CN107086570A - 一种可扩展的多环形城市中压配电网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，用于解决国内现有的辐射状配电网网架结构薄弱、负载率高、可靠性低、恢复供电时间长的技术缺陷。本发明实施例包括：设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；每个环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；变电站的母线Ⅰ与开关站的母线Ⅰ连接，变电站的母线Ⅱ与开关站的母线Ⅱ连接。
Description
技术领域
本发明涉及城市中压配电网技术领域，尤其涉及一种可扩展的多环形城市中压配电网系统。
背景技术
城市中压配电网处于电力系统末端，担负着保证用户可靠持续供电和提供良好电能质量的作用。过去几十年的缺电困扰导致了电力建设存在“重发，轻供，不管用”的偏向，配网长期缺乏合理的规划，基础设施薄弱。随着我国经济尤其是城市经济的快速发展，配电网内已经呈现出有电“送不进、落不下、用不上”的矛盾，城市电网供电可靠性、电能质量与城市经济发展要求的矛盾越来越突出，其中，中压配电网架结构无序发展是其重要原因之一。
合理的网架结构是配电网经济、可靠、智能运行控制的基础，我国配网在规划理念、网架结构、装备水平、运行方式、自动化等方面都制约着电网经济、安全、优质供电。相比国内，很多发达国家在漫长的电网发展过程中，已逐步形成了具有自身特点的中压网架结构，均采用标准化的供电模型。所以在配电网规划工作中，配电网的网架规划是很重要的一个部分。对其进行研究，可以提高电力企业的投资效率，对降低电网电能损耗、大幅度提高可靠性、供电质量和节约能源都具有重大的现实意义。
随着国内近郊城市化程度的迅速提高，现有以辐射供电为主的中压配电网网架结构表现出以下一系列缺陷：(1)负载率过高，分段不合理，联络数过少，无法满足N-1准则；(2)配电网变电站电源点过少，10kV出线间隔过少，小容量中压用户占用变电站10kV间隔过多，导致变电站10kV间隔利用效率低下；(3)网架不合理，线路长、用户多，10kV线路供电半径过大；(4)发生故障造成的停电范围大，恢复供电的能力较弱等。虽然国内外也广泛存在以法国巴黎“手拉手”配电网和新加坡“梅花状”配电网为代表的各种形式的环型结构中压配电网网架，但这些配电网虽然具有环型结构，但都是开环运行状态，故虽然技术可行、具有良好的扩展性，但改造成本高、可靠性没有能够实现飞跃式的提高。
综上，城市配电网是面对用户的最重要和最终的环节。要保证对用户供电的优质、经济和可靠，必须合理地选择中压配电网网架的结构模型。因此研究和构建一种适合于本地特色的，满足安全性、经济性要求的，可实施性和可扩展性较好的，最优化的配电网网架结构具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明实施例提供了一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，解决了国内现有的辐射状配电网网架结构薄弱、负载率高、可靠性低、恢复供电时间长的技术缺陷。
本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，包括：
设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；
环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；
每个环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；
变电站的母线Ⅰ与开关站的母线Ⅰ连接，用于为内部子环Ⅰ供电，变电站的母线Ⅱ与开关站的母线Ⅱ连接，用于为内部子环Ⅱ供电；
在正常运行状态时，变电站母联开关和开关站母联开关均为断开状态。
可选地，变电站的变压器分列运行。
可选地，环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间的位置关系为内外嵌套的连接关系。
可选地，环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间通过电力开关相连接。
可选地，电力开关为断路器。
可选地，变电站的变压器回路装设有短路限流器；
和/或
变电站的变压器采用高阻抗变压器。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供了一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，包括：设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；每个环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；变电站的母线Ⅰ与开关站的母线Ⅰ连接，用于为内部子环Ⅰ供电，变电站的母线Ⅱ与开关站的母线Ⅱ连接，用于为内部子环Ⅱ供电；在正常运行状态时，变电站母联开关和开关站母联开关均为断开状态。本发明实施例中通过由开关站之间“手拉手”形成环形结构，且变电站分别对分段运行的开关站进行供电，形成一个由开关站的母线Ⅰ和母线Ⅱ各自独立成环的环状配电网架，且该环状配电网架可根据城市地理环境以及电网建设的具体情况进行拓展，形成具有1个以上的环的多环结构，使得在某一环出现问题时，从其他环进行转供电，进一步提高配电网的供电可靠性，本发明实施例提供的可扩展的多环形城市中压配电网系统属环型结构合环运行配电网，除满足传统安全性指标如线路及变电站的N-1、短路电流在传统断路器的遮断能力内外，还具有变电站负载率均衡、间隔利用率高、电源深入负荷中心、供电区域清晰、运行方式灵活、可扩展性强等特点，解决了国内现有的辐射状配电网网架结构薄弱、负载率高、可靠性低、恢复供电时间长的技术缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统的远景拓展示意图；
图3为本发明实施例提供的一种中压配电网双环网架合环运行模型建模流程图；
图4为本发明实施例提供的一种中压配电网双环网初步网架图；
图5为本发明实施例提供的一种中压配电网双环网修正网架图；
图6为本发明实施例提供的一种城区双环网架合环运行模型中的大坡变和城东变的内部连接图；
图7为本发明实施例提供的一种城区双环网架合环运行配电网示意图；
图8为本发明实施例提供的一种短路分析的电路结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，用于解决国内现有的辐射状配电网网架结构薄弱、负载率高、可靠性低、恢复供电时间长的技术缺陷。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统的一个实施例，包括：
设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；
环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；
每个环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；
变电站的母线Ⅰ与开关站的母线Ⅰ连接，用于为内部子环Ⅰ供电，变电站的母线Ⅱ与开关站的母线Ⅱ连接，用于为内部子环Ⅱ供电；
在正常运行状态时，变电站母联开关和开关站母联开关均为断开状态。
进一步地，变电站的变压器分列运行。
进一步地，环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间的位置关系为内外嵌套的连接关系。
进一步地，环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间通过电力开关相连接。
进一步地，电力开关为断路器。
进一步地，变电站的变压器回路装设有短路限流器；
和/或
变电站的变压器采用高阻抗变压器。
具体的，以下将结合图1和图2，以具体的应用例对本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统进行详细的说明。
请参阅图1，(图中实线为Ⅰ母及Ⅰ母间的连接线，虚线为Ⅱ母及Ⅱ母间的连接线)本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统的具体应用例包括：
变电站A和变电站B，及开关站A、开关站B、开关站C、开关站D；
其中，开关站A、开关站B、开关站C、开关站D的母线Ⅰ相连构成独立的内部子环Ⅰ，变电站A的母线Ⅰ和开关站A、开关站B的母线Ⅰ相连，且变电站A通过该连接关系为内部子环Ⅰ中的开关站A、开关站B供电；变电站B的母线Ⅰ和开关站C、开关站D的母线Ⅰ相连，变电站B通过该连接关系为内部子环Ⅰ中的开关站C、开关站D供电。开关站A、开关站B、开关站C、开关站D的母线Ⅱ相连构成独立的内部子环Ⅱ，变电站A的母线Ⅱ和开关站A、开关站B的母线Ⅱ相连，变电站A通过该连接关系为内部子环Ⅱ中的开关站A、开关站B供电；变电站B的母线Ⅱ和开关站C、开关站D的母线Ⅱ相连，变电站B通过该连接关系为内部子环Ⅱ中的开关站C、开关站D供电。在正常运行时，环内的母联开关都是断开的：每个开关站内部连接母线Ⅰ和母线Ⅱ的母联开关断开，实现开关站分段运行；每个变电站的10kV侧连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ的母联开关断开，实现变电站的变压器分列运行。
为便于清晰说明本发明实施例提供的可扩展的多环形城市中压配电网系统的可扩展性，可参阅图2中对网架的远景扩展进行的说明，即图1所示的单环环状网架可以按图2所示不断扩展到N个环，即内环与外环之间层层嵌套的关系，且当设置有包括2个或以上环的环状网架时，环与环之间通过电力开关相连。具体实施时，可以根据具体情况在相邻环的开关站之间设置电力开关，电力开关可使用断路器实现。正常合环供电时，图2所示的开关(包括环内的母联开关和环间的电力开关)均不闭合，仅在故障等情况下需要对运行方式调整时才闭合部分或全部。本发明设计的环型供电方案可靠性较高，基本不用环间的电力开关来转供负荷，因此在环间也可以不设置电力开关。
此外，考虑到便于控制系统的短路电流，变电站的变压器回路装设有短路限流器和/或变电站的变压器采用高阻抗变压器。两种方式同时采用或者任选其一都可以，具体设置实现本发明不予赘述。
以上为对于本发明实施例提供的一种可扩展的多环形城市中压配电网系统的结构的具体应用例的详细说明，为了进一步说明本发明提供的可扩展的多环形城市中压配电网系统的技术效果，以下将所提供的配电网系统为模型应用到国内某一城区的中压配电网(以下简称A城区)的实际设计中，并进行详细的具体应用方案说明。
具体包括下列规划步骤：
(1)从电网结构、设备状况和运行水平分析城市中压配电网的实际情况，分析存在的薄弱点。
A.电网结构
a)城市电网110kV变电站接线模式
b)城市配电网主干线长度分布
c)城市配电网接线模式
B.设备状况和运行水平
d)变电站状况
e)110kV线路分析
f)容载比分析
g)“N-1”校验分析
h)对现状高压电网进行潮流、短路、线损、电压水平分析
i)配电网绝缘化率、电缆化率分析
j)导线型号、截面分析
k)线路运行年限分析
l)线路负载率及安全可靠供电能力分析
m)配变负载率分析
n)配变型号、容量及运行年限分析
(2)调研国内外中压配电网供电模型，参考配电网规划导则，提出了指导城市中压配电网供电模型设计的规划原则。
A.网架设计标准化，模型化：
标准化、模型化设计可大大减少规划设计部门的工作量，方便配电网扩展，利于实现自动化，采用统一的控制策略，并为中压侧用户的接入提供明确的入网标准和评估体系。
B.模型设计应结合城市特征：
具体设计模型时，需结合城市的特征，而其很大程度上体现在地形地域方面，如巴黎的典型三环设计就是根据巴黎城市地形地域设计。而新加坡国家较小，各地区发展相对均衡，地势低平为采用统一的梅花状供电模型建设提供可能。
C.模型应具备可扩展性：
供电模型应具备良好的扩展性，随着城市的不断发展，负荷的不断延展增加，展示其高灵活性，这是电网统一建设的保障。
D.各级配电网协调发展：
以提高可靠性为基本原则，促进高、中、低压网协调发展；适当考虑层与层之间的负荷转移和相互支援，使中压配电网供电模型具备良好的负荷转移能力。
(3)建立高压配电网作为研究城市中压配电网的边界条件，基于网架结构理论对城市中压配电网网架结构模型进行初步设计。通过静态安全校验、短路电流水平和电磁环网分析对模型进行修正。
(4)基于建立的城市中压配电网网架模型，分别从以下7个方面对其进行可行性分析，验证其可行性。
A.建设可行性分析
a)变电站间隔分析
b)线路通道分析
B.负荷水平分析
C.潮流特性
a)变电站至开关站潮流
b)开关站之间潮流
D.短路水平分析
E.静态安全分析
F.可靠性分析
G.可扩展性分析
A城区配电网的改造流程如图3所示：
第一步，A城区配电网现状分析：电网现状分析是未来电网发展、规划、建设的基础与依据。从高压配电网、中低压配电网两方面对A市配电网进行详细分析，指出现有配电网中需要改造的薄弱环节，指导A城区配电网的规划与设计。
A城区电网目前网架结构发展与设计非标准化，线路存在挂灯笼现状；同时电能质量较低、可靠性不高，此外由于电源通道和土地资源匮乏，新增变电站的难度较大。具体分析如下：
110kV电网线路截面以185mm2为主，线路输送能力不高，110kV变电站主变负载率偏高，共4座不能满足主变“N-1”，故障后负荷转移能力较弱。A城区主要以丁字口变(城中变)、金泉变、大坡变、青山变、鸭塘变5个110千伏变电站向城区进行供电，其中以丁字口变和金泉变为主向城市中心供电,供电区域占整个城市的70％，只要任一个站失电，将造成A市半边城的停电，且受线路供电容量及通道的制约而无法转移供电。
10kV中压配电网部分线路供电半径已经超标，单辐射接线模式的线路共22回，联络率为65.6％，N-1通过率仅为30％，容易造成故障时负荷转供困难。而且线路的负载率平均水平偏高、配变的负载率不均衡。
第二步，提出了A城区建设合环运行双环配电网的规划思路：随着我国经济尤其是城市经济的快速发展，城市电网供电可靠性、电能质量与城市经济发展要求的矛盾越来越突出，其中，中压网架结构无序发展是其重要原因之一。
(1)国内外发达国家城区配电网典型供电模型
新加坡城市各分区内，变电站每两回22kV馈线构成环网，形成花瓣结构，称之为梅花状供电模型。不同电源变电站的每两个环网中间又相互连接，组成花瓣式相切的形状。其网络接线实际上是由变电站间单联络和变电站内单联络组合而成。站间联络部分开环运行，站内联络部分闭环运行，而两个环网之间的联络处为最重要的负荷所在。构成多朵“梅花”供电的城市整体网架，显示了良好的可扩展性。
巴黎城市电网具有鲜明的环状结构：外环、中环和内环，三环又将其分割成4个分区，各个变电站就处于分区之间，每个环内的变电站向两侧的分区电。当负荷增加时，可在分区之间增加一变电站，将分区再一分为二，显示了良好的可扩展性。
(2)城市中压配电网供电模型的指导原则
结合国内外发达国家城区配电网典型供电模型启示，结合配电网规划导则，建立A城区中压配电网供电模型的指导原则：
网架设计标准化，模型化：标准化、模型化设计可大大减少规划设计部门的工作量，方便配电网扩展，利于实现自动化，采用统一的控制策略，并为中压侧用户的接入提供明确的入网标准和评估体系。
模型设计应结合城市特征：具体设计模型时，需结合城市的特征，而其很大程度上体现在地形地域方面，如巴黎的典型三环设计就是根据巴黎城市地形地域设计。而新加坡国家较小，各地区发展相对均衡，地势低平为采用统一的梅花状供电模型建设提供可能。
模型应具备可扩展性：供电模型应具备良好的扩展性，随着城市的不断发展，负荷的不断延展增加，展示其高灵活性，这是电网统一建设的保障。
各级配电网协调发展：以提高可靠性为基本原则，促进高、中、低压网协调发展；适当考虑层与层之间的负荷转移和相互支援，使中压配电网供电模型具备良好的负荷转移能力。
(3)A城区中压配电网供电模型的规划思路
中压网架设计的最重要的指导原则之一是模型设计应结合城市特征，而城市特征很大程度表现在地形地域特征上，并且负荷分布特征与此又是紧密相联，对于A城区来说，其地形特点是地址平坦，城市特点是一个典型的内环与外环结构。对配电网进行规划时，通常都是把开关站的布局和网络接线分开来进行。A城区负荷沿地形呈现出圆形分布的，故建模的重点在于开关站布局，即确定开关站之间及其与变电站之间如何“连线”的问题。
通过分析A城区现状电网的薄弱点，在总结国内外发达国家中压配电网供电模型的基础上，结合A地形特点，提出在A城区10kV配电网利用现有开关站和规划开关站最终形成内环网和外环网的理念，探索简单、统一、合理的城市中压配电网网架模型。具体规划的指导思想如下：
1)形成以110kV丁字口变，110kV城西变和规划的110kV城中变为中心的内环网，110kV变电站通过10kV出线至内环网上开关站形成环网供电；形成以110kV金泉变、规划的110kV城东变、110kV青山变和110kV大坡变为中心的外环网，110kV变电站通过10kV出线至外环网上开关站形成环网供电。
2)从变电站到开关站线路以及开关站线路之间直接由电缆相连，线路之间原则上不带负荷，所有负荷都由开关站出线带。
3)专用用户由变电站直供。
4)主干线分段运行，但允许环网运行。
(4)A城区中压配电网双环网模型的预期供电效果
1)供电可靠性高：加强配电网网架结构，与手牵手N-1接线相比可满足N-2，为提高供电可靠性奠定基础；同时改变以往负荷只有一两个电源点供电的现象，降低城市大面积停电的风险。
2)电源深入负荷中心：将110千伏变电站10千伏母线延伸至城区中心负荷密集区，实现了变电站10kV母线整体向负荷侧前移供电，体现了供电电源尽量深入负荷中心的原则，缩短配电网二级网架供电半径，为电能质量管理做出有力的保障。
3)供电区域清晰：为线损四分管理、配电自动化夯实基础。
4)运行方式灵活：只要还有一座110千伏变电站运行，其他变电站失压情况下，该变电站能为整个城市提供保安电源。
第三步，A城区环型网架建模：即A城区中压配电网双环网架环型供电模型建模。负荷预测是城市电网规划的基础，其准确度直接影响电网规划的质量，根据A市规划以及A市的供电局相关资料，A城区预计年负荷将达到178MW，其中内环负荷为72MW，外环负荷到达106MW。
A城区中压配电网建模，主要包括两个部分，A城区110kV以上高压配电网和A城区10kV中压配电网，其中A城区110kV以上高压配电网作为城区中压配电网运行的边界条件和上层网络的约束条件，A城区10kV中压配电网为研究对象。建模的整体流程如下：
(5)高压配电网建模
高压配电网的建模仅考虑A地区500kV、220kV变电站、110kV变电站的电气连接网络；运行方式采用大负荷运行方式，变电站负荷为年的最大负荷，负荷集中等值到110kV变电站10kV出线所至开关站的10kV母线侧。
在500kV/220kV建模过程中，平衡节点选择500kV施秉变，在建立的550kV/220kV网架结构的基础上，进行220kV/110kV电网建模。
(1)10kV配电网双环网架初步设计
调研A城区现状中压配电网网架结构模型，以巴黎和新加坡配电网供电模型的经验和配电网规划导则为指导原则，考虑A城区分负荷发展情况，结合A城区高压配电网的规划情况(中高压配电网协调发展)，对A城区配电网进行双环网建设,主要包括网架结构设计，变电站布点设计和开关站布点设计。
1)网架结构设计
由第二步中对A地形特点的分析可知，A地形平坦，城市结构特点是一个典型的内环与外环结构，负荷沿地形呈现出圆形分布，结合中压配电网网架设计指导原则，借鉴巴黎“手拉手”环状网架结构的经验，在A城区现状配电网的基础上，提出利用现有开关站和规划开关站最终形成内环网和外环网的理念，利用开关站之间“手拉手”形成两个独立的环型结构。
2)变电站布点设计
在进行配网规划设计前，首先对城区进行供电区域的划分，分析其负荷类型，负荷的增长趋势，分别确定城区变电站的数量以及变电站的供电区域，尽量不跨区供电，使变电站的供电区域清晰，为配电网的自动化奠定坚实的基础。
结合现有A城区110kV变电站的分布情况，分析确定A城区未来的负荷发展需要，分析A城区需要新建2座110kV变电站，因此A城区年目标年双环网架的供电电源共有6座，分别为110kV丁字口变、110kV金泉变、110kV城西变、110kV青山变、110kV大坡变、规划110kV城中变和规划110kV城东变。
内环负荷由110kV丁字口变、110kV城东变、110kV城中变、110kV金泉变和110kV城西变共5个110KV变电站供电。外环负荷由110kV城东变、110kV城中变、110kV金泉变、110kV城西变、110kV青山变和110kV大坡变等6个110kV变电站供电；
3)开关站布点设计
在确定变电站的供电区域后，结合负荷预测结果，对内环网和外环网的供电区域进行细分，每一个小的供电区域由一个开关站供电。
图4为所设计的A中压配电网双环网初步网架图(为了图形简洁，图中每条线路均对应实际的两回线路)：
内环开关站：凯旋公馆开关站、商场街开关站、新九栋开关站、市畜牧开关站、二六二开关站、供电大楼开关站、腾龙开关站、文化南路开关站、大地星月开关站、师专开关站等。
外环开关站：清江开关站、老水泥厂开关站、市建二公司开关站、永丰东加油站、永丰开关站、市风情开关站、博南开关站、仰阿莎开关站、州卫校开关站、岔路口开关站、市郊局开关站、沁园宾馆开关站、二龙开关站、状元府开关站、酒厂开关站等。
此外还有韶山路开关站、国际名居开关站未加入合环。
由7个变电站为各开关站供电。
其中A城区电网电缆推荐采用型号为YJV-300，该型号的载流量为485A，及最大载流量为8.5MVA，即最大通过的有功功率为8MW，并以此有功功率作为每回线路的热稳极限。
对该初步设计的网架进行潮流特性分析、静态安全分析(配网属于受端网络，没有暂稳问题)以及短路水平分析，可知，该网架所带负荷满足目标年的负荷预测值、正常运行的线路潮流不超过热稳极限、中压配电网线路均满足N-1，即潮流特性和静态安全分析均可满足要求，但城区配电网的短路电流最大高达56.75kA，远远超过A城区现有断路器20kA的遮断水平。
(2)10kV双环网网架结构的修正
短路电流过大是制约A城区双环电网合环运行的关键因素，通过对电磁环网运行的分析，短路电流过大主要是由于双环网环路较多，提供短路电流的电源点较多。所以从改进网架结构角度来考虑，降低短路水平主要有以下两方面：一是尽量减少电磁环网运行的电压等级，以降低环路中电压等级；其次，提出内外环独立运行，110kV变电站只供内环或者只供外环开关站的修正思想。据此思想，提出了图5所示的A城区中压配电网双环网修正网架图：修正时调整了变电站与开关站、开关站与开关站之间的连线，例如城西变、城中变、丁字口变只为内环供电，城东变、金泉变只为外环供电。
对修正后网架进行潮流特性分析、静态安全分析以及短路水平分析，可知，该网架所带负荷满足目标年的负荷预测值、正常运行的线路潮流不超过热稳极限、中压配电网线路均满足N-1，即潮流特性和静态安全分析均可满足要求，但城区配电网的短路电流仍达40.43kA，仍然超过A城区现有断路器20kA的遮断水平。
至此可知，寻找降低短路电流水平的措施是A城区双环网架采用合环运行的关键。常规的限流措施有：电网分层分区运行，合理规划电源接入系统方式，提高电压等级和发展直流输电；拉停开关、线路，变电站采用母线分裂运行，采用高阻抗设备和加装短路电流限制器。前四种属于从改变电网结构层面考虑的限流措施，因改变电网结构对电网将产生较大的影响，故不予与采用。而拉停开关、线路与提高配电网可靠性的预期目标相反，故也不采用。
在借鉴变电站采用母线分裂运行、采用高阻抗设备和加装短路电流限制器三种措施的基础上，以增大系统阻抗为目的，首次提出了开关站母线分段运行的限流措施，并将变电站采用母线分裂运行和开关站母线分段运行并称为改变中压配电网的运行方式，故接下来从原理上论证改变中压配电网的运行方式、变电站采用高阻抗变压器以及变电站加装短路电流限制器三种措施可以有效降低系统的短路电流(不考虑短路的暂态过程)。
1)改变中压配电网的运行方式增加系统阻抗
变电站母线分列运行、开关站母线分段运行均可明显增加系统阻抗，有效降低短路电流。两者混合的运行方式更能有效降低短路电流。
下面定性分析变电站母线分列与开关站母线分段的混合运行方式对短路电流的控制作用。以图8所示系统结构为例：包括变电站A、开关站A、变电站B、开关站B，可得改变中压配电网的运行方式后开关站A的I I母出线发生三相短路时的短路电流明显小于改变中压配电网运行方式之前的短路电流，具体分析如下：
改变中压配电网的运行方式前：
改变中压配电网的运行方式后：
其中，If指开关站A的II母出线发生三相短路时(如图8中f处)的短路电流，E1、E2指两个电源点的等效电动势，ZT11、ZT12、ZT21、ZT22指的是变电站变压器的等效阻抗，ZL11、ZL12、ZL21、ZL22指的是变电站到开关站的线路等效阻抗，Z12指的是开关站相连线路的等效阻抗。
2)采用高阻抗变压器增加系统阻抗
110kV变压器10kV低压侧的短路电流和10kV分区电网的短路电流都要从110kV变电站的变压器通过。以图8所示等效电路图为例，开关站A的II母出口线路发生短路时的短路电流与变压器阻抗ZT成反比，具体分析如下：
变压器采用高阻抗变压器时，ZT11//ZT12和ZT21//ZT22都将增大，进而导致If降低。因此选用高阻抗变压器能够控制系统的短路电流。
3)采用限流电抗器以增加系统的阻抗
110kV变压器10kV低压侧的短路电流和10kV分区电网的短路电流都要从110kV变电站的变压器通过。同样以图8所示系统结构为例，开关站A的I I母出口线路发生短路时的短路电流与变压器回路阻抗成反比，在110kV变电站的变压器回路加装限流电抗器前的短路电流如下：
在110kV变电站的变压器回路加装限流电抗器后的短路电流表达式如下：
其中ZK指变电站内部装设的限流电抗器的阻抗值。
很明显，在110kV变电站的变压器回路加装限流电抗器能够控制系统的短路电流。
由以上分析可知，上述3种措施均可有效降低电网的短路电流，即
1)采用改变中压配电网的运行方式以增大系统阻抗；
2)采用高阻抗变压器增加系统阻抗；
3)采用限流电抗器以增加系统的阻抗。
单独将1)用于A城区实际的双环网架合环运行模型时，经过PSASP仿真计算可知，此时A城区10kV配电网的最大短路电流仍将达到27.36kA，超出了现有断路器20kA的遮断能力。故单独采用方法1)并未能有效的降低短路电流至合理的水平。
单独将2)用于A城区实际的双环网架合环运行模型时，为了将A城区10kV配电网的最大短路电流限制到20kA的水平，需采用标幺值XT*＝1.4的三相绕组变压器，远远超出了XT*＝0.25左右的正常水平，故单独采用方法2)也不可行。
单独将3)用于A城区实际的双环网架合环运行模型，采用PSASP进行仿真计算时，通过增大线路电抗的方式，模拟限流电抗器的安装。为了实现环网的整体短路水平降到20kA，仿真中的电抗器标幺值设为XK*＝1.2。双环网结构的线路型号为YJV-300，对应最大载流量为485A，则限流电抗器的额定电流取为485A。代入百分电抗计算公式得：
式中，Ub为基准电压，单位为kV；Sb为基准容量，单位为MVA；UNK为电抗器的额定电压，单位为kV；INK为电抗器的额定电流，单位为kA；XK％为电抗百分值。
电压损失校验：
正常工作时，电抗器的电压损失不得大于额定电压的5％。电压损失的计算公式如下：
式中，Igmax为电抗器的持续最大工作电流，单位为A；ψ为负荷功率因数角，一般约等于36.78°；XK为电抗器的阻抗值。
将计算得到的电抗百分数代入电压损失校验，得：
故单独采用方法3)也不合理。
故必须采用方法1)至方法3)的组合进行A城区短路电流的限制，经算例仿真可知，方法1)改变中压配电网的运行方式以增大系统阻抗的方法不仅成本低，而且短路电流限制效果极好，故用作A城区双环网架合环运行时的短路电流必选抑制措施，故提出了以下三种限制短路电流措施的组合：
方案一：方法1)+方法3)
方案二：方法1)+方法2)
方案三：方法1)+方法2)+方法3)
以下简称三种方案为：
方案一：在110kV变电站回路加装限流电抗器；
方案二：采用高阻抗变压器；
方案三：同时采用高阻抗变压器和在110kV变电站的变压器回路加装限流电抗器。
三种方案通过选取合理的参数，均可以有效的将短路电流降低至20kA，同时系统的电压损耗、功率损耗、电压水平等也均能满足要求。从经济性角度对三种方案进行简要的定性分析，在满足电网安全、可靠和稳定运行的基础上推荐A城区双环网架环型供电中采用方案一。
故提出的A城区中压配电网双环网架合环运行模型仍如图5所示，不过内部结构做了如图6所示的变化：图6以外环的大坡变和城东变供电区域为例给出了部分变电站至开关站和开关站至开关站的内部连接结构图，110kV大坡变10kV侧的母线Ⅰ和Ⅱ分别连接清江开关站、状元府开关站、酒厂开关站的母线Ⅰ和Ⅱ供电；110kV城东变10kV侧的母线Ⅰ和Ⅱ分别连接沁园宾馆开关站、二龙开关站、市郊局开关站、岔路口开关站、州卫校开关站的的母线Ⅰ和Ⅱ供电；各开关站的同一段母线之间环状连接。其中开关站内部的分段母联开关断开，110kV变电站的10kV侧母联断开。A城区最终双环网架合环运行配电网示意图如图7所示，包括了外环和内环的双环网架。
第四步，A城区双环网架合环运行可行性分析：网架结构是中压配电网的筋骨，坚强的网架是电网安全可靠、经济优质运行的基础，因此网架结构是否坚强，是否能经受系统中发生大的扰动的考验，成为规划网架能否投入运行的决定性因素。接下来从建设可行性、负荷分布、潮流特性、短路电流水平、静态安全分析以及可靠性分析、可扩展性分析7个方面对所提出的A城区双环网架合环运行模型进行分析。
(1)建设可行性
对A城区建成的网架结构的110kV变电站出线间隔利用情况进行分析，7座变电站的间隔平均利用率为52.4％，最大的间隔利用率为城东变的75％，故给城区供电的七座110kV变电站出现间隔是完全满足要求的。
对A城区建成的网架结构的环网布线通道可行性进行分析，结果表明该环网是可建设的。
(2)负荷分布
A城区年负荷预计将达到178MW，预计负荷的分布情况是内环负荷达到72MW，外环负荷达到106MW。双环网结构供电模型在满足静态潮流安全分析的基础上对内外环的负荷推荐了一组值，即内环开关站可带负荷90MW,应对未来A城区在年负荷突增18MW的极端情况；外环开关站带负荷132MW。
潮流特性
城区双环网供电电源有7座，110kV变电站到开关站线路共有66条。导线型号推荐使用YJV-300型号，该型号的载流量485A，最大载荷量为8.5MVA，最大通过的有功功率为8MVA(按功率因数不大于0.95)。单回线路最大有功功率为5.537MW,不超过8MW，满足线路的热稳极限。开关站之间线路的最大潮流为3.477MW，同样也不超过8MW，满足线路的热稳极限。
(3)短路电流水平
对A城区110kV变电站低压母线侧加装限流电抗器后的双环网进行三相短路分析，其中母线名表示发生三相短路的母线。可以看出，此时金泉变10kV母线发生三相短路时短路电流最大，为16.94kA，但仍然满足断路器20kA开断能力的要求。
(4)静态安全分析
A城区配电网是一个典型的受端电网，因此城区电网不存在功角稳定及暂态稳定问题，故A城区电网的坚强性主要考虑其静态安全问题。
选取开关站之间功率超过3MW和变电站与开关站之间功率超过5MW的线路作为考虑对象，对其分别进行静态安全分析。结果表明，所有线路均满足N-1校验，无线路过载(以N-1后无线路有功超过8MW为校验标准)。以城中变10kV母线——文化南路开关站为例，N-1故障前后网络中功率变化超过1MW的线路中，最大变化量为2.843MW，N-1后线路功率大于4MW的所有线路中，线路最大有功功率为5.686MW，满足线路热稳定极限。
(5)可靠性分析
经济性和可靠性是电力系统的两个非常重要的指标，但同时也是相互矛盾的两个指标。目前国内外对这两方面都进行了非常多的研究，但综合考虑两者的研究却不多，本分析结合了可靠性和经济性两项指标对A城区双环网架合环运行模型进行评估。
A城区电网采用合环运行闭环运行方式可有效地减少停电范围和时间，提高供电可靠性，增加供电量。采用这种运行方式，可以充分地利用现有的网络资源，使用户获得两个或更多个电源供电，在提高了供电的可靠性的同时，也大大节省了投资。
基于最小路集最小割集的可靠性评估模型和基于总拥有费用的经济性评估模型分析表明，A城区中压配电网双环网模型合环运行为可靠性经济性最优的供电方案，此时供电可靠性为99.998510％，相比巴黎的99.994％，日本东京99.9914％、英国伦敦的99.9914％而言，本发明提出的供电模型可靠性经济性达到了世界先进水平。
综上，从建设可行性角度分析，该网架结构在工程建设中是可行的，而且此时的内外双环的带载能力也完全满足2015年A城区增长的负荷需求。同时，通过对该A城区双环网进行潮流特性分析、短路电流分析和静态安全分析，从PSASP仿真结果可知，该网架潮流分布合理、短路水平合理、能满足N-1校验。最后基于经济性可靠性双重评估分析表明本发明所提出的A城区重压配电网双环网架合环运行模型不仅建设成本低而且可靠性达到了世界先进水平。因此从建设可行性、负荷需求、潮流、短路、静态安全分析和可靠性分析的角度，A城区双环网进行合环运行是可行的。
(6)可扩展性分析
由附图7中A城区双环网架合环运行模型示意图可知，所提出的A城区中压配电网双环网架合环供电模型具有很强的独立扩展性，随着城区的不断扩大，可以以市区为中心逐环扩展建设，而且各个独立的环型配电网在故障时还可以互相支援，使得A城区配电网相比国内外现有的中压配电网模型更加的“坚强”、“可靠”。
本发明实施例提供了一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，包括：设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；每个环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；变电站的母线Ⅰ与开关站的母线Ⅰ连接，用于为内部子环Ⅰ供电，变电站的母线Ⅱ与开关站的母线Ⅱ连接，用于为内部子环Ⅱ供电；在正常运行状态时，变电站母联开关和开关站母联开关均为断开状态。本发明实施例中通过由开关站之间“手拉手”形成环形结构，且变电站分别对分段运行的开关站进行供电，形成一个由开关站的母线Ⅰ和母线Ⅱ各自独立成环的环状配电网架，且该环状配电网架可根据城市地理环境以及电网建设的具体情况进行拓展，形成具有1个以上的环的多环结构，使得在某一环出现问题时，从其他环进行转供电，进一步提高配电网的供电可靠性，本发明实施例提供的可扩展的多环形城市中压配电网系统属环型结构合环运行配电网，除满足传统安全性指标如线路及变电站的N-1、短路电流在传统断路器的遮断能力内外，还具有变电站负载率均衡、间隔利用率高、电源深入负荷中心、供电区域清晰、运行方式灵活、可扩展性强等特点，解决了国内现有的辐射状配电网网架结构薄弱、负载率高、可靠性低、恢复供电时间长的技术缺陷。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，包括：
设置有1个或1个以上的环的环状配电网架；
所述环状配电网架的每个环内包括有至少1个变电站和至少两个开关站，所述变电站的10kV侧设置有通过变电站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ，所述开关站内部设置有通过开关站母联开关连接的母线Ⅰ和母线Ⅱ；
每个所述环内的所有开关站的母线Ⅰ连接构成独立的内部子环Ⅰ，每个所述环内的所有开关站的母线Ⅱ连接构成独立的内部子环Ⅱ；
所述变电站的母线Ⅰ与所述开关站的母线Ⅰ连接，用于为所述内部子环Ⅰ供电，所述变电站的母线Ⅱ与所述开关站的母线Ⅱ连接，用于为所述内部子环Ⅱ供电；
在正常运行状态时，所述变电站母联开关和所述开关站母联开关均为断开状态。
2.根据权利要求1所述的可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，所述变电站的变压器分列运行。
3.根据权利要求1所述的可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，所述环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间的位置关系为内外嵌套的连接关系。
4.根据权利要求3所述的可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，所述环状配电网架设置有1个以上的环时，环与环之间通过电力开关相连接。
5.根据权利要求4所述的可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，所述电力开关为断路器。
6.根据权利要求1或3所述的可扩展的多环形城市中压配电网系统，其特征在于，所述变电站的变压器回路装设有短路限流器；
和/或
所述变电站的变压器采用高阻抗变压器。
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