考虑分布式电源接入的中压配网接线方式研究

许 可 鲜 杏 程 杰 陶 芬

（湖北省电力勘测设计院，武汉 430040）

配电网是电力系统的主要负荷中心，也是现代化建设的重要基础设施。对配电网进行科学地规划，以保证电网的合理建设以及安全、可靠、经济的运行，是电力部门面临的一项重要任务。配电网规划工作中，配电网接线方式的选择是城市配电网规划的重要内容，接线方式的选择不仅关系到电网运行的经济性、可靠性、安全性和适应性，也直接影响城市的美观和城市经济的发展，对提高规划水平和质量、提高电网供电品质和未来负荷发展的适应能力十分重要。

配电网接线方式规划的评价指标主要有可靠性、经济性、安全性和适应性等。这些指标存在量纲不一致、指标重要程度不同、指标优劣判断趋势不同的问题，不能简单的将各指标的计算结果线性相加来评价接线方式的优劣，一般采用多指标体系的综合评估方法进行规划方案的综合评价。文献[1-5]的评价方法是将各评价指标通过层次分析法以专家打分的方式进行综合评估，但由于多个规划目标权重的选取不可避免的具有一定的主观性，因此这种方法存在一定的局限性[6]。文献[7]提出采用两层规划模型解决电网规划中经济性与可靠性相协调的问题，并采用粒子群优化算法进行优化求解，但该优化规划方法较为复杂，难以应用于城市中压配电网典型接线方式规划方案评价中。

分布式电源（Distributed Generation）是指安装在用电地点附近，与配电网直接相连的发电形式，采取并网运行或采取独立运行的方式。分布式发电的接入对配电网的供电经济性和节点电压、潮流、短路电流、网络供电可靠性等都会带来影响，并将影响配电网接线方式和网络的架构。

本文结合分布式电源接入的形势需求，研究分布式电源接入条件下的接线方式可靠性、经济性分析模型，将可靠性指标折算为经济性指标加入到配电网经济性规划问题中，通过定量计算各接线方式的单位负荷可靠性经济成本，以可靠性经济最优为规划目标来确定城市中压配电网的推荐接线方式。

1 配电网接线方式概述

目前，我国正在进行的城市配电网建设改造工程，要求对配电网接线方式进行规划设计，配电网接线形式，应保证在正常情况下，能满足供电安全、经济和质量的要求；在故障和设备检修情况下，有比较大的灵活性，适应对供电可靠性要求便于运行及维护检修；优化网架结构、降低线损；保证经济、安全运行；节约设备和材料，投资合理；适应配电自动化需要；有利于供电可靠性和电压质量；灵活地适应系统各种可能的运行方式。

1.1 高压配电网接线方式

高压110kV配网主要有环网型、放射型、链式、T接等几种结构类型。

国内一般城区110kV电网基本形成环网及“手拉手”双电源供电模式，也有部分链式结构；农村偏远地区电网以放射式为主，供电可靠性偏低。

高压配电网接线方式示意图主要如下[2]。

1.2 中压配电网接线方式

中压 10kV配网按架空线路和电缆线路区分，主要有环网型、放射型、多分段多联络型、“N-1”主备等几种结构类型。

图1 链式接线

图2 双π接线

图3 3T接线

近年来，随着大规模电网建设、改造工作的不断深入开展，国内发展较快的供电区中压配电网架空网接线模式逐渐形成了以多分段多联络和多分段单联络为主，逐步减少了辐射式接线结构。

中压压配电网接线方式示意图主要如图4至图7所示。

图4 幅射式连接方式

图5 两分段两联络接线方式

图6 双环网接线

图7 “3-1”主备接线方式

2 配电网接线方式典型规划场景

2.1 供电区域类型

参考国家电网《配电网规划技术导则》，依据行政级别、供电可靠性需求、规划水平年的负荷密度，可以将供电区域可划分为A+、A、B、C、D、E这六种供电区域。

2.2 变电站容量

110kV变电站容量决定了供电半径，从而影响高中压配电网各种接线方式的线路长度。容量具体取值参考国家电网《配电网规划技术导则》，见表1。

表1 110kV变电站容量推荐表

2.3 供电架构模型

变电站受分布受地理条件影响较大，用均匀分布和条状分布两种理想化分布模型来描述110kV及以上变电站组成的供电架构模型。双电源和单电源的这两种供电架构模型示意图如图8所示。

图8 供电架构模型示意图

3 配电网接线方式技术经济计算

3.1 配电网可靠性指标

文献[9]提出了很多配电网可靠性评价指标，本文结合中压配电网接线方式研究这一目标，从中选取的主要可靠性评价指标有用户平均停电持续时间（AIHC），供电可靠率（RS），用户平均停电次数（AITC），系统停电等效小时数（SIEH）等[10]。其中，AIHC和RS线性相关，反映的是系统供电的可用度；AITC反映的是接线方式的复杂程度和是否具有转供能力；SIEH反映的是配电系统容量和损失负荷的关系。各指标计算式为

式中，m为配电网的负荷点数目，Ni为负荷点 i的用户数，μi为负荷点 i的年平均停电持续时间，λi为负荷点i的等效故障率，Si为负荷点i的停电容量，SN为系统总容量。

3.2 故障树分析法

故障树分析是以系统最不希望发生的事件（顶事件）作为分析目标，应用逻辑演绎的方法研究分析造成顶事件发生的各种直接和间接原因，并用逻辑门将各个可能事件相联系，建立起一棵倒立的树状图形,然后应用概率统计方法定量分析，由基本事件的发生概率计算顶事件的发生概率。

对于城市中压配电网接线方式的可靠性分析，主要存在以下问题：①引起配电网故障的原因不仅仅是由元件故障造成的，还有一些是人为的主观原因导致的，人为因素导致的故障很难准确计算，另一方面，负荷侧故障导致的配网停电也难以准确估计；②准确的可靠性指标计算需要大量准确的配电网运行原始数据，而对于中压配电网接线方式研究，由于统计等方面的原因国内可靠性数据不够全面；③可靠性评估受一些不确定因素的影响，如环境因素等，这些因素具有很强的随机性和不确定性。因此，在对各接线方式进行可靠性分析时，元件故障率本身带有一定的不确定性，即模糊性。故可以利用模糊数据理论将这些模糊因素以元件失效率的形式折算到各元件故障率参数中，则可以进行确定性可靠性指标分析。根据故障树分析法可构造故障树分析步骤如图1所示[11]，其中，基本事件主要包括线路、变压器、开关元件故障等，通过基本事件可靠性指标的计算结合故障树分析步骤，即可得到式（2）中各接线方式的综合可靠性指标。

图9 故障树可靠性分析步骤示意图

3.3 停电损失

配电网在运行过程中的停电故障会带来一定的经济损失。停电损失主要是由于故障停电对电网和用户造成的经济损失，主要包括停电直接损失、社会影响损失等。配电网不同接线方式的单位负荷停电损失LO计算式为[12]

式中，Ri为节点 i每 kW 负荷的平均停电持续时间对应的停电损失费用，不同的负荷类型Ri取值不同；Pi为节点 i在统计期内的平均负荷；γT为变压器负载率；cosφ 为线路的功率因数。

同样的停电时间对于不同的负荷类型，造成的停电损失一般不同。因此，针对不同的负荷类型，停电损失评估应该区分对待。结合电网的分时电价政策，本文采用了用户分时段分负荷类型停电损失费用计算方法，并选取了三类典型负荷：居民用电（Residential）、工业用电（Industrial）和商业用电（Commercial）。通过对这三类典型负荷离散的停电持续时间与停电损失统计数据[13]在 Matlab中进行曲线拟合，得到不同负荷类型单位停电负荷的停电持续时间与停电损失的对应曲线如图10所示。

图10 停电持续时间和停电损失关系拟合曲线图

从图10可以看出，停电损失随停电时间的延长而快速增长，当停电时间超过1天时停电损失趋于稳定。不同负荷类型的停电损失差别较大，其中商业用电的停电损失最高，而居民用电的停电损失最低。根据图10得到不同负荷类型停电持续时间与停电损失的函数关系为

式中，RRe、RIn和RCo分别表示居民用电、工业用电和商业用电的单位（kW）停电损失；t为停电持续时间，可在可靠性指标 AIHC计算的过程中获得。根据式（3）则可以计算各典型接线方式不同停电时间不同负荷类型的停电损失。

4 不同接线方式下配电网技术经济性影响因素分析

配电网的经济性分析主要包括建设经济性分析和运行经济性分析两大类。其中，配电网的建设经济性主要从资金投入、成本回收年限和设备残余价值等角度进行分析；配电网的运行经济性主要是从运行维护成本、网损率和设备利用率角度进行分析。由于不同的设备使用年限一般不同，需要进行适当的折算才能计算总经济成本，故基本的计算方法采用等年值法。

4.1 建设成本

配电网的建设成本主要包括输电线路、变压器、开关等元件设备的经济造价。总投资资金Z计算式为

式中，ZT为变压器投资费用；ZS为开关投资费用；ZL为线路总投资费用。

得到总投资资金的等年值为

式中，CZn为投资费用的等年值，k为电力工业贴现率，n为设备经济运行年限。其中，对于不同使用年限的设备需要分别进行等年值折算。

设备残余值通常由系统初始设备成本乘以设备净残值率得到，其计算式为

式中，ZRem为工程寿命期末的残值，γRem为设备净残值率。

设备残余值发生在工程寿命期末，通常也将其折算为等年值进行计算。将设备残余值折算为等年值为

因此，得到接线方式单位负荷的建设成本为

4.2 运行成本

配电网的运行成本主要包括设备运行维护成本、变压器损耗和线路损耗等。运行成本ZR由下式计算

式中，ZM为变电站和线路的运行维护成本，Zloss为变压器损耗和线路损耗的运行成本。

针对不同中压配电网接线方式，运行维护成本与网络结构、具体维护条件有关，难以做到准确的量化，工程上通常以投资的一定比例给出，即

式中，λ1为运行维护成本ZM占变电站和开关投资费用的比例系数，λ2为运行维护成本占线路投资费用的比例系数。

损耗造成的成本可按下式计算

式中，α为电能电价，ΔAL和ΔAT分别为线路和变压器的全年电能损失值，可以参考文献[7]计算获得。

因此，得到接线方式单位负荷的运行成本为

联立式（2）、式（8）和式（12）则可以计算出中压配电网各典型接线方式的单位负荷可靠经济成本。

5 考虑分布式电源接入的中压配网接线方式可靠性和经济性分析

分布式电源（Distributed Generation）是指安装在用电地点附近，与配电网直接相连 的发电形式。单机容量一般为数千瓦至多50MW，通常能同时提供供电、供热和制冷的能源系统，一般采用清洁能源，如风力发电、太阳能光伏电池发电、燃料电池发电和小型燃气轮机发电等多种发电方式。该系统具有较高的能源转换效率和良好的环境保护性能。

一般而言，分布式电源是直接接入配电系统，380V或10kV配电系统，并网运行或采取独立运行的方式。分布式发电的接入对配电网的供电经济性和节点电压、潮流、短路电流、网络供电可靠性等都会带来影响，并将影响配电网接线方式和网络的架构。

5.1 接线方式可靠性分析

根据分布式电源接入中压配电网不同接线方式下的可靠性评估模型，针对各区域的负荷供电半径以及各元件的可靠性等效参数，可以求得DG以不同容量、不同位置接入各接线方式下的可靠性指标结果。

根据图 11至图 14，对于各供电区域类型下含分布式电源接入的各种接线方式的可靠性，有以下结论。

1）同一种接线模式下，可靠性随着负荷密度的增大而提高。这是因为在变电站容量一定的提前下，负荷密度越大，供电半径越小，从而线路的故障率越低，表现为可靠性越高。

图11 A、A+类供电区域、均匀分布供电模型下，不同

中压配网接线方式的可靠性指标随负荷密度的变化曲线

图12 B类供电区域、均匀分布供电模型下，不同中压配电网接线方式的可靠性指标随负荷密度的变化曲线

图13 C类供电区域、均匀分布供电模型下，不同中压配电网接线方式的可靠性指标随负荷密度的变化曲线

图14 D类供电区域、均匀分布供电模型下，不同中压配电网接线方式的可靠性指标随负荷密度的变化曲线

2）对于A类中压配电网，两种接线方式下DG集中接入比 DG均匀接入的平均故障次数、平均故障时间和系统等效停电小时数低。电缆线双环网接线比电缆线N供1备（N=3）对于DG接入的可靠性性能高，但在DG接入过程中，电缆接线下双环网接线对于不同电源容量和典型负荷密度的灵敏度比电缆线3供一备接线方式低，可靠性性能提高不如3供一备接线。

3）对于B、C、D类中压配电网，各接线方式下DG集中接入比DG均匀接入的平均故障次数、平均故障时间和系统等效停电小时数低。因此，B类中压配电网各接线方式下建议DG以集中的方式接入配电网中。

4）对于负荷密度较大的区域，DG适合集中接入配电网，对负荷密度较小的区域 DG适合接入均匀接入各负荷点。这是因此，随着负荷密度的减小，供电半径增加，DG形成孤岛运行的故障率提高，导致 DG在负荷密度较小的区域集中接入配电网的可靠性低于DG以均匀的形式接入配电网。

5.2 接线方式经济性分析

接入分布式电源后的配电网接线模式经济性将受到一定程度的影响，主要考虑分布式电源本身的建设运行成本、分布式电源建成后带来的可靠性效益以及分布式电源带来的环境效益。下面建立各费用的经济性评估模型，对分布式电源接入配电网后的不同接线方式下的经济性效益进行分析评估。

根据前文所述的各种接线方式经济性指标计算结果，可以得到各类供电区域下含分布式电源接入的各中压配电网接线方式在不同供电架构模型和电源容量下，经济性指标随负荷密度的变化曲线如图15至图18所示。

图15 A、A+类中压配电网不同接线方式下含DG的单位负荷综合费用

图16 B类中压配电网不同接线方式下含DG的单位负荷综合费

图17 C类中压配电网不同接线方式下含DG的单位负荷综合费用

图18 D类中压配电网不同接线方式下含DG的单位负荷综合费用

根据图 15至图 18，对于各供电区域类型下含分布式电源接入的各种接线方式的经济性，有以下结论：

1）对于 A类中压配电网，电缆双环网接线的经济性效益较差、电缆3供一备接线的经济性效益较好。这是因为DG的接入对电缆3供一备接线的可靠性效益增加大于电缆双环网接线；同时，DG接入对电缆3供一备接线带来的网损效益大于电缆双环网接线。因此，A类中压配电网中建议DG集中接入电缆线路的3供一备接线方式中。

2）对于 B类中压配电网，电缆单环网接线与电缆3供一备接线的经济性效益较差、架空线二分段二联络接线的经济性效益较好。这是因为DG接入对架空线路二分段二联络接线的可靠性效益增加量大于电缆单环网接线与3供一备接线；同时，DG接入对架空线路二分段二联络接线的网损效益增加量大于电缆单环网接线与 3供一备接线。因此，B类中压配电网中建议 DG集中接入架空线路下的二分段二联络接线方式中。

3）对于 C类中压配电网，电缆单环网接线的经济性效益<架空线双辐射接线<架空线二分段二联络接线。这是因为DG接入对架空线路二分段二联络接线的可靠性效益>电缆单环网接线>架空线双辐射接线；同时，DG接入对架空线路二分段二联络接线的网损效益>电缆单环网接线>架空线双辐射接线。因此，C类中压配电网中建议DG接入架空线路下的二分段二联络接线方式中。

4）对于 D类中压配电网，架空线单辐射接线的经济性效益>架空线二分段二联络接线。这是因为DG接入对架空线路二分段二联络接线的可靠性效益＜架空线单辐射接线；同时，DG接入对架空线路二分段二联络接线的网损效益＜架空线单辐射接线。

5）同一接线方式下，经济性随变电站容量的变大而增加。随着变电站容量的增加，DG接入后使系统的网损减小量变大；同时，变电站容量的增加使 DG接入后带来的可靠性效益增加。因此，在分布式电源单位负荷造价不变的情况下，系统的经济性变好。

6）各接线方式的经济性，随着负荷密度的增大而提高，因为负荷密度越高，则线路长度越短，线路投资及运行费用也越少。

5.3 接线方式推荐

根据计算结果，可以分析得到各种典型场景下的考虑分布式电源接入的配电网推荐接线方式见表2。

表2 计及分布式电源接入的配网接线方式推荐

6 结论

本文结合分布式电源接入的形势需求，研究分布式电源接入条件下的接线方式可靠性、经济性分析模型，定量计算相关可靠性和经济性指标，将配电网的可靠性指标以停电损失的形式折算为经济性指标加入到经济性规划中，以单位负荷可靠性经济成本最低来确定城市中压配电网的推荐接线方式。该评估方法较层次分析法更具客观性。

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