城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)對提高供電可靠性的研究

李 昂，張國強(qiáng)，2

（1.陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.國網(wǎng)陜西省電力公司 榆林供電公司，陜西 榆林 719000）

1 供電可靠性概述

供電可靠性是反映公司電網(wǎng)發(fā)展、運(yùn)營管理、營商環(huán)境以及服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，受到國家、社會、行業(yè)的高度關(guān)注。電力系統(tǒng)輸配電質(zhì)量與服務(wù)水平是在配電系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)上所實(shí)現(xiàn)的[1]。供電可靠性是指電力系統(tǒng)持續(xù)供電的能力，反映了電力工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)電能需求的滿足程度，對確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。對于配網(wǎng)的可靠運(yùn)行，最重要的是做好配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。根據(jù)各城市用電需求不斷增長的形勢，圍繞建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，進(jìn)一步完善配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)方案，以優(yōu)化城市網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高線路的有效聯(lián)絡(luò)率、配電網(wǎng)運(yùn)行水平、供電可靠性以及運(yùn)行效率[2]。

2 配電網(wǎng)接線形式

目前，大部分城市公用線路的主要接線形式為單輻射接線和單環(huán)網(wǎng)接線，如圖1和圖2所示。

圖1 單輻射接線方式

圖2 單環(huán)網(wǎng)接線方式

單輻射線路只有一路從變電站接入的電源，即以一個變電站母線電源為中心，向周邊擴(kuò)散的供電接線方式。該方式的優(yōu)點(diǎn)是線路利用率高，可達(dá)到100%，缺點(diǎn)是不具備檢修或發(fā)生故障時(shí)線路負(fù)荷的轉(zhuǎn)供能力，且分段數(shù)偏少，供電靈活性差，部分線路供電半徑過長導(dǎo)致用戶供電質(zhì)量差，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)停電影響范圍大。

單環(huán)網(wǎng)供電是指同一變電站不同的母線多回路饋線，通過相互之間的連接成為一個環(huán)路的供電方法[3]。這種接線模式主要通過環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站來進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。相對于單輻射線路，采用環(huán)網(wǎng)供電后，可以大大提高供電運(yùn)行可靠性，供電方式能夠更加合理地分配負(fù)荷功率，縮小供電半徑，有效提高用戶的電能質(zhì)量，并且當(dāng)供電線路的某一部位發(fā)生故障時(shí)可以快速隔離故障部位，及時(shí)恢復(fù)非故障部分的正常供電，避免發(fā)生大面積停電事故。但是這種接線方式的設(shè)備利用率較低，如果一回線路出現(xiàn)故障，所有負(fù)荷需調(diào)整至另一回線路，正常情況下每條線路負(fù)荷需控制到50%以下，這就導(dǎo)致設(shè)備利用率較低。

3 配電網(wǎng)運(yùn)行中的主要問題

3.1 線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理

目前，城市配網(wǎng)線路存在的主要問題是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，未進(jìn)行超前規(guī)劃設(shè)計(jì)。在城市發(fā)展的初期，配網(wǎng)規(guī)劃的線路以單輻射方式為主，未在城區(qū)市中心規(guī)劃多回線路，且部分城市電源全部來自一個變電站，電源單一，供電可靠性較低。

隨著城市的快速發(fā)展，部分單輻射線路已不滿足互供電要求，通過臨時(shí)規(guī)劃設(shè)計(jì)，選擇就近將兩條線路聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單環(huán)網(wǎng)接線方式。但此時(shí)兩條單輻射線路負(fù)荷均已達(dá)到70%以上，雖然已實(shí)現(xiàn)單環(huán)網(wǎng)接線方式，但無法滿足互供電要求，當(dāng)一條線路發(fā)生故障時(shí)，另一條線路無法承擔(dān)全部負(fù)荷，且部分城市存在負(fù)荷密集區(qū)域，線路較少，導(dǎo)線截面偏小導(dǎo)致載流量小，線路易達(dá)到重過載，同時(shí)部分線路過長導(dǎo)致末端易出現(xiàn)低電壓，轉(zhuǎn)移負(fù)荷能力不足，無法滿足N-1，使得公用線路聯(lián)絡(luò)率和N-1通過率較低。

3.2 配電自動化水平低

長期以來，配電系統(tǒng)的自動化水平普遍較低，尚無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制和管理，使得運(yùn)行維護(hù)和管理人員難以及時(shí)掌握整個系統(tǒng)及系統(tǒng)中電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。城市戶外開閉所、環(huán)網(wǎng)柜以及分支箱所使用的配電設(shè)備開關(guān)均為負(fù)荷開關(guān)，當(dāng)支線和用戶側(cè)線路設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，負(fù)荷開關(guān)無法切斷故障電流，易越級至變電站出線斷路器開關(guān)動作跳閘，擴(kuò)大停電范圍，發(fā)生大面積停電。同時(shí)，運(yùn)維人員需排查的線路故障范圍廣，難度大，無法快速有效確定故障點(diǎn)，恢復(fù)供電[4]。即使已實(shí)現(xiàn)單環(huán)網(wǎng)的線路，如未實(shí)現(xiàn)配電自動化功能，在未確認(rèn)故障前，無法通過聯(lián)絡(luò)線路直接供電，同時(shí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)無備自投功能，均需手動操作，因此用戶側(cè)頻繁停電無法避免。

4 城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)思路

4.1 超前規(guī)劃配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)的接線方式應(yīng)滿足城市供配電的安全以及城市快速發(fā)展的需求，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃時(shí)應(yīng)首先考慮城市行政級別、經(jīng)濟(jì)地位以及負(fù)荷密度等條件。設(shè)計(jì)時(shí)以優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、降低線路損耗、節(jié)約建設(shè)成本以及提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性為目標(biāo)。根據(jù)目前國內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，經(jīng)綜合分析，整體最優(yōu)的城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其又分為單環(huán)網(wǎng)接線和雙環(huán)網(wǎng)接線兩種形式。

單環(huán)網(wǎng)接線用兩回電纜線路構(gòu)成環(huán)網(wǎng)線路，其接線方式簡單、運(yùn)行靈活，供電質(zhì)量較高，滿足N-1安全準(zhǔn)則。通過投切分段開關(guān)可以隔離故障段，恢復(fù)非故障段線路供電，以確保線路安全可靠的運(yùn)行。但是這種接線方式的設(shè)備利用率較低，如果一回線路出現(xiàn)故障，負(fù)荷全部依靠另一回線路提供電源，增加了另一回線路的負(fù)荷，正常情況下，每條線路電力負(fù)荷保留50%的容量，這就導(dǎo)致設(shè)備利用率無法達(dá)到滿額運(yùn)行[5]。

為提高設(shè)備利用率，滿足N-1用電安全準(zhǔn)則要求，可以采用三回饋線構(gòu)成單環(huán)網(wǎng)的接線方式，形成“3-1”單環(huán)網(wǎng)接線方式。正常運(yùn)行情況下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)其中一回線路出現(xiàn)故障時(shí)只需合上另外兩條線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另外兩回線路承擔(dān)全部電力負(fù)荷，因而提高了電力設(shè)備的利用率，使得每條線路利用率可以達(dá)到67%。這種接線方式比較適合對供電可靠性要求比較高或用電增長較快的城市配電網(wǎng)。對于三四線城市電纜配電線路網(wǎng)架接線，可采用“3-1”或“2-1”的單環(huán)網(wǎng)接線方式。

將單環(huán)網(wǎng)組合可以得到雙環(huán)網(wǎng)式接線，這種供電方式更靈活可靠，可以最大限度滿足用戶連續(xù)供電要求[5]。這種供電方式更適合用于一二線城市的重要電力客戶以及城市中心區(qū)。

4.2 提高配電網(wǎng)自動化水平

當(dāng)城市配電系統(tǒng)建成投運(yùn)后，其自動化水平尤為關(guān)鍵。配電網(wǎng)自動化的首要作用就是對電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切除故障，降低設(shè)備的故障發(fā)生率，提高供電質(zhì)量及供電可靠性。當(dāng)一條線路全線所有開關(guān)均實(shí)現(xiàn)配電自動化功能后，在線路上發(fā)生故障時(shí)，智能開關(guān)能夠迅速準(zhǔn)確完成故障定位、隔離及非故障區(qū)域恢復(fù)供電，可以顯著減小故障影響范圍[6]。配網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)自動化后可實(shí)時(shí)監(jiān)控線路的負(fù)載率，當(dāng)出現(xiàn)重過載時(shí)及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式并對負(fù)荷進(jìn)行重新分配，可以在不同變電站和饋線之間及時(shí)轉(zhuǎn)供負(fù)荷，提高配電網(wǎng)設(shè)備容量利用率。配電線路全面自動化運(yùn)行可以遠(yuǎn)程對電力設(shè)備進(jìn)行控制和管理，饋線自動化功能可實(shí)現(xiàn)線路瞬時(shí)故障，開關(guān)自動分合閘，極大縮短故障停電時(shí)間，備用電源可實(shí)現(xiàn)自動切換功能，確保重要用戶的可靠供電。

5 結(jié) 論

本文主要以摸清現(xiàn)存問題、優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、提升自動化水平以及提高供電可靠性這一根本原則，通過分析當(dāng)前城市配電網(wǎng)存在的主要問題，在把握配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、滿足電力需求增長的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞建設(shè)“供電容量充裕、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)清晰以及可靠的配電網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，提出了城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)思路。在建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)一次電網(wǎng)的基礎(chǔ)上充分利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)網(wǎng)架，通過構(gòu)建合理的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提高配網(wǎng)自動化水平的措施改造和完善城市配電網(wǎng)，增強(qiáng)電網(wǎng)的供電能力，提高供電可靠性和用電服務(wù)質(zhì)量。