基于可靠性的中压配电线路接线模式快速选择

刘娟楠，于广亮，李文辉，王芝麟，张文韬

（1.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安 710075；2.国网西安供电公司，陕西西安710032；3.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；4.西安交通大学，陕西西安 710068）

配电网规划一般首先根据变电容量需求以及输电线路容量确定满足电力需求的一个或者几个方案[1]，然后对待选方案进行潮流、可靠性等的计算分析，技术人员或专家对方案进行综合比较得出推荐方案[2]。但开始设置方案时一般只是凭经验来设定，初始方案的可靠性与要求可能偏差较大。近年来，有人提出计算中压线路接线模式的可靠性指标[3]，但一是未将各个电压等级考虑在内，二是在参数选择时，未考虑供电安全水平的要求。

1 配电网中压线路接线模式

中压配电网分为架空网和电缆网，它们又分别有很多种接线形式[4]。

1.1 架空网

架空网的典型结构主要有辐射式、多分段单联络、多分段适度联络等结构。

单辐射结构一般将线路分段，线路故障时不会导致线路全停，但电源故障时将会导致整条线路停电。单电源单射式供电不考虑故障备用问题，正常方式下可以满载运行，见图1。

图1 单辐射Fig.1 Single radial structure

单联络接线形式将不同变电站的两条馈线或同一变电站不同中母线的2条馈线，通过一个联络开关连接起来，是中压馈线联络的最简单形式，其供电可靠性较单辐射方式大大增加。当任意一个区段发生故障时，分段开关闭合，可将负荷通过另一条馈线转供。该接线形式满足线路和电源的N-1校核，但需考虑备用容量，正常运行时线路负载率仅为50%，单位负荷的线路投资较单射式有所增加。单联络见图2。

图2 单联络Fig.2 Single connection structure

多分段适度联络是架空线路环网采用的接线形式，通常开环运行。分段数量与联络数量根据负荷密度、负荷性质、线路长度、用户数量及环境等因素确定。目前使用较多的多分段适度联络有三分段两联络和三分段三联络两种接线。多分段适度联络见图3。

图3 多分段适度联络Fig.3 Multi segments and proper connection structure

1.2 电缆网

中压电缆网的典型接线方式主要有单射式、双射式、单环式、双环式、N供一备等类型[5-6]。

自一座变电站或开关站的一条中压母线出一回电缆，形成单射式接线方式。该接线方式不满足“N-1”校核，由于不考虑故障备用，主干线正常运行时的负载率可达到100%。该接线方式通常仅作为一种过渡接线形式。单射式见图4。

图4 单射式Fig.4 Single radial structure

自一座变电站或开关站的不同中压母线或同一供电区域两个变电站或开关站引出双回电缆，形成双射接线方式。双环网一般也作为一种过渡方式，随着网络的加强，可逐步发展为双环式接线。双射式供电可以为用户提供双电源供电，一条电缆故障时，用户配变可切换到另一条电缆上。双射式见图5。

图5 双射式Fig.5 Double radial structure

自一座变电站或开关站的不同中压母线或同一供电区域两个变电站或开关站引出单回电缆构成单环网，开环运行。任何一个区段故障，闭合联络开关，可将负荷转供到与其拉手的馈线，供电可靠性比单射式大大提高。该供电模式满足N-1校核，但主干线正常运行时的负载率仅为50%。从规划建设的角度考虑，一般采用异站单环接线方式，仅在不具备条件时采用同站不同母线单环接线方式。单环式见图6。

图6 单环式Fig.6 Single ring structure

自一座变电站或开关站的不同中压母线或同一供电区域两个变电站或开关站不同中压母线引出双回电缆构成双环网，开环运行。双环网的接线形式主要依赖变电站或开关站不同母线的母联开关构成，若变电站或开关站母线之间无分段开关，则仍为单环网接线。该接线方式满足N-1校核，主干线正常运行时的负载率仅为50%。与电缆单环网相比，双环网更易于为用户提供双路电源供电，可靠性更高。双环式见图7。

图7 双环式Fig.7 Double ring structure

N供一备是指N条电缆线路连成电缆环网运行，另外一条线路作为公共的备用线路。非备用线路可满载运行，若某条运行线路出现故障，可以通过切换将备用线路投入运行，其设备利用率为N/（N+1）。综合考虑设备利用率和运行操作复杂程度，一般N最大取4。N供1备见图8。

图8 N供1备Fig.8 N supply lines with one backup line structure

2 基于可靠性的中压接线模式选择方法

2.1 建立可靠性评估模型

根据配电网的特点，将要进行的可靠性计算分为高压层、馈线层、配变层、低压线路层等4个层级，建立各层级的可靠性评估模型[7]。

2.1.1 高压层

高压层故障停电时，若中压层可以转移负荷，则故障停电时间为零，若不可转移，停电时间t0为：

式中：T0为高压层平均故障停电时间；λ01为主变故障概率；λ02为线路故障概率；l0为线路平均长度；t0为恢复供电时间。

高压层检修预安排停电时，所带负荷可以转供，不损失负荷[9]。

2.1.2 中压线路层

1）架空线路故障停电时间：若故障后其他未故障段可以转供，则停电时间T11为

式中：T11为架空线路平均故障停电时间；λ11为架空线路故障概率；l1为架空线路长度；t11为故障隔离时间；t12为故障检修时间；n为分段数；a为配变双接入比例。

若故障后其他未故障段不可以转供，则停电时间T11为

2）架空线路预安排停电时间：若其他段可以转供，则停电时间如下式：

式中：T12为架空线路平均预安排停电时间；λ12为架空线路预安排停运率；t13为架空线路预安排检修时间。

若后段不可以转供，则停电时间如下式：

3）电缆线路故障停电时间：若故障后其他未故障段可以转供，则停电时间T13为

式中：T13为电缆线路平均故障停电时间；λ13为电缆线路故障率；l2为电缆线路长度；t14为电缆线路故障隔离时间。

若故障后其他未故障段不可以转供，则停电时间如下式：

4）电缆线路预安排停电时间：若负荷可以转供，则不停电。

若不可转供，则停电时间T14为

式中：T14为电缆线路平均预安排停电时间；λ14为电缆线路预安排停运率；t16为电缆线路预安排检修时间。

2.1.3 中压配变层

配变层故障平均停电时间：

式中：T21为配变层故障平均停电时间；λ21为配变故障停运率；t21为配变故障检修时间；

配变层预安排平均停电时间：

式中：T22—配变层预安排平均停电时间；λ22为配变预安排停运率；t22为配变预安排检修时间。

2.1.4 低压线路层

低压线路一般为辐射式运行，当低压主干线发生故障时，低压线路全线停电。

低压线路故障平均停电时间：

式中：T3为低压线路故障平均停电时间；λ3为低压线路故障率；l3为低压线路平均长度；t3为低压线路故障修复时间。

2.2 接线模式选择

1）分析本地区的地形及配电网的现状，并根据地域特征分析各种接线模式的利弊，剔除完全不适合的接线模式。

2）根据配电网的特点，将要进行的可靠性计算分为高压层、馈线层、配变层、低压线路层等4个层级，建立各层级的可靠性评估模型。

3）根据配电网规划设计导则对供电安全水平的要求并结合本地区的实际情况，分不同供电区域给定相关计算参数，包括中压线路平均长度、中压线路分段数、设备故障停运率、检修预安排停运率、故障隔离时间和故障恢复时间。

4）应用对4个层级建立的可靠性评估模型对架空网和电缆网的各个接线模式进行评估计算，得到每个接线模式的供电可靠率指标，并比对导则中给出的每个供电区的指标要求，选择合适本区域的接线模式。接线模式选择流程见图9。

图9 接线模式选择流程Fig.9 Medium Voltage Distribution Line Connection Model Selection Process

3 算例分析

首先需选取典型参数。

配电网可靠性来自于电网结构、设备水平、管理水平和上级电网技术的综合作用。其中电网参数、设备参数和管理技术参数的典型参数取值如下：

3.1 中压线路平均长度

根据《配电网规划设计技术导则》[10]，A、B类供电区域供电半径不宜超过3 km，C类供电区域供电半径不宜超过5 km，D类供电区域供电半径不易超过15 km。因此，结合陕西实际情况，A类供电区域中压线路平均长度均设置为2 km，B类供电区域中压线路平均长度均设置为3 km，C类供电区域中压线路平均长度设置为5 km，D类供电区域中压线路平均长度设置为15 km。

3.2 设备故障及检修预安排停运率典型值

配电网可靠性受电网结构、设备水平、管理水平和上级电网技术的制约。本文主要是为了分析电网结构对可靠性的影响，因此要弱化设备水平管理水平的影响，则各类供电区域中配变、开关、电缆线路、架空线路等设备的故障概率和体现管理水平的配变、开关、电缆线路、架空线路等设备的预安排停运率均采用高档设备和高管理水平的可靠性参数，如表1所示。

表1 设备故障及检修预安排停运率典型值Tab.1 Typical values of the outage rate of equipment failure and scheduled maintenance

3.3 故障排查和修复时间

假定高中压配电网均满足供电安全标准。

当高压层发生“N-1”故障时，A类要求恢复供电时间≤15min，B、C类要求2/3负荷恢复供电时间≤15 min，其余负荷恢复供电时间≤3 h，因此设定高压故障的停电时间A类供电区域为15 min，B、C类供电区域为1h，D类供电区域为3小时。

当馈线层发生“N-1”故障时，A类供电区域要求在15 min内恢复供电，说明A类供电区域也要求有配电自动化，并逐步实现全覆盖；B、C、D类供电区域要求在3 h内恢复供电，故障后主要靠人工排查故障。因此结合实际情况，设定中压故障排查时间A类供电区域为15 min，B、C类供电区域为1 h，D类供电区域3 h。

中压故障线路的非故障段要求在3 h内恢复供电，故障段的恢复供电时间一般大于等于3 h，因此设定中压故障修复时间为3 h。

各类供区的故障排查时间和修复时间典型取值如表2所示。

表2 故障排查时间和修复时间典型值Tab.2 Typical values of fault checking time and repairing time

应用可靠性评估模型，采用故障模式后果分析法，根据供电安全标准的要求，分别计算A、B、C、D4类供电区域中架空线的单辐射、单联络、三分段三联络和电缆线路的单环网、双环网的用户平均停电时间，如表3—表6所示。

表3 A类供电区域可靠性计算Tab.3 reliability calculation of A-type power supply area min

根据上述供电可靠性计算结果及A、B、C、D四类供电区域的可靠性规划目标，为各类供电区匹配相应的接线方式，结果如下。

表4 B类供电区域可靠性计算Tab.4 reliability calculation of B-type power supply area min

表5 C类供电区域可靠性计算Tab.5 reliability calculation of C-type power supply area min

表6 D类供电区域可靠性计算Tab.6 reliability calculation of D-type power supply area min

A类供电区域的供电可靠率目标要求用户年平均停电时间不高于52 min（RS-3≥99.990%）。由表3可知，架空网不能满足A类供电区域的供电可靠性要求，电缆网的两种接线方式均能满足。而且，由于A类均为中心城区，城市规划一般不允许再架设架空线路，故该区域内仅考虑电缆网，单环网和双环网均在可选范围内。

B类供电区域的供电可靠率目标要求用户年平均停电时间不高于3 h（RS-3≥99.965%）。由表4可知，架空网的单联络方式和三分段三联络方式、电缆网的两种接线方式均可满足B类供电区域的供电可靠性要求，而架空线的单辐射模式不能满足要求。而且由于B类供电区主要为地级市的中心城区、重要城区、重要园区，在综合区域，一般不允许再架设架空线路，在这种区域内仅考虑电缆网，以单环网为主，必要时可以考虑双环网；在一些产业园区，能够采用架空线路的，优先考虑采用架空网多分段适度联络，架空线路实施困难的路段采用电缆单环网。

C类供电区域的供电可靠率目标要求用户年平均停电时间不高于9 h（RS-3≥99.897%）。由表可知，架空网的单联络方式和三分段三联络方式、电缆网的两种接线方式均可满足C类供电区域的供电可靠性要求，而架空线的单辐射模式不能满足要求。而且由于C类供电区一般为县城或县级园区，按照目前各省的110kV布点密度，大多能够保证两座110kV变电站，优先考虑采用架空网多分段适度联络，在县城内架空线路实施困难的路段采用电缆单环网。

D类供电区域的供电可靠率目标要求用户年平均停电时间不高于15 h（RS-3≥99.828%）。由表6可知，架空网的单联络方式和三分段三联络方式、电缆网的两种接线方式均可满足D类供电区域的供电可靠性要求，而架空线的单辐射模式不能满足要求。综合考虑可靠性和经济性，D类供电区域推荐全部采用架空网，接线方式以单联络和三分段三联络为主，部分偏远地区若难以实现联络，可采用单辐射方式。

4 结论

本文提出了中压线路接线模式的快速选择方法，计算典型接线模式下的各个电压等级的可靠性指标，在初始规划方案设定前就可以确定合适的接线模式，利用此接线模式规划的配电网必然满足可靠性的要求。

参考文献

[1]张植华，李健，林毓，等.级网格化城市配电网目标网架动态构建方法[J].陕西电力，2015，43（2）：23-29.ZHANG Zhihua，LI Jian，LIN Yu，et al.Grid city distribu⁃tion network target network dynamic construction method[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（2）：23-29.

[2]罗国东，梅敏，林桢敏.配电网规划方案及项目后评价方法[J].陕西电力，2011，39（6）：16-20.LUO Guodong，MEI min，LIN Zhenmin.Methods of distri⁃bution network planning and project evaluation scheme[J].Shaanxi Electric Power，2011，39（6）：16-20.

[3]王成山，王赛一，葛少云，等.中压配电网不同接线模式经济性和可靠性分析[J].电力系统自动化，2002，26（24）：34-39.WANG Chengshan，WANG Saiyi，GE Shaoyun，et al.Economy and reliability analysis of different connection modes in MV distribution systems[J].Automation of Elec⁃tric Power Systems，2002，26（24）：34-39

[4]庄雷明，张建华，刘自发，等.级中压配电网接线模式分析[J].电网与清洁能源，2010，26（6）：33-37.ZHUANG Leiming，ZHANG Jianhua，LIU Zifa，et al.Con⁃nection modes of medium voltage distribution networks[J].Power System and Clean Energy，2010，26（6）：33-37.

[5]谢晓文，刘洪.中压配电网接线模式综合比较[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（4）：94-99.XIE Xiaowen，LIU Hong.Integrated contrast on connec⁃tion modes of mid-voltage distribution networks[J].Pro⁃ceedings of the Chinese Society of Universities for Electric Power System&Its Automation，2009，21（4）：94-99.

[6]赵树仁，何林泰.配电网电缆化改造中的网架结构与自动化方案[J].陕西电力，2007（9）：13-17.ZHAO Shuren，HE Lintai.Network frame structure and automation scheme in cable transformation of distribution network[J].Shaanxi Electric Power，2007（9）：13-17.

[7]葛少云，郭寅昌，刘洪，等.基于供电能力计算的高压配电网接线模式分析[J].电网技术，2014，38（2）：405-411.GE Shaoyun，GUO Yinchang，LIU Hong，et al.Key labo⁃ratory of smart grid tianjin university.load supply capabili⁃ty based analysis of hv distribution network connection mode[J].Power System Technology，2014，38（2）：405-411.

[8]葛少云，郭明星，王成山，等.城市高压配电网接线模式比较研究[J].电力自动化设备，2004，24（2）：33-37.GE Shaoyun，GUO Mingxing，WANG Chengshan，et al.Comparative study of connection modes in high-voltage distribution networks[J].Electric Power Automation Equip⁃ment，2004，24（2）：33-37（in Chinese）.

[9]刘向军，马爽，许刚.基元接线模型构建的配电网典型接线方式[J].电网技术，2012，36（2）：58-63.LIU Xiangjun，MA Shuang，XU Gang.Formation of typi⁃cal connection mode for distribution network by elementa⁃ry connection model[J].Power System Technology，2012，36（2）：58-63.

[10]国家能源局.配电网规划设计技术导则[Z].2016.