配电网负荷分区及其规划研究

赵树军，杨普，郝鹏飞，吕振邦，王鹏，王晓楠

（1.河北省电力公司邯郸供电分公司，河北邯郸 056002；2.上海电力学院电气工程学院，上海 200082）

配电网负荷分区及其规划研究

赵树军1，杨普1，郝鹏飞1，吕振邦2，王鹏2，王晓楠1

（1.河北省电力公司邯郸供电分公司，河北邯郸 056002；2.上海电力学院电气工程学院，上海 200082）

随着新型城镇化建设进程的加快及配电网的迅速发展，单纯对现有配电网进行改造已经无法满足新型城镇化建设对用电的需求，需对新型城镇配电网重新规划。分析并借鉴了国外大都市的配电网典型接线模式，阐述了负荷分区方法、配电网接线模式的选取方法及可靠性指标的计算方法。在以负荷密度为供电区域划分原则的基础上，将负荷区域按照功能性和可靠性等其他属性再次划分，并对每一小区域选取合理的接线模式，以满足新型城镇化建设对用电的需求。通过河北南部某地级市电网实际算例，分析并验证了改方法的合理性和可行性。结果表明，所提的负荷分区的方法更能满足新型城镇化建设的对用电的需求。

负荷分区；配电网；规划；接线模式；可靠性

目前，我国正处于城镇化加速发展阶段，能源需求还将合理增加，构建城镇化与能源供给协调发展的能源供应体系是实现低碳城镇化的首要任务[1]。随着城镇化建设的推进，在经济发展差异化形态下，城乡间的用电负荷需求也呈现出明显差异，故需研究适应城镇化建设的负荷分区方法[2]。

现有关于负荷分区方法的研究众多，基本依据是规划地区的负荷密度。如文献[3]详细介绍了配电网规划设计导则，但仅依靠负荷密度划分供电区域较为粗糙，也不利于体现模块化供电的思想。文献[4]根据负荷密度建立了优化电网分区的数学模型，但没有考虑城镇化建设带来的用电需求差异。城乡配电网的电力特征存在显著的差异。在负荷用电方面，区域间用电负荷发展不均衡、无功需求大、季节性和时段性负荷波动大等[5]，在供电质量上，农村电网存在供电可靠率低、电压低等问题。故应采用更为精细的分区方式，做到远期规划更能贴近实际[6]。

随着新型城镇化建设进程的加快及配电网的迅速发展，单纯对现有配电网进行改造已经无法满足新型城镇化建设对用电的需求，需对新型城镇配电网重新规划。本文分析并借鉴了国外大都市的配电网典型接线模式，阐述了负荷分区方法、配电网接线模式的选取方法及可靠性指标的计算方法。在以负荷密度为供电区域划分原则的基础上，将负荷区域按照功能性和可靠性等其他属性再次划分，并对每一小区域选取合理的接线模式，以满足新型城镇化建设对用电的需求。通过河北南部某地级市电网实际算例，分析并验证了改方法的合理性和可行性。结果表明，本文所提的负荷分区方法更能满足新型城镇化建设对用电的需求。

1 配电网接线模式

若根据接线模式的供电范围划分供电区域，则基于各站点的供电半径便是细分区域的基本单元。对每个不同用户而言，其受电范围也可作为负荷分区的基本单元，这样便可根据供电接线模式来划分供电区域。

1.1 国外大都市典型接线模式

以巴黎、东京和新加坡等国外国际化大都市配电系统接线模式为例，分析各接线模式的供电特点。

1.1.1 巴黎配电网接线模式

巴黎高压配电网的接线模式为400 kV与225 kV双层环网，如图1所示。中压配电网接线模式为20 kV环网，并经配电变压器放射至低压用户，图2为其三环网示意图。巴黎20 kV配电网中主干网架使用4×6= 24条20 kV电缆与单一变电站相连，故可确保225 kV变电站的供电可靠性。各低压变电站都有2回20 kV进线，在进线故障时可自动切换。2条并行线路同时向中/低压负荷供电，并通过自动切换装置实现备用电源切换。该接线方式相对复杂，且对自动化要求较高，成本也较高。

图1 巴黎高压电网接线模式Fig.1 Connection mode of the high voltage distribution network in Paris

1.1.2 东京配电网接线模式

日本东京97%的配电网为6.6 kV不接地电网，3%为20 kV小电阻接地电网。6.6 kV架空线路的接线模式采用3分段4联络、6分段3联络等，6.6 kV电缆网采用环网的接线模式，负荷密集区则采用20 kV电缆网供电。图3为电缆网4分段2并网地下系统图，该接线模式可提高线路负载率，且可保证在故障发生时具有足够的负荷转供能力，较为实用。

图2 巴黎配电网三环网示意图Fig.2 Three ring network of distribution network in Paris

图3 东京中压配网系统图Fig.3 Middle voltage distribution network in Tokyo

1.1.3 新加坡配电网接线模式

新加坡22 kV配电网接线模式形如花瓣，如图4所示。花瓣型网络中的电缆截面均取300 mm2，以增强网络的拓展性和适应性。每个花瓣型网络引入第3个电源点，故明显提高供电可靠性。每个花瓣的容量按50%考虑，确保网络正常运行。网络改造从对供电可靠性要求较高的区域开始且成片实施，确保“花瓣”一次建成。该接线模式充分考虑了配电网建设发展快的特点，便于配电网的改造扩建。

基于此，各地区的配电网建设完全符合当地的负荷特点，且与负荷需求直接相关。巴黎的配电网接线模式具有高可靠性，日本的配电网接线模式具有高实用性，新加坡的配电网接线模式具有高延展性。巴黎中压配电网为20 kV三环网，东京中压配电网为多分段多联络，新加坡中压配电网为花瓣型环网，都可视为一种供电模块。根据所选设备的不同，供电范围也有所不同。可见不同的用电区域可选取不同的接线模式。

图4 新加坡花瓣型配网接线示意图Fig.4 Connection modes of petalling distribution networks in Singapore

1.2 高压配电网接线模式选取原则

高压配电网架使用的电压等级一般为110 kV或者66 kV[7]。在选择高压配电网的结构时，B类及以上供电区域多数采用如图5所示的链式结构，以保证具有较高的供电安全水平。上级电源点不足时则可采用图6所示的双环网结构。C类及以下供电区域可适当采用链式、环网或辐射状接线模式。

图5 高压配网链式接线示意图（单链T接，双链T接，双链π接）Fig.5 Connection mode of high voltage distribution network of chain（single chain T，double chain T，double chain π）

双链接线模式运行灵活，且满足线路“N-1”校验，适用于负荷密度较高的且要求双电源供电的区域，适用于B类供电区。

环网接线模式运行较为灵活，满足线路“N-1”校验，当负荷增大时，可适当选用双环网接线，以满足负荷增长的需求。该模式主要适用于电源点较少，且电源点之间线路走廊打通较为困难的地区，适用于B、C类供电区。

图6 高压配网双环网接线示意图Fig.6 Connection mode of high voltage distribution network of double ring network

辐射状接线方式结构简单，投资较省，满足线路“N-1”校验。适用于电源点较少，且对供电可靠性有一定要求的地区[8]。该接线方式一般广泛应用于D类供电区。

1.3 中压配电网接线模式选取原则

中压配电网架使用的电压等级一般为35 kV或10 kV[9]。架空线主要采用图7所示的多分段多联络接线模式，电缆网主要采用如图8所示的单环网或者双环网。

图7 中压配网架空线多分段多联络接线示意图Fig.7 Connection mode of middle voltage distribution network of mult-segment and mult-contact

多分段多联络接线模式可有效提高线路的负载率，降低备用容量，适用于人口密度较大且供电可靠性要求较高的地区。

电缆单环网在正常运行时，其电源可以来自不同变电站或同一变电站的不同母线。电缆双环网可进一步提高供电网络的安全可靠性，保证在一路电源失电的情况下用户能够从另外一路电源供电。

图8 中压配网电缆单、双环网接线示意图Fig.8 Connection mode of middle voltage distribution network of single ring and double ring of cable

2 负荷分区与高压变电站站址布置

2.1 负荷分区方法

目前负荷划分主要依据行政级别或规划水平年的负荷密度，同时考虑地区经济发达程度、用户重要程度、用电水平、GDP增长速度等因素，可分为A+、A、B、C、D、E等负荷类型，并以负荷密度的取值区间加以区分[3]。但该区分方式较为粗略，不能详细说明规划区域的特点与用途，同时在新型城镇化建设的大背景下，较难满足客户差异化的用电需求[10]。故本文在以负荷密度为供电区域划分原则的基础上，将负荷区域按照功能性和可靠性等其他属性再次划分。

负荷区域按照功能性可划分为公共服务区域（包括医疗、教育、电力、通信、供水、金融等），工业制造区域（包括制造业、仓储、运输、工程等），行政管理区（行政服务、资源管理、政府服务等），居住生活区（包括居民区、餐饮、超市等）。负荷区域按照功能性划分之后，再根据各区域对供电量、供电可靠性等需求的不同选择合适的高压、中压配电网接线模式，从而实现负荷区域划分和模块化供电，满足新型城镇化建设对用电的需求。

2.2 高压变电站站址布置方法

由1.2节和1.3节可知，中压配电网的接线模式基本固定，选择高压配电网的接线模式区别在于电源点的位置[11]。对某负荷区域而言，若其规划目标年的负荷密度基本确定，则电源点的数量也基本确定，故此时需确定电源点的位置，但涉及到对区域的地理概况、交通、气候、施工条件等诸多因素[12]。站址布置方法如下。

变电站的选址须符合地区总体规划，尽可能靠近负荷中心，可借助于递归法计算得到变电站的最优几何位置。核心思路为根据各个区块的负荷中心点进行两两变换合并，经多级变换后将区域内所有负荷集中到一个几何中心点，则自该点到达各个区块的供电线路空间距离长度为最优。具体流程见图9，实际建设中应在该中心点附近选取合适的建设位置。

图9 递归法确定高压站点流程图Fig.9 Flow chart of better-recursion to determine the site of high voltage substation

对于地块负荷类型明确且呈现网状格状分布的新型城镇，利用递归法进行高压站点规划具有优势。但递归法也有其局限性，并不适用于地块负荷类型不明确、非网状结构以及地理分布高低起伏明显的城镇。

2.3 可靠性指标计算

配电网不同的接线模式具有不同的供电可靠性[13]。配电系统的供电可靠性可采用系统平均停电率指标SAIFI（次/（户·a））、系统平均停电持续时间指标SAIDI（h/（户·a））、用户平均停电持续时间指标CAIDI（h/（停电户·次））、平均供电可靠率指标ASAI（%）、系统总的电量不足指标ENSI（MW·h/a）、平均电量不足指标AENS（WM·h/（a·户））、系统总的停电损失LOSS（万元/a）等指标进行评价。各指标的计算公式如下。

系统平均停电率指标SAIFI为：

系统平均停电持续时间指标SAIDI为：

用户平均停电持续时间指标CAIDI为：

平均供电可靠率指标ASAI为：

系统总的电量不足指标ENSI为：

式中：Uj为负荷节点j的年停电时间；Lj为第j个负荷节点的负荷功率。

平均电量不足指标AENS为：

系统总的停电损失LOSS为：

式中：IEAR为缺电损失评价率。

3 算例分析

本文以河北南部某地级市配电网因城区改造需对新区重新规划进行算例分析。该地区总体负荷虽属于B类负荷，但其内部包含众多重要负荷，如医院、高等院校等，同时包含工业负荷等用电大户，还包含居民区与行政单位等，从某种意义上说该地区负荷已经达到A类负荷标准。对负荷区域按照功能性划分后，再根据不同区域对供电量、可靠性等的不同需求选择相应的接线模式。对每一个分区设置一个110 kV变电站作为电源点，不同负荷区域的配电网接线模式如下所述。

对于公共服务区，供电可靠性要求最高，同时负荷水平较高，但负荷点数量有限，可选择双环网接线模式，如图10所示。

对于工业制造区，负荷水平较大，可靠性要求较高，负荷点数量较多，可选择双链接线模式，如图11所示。

对于行政管理区，负荷水平中等，可靠性要求中等，负荷点数量较少，可选择单环网接线模式，如图12所示。

图10 公共服务区规划图Fig.10 Planning map of the public services district

图11 工业制造区规划图Fig.11 Planning map of the industry manufacture district

图12 行政管理区规划图Fig.12 Planning map of the administrative management district

对于居住生活区，负荷水平中等，可靠性要求一般，负荷点数量较多，可选择单环网与辐射式接线模式，如图13所示。

图13 居住生活区规划图Fig.13 Planning map of the living district

该地区的负荷情况及相关参数如表1所示。

表1 负荷区域参数Tab.1 Information of the load district

各负荷区域的配电网接线模式确定之后，根据表1中的相关参数，可计算得出可靠性指标，如表2所示。

表2 可靠性指标计算结果Tab.2 Calculation result of index of reliability

表2各项可靠性指标基本达到规划目标，供电可靠性达到99.993 2%。4个负荷分区（由4个110 kV变电站为电源构成）的配电网容量接近600 MV·A。作为远期规划，已能够满足A+类负荷区域的指标要求。后期可适度根据城镇化建设进度、负荷重要程度及工程投资等分不同阶段进行城区改造。

4 结论

本文提出了适用于新型城镇化建设的负荷分区方法，结果比直接利用远期负荷密度划分更可靠、准确，能够满足新型城镇化建设对用电负荷的需求。通过对负荷分区和选择高压变电站站址，并分析了各负荷区域对供电的需求，可选取相应的高压和中低压配电网接线模式，实现负荷区域的模块化供电。通过配电网可靠性指标的计算，证明了规划结果的合理性。

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（编辑 董小兵）

Load Partition and Planning Research of Distribution Networks

ZHAO Shujun1，YANG Pu1，HAO Pengfei1，LÜ Zhenbang2，WANG Peng2，WANG Xiaonan1
（1.Handan Power Supply Company，State Grid Hebei Electric Power Company，Handan 056002，Hebei，China；2.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200082，China）

With acceleration of the new urbanization process and rapid development of distribution network，demands for electricity requirement can hardly be met only by transformation of the existing distribution network，therefore distribution networks for new urban areas should be re-planned.This paper analyzes and draws on the typical connection modes of distribution network in foreign countries，and expounds the load distribution method，the selection method of distribution network connection mode and the calculation method of reliability index.Based on the principle of dividing areas according to the load density，load areas are further divided according to the function and reliability and other attributes and the proper and reasonable connection mode is selected for each sub-area to meet the electricity demand of the new urbanization construction.The rationality and feasibility of the method is analyzed and verified by the actual example of the power grid in a prefecture-level city in southern Hebei.The results show that the proposed method is more able to meet the needs of electricity for the new urbanization construction.

load partition；distribution network；planning；connection modes；reliability

国家自然科学基金项目（71403098）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（71403098）.

1674-3814（2016）08-0079-07

TM715

A

2016-01-23。

赵树军（1972—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为电网规划。