基于共享理念的分层环状配电网供电模式

国网山东省电力公司济南供电公司 李静 王梦琪 龙青山 林琪蔚 王延安 孙谦

基于共享理念的分层环状配电网供电模式

国网山东省电力公司济南供电公司 李静 王梦琪 龙青山 林琪蔚 王延安 孙谦

为解决配电网建设改造面临的电力廊道建设滞后、重过载、轻载现象并存，配电网自愈能力差一系列新问题，提出一种基于共享理念的分层环状配电网供电模式。该结构可有效减少电力廊道规模，实现能量共享。经过物理模型仿真和规划实践验证，初步证明该配电网供电模式实用有效。

配电网规划；配电网结构；配电自动化

0 引言

随着电力体制改革的深入实施和“一流配电网”的建设发展，面对“两个替代”、分布式电源接入、智能用电、高可靠性供电需求[1-5]，科学合理的电力系统规划更加重要。

目前，配电网建设改造面临一系列新问题[6-12]。一是电力廊道建设滞后，部分区域电力廊道建设与变电站配套送出等工程缺乏通盘长远规划，制约电力送出。二是“两个替代”给配电网建设带来很大压力，电动汽车充换电设施建设、“煤改电”[6]等新的负荷增长给配电网建设带来困难，部分区域变电站布点不足、供电适应性弱，难以满足新增负荷需求。光伏发电等分布式电源的接入给配电网运行带来较大冲击。三是业扩户表方案制定与规划严重脱节，业扩户表方案未从规划角度制定，导致部分区域中压线路间隔不足，新上项目接入困难。四是现有电网设备用电能力挖潜难度大，例如重过载、轻载现象并存，电网自愈能力差、供电可靠性不高。

为解决上述问题，本论文以实现电力能量流灵活配置，供电容量高度共享为目标，提出一种基于共享理念的分层环状配电网供电模式。

首先梳理了目前配电网的常见结构，分析了各类结构的适用范围。其次从配网结构模型、配电自动化配置原则两方面介绍了基于共享理念的分层环状配电网供电模式的原理。再次结合典型网架对多层双环网配网结构进行了详细论述。最后分别从物理模型仿真和规划实践两方面，对该模式进行了验证，实践初步证明，该配电网供电模式实用有效。

1 配电网结构

1.1 配电网结构

10kV配电网结构分两类，一类是架空网，另一类是电缆网[13]。

架空网又包括三分段三联络接线方式、三分段单联络接线方式、三分段单辐射接线方式等，分别如图1、2、3所示。

三分段、单联络接线方式，即线路末端联络接线方式。在周边电源点数量有限，且线路负载率低于50%的情况下，不具备多联络条件时，可采用。

三分段单辐射接线方式，在周边没有其他电源点，且供电可靠性要求较低的地区，目前暂不具备与其他线路联络的条件，可采用。

电缆网又包括单环网接线方式、双射接线方式、双环网接线方式和对射接线方式，其中双射接线方式和对射接线方式可过渡到双环网接线方式。如图4、5、6所示。

单环网接线方式为自同一供电区域两座变电站的中压母线（或一座变电站的不同中压母线）、或两座中压开关站的中压母线（或一座中压开关站的不同中压母线）馈出单回线路构成单环网，开环运行。

图1 三分段、三联络接线方式

图2 三分段、单联络接线方式

双射接线方式为自同一变电站（或中压开关站）的不同中压母线引出双回路线路，形成双射线接线方式；或自同一供电区域的不同变电站引出双回线路，形成双射线接线方式。有条件、必要时，可过渡到双环网接线方式。

图3 三分段单辐射接线方式

图4 单环网接线方式

图5 双射接线方式

图6 双环网接线方式

双环网接线方式为自同一区域的两座变电站（或两座中压开关站）的不同中压母线各引出二对（4回）线路，构成双环网的接线方式。

对射接线方式为自不同方向电源的两座变电站（或中压开关站）的中压母线馈出单回线路组成对射接线方式，一般由双射改造形成。

1.2 各种结构适用范围

不同的配电网结构有不同的适用范围[14]，如表1所示。

每类配电网结构都有各自的适用范围，但是在实际规划过程中，在某一区域难以采用单一的配电网结构，例如在A区域，往往含有城内湖、树林、草坪和小山等。并且，为了生态城市建设，在城市规划阶段需要充分考虑环境优化因素，导致高负荷密度区（例如，商务中心区）与低负荷密度区（例如，绿地、小山等）交错布局，形成商业、金融、居住、休闲以及河流、山地、植被错综交叉。

复杂的土地使用性质，采用传统的配电网规划方式，往往产生变电站负载率和间隔利用率低、重过载线路、业扩受限、户表装接困难、道路反复开挖等问题日益严重。

2 供电模式原理

2.1 配网结构模型

通过梳理典型的配电网结构，针对城市规划发展趋势和目前电网存在的问题，提出基于共享理念的分层环状配电网规划方法，以电缆网为例，基于共享理念的分层环状配电网规划结构框图，如图8所示。

基于中压双环网分层规划理念，通过中压多层双环网规划方式，实现变电站10kV母线延伸，达到电力潮流在多层多环配电网架构的灵活配置，充分挖掘现有设备的供电能力，最大限度实现容量共享，能够显著提升公用配电设备、变电站间隔利用率。

2.2 配电自动化配置原则

对于供电半径较长、分段数较少的开环运行农村配电架空线路，在线路发生故障时，故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平差异比较明显时，可以采取电流定值与延时级差配合的方式（如3 段式过流保护或反时限过流保护）实现多级保护配合，有选择性地快速切除故障。

但是，对于供电半径较短的开环运行城市配电电缆线路，在线路发生故障时，故障位置上游给个进出线开关处的短路电流水平往往差异比较小，无法针对不同的开关设置不同的电流定值，此时仅能依靠保护动作延时时间级差配合和电流方向实现故障有选择性的切除[15-18]。

以图8为例，来说明配电自动化配置原则，即“两级级差+两类差动保护+集中式+三遥”的配置原则。

2.2.1 开关类型组合配置原则

开关类型组合配置的原则如下：

（1）变电站出线开关采用断路器。

（2）主环网开关站进出线开关采用断路器。

（3）次环网环网柜进线及与开关站连接的出线开关采用负荷开关。

（4）次环网环网柜出线及非与开关站连接的出线（用户开关）开关采用断路器。

断路器采用常规的弹簧储能操动机构的断路器，其分闸时间一般为60～80 ms，采用全波傅氏算法故障检测的保护出口时间在30 ms左右，继电器驱动时间一般为5 ms左右，一般在100 ms左右可快速切除故障电流。考虑到变压器低压侧低后备保护的最小设置延时（一般设置在0.5s左右）和变电站出线断路器过流保护动作时间（一般设置为0.5～0.7 s）。同时考虑变压器、断路器、负荷开关、隔离开关、线路以及电流互感器的热稳定校验时间为2 s的要求，多级级差保护配合延时时间级差可以设置为200ms。

2.2.2 保护配置原则

保护配置的原则如下：

（1）变电站出线保护：采用过流保护，取消重合闸和瞬时电流速断保护，断路器过流保护动作时间设置为0.5s。

（2）主环网开关站之间、开关站与变电站出线间隔之间采用光纤差动保护，延时0s。用于保护主环网电缆线路。

（3）每个开关站两回进线之间采用带方向的光纤差动保护（反向求和，定值大于2倍的主环网最大电缆限流值），延时0s，保护动作跳开该开关站的连接环网柜的两回出线。用于保护开关站内部故障和次环网故障。

（4）次环网环网柜出线及非与开关站连接的出线（用户开关），采用瞬时电流速断保护，延时0s。

2.2.3 故障处理方式

故障处理方式采用集中式，配电终端采用“三遥”终端。

（1）用户侧故障：环网柜用户侧断路器速断动作，自动隔离故障，防止用户侧事故波及到公用线路并确定事故责任分界点。此类故障可能引起开关站连接环网柜的两回出线开关的越级跳闸，但是不影响主环网的正常供电。在产生越级跳闸后，由配电自动化系统根据收到的故障信息判断出故障区域，通过遥控相应开关动作完成故障区域的隔离并恢复对健全区域的供电。

图7 对射接线方式

表1 各类结构适用范围

图8 配网结构模型框图

图9 主、次环网典型供电模式结构图

（2）开关站、环网柜CT外侧（母线侧）以及次环网线路故障：开关站两回进线之间带方向的光纤差动保护瞬时动作，隔离故障。隔离故障和恢复供电处理方式同“用户侧故障”。

（3）主环网线路故障：主环网开关站之间、开关站与变电站出线间隔之间的光纤差动保护瞬时动作，隔离故障。隔离故障和恢复供电处理方式同“用户侧故障”。

（4）变电站出线间隔过流保护作为所有以上保护的后备，且为变压器低后备保护留出足够配合时间。

3 典型网架

以图9主、次环网典型供电模式为例说明中压多层双环网配电网结构。

包含如下结构：

（1）变电站出线以开关站为连接单元形成的第一层双环网（即主环网）。双侧电源变电站直供开关站，开关站作为变电站母线的延伸，这是实现容量共享的主通道，减少电力廊道规模。

（2）主环网的开关站出线直接带负荷。面向两类负荷，一类是特别重要且可靠性要求高的负荷，一般采用来自不同开关站的双电源进线；一类是容量大、供电可靠性要求不高的负荷，例如“煤改电”等，满足“两个替代”需求。

（3）主环网的开关站出线以环网柜为连接单元形成的第二层单、双环网（即次环网）。主要面向整个片区负荷密度大、可靠性要求高，而所开发地块碎小、单地块负荷不大，采用传统业扩方式导致变电站间隔、环网柜间隔不够的情况。增加业扩、户表接带能力。

（4）变电站直接出线接带负荷。面向从高负荷密度区内变电站出线向低负荷密度区且长距离供电的场合，例如，从中央商务区内的变电站向邻近中央商务区的休闲湿地、小山丘等地带供电。

图10 典型供电模式实验板

图11 某核心区域的配电网结构图

以上综合电网结构，可在不同层级、不同环网结构中复合灵活接入电动汽车、分布电源等。基于主环网结构可实现电力能量流昼、夜及不同负荷性质负载间的削峰填谷。

相对传统配电网结构，该配电网结构可以减少变电站间隔使用数量，增加负荷接入点，对重过载治理、联络率提升等配电网建设指标提高提供综合解决方案。同时也适应了目前城市开发的“小马路、小广场、小拐角、小绿地、小地块的“五小”城市建设改造的新理念。

4 供电模式验证

4.1 仿真实验

采用PCB板技术模拟高中压电网结构，搭建PCB板模型，模拟正常运行和故障后负荷改切、网络自愈等特性，实验证明，主、次环网网架结构性能优良。基于PCB的环状分层配电网结构典型供电模式实验板如图10所示。

如图10所示，蓝色线代表第一层环网，红色线代表第二层环网。不同变电站10kV间隔之间形成共享能量流的主通道，一般以双环网或者多环网的方式实现，此为第一层环网。第一层环网可以根据实际需要接带负荷，如果某区域地块分布密集，且每个地块的用电需求也不大，则可以在第一层环网的基础上继续分支形成第二层环网，继而实现能量流的共享。环状分层配电网并没有固定的模式，设计起来非常灵活，可根据实际需要设计不同的模式来满足本区域负荷发展的需求。经过仿真实验，在逻辑上实现了上述配电自动化配置原则，满足了变电站10kV母线延伸、电力潮流在多层多环配电网架构的灵活配置等的设计目标。

4.2 规划实践

如图11所示，采用基于共享理念的分层环状配电网规划方法对某城市某核心区域的配电网结构图。

如图所示，KB1和KB2为开关站，形成第一层双环网（即主环网），双侧电源变电站直供开关站，开关站作为变电站母线的延伸，这是实现容量共享的主通道，减少电力廊道规模。HK0X、HK1X、HK2X为环网柜，以开关站出线形成第二层单、双环网（即次环网），节省变电站间隔，提升变电站负载率，增加业扩、户表接带能力。运行实践证明实现了变配电容量的充分共享。

5 结语

（1）提出了基于共享理念的分层环状配电网供电模式。依据该模式的分层环状配电网规划结构，在现有配电网结构基础上，变电站出线以开关站为连接单元形成第一层主环网；主环网的开关站出线以环网柜为连接单元形成第二层单、双环网（即次环网）。开关站作是变电站母线延伸，实现容量共享主通道，减少电力廊道规模。同时实现变配电容量的充分共享，公用配电设备、变电站间隔利用率的显著提升。

（2）针对分层环状配电网规划结构，提出“两级级差+两类差动保护+集中式+三遥”的配电自动化配置原则。

（3）基于该供电模式可以有效解决变电站负载率低、间隔使用率过高、业扩受限、“两个替代”接入困难、线路重过载等问题。

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