(shè)提供指導(dǎo)。

配電網(wǎng)；多電壓級(jí)；協(xié)調(diào)規(guī)劃；過渡方案

配電網(wǎng)是電能傳輸?shù)淖詈笠画h(huán)，與用戶聯(lián)系十分緊密，是保證可靠優(yōu)質(zhì)供電的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，可以保證電網(wǎng)改造的合理性以及電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。當(dāng)前的配電網(wǎng)規(guī)劃主要考慮單電壓級(jí)內(nèi)部的協(xié)調(diào)。根據(jù)現(xiàn)行配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則，主變?nèi)葺d比總體宜控制在1.8～2.2范圍之間[1]，即主變負(fù)載率控制在50%以下，本電壓級(jí)的內(nèi)部協(xié)調(diào)即可滿足故障時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)供的需求。隨著自動(dòng)化水平提高，下級(jí)電網(wǎng)可對(duì)上級(jí)提供支持，只考慮單電壓級(jí)無法充分發(fā)揮配電網(wǎng)負(fù)載能力，但當(dāng)前規(guī)劃沒有計(jì)及多電壓級(jí)之間的協(xié)調(diào)。

為此，本文對(duì)配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)供電展開了研究。首先，提出了多電壓級(jí)協(xié)調(diào)供電程度的衡量指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，分析了變電站互聯(lián)對(duì)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)程度的影響，得出最佳互聯(lián)變電站數(shù)目；然后，以三座站互聯(lián)為例，構(gòu)建供電模型，提出屬性參數(shù)合理取值的計(jì)算方法；最后，構(gòu)建了可盡量平滑過渡到遠(yuǎn)景年供電模型的過渡方案，為區(qū)域電網(wǎng)各個(gè)階段的建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 配電網(wǎng)協(xié)調(diào)程度評(píng)估

1.1 配電網(wǎng)協(xié)調(diào)程度衡量指標(biāo)

配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)需要解決用于描述協(xié)調(diào)程度的衡量指標(biāo)及其評(píng)估方法的問題，協(xié)調(diào)程度的衡量可以通過綜合負(fù)載能力的評(píng)估來實(shí)現(xiàn)。綜合負(fù)載能力的評(píng)估經(jīng)歷了從單電壓級(jí)到多電壓級(jí)的發(fā)展過程。配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)已由高壓變電站與中壓配電網(wǎng)的兩級(jí)協(xié)調(diào)[2-4]、經(jīng)高壓配電網(wǎng)/高壓變電站/中壓配電網(wǎng)的三級(jí)協(xié)調(diào)[5]、逐步過渡到由220 kV變電站至低壓配電網(wǎng)的全電壓等級(jí)序列之間的協(xié)調(diào)[6-8]，主變的負(fù)載能力也隨著協(xié)調(diào)程度的提高而變化。通過負(fù)載能力的評(píng)估可以對(duì)配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)程度進(jìn)行描述。

1.2 變電站互聯(lián)與負(fù)載能力的關(guān)系

負(fù)載能力的提高可以反映配電網(wǎng)協(xié)調(diào)程度的加深，變電站互聯(lián)會(huì)對(duì)負(fù)載能力產(chǎn)生影響，從而影響配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)程度。

1）變電站互聯(lián)的意義

在以前配電網(wǎng)自動(dòng)化程度不高的條件下，當(dāng)主變發(fā)生故障時(shí)，異站轉(zhuǎn)供需人工操作，造成的停電時(shí)間長，所以只考慮站內(nèi)轉(zhuǎn)供。隨著自動(dòng)化水平不斷提高，通過遠(yuǎn)程的“三遙”開關(guān)，不同變電站的主變之間可以通過下級(jí)電網(wǎng)互聯(lián)，在主變發(fā)生故障時(shí)不僅可以進(jìn)行站內(nèi)轉(zhuǎn)供，且可以通過站間聯(lián)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)供，轉(zhuǎn)供對(duì)象增加，從而提高了主變的負(fù)載能力。

2）負(fù)載能力與互聯(lián)規(guī)模的關(guān)系

為了進(jìn)一步探究針對(duì)負(fù)載能力提升的最佳互聯(lián)規(guī)模，分析在站間聯(lián)絡(luò)充足的情況下，不同互聯(lián)規(guī)模對(duì)應(yīng)的主變負(fù)載能力變化。互聯(lián)變電站座數(shù)少，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)關(guān)系簡單，但網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移對(duì)象少，從而導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載能力水平低；互聯(lián)變電站座數(shù)多，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)關(guān)系復(fù)雜，但轉(zhuǎn)供對(duì)象增加，負(fù)載能力相應(yīng)提高。

設(shè)研究區(qū)域內(nèi)共有n座變電站，可將其分別編號(hào)為1，2，…，n，對(duì)應(yīng)的各座變電站的主變臺(tái)數(shù)分別為N1，N2，…，Nn。正常運(yùn)行時(shí)第i座站各臺(tái)主變的平均負(fù)載率為

若各座站各臺(tái)主變?nèi)萘烤恢拢瑒t有

式中：i=1，2，…，n，表示第i座變電站；j=1，2，…Ni，表示第i座變電站的j號(hào)主變；Ri，j表示第i座變電站的j號(hào)主變?nèi)萘浚籯為主變短時(shí)允許過載系數(shù)，可取k=1.3[9-11]。假定互聯(lián)的各座變電站均含3臺(tái)相同容量的主變，主變負(fù)載能力與互聯(lián)變電站座數(shù)間的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，互聯(lián)變電站座數(shù)與主變負(fù)載能力間大致呈對(duì)數(shù)型關(guān)系，當(dāng)互聯(lián)站數(shù)增加到一定值時(shí)，主變負(fù)載能力趨于飽和。

3）互聯(lián)規(guī)模對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

變電站互聯(lián)可以提高主變的負(fù)載能力，在所供負(fù)荷一定的情況下，可以減少變電站建設(shè)規(guī)模。但與此同時(shí)，站間聯(lián)絡(luò)也需增加一定的投資。最佳互聯(lián)規(guī)模的確定需要綜合考慮這兩個(gè)方面[12]。

站內(nèi)聯(lián)絡(luò)通常在線路接近末端的某處建立聯(lián)系，該處之后的線路可采用分支線路。站間聯(lián)絡(luò)則需在末端建立聯(lián)系，主干線路長度近似為供電半徑。因此，與站內(nèi)聯(lián)絡(luò)相比，站間聯(lián)絡(luò)末端相應(yīng)線路的線徑及投資會(huì)增加。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估以全壽命周期成本為基礎(chǔ)。全壽命周期成本指的是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)壽命周期發(fā)生的總費(fèi)用，分建設(shè)、運(yùn)維、殘值3個(gè)部分，其中建設(shè)成本為主要成本，且運(yùn)維成本和殘值會(huì)隨建設(shè)規(guī)模的增加而等比例增加。在簡化估算中，只考慮建設(shè)成本。采用單位負(fù)荷的投資才展示不同方案間的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

在某一供電區(qū)域中，變電站的規(guī)格為3×50 MV·A，其對(duì)應(yīng)的成本為5 000萬元/座，主干線路的電纜型號(hào)選為YJV22-3×300，導(dǎo)線載流量為552 A，線路容量為9.56MV·A，造價(jià)為95萬元/km，分支線路的電纜型號(hào)選YJV22-3×185電纜線路，導(dǎo)線載流量為370 A，線路容量為6.41MV·A，造價(jià)為70萬元/km。站內(nèi)聯(lián)絡(luò)在線路末端1/3處建立聯(lián)系，線路全長2.4 km。線路負(fù)載率為50%。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，3座或4座變電站互聯(lián)時(shí)投資比較接近，且明顯低于互聯(lián)變電站座數(shù)為其他值時(shí)的投資。

2 多電壓級(jí)協(xié)調(diào)供電模型

互聯(lián)變電站座數(shù)以3座或4座為宜，下面將以三角形供電模型為例分析多電壓級(jí)協(xié)調(diào)模式。

2.1 三角形供電模型結(jié)構(gòu)特征

模型中3個(gè)高壓變電站呈三角形分布，在變電站單側(cè)的區(qū)域，饋線相互手拉手形成站內(nèi)單環(huán)網(wǎng)，每個(gè)站內(nèi)單環(huán)網(wǎng)作為一組站內(nèi)饋線供電單元。在變電站之間的區(qū)域，每條饋線的遠(yuǎn)端點(diǎn)與對(duì)側(cè)站所出饋線的遠(yuǎn)端點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)站間聯(lián)絡(luò)，形成單聯(lián)絡(luò)接線，每兩條形成單聯(lián)絡(luò)的出線作為一組站間饋線供電單元。對(duì)于不同站內(nèi)主變配置，該模型可配備多組供電單元[13-15]。模型結(jié)構(gòu)特征如圖3所示。

2.2 模型參數(shù)合理取值

充足的站間聯(lián)絡(luò)是多電壓級(jí)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)，但聯(lián)絡(luò)過度也將造成一定的浪費(fèi)。在保證聯(lián)絡(luò)容量充足的前提下，確定單臺(tái)主變出線條數(shù)和單臺(tái)主變站間聯(lián)絡(luò)數(shù)的最小值，可以提高模型的經(jīng)濟(jì)性。

主變所能供應(yīng)的負(fù)荷通過線路來供應(yīng)，所以單臺(tái)主變出線條數(shù)應(yīng)為主變所供負(fù)荷量與一條線路可供負(fù)荷量的比值，即

式中：n1為單臺(tái)主變出線條數(shù)；S為單臺(tái)主變的額定容量；T為主變平均負(fù)載率；θ為主變功率因數(shù)，取0.95；η為站間饋線供電單元線路最大負(fù)載率；S0為對(duì)應(yīng)線路安全電流限值的線路容量；Ф為線路功率因數(shù)，取0.90。

當(dāng)主變發(fā)生故障時(shí)，一部分負(fù)荷由站內(nèi)其余主變轉(zhuǎn)供，一部分通過站間聯(lián)絡(luò)由其他變電站轉(zhuǎn)供，單臺(tái)主變站間聯(lián)絡(luò)數(shù)應(yīng)為需通過站間聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供的負(fù)荷量與一條站間聯(lián)絡(luò)線路可轉(zhuǎn)供的負(fù)荷量的比值，即

式中：n2為單臺(tái)主變站間聯(lián)絡(luò)數(shù)；N為單座站內(nèi)主變臺(tái)數(shù)；S為單臺(tái)主變的額定容量；T為主變平均負(fù)載率；θ為主變功率因數(shù)，取0.95；η為站間饋線供電單元線路最大負(fù)載率；S0為對(duì)應(yīng)線路安全電流限值的線路容量；Ф為線路功率因數(shù)，取0.90。其中(N-1)S(1-T)θ為站內(nèi)轉(zhuǎn)供的負(fù)荷量。

表1給出了3座變電站互聯(lián)情況下中壓網(wǎng)絡(luò)接線分別采用多分段單聯(lián)絡(luò)和多分段兩聯(lián)絡(luò)時(shí)滿足聯(lián)絡(luò)容量充足所需主變出線和站間聯(lián)絡(luò)的條數(shù)。

3 供電模型過渡方案

在上述供電模型最終形態(tài)的基礎(chǔ)上，需針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)各個(gè)發(fā)展階段的差異，分析供電模型的過渡過程，建立可盡量平滑過渡到遠(yuǎn)景年供電模型的過渡方案。

3.1 供電模型過渡思路

供電模型的建設(shè)分為3個(gè)階段，起步建設(shè)階段、全面開發(fā)階段和發(fā)展完善階段[16]，部分模型由于站點(diǎn)較少、接線模式較為簡單或能夠在某模型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行過渡，因此可簡化其過渡階段。每個(gè)過渡階段可從以下3個(gè)因素考慮模型的過渡：接線模式、變電站互聯(lián)情況、主變臺(tái)數(shù)。

3.2 三角形單聯(lián)絡(luò)供電模型過渡方案

以三角形單聯(lián)絡(luò)供電模型為例來說明過渡方案的建立過程。三角形單聯(lián)絡(luò)供電模型過渡方案如圖4所示。

起步建設(shè)階段地區(qū)初步發(fā)展，負(fù)荷較少，新建一座變電站，站內(nèi)主變配置為兩臺(tái)，滿足供電區(qū)域用戶負(fù)荷需求。

全面開發(fā)階段隨著負(fù)荷增加，負(fù)荷水平超過一座站的供電能力，建立第2座變電站。為充分發(fā)揮站間轉(zhuǎn)供負(fù)荷的能力，站間出線條數(shù)為相同主變配置下的三角形單聯(lián)絡(luò)供電模型兩座站站間出線條數(shù)，且站間聯(lián)絡(luò)出線和第2座站的選址要綜合考慮未來第3座站的情況。相反的，若站間出線條數(shù)不多于相同主變配置下的三角形單聯(lián)絡(luò)供電模型兩座站站間出線條數(shù)，與上述情況相比，站間聯(lián)絡(luò)通道減少，負(fù)載能力降低。

發(fā)展完善階段當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步增加，超出兩座站的最大供電能力時(shí)，建議首先新增站點(diǎn)，并同原有站建立站間聯(lián)絡(luò)，以優(yōu)先獲取變電站用地及線路廊道資源。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加，超出站內(nèi)兩主變配置模型的供電能力時(shí)，根據(jù)負(fù)荷發(fā)展所處區(qū)域逐個(gè)為各站增加一臺(tái)站內(nèi)主變，最終達(dá)到站內(nèi)三主變的配置。

4 結(jié)語

本文針對(duì)配電網(wǎng)多電壓級(jí)協(xié)調(diào)展開了研究，解決了協(xié)調(diào)程度的衡量、最佳互聯(lián)規(guī)模的確定、供電模型主變出線和站間聯(lián)絡(luò)數(shù)的計(jì)算等問題，并建立了可盡量平滑過渡到遠(yuǎn)景年供電模型的過渡方案。研究成果可為配電網(wǎng)規(guī)劃提供指導(dǎo)。

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M ulti-voltage Coordinated Power Supp ly M odelof Distribution Grid and Its Transition Scheme

LIKe1，TIANChunzheng1，LIUWei2，LIUHong3，F(xiàn)ANBoyu3
（1.Economic Research Institute，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China；2.StateGrid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China；3.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Considering that current research only focuses on the single voltage in the planning of distribution grid，a multi-voltage coordinatedmodel and its transition scheme are proposed.First，themeasurement index ofmulti-voltage coordination degree is formulated，and theeffectofsubstation interconnection on the same degree isanalyzed according?ly.Then，the interconnection of three substations is taken as an example to establish the power supplymodel，and the calculation method of reasonable values for the parameters in the proposed model is given.Finally，the transition scheme that can smoothly transit to the power supplymodel in the long-range years is established，which can provide guidance for the construction of regionalgrid in differentstages.

distribution grid；multi-voltage；coordinated planning；transition scheme

TM711

A

1003-8930（2017）03-0126-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.021

李科（1987—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃技術(shù)。Email：like9@ha.sgcc.com.cn

2016-08-21；

2016-09-30

劉洪（1979—），男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市配電網(wǎng)規(guī)劃與評(píng)估、分布式電源與電動(dòng)汽車充電站接入等方面的研究。Email：liuhong@tju.edu.cn

田春箏（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)。Email：tianchunzheng@ha.sgcc. com.cn

劉巍（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)。Email：liuwei62@ha.sgcc.com.cn