基于供電可靠性量化分析的110 kV電網(wǎng)典型接線方式選擇

尹建兵，黃民翔，許 諾

（1.杭州市電力局，杭州 310009；2.浙江大學(xué)電力經(jīng)濟(jì)及信息化研究所，杭州 310027）

0 引言

110 kV電網(wǎng)是目前國內(nèi)城市主要的高壓配電網(wǎng)絡(luò)。隨著城市發(fā)展，用戶對供電可靠性要求越來越高，而電力公司基于優(yōu)質(zhì)服務(wù)和經(jīng)營目標(biāo)，也致力于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)可靠的供電網(wǎng)絡(luò)。由于110 kV電網(wǎng)的接線方式是影響電網(wǎng)供電可靠性的關(guān)鍵因素之一，因此科學(xué)選擇110 kV電網(wǎng)接線方式具有十分重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

通常選擇110 kV電網(wǎng)接線方式主要基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性2個指標(biāo)，而可靠性分析主要是基于N-1的定性分析，對接線方式選擇無法進(jìn)行進(jìn)一步比較分析。目前國外已普遍采用計算機(jī)軟件進(jìn)行可靠性定量計算分析，而國內(nèi)關(guān)于可靠性定量計算方面的文獻(xiàn)則主要偏重于對算法的理論研究[1-5]，對具體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性定量計算的文獻(xiàn)很少[6-8]，文獻(xiàn)[6]對輸電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行了定量分析研究，文獻(xiàn)[7]、[8]針對高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了可靠性定量分析計算，但文獻(xiàn)[7]中并沒有考慮主接線方式，文獻(xiàn)[8]的計算也只涉及到N-1故障。

本文通過理論計算選擇110 kV變電站最優(yōu)規(guī)模，在此基礎(chǔ)上選擇包括主接線模式在內(nèi)的幾種國內(nèi)典型且通用的110 kV電網(wǎng)接線方式，再應(yīng)用德國亞琛工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及電力經(jīng)濟(jì)研究所的大型可靠性分析程序RAMSES，計算各種接線方式下的平均停電時間及國內(nèi)常用的RS-1可靠性指標(biāo)，并進(jìn)行可靠性定量分析比較，計算過程中考慮了雙重故障的影響，在此基礎(chǔ)上推薦幾種經(jīng)濟(jì)可靠的110 kV典型接線方式。

1 110 kV變電站規(guī)模優(yōu)化選擇

1.1 110 kV變電站最優(yōu)容量計算

選擇110 kV變電站規(guī)模應(yīng)同時滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求。根據(jù)國內(nèi)外研究資料，110 kV變電站規(guī)模的選擇與負(fù)荷密度、中壓饋線長度和中壓接線方式等有關(guān)，其中負(fù)荷密度是一個非常關(guān)鍵的因素。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，110 kV變電站的最優(yōu)容量可通過以下公式估算：

式中：k1≈50；S為變電站容量；σ為考慮同時率后的平均負(fù)荷密度。

根據(jù)上式計算的110 kV變電站優(yōu)化規(guī)模結(jié)果見表1。

表1 110 kV變電站最優(yōu)容量計算表

1.2 110 kV變電站主變組合

根據(jù)N-1原則，考慮主變壓器1.3倍過載率，計算滿足N-1準(zhǔn)則下的各方案變電站最大負(fù)載率見表2。從中可以看出，4臺以下主變時，主變臺數(shù)越多，負(fù)載率越高；4臺及以上主變時，很可能因受短路電流限制而無法并列運(yùn)行，負(fù)載率反而下降?？紤]4臺及以上主變時，電網(wǎng)接線通常較復(fù)雜，因此一般不推薦4臺以上主變組合。

1.3 110 kV變電站推薦規(guī)模

根據(jù)以上110 kV變電站最優(yōu)容量、最大負(fù)載率的分析，110 kV變電站的推薦規(guī)模見表3。

根據(jù)國內(nèi)大多數(shù)城市遠(yuǎn)景負(fù)荷預(yù)測，負(fù)荷密度一般為20～30 MW/km2，110 kV變電站規(guī)模為3臺40 MVA或50 MVA的主變組合。因此，本文主要以3臺主變?yōu)榛A(chǔ)開展接線方式可靠性分析。

表2 變電站最大負(fù)載率

表3 110 kV變電站推薦規(guī)模

2 110 kV電網(wǎng)接線方式選擇

2.1 變電站主接線方式選擇

主接線方式選擇包括220 kV變電站110 kV側(cè)主接線、110 kV變電站110 kV側(cè)主接線和110 kV變電站10 kV側(cè)主接線。根據(jù)國家電網(wǎng)公司關(guān)于變電站典型化設(shè)計及“兩型一化”等規(guī)定，110 kV電氣主接線一般選擇以下方式：

（1）220 kV變電站110 kV側(cè)電氣主接線采用雙母線、雙母線分段、單母線分段接線。

（2）110 kV變電站110 kV側(cè)主接線采用線路變壓器組單元接線或內(nèi)橋加線路變壓器組單元接線等。

（3）110 kV變電站10 kV側(cè)主接線采用單母線四分段的接線。

2.2 110 kV電網(wǎng)典型接線方式選擇

以3臺主變?yōu)橹鞯某鞘?10 kV變電站主要有圖1所示的幾種典型接線模型。模型1為單電源輻射結(jié)構(gòu)，模型2－6為雙電源輻射結(jié)構(gòu)，其中：模型2為雙電源獨(dú)立輻射結(jié)構(gòu)，模型3－5為雙電源2T輻射結(jié)構(gòu)，模型6為雙電源3T輻射結(jié)構(gòu)。

模型選擇一般考慮以下因素：

（1）雙電源輻射網(wǎng)絡(luò)在一個上級變電站停運(yùn)時，仍能保證110 kV電網(wǎng)正常供電，因此比單電源輻射網(wǎng)絡(luò)有更高的可靠性，但隨著電源數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用增加，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和運(yùn)行也相應(yīng)復(fù)雜。

（2）應(yīng)根據(jù)供電可靠性要求，因地制宜選用合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般情況下，在城區(qū)范圍以選用雙電源輻射網(wǎng)絡(luò)為主，而在農(nóng)村區(qū)域主要選用單電源輻射網(wǎng)絡(luò)。

圖1 3臺主變的110 kV變電站電網(wǎng)接線模型

以上模型選擇時雖然考慮了可靠性和經(jīng)濟(jì)性，但可靠性只有定性分析。如模型1與模型2－6的比選可以通過可靠性定性分析得出結(jié)論，但簡單的可靠性定性分析不適用于模型2－6之間的比選，還需要進(jìn)行可靠性定量分析。

3 可靠性計算

3.1 可靠性計算模型

浙江大學(xué)引進(jìn)了德國亞琛工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及電力經(jīng)濟(jì)研究所的大型可靠性分析程序RAMSES，可以對110 kV電網(wǎng)的典型接線進(jìn)行計及主接線模式并考慮雙重故障的可靠性計算。以模型1為例，根據(jù)軟件要求搭建計算模型如圖2所示。

可靠性計算參數(shù)采用德國的可靠性典型參數(shù)。電網(wǎng)其他的計算分析條件如下：

（1）110 kV 變電站規(guī)模為 3×50 MVA， 主接線方式及正常運(yùn)行方式如圖3所示。主變考慮可過載30%。

圖2 模型1的網(wǎng)絡(luò)計算模型

圖3 110 kV變電站正常運(yùn)行方式

（2）10 kV側(cè)負(fù)荷按主變?nèi)萘?7.5%選取，功率因數(shù)取0.9。

（3）110 kV線路長度取平均長度2 km，電纜截面630 mm2，最大電流700 A，線路不考慮過載。

（4）對電源的假設(shè)：220 kV變電站規(guī)模按3×240 MVA考慮，110 kV側(cè)主接線采用單母三分段，正常時2臺并列運(yùn)行，另1臺獨(dú)立運(yùn)行。將每臺主變等效為一個等值電源，作為網(wǎng)絡(luò)的電源點(diǎn)。

3.2 可靠性計算結(jié)果

基于德國可靠性典型參數(shù)的可靠性計算結(jié)果如表4-5所示。

表4 可靠性計算結(jié)果：年平均停電時間

表5 以RS-1表示的可靠性計算結(jié)果

3.3 可靠性計算結(jié)果比較分析

將可靠性計算結(jié)果按年平均停電時間排序，如表6所示。

表6 可靠性計算結(jié)果排序表

從表6中可看出，供電可靠性從高到低依次為：模型2＞模型1＞模型4＞模型5＞模型3＞模型6。模型2為雙電源輻射網(wǎng)絡(luò)，2座220 kV變電站向1座110 kV變電站供電，故可靠性較高；模型6為雙電源3T網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由2座220 kV變電站向3座110 kV變電站供電，供電可靠性最差；模型1雖為輻射網(wǎng)絡(luò)，因上述可靠性計算沒有考慮220 kV變電站全停的情況，故其可靠性較高。

綜上所述，如果考慮220 kV變電站全停，則模型1的110 kV變電站全所失電時的停電時間最長，且沒有轉(zhuǎn)供能力，恢復(fù)時間長，因此模型1只能應(yīng)用在可靠性要求不高的區(qū)域；模型6可靠性最差，并且停一條線路需要同時停3臺主變，影響范圍大；模型2可靠性最好，但2個220 kV變電站供1個110 kV變電站，且均為獨(dú)立線路，接線不經(jīng)濟(jì)，因此也不推薦；模型3－5均為雙電源2T輻射網(wǎng)絡(luò)，從可靠性看，模型4＞模型5＞模型3，從經(jīng)濟(jì)性看也是模型4＞模型5＞模型3，因此模型3不推薦，模型4、5可靠性基本相同，但模型5有1回直接聯(lián)絡(luò)線，運(yùn)行較為靈活，可以在220 kV變電站間需要直接聯(lián)絡(luò)線時采用。

4 結(jié)論

根據(jù)電網(wǎng)接線供電可靠性定量計算分析，城市電網(wǎng)接線方式主要推薦模型4、模型5，其中模型4可作為最常用接線，模型5在220 kV變電站間需要直接聯(lián)絡(luò)線時采用；農(nóng)村電網(wǎng)等可靠性要求不高的區(qū)域可采用模型1。

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