三供一備接線模式的供電模型分析

李健，張植華，林毓，崔文婷，劉洪，周金程

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518033；2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

配電系統(tǒng)作為聯(lián)系終端用戶與發(fā)、輸電系統(tǒng)的紐帶，與用戶的關(guān)系最為緊密，對(duì)系統(tǒng)整體性能效率和用戶供電可靠性的影響也最為直接[1，2]。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是配電系統(tǒng)的筋骨，堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是配電系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。然而，以往對(duì)配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的理論研究多將接線模式作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建的主體[3～5]，未將變電站與線路接線模式綜合統(tǒng)一考慮，因而無(wú)法充分利用下級(jí)電網(wǎng)的支撐作用來(lái)提升整體電網(wǎng)的供電能力與上級(jí)電網(wǎng)設(shè)備的利用效率。

為此，本文將高壓變電站與中壓配電網(wǎng)相結(jié)合，提出中壓配電系統(tǒng)供電模型，從系統(tǒng)層面提出能夠充分提升供電能力并將變電站與線路進(jìn)行協(xié)調(diào)布局的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建思路。此外，以往研究對(duì)基于單聯(lián)絡(luò)、兩聯(lián)絡(luò)和三聯(lián)絡(luò)接線模式的供電模型進(jìn)行過(guò)詳細(xì)探討[6]，本文將在此基礎(chǔ)上，深入研究基于三供一備接線模式的中壓配電系統(tǒng)供電模型。

1 基于三供一備接線模式的中壓配電系統(tǒng)供電模型

本文研究的中壓配電系統(tǒng)接線模式為三供一備接線模式。三供一備接線模式，是指4條線路通過(guò)末端的環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)直接聯(lián)絡(luò)，其中有1條線路作為公共的備用線路，3條作為主供線路，如圖1所示。主供線路滿載運(yùn)行，若有某1條運(yùn)行線路出現(xiàn)故障，則通過(guò)線路切換把備用線路投入運(yùn)行。實(shí)際采用三供一備接線模式時(shí)，需盡量保證主供線路和備用線路來(lái)自不同電源點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高可靠性，采用三供一備模式的線路負(fù)載率最高可達(dá)到75%。

圖1 三供一備接線模式Fig.1 TSOB connection mode

設(shè)高壓變電站的供電區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)圓，且供電區(qū)域內(nèi)負(fù)荷均勻分布。結(jié)合三供一備接線模式，本文所構(gòu)建的供電模型的供電架構(gòu)類型包括帶狀供電架構(gòu)（互聯(lián)變電站座數(shù)為2座）和塊狀供電架構(gòu)（互聯(lián)變電站座數(shù)為3～4座）。下面分別構(gòu)建基于不同互聯(lián)變電站座數(shù)的供電模型。

1.1 兩座變電站互聯(lián)

兩座變電站互聯(lián)供電模型有3種，如圖2所示。

圖2 兩座變電站互聯(lián)的供電模型Fig.2 Power supply model of two interlinked substations

以圖2中的模型a1為例，設(shè)兩座變電站分別為A站和B站，A站和B站中的主變分別為A1、A2、A3、B1、B2、B3，則模型中中壓線路的聯(lián)絡(luò)關(guān)系如圖3所示：A1、A2、A3提供主供線路，B1提供備用線路；A1、A2、A3提供主供線路，B2提供備用線路；A1、A2、A3提供主供線路，B3提供備用線路；B1、B2、B3提供主供線路，A1提供備用線路；B1、B2、B3提供主供線路，A2提供備用線路；B1、B2、B3提供主供線路，A3提供備用線路。

圖3 供電模型a1的中壓線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系Fig.3 Medium voltage connection mode of power supp lymodela1

1.2 三座變電站互聯(lián)

三座變電站互聯(lián)供電模型有4種，如圖4所示。

圖4 三座變電站互聯(lián)的供電模型Fig.4 Power supply model of three interlinked substations

1.3 四座變電站互聯(lián)

四座變電站互聯(lián)供電模型有4種，如圖5所示。

圖5 四座變電站互聯(lián)的供電模型Fig.5 Power supply model of four interlinked substations

2 主變供電能力指標(biāo)分析

下面基于前面所構(gòu)建的中壓配電系統(tǒng)供電模型，對(duì)各種供電模型的主變供電能力指標(biāo)進(jìn)行分析。選取主變理論最大負(fù)載率作為主變供電能力指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中：A表示主變理論最大負(fù)載率；S1表示模型供電能力；S2表示模型中所有變電站的容量之和。

由文獻(xiàn)[7～8]可知，供電能力的大小取決于變電站站內(nèi)供電能力和電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)移能力，其中變電站站內(nèi)供電能力由變電站的主變臺(tái)數(shù)與容量決定，電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)移能力由變電站的站間互聯(lián)關(guān)系決定。模型供電能力計(jì)算采用文獻(xiàn)[6～8]給出的計(jì)算方法，當(dāng)變電站容量配置為3×63MVA時(shí)，模型供電能力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各類供電模型供電能力（變電站容量配置為3×63MVA）Tab.1 Power supply capability of each power supply model（3×63MVA）

由文獻(xiàn)[6]的分析可知，主變理論最大負(fù)載率與主變臺(tái)數(shù)有關(guān)。變電站含三臺(tái)主變時(shí)，在未考慮變電站互聯(lián)的情況下，主變理論最大負(fù)載率為66.67%，而各類供電模型的主變理論最大負(fù)載率可依據(jù)式（1）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各類供電模型主變理論最大負(fù)載率（變電站含3臺(tái)主變）Tab.2 Maximum load rate of transformer of each power supply model

3 網(wǎng)絡(luò)供電能力指標(biāo)分析

基于供電模型構(gòu)建和主變供電能力指標(biāo)分析結(jié)果，將深入分析各種供電模型的網(wǎng)絡(luò)供電能力指標(biāo)，以得到各種供電模型的主變實(shí)際出線條數(shù)、主變實(shí)際負(fù)載率和線路實(shí)際負(fù)載率等關(guān)鍵指標(biāo)。

3.1 邊界條件

每座變電站含3臺(tái)主變，主變?nèi)萘繛?3MVA，主變?cè)试S短時(shí)過(guò)載系數(shù)為1.3，中壓線路載流量為400 A，即線路容量為7.27MVA；三主變變電站單價(jià)為7 800萬(wàn)元/座，電纜線路單價(jià)為95萬(wàn)元/km，電纜線路平均長(zhǎng)度為2.84 km。

3.2 網(wǎng)絡(luò)供電能力指標(biāo)分析

3.2.1 兩座變電站互聯(lián)

1）所需最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)分析

通過(guò)主變所帶最大負(fù)荷與最小聯(lián)絡(luò)單元所帶負(fù)荷的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及主變站間理論聯(lián)絡(luò)容量與最小聯(lián)絡(luò)單元提供聯(lián)絡(luò)容量協(xié)調(diào)關(guān)系，分析所需最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)，分析結(jié)果如表3所示。

2）關(guān)鍵指標(biāo)分析

由表3可知，所需最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)的計(jì)算結(jié)果為2.4，依據(jù)供電模型基本概念可知最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)必須為整數(shù)，相應(yīng)的主變實(shí)際出線條數(shù)必須為4的倍數(shù)，因此主變實(shí)際出線條數(shù)有兩種確定方式，分別是：①最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)取3，即主變實(shí)際出線條數(shù)為12條/臺(tái)，此時(shí)主變可以達(dá)到理論最大負(fù)載率，但線路由于實(shí)際出線條數(shù)多于理論所需出線條數(shù)，因而無(wú)法達(dá)到理論最大負(fù)載率；②最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)取2，即主變實(shí)際出線條數(shù)為8條/臺(tái)，此時(shí)線路可以達(dá)到其理論最大負(fù)載率，但主變由于實(shí)際所帶負(fù)荷少于理論所能提供最大負(fù)荷，因而無(wú)法達(dá)到理論最大負(fù)載率。這兩種不同確定方式下的關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 所需最小聯(lián)絡(luò)單元個(gè)數(shù)分析Tab.3 Needed number of minimum link unit

表4 關(guān)鍵指標(biāo)分析Tab.4 Analysis of key factors

3）經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)表4給出的兩種主變實(shí)際出線條數(shù)確定方式，本文通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析方法來(lái)比較兩種方案優(yōu)劣，并依據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果確定最優(yōu)方案。

經(jīng)濟(jì)性分析指標(biāo)選取單位負(fù)荷費(fèi)用指標(biāo)，單位負(fù)荷費(fèi)用小的方案為最優(yōu)方案。單位負(fù)荷費(fèi)用指標(biāo)的計(jì)算式為

式中：F為單位負(fù)荷費(fèi)用，萬(wàn)元/MVA；Fz為變電站投資，萬(wàn)元；N為站內(nèi)主變臺(tái)數(shù)；n為每臺(tái)主變出線數(shù)；l為平均線路長(zhǎng)度，km；Fl為線路單價(jià)，萬(wàn)元/km；S為主變?nèi)萘浚琈VA；A為主變實(shí)際負(fù)載率，%；cosφ為功率因數(shù)，取0.95。

利用式（2）計(jì)算兩種方案的單位負(fù)荷費(fèi)用指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果為：方式1（主變實(shí)際出線條數(shù)為12條/臺(tái)）的單位負(fù)荷費(fèi)用為123.06萬(wàn)元/MVA；方式2（主變實(shí)際出線條數(shù)為8條/臺(tái)）的單位負(fù)荷費(fèi)用為122.07萬(wàn)元/MVA。由此可見(jiàn)，方式2的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，因此主變實(shí)際出線條數(shù)確定為8條/臺(tái)。

4）最優(yōu)模型組合方案

依據(jù)主變實(shí)際出線條數(shù)的結(jié)果，得到最優(yōu)模型組合方案，即分別采用兩組模型a1、a2、a3，也可采用模型a1與a2、a2與a3、a1與a3的組合形式。

3.2.2 三座變電站互聯(lián)、四座變電站互聯(lián)

利用3.2.1的分析思路和分析方法，同理得出三座變電站互聯(lián)和四座變電站互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)供電能力指標(biāo)分析結(jié)果，見(jiàn)表5所示。

表5 關(guān)鍵指標(biāo)分析（三座變電站互聯(lián)、四座變電站互聯(lián)）Tab.5 Analysis of key factors

由表5可知，三座變電站互聯(lián)時(shí)的主變實(shí)際出線條數(shù)為12條，依據(jù)主變實(shí)際出線條數(shù)，可確定模型組合方式，即可采用模型b1、b2、b3中的一組和b4進(jìn)行組合，或三組模型b4組合。四座變電站互聯(lián)時(shí)的主變實(shí)際出線條數(shù)確定為12條，依據(jù)主變實(shí)際出線條數(shù)，可確定模型組合方式，即可采用模型c1、c2、c3中的一組，或三組模型c4組合。

4 結(jié)論

（1）構(gòu)建了基于三供一備接線模式的中壓配電系統(tǒng)供電模型，該模型將變電站互聯(lián)模式與線路接線模式綜合考慮，充分發(fā)揮了上下級(jí)電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系；

（2）分析了所構(gòu)建供電模型的主變供電能力指標(biāo)，得到主變理論最大負(fù)載率；

（3）分析了所構(gòu)建供電模型的網(wǎng)絡(luò)供電能力指標(biāo)，得到主變實(shí)際負(fù)載率、主變實(shí)際出線條數(shù)和線路實(shí)際負(fù)載率等關(guān)鍵指標(biāo)。

綜上所述，本文從系統(tǒng)層面提出了能夠充分提升供電能力并將變電站與線路進(jìn)行協(xié)調(diào)布局的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)建思路，對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)理論分析和實(shí)際構(gòu)建均有重要的指導(dǎo)意義。

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