基于DIGSILENT建模的10 kV中壓線路供電半徑優(yōu)化研究

，，

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008)

0 引 言

10 kV中壓線路承擔(dān)著配送電能的作用，是連接35 kV變電站和居民用戶的紐帶。進(jìn)行10 kV線路規(guī)劃并計算其在不同狀況時的供電半徑，可提高配電網(wǎng)工程建設(shè)項目的投資效益，有效解決由于線路選型和供電距離過長等因素導(dǎo)致的居民電能質(zhì)量問題，從根本上改善中國配電網(wǎng)使用壽命短、供電不可靠的現(xiàn)狀。

10 kV架空線路供電半徑的適宜取值規(guī)范尚未統(tǒng)一。文獻(xiàn)[1]歸納了按經(jīng)濟(jì)電流密度、按年最低運行費用等確定供電半徑的方法，但這些方法需要考慮的因素過于復(fù)雜，且沒有考慮區(qū)域負(fù)荷的實際分布狀況。文獻(xiàn)[2]建立了供電半徑未知情況下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃模型和單位面積供電區(qū)域年費用目標(biāo)函數(shù)，并以電壓允許偏差為約束條件求解最優(yōu)供電半徑，但由于對模型進(jìn)行了很大程度的簡化導(dǎo)致計算的最終結(jié)果存在很大誤差。現(xiàn)有國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)[3]從供電區(qū)域分類的角度對供電半徑進(jìn)行區(qū)分，針對低密度負(fù)荷區(qū)——D、E類供電區(qū)域指出：“10 kV線路供電半徑應(yīng)滿足電壓質(zhì)量的要求，D類不宜超過15 km，E類供電區(qū)域供電半徑應(yīng)根據(jù)需要經(jīng)計算確定”，其所確定的低密度負(fù)荷區(qū)供電半徑及導(dǎo)線截面積標(biāo)準(zhǔn)比較籠統(tǒng)。

下面以D、E兩個區(qū)域作為重點研究對象，在四川省中江、松潘等地區(qū)進(jìn)行了實地調(diào)研，從負(fù)荷分布情況出發(fā)，以電壓質(zhì)量作為評估依據(jù)，采用DIGSILENT搭建了低密度負(fù)荷區(qū)的單電源輻射狀[4]配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停⒁源藶榛A(chǔ)進(jìn)行配電網(wǎng)不同線徑型號、不同負(fù)荷量的潮流仿真計算，在文獻(xiàn)[3]框架內(nèi)進(jìn)一步得出低密度負(fù)荷區(qū)10 kV中壓線路的細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。

1 四川省低密度負(fù)荷區(qū)10 kV線路負(fù)荷分布狀況調(diào)研

按照國家電網(wǎng)公司供電區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)[3]及要求：四川省內(nèi)D類供電區(qū)主要指以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的農(nóng)村地區(qū)；E類供電區(qū)主要指四川省內(nèi)藏區(qū)的高原農(nóng)牧區(qū)；同時定義平均負(fù)荷密度<1 MW/ km2的地區(qū)為低密度負(fù)荷區(qū)。因此，四川省低密度負(fù)荷區(qū)應(yīng)包括D類供電區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和全部E類供電區(qū)。

基于對全川經(jīng)濟(jì)、文化、政治等各項指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析，考慮地區(qū)代表性和客戶配合程度等客觀因素，選定四川省阿壩州某牧區(qū)縣和德陽某農(nóng)業(yè)縣作為四川低密度負(fù)荷試點地區(qū)，并在上述試點區(qū)域進(jìn)行10 kV線路負(fù)荷分布狀況調(diào)研。

調(diào)研過程通過咨詢相關(guān)運維人員并結(jié)合實地勘察，明確試點區(qū)域供電公司所轄各條10 kV出線的負(fù)荷分布狀況。試點地區(qū)牧區(qū)縣所屬供電公司下轄13個35 kV/ 10 kV變電站，共38回10 kV出線；農(nóng)業(yè)縣所屬供電公司下轄16個35 kV/10 kV變電站，共62回10 kV出線。調(diào)研結(jié)果顯示中壓線路按3段(3支線)考慮時，試點地區(qū)主要存在4種典型的負(fù)荷分布狀況，分別為：①中壓負(fù)荷均勻分布在10 kV主干線的3個分段上，每一分段所帶負(fù)荷占負(fù)荷總量的33.3%；②10 kV主干線上掛接兩條支線，支線所帶負(fù)荷依次(從靠近變電站一側(cè)開始)占負(fù)荷總量的33.3%、66.6%；③10 kV主干線上掛接3條支線，支線所帶負(fù)荷依次(從靠近變電站一側(cè)開始)占負(fù)荷總量的10%、20%、70%；④10 kV主干線上掛接一條支線，負(fù)荷全部集中于線路的末端。

試點地區(qū)10 kV中壓線路不同負(fù)荷分布方式所占比例情況如表1所示。

表1 試點地區(qū)10 kV中壓線路負(fù)荷分布狀況調(diào)研結(jié)果

2 四川省低密度負(fù)荷區(qū)配電網(wǎng)建模及仿真

2.1 基于DIGSILENT的四川省低密度負(fù)荷區(qū)配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷拇罱?/h3>

利用DIGSILENT依次搭建了代表①、②、③、④四類負(fù)荷分布狀況的典型單電源輻射狀配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1至圖4所示。

圖1 第①種負(fù)荷分布方式

圖2 第②種負(fù)荷分布方式

圖3 第③種負(fù)荷分布方式

第①種供電半徑/km末端電壓/kV第②種供電半徑/km末端電壓/kV第③種供電半徑/km末端電壓/kV第④種供電半徑/km末端電壓/kV13.59.7013.79.7214.69.729.89.7214.59.6214.89.6615.69.6610.49.6615.59.5815.49.616.69.6011.59.6016.59.5416.79.5417.69.5412.69.5417.59.4517.89.4818.69.4813.49.4818.59.4018.99.4419.69.4414.59.4419.59.3519.59.3520.69.3515.69.3520.59.3320.79.3321.69.3316.79.3321.59.3321.99.3222.69.3217.49.3222.59.3223.99.3023.69.3018.59.3023.59.3124.29.30

2.2 4種拓?fù)淠Ｐ拖路抡嬲{(diào)整方式的確定

在單電源輻射狀典型配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷幕A(chǔ)上，通過調(diào)整中壓負(fù)荷相關(guān)參數(shù)使其按照4種典型負(fù)荷分布狀況分布在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各支路和節(jié)點處，然后根據(jù)架空裸導(dǎo)線的額定載容量和中壓線路的實際負(fù)荷量設(shè)定范圍，將中壓負(fù)荷量分為0.5 MW、1 MW、1.5 MW、2 MW……6 MW等12個比較典型的負(fù)荷擋位[5]并進(jìn)行仿真。在不同的線徑型號下，連續(xù)調(diào)節(jié)拓?fù)淠Ｐ椭械闹袎褐鞲删€路長度，觀察線路末端節(jié)點電壓幅值，當(dāng)電壓幅值下降至9.3 kV[6]時，其對應(yīng)的供電半徑即為不同型號線徑中壓線路相應(yīng)的最大允許供電半徑。

以LGJ-240為例，在4種典型負(fù)荷分布狀況下，中壓線路總負(fù)荷1 MW情形下的典型單電源輻射狀配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ凸╇姲霃脚c線路末端節(jié)點電壓的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

由表2可知，在第①種典型負(fù)荷分布下，當(dāng)供電半徑增至24.2 km，線路末端電壓為規(guī)定臨界電壓9.30 kV，由此確定LGJ-240架空線在總負(fù)荷為1 MW情況下的中壓線路最大允許供電半徑為24.2 km。同理可得，在第②種、第③種、第④種典型負(fù)荷分布下的中壓線路最大允許供電半徑分別為23.9 km、23.6 km、18.5 km。

2.3 LGJ-240線型在4種典型配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ拖碌姆抡娼Y(jié)果

基于以上4種典型DIGSILENT的單電源輻射狀配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停灶愃频姆椒ㄒ来窝芯苛?.5 MW至6 MW負(fù)載水平下，中壓線路末端電壓幅值隨供電半徑的變化趨勢，得出LGJ-240線型在上述各個典型負(fù)荷分布狀況下，線路首端電壓為10.2 kV，末端電壓為9.3 kV時線路最大允許供電半徑，具體情況如表3所示。

表3 LGJ-240架空線在4種典型負(fù)荷分布及不同負(fù)載率下的最大允許供電半徑

可得出4種典型負(fù)荷分布狀況時，LGJ-240架空裸導(dǎo)線的最大允許供電半徑隨中壓線路負(fù)荷的變化趨勢，具體情況如圖5所示。

由圖5可知：在不同典型負(fù)荷分布狀況中，隨著中壓線路上掛接負(fù)荷量的增加，LGJ-240線型中壓線路的最大供電半徑迅速降低。同時，在相同負(fù)荷量下，4種典型負(fù)荷分布情況下的最大允許供電半徑由小到大依次為第④種、第③種、第②種、第①種；相同的負(fù)荷量下，負(fù)荷分布狀況為“負(fù)荷集中于線路末端”情況時，最大允許供電半徑將最小。

圖5 最大允許供電半徑-負(fù)荷曲線

表4 不同線徑及負(fù)荷下的最大允許供電半徑 單位：km

3 典型中壓線徑型號在4種典型負(fù)荷分布狀況下的仿真結(jié)果

以上述相同的方法可以依次研究得出LGJ-70、LGJ-95、LGJ-120、LGJ-150、LGJ-185、LGJ-240等典型農(nóng)網(wǎng)中壓線徑型號在4種典型負(fù)荷分布狀況下，其最大允許供電半徑隨不同中壓線路負(fù)荷的變化趨勢，具體情況如表4所示。

在低密度負(fù)荷區(qū)配電網(wǎng)工程中，涉及到中壓線路的選型應(yīng)明確低密度負(fù)荷區(qū)中壓線路總負(fù)荷水平及負(fù)荷的整體分布狀況，綜合考慮區(qū)域發(fā)展階段及項目經(jīng)濟(jì)效益和安全性，根據(jù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定低密度負(fù)荷區(qū)的中壓架空線路的選型與供電半徑。

由表4可知，在相同負(fù)荷量和架空線型號的情況下，第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ图础柏?fù)荷全部集中于10 kV中壓線路的末端”時最大允許供電半徑最小，即在該種情形下線路輸送電能的能力最弱，認(rèn)為是“木桶效應(yīng)”中的“短板”，該短板將直接決定線路末端電壓質(zhì)量是否合格。因此，參考第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ拖碌淖畲笤试S供電半徑進(jìn)行中壓架空線路的選型將不會出現(xiàn)中壓線路末端低電壓問題，這里將該供電半徑定義為“合理供電半徑”，不同線徑及負(fù)荷下的合理供電半徑具體情況如表5所示。

表5 不同線徑及負(fù)荷下的合理供電半徑 單位：km

4 結(jié) 語

國家電網(wǎng)公司《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》[3]指出：D類供電地區(qū)10 kV線路供電半徑不宜超過15 km；E類供電地區(qū)10 kV線路供電半徑應(yīng)根據(jù)需要經(jīng)計算確定。前面從四川省低密度負(fù)荷區(qū)低電壓問題治理現(xiàn)狀出發(fā)，通過基于DIGSILENT軟件的建模與仿真，對該導(dǎo)則D、E兩類低密度負(fù)荷區(qū)10 kV中壓線路的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了更為細(xì)化的研究，得出如下結(jié)論：

1)低密度負(fù)荷區(qū)10 kV線路的最大供電半徑受到負(fù)荷分布狀況的顯著影響，居民負(fù)荷越集中于線路的末端，最大供電半徑越小。

2)在絕對負(fù)荷量相同的情況下，導(dǎo)線截面越大，最大供電半徑越長；當(dāng)負(fù)荷總量趨于各型號導(dǎo)線的額定載容量時，不同型號導(dǎo)線的最大供電半經(jīng)變化不明顯。

3)低密度負(fù)荷區(qū)10 kV中壓線路鋼芯鋁絞線LGJ-70的合理供電半徑最小，其不宜超過8.7 km；LGJ-240的合理供電半徑最大，其不宜超過20 km。