高可靠性“三双”接线在佛山电网的应用

黄伟，杨江，刘鹏飞

(1. 广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2.天地电研(北京)科技有限公司，北京 102206)

高可靠性“三双”接线在佛山电网的应用

黄伟1，杨江2，刘鹏飞2

(1. 广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2.天地电研(北京)科技有限公司，北京 102206)

摘要：“三双”接线即“双电源、双线路、双接入”接线方式，其可为实现高可靠性目标提供技术支撑，基于此采用故障模式后果分析法论证“三双”接线的高可靠性，并应用年费用最小法对比分析各种中压典型接线的经济性，进而得出“三双”接线的适用范围。结合佛山电网的实际情况，提出网架过渡典型方案、配变“双接入”典型方案、“三双”接线自动化建设方案，选取佛山新城作为试点区域开展“三双”规划。通过试点工程验证了“三双”接线能实现高可靠的目标，并在高负荷密度下展现出良好的经济性。

关键词：“三双”接线；高可靠性；经济性；佛山电网

“十二五”期间，中国南方电网有限责任公司(以下简称“南方电网公司”)着力解决配电网薄弱问题，增强城乡配电网供电能力，提高供电可靠性，扭转配电网发展滞后的局面。但从供电可靠性指标来看，与先进国家的配电网相比，仍有较大差距。无论是外部需求还是内部压力，都把进一步提高配电网供电可靠性的工作提上日程。

网架结构是影响可靠性水平的关键因素，大量的施工停电、计划检修停电都可以通过优化网架结构、提高转供能力来避免，一次网架结构是配电网安全可靠运行的基础。因此，高可靠性“三双”接线模式的研究工作对提高供电可靠性具有十分重要的现实意义。国网浙江省电力公司对“三双”接线的研究时间早而且较为深入，对“三双”的接线模式和故障处理策略[1-3]、配电自动化应用[4-5]、试点工程[6-7]均开展过相关研究，并创造性地提出了扩展型“三双”接线。然而这一系列研究中并没有通过技术经济分析[8-9]来科学地论证“三双”接线的适用范围。此外，在南方电网公司范围内尚未开展“三双”接线的相关研究。因此有必要选取南方电网范围内典型城市电网作为研究对象开展相关“三双”接线的应用性研究。

本文将通过技术经济分析的视角，采用故障模式后果分析法论证“三双”接线的高可靠性，应用年费用最小法对比分析各种中压典型接线的经济性，从而得出“三双”接线的适用范围。结合佛山电网的实际情况，提出了网架过渡典型方案、配电变压器(以下简称“配变”)“双接入”典型方案、“三双”接线自动化建设方案，并选取佛山新城作为试点区域开展“三双”规划。

1高可靠性“三双”接线模型

中压配电网“三双”接线即“双电源、双线路、双接入”。其中，双电源指两个上级高压变电站；双线路指连接双电源的两条中压电缆或架空线路；双接入指公用配变通过自动投切的开关接入双线路。双电源和双线路概括了该模型主干网架的结构特点，电缆网中双环式、扩展型双环式2种接线满足“三双”接线对主干网架的要求；架空网中多分段多联络、多分段交叉联络接线满足“三双”接线对主干网架的要求。“双接入”概括了该模型配变接入的的特点，配变高压侧通过双向负荷开关接入两路不同的电源，双向负荷开关具有自动投切功能，可实现在主备电源之间的自动切换。在“三双”接线中双环式“三双”接线应用较为广泛，其接线模型如图1所示[10]。

合为常闭，非合则为常开。图1　双环式“三双”接线模型

该接线方式自同一供电区域的两个变电站(开关站)的不同段母线各引出一回线路，构成双环网接线。每台公用配变均从不同的主干电缆上引入两路电源，一路为主供电源，另一路为热备用。由于配变在主供电源故障时可通过自动投切装置切换至备用电源，并恢复供电，主干电缆故障诊断和愈合的时间不会直接影响用户停电时间和供电可靠性，因此可适当简化主干电缆的配电自动化配置。

2技术经济分析

2.1供电可靠性分析

本节通过故障模式后果分析法计算各种典型电缆接线的可靠性指标，并对比分析双环式“三双”接线的高可靠性特性。

2.1.1可靠性评估指标

用于评估配电系统可靠性的指标很多，根据实际需要，为了反映系统停运的严重程度和重要性，一般选定平均用电有效度IRS作为评估指标。计算公式为：

(1)

式中：NA为用户总数；Ni为负荷点i的用户数；ti为负荷点i的年平均停运时间。

2.1.2可靠性计算结果

故障模式后果分析法是利用元件的可靠性数据，在计算系统故障指标之前先选定某些合适的故障判据，然后根据判据将系统状态分为完好和故障两大类的一种检验方法。具体做法是建立故障模式后果表，查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合分析。该方法以配电系统的元件组合关系、网架结构和运行特点为基础，对分析不同接线模式的可靠性有较强的适应性，因此应用较为广泛。采用该方法对电缆单环网、双环网、“三供一备”、“3-1”单环网、双环式“三双”接线在不同负荷密度情况下的供电可靠性进行评估，其计算结果如图2所示，可看出各种接线模式可靠性由高到低的顺序为：双环式“三双”接线>双环网>“3-1”单环网>单环网>“三供一备”。随着负荷密度的增大，各种接线模式的供电可靠性均有所提高(这主要是由于满足同等用电需求的情况下负荷密度越大耗费的线路越短，故障概率越小)，但只有双环式“三双”接线供电可靠性能达到了99.999%。

图2　电缆网各种接线模式可靠性计算结果

2.2经济性分析

本节将通过年费用最小法来比较不同接线模式经济性[11-12]，最终得出双环式“三双”接线的适用范围。

2.2.1经济性评估方法

年费用包括投资成本、运行成本和停电损失3部分，计算公式为

(2)

式中：Ci为投资成本；Cl为运行成本；Cr为停电损失成本。

a) 投资成本Ci。

投资成本为初始投资的年值，计算公式为

(3)

式中：CP为初始投资(包括变电站间隔、线路、开关站、配变的投资成本)的现值；T为经济使用寿命，配网设备常取20年；a为折现率，取10%。

b) 运行成本Cl。

运行成本包括两个方面的内容，一是线路的损耗费用，一是检修、维护的费用。计算公式为

(4)

式中：ΔP为带负荷段线路总损耗；tmax为年损耗利用时间；q为平均电价。

c) 停电损失Cr。

停电损失是指单位时间(通常一年)内，因各种设备故障和预安排造成的用户停电的总损失。停电对用户的影响一般有即时性和后效性两种表现形式。对于前者，是指发生停电的当时就立即显示出其影响的，如因停电而造成的生产停顿；对于后者，是指停电的影响要在发生停电之后的一段时间以后才能显示出来的，一般公用设施的停电大多属于此类。因此用户的停电损失也可依据影响层次分为直接停电损失和间接停电损失。由于间接损失的认定比较复杂，而且涉及到诸如道德等因素，如工商业用户关系到多个行业或地区间的协作、给普通居民造成的心理恐慌等，难以准确计算。因此本次研究基于用户调查法[13]给出了A、B、C、D、E类供区单位停电损失参考值，分别为：300元/kWh、115元/kWh、75元/kWh、20元/kWh、10元/kWh。

停电损失

(5)

式中：Pi为负荷点i的有功功率；Ti为负荷点i的年故障停电时间；R为单位电量停电损失。

2.2.2经济性评估基本参数

各类设备造价为：YJV22-3×300电缆，100万元/km；环网柜，48 万元/座；开关站，250 万元/座；开关(双向负荷开关)，5 万元/台；配变前端电缆，70 万元/km。运行费用计算相关参数见表1。

表1费用计算相关参数

参数数值YJV22-3×300电缆单位电阻/(Ω·km-1)0.063最大损耗时间/h3400平均电价/(元·(kWh)-1)0.65运维费用占比/%2.5

2.2.3经济性计算结果

各种典型接线在不同负荷密度情况下的单位负荷年费用曲线如图3所示。

图3　典型接线经济性曲线

从图3可看出：随着负荷密度的增大，双环式“三双”接线的年费用逐渐下降；而其余4种接线在5～15MW/km2区段年费用逐渐下降，而在15～40MW/km2区段年费用逐渐上升，究其原因主要是因为在总负荷保持不变的情况下，负荷密度增大，供电半径会相应缩短，线路等设备投资减少，然而负荷密度越大、供电分区级别越高单位电量停电损失越多。当投资成本费用减少值大于停电损失费用增加值时，接线模式经济性曲线呈下降趋势；当投资成本费用减少值小于停电损失费用增加值时，接线模式经济性曲线呈上升趋势。另外，双环式“三双”接线在负荷密度为20MW/km2时经济性开始好于非“三双”接线。

可以得出这样的结论：双环式“三双”接线随着负荷密度的增加，经济性逐渐趋好，适宜应用在负荷密度大于20MW/km2的供电区域。

3“三双”接线在佛山电网的应用

3.1网架过渡典型方案

对于城市新建区域，电网建设初期，由于负荷较小，主干线上接入的环网单元数较少，尚不具备环网运行的条件，可考虑按双射网方式运行。在缺乏对侧110kV电源的情况下，可采取本站自环的方式，远景逐步过渡到站间双环网结构，并配置“双接入”，实现“三双”。

对于已建成区域，中压配网已具规模，改造难度较大，为降低投资，避免改造过程中的大拆大建。就佛山中压配网而言，单环网占电缆线路的60%，可选取具备环网单元建设条件的线路，近期逐步构建成双环网，远景过渡到双环式“三双”接线；其他电缆接线由于改造难道较大，不推荐过渡到双环式“三双”接线。

3.2配变“双接入”典型方案

通过对佛山电缆网设备进行调研，配变“双接入”可采用以下4种典型接入方式：

a) 直接接入：即适用公用配变直接接入环网单元(如环网柜、开关站等)。

b) 级联接入：即一台公用配变直接接入环网单元，另一台公用配变通过第一台配变内开关柜接入环网单元。

c) 混合接入：即通过下级环网单元接入主环环网单元。

d) 电缆分支箱接入：即多台公用配变通过同一个电缆分支箱接入主环环网单元。

无论采用上述哪种接入方式，均需使用双向负荷开关。双向负荷开关是配变“双接入”的关键设备，其安装位置根据不同的应用场景而异。“三双”接线模型推出后，国内一些厂家研制出了新型的智能双电源开关设备，在部分试点区域已实现挂网运行。

3.3配电自动化建设方案

由于目前佛山光纤通道匮乏，不具备实施“三遥”自动化的通信条件，现阶段电缆网配电自动化采用“运行监测型+就地控制型”建设模式。在这种建设模式下，广东电网有限责任公司佛山供电局提出了电缆网“主干配”节点自动化典型配置方案。

a) 主干线“主干配”节点，在主干线出线柜处配置具备通信终端的“二遥”电缆型故障指示器。

b) 分支线采用智能分界断路器柜成套设备，暂不具备更换改造的分支线柜可配置电缆型故障指示器。

c) 主进出线柜按断路器柜选型，暂不配置控制单元，但预留相应接口和安装位置。

d) 自动化建设应结合配网基建工程：对于新建“主干配”配电站(开关站)按照以上原则进行配置；对现有“主干配”配电站(开关站)应结合配网改造项目，按照以上要求，进行自动化设备的配置。

双环式“三双”接线在采用“主干配”节点自动化典型配置方案后，由于使用了智能分界断路器柜成套设备，当环网单元(开关站、环网柜等)至双向负荷开关之间的线路出现故障时可就地隔离，不会导致线路出口断路器动作。当具备光纤通道后，可升级为“三遥”，按照“集中控制型”建设模式进行建设。

4试点工程验算

4.1试点区域概况

选取佛山新城A区作为试点区域，该区域由东平河、岭南大道、荷岳路、佛山大道的围合而成，面积约为5.53km2，远景负荷156.25MW，负荷密度28.28MW/km2，满足双环式“三双”接线经济性对负荷密度的要求。

4.2方案对比

方案一：该区域专项规划报告规划了9组馈线组，目标网架以“三供一备”、“两供一备”为主，需建设中心开关站9座，电缆86.19km，配电房82座，总投资约为15 009万元。

方案二：“三双”规划方案规划了11组馈线组，目标网架以双环式“三双”接线为主，需建设开关站35座，电缆105.09km，配电房82座，自动投切开关柜82套，总投资约为22 477万元。

4.3供电可靠性指标对比

方案一馈线组结构分类：6组“三供一备”、2组“两供一备”、1组单环网。依据第2章的计算方法，供电可靠性为99.992 2%。

方案二馈线组结构分类：10组双环式“三双”接线、1组“两供一备”。依据第2章的计算方法，供电可靠性为99.999%。

4.4经济性对比

2种方案的经济性对比见表2，依据第3章的计算方法，原方案的年费用为3 361万元，“三双”方案的年费用为3 359万元。

表2经济性对比万元

方案CiClCrC方案一176437512223361方案二26415621563359

注：B类供区单位电量停电损失取115元/kWh。

综上所述：佛山新城A片区若采用“三双”方案在供电可靠性上较之方案一有较大提升，在经济性上“三双”方案也略胜一筹。

5结束语

采用故障模式后果分析法论证“三双”接线的高可靠性，应用年费用最小法对比分析各种中压典型接线的经济性，从而得出“三双”接线的适用范围。结合佛山电网的实际情况，提出了网架过渡典型方案、配变“双接入”典型方案、“三双”接线自动化建设方案，并选取佛山新城作为试点区域开展“三双”规划。通过试点工程验证，“三双”接线能实现高可靠的目标，并在高负荷密度下展现出良好的经济性。

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Application of High-reliability “Three Double” Connection Mode in Foshan Power Grid

HUANG Wei1, YANG Jiang2, LIU Pengfei2

(1.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China; 2.Beijing Electric Power Research World Co., Ltd., Beijing 102206, China)

Abstract：“Three double” means connection mode of double power source, double lines and double accessing which may provide technical support for realizing high-reliability target. Therefore, this paper uses failure mode and effect analysis method to demonstrate high-reliability of “three double” connection mode and applies minimum-annual expense method for comparing and analyzing economy of various typical medium-voltage connection modes and then gets range of application of “three double” connection mode. Combining with actual conditions of Foshan power grid, typical scheme for grid structure transition, typical scheme for “double accessing” of distribution transformer and automatic construction scheme for “three double” connection mode are presented and the Foshan new town is selected as a pilot area for developing “three double ” planning. Pilot project verifies that “three double” connection mode is useful to realize high-reliability target and will show good economy under high load density.

Key words：“three double” connection mode; high-reliability; economy; Foshan power grid

收稿日期：2015-12-07修回日期：2016-02-26

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.012

中图分类号：TM732

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)05-0061-06

作者简介：

黄伟(1979)，男，广东韶关人。工程师，工程硕士，主要从事电网规划及工程前期管理。

杨江(1982)，男，江西南昌人。工程师，工程硕士，主要研究方向为电网规划与自动化。

刘鹏飞(1986)，男，湖北仙桃人。工程师，工程硕士，主要研究方向为电网规划及后评价。

(编辑王朋)