城市中压配电网规划接线模式和拓扑计算分析

田怀源，周步祥，李保生

（1.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065；2.山东电力集团公司莱芜供电公司，山东 莱芜 271100）

0 引言

配电网位于电力系统末端，直接与用户相连，只有通过它，整个电力系统才能最终实现并保障对用户的供电能力和供电质量。随着国民经济的高速发展及人民生活水平的不断提高，用户对配电网供电可靠性要求越来越高；电力市场的逐步形成及电价机制的完善，也对供电可靠性提出新的要求。这一切都要求在进行配电网规划和建设时必须把提高配电网经济效益及供电可靠性摆在特别重要的地位［1-2］。

目前国内正在进行配电网建设与改造工程，其中电网接线模式的选择是一个非常重要的方面。因为它不仅牵涉到电网建设的经济性，而且也关系到供电可靠性，还对整个电力工业和用户的发展具有重要意义。因此，有必要对各种可能的接线模式进行定量的计算分析，以便得出符合实际供电要求的接线模式［1-4］。

10 kV网络作为我国城市中压配电网，其地位十分重要，为实现电网的安全、经济运行，并达到接线方式标准化、统一化的要求，有必要针对现状城市中压配电网过渡到目标年网架的过渡方案及网架拓扑计算进行研究。

1 中压配电网络接线模式

10 kV中压配电网由上一级变电站的10 kV配电装置、开关站、配电所和架空线路或电缆线路等部分组成，其功能是将电力安全、可靠、经济、合理地分配到用户［2］。一般情况下，城市的配电网由架空线和电缆线混合组成。在研究某地区特定的供电区域内10 kV配电网的网络结构时，可采用架空线路和电缆线路分开进行研究的方法［9］，但考虑到网架发展的总体趋势是辐射向环网接线过渡架空向电缆线路过渡，因此，本文在分析接线模式时，也将架空和电缆线路进行了综合分析。国内外具有代表性的典型架空和电缆接线模式如图1～8所示。

图1 中国城市配电网10 kV线路接线图

图2 伦敦中压网孔型接线

图3 巴黎中压仿垂形接线

图4 美国纽约双回线接线

图5 美国“4×6”网络接线

图6 3分段4连接方式（日本）

图7 香港中华电力公司的典型闭环网（电缆）

图8 新加坡环式接线（电缆）

2 中压配电网络规划总体思路及过渡方案研究

2.1 中压配电网络规划总体思路

中压配电网规划思路是根据目标年负荷分布预测结果和变电站选址方案，将10 kV配电网按供电范围分区，对10 kV配电网络按分区进行规划。依据技术原则、可靠性的要求和采用的主要接线模式，考虑不同110 kV变电站之间10 kV联络线的设置（站间联络率），以及同站不同母线的联络情况（站内联络率）。规划方案需满足各种系统约束条件（如：短路容量限制、电压水平限制、线路过负荷限制及N-1安全性准则等）。按照理想的供电模式和网架结构规划出目标的目标网架。以目标年网架为目标，以现状网络为基础，根据中间年负荷预测的结果进行中间年的网络规划，重点解决现状网络存在的问题，尽量考虑中间年网络到目标年目标网架的过渡问题。以近期规划年规划方案为基础，排出改造和建设的工程项目，逐步克服现状网络的问题。同时，针对现状配网存在的主要问题，如线路供电半径过长、迂回供电、供电范围不清晰以及网架结构薄弱等方面重点加以解决。

目标规划网架并不是在一个完全空白的新区上建设，而是在现状负荷和现状线路的基础上逐步发展到目标网架，所以要求目标网架应具有较强的适应性和灵活性，在城市发展出现新情况时可以比较灵活地发展成为其他供电模式。

2.2 中压配电网络规划过渡方案研究

中压配电网目标结线与过渡结线标准的演变关系如图9所示。

图9 中压配电网结线方式的演变关系图

2.2.1 架空线网架建设及典型供电模式过渡

馈线组发展的初期，负荷较小，首先根据该区域现有线路的情况形成线路单环网接线方式（1），此时两条线路的负荷率应该都不超过50%；超出两条线50%负载率时，考虑和其他线路建立联络，形成多分段两联络接线（2），线路正常负载率可达到67%；负荷继续发展超出67%负载率时，考虑在和其他线路建立联络，形成多分段三联络接线（3），线路正常负载率可达到75%。

图10 架空线接线过渡形式

2.2.2 电缆双“∏”两联络接线模式过渡

在馈线组负荷发展的初期，负荷较小，可首先根据该区域现有线路的情况形成电缆线路单环网（1），此时两条线路的负荷率应该都不超过50%；馈线组区域负荷发展到超出两条线50%负载率时过渡到（2）或者（3）；若负荷发展已经趋于饱和，且易于与其他线路建立联络采用（2）；若本区域还有很大的负荷发展空间或与其他线路建立联络较为困难采用 （3）；随着负荷的继续增长可以发展到（4）所示的两联络双∏接线模式，四条线正常负载率均为67%。

2.2.3 电缆主备接线模式过渡

在馈线组负荷发展的初期可首先形成电缆线路单环网接线方式（1），此时两条线路的负荷率应该都不超过50%；在馈线组区域负荷发展超出两条线50%负载率时，就可以考虑建设联络用的开闭所，并架设第三条线路，一条主供线路，也可以先上备用线路（2）；负荷继续发展，必要情况下形成“4-1”馈线组（3）。

图11 双“∏”两联络接线模式过渡

3 中压配电网拓扑计算

3.1 中压配电网拓扑计算基本原理

（1）拓扑计算总体概括。

10 kV网架的拓扑计算是对10 kV网架线路走向和下负荷点配置等进行的优化计算，使10 kV网架走向合理、负荷分配均匀、有功损耗最小和电压降落最低。

拓扑计算是基于PW_Flow软件所进行的计算，软件输入数据是10 kV线路下负荷点的有功和无功、下负荷点之间的距离，还有线路型号，经过优化计算，输出数据是①首节点分别于2，3，4……n节点之间的有功损耗、无功损耗、电压降落、电流值等；②末节点n分别于n-1，n-2，n-3，……，1节点之间的有功损耗、无功损耗、电压降落、电流值等；然后通过综合计算，找到10kV线路的最优开断点。拓扑计算流程如图13所示。

图12 主备接线模式过渡

图13 拓扑计算流程图

（2）拓扑计算过程分析。

根据空间负荷密度法预测的结果，将地块负荷分配到每条10 kV线路上，在分配时尽量保证：

①供电分区明确。负荷分配时，应考虑今后正常运行时的供电范围，要保证10 kV线路与线路之间供电分区明确，不存在交叉互供现象。

②负荷分配合理。负荷分配合理即为在负荷分配时不能将负荷集中在线路上的某一点 （用户专线除外），要均匀的分布在整条10 kV线路上。

3.2 算例分析

某开发区一回10 kV单环网接线，由新建1线和新建2线组成，中间以环网柜相连。从某1站出线，穿过负荷中心和边缘街道接入某2站，线路全长7.27 km。负荷分配如表1所示。

表1 开发区一回负荷分配表

（1）拓扑分析。根据负荷分配情况，该线路有功负荷6 475 kW、无功3 136 kvar，网络拓扑如图2所示。为了节约投资，又保证负荷供电的可靠性，并尽可能地减少负荷损失，该回线路安装12台开关。系统正常运行时，开关K7常开，其他开关常闭。表2列出了环网正常运行或一处发生故障后的开关动作情况和负荷损失情况，负荷损失栏目的括号中给出了当前故障损失负荷以及对应的配电点顺序号。

由表2知，当网络中任何一处发生故障时，无负荷损失，供电可靠性得到了保证，符合n-1原则。不间断供电的配电点列于表3中。

（2）优化计算。

根据《电力系统技术导则》和《城市电力网规划设计导则》，配电网应满足如下运行要求：

图14 网络拓扑图

表2 开关状态及负荷损失

表3 满足n-1原则的配电点

①10 kV额定电压，允许波动：-7%～7%；

②无功补偿电容器配置应满足功率因数达到0.9；

③高峰负荷时功率因数达到0.9～0.95；

④持续允许负荷电流密度满足要求。

优化计算分为多种方案进行：选择YJV-8.4/3×240或YJV-8.4/3×300铜芯电缆。配电线路分别处于正常情况和故障情况。

通过优化计算该10 kV线路最优开断点在第3和第4计算点之间。系统正常运行时，K7常开，其他开关常闭，即该线路是一种环网结构开环运行方式。

正常开环运行方式（K7断开，其余开关闭合）。

表4 正常运行方式

表5 严重故障方式

由计算可知，出现严重故障，选择300铜芯电缆，线路电压降落、功率损耗、负载率满足设计要求。