分布式電源及微網對中壓配電網接線模式影響

王麗彬，李春暉，王佳偉，趙海波，李偉，宋曉俊

（國網山西省電力公司經濟技術研究院，山西太原　030002）

分布式電源及微網對中壓配電網接線模式影響

王麗彬，李春暉，王佳偉，趙海波，李偉，宋曉俊

（國網山西省電力公司經濟技術研究院，山西太原030002）

對分布式電源及微網接入中壓配電網的影響進行研究，從可靠性、經濟性2方面定量評估分布式電源及微網對中壓配電網典型接線模式的影響，協調分布式電源及微網接入與中壓網架建設之間的關系，確定最優(yōu)的接入位置，探索適用于分布式電源及微網接入的中壓配電網的網架建設模式和發(fā)展思路。研究結果表明：微網接入架空輻射狀電網時對供電可靠性的提升作用較為明顯，且遠端接入的可靠性提升作用最優(yōu)；同時，需提高分布式電源及微網接入的經濟性。

分布式電源；微網；中壓配電網；接線模式

隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，對能源的需求也在不斷增加，能源的多樣化和可循環(huán)利用，是滿足能源需求的根本途徑。分布式電源及微網的應用是20世紀末最受重視的高科技領域之一，隨著對環(huán)境及能源使用效率的進一步重視，分布式電源在我國的廣泛應用是可以預見的［1］。分布式能源是能源的清潔化利用較為現實和經濟的一種選擇，成為緩解各國能源問題的有效途徑［2］。分布式發(fā)電作為集中式發(fā)電不可缺少的必要補充［3］。

城市中壓配電網是電力系統(tǒng)的組成部分，也是城市現代化建設的重要基礎設施之一［4］。其網絡結構相對密集，是連接高壓配電網和低壓配電網的橋梁和紐帶，直接面對用戶，地位十分重要。我國傳統(tǒng)的中壓配電網架結構采用開環(huán)設計，其潮流是從系統(tǒng)側流向負荷側。分布式電源和微網的接入，使得大電網在應對自然災害時顯現的不足得到解決，既能提高能源利用率，又對大電網是一種補充。然而，在分布式電源及微網接入后，中壓配電系統(tǒng)從放射狀結構變?yōu)槎嚯娫唇Y構，潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變，這就對中壓配電網的規(guī)劃設計、運行管理提出了新的要求［5］。

本文對分布式電源及微網［6］接入中壓配電網的影響進行研究，建立可靠性、經濟性定量評估模型，定量評估分布式電源及微網對中壓配電網典型接線模式的影響，協調分布式電源及微網接入與中壓網架建設之間的關系，確定最優(yōu)的接入位置，探索適用于分布式電源及微網接入的中壓配電網的網架建設模式和發(fā)展思路。

1　分布式電源和微網

1.1分布式電源

分布式電源（DG）是指某些靠近用戶側安裝的中小型發(fā)電裝置，容量一般在50 MW以下。它既可獨立于公用電網直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網絡，與公用電網一起為用戶提供電能。分布式電源是以資源和環(huán)境效益最大化、能源利用效率最優(yōu)化確定方式和容量的新型能源系統(tǒng)。

根據技術類型，分布式電源可以分為以下幾類：微型燃氣輪機發(fā)電、風能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、燃料電池、生物質能發(fā)電、小水電等。

與傳統(tǒng)的電源相比，分布式電源由于其容量相對較小、位置靈活、能源清潔等一些特性，具有一些傳統(tǒng)電源不具備的特點和優(yōu)勢，包括節(jié)能環(huán)保效果好、經濟性好、供電可靠性高等。

然而，分布式電源并網后，改變了配電網傳統(tǒng)的輻射狀供電模式，對系統(tǒng)潮流［7］、繼電保護［8］、供電可靠性等都帶來深刻影響。因此，也給配電網的規(guī)劃設計和運行維護提出了新的挑戰(zhàn)。

1.2微網

微網（MG）是由各種分布式電源、儲能裝置、負荷、配電系統(tǒng)以及監(jiān)控和保護裝置等組成的小型可控發(fā)配電系統(tǒng)，它通過相關控制裝置間的協調配合，能在并網模式和孤網模式下運行，具有靈活的運行方式和可調度性能［9-10］。

微網具有可控、可靠、開放、靈活、獨立等特點，最為重要的是，微網可以解決分布式電源與配電系統(tǒng)之間的矛盾，促進分布式電源的并網。微網可以充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢，消除分布式電源對系統(tǒng)的沖擊和負面影響，減弱電壓波動和閃變。微網可以根據終端用戶的需求提供差異化的電能，根據微網用戶對電力供給的不同需求將負荷分類，形成對不同負荷的控制策略，有利于電網企業(yè)提升供電可靠性和電能質量，提高電網企業(yè)服務水平。

隨著微網技術日趨成熟，更多的電力用戶將微網供電作為一種可供選擇的供電方案。因此，有必要對于微網接入對中壓配電網的影響和典型的中壓配電網接線模式是否適合微網接入進行研究。

2　配電網典型接線模式及接入形式

2.1配電網典型接線模式

根據文獻［11］，中壓配電網典型接線模式包括架空網輻射狀接線、多分段適度聯絡接線，以及電纜網單環(huán)式接線、雙環(huán)式接線［12］。各種接線模式的基本情況如下。

2.1.1架空網輻射狀接線

架空網輻射狀接線適用于城郊和農村地區(qū)，其優(yōu)點是比較經濟，配電線路和開關數量少、投資小，新增負荷也比較方便。但其缺點也很明顯，主要是故障影響范圍較大，供電可靠性較差。正常運行時，線路的最大負載率可達到100%。架空網輻射狀接線如圖1所示。

圖1　架空網輻射狀接線Fig.1　Radial connection mode of overhead lines

2.1.2架空網多分段適度聯絡接線

架空網多分段適度聯絡接線適用于城市和農村地區(qū)，通過在干線上加裝分段開關把每條線路進行合理分段，并且每一分段都有聯絡線與其他線路相連接，當任何一段出現故障時，均不影響其他分段正常供電，這樣使線路的故障范圍縮小，提高了供電可靠性。架空網多分段適度聯絡接線如圖2所示。

圖2　架空網多分段適度聯絡接線Fig.2　Multi-segment and moderate connection mode of overhead lines

2.1.3電纜網單環(huán)式接線

電纜網單環(huán)式接線由不同母線的電纜出線形成環(huán)網，適用于負荷密度較大且供電可靠率要求較高的城區(qū)，這種接線的最大優(yōu)點是可靠性比輻射狀接線模式大大提高，接線清晰、運行比較靈活。線路故障或電源故障時，在線路負荷允許的條件下，通過切換操作可以使非故障段恢復供電。正常運行時，每條線路的最大負載率50%。電纜網單環(huán)式接線如圖3所示。

圖3　電纜網單環(huán)式接線Fig.3　Single connection mode of underground cables

2.1.4電纜網雙環(huán)式接線

電纜網雙環(huán)式接線可以視為2個單環(huán)式接線的疊加，4條線路的電源點來自同一變電站的2段母線或不同變電站。適用于負荷密度高、供電可靠性要求高的城市核心區(qū)。由于每個環(huán)網點都有2個負荷開關，可以隔離任意一段線路的故障，客戶的停電時間大為縮短。只有在單臺配置的終端配變故障時，客戶停電時間是故障處理時間。正常運行時，每條線路的最大負載率50%。電纜網雙環(huán)式接線如圖4所示。

圖4　電纜網雙環(huán)式接線Fig.4　Double connections mode of underground cables

2.2微網的接入形式

當微網接入中壓配電網各種接線模式，其接入點可以是中壓線路的任意1個或多個負荷點。以架空網輻射狀接線和電纜網單環(huán)式接線為例，2種接線模式的微網接入形式分別如圖5、圖6所示。

圖5　架空網輻射狀接線的微網接入形式Fig.5　Access of microgrid to radial connection mode of overhead lines

3　可靠性經濟性評估方法

3.1可靠性評估方法

微網接入不同接線模式的可靠性評估采用故障遍歷法，即逐個假設電網中的元件故障，包括線路、柱上開關、環(huán)網柜/開關柜、配變、以及微網自身故障，求出每個元件故障時用戶停電時戶數，最終求出供電可靠性水平［13-15］。

圖6　電纜網單環(huán)式接線的微網接入形式Fig.6　Access of microgrid to single connection mode of underground cables

衡量可靠性的指標主要包括供電可靠率（RS）和用戶平均停電時間（AIHC），2個指標的計算公式分別為：

式中：N總為系統(tǒng)中總用戶數；Ni為故障時受影響的用戶數，與平均年停運時間Ui相對應；ni為故障時利用微網維持供電的用戶數；8 760為1 a的小時數。

3.2經濟性評估方法

微網接入不同接線模式的經濟性評估，對每一種方案計算其年總費用，包括配電網和微網的綜合投資費用年值、年運行費用，以及停電損失。最后將年總費用轉化為單位負荷年費用值（CT），作為衡量經濟性的主要指標，指標計算公式如下：

式中：CT為單位負荷年費用值；CI為綜合投資費用年值；CL為年運行費用；CR為停電損失；P為供電范圍的負荷值。

3.2.1綜合投資費用年值

綜合投資費用年值CI的計算公式為：

式中：C1為線路投資總費用；Ck為開關設備投資總費用；Cj為配變前端線路投資總費用；Cm為微網投資總費用。

3.2.2年運行費用

年運行費用CL包括2方面內容，一是線路的損耗費用；二是線路和微網的檢修維護費用。指標計算公式為：

式中：U為線路和微網的運行維護費；P1為不帶負荷段線路總損耗；P2為帶負荷段線路總損耗；τmax為年損耗利用小時數；p為平均電價。

3.2.3停電損失費用

考慮負荷密度均勻，每個用戶所帶負荷相等的情況下，停電損失費用計算公式為：

式中：Pi為負荷點i的有功；N為用戶總數；AIHC為用戶平均停電時間；R為故障停電損失率。

3.3評估模型

由于配電網是直接面向用戶的，所以在實際分析時，認為配電網由若干小區(qū)組成，且每個小區(qū)都由110 kV變電站、10 kV線路和開關設備等構成。為了研究方便，認為每個小區(qū)都是以110 kV變電站為中心、以變電站的供電半徑為半徑的圓形供電區(qū)域。將負荷點均勻分布在給定的區(qū)域內，并適當加入人工干預。

可靠性經濟性評估的邊界條件包括：

1）選取架空網輻射狀接線、架空網多分段兩聯絡接線、電纜網單環(huán)式接線、電纜網雙環(huán)式接線作為分析對象。

2）110/10 kV變電站主變容量為2×50 MV·A，變電站負載率取為50%。

表1　微網接入各種接線模式的可靠性評估結果（負荷密度為10 MW/km2）Tab.1　Reliability evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 10 MW/km2）

3）功率因數統(tǒng)一取為0.95。

4）各種接線模式均取其最高負載率，如架空網輻射狀接線負載率取100%，架空網多分段兩聯絡接線模式取67%，電纜網單環(huán)式接線、雙環(huán)式接線負載率取50%。

5）架空線路導線截面JKLYJ—240，電纜線路導線截面YJV22-3×300。

6）分別考慮負荷密度為10 MW/km2、30 MW/km2的情況。

7）分別考慮不含微網、微網接入出線近端（含MG1）、微網接入出線較遠端（含MG2）、微網接入出線遠端（含MG3）、微網多處接入（含MG1、MG2、MG3）的情況。

8）各種情況下，微網在負荷中所占比重、類型及運行控制方式均統(tǒng)一。

4　可靠性經濟性評估結果

4.1可靠性評估結果

微網接入各種接線模式，在負荷密度為10 MW/km2、30 MW/km2情況下的可靠性評估指標如表1、表2所示。

4.2經濟性評估結果

微網接入各種接線模式，在負荷密度為10 MW/km2、30 MW/km2情況下的經濟性評估指標如表3、表4所示。

4.3可靠性經濟性綜合評估

在負荷密度為30 MW/km2情況下，微網接入各種接線模式的可靠性經濟性綜合評估情況，分別如圖7—圖10所示。

由圖7—圖10，得到以下結論：

1）當微網接入架空輻射狀電網時，在線路故障情況下，微網可以為部分接入負荷提供電源，對供電可靠性的提升作用較為顯著。當微網接入各種環(huán)網結構時，由于電網聯絡線路本身具備轉供電能力，而微網本身又存在故障的可能性，造成微網對電網可靠性的提升作用不明顯。

表2　微網接入各種接線模式的可靠性評估結果（負荷密度為30 MW/km2）Tab.2　Reliability evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 30 MW/km2）

表3　微網接入各種接線模式的經濟性評估結果（負荷密度為10 MW/km2）Tab.3　Economy evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 10 MW/km2）萬元·MW-1

表4　微網接入各種接線模式的經濟性評估結果（負荷密度為30 MW/km2）Tab.4　Economy evaluation of microgrid access to various connection modes（load density is 30 MW/km2）萬元·MW-1

圖7　微網接入架空輻射狀電網的可靠性經濟性綜合評估Fig.7　Reliability and economy evaluation of microgrid access to radial connection mode of overhead lines

圖8　微網接入架空多分段兩聯絡電網的可靠性經濟性綜合評估Fig.8　Reliability and economy evaluation of microgrid access to multi-segment and double connections mode of overhead lines

圖9　微網接入電纜單環(huán)式電網的可靠性經濟性綜合評估Fig.9　Reliability and economy evaluation of microgrid access to single connection mode of underground cables

圖10　微網接入電纜雙環(huán)式電網的可靠性經濟性綜合評估Fig.10　Reliability and economy evaluation of microgrid access to double connections mode of underground cables

2）對于微網的接入位置，當微網接入輻射狀線路最遠端時，其可靠性提升效果最明顯，而且可靠性經濟性綜合評估結果最優(yōu)。微網接入各種環(huán)網線路的不同位置時，對線路可靠性、經濟性的影響均不明顯。

3）對于同一回線路，多處接入微網與單處接入微網相比，可靠性略有提升，但付出的經濟成本巨大。本文將微網投資納入了經濟性評估，實際中如果微網建設費用由用戶承擔，那么供電企業(yè)可以取得較好的可靠性經濟性效果。

5　結語

分布式電源及微網接入配電網，是未來電網的發(fā)展趨勢，同時也給配電網、尤其是中壓電網帶來了新的沖擊和挑戰(zhàn)。現有的各種典型接線模式能否適應分布式電源及微網的接入，其接入后對配電網的可靠性、經濟性有何影響，成為備受關注的問題。

本文以4種中壓配電網典型接線模式為研究對象，探討分布式電源及微網對各種接線模式產生的影響。以用戶平均停電時間，單位負荷年費用為關鍵指標，建立可靠性、經濟性定量評估模型，定量評估分布式電源及微網對中壓配電網典型接線模式的影響，確定最優(yōu)的接入位置。根據建模計算和分析可以得出，微網接入架空輻射狀電網時對供電可靠性的提升作用較為明顯，且遠端接入的可靠性提升作用最優(yōu)。在經濟性評估層面，分布式電源及微網接入會增加配電網的建設和維護投資，這就需要供電企業(yè)明確分布式電源及微網的投資界面，鼓勵用戶承擔建設費用，減少供電企業(yè)的投資壓力，提高分布式電源及微網接入的經濟性。

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（編輯董小兵）

Influence of Distributed Generation and Microgrid on Medium Voltage Distribution Network Connection Modes

WANG Libin，LI Chunhui，WANG Jiawei，ZHAO Haibo，LI Wei，SONG Xiaojun
（Economic and Technology Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030002，Shanxi，China）

This paper studies the influence of medium voltage distribution network based on distributed generation and microgrid，and quantitatively evaluates the influence in terms of reliability and economy，coordinates the relationship between the access of distributed generation and microgrid and the construction of medium voltage grid，and discusses the optimal access location，and explores the construction model of medium voltage distribution network suitable for the access of distributed generation and microgrid.The result shows that the access of microgrid to the radial connection mode of overhead lines obviously improves the power supply reliability with the best improvement in the reliability of the remote access and at the same time，the economy of distributed generation and microgrid needs to be improved.

distributed generation；microgrid；medium voltage distribution network；connection modes

1674-3814（2015）12-0106-07

TM61；TM744

A

2015-03-27。

王麗彬（1964—），女，碩士，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃、設計等領域的研究工作；

李春暉（1974—），男，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃、設計等領域的研究工作；

王佳偉（1980—），男，高級工程師，主要從事配電網規(guī)劃、智能配電網等領域的研究工作；

趙海波（1981—），男，高級工程師，主要從事配電網規(guī)劃、智能配電網等領域的研究工作；

李偉（1976—），男，高級工程師，主要從事配電網規(guī)劃、智能配電網等領域的研究工作。