基于共享理念的分層環狀配電網供電模式

國網山東省電力公司濟南供電公司 李靜 王夢琪 龍青山 林琪蔚 王延安 孫謙

基于共享理念的分層環狀配電網供電模式

國網山東省電力公司濟南供電公司 李靜 王夢琪 龍青山 林琪蔚 王延安 孫謙

為解決配電網建設改造面臨的電力廊道建設滯后、重過載、輕載現象并存，配電網自愈能力差一系列新問題，提出一種基于共享理念的分層環狀配電網供電模式。該結構可有效減少電力廊道規模，實現能量共享。經過物理模型仿真和規劃實踐驗證，初步證明該配電網供電模式實用有效。

配電網規劃；配電網結構；配電自動化

0 引言

隨著電力體制改革的深入實施和“一流配電網”的建設發展，面對“兩個替代”、分布式電源接入、智能用電、高可靠性供電需求[1-5]，科學合理的電力系統規劃更加重要。

目前，配電網建設改造面臨一系列新問題[6-12]。一是電力廊道建設滯后，部分區域電力廊道建設與變電站配套送出等工程缺乏通盤長遠規劃，制約電力送出。二是“兩個替代”給配電網建設帶來很大壓力，電動汽車充換電設施建設、“煤改電”[6]等新的負荷增長給配電網建設帶來困難，部分區域變電站布點不足、供電適應性弱，難以滿足新增負荷需求。光伏發電等分布式電源的接入給配電網運行帶來較大沖擊。三是業擴戶表方案制定與規劃嚴重脫節，業擴戶表方案未從規劃角度制定，導致部分區域中壓線路間隔不足，新上項目接入困難。四是現有電網設備用電能力挖潛難度大，例如重過載、輕載現象并存，電網自愈能力差、供電可靠性不高。

為解決上述問題，本論文以實現電力能量流靈活配置，供電容量高度共享為目標，提出一種基于共享理念的分層環狀配電網供電模式。

首先梳理了目前配電網的常見結構，分析了各類結構的適用范圍。其次從配網結構模型、配電自動化配置原則兩方面介紹了基于共享理念的分層環狀配電網供電模式的原理。再次結合典型網架對多層雙環網配網結構進行了詳細論述。最后分別從物理模型仿真和規劃實踐兩方面，對該模式進行了驗證，實踐初步證明，該配電網供電模式實用有效。

1 配電網結構

1.1 配電網結構

10kV配電網結構分兩類，一類是架空網，另一類是電纜網[13]。

架空網又包括三分段三聯絡接線方式、三分段單聯絡接線方式、三分段單輻射接線方式等，分別如圖1、2、3所示。

三分段、單聯絡接線方式，即線路末端聯絡接線方式。在周邊電源點數量有限，且線路負載率低于50%的情況下，不具備多聯絡條件時，可采用。

三分段單輻射接線方式，在周邊沒有其他電源點，且供電可靠性要求較低的地區，目前暫不具備與其他線路聯絡的條件，可采用。

電纜網又包括單環網接線方式、雙射接線方式、雙環網接線方式和對射接線方式，其中雙射接線方式和對射接線方式可過渡到雙環網接線方式。如圖4、5、6所示。

單環網接線方式為自同一供電區域兩座變電站的中壓母線（或一座變電站的不同中壓母線）、或兩座中壓開關站的中壓母線（或一座中壓開關站的不同中壓母線）饋出單回線路構成單環網，開環運行。

圖1 三分段、三聯絡接線方式

圖2 三分段、單聯絡接線方式

雙射接線方式為自同一變電站（或中壓開關站）的不同中壓母線引出雙回路線路，形成雙射線接線方式；或自同一供電區域的不同變電站引出雙回線路，形成雙射線接線方式。有條件、必要時，可過渡到雙環網接線方式。

圖3 三分段單輻射接線方式

圖4 單環網接線方式

圖5 雙射接線方式

圖6 雙環網接線方式

雙環網接線方式為自同一區域的兩座變電站（或兩座中壓開關站）的不同中壓母線各引出二對（4回）線路，構成雙環網的接線方式。

對射接線方式為自不同方向電源的兩座變電站（或中壓開關站）的中壓母線饋出單回線路組成對射接線方式，一般由雙射改造形成。

1.2 各種結構適用范圍

不同的配電網結構有不同的適用范圍[14]，如表1所示。

每類配電網結構都有各自的適用范圍，但是在實際規劃過程中，在某一區域難以采用單一的配電網結構，例如在A區域，往往含有城內湖、樹林、草坪和小山等。并且，為了生態城市建設，在城市規劃階段需要充分考慮環境優化因素，導致高負荷密度區（例如，商務中心區）與低負荷密度區（例如，綠地、小山等）交錯布局，形成商業、金融、居住、休閑以及河流、山地、植被錯綜交叉。

復雜的土地使用性質，采用傳統的配電網規劃方式，往往產生變電站負載率和間隔利用率低、重過載線路、業擴受限、戶表裝接困難、道路反復開挖等問題日益嚴重。

2 供電模式原理

2.1 配網結構模型

通過梳理典型的配電網結構，針對城市規劃發展趨勢和目前電網存在的問題，提出基于共享理念的分層環狀配電網規劃方法，以電纜網為例，基于共享理念的分層環狀配電網規劃結構框圖，如圖8所示。

基于中壓雙環網分層規劃理念，通過中壓多層雙環網規劃方式，實現變電站10kV母線延伸，達到電力潮流在多層多環配電網架構的靈活配置，充分挖掘現有設備的供電能力，最大限度實現容量共享，能夠顯著提升公用配電設備、變電站間隔利用率。

2.2 配電自動化配置原則

對于供電半徑較長、分段數較少的開環運行農村配電架空線路，在線路發生故障時，故障位置上游各個分段開關處的短路電流水平差異比較明顯時，可以采取電流定值與延時級差配合的方式（如3 段式過流保護或反時限過流保護）實現多級保護配合，有選擇性地快速切除故障。

但是，對于供電半徑較短的開環運行城市配電電纜線路，在線路發生故障時，故障位置上游給個進出線開關處的短路電流水平往往差異比較小，無法針對不同的開關設置不同的電流定值，此時僅能依靠保護動作延時時間級差配合和電流方向實現故障有選擇性的切除[15-18]。

以圖8為例，來說明配電自動化配置原則，即“兩級級差+兩類差動保護+集中式+三遙”的配置原則。

2.2.1 開關類型組合配置原則

開關類型組合配置的原則如下：

（1）變電站出線開關采用斷路器。

（2）主環網開關站進出線開關采用斷路器。

（3）次環網環網柜進線及與開關站連接的出線開關采用負荷開關。

（4）次環網環網柜出線及非與開關站連接的出線（用戶開關）開關采用斷路器。

斷路器采用常規的彈簧儲能操動機構的斷路器，其分閘時間一般為60～80 ms，采用全波傅氏算法故障檢測的保護出口時間在30 ms左右，繼電器驅動時間一般為5 ms左右，一般在100 ms左右可快速切除故障電流。考慮到變壓器低壓側低后備保護的最小設置延時（一般設置在0.5s左右）和變電站出線斷路器過流保護動作時間（一般設置為0.5～0.7 s）。同時考慮變壓器、斷路器、負荷開關、隔離開關、線路以及電流互感器的熱穩定校驗時間為2 s的要求，多級級差保護配合延時時間級差可以設置為200ms。

2.2.2 保護配置原則

保護配置的原則如下：

（1）變電站出線保護：采用過流保護，取消重合閘和瞬時電流速斷保護，斷路器過流保護動作時間設置為0.5s。

（2）主環網開關站之間、開關站與變電站出線間隔之間采用光纖差動保護，延時0s。用于保護主環網電纜線路。

（3）每個開關站兩回進線之間采用帶方向的光纖差動保護（反向求和，定值大于2倍的主環網最大電纜限流值），延時0s，保護動作跳開該開關站的連接環網柜的兩回出線。用于保護開關站內部故障和次環網故障。

（4）次環網環網柜出線及非與開關站連接的出線（用戶開關），采用瞬時電流速斷保護，延時0s。

2.2.3 故障處理方式

故障處理方式采用集中式，配電終端采用“三遙”終端。

（1）用戶側故障：環網柜用戶側斷路器速斷動作，自動隔離故障，防止用戶側事故波及到公用線路并確定事故責任分界點。此類故障可能引起開關站連接環網柜的兩回出線開關的越級跳閘，但是不影響主環網的正常供電。在產生越級跳閘后，由配電自動化系統根據收到的故障信息判斷出故障區域，通過遙控相應開關動作完成故障區域的隔離并恢復對健全區域的供電。

圖7 對射接線方式

表1 各類結構適用范圍

圖8 配網結構模型框圖

圖9 主、次環網典型供電模式結構圖

（2）開關站、環網柜CT外側（母線側）以及次環網線路故障：開關站兩回進線之間帶方向的光纖差動保護瞬時動作，隔離故障。隔離故障和恢復供電處理方式同“用戶側故障”。

（3）主環網線路故障：主環網開關站之間、開關站與變電站出線間隔之間的光纖差動保護瞬時動作，隔離故障。隔離故障和恢復供電處理方式同“用戶側故障”。

（4）變電站出線間隔過流保護作為所有以上保護的后備，且為變壓器低后備保護留出足夠配合時間。

3 典型網架

以圖9主、次環網典型供電模式為例說明中壓多層雙環網配電網結構。

包含如下結構：

（1）變電站出線以開關站為連接單元形成的第一層雙環網（即主環網）。雙側電源變電站直供開關站，開關站作為變電站母線的延伸，這是實現容量共享的主通道，減少電力廊道規模。

（2）主環網的開關站出線直接帶負荷。面向兩類負荷，一類是特別重要且可靠性要求高的負荷，一般采用來自不同開關站的雙電源進線；一類是容量大、供電可靠性要求不高的負荷，例如“煤改電”等，滿足“兩個替代”需求。

（3）主環網的開關站出線以環網柜為連接單元形成的第二層單、雙環網（即次環網）。主要面向整個片區負荷密度大、可靠性要求高，而所開發地塊碎小、單地塊負荷不大，采用傳統業擴方式導致變電站間隔、環網柜間隔不夠的情況。增加業擴、戶表接帶能力。

（4）變電站直接出線接帶負荷。面向從高負荷密度區內變電站出線向低負荷密度區且長距離供電的場合，例如，從中央商務區內的變電站向鄰近中央商務區的休閑濕地、小山丘等地帶供電。

圖10 典型供電模式實驗板

圖11 某核心區域的配電網結構圖

以上綜合電網結構，可在不同層級、不同環網結構中復合靈活接入電動汽車、分布電源等。基于主環網結構可實現電力能量流晝、夜及不同負荷性質負載間的削峰填谷。

相對傳統配電網結構，該配電網結構可以減少變電站間隔使用數量，增加負荷接入點，對重過載治理、聯絡率提升等配電網建設指標提高提供綜合解決方案。同時也適應了目前城市開發的“小馬路、小廣場、小拐角、小綠地、小地塊的“五小”城市建設改造的新理念。

4 供電模式驗證

4.1 仿真實驗

采用PCB板技術模擬高中壓電網結構，搭建PCB板模型，模擬正常運行和故障后負荷改切、網絡自愈等特性，實驗證明，主、次環網網架結構性能優良。基于PCB的環狀分層配電網結構典型供電模式實驗板如圖10所示。

如圖10所示，藍色線代表第一層環網，紅色線代表第二層環網。不同變電站10kV間隔之間形成共享能量流的主通道，一般以雙環網或者多環網的方式實現，此為第一層環網。第一層環網可以根據實際需要接帶負荷，如果某區域地塊分布密集，且每個地塊的用電需求也不大，則可以在第一層環網的基礎上繼續分支形成第二層環網，繼而實現能量流的共享。環狀分層配電網并沒有固定的模式，設計起來非常靈活，可根據實際需要設計不同的模式來滿足本區域負荷發展的需求。經過仿真實驗，在邏輯上實現了上述配電自動化配置原則，滿足了變電站10kV母線延伸、電力潮流在多層多環配電網架構的靈活配置等的設計目標。

4.2 規劃實踐

如圖11所示，采用基于共享理念的分層環狀配電網規劃方法對某城市某核心區域的配電網結構圖。

如圖所示，KB1和KB2為開關站，形成第一層雙環網（即主環網），雙側電源變電站直供開關站，開關站作為變電站母線的延伸，這是實現容量共享的主通道，減少電力廊道規模。HK0X、HK1X、HK2X為環網柜，以開關站出線形成第二層單、雙環網（即次環網），節省變電站間隔，提升變電站負載率，增加業擴、戶表接帶能力。運行實踐證明實現了變配電容量的充分共享。

5 結語

（1）提出了基于共享理念的分層環狀配電網供電模式。依據該模式的分層環狀配電網規劃結構，在現有配電網結構基礎上，變電站出線以開關站為連接單元形成第一層主環網；主環網的開關站出線以環網柜為連接單元形成第二層單、雙環網（即次環網）。開關站作是變電站母線延伸，實現容量共享主通道，減少電力廊道規模。同時實現變配電容量的充分共享，公用配電設備、變電站間隔利用率的顯著提升。

（2）針對分層環狀配電網規劃結構，提出“兩級級差+兩類差動保護+集中式+三遙”的配電自動化配置原則。

（3）基于該供電模式可以有效解決變電站負載率低、間隔使用率過高、業擴受限、“兩個替代”接入困難、線路重過載等問題。

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