城市中壓配電網規劃方案分析

賈玉偉，張明文，高冬那，黃家棟

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.河北省電力公司，石家莊 050021)

電網規劃是電網發展的重要依托，其規劃水平和質量直接影響到電網供電的安全性、可靠性和經濟性水平。《城市電力網規劃設計導則》規定，配電網絡的供電可靠性是指設備停運時，對用戶連續供電的可靠程度，應該滿足N-1安全準則和用戶用電可靠程度的具體規定。這些規定還不是到最終用戶的N-1準則，而且在不同的網絡模式及變壓器接線方式下，N-1所能夠達到的級別也不同。

1 城市中壓配電網規劃的主要技術原則

1.1 供電可靠性

城網規劃考慮的供電可靠性是指電網設備停運時，對用戶連續供電的可靠程度，應滿足電網供電安全準則和用戶用電可靠程度兩方面具體規定。城市中壓配電網的供電安全采用N一1安全準則，即中壓配電網中1條架空線，或1條電纜，或變電站中1臺降壓變電器發生故障停運時，在正常情況下，除故障段外不停電，并不得發生電壓過低和設備不允許的過負荷；在計劃停運情況下，又發生故障停運時， 允許部分停電， 但應在規定時間內恢復供電。

滿足用戶用電的程度是指電網故障造成用戶停電時間，允許停電的容量和恢復供電的目標時間。電壓等級越高、負荷越大的用戶，目標時間越短。主要原則是：兩回路供電的用戶，失去一回路后，應不停電；三回路供電的用戶，失去一回路后，應不停電，再失去一回路后，應滿足50%～70%用電；一回路和多回路供電的用戶電源全停時，恢復供電的目標時間為一回路故障處理的時間；開環網絡中的用戶，環網故障時需通過電網操作恢復供電的，其目標時間為操作所需的時間。滿足用戶用電的程度通常用配電網的供電可靠率來評估，即系統年均斷電時間(h/戶·年)。

1.2 城網結構

城網結構是城網規劃的主體，應滿足靈活適應城市建設規模、負荷密度、供電需要以及經濟性和可靠性。變電站應根據城網總體負荷、分區負荷需求預測和地理環境條件，本著便于形成規劃目標網絡結構和有利于網絡經濟運行的原則進行布局，并留有插入新建變電站的可能性。

1.2.1 結構要求

規劃的城網結構應達到各級電壓電網的接線標準化，提高可靠性，減少維護、檢修費用；高壓配電網接線簡化，實現自動化和無人值班；下一級電網能支持上一級電網。同時規劃城網還應滿足電源送出要求和形成穩定可靠的供電能力，以適應電力市場拓展和消費需要；有一定裕度和應變能力，具有前瞻性；電網運行要靈活、經濟，線損及成本應相對較低；接線簡明、層次清晰；結構形式和潮流流向合理，避免電磁環網和網內環流；采取措施限制短路電流[1]。

1.2.2 結構形式

城網接線的結構形式主要有以下幾種：

a. 放射型，只由一端電源供電；

b. 環型，由單電源構成的完整的環形回路；

c. 群型，多電源(至少2個)，呈鏈狀的網絡，如兩電源之間的2條或3條線路上進行多次“T”接變壓器或兩電源之間形成“手拉手”形式；

d. 紡錘型，雙側電源，正常時單電源運行，當工作電源失電時另一側電源自動閉合；

e. 網孔型，由多個環形回路組成，由多電源供電；

f. 袋型，單電源多回路帶幾個變電站的供電形式；

g. “4×6”網絡，由4個電源節點通過6條線路相互連接，每條線路可以分成兩段及以上，正常運行時可單電源供電，形成放射型。也屬于網孔型的一種。

1.2.3 主接線形式

城網結構中最重要的是變電站的電氣主接線選擇。目前，變電站主接線形式主要有：單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段帶旁路、雙母線分段(包括單分段、雙分段)和3/2接線以及橋式接線(包括內橋和外橋)、角形接線和線路變壓器組單元接線等[2]。

2 提高中壓配電網供電可靠性的方法

基于可靠性的規劃是一種以性能或目標為基礎的規劃方法。結合客戶的供電特性，規劃人員必須考慮系統平均停電頻率(SAIFI)、系統平均停電持續時間(SAIDI)和短時停電頻率(MAIFI)。

規劃人員參照某個目標，如配電網絡的可靠性對系統進行評估，然后識別系統對既定目標的實現，哪些地方有缺陷以及為什么會出現這種缺陷，并按照主次、輕重對發現的缺陷排序，最后確定解決辦法，以使系統達到性能目標。

中壓配電網規劃的供電可靠性考慮切換速度、分段、網絡結構和備用線路容量四方面的相互影響，切換速度的需求在很大程度上取決于系統網絡結構和備用線路容量，以便于在事故過程中系統能夠由另外一條饋電路徑供電；一條饋線如何實現分段，取決于該網絡的結構；采用分段的線路網絡結構有相似的短路電流分布和保護配合特性[3]。

3 城市中壓配電網規劃方案分析

3.1 10 kV中壓配電網接線

城市10 kV中壓配電網由架空線和電纜混合組成。隨著城市的改造和發展以及道路的拓寬，應加快發展電纜網絡，包括現存架空線的“下地”。10 kV中壓配電網需要根據高壓變電站的布局、負荷分布和行政區以及功能小區，劃分成若干個相對獨立的配電分區。各分區配電網應有大致明確的供電范圍，一般不交叉重疊。為了保證中壓配電網的供電可靠性，每個分區配電網應有多個供電電源，滿足N-1安全準則。

3.1.1 組網接線原則

a. 10 kV中壓配電網逐步實現電纜化。新建線路均采用電纜環網結線方式，并逐步對舊架空線進行電纜化改造，舊架空線上一般不允許再增接新用戶。

b. 新用戶只能由架空線供電者，不直接T接架空線，應與由該架空線供電的附近其它用戶“手拉手”環網，以利于今后電纜化改造。

c. 10 kV中壓配電網應有較強的適應性，新建和改造的主干線導線截面應按長遠規劃選型，線路走廊、開閉所和配電所的土建均應按發展規劃規模一次建成，以保證在相當長的時間內不需要更換導線和超規模擴建。即使是由于負荷增長不滿足需要時，增加新的饋入點或插入新的變電站，而其結構保持基本不變。

d. 10 kV中壓配電網必須具有足夠的備用容量，特別是高壓變電站之間的中壓網應有足夠的聯絡容量，確保負荷能夠轉移。一般應有1/3裕度，過渡期間應留1/2裕度，即：“3-1”和“2-1”要求。

e. 10 kV中壓架空配電網應采用“多分段多聯絡系統”。 沿道路架設線路的格子形布局網絡，在道路交叉口互聯。為縮小架空配電線路檢修和事故時的停電范圍，應裝設分段斷路器。一般主干線分為2～3段，裝分段斷路器1～2臺，較大的支線也應裝斷路斷路器。架空配電線路之間應裝設聯絡斷路器，以實現配電線路的互倒互帶，提高運行靈活性。

f. 電纜網主要采用環網結構，開環(輻射)或閉環運行。原則上，每條10 kV線路分3段，每段長度按負荷劃分，每段線路所供用戶的裝機容量控制在2 000 kVA左右。也可以按供電半徑進行控制。

3.1.2 具體接線方案

a. 樹干式接線，適用于架空線、非重要用戶，干線可以分段。

b. T接式接線，又可分單T、雙T、三T、均單T運行。對老城區架空線變電纜的改造，考慮多數用戶未設置高壓開關柜，且無安裝地點，故宜采用T接方式，即在電纜線路上，利用高壓電纜分支箱或戶外箱式變壓器T接各用戶。對于雙電源用戶，可分別從兩條不同線路的電纜上T接。為提高干線電纜及配電變壓器的利用率，還可考慮三T方式。

c. 環形接線，其中包括單環形接線和雙環形接線。電纜線路普遍采用環形結構開環運行的方式。這種接線簡單清晰，可靠性較高。無論是雙電源雙T接線還是環形接線，均需要較大的備用，備用容量達50%，正常時最大負荷只能達到線路安全載流量的1/2。

d. 三電源環形接線，這是一種可靠性高，適合高密度負荷區的配電網接線方式，能夠提高線路的利用率。這種接線方式宜成為規劃城市10 kV中壓配電網的標準模式。該接線的結構是，網絡有3(或4)個電源(可以取自同一變電站的3段母線或不同的變電站)，當失去一個電源時，網絡全部負荷由其余2個電源(或2個電源加備用電源)供電，有3種接線方式。

三供一備接線(即“Y0 ”型接線)，回路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別取自不同變電站或同一變電站的不同主變壓器。正常時，各回路供給本回路用戶。當一回路故障時，由備用回路承擔故障回路負荷，設置備用電源開閉所(或備用電源開閉所加配電變壓器)及備用電源柜。與3個獨立的環型接線相比，此接線方式提高了電纜利用率(由1/2提高至3/4)。當一個區域的供電容量較大、配電所較多時，采用此種接線。對于重要高層的配電所，可以由2個回路供電。根據負荷增長情況還可適當增加主供回路，形成四供一備接線，可以節省電纜和10 kV出線柜的投資。同時，這種接線組網方式靈活，可以根據用戶的地理位置及竣工時間的不同，組網順序隨機掌握，逐步形成，一般應先建備用電源回路。具體接線見圖1。

圖1 三供一備接線示意

分段聯絡接線，將3條電源回路二分段，在回路的中間及末端用聯絡線連接在一起。一組3回饋線需設置4個聯絡開閉所，配電所內設一進一出的環網開關柜。具體接線示意見圖2。

圖2 分段聯絡接線

分片配電網絡接線，設3個雙電源配電聯絡開閉所，每個開閉所有一個電源，3 個電源來自同一變電站的3段不同母線或3個不同變電站。每個開閉所按地段就近分片分配負荷，把各片配電所連成環型接在所屬開閉所的同一母線上。小環的電纜截面按小環實際預測負荷選擇。當一個電源出現故障時，接通相應聯絡線，即能恢復供電[4]。分片配電網絡接線示意見圖3。

圖3 分片配電網絡接線示意

3.2 10 kV開閉所設計

10 kV開閉所是實現10 kV 中壓配電網分片聯絡和進行功率再分配，彌補高壓變電站出線回路不足和線路走廊困難，在負荷較集中區域設置的重要設施。開閉所可設配電變壓器以便向周圍的低壓用戶供電，只要附近有低壓負荷，“均應設置配電變壓器。開閉所應作為市政建設的配套工程，與市政工程建設、高層建筑建設、居民小區樓群建設同步進行。

3.3 10 kV配電所變壓器選擇

配電變壓器單臺容量的選擇與所供面積大小、負荷密度、壓降及低壓線路有關。一般可選以下幾種等級：31 kV、400 kV、500 kV和630 kV，其土建設計均按630 kV考慮。特殊情況下，可以選更大容量的配電變壓器，如800 kV、1 000 kV、1 250 kV等。配電所配電變壓器一般按2～3臺規劃，負荷密度較高區域可按4臺考慮，不多于4臺。

室外臺架配電變壓器應逐步改為室內公用配電所或箱式變壓器，最終取消臺架配電變壓器。對于負荷較小且較分散的用戶，宜推廣采用箱式變壓器，考慮其防腐性能，并適應雙電源或接入環網的條件，提高供電可靠性。

配電所一次側主接線，應采用單母線接線，低壓側采用單母線分段接線。一般情況下，配電所配電變壓器和箱式變壓器高壓側采用負荷開關加熔斷器保護，處于環網中的應采用環網柜，其低壓側設刀熔斷路器或自動斷路器。

4 規劃方案應用分析

4.1 應用情況

上面介紹的各種接線形式多為環型或網孔型，但實際運行多為開環運行，呈輻射狀。根據實際情況，在青島城網建設過程中，采取循序漸進的方式。首先按規劃目標建設輻射型網絡，并按遠景目標網絡逐步實施，包括預留走廊，插入配電所、開閉所的位置等。市區內線路先實現“手拉手”，部分負荷密集區實現“三源”接線，隨著負荷的增長，逐步由“三源”接線、“手拉手”向“四源”、“三源”接線過渡。該方案主要推薦三供一備(或四供一備)接線和分段聯絡接線。

開閉所10 kV側采用單母線分段，母線之間加聯絡開關。凡具有聯絡性質的進出線配置開關柜，以滿足配電系統自動化自動切除故障電纜的要求。直接配出線(輻射型)采用負荷開關加熔絲保護。凡設置了配電變壓器的，其配電變壓器總進線采用開關柜，低壓側采用單母線分段接線。根據高壓變電站出線設備的容量，開閉所的轉供供電容量一般控制在7 000～10 000 kV。開閉所的進線電源可來自同一變電站的不同母線或不同的變電站，出線按10回考慮。中壓直供用戶采用雙電源的采用單根電纜，單電源的采用雙根電纜。允許2個雙電源用戶共用2個出線柜。配電變壓器單臺容量按630 kV考慮，配電所配電變壓器按2～3臺規劃，負荷密度較高區域可按4臺考慮，但不多于4臺。

配電所或開閉所的中壓設備選用性能好、質量高，檢修周期長或多年不檢修，小型化、無油化和具有可控性的設備，如SF6開關柜、真空開關柜、環網單元、小型封閉式配電裝置及各種新型熔斷器，優先采用環網單元。建于高層建筑物內的配電變壓器采用干式變壓器，在繁華地區及受場地限制無法建設配電室的處所采用箱式變壓器。

4.2 應用效果

10 kV中壓配電網規劃方案在青島應用以后，達到了以下的水平：

a. 具有充分的供電能力，能滿足用電負荷增長的需要；

b. 有功和無功容量之間比例協調；

c. 供電質量、可靠性達到規劃目標的要求；

d. 建設資金和建設時間取得恰當的經濟效益；

e. 設備得到更新，網絡完善合理，與社會環境協調一致，技術水平達到較先進的現代化程度。

5 結束語

基于可靠性的城市中壓配電網規劃增強了10 kV配電網的供電能力，加強了城網的結構布局和設施的標準化，做到了遠近相結合、新建和改造相結合，可以保證電力設施的安全運轉，為電力企業帶來良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 張茂春.淺析城市電網規劃的編制過程與技術原則[C]//山東電機工程學會2006年學術年會論文集.山東:中國電機工程學會,2006.

[2] 陳章潮.城市電網規劃與改造[M].北京:中國電力出版社,2007.

[3] 鞠 佳.基于可靠性的城市中壓配電網規劃——訪北京電力經濟技術研究院夏泉副院長[J].電氣應用,2011,30(1):8-10.

[4] 戴晰臣.濟南城市電網發展規劃研究[D].山東:山東大學,2002.