中心城区10kV主干网络分析模型研究

葛少云，韩 俊，刘 洪，刘 阳，王赛一，朱永卫，程正敏，梁忆辰

（1.天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2.上海市电力公司 市区供电公司，上海 200080）

0 引言

长期以来，10kV配电网网架一直存在着复杂、参差不齐的状态，主要是由于地区负荷发展不平衡以及中低压配电网网架没有统一、整体的规划所造成的。对于管理调度[1-2]的方便性和配电网运行的安全可靠性[3-5]而言，这种运行状态都是有隐患的。

目前关于10kV中压配电网网架结构[6-8]的研究工作，主要体现在接线模式[9-14]的适应性、经济性和可靠性等方面。这些都是针对10kV线路本身所展开的研究，并没有充分考虑110kV／35kV变电站与10kV线路间的关系，另外，10kV接线模式涉及到的大多数是主干线路，而对于从开关站分出来的次级10kV线路的研究并不多，没有相关成形的结论，这也是10kV配电网复杂混乱的原因所在。因此，有必要对10kV中压配电网主、次级网络的结构及功能特性开展相关研究工作。

鉴于当前城市的中心城区配电网对供电能力、供电可靠性及城市美观建设的需求，10kV中压电网常常采用电缆线路进开关站的供电模式，而现有的中低压配电网技术导则没有对110kV／35kV变电站与开关站的数量配置关系、落点、站间联络的开关站比例、开关站次级10kV出线配置及装接配变容量大小等问题做出相关明确的规定。因此，有必要针对中心城区配电网的特点及需求构建10kV主、次级网络分析模型，为城区中压配电网的建设和精益化管理提供理论指导。限于篇幅，本文重点对基于开关站供电模式的10kV主干网络开展相关模型的构建及算例分析，相关结论可以对中心城区中低压配电网技术导则的修订提供指导意见。

1 中压配电网主、次级网络概念的界定

1.1 中压配电网分层分区的概念

文献[15-16]首次提出了中压配电网分层分区的基本原则，依据网架的联络关系和供电能力，将该配电电压层级再分若干层次；依据电网建设的具体区域性质，将该配电电压层级划分为若干区域，使配电网结构明晰，管理调度易于进行。

1.2 10kV主干网络概念的界定

所谓主干网络，即从110kV或35kV变电站低压侧所出的10kV主干线路，主要包括10kV专用线路、K型站及P型站的电源进线、架空主干线路等。本文研究构建以K型站供电模式为主的主干网络，其结构示意图如图1所示。

图1 主干网络示意图Fig.1 Schematic diagram of backbone network

1.3 10kV次级网络概念的界定

所谓次级网络，主要指K型站、P型站出线所构成的10kV网络。次级网络在主变负荷的分配及如何释放等方面起着重要的作用，其结构示意图如图2所示。

图2 次级网络示意图Fig.2 Schematic diagram of secondary network

特别要指出的是，本文研究的K型站指普通开关站，10kV线路一般采用二进十出模式；P型站土建规模及站内配变容量比K型站稍小，10kV线路一般采用二进六（八）出模式；WX型站指的是一般意义上的箱变。

2 主干网络分析模型的构建与求解

本文所提出的主干网络分析模型主要围绕变电站与K型站间的联络及空间布局来构建各部分的分析模型，主要包括以下2个方面：变电站与K型站规模配置的分析模型；变电站与K型站空间布局的约束性模型。这两部分计算模型对配电网供电能力的提升、变电站及K型站供电范围的合理划分都有着重要的指导意义。

2.1 变电站与K型站规模配置的分析模型

通过变电站与K型站规模配置分析模型的构建与求解，可以计算出供电块内变电站在满足供电能力、站间联络通道数等约束条件下主变站间的10kV负荷转移能力的大小。在此基础上，结合K型站供电模式的特点，可以计算出变电站装接K型站的数量及不同电源进线的K型站数量配置情况，相关结论对于10kV网络负荷转移能力的提升及网络结构的规范和统一有着重要的指导意义。

2.1.1 供电能力理论分析方法

文献[17-18]提出了基于主变互联和N-1准则的配电系统供电能力计算方法，该方法从主变联络单元入手展开供电能力分析，抓住了配电系统网络互联产生转移能力的基本特点，为面向供电能力提高的主变站间联络结构优化奠定了重要的理论基础。

2.1.2 主变联络结构优化设置的一般模型

针对含有多座变电站的供电块，如何建立供电块内变电站及主变间合理的联络关系，确保整个供电块达到高效、可靠、经济的供电效果是建立中心城区精品化目标网架所关心的问题。主变联络结构的优化设置问题本质上就是基于给定目标条件下的主变联络关系矩阵L的寻优过程。

结合当前城市配电网在发展过程中遇到的问题，本文以供电能力、主变联络通道数及区域联络通道总长度为目标函数构建基于多目标的主变联络结构优化模型，如式（1）—（6）所示。

其中，psc（·）为供电能力综合分析函数；L为表示主变联络关系的对称矩阵，lij表示i号和j号主变间的联络关系，NΣ为区域主变总数；dij为主变间联络通道长度（可由变电站地理坐标计算得出）；dlim为变电站主变间允许建立联络通道的长度上限（距离太远的变电站间不建议设立联络）；δ1为供电块内同站主变站间全局联络通道数的均衡性约束；δ2为任意两变电站同站主变站间联络通道数的均衡性约束；Ds为主变站间联络总数上限，一般联络度数控制在5及以下；a、b为供电块内任意2座变电站的编号；Ω1a为供电块内第a座变电站的站内主变集合。

式（1）表示满足供电能力最大、联络通道数最少、联络通道总长度最小3个目标函数；式（2）和（3）表示初始联络关系矩阵中变量的生成；式（4）和（5）为主变全局和局部的站间联络均衡性约束；式（6）为主变站间联络通道总数约束。

2.1.3 基于主变互联的典型供电块联络模型的构建

针对主变联络结构优化分析一般性模型所关注的一系列重要指标，本文结合文献[19]的相关工作，主要从互联变电站座数、站内主变配置、主变站间联络关系、联络容量大小这4个维度信息来构建典型供电块联络模型。

为简化供电块联络关系的计算分析过程，本文针对联络结构优化模型的边界条件如下：

a.由于互联变电站座数一般不宜超过4座，因此本文选取了含2～4座变电站（站内主变配置一般为2～3台）互联的供电块，同时将互联变电站座数与站内主变配置2个维度合并，形成2×2、2×3、3×2、3×3、4×2、4×3这 6 种“变电站-主变”的组合模式；

b.假设供电块内变电站主变容量均相同，大小为 S，单位为 MV·A；

c.不考虑供电块内变电站间距离的差异性，即认为供电块内变电站间的相互距离dij均一致，且均未超过dlim；

d.取δ1=δ2=0，即供电块内任意变电站主变的站间联络结构完全均衡。

以式（1）—（6）所提出的主变联络结构优化模型为基础，以基于2～4座变电站互联的供电块的相关信息为初始数据，采用遗传算法进行模型的求解，得出各种“变电站-主变”的组合模式下主变站间的最大负载率水平、最小联络通道数及满足主变N-1校验时所需的站间联络容量大小，详细结果见表1。

表1 基于2～4座变电站互联的典型供电块联络模型的构建Tab.1 Construction of contact model for typical power block with 2～4 interconnected substations

以两主变为例，表1对应的最优联络关系矩阵如式（7）—（9）所示，对应的主变联络结构示意图如图3所示。

2.1.4 变电站与K型站数量配置的实际案例分析

通过典型供电块联络模型的构建，得出了各“变电站-主变”组合模式下的主变平均负载率水平、站间联络通道数及联络容量大小等指标，结合中心城区以K型站供电模式为主的特点，可以得到各种典型供电块联络结构下，整个供电区域共需建设的K型站数目、不同电源进线的K型站的数目及比例，由此确定不同供电块下10kV主干网络的基本结构。

图3 主变联络结构Fig.3 Interconnection of primary transformers

根据某大型城市的中心城区配电网运行的实际情况，本文选取主变的允许短时过载系数为1.3，主变容量分别取40 MV·A和50 MV·A，中压电缆线路载流量为400 A。

a.变电站与K型站数量配置分析与计算。

基于各供电模型和不同约束条件下变电站与K型站数量配置分析结果见表2，其中X、Y、Z分别为主变站间联络的K型站数量、整个区域K型站数量和整个供电区域不同电源进线K型站数量。表2中：各典型供电模型下的主变负载率能满足区域供电能力达到最大，因此可以看成是各典型模型在各自尖峰负荷下的负载率水平；变电站10kV出线中，用户专线比例设为20%，其他出线都为K型站电源进线。

表2 不同供电模型的变电站与K型站数量配置结果Tab.2 Results of substation and K-station configuration for different power supply models

b.不同电源进线的K型站所占比例分析。

根据上述计算结果，分析不同供电块下，主变采用不同容量时，K型站电源线来自不同变电站的情况及所占比例，结果如表3所示。

表3 不同电源进线K型站所占比例Tab.3 Proportion of K-stations for different in-feed power lines

从表3可以看出，当主变容量为40 MV·A时，为满足10kV网络负荷转移能力的需求，各典型供电块联络模型中电源进线来自不同变电站的K型站所占比例至少需达25%；当主变容量为50 MV·A时，各典型供电块联络模型中电源进线来自不同变电站的K型站所占比例则至少需达30%。

2.2 变电站及K型站空间布局的约束性分析模型

为了避免由长距离供电所造成的线路损耗过大、供电质量降低等问题，通过确定变电站和K型站的合理供电范围，来提高供电的可靠性和经济性。变电站供电半径与K型站空间布局约束性分析模型的基本框架如图4所示。

2.2.1 变电站及K型站的供电半径计算模型

本次研究以圆形供电模型为基础来进行分析，即可认为变电站或K型站的供电范围为圆形区域，变电站或K型站的位置落在圆心处。

图4 变电站及K型站空间布局的约束性分析模型Fig.4 Binding analysis model of space distribution for substations and K-stations

设变电站每台主变或K型站电源进线的容量为S，站内主变台数或电源进线数目为n，主变或线路的负载率为T，供电半径为r，假定供电区域负荷密度均匀且都为M，主变或线路的功率因数为cos φ，所构建的圆形供电模型如图5所示。

图5 变电站及K型站的圆形供电模型图Fig.5 Circular power supply model of substations and K-stations

变电站或K型站的供电半径与主变或电源进线的负荷供应能力的开方成正比，与负荷密度的开方成反比，计算方法如式（10）所示。

2.2.2 变电站与K型站位置的计算分析

设变电站主变台数为n，主变容量为S，主变的运行负载率为T，功率因数为cos φ，变电站的供电半径为r；设K型站电源进线数目为n1，电源进线容量为 S1，线路负载率为 T1，线路功率因数为 cos φ1，K 型站的供电半径为r1，供电区域内平均负荷密度为M。

由于K型站的供电区域落在变电站的供电区域内，从几何的角度上当K型站的圆形供电区域与变电站的圆形供电区域相内切（图5）时，K型站与变电站的距离最远，此距离可称为变电站与K型站间的距离上限dlim，计算方法如下：

2.2.3 K型站间相对位置的计算分析

如图6所示，当3座K型站的圆形供电区域相切时，必然会造成一部分供电死区，因此还需进一步缩小K型站间的距离，但该距离也不能太小，以免造成大范围供电重叠。因此，必须寻求合适的距离区间来设置K型站间的相对位置，使得各K型站的供电重叠区域最小。

图6 基于圆形供电模型的K型站相对位置分析Fig.6 Relative position analysis based on circular power supply model for K-stations

K型站站间距离dk约束范围的分析流程如图7所示，虚线框中过程的目的是消除供电死区，且使得供电重叠区域最小。

图7 K型站站间合适的距离区间分析流程Fig.7 Analysis of suitable interval between K-stations

2.2.4 变电站及K型站空间布局的实际案例分析

结合某大型城市的中心城区配电网实际情况，主变容量取40 MV·A和50 MV·A，主变的功率因数取0.95，中压电缆线路载流量为400 A，线路的功率因数取0.95，供电区域内的平均负荷密度M取70 MW／km2、50 MW／km2、30 MW／km2。

a.变电站与K型站的距离上限dlim的分析。

基于不同供电块联络模型和约束条件下变电站与K型站的距离上限dlim的分析结果如表4所示。

从表4可以看出，当主变容量为40 MV·A时，变电站与K型站的距离应控制在0.8 km以内；当主变容量为50 MV·A时，变电站与K型站的距离应控制在1 km以内。

b.K型站与K型站间距离范围dk的分析。

表4 变电站与K型站距离上限分析结果Tab.4 Upper limits of interval between substations or K-stations

不同负荷密度下K型站间合适的距离区间的分析结果为：负荷密度30 MW／km2，距离区间[0.47，0.54]km；负荷密度 50MW／km2，距离区间[0.36，0.42]km；负荷密度 70 MW／km2，距离区间[0.31，0.35]km。

从分析结果可以看出，在不同负荷密度水平（30～70 MW／km2）下，K 型站与 K 型站间的距离应控制在300～550 m之间比较合适。

3 结论

本文基于中心城区配电网10kV主干网络分析模型的研究主要做了如下工作。

a.结合中压配电网分层分区的基本原则，定义了K型站供电模式下的10kV主干网络和次级网络的基本概念，进一步细化和明确了基于中心城区特色的10kV中压配电网的层次结构及功能定位。

b.以供电能力理论计算方法和供电块内主变联络结构优化模型为基础，建立了基于K型站供电模式下的典型供电块联络模型、变电站及K型站空间布局的约束性分析模型，为10kV主干网络负荷转移能力水平的提高及供电范围的合理规划奠定了理论基础。

c.根据某大型城市的中心城区配电网的实情，选取合适的参数对各模型进行计算和分析，得到了各种典型供电模型在不同主变容量和负荷密度情况下及站间联络K型站的设置比例、变电站与K型站及K型站间合适的距离区间，相关结论可以对中心城区中低压配电网的建设和精益化管理、中低压配电网技术导则的修订提供指导意见。