許 可，鮮 杏，程 杰，陶 芬

(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢430040)

城市高壓配電網(wǎng)典型接線的可靠性經(jīng)濟分析

許 可，鮮 杏，程 杰，陶 芬

(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢430040)

主要對城市高壓配電網(wǎng)的典型接線方式進行了可靠性經(jīng)濟分析。針對國內(nèi)外城市高壓配電網(wǎng)典型接線，在滿足供電安全性和接線方式適應性的條件下，將可靠性指標折算為經(jīng)濟性指標加入到經(jīng)濟性規(guī)劃問題中，以各接線方案的可靠性經(jīng)濟最優(yōu)為規(guī)劃目標，首先給出了配電網(wǎng)的綜合評估體系；然后重點闡述了配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟成本，給出了各接線方式可靠性、經(jīng)濟性、安全性和適應性的評價方法，以接線方式的單位負荷可靠性經(jīng)濟成本最低為規(guī)劃目標，得出了推薦的城市高壓配電網(wǎng)接線方式。該研究對于城市高壓配電網(wǎng)規(guī)劃有一定的指導意義。

高壓配電網(wǎng)；接線方式；可靠性經(jīng)濟成本；故障樹

0 引言

配電網(wǎng)接線的選擇是城市配電網(wǎng)規(guī)劃的重要內(nèi)容，接線選擇不僅關系到電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性、可靠性、安全性和適應性，也直接影響城市美觀和城市經(jīng)濟發(fā)展。我國配電網(wǎng)規(guī)模龐大，接線方式多樣，且配電網(wǎng)目標接線方式不明確，弊端日益突出。因此，需要對現(xiàn)有配網(wǎng)典型接線方式進行科學評價，指導電力規(guī)劃。

配電網(wǎng)接線方式規(guī)劃的評價指標主要有可靠性、經(jīng)濟性、安全性和適應性等。文獻[1～5] 的評價方法是將各評價指標通過層次分析法進行綜合評估，但由于多個規(guī)劃目標權(quán)重的選取具有主觀性，因此方法存在一定的局限性[6]。文獻[7]提出采用兩層規(guī)劃模型解決電網(wǎng)規(guī)劃中經(jīng)濟性與可靠性相協(xié)調(diào)的問題，但該優(yōu)化規(guī)劃方法較為復雜，難以應用于城市高壓配電網(wǎng)典型接線規(guī)劃方案評價中。

本文考慮國內(nèi)外城市高壓配電網(wǎng)各典型接線方式在滿足安全性和適應性的條件下，將可靠性指標折算為經(jīng)濟性指標加入到配電網(wǎng)經(jīng)濟性規(guī)劃問題中，計算各接線方式的單位負荷可靠性經(jīng)濟成本，以可靠性經(jīng)濟最優(yōu)為規(guī)劃目標來確定城市高壓配電網(wǎng)的推薦接線方式。

1 可靠性經(jīng)濟分析

配電網(wǎng)接線方式規(guī)劃的評價指標主要有可靠性、經(jīng)濟性、安全性和適應性等。其中，可靠性指標主要反映供電系統(tǒng)的持續(xù)供電能力；經(jīng)濟性指標主要反映配電網(wǎng)的建設成本和運行維護成本；安全性指標主要反映配網(wǎng)系統(tǒng)在正常和故障情況下能夠保證正常穩(wěn)定供電的能力；適應性指標主要反映配電網(wǎng)與電網(wǎng)環(huán)境的配合能力，主要包括新能源接入的適應性、未來負荷發(fā)展的適應性等。本文將安全性和適應性作為接線方式規(guī)劃的約束條件，重點進行配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟分析。

配電網(wǎng)接線方式的可靠性經(jīng)濟分析[8]是在滿足配網(wǎng)供電可靠性要求的前提條件下，將可靠性指標折算為配電網(wǎng)的經(jīng)濟成本，其核心在于配電網(wǎng)可靠性經(jīng)濟成本的計算。配電網(wǎng)的可靠性經(jīng)濟成本是指在同時滿足配電網(wǎng)的安全性、適應性的條件下的配網(wǎng)經(jīng)濟成本，主要包括配電網(wǎng)的建設成本、運行成本以及配電網(wǎng)中斷供電或切負荷帶來的停電損失。因此，得到配電網(wǎng)的規(guī)劃目標和約束條件為：

minER=CC+CR+LO

(1)

(2)

式(1)中：ER，CC，CR，LO分別表示配電網(wǎng)的單位負荷可靠性經(jīng)濟成本、單位負荷建設成本、單位負荷運行成本和單位負荷停電損失；式(2)中：Si表示接線方式i的安全裕度系數(shù)。

2 基于故障樹法的接線可靠性分析

2.1 配電網(wǎng)可靠性指標

文獻[9]提出了很多配電網(wǎng)可靠性評價指標，本文結(jié)合高壓配電網(wǎng)接線方式研究這一目標，從中選取的主要可靠性評價指標有用戶平均停電持續(xù)時間(TAIHC)、供電可靠率(QRS)、用戶平均停電次數(shù)(KAITC)、系統(tǒng)停電等效小時數(shù)(HSIEH)等[10]。其中，TAIHC和QRS線性相關，反映系統(tǒng)供電的可用度；KAITC反映接線方式的復雜程度和是否具有轉(zhuǎn)供能力；HSIEH反映的是配電系統(tǒng)容量和損失負荷的關系。各指標計算式為：

(3)

式中:m為配電網(wǎng)的負荷點數(shù)目；Ni為負荷點i的用戶數(shù)；μi為負荷點i的年平均停電持續(xù)時間；λi為負荷點i的等效故障率；Si為負荷點i的停電容量；SN為系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

2.2 故障樹分析法

故障樹分析是以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件(頂事件)作為分析目標，應用邏輯演繹的方法研究分析造成頂事件發(fā)生的各種直接和間接原因，并用邏輯門將各個可能事件相聯(lián)系，建立起一棵倒立的樹狀圖形,然后應用概率統(tǒng)計方法定量分析，由基本事件的發(fā)生概率計算頂事件的發(fā)生概率。

對于城市高壓配電網(wǎng)接線方式的可靠性分析，可構(gòu)造故障樹分析步驟如圖1所示[11]。

圖1 故障樹可靠性分析步驟示意圖

2.3 停電損失

配電網(wǎng)的停電損失主要是由于故障停電對電網(wǎng)和用戶造成的經(jīng)濟損失，主要包括停電直接損失、社會影響損失等。配電網(wǎng)不同接線方式的單位負荷停電損失LO計算式為[12]

(4)

式中：Ri為節(jié)點i每kW負荷的平均停電持續(xù)時間對應的停電損失費用，不同的負荷類型Ri取值不同；Pi為節(jié)點i在統(tǒng)計期內(nèi)的平均負荷；γT為變壓器負載率；cosφ為線路的功率因數(shù)。

同樣的停電時間對于不同的負荷類型，造成的停電損失一般不同。本文選取了三類典型負荷：居民用電(Residential)、工業(yè)用電(Industrial)和商業(yè)用電(Commercial)。擬合這三類典型負荷離散的停電持續(xù)時間與停電損失統(tǒng)計數(shù)據(jù)[13]曲線，如圖2所示。

圖2 停電持續(xù)時間和停電損失關系擬合曲線圖

根據(jù)圖2得到不同負荷類型停電持續(xù)時間與停電損失的函數(shù)關系為

(5)

式中：RRe，RIn和RCo分別表示居民用電、工業(yè)用電和商業(yè)用電的單位kW停電損失；t為停電持續(xù)時間，可在可靠性指標TAIHC計算的過程中獲得。根據(jù)式(4)則可以計算各典型接線方式不同停電時間不同負荷類型的停電損失。

3 配網(wǎng)建設運行經(jīng)濟性分析

配電網(wǎng)的經(jīng)濟性分析主要包括建設經(jīng)濟性分析和運行經(jīng)濟性分析。其中，配電網(wǎng)的建設經(jīng)濟性主要從資金投入、成本回收年限和設備殘余價值等角度進行分析；配電網(wǎng)的運行經(jīng)濟性主要是從運行維護成本、網(wǎng)損率和設備利用率角度進行分析。由于設備使用年限一般不同，需要進行折算才能計算總經(jīng)濟成本，故基本的計算方法采用等年值法。

3.1 建設成本

配電網(wǎng)的建設成本主要包括輸電線路、變壓器、開關等元件設備?？偼顿Y資金Z計算式為

(6)

式中：ZT為變壓器投資費用；ZS為開關投資費用；ZL為線路總投資費用。

得到總投資資金的等年值為

(7)

式中：CZn為投資費用的等年值；k為電力工業(yè)貼現(xiàn)率；n為設備經(jīng)濟運行年限。其中，對于不同使用年限的設備需要分別進行等年值折算。

設備殘余值通常由系統(tǒng)初始設備成本乘以設備凈殘值率得到，其計算式為

(8)

式中：ZRem為工程壽命期末的殘值；γRem為設備凈殘值率。

設備殘余值發(fā)生在工程壽命期末，也將其折算為等年值進行計算。將設備殘余值折算為等年值為

(9)

因此，得到接線方式單位負荷的建設成本為

(10)

3.2 運行成本

配電網(wǎng)的運行成本主要包括設備運行維護成本、變壓器損耗和線路損耗等。運行成本ZR由下式計算

(11)

式中：ZM為變電站和線路的運行維護成本；Zloss為變壓器損耗和線路損耗的運行成本。

針對不同高壓配電網(wǎng)接線方式，運行維護成本與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、具體維護條件有關，難以做到準確的量化，工程上通常以投資的一定比例給出，即

(12)

式中：λ1為運行維護成本ZM占變電站和開關投資費用的比例系數(shù);λ2為運行維護成本占線路投資費用的比例系數(shù)。

損耗造成的成本可按下式計算

(13)

式中：α為電能電價；ΔAL和ΔAT分別為線路和變壓器的全年電能損失值，可以參考文獻[7]計算獲得。

因此，得到接線方式單位負荷的運行成本為

(14)

聯(lián)立式(1)、式(4)、式(10)和式(14)則可以計算出高壓配電網(wǎng)各典型接線方式的單位負荷可靠經(jīng)濟成本。

4 配電網(wǎng)接線方式的約束條件分析

4.1 配電網(wǎng)接線方式的安全性約束

線路“N-1”校驗是評估配電網(wǎng)供電安全性的重要指標[14]，文獻[9]明確強調(diào)在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中線路“N-1”校驗的通過率必須為100%。不同接線方式發(fā)生線路“N-1”故障后，線路的最大負載功率的大小決定了各接線方式能否實現(xiàn)安全轉(zhuǎn)供。為了量化各種接線方式的安全裕度，本文基于線路“N-1”單一故障的后果分析，同時考慮其它偶然事故的綜合影響，提出反映配電網(wǎng)接線方式安全性的安全裕度系數(shù)指標，其表達式為

(15)

式中：Si為接線方式i的安全裕度系數(shù)；Ωi為配電網(wǎng)接線方式i的線路事故集；γl為線路l的故障概率影響因子，本文取為線路的故障率；Pl，Pl,“N-1”和Sl,lim分別表示第l條線路正常運行情形下的負載功率、“N-1”情形下的負載功率和線路最大負載功率。

若Si為-1則表示接線方式i的“N-1”通過率達不到100%，不滿足安全性基本約束；若Si≥0則表示接線方式i的“N-1”校驗通過率為100%，滿足安全性約束要求。Si的值越大，表明該接線的轉(zhuǎn)供容量裕度越足，該接線方式安全性指標越好。

4.2 配電網(wǎng)接線方式的適應性約束

本文主要從配電網(wǎng)的運行難易程度和可擴展性兩方面評價各接線方式是否滿足適應性要求。

配電網(wǎng)轉(zhuǎn)移供電可用通道數(shù)是指配電網(wǎng)單一故障情形下，可通過其它母線或變電站進行負荷轉(zhuǎn)移的可行方案數(shù)，用TD表示。例如對于單環(huán)網(wǎng)接線，故障時只能通過常開聯(lián)絡開關恢復負荷供電，TD=1?？梢杂每捎猛ǖ罃?shù)TD來衡量配電網(wǎng)的運行難易程度，TD越大則運行越容易，TD=1為最低標準，一般要求TD≥2。

配電網(wǎng)接線方式的過渡能力是指配電網(wǎng)在長期規(guī)劃過程中，根據(jù)不同運行期的要求接線方式的過渡和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的擴展能力，用G表示，例如單環(huán)網(wǎng)接線在可靠性要求提高時可擴展為雙環(huán)網(wǎng)接線?？梢杂媒泳€的過渡能力來評價配網(wǎng)的可擴展性能。

接線方式的適應性約束要求TD≥2且接線方式有一定的過渡能力，適應度等級評價方法如表1所示，最低適應度等級要求為中等。

表1 接線方式適應度等級評價方法

5 城市高壓配電網(wǎng)推薦接線方式

5.1 高壓配電網(wǎng)典型接線方式

文獻[15]對配電網(wǎng)的典型供電區(qū)域依據(jù)負荷密度進行了詳細劃分，按照國家電網(wǎng)A+、A、B、C、D類供電區(qū)域的劃分(供電重要性和可靠性需求依次降低)，針對A+、A類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng)，主要為3T型接線和雙鏈式接線兩種接線方式；針對B類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng)，主要為雙環(huán)網(wǎng)接線、雙輻射接線、單鏈式接線和3T型接線4種接線方式；針對C類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng)，主要為雙環(huán)網(wǎng)、單環(huán)網(wǎng)和雙輻射接線三種接線方式；針對D類供電區(qū)域的高壓配電網(wǎng)，主要為單環(huán)網(wǎng)和單輻射接線兩種接線方式，如圖3～圖8所示。

圖3 3T型接線示意圖

圖4 雙鏈式接線示意圖

圖5 單鏈式接線示意圖

圖6 單電源雙環(huán)網(wǎng)接線示意

圖7 雙輻射接線

圖8 單電源單環(huán)網(wǎng)接線示意圖

5.2 結(jié)果分析

(1)經(jīng)濟性結(jié)果分析

根據(jù)各種接線方式經(jīng)濟性指標計算結(jié)果，可以得到各類供電區(qū)域下各種高壓配電網(wǎng)接線方式在不同供電架構(gòu)模型和電源容量下，經(jīng)濟性指標隨負荷密度的變化曲線如圖9～圖12所示。

圖9 A、A+類高壓配電網(wǎng)不同接線方式單位負荷綜合費用

圖10 B類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負荷綜合費用

圖11 C類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負荷綜合費用

圖12 D類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下單位負荷綜合費用

在電源容量、負荷密度一定的情況下，各種接線方式經(jīng)濟性的優(yōu)劣有以下特點：雙鏈>3T(A、A+類)，雙輻射>單鏈式、雙環(huán)網(wǎng)>3T(B類)，單環(huán)網(wǎng)、雙輻射>雙環(huán)網(wǎng)(C類)，單輻射>單環(huán)網(wǎng)(D類)；在雙電源供電情況下，雙鏈式接線經(jīng)濟性最好，同時對不同電源分布情況適應性很強；在單電源供電情況下，雙輻射和單環(huán)網(wǎng)接線的經(jīng)濟性較好；各接線方式的經(jīng)濟性，隨著負荷密度的增大而提高，負荷密度越高，線路長度越短，線路投資及運行費用越少；經(jīng)濟性與電源容量無必然聯(lián)系。

(2)可靠性結(jié)果分析

各種高壓配電網(wǎng)接線方式在不同供電架構(gòu)模型和電源容量下，可靠性指標隨負荷密度的變化曲線如圖13～圖16所示。

圖13 A、A+類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標

圖14 B類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標

圖15 C類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標

圖16 D類高壓配電網(wǎng)不同接線方式下可靠性指標

對于各供電區(qū)域類型下的各種接線方式的可靠性：在電源容量、負荷密度一定的情況下，各種接線方式安全性的優(yōu)劣有以下特點：雙鏈>單鏈>3T(雙電源)，雙環(huán)網(wǎng)=雙輻射>單環(huán)網(wǎng)>單輻射(單電源)；在雙電源供電情況下，雙鏈式接線可靠性最高，同時對不同電源分布情況適應性很強；在單電源供電情況下，單環(huán)網(wǎng)接線的可靠性差于雙環(huán)網(wǎng)和雙輻射接線，對不同電源分布情況適應性較強，當負荷密度較低時宜采用較小容量的電源供電，當C類供電區(qū)域負荷密度≤2 MW/km2時，不宜采用單環(huán)網(wǎng)接線；單輻射接線沒有轉(zhuǎn)移負荷能力，故障之后只能等到修復之后才能恢復供電，可靠性最低，只適用于對供電要求很低的供電區(qū)域，且D類供電區(qū)域負荷密度≤0.3 MW/km2時，不宜采用單輻射接線；各接線方式的可靠性，隨著負荷密度的增大而上升，因為負荷密度越高，則線路長度越短，發(fā)生線路故障概率則越低；電源容量越大，接線方式的可靠性越低，因為電源容量較大時線路長度較長，發(fā)生線路故障概率則較高。

6 結(jié)論

本文考慮配電網(wǎng)的典型接線方式在滿足可靠性、安全性和適應性的約束條件下，將配電網(wǎng)的可靠性指標以停電損失的形式折算為經(jīng)濟性指標加入到經(jīng)濟性規(guī)劃中，以單位負荷可靠性經(jīng)濟成本最低來確定城市高壓配電網(wǎng)的推薦接線方式。

(1)對于供電可靠性和安全性要求較高的供電區(qū)域，包括A+、A和B類供電區(qū)，以供電安全可靠性為首要目標，推薦采用雙鏈式接線。

(2)單鏈式或不完全鏈式接線，建議可作為負荷未飽和情況下的過渡接線方式。

(3)對于需要兼顧供電安全可靠性和經(jīng)濟性的供電區(qū)域，包括C類和D類供電區(qū)域，推薦以環(huán)網(wǎng)接線為主的接線方式。D類供電區(qū)域?qū)╇娍煽啃院桶踩砸筝^低，接線方式選擇主要考慮經(jīng)濟性，接線方式可以考慮單環(huán)網(wǎng)接線；若安全性和可靠性要求提高，則可在單環(huán)網(wǎng)基礎上改造形成雙輻射接線。若供電區(qū)域?qū)╇姲踩院涂煽啃砸筮M一步提高，如C類供電地區(qū)，則推薦雙環(huán)網(wǎng)接線。

[1]王成山，王賽一，葛少云，等.中壓配電網(wǎng)不同接線模式經(jīng)濟性和可靠性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(24)：34-39.

[2]姚莉娜，張軍利，劉華，等. 城市中壓配電網(wǎng)典型接線方式分析[J].電力自動化設備，2006，26(7)：26-29.

[3]Silva E D L, Gil H A, Areiza J M. Transmission network expansion planning under an improved genetic algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2000，15(3)：1168-1175.

[4]劉宇彬，劉建華. 基于層次分析法和熵權(quán)法的電網(wǎng)風險評估 [J]. 電力科學與工程，2013,29(11)：37-43.

[5]張鐵峰，苑津莎，孔英會. 基于層次分析法和選擇消去法Ⅲ的配電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策方法[J]. 中國電機工程學報，2006,26(11)：121-127.

[6]翟興麗,文福拴,林振智，等. 基于模糊層次分析法的電能質(zhì)量綜合評估與靈敏度分析 [J]. 華北電力大學學報(自然科學版)，2013,40(5)：48-53.

[7]范宏，程浩忠，金華征，等. 考慮經(jīng)濟性可靠性的輸電網(wǎng)二層規(guī)劃模型及混合算法[J]. 中國電機工程學報，2008,28(16)：1-7.

[8]丁茂生，王鋼，賀文. 基于可靠性經(jīng)濟分析的繼電保護最優(yōu)檢修間隔時間[J]. 中國電機工程學報，2007，27(25)：44-48.

[9]Q/GDW 1738-2012， 配電網(wǎng)規(guī)劃設計技術導則[S].

[10]汪波. 配電網(wǎng)接線模式可靠性評估及優(yōu)化研究[D]. 廣州：華南理工大學，2010.

[11]胡圣武，王宏濤，王新洲，等. 基于模糊故障樹的GIS可靠性分析[J]. 測繪通報，2007,(3):27-29.

[12]馬龍，楊建華，方芹. 中壓配電網(wǎng)接線模式的N-1準則評估分析[J]. 電力科學與工程，2013,29(2)：15-20.

[13]Jonnavithula A，Billinton R. Features that influence composite power system reliability worth assessment[J]. IEEE Transactions on Power Systems，1997,12(4)：1536-1541.

[14]劉健，司玉芳. 考慮負荷變化的配電網(wǎng)架安全評估及其應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(23)：70-75.[15]DL/T 836-2012，供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程[S].

Reliability-economic Analysis of Typical Connection Modes of Urban High-voltage Distribution Network

Xu Ke,Xian Xing,Cheng Jie, Tao Fen

(Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430040,China)

This paper, focusing on the reliability and economic analysis of typical connection modes of urban high-voltage distribution network, translates the reliability index into economic indicators and aims to find the optimal schemes for various connection modes for domestic and international urban high-voltage distribution network. First, a comprehensive evaluation system of high-voltage distribution network was provided. Then the reliability-economic cost of the distribution network was highlighted and the reliability, economy, security, and adaptability evaluation methods of typical connection modes analyzed. Finaly, with the lowest reliability-economic cost as the planning objective, connection modes of urban high-voltage distribution network were recommended. The study has some significance for high-voltage distribution network planning.

high-voltage distribution network; connection mode; reliability-economic cost; fault tree

2015-05-04。

許可(1984-)，男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、配電網(wǎng)運行及優(yōu)化分析，E-mail:hust1125@ 126.com。

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.003