计及报装容量阶跃性的中压配电网接线模式研究

徐晶，李娟，谢秦，刘洪，郭寅昌

(1.天津市电力公司电力经济技术研究院，天津300040; 2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)

计及报装容量阶跃性的中压配电网接线模式研究

徐晶1，李娟1，谢秦1，刘洪2，郭寅昌2

(1.天津市电力公司电力经济技术研究院，天津300040; 2.智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)

将用户报装容量纳入接线模式研究过程，建立了供电能力“死区”模型。对用户报装容量概率分布条件下的线路期望负荷、期望接入用户数进行了分析，并以此为基础提出了计及“死区”影响的线路负载率、变电站出线间隔利用系数和用户平均占用出线间隔数等指标的计算方法。实际算例表明，该方法能够有效降低“死区”造成的不利影响，大幅度提升馈线实际接入能力和电网资源实际利用率，对提高配电网规划建设的经济性具有较强的指导意义。

中压配电网;接线模式;供电能力“死区”;负载率;出线间隔利用系数;用户平均占用出线间隔数

1 引言

近年来随着高密度商业区、超高层建筑的不断密集，网架结构成为城市电网规划与改造工作的重点。接线模式作为网架结构的基本反映，不仅牵扯到电网建设的经济性和可靠性，而且对于整个电力工业发展具有重要意义［1］。鉴于中压配电网接线模式的重要地位，在该领域已经开展了大量研究工作，其中文献［2］建立了系、族和结构元的3层分类结构体系，提高了接线模式研究的全面性和系统性;文献［3，4］从投资、网损、单位负荷年费用、可靠性和电压质量等方面对不同接线模式进行了横向的对比分析;文献［5，6］则建立了负荷密度、变电站容量和供电面积可调状态下的接线模式分析模型。

以上研究成果在对各类接线模式进行定量分析的过程中均以满足“N-1”要求的负载率上限作为计算线路供电能力和接入用户数的边界条件而没有考虑用户报装容量的影响，即认为当线路实际负载率接近但尚未达到该接线模式允许的理论上限时总可以找到合适的用户接入以充分利用线路的供电能力。实际电网中，当空余供电能力低于用户最大负荷(以视在功率计，下同)时，线路虽然负载率未达到理论上限但已无法继续接入新的用户，导致部分供电能力无法被利用，即出现供电能力“死区”。一般情况下，中压配电网主要以为公用配电站和小容量用户供电为主，单户最大负荷远远小于线路的供电能力，“死区”较小可忽略不计，上述假设基本成立。但近年来随着高密度商业区、超高层建筑的不断密集，出现了很多以大容量用户为主体的10kV供电区域，单户最大负荷已经接近甚至超过线路供电能力的1/2，线路实际负载率上限较之前研究形成的理论计算结果明显下降，“死区”在线路供电能力中所占的比重不断提高，大量宝贵的电网资源无法得到充分利用，逐渐成为中压配电网建设新的“瓶颈”。针对这一问题，本文在考虑用户报装容量影响的基础上给出了线路负载率、出线间隔利用系数等重要指标的计算方法，以便于在中压配电网规划过程中根据用户特点选择合理的接线模式，从而提高电网资源和配电设备的利用效率，确保配电网的健康发展。

2 用户容量分布数学模型

实际电网中，用户总是根据自身的生产、生活需要和用电设备情况向供电企业提出用电申请，其报装容量主要取决于用户的用电性质、行业、规模等自身因素。所谓报装容量的阶跃性，是指不同用户申请的一系列报装容量多呈离散的随机数列。对此供电企业只能以用户提出的报装容量为依据，结合相关规定的要求和电网实际情况确定合理的供电方案而无法对用户的用电需求和报装容量进行直接干预。因此，在分析中压配电网接线模式的过程中，用户报装容量可以视为在一定区间(即供电企业规定的用户接入容量范围)内以概率P分布的随机变量，即

式中，s为用户报装容量(对于双、多电源用户，多个电源报装容量分别计算);smin、smax为供电企业规定的10(20)kV用户报装容量上、下限;f(x)为用户报装容量的概率分布函数，可以通过对现有用户报装容量统计资料的回归分析得出。由于接线模式研究中涉及的用户总数较大，因此不同用户报装容量的概率分布可视为相互独立。

3 供电能力“死区”

中压配电网中，对最大载流量为Imax的任意线路，令

式中，L为线路已接入用户的集合;si为用户报装容量(smin≤s≤smax);η为用户的最大负载率;k为该供电区域内不同用户间的同时性系数;ηksi为最大负荷时刻用户i的负荷;β为当前接线模式允许的线路理论负载率上限。当Δ＜ηksmin时，虽然线路负载率尚未达到理论上限β，但由于任意负荷为ηks的用户接入后将出现设备过负荷或负载率超过“N-1”准则要求的上限的情况，该线路无法继续接入用户，而此时的空余供电能力Δ即为供电能力“死区”。

当线路的空余供电能力Δ＞ηksmin时，该线路继续接入用户的概率为:

式(3)表明，当Δ介于ηksmin与ηksmax之间时，0＜P＜1，线路具备继续接入用户的条件，但受制于报装容量概率分布的影响，可能因为无法找到容量足够小的用户以“填充”空余供电能力Δ，从而呈现出一种“概率性死区”的特点。

4 计及用户报装容量影响的接线模式分析

供电能力、供电可靠性、供电质量和运行经济性是现阶段接线模式评价的核心［3］，其中供电能力主要关注主变、出线间隔、线路等电力设备的利用情况和最大输送能力是否得到充分发挥。

由于供电能力“死区”的存在，线路实际最大负载率一般无法达到其理论上限，允许接入的用户数量和容量也有一定幅度的降低，进而对线路负载率、出线间隔利用系数等指标产生影响。通过第3节的分析可以看出，供电能力“死区”的大小与线路输送能力和用户报装容量及其分布直接挂钩。因此，在考虑用户报装容量范围影响的情况下，上述指标的计算方法是本文研究的核心问题。

4.1 负载率分析

由第2节的分析可知，对于供电能力为SL(SL，β为当前接线模式允许的线路理论负载率上限)的任意线路，随着用户的接入，当线路空余供电能力Δ小于可能接入的最小用户负荷ηksmin时，线路继续接入用户的概率降为0，负荷达到实际上限。令此时的接入用户集合为Lmax，则线路负载率可表示为

式中，rL为线路负载率;g(SL)为Lmax中接入用户的总负荷。由于用户报装容量si为区间［smin，smax］上的随机变量，rL无法用定值表示，其概率学意义上的期望值为

其中，E(si)为用户i负荷的接入期望，采用迭代的方法逐个用户依次计算。其计算公式如下:

随着用户报装容量的增大，双电源和多电源用户比例不断提高。由于此类用户专用配电站(室)一般具备低压侧负荷互投能力，出于运行方便和降损方面的考虑，用户可能根据自身需要对不同电源间的低压负荷进行调整，从而导致η、k值与单电源用户差异较大。因此，在计算中对单电源和双(多)电源用户应当分别予以考虑。

设供电区域内单电源、双(多)电源用户比例为1:h(概率分布相互独立)，最大负载率分别为m、n。此时先按照式(6)分别针对两种用户计算线路负载率期望，分别记为E(rL(m))和E(rL(n))。

4.2 出线间隔利用情况分析

受到变电站数量和建设规模的限制，一定供电区域内某个电压等级的变电站出线间隔总数往往较为有限，是配电网规划和建设中一项非常重要的资源。变电站设计出线间隔数一般由中、低压侧设计容量和每回出线的送出功率共同决定。由4.1节的分析可知，不同用户报装容量范围下线路实际负载率上限将与原有的理论计算值产生一定的偏差。如果出线负载率上限降低，在出线间隔数量保持不变的情况下该电压等级总送出功率将较预期值有所下降，从而造成主变容量无法被充分利用;反之，则可能导致部分出线间隔由于受到主变容量的限制而被浪费。

用户报装容量对出线间隔利用情况的影响可以从以下两个方面分别进行分析:

(1)出线间隔利用系数

出线间隔利用系数rinterval指按照主变容量与线路实际负载率上限期望值计算得出的实际出线数与该电压等级设计出线间隔数的比值，具体公式如下:

式中，nL为实际出线数;Stransformer为主变考虑“N-1”条件下负荷转移要求时的供电能力;E(rL)为线路的期望负载率;Avg IPL为联络组内平均每条主供线路占用的出线间隔数(单环网、多分段多联络、4×6网孔等接线模式由于每条线路均需要为用户供电，其Avg IPL可取1;3-1、4-1接线模式将备用线路占用的仓位折算到到主供线路，其Avg IPL应分别取1.5和1.33);ninterval为每台主变的设计出线间隔数。

出线间隔利用系数接近1，说明实际出线情况与设计水平较为一致，主变容量和出线间隔均得到了充分的利用。

(2)用户平均占用出线间隔数

令E为线路L期望接入的用户数

按照4.1节中对线路期望负载率E(rL)的分析，可采取以下方法计算E:存在整数k，当i＞k时，都有E(si)=0，且E(sk－1)≠0，则E=k。

考虑双电源用户的影响后，理同式(7)

用户平均占用出线间隔数Avg IPU反映的是折算至单个用户的出线间隔资源占用情况。该指标不仅取决于线路接入的期望用户数，还与各类接线模式中联络组内每条主供线路占用的出线间隔数密切相关，其计算公式如下:

5 算例分析

以下利用本文给出的分析方法，对以大容量用户(单侧电源报装容量2000～8000kVA)为主体的某供电区域10kV电网的接线模式进行优选。经过调研，该区域用户容量近似服从区间［smin，smax］上的均匀分布，其分布函数为:

计算过程中，假定上级变电站均为110/10kV站，容量3×50MVA，48个出线间隔。线路均按电缆考虑，最大载流量470A。

在上述用户报装容量分布的基础上，对单环网、多分段三联络、两主一备、三主一备和双电源开闭站五类接线模式进行对比分析的结果如表1所示。

需要说明的是，多分段三联络接线受故障条件下负荷转移方式的限制，单户负荷理论上不应大于，否则在线路负载率达三联络极限时单段线路负荷无法转移，故分析过程中将每一条三联络线路分解为三个供电能力为的部分进行等效处理。

表1 典型接线模式对比分析Tab.1 Comparative study on different typical connectionmodes

通过分析结果不难看出，线路利用率方面，该区域内线路实际负载率上限均未能达到其理论值，因空余供电能力Δ小于用户负荷而无法继续接入用户的情况非常明显，电网资源无法充分利用的问题非常严重。而随着Δ/SL的增大，上述现象愈发明显。各类接线模式中，主备接线由于主供线路理论负载率上限可以达到100%，Δ/SL较高，实际负载能力上限分别达到理论值的72.86%(两主一备)和73.24%(三主一备)，明显优于其他几种接线模式。

从用户平均占用出线间隔数的角度来看，多分段三联络接线模式受制于较低的出线实际负载率上限，Avg IPU超过1.6，每个用户接入电网时均将占用电力系统大量的出线间隔资源;相对而言，主备接线模式由于线路接入的期望用户数较高，其Avg IPU值分别只有0.78(两主一备)和0.69(三主一备)，有效缓解了变电站出线间隔紧张的局面。

综上所述，在此类供电区域中，考虑用户报装容量概率分布的影响后，主备接线模式具备较高的实际负载率上限和较低的用户平均占用出线间隔数，电网资源得到了最大程度的充分利用，适合作为主要接线模式。此外，考虑到该接线模式的出线间隔利用效率较高，可以在规划中适度降低变电站低压侧出线间隔建设规模，以进一步压缩投资，提升电网资产运营效率。

6 结论

作为网架结构的基本反映，接线模式研究是配电网规划与建设领域的核心问题之一。当10kV单户接入容量与负荷增长至一定程度时，原有的接线模式分析结果将与实际情况出现较大偏差。为此，本文对线路空余供电能力和可能接入的用户期望负荷之间的内在联系进行了深入研究，建立了供电能力“死区”模型，分析了制约线路供电能力利用率提升的“瓶颈”所在。继而，以上述结果为基础，对负载率、出线间隔利用系数和用户平均占用出线间隔数等指标进行了定量分析。最后的算例表明，在以大容量用户为主的高负荷密度区域配电网规划过程中，该方法能够有效降低“死区”在线路供电能力中所占的比重，大幅度提升馈线的接入能力，提高电网资源的整体利用率，具有较强的实际意义。

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Research on connection mode ofm id-voltage distribution network considering user’s stepw ise capacity

XU Jing1，LIJuan1，XIE Qin1，LIU Hong2，GUO Yin-chang2
(1.Tianjin Electric Power Economics＆Technology Research Institute，Tianjin 300040，China; 2.Key Laboratory of Smart Grid，Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Considering the influence caused by user’s stepwise capacity in mid-voltage distribution network，the dead zonemodel of power supply capability，which reflects the shortfall in actual load supply capability compared by the ideal one，is presented in this paper.Expectation of load and number of users in one feeder is firstly analyzed based on the probability distribution of user’s capacity.According to the results above，this paper also gives out the formulation of several indices by using dead zonemodel，such as load ratio of feeder，utilization ratio of intervals in substation and average interval occupation per user，which are used to evaluate the efficiency of different types of connectionmode inmid-voltage distribution network.The final example shows that，in order to promote the operational economy，this kind ofmethod can greatly enhance the access capacity of one feeder and resource utilization in distribution network，meanwhile decreasing the negative impact caused by dead zone.

mid-voltage distribution network;connectionmodes;dead zone of power supply capability;load ratio; utilization ratio of intervals;average interval occupation per user

TM727.2

A

1003-3076(2014)08-0067-05

2012-12-12

徐晶(1982-)，男，河北籍，工程师，硕士，研究方向为配电网规划;李娟(1982-)，女，天津籍，工程师，硕士，从事配电网规划方向的工作和研究。