城市中压配电网规划方案分析

贾玉伟，张明文，高冬那，黄家栋

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.河北省电力公司，石家庄 050021)

电网规划是电网发展的重要依托，其规划水平和质量直接影响到电网供电的安全性、可靠性和经济性水平。《城市电力网规划设计导则》规定，配电网络的供电可靠性是指设备停运时，对用户连续供电的可靠程度，应该满足N-1安全准则和用户用电可靠程度的具体规定。这些规定还不是到最终用户的N-1准则，而且在不同的网络模式及变压器接线方式下，N-1所能够达到的级别也不同。

1 城市中压配电网规划的主要技术原则

1.1 供电可靠性

城网规划考虑的供电可靠性是指电网设备停运时，对用户连续供电的可靠程度，应满足电网供电安全准则和用户用电可靠程度两方面具体规定。城市中压配电网的供电安全采用N一1安全准则，即中压配电网中1条架空线，或1条电缆，或变电站中1台降压变电器发生故障停运时，在正常情况下，除故障段外不停电，并不得发生电压过低和设备不允许的过负荷；在计划停运情况下，又发生故障停运时， 允许部分停电， 但应在规定时间内恢复供电。

满足用户用电的程度是指电网故障造成用户停电时间，允许停电的容量和恢复供电的目标时间。电压等级越高、负荷越大的用户，目标时间越短。主要原则是：两回路供电的用户，失去一回路后，应不停电；三回路供电的用户，失去一回路后，应不停电，再失去一回路后，应满足50%～70%用电；一回路和多回路供电的用户电源全停时，恢复供电的目标时间为一回路故障处理的时间；开环网络中的用户，环网故障时需通过电网操作恢复供电的，其目标时间为操作所需的时间。满足用户用电的程度通常用配电网的供电可靠率来评估，即系统年均断电时间(h/户·年)。

1.2 城网结构

城网结构是城网规划的主体，应满足灵活适应城市建设规模、负荷密度、供电需要以及经济性和可靠性。变电站应根据城网总体负荷、分区负荷需求预测和地理环境条件，本着便于形成规划目标网络结构和有利于网络经济运行的原则进行布局，并留有插入新建变电站的可能性。

1.2.1 结构要求

规划的城网结构应达到各级电压电网的接线标准化，提高可靠性，减少维护、检修费用；高压配电网接线简化，实现自动化和无人值班；下一级电网能支持上一级电网。同时规划城网还应满足电源送出要求和形成稳定可靠的供电能力，以适应电力市场拓展和消费需要；有一定裕度和应变能力，具有前瞻性；电网运行要灵活、经济，线损及成本应相对较低；接线简明、层次清晰；结构形式和潮流流向合理，避免电磁环网和网内环流；采取措施限制短路电流[1]。

1.2.2 结构形式

城网接线的结构形式主要有以下几种：

a. 放射型，只由一端电源供电；

b. 环型，由单电源构成的完整的环形回路；

c. 群型，多电源(至少2个)，呈链状的网络，如两电源之间的2条或3条线路上进行多次“T”接变压器或两电源之间形成“手拉手”形式；

d. 纺锤型，双侧电源，正常时单电源运行，当工作电源失电时另一侧电源自动闭合；

e. 网孔型，由多个环形回路组成，由多电源供电；

f. 袋型，单电源多回路带几个变电站的供电形式；

g. “4×6”网络，由4个电源节点通过6条线路相互连接，每条线路可以分成两段及以上，正常运行时可单电源供电，形成放射型。也属于网孔型的一种。

1.2.3 主接线形式

城网结构中最重要的是变电站的电气主接线选择。目前，变电站主接线形式主要有：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段带旁路、双母线分段(包括单分段、双分段)和3/2接线以及桥式接线(包括内桥和外桥)、角形接线和线路变压器组单元接线等[2]。

2 提高中压配电网供电可靠性的方法

基于可靠性的规划是一种以性能或目标为基础的规划方法。结合客户的供电特性，规划人员必须考虑系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)和短时停电频率(MAIFI)。

规划人员参照某个目标，如配电网络的可靠性对系统进行评估，然后识别系统对既定目标的实现，哪些地方有缺陷以及为什么会出现这种缺陷，并按照主次、轻重对发现的缺陷排序，最后确定解决办法，以使系统达到性能目标。

中压配电网规划的供电可靠性考虑切换速度、分段、网络结构和备用线路容量四方面的相互影响，切换速度的需求在很大程度上取决于系统网络结构和备用线路容量，以便于在事故过程中系统能够由另外一条馈电路径供电；一条馈线如何实现分段，取决于该网络的结构；采用分段的线路网络结构有相似的短路电流分布和保护配合特性[3]。

3 城市中压配电网规划方案分析

3.1 10 kV中压配电网接线

城市10 kV中压配电网由架空线和电缆混合组成。随着城市的改造和发展以及道路的拓宽，应加快发展电缆网络，包括现存架空线的“下地”。10 kV中压配电网需要根据高压变电站的布局、负荷分布和行政区以及功能小区，划分成若干个相对独立的配电分区。各分区配电网应有大致明确的供电范围，一般不交叉重叠。为了保证中压配电网的供电可靠性，每个分区配电网应有多个供电电源，满足N-1安全准则。

3.1.1 组网接线原则

a. 10 kV中压配电网逐步实现电缆化。新建线路均采用电缆环网结线方式，并逐步对旧架空线进行电缆化改造，旧架空线上一般不允许再增接新用户。

b. 新用户只能由架空线供电者，不直接T接架空线，应与由该架空线供电的附近其它用户“手拉手”环网，以利于今后电缆化改造。

c. 10 kV中压配电网应有较强的适应性，新建和改造的主干线导线截面应按长远规划选型，线路走廊、开闭所和配电所的土建均应按发展规划规模一次建成，以保证在相当长的时间内不需要更换导线和超规模扩建。即使是由于负荷增长不满足需要时，增加新的馈入点或插入新的变电站，而其结构保持基本不变。

d. 10 kV中压配电网必须具有足够的备用容量，特别是高压变电站之间的中压网应有足够的联络容量，确保负荷能够转移。一般应有1/3裕度，过渡期间应留1/2裕度，即：“3-1”和“2-1”要求。

e. 10 kV中压架空配电网应采用“多分段多联络系统”。 沿道路架设线路的格子形布局网络，在道路交叉口互联。为缩小架空配电线路检修和事故时的停电范围，应装设分段断路器。一般主干线分为2～3段，装分段断路器1～2台，较大的支线也应装断路断路器。架空配电线路之间应装设联络断路器，以实现配电线路的互倒互带，提高运行灵活性。

f. 电缆网主要采用环网结构，开环(辐射)或闭环运行。原则上，每条10 kV线路分3段，每段长度按负荷划分，每段线路所供用户的装机容量控制在2 000 kVA左右。也可以按供电半径进行控制。

3.1.2 具体接线方案

a. 树干式接线，适用于架空线、非重要用户，干线可以分段。

b. T接式接线，又可分单T、双T、三T、均单T运行。对老城区架空线变电缆的改造，考虑多数用户未设置高压开关柜，且无安装地点，故宜采用T接方式，即在电缆线路上，利用高压电缆分支箱或户外箱式变压器T接各用户。对于双电源用户，可分别从两条不同线路的电缆上T接。为提高干线电缆及配电变压器的利用率，还可考虑三T方式。

c. 环形接线，其中包括单环形接线和双环形接线。电缆线路普遍采用环形结构开环运行的方式。这种接线简单清晰，可靠性较高。无论是双电源双T接线还是环形接线，均需要较大的备用，备用容量达50%，正常时最大负荷只能达到线路安全载流量的1/2。

d. 三电源环形接线，这是一种可靠性高，适合高密度负荷区的配电网接线方式，能够提高线路的利用率。这种接线方式宜成为规划城市10 kV中压配电网的标准模式。该接线的结构是，网络有3(或4)个电源(可以取自同一变电站的3段母线或不同的变电站)，当失去一个电源时，网络全部负荷由其余2个电源(或2个电源加备用电源)供电，有3种接线方式。

三供一备接线(即“Y0 ”型接线)，回路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别取自不同变电站或同一变电站的不同主变压器。正常时，各回路供给本回路用户。当一回路故障时，由备用回路承担故障回路负荷，设置备用电源开闭所(或备用电源开闭所加配电变压器)及备用电源柜。与3个独立的环型接线相比，此接线方式提高了电缆利用率(由1/2提高至3/4)。当一个区域的供电容量较大、配电所较多时，采用此种接线。对于重要高层的配电所，可以由2个回路供电。根据负荷增长情况还可适当增加主供回路，形成四供一备接线，可以节省电缆和10 kV出线柜的投资。同时，这种接线组网方式灵活，可以根据用户的地理位置及竣工时间的不同，组网顺序随机掌握，逐步形成，一般应先建备用电源回路。具体接线见图1。

图1 三供一备接线示意

分段联络接线，将3条电源回路二分段，在回路的中间及末端用联络线连接在一起。一组3回馈线需设置4个联络开闭所，配电所内设一进一出的环网开关柜。具体接线示意见图2。

图2 分段联络接线

分片配电网络接线，设3个双电源配电联络开闭所，每个开闭所有一个电源，3 个电源来自同一变电站的3段不同母线或3个不同变电站。每个开闭所按地段就近分片分配负荷，把各片配电所连成环型接在所属开闭所的同一母线上。小环的电缆截面按小环实际预测负荷选择。当一个电源出现故障时，接通相应联络线，即能恢复供电[4]。分片配电网络接线示意见图3。

图3 分片配电网络接线示意

3.2 10 kV开闭所设计

10 kV开闭所是实现10 kV 中压配电网分片联络和进行功率再分配，弥补高压变电站出线回路不足和线路走廊困难，在负荷较集中区域设置的重要设施。开闭所可设配电变压器以便向周围的低压用户供电，只要附近有低压负荷，“均应设置配电变压器。开闭所应作为市政建设的配套工程，与市政工程建设、高层建筑建设、居民小区楼群建设同步进行。

3.3 10 kV配电所变压器选择

配电变压器单台容量的选择与所供面积大小、负荷密度、压降及低压线路有关。一般可选以下几种等级：31 kV、400 kV、500 kV和630 kV，其土建设计均按630 kV考虑。特殊情况下，可以选更大容量的配电变压器，如800 kV、1 000 kV、1 250 kV等。配电所配电变压器一般按2～3台规划，负荷密度较高区域可按4台考虑，不多于4台。

室外台架配电变压器应逐步改为室内公用配电所或箱式变压器，最终取消台架配电变压器。对于负荷较小且较分散的用户，宜推广采用箱式变压器，考虑其防腐性能，并适应双电源或接入环网的条件，提高供电可靠性。

配电所一次侧主接线，应采用单母线接线，低压侧采用单母线分段接线。一般情况下，配电所配电变压器和箱式变压器高压侧采用负荷开关加熔断器保护，处于环网中的应采用环网柜，其低压侧设刀熔断路器或自动断路器。

4 规划方案应用分析

4.1 应用情况

上面介绍的各种接线形式多为环型或网孔型，但实际运行多为开环运行，呈辐射状。根据实际情况，在青岛城网建设过程中，采取循序渐进的方式。首先按规划目标建设辐射型网络，并按远景目标网络逐步实施，包括预留走廊，插入配电所、开闭所的位置等。市区内线路先实现“手拉手”，部分负荷密集区实现“三源”接线，随着负荷的增长，逐步由“三源”接线、“手拉手”向“四源”、“三源”接线过渡。该方案主要推荐三供一备(或四供一备)接线和分段联络接线。

开闭所10 kV侧采用单母线分段，母线之间加联络开关。凡具有联络性质的进出线配置开关柜，以满足配电系统自动化自动切除故障电缆的要求。直接配出线(辐射型)采用负荷开关加熔丝保护。凡设置了配电变压器的，其配电变压器总进线采用开关柜，低压侧采用单母线分段接线。根据高压变电站出线设备的容量，开闭所的转供供电容量一般控制在7 000～10 000 kV。开闭所的进线电源可来自同一变电站的不同母线或不同的变电站，出线按10回考虑。中压直供用户采用双电源的采用单根电缆，单电源的采用双根电缆。允许2个双电源用户共用2个出线柜。配电变压器单台容量按630 kV考虑，配电所配电变压器按2～3台规划，负荷密度较高区域可按4台考虑，但不多于4台。

配电所或开闭所的中压设备选用性能好、质量高，检修周期长或多年不检修，小型化、无油化和具有可控性的设备，如SF6开关柜、真空开关柜、环网单元、小型封闭式配电装置及各种新型熔断器，优先采用环网单元。建于高层建筑物内的配电变压器采用干式变压器，在繁华地区及受场地限制无法建设配电室的处所采用箱式变压器。

4.2 应用效果

10 kV中压配电网规划方案在青岛应用以后，达到了以下的水平：

a. 具有充分的供电能力，能满足用电负荷增长的需要；

b. 有功和无功容量之间比例协调；

c. 供电质量、可靠性达到规划目标的要求；

d. 建设资金和建设时间取得恰当的经济效益；

e. 设备得到更新，网络完善合理，与社会环境协调一致，技术水平达到较先进的现代化程度。

5 结束语

基于可靠性的城市中压配电网规划增强了10 kV配电网的供电能力，加强了城网的结构布局和设施的标准化，做到了远近相结合、新建和改造相结合，可以保证电力设施的安全运转，为电力企业带来良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 张茂春.浅析城市电网规划的编制过程与技术原则[C]//山东电机工程学会2006年学术年会论文集.山东:中国电机工程学会,2006.

[2] 陈章潮.城市电网规划与改造[M].北京:中国电力出版社,2007.

[3] 鞠 佳.基于可靠性的城市中压配电网规划——访北京电力经济技术研究院夏泉副院长[J].电气应用,2011,30(1):8-10.

[4] 戴晰臣.济南城市电网发展规划研究[D].山东:山东大学,2002.