基于DIGSILENT建模的10 kV中壓線路供電半徑優(yōu)化研究

，，

(1.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008)

0 引 言

10 kV中壓線路承擔(dān)著配送電能的作用，是連接35 kV變電站和居民用戶的紐帶。進行10 kV線路規(guī)劃并計算其在不同狀況時的供電半徑，可提高配電網(wǎng)工程建設(shè)項目的投資效益，有效解決由于線路選型和供電距離過長等因素導(dǎo)致的居民電能質(zhì)量問題，從根本上改善中國配電網(wǎng)使用壽命短、供電不可靠的現(xiàn)狀。

10 kV架空線路供電半徑的適宜取值規(guī)范尚未統(tǒng)一。文獻[1]歸納了按經(jīng)濟電流密度、按年最低運行費用等確定供電半徑的方法，但這些方法需要考慮的因素過于復(fù)雜，且沒有考慮區(qū)域負荷的實際分布狀況。文獻[2]建立了供電半徑未知情況下的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃模型和單位面積供電區(qū)域年費用目標(biāo)函數(shù)，并以電壓允許偏差為約束條件求解最優(yōu)供電半徑，但由于對模型進行了很大程度的簡化導(dǎo)致計算的最終結(jié)果存在很大誤差?，F(xiàn)有國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)[3]從供電區(qū)域分類的角度對供電半徑進行區(qū)分，針對低密度負荷區(qū)——D、E類供電區(qū)域指出：“10 kV線路供電半徑應(yīng)滿足電壓質(zhì)量的要求，D類不宜超過15 km，E類供電區(qū)域供電半徑應(yīng)根據(jù)需要經(jīng)計算確定”，其所確定的低密度負荷區(qū)供電半徑及導(dǎo)線截面積標(biāo)準(zhǔn)比較籠統(tǒng)。

下面以D、E兩個區(qū)域作為重點研究對象，在四川省中江、松潘等地區(qū)進行了實地調(diào)研，從負荷分布情況出發(fā)，以電壓質(zhì)量作為評估依據(jù)，采用DIGSILENT搭建了低密度負荷區(qū)的單電源輻射狀[4]配電網(wǎng)拓撲模型，并以此為基礎(chǔ)進行配電網(wǎng)不同線徑型號、不同負荷量的潮流仿真計算，在文獻[3]框架內(nèi)進一步得出低密度負荷區(qū)10 kV中壓線路的細化標(biāo)準(zhǔn)。

1 四川省低密度負荷區(qū)10 kV線路負荷分布狀況調(diào)研

按照國家電網(wǎng)公司供電區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)[3]及要求：四川省內(nèi)D類供電區(qū)主要指以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的農(nóng)村地區(qū)；E類供電區(qū)主要指四川省內(nèi)藏區(qū)的高原農(nóng)牧區(qū)；同時定義平均負荷密度<1 MW/ km2的地區(qū)為低密度負荷區(qū)。因此，四川省低密度負荷區(qū)應(yīng)包括D類供電區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和全部E類供電區(qū)。

基于對全川經(jīng)濟、文化、政治等各項指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析，考慮地區(qū)代表性和客戶配合程度等客觀因素，選定四川省阿壩州某牧區(qū)縣和德陽某農(nóng)業(yè)縣作為四川低密度負荷試點地區(qū)，并在上述試點區(qū)域進行10 kV線路負荷分布狀況調(diào)研。

調(diào)研過程通過咨詢相關(guān)運維人員并結(jié)合實地勘察，明確試點區(qū)域供電公司所轄各條10 kV出線的負荷分布狀況。試點地區(qū)牧區(qū)縣所屬供電公司下轄13個35 kV/ 10 kV變電站，共38回10 kV出線；農(nóng)業(yè)縣所屬供電公司下轄16個35 kV/10 kV變電站，共62回10 kV出線。調(diào)研結(jié)果顯示中壓線路按3段(3支線)考慮時，試點地區(qū)主要存在4種典型的負荷分布狀況，分別為：①中壓負荷均勻分布在10 kV主干線的3個分段上，每一分段所帶負荷占負荷總量的33.3%；②10 kV主干線上掛接兩條支線，支線所帶負荷依次(從靠近變電站一側(cè)開始)占負荷總量的33.3%、66.6%；③10 kV主干線上掛接3條支線，支線所帶負荷依次(從靠近變電站一側(cè)開始)占負荷總量的10%、20%、70%；④10 kV主干線上掛接一條支線，負荷全部集中于線路的末端。

試點地區(qū)10 kV中壓線路不同負荷分布方式所占比例情況如表1所示。

表1 試點地區(qū)10 kV中壓線路負荷分布狀況調(diào)研結(jié)果

2 四川省低密度負荷區(qū)配電網(wǎng)建模及仿真

2.1 基于DIGSILENT的四川省低密度負荷區(qū)配電網(wǎng)拓撲模型的搭建

利用DIGSILENT依次搭建了代表①、②、③、④四類負荷分布狀況的典型單電源輻射狀配網(wǎng)拓撲模型如圖1至圖4所示。

圖1 第①種負荷分布方式

圖2 第②種負荷分布方式

圖3 第③種負荷分布方式

第①種供電半徑/km末端電壓/kV第②種供電半徑/km末端電壓/kV第③種供電半徑/km末端電壓/kV第④種供電半徑/km末端電壓/kV13.59.7013.79.7214.69.729.89.7214.59.6214.89.6615.69.6610.49.6615.59.5815.49.616.69.6011.59.6016.59.5416.79.5417.69.5412.69.5417.59.4517.89.4818.69.4813.49.4818.59.4018.99.4419.69.4414.59.4419.59.3519.59.3520.69.3515.69.3520.59.3320.79.3321.69.3316.79.3321.59.3321.99.3222.69.3217.49.3222.59.3223.99.3023.69.3018.59.3023.59.3124.29.30

2.2 4種拓撲模型下仿真調(diào)整方式的確定

在單電源輻射狀典型配電網(wǎng)拓撲模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整中壓負荷相關(guān)參數(shù)使其按照4種典型負荷分布狀況分布在拓撲結(jié)構(gòu)的各支路和節(jié)點處，然后根據(jù)架空裸導(dǎo)線的額定載容量和中壓線路的實際負荷量設(shè)定范圍，將中壓負荷量分為0.5 MW、1 MW、1.5 MW、2 MW……6 MW等12個比較典型的負荷擋位[5]并進行仿真。在不同的線徑型號下，連續(xù)調(diào)節(jié)拓撲模型中的中壓主干線路長度，觀察線路末端節(jié)點電壓幅值，當(dāng)電壓幅值下降至9.3 kV[6]時，其對應(yīng)的供電半徑即為不同型號線徑中壓線路相應(yīng)的最大允許供電半徑。

以LGJ-240為例，在4種典型負荷分布狀況下，中壓線路總負荷1 MW情形下的典型單電源輻射狀配電網(wǎng)拓撲模型供電半徑與線路末端節(jié)點電壓的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

由表2可知，在第①種典型負荷分布下，當(dāng)供電半徑增至24.2 km，線路末端電壓為規(guī)定臨界電壓9.30 kV，由此確定LGJ-240架空線在總負荷為1 MW情況下的中壓線路最大允許供電半徑為24.2 km。同理可得，在第②種、第③種、第④種典型負荷分布下的中壓線路最大允許供電半徑分別為23.9 km、23.6 km、18.5 km。

2.3 LGJ-240線型在4種典型配網(wǎng)拓撲模型下的仿真結(jié)果

基于以上4種典型DIGSILENT的單電源輻射狀配網(wǎng)拓撲模型，以類似的方法依次研究了0.5 MW至6 MW負載水平下，中壓線路末端電壓幅值隨供電半徑的變化趨勢，得出LGJ-240線型在上述各個典型負荷分布狀況下，線路首端電壓為10.2 kV，末端電壓為9.3 kV時線路最大允許供電半徑，具體情況如表3所示。

表3 LGJ-240架空線在4種典型負荷分布及不同負載率下的最大允許供電半徑

可得出4種典型負荷分布狀況時，LGJ-240架空裸導(dǎo)線的最大允許供電半徑隨中壓線路負荷的變化趨勢，具體情況如圖5所示。

由圖5可知：在不同典型負荷分布狀況中，隨著中壓線路上掛接負荷量的增加，LGJ-240線型中壓線路的最大供電半徑迅速降低。同時，在相同負荷量下，4種典型負荷分布情況下的最大允許供電半徑由小到大依次為第④種、第③種、第②種、第①種；相同的負荷量下，負荷分布狀況為“負荷集中于線路末端”情況時，最大允許供電半徑將最小。

圖5 最大允許供電半徑-負荷曲線

表4 不同線徑及負荷下的最大允許供電半徑 單位：km

3 典型中壓線徑型號在4種典型負荷分布狀況下的仿真結(jié)果

以上述相同的方法可以依次研究得出LGJ-70、LGJ-95、LGJ-120、LGJ-150、LGJ-185、LGJ-240等典型農(nóng)網(wǎng)中壓線徑型號在4種典型負荷分布狀況下，其最大允許供電半徑隨不同中壓線路負荷的變化趨勢，具體情況如表4所示。

在低密度負荷區(qū)配電網(wǎng)工程中，涉及到中壓線路的選型應(yīng)明確低密度負荷區(qū)中壓線路總負荷水平及負荷的整體分布狀況，綜合考慮區(qū)域發(fā)展階段及項目經(jīng)濟效益和安全性，根據(jù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定低密度負荷區(qū)的中壓架空線路的選型與供電半徑。

由表4可知，在相同負荷量和架空線型號的情況下，第④種配網(wǎng)拓撲模型即“負荷全部集中于10 kV中壓線路的末端”時最大允許供電半徑最小，即在該種情形下線路輸送電能的能力最弱，認為是“木桶效應(yīng)”中的“短板”，該短板將直接決定線路末端電壓質(zhì)量是否合格。因此，參考第④種配網(wǎng)拓撲模型下的最大允許供電半徑進行中壓架空線路的選型將不會出現(xiàn)中壓線路末端低電壓問題，這里將該供電半徑定義為“合理供電半徑”，不同線徑及負荷下的合理供電半徑具體情況如表5所示。

表5 不同線徑及負荷下的合理供電半徑 單位：km

4 結(jié) 語

國家電網(wǎng)公司《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》[3]指出：D類供電地區(qū)10 kV線路供電半徑不宜超過15 km；E類供電地區(qū)10 kV線路供電半徑應(yīng)根據(jù)需要經(jīng)計算確定。前面從四川省低密度負荷區(qū)低電壓問題治理現(xiàn)狀出發(fā)，通過基于DIGSILENT軟件的建模與仿真，對該導(dǎo)則D、E兩類低密度負荷區(qū)10 kV中壓線路的相關(guān)規(guī)范進行了更為細化的研究，得出如下結(jié)論：

1)低密度負荷區(qū)10 kV線路的最大供電半徑受到負荷分布狀況的顯著影響，居民負荷越集中于線路的末端，最大供電半徑越小。

2)在絕對負荷量相同的情況下，導(dǎo)線截面越大，最大供電半徑越長；當(dāng)負荷總量趨于各型號導(dǎo)線的額定載容量時，不同型號導(dǎo)線的最大供電半經(jīng)變化不明顯。

3)低密度負荷區(qū)10 kV中壓線路鋼芯鋁絞線LGJ-70的合理供電半徑最小，其不宜超過8.7 km；LGJ-240的合理供電半徑最大，其不宜超過20 km。