配电网网架结构对供电可靠性的影响分析

褚红飞

摘 要:配电系统可靠性评价指标根据实际需要分为两大类,计23个指标。但配电网网架结构对供电可靠性的影响最为主要。配电系统供电可靠性直接反映配电系统对用户供电能力,是配电系统可靠性管理的基础。本文就扬州市开发区的配电网的网架结构进行了分析,提出了自己的观点。

关键词:可靠性 配电网网架结构 网架结构的应用

中图分类号:TM72 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)10(c)-0102-03

配电自动化系统的功能是实时监控配电网安全,使其可靠运行,在线路开关的自动化、智能化程度较低的配电网中,系统性能对主站与通信的依赖性强,而配电网的广域分布,使供电可靠性成为建设配电网自动化的难点之一。配电系统供电可靠性统计,可以直接反映配电系统对用户供电能力,是配电系统可靠性管理的基础,也是电力工业可靠性管理的一个重要组成部分。其统计对象是以对用户是否停电为标准。

1 供电可靠性指标

配电系统供电可靠性—— 配电系统对用户连续供电能力的程度。与供电质量有关的基本指标是配电网的可靠性。可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内,在规定的条件下完成规定功能的能力。度量可靠性特性的指标称作可靠度或称可靠率。可靠度表示设备或系统成功的概率或其工作成功的比值。在设计中压配电网时,一般都是闭环设计开环运行模式,这是由于城市配网与用户直接相关联。据不完全统计,用户80%的停电事故都是由配电网故障所引发的。因此在城市配网规划中,决策最终方案的重要因素是配电网的可靠性评估。常用的可靠性指标有以下几种:(1)系统与用户的停电平均频率;(2)系统与用户停电平均持续时间;(3)均供电的不可靠率;(4)供电平均可靠率。特别是供电平均可靠率对于城市配电网来说反映了该城市的电网建设情况,设备完好率和电力部门停电管理水平的一个综合指标,同时也是衡量城市配电网规划方案的一个重要指标。

这些指标与各种因素有关,例如网架的结构、不同设备的可靠性、线路的长度及负载情况、综合自动化水平以及现有负荷转供能力等。可靠性分析用于评估配电系统结构的可靠性,同时还讨论比较可靠性的相对水平,评价提供某种特定可靠性水平所需的费用、制定可靠性的方针和政策。

量化可靠性方法是采用数据统计方法来完成的,比如在扬州开发区统计出中压配电网故障率分别为架空线路0.1次/公里年,电缆线路0.04次/公里年,开关0.03次/台年。由于将供电出现故障的地区分成三个区域:不受故障影响,当故障发生后通过开关正确动作使停电时间为零的区域被称为正常区域。可通过另外供电电源来恢复供电的区域被称为隔离操作时间的故障区域。不可通过其他供电电源恢复供电,故障时间为元件修复时间的区域被称为隔离操作加联络切换操作时间的故障区域。根据线路各区域停电类型,再结合配电网运行、管理和检修水平,则可确定故障后的停电时间为:正常区域只能有0.1 h,隔离操作时间的故障区域只能有0.2 h,隔离操作和联络开关切换两部分操作时间的故障区域只能有3 h。

中低压配电网一般由架空线、架空及电缆混合线路与电缆线路组合而成。整个配电网设备包含开闭所、户外环网柜、配电所(含箱式变电站)、柱上变压器、电缆分接箱、柱上开关、接户线、计量装置及配电自动化装置等。城市中压配电网的接线方式应在满足供电可靠性的前提下力求简洁, 便于实现配网自动化。应因地制宜地选择不同供电区域的中压配网接线方式,但同一城市的中压配网接线方式应尽量减少。城市10 kV配电网地位十分重要。为了实现配电网的安全、经济和可靠运行,针对不同的110 kV/10 kV变电所容量,在不同的负荷密度下,进行配电网网架研究,力求接线方式標准化、统一化。

配电网直接面向用户,在实际分析时可将配电网分成若干区域,且每个区域都应由110 kV电站、10 kV线路与其他设备构成;设计每个区域应以区域变配电站为中心、其供电半径为圆形设定供电区域来分析其可靠性。主要思路是:考虑每个元件的平均年故障率、每个元件出现故障时受影响的用户数和平均修复时间,同时结合负荷转移的情况,再算出用电有效度的平均值,用该指标比较不同方案的可靠性高低。根据统计规律,所得到的结论应适用于实际配电系统。

2 配电网网架结构对供电可靠性的影响

2.1 单电源辐射接线

单电源辐射接线的配电线路短,投资小,新增负荷时连接比较方便。优点是比较经济,缺点是故障影响时间长、范围大,供电可靠性较差。

这种简单的接线模式忽略了线路的备用容量,每条出线(主干线)都是满载运行出现故障时无法进行负荷转移。特别当母线出现故障时全线用户受影响,母线的平均修复时间就是平均停运时间。另外在正常运行时断路器出现跳闸等故障的情况很少,最有可能出现需要跳闸时断路器拒动故障,因此这种故障也应予以考虑。一般情况下不予考虑配电变压器的故障。

2.2 不同环式接线

取自同一变电所的两段母线或不同变电所构成不同环式接线方式。该接线形式因为有两个电源,所以采用开环运行方式。其运行方式灵活,供电可靠性较高。在正常运行时,每条线路留有50%的裕量。但由于自动化使用较少,线路或设备一旦发生故障,需运行维护人员到现场操作实现负荷转供,使得停电时间较长。

2.3 分段联络接线

分段联络接线提高供电可靠性方法是:在干线上加装分段开关把每条线路进行分段,用联络线来连接线路。故障出现在任何一段时,保证不会影响到其他段线路的正常供电,从而缩小故障范围。与环网结构相比,优点:分段联络的接线方法提高了馈线的利用率;缺点:由于需要建立联络线在线路之间,线路投资加大,留有一定备用容量。

2.4 “N-1”主备接线模式

“N-1”主备接线是将线路连成环网,那条公共备用线路正常时空载运行,而其它线路满载运行。当某条线路运行时出现故障,就把备用线路通过线路切换投入运行。其接线的运行灵活性、可靠性和线路的平均负载率均与“N”值相关。一般采用“3-1”和“4-1”模式,这时线路总利用率分别为66%和75%。“5-1”以上的接线结构比较复杂,操作繁琐,联络线长度较长,投资较大,而提高线路载流量的利用率已不明显。优点是线路的理论利用率与供电可靠性较高。

针对以上典型供配电网架结构,在等负荷容量、等用户数的条件下分别应用网络等值法进行配电网的可靠性分析与系统可靠性指标测算,测算中使用我国配电系统实际运行对元件可靠性参数记录材料,见表1,测算结果见表2。

通过以上分析:配电网网架结构的可靠性由低到高的排序是单辐射接线、环式接线、分段联络接线和N-1接线模式。

（图1）表示了可靠性指标在不同配电网接线模式下的情况,图中用相邻柱状图代表不同方案的可靠性指标负荷密度曲线。

对于同一种接线方式,在一定的变电站容量下,供电区域负荷密度的增加导致了含有架空和电缆线路配电网的可靠性提高。如变电站容量和负荷密度不变,采用完全由架空线组成的配电网,可靠性由高到底的顺序依次是分段三联络网架结构、分段两联络网架结构、手拉手网架结构和单辐射网架结构。对于完全由电缆线组成的电网,可靠性由高到低的顺序依次是分段两联络网架结构、N-1网架结构、手拉手网架结构和单辐射网架结构。

3 配电网网架结构的应用

扬州市开发区配电网电压等级为10 kV，变配电站电压等级为220或110 kV,配电网接地方式为不接地或经消弧线圈接地。开发区配网结构已基本实现合理分段与联络,配电网线路负荷分布比较均匀,线路分段、联络点设置合理。该区域所涉及的变电站共有6座,分别为110 kV港口变、开发变、吕桥变、八里变、花园变、施桥变。包括10 kV线路43条,20 kV线路8条。所涉及一次设备包括10 kV柱上开关101台,10 kV台架变263台,10 kV户外环网柜72台,10 kV高压分支箱29台,20 kV柱上开关14台,20 kV台架变5台。该区域10 kV线路总长349.77 km,其中架空裸导线209.36 km,绝缘电缆140.41 km;20 kV线路总长24.46 km,其中架空裸导线17.42 km,绝缘电缆7.04 km。其配电网网架结构有多种形式。

扬州开发区配电网的网架结构采用供电面积可调的分析方法,根据负荷密度和变电所容量大小来改变所在区域供电半径,对110 kV／10 kV中高压配电网形成的组合电网进行研究,并考虑区域供电的负荷密度情况、变压器台数、容量和组合方案,并其随负荷密度和变电所容量变化的趋势,以及在相同条件下不同接线模式之间的比较。对配电网接线模式组合方案的可靠性和经济性指标进行分析比较。建议在开发区配电网的网架结构采用架空接线的不同母线出线的环式接线模式,在可靠性要求较高的区域例如开发区的城区段等建议采用电缆接线的网群接线模式、架空接线的三分段四联络接线模式,也可以采用网群和三分段四联络混合接线方式。见图2、图3、图4。

3.1 网群结构

架空线路中的三分段四联络的网络结构被称为网群结构,见图2。主要是变电站出线通过环网柜一分为三,每一段通过开关和另外两个电源点相联,供电可靠性远远超过单环网,达到“N-2”。而线路的运行率不低于75%。但网群结构接线复杂,只有配合配电网自动化系统才能发挥其优势。

3.2 三段四联络环网

三分段四联络环网结构见图3所示,线路上每个分段可由三个不同电源供电,即使失去两个电源,仍然可以保证供电,当主供电源停电时,线路各个分段可导至不同的电源供电,减少了线路的备用容量,线路运行率达到75%,和手拉手、普通环网结构相比,大大提高了导线利用率。

3.3 架空线路和电缆接线混合使用的混合式接线

对于混合式接线,架空线和电缆线路的供电范围宜进行分隔,两者之间可设联络点,但正常时应打开,只在故障时利用,如图4所示。

目前随着我国社会用电需求量的增多,配电网在分配电能中的作用更加显著,其关系着整个电力系统的运行效率。城市中压配电网对整个社会供电发挥了无可替代的作用,电网网架结构的正确与否直接关系着线路电网供电性能的发挥。不同结构的城市电网的负荷密度、变配电站和主站的保护方式、配电网中性点的接地方式等都是不同的,因此配电网网架结构要因地制宜并具备当地特点。对于日趋复杂的配电网,如何通過更为先进的手段,使之更安全、可靠、经济地运行;如何迅速、准确地处理配电网的事故,使配电网和用户的损失最小;如何进一步提高供电可靠性。

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