含微网的配电网接线模式探讨

第 32 卷 第 1 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.32 No.1 Jan.5, 2012 2012 年 1 月 5 日 Proceedings of the CSEE ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 17 文章编号： 0258-8013 (2012) 01-0017-07 中图分类号： TM 71 文献标志码： A 学科分类号： 470·40 含微网的配电网接线模式探讨 缪源诚 1 ，程浩忠 1 ，龚小雪 1 ，王立峰 2 ，姚良忠 3 ，Bazargan Masoud 3 (1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 (上海交通大学 )，上海市 闵行区 200240； 2．上海市电力公司浦东供电公司，上海市 浦东区 200122； 3．阿尔斯通电网研究与技术中心，英国 斯塔福德 ST17 4LX) Evaluation of a Distribution Network Connection Mode Considering Micro-grid MIAO Yuancheng 1 , CHENG Haozhong 1 , GONG Xiaoxue 1 , WANG Lifeng 2 , YAO Liangzhong 3 , Bazargan Masoud 3 (1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Pudong Power Supply Company, Pudong District, Shanghai 200122, China; 3. ALSTOM Grid Research distribution network; connection mode; reliability; evaluation 摘要： 随着微网技术的发展，更多电力用户倾向于使用微网 这一新型供电模式以提升供电可靠性。传统配电网接线模式 是否能适应微网用户的实际需要已成为电网规划中的棘手 基金项目： 国家重点基础研究发展计划项目 (973 项目 ) (2009CB219703)；国家自然科学基金项目 (51077091)。 The National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB219703); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077091). 问题。为此，完成了基于接线模式的配电网规划，并通过建 立隶属度函数从最大短路电流、最大支路电压降落、系统平 均供电可靠率指标、单位负荷年费 4 个方面对含微网以及不 含微网的各种配电网接线模式进行综合评价，由此给出含微 网的配电网接线模式推荐意见。评价结果表明，从“单位微 网容量 (成本 )对可靠性提升幅度”这个角度来看，单电源辐 射状接线模式更适合使用微网的供电区域，如果从“综合评 估最优”这个角度来看，不同母线出线连接开关站这一接线 模式能最大限度地满足重要用户对于供电质量的需求。 关键词： 微网；配电网；接线模式；可靠性；综合评价 0 引言 微网，也称微电网，是指由分布式电源、储能 装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置 汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我 控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网 并网运行，也可以孤立运行，是智能电网的重要组 成部分。 微网能充分发挥分布式电源 (distributed generation， DG)的作用，减弱电压波动和闪变现 象 [1] ，改善电能质量，提高供电可靠性。为了更好 地满足电力用户的需求，微网应运而生并很快成为 国内外电气工程研究领域的最新前沿课题之一。 微网的诞生解决了电力系统与分布式电源间 的矛盾，可提高分布式电源为电力系统和用户所带 来的技术经济效益，并提高电力系统运行的灵活 性、可控性和经济性。从大电网侧来看，微网可视 为电力系统的“可控移动硬盘” ，可 以 在 数 s 内做出 18 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 响应以满足传输系统的需要；从用户负荷侧来说， 微网可视为一个可定制电源，以满足用户多样化的 需求，如增强局部供电可靠性、降低电损耗、支持 当地电压、通过废热利用提高效率或作为不可中断 电源等。微网具有不同的运行工况：与电力系统并 网时，是一个可调度电源或负荷，用户可从配电网 和微网 2 方面获得电能供给；孤岛运行时则构成一 个孤立系统，需要平衡电源的发电出力和负荷的用 电需求。两者之间的切换必须平滑而快速。微网还 可通过注入或吸收有功功率和无功功率使大电网 的电压和频率保持在稳定值，从而为电力系统提供 电压和频率控制 [2] 。 随着微网技术日趋成熟，更多的重要用户开始 将微网作为一种可选的供电方式。由于微网是配电 网的重要组成部分，因此配电网接线模式的选择也 是一个非常重要的方面。传统的配电网接线模式是 否能适应微网用户的需求已成为电网规划阶段急 需解决的问题。文献 [3]从经济性、可靠性、网损率 和母线电压水平等方面对城市中压 10  kV 配电网络 常用接线模式进行了分析比较和研究；文献 [4]综合 考虑了配电网接线模式的安全性、可靠性和经济性 等，提出了一种配电网接线模式的综合评价体系； 文献 [5]在不同供电区域负荷密度和不同变电所容 量条件下，对中压配电网常见的几种接线模式进行 了经济性和可靠性计算分析；文献 [6]进行了配电网 规划中接线模式的相关研究，提出了配电网中配电 站布点及其网架和联络线设计的优化模型。 上述文献均从不同角度比较了配电网接线模 式的优缺点，并提出了不同接线模式适用的供电区 域，但均未涉及微网的加入对接线模式的影响。为 此，本文在配电网规划过程中考虑基于微网的配电 网接线模式，对各种可能接线模式进行定量分析， 提出符合微网供电要求的接线模式。 1 典型配电网接线模式分析 1.1 接线模式的选择 对配电网而言，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， 而且也关系到供电的可靠性，还对整个电力工业和 用户的发展具有重要意义。选择配电网接线模式时 须考虑供电可靠、运行灵活、基建投资省、运行费 用低等基本要求。配电网的接线模式除了典型的辐 射状结构之外，还包括多种接线结构：不同母线出 线的环式接线、不同母线出线连接开关站接线、中 介点放射状、树状、Ｔ接线等多种模式。考虑到微 网用户大多作为重要电力负荷往往处于城市中心， 因此对 3 种城市 10  kV 配电网中具有代表性的接线 模式 [7] (即单电源辐射接线、不同母线出线的环式接 线以及不同母线出线连接开关站接线 )进行分析。 1.2 单电源辐射接线 如图 1 所示，单电源辐射接线的优点是比较经 济，配电线路较短，投资小，新增负荷时连接也比 较方便，但其缺点主要是故障影响时间长、范围较 大，供电可靠性较差。当电源故障时也将导致全线 瘫痪。 母线 线路 图 1 单电源辐射接线模式 Fig. 1 Radial connection mode 如果在含微网的供电区域中使用这一接线模 式，那它在继承了单电源辐射接线模式传统优点的 同时，通过微网的孤岛运行能力，还提高了关键负 荷的供电可靠性。可以预见，在微网发展成熟的将 来，该接线模式将会有广泛的应用。 1.3 不同母线出线的环式接线 如图 2 所示，这一接线形式中有 2 个电源 (可以 取自同一变电所的 2 段母线或不同变电所 )。 通常情 况下，一般采用开环运行方式，其供电可靠性较高， 运行比较灵活。 母线 1 线路 1 母线 2 线路 2 图 2 不同母线出线的环式接线模式 Fig. 2 Ring connection with two sources 如果在含微网的供电区域中使用这一接线模 式，可靠性势必能得到进一步的提高，但需要注意 的是，由于其投资相比单电源辐射接线模式提升较 大，经济性势必会有所下降。因此应综合考虑用户 对经济性和可靠性的实际需求来确定是否使用此 类接线模式。 1.4 不同母线出线连接开关站接线 如图 3 所示，这种接线模式实际上就是从同一 变电所的不同母线或不同变电所引出主干线并连 接至开关站，再从开关站引出线路带负荷。在这里 第 1 期 缪源诚等：含微网的配电网接线模式探讨 19 母线 1 线路 1 母线 2 线路 2 开关站 图 3 不同母线出线连接开关站接线模式 Fig. 3 Switch substation with two sources 每个开关站具有两回进线，开关站出线采用辐射状 接线方式供电。特殊情况下，开关站出线间也可以 形成小环网，进一步提高可靠性。 如果在含微网的供电区域中使用这一接线模 式，可靠性将能得到保障，并且其投资相比不同母 线出线的环式接线模式也相差不大。由于含微网供 电区域中的电力用户通常对可靠性具有较高的要 求，因此该接线模式也具有广阔的应用空间。 2 基于接线模式的配电网规划 2.1 配电网规划模型 2.1.1 目标函数 为了对典型的接线模式进行定量分析，提出符 合微网供电要求的接线模式，有必要对某典型供电 区域进行配电网规划，随后在规划的基础上对各项 指标进行综合评估。由于配电网各项指标与待规划 地域的地理位置、负荷性质等密切相关 [8] ，因此无 法用一个实际地域对各种配电网典型接线模式进 行客观的评价。针对这样的情况，本文假设待规划 的典型供电区域是以一定的半径值形成的一个圆 域。变电站布点也不考虑实际可用站址问题，而是 全部基于均匀分布的原则进行布点。 本文考虑到一旦变电站布点完成后，各供电模 式下的变电站造价将固定，因此在目标函数中将不 考虑变电站造价。采用的优化规划目标函数定义为 线路投资和约束条件越限的惩罚项之和： cc 11 1 cost load () min mm n ii i i i i TZ k P Q k U Z T       (1) 式中： T i 为新建支路 i 的投资费用； Z i 为架设的线 路；当支路 i 新建时取 1，否则取 0； P i 为支路有 功越限量； Q i 为支路无功越限量； U i 为节点电压 幅值越限量； k c 为越限量惩罚系数，应取为一个足 够大的数，使得当约束条件越限时，目标函数显著 减小； T load 为系统总负荷量。 2.1.2 约束条件 1）连通性网络约束。 2）辐射性网络约束 (运行状态下 )。 3）一个负荷点至少有一个变电站供电约束。 4）节点 i 的功率平衡方程，即潮流约束： IO ij ij i ji ji P PD      (2) 式中 i I 、 i O 分别为与 i 相邻的节点中电流流入 i、流 出 i 的所有节点。 5）节点电压不等式约束： U imin   U i   U imax (3) 6）导线电流约束或功率约束： max max 0 0 ij ij ij ij II PP       (4) 7）变电站容量约束： P Timin   P Ti   P Timax (5) 2.2 配电网规划流程 通过程序实现整个规划流程，以达到灵活控制 的效果。程序总体流程为： 1）建立配网规划目标函数和约束条件。 2）设定接线模式 (单电源辐射接线、不同母线 出线的环式接线、不同母线出线连接开关站接线 )。 3）在选定的接线模式下，建立规划区域，并 完成变电站的均匀布点。 4）采用遗传算法进行负荷点及站点之间的 连线 [9] 。 5）输出该接线模式下的规划结果。 3 基于接线模式的典型配电网综合评估 3.1 评价指标 在得到典型配电网的拓扑网络后，需要对其进 行综合评估，以便选取最适合微网用户的供电模 式。为全面地对配电网进行评价，本文考虑的评价 指标项 [10] 有： 1）最大短路电流 I max ； 2）最大支路 电压降落 U max ； 3）系统平均供电可靠率指标 (average service availability index， ASAI)； 4）单位 负荷年费 C。 依据国内某供电公司同业对标指标评价报告 中的相关规定，各项评价因素权重如表 1 所示。 综合指标的计算方法为 4 1 ii i     每种供电模式得分 (6) 20 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 表 1 各项评价因素的权重因子取值表 Tab. 1 Weighing coefficients of evaluation 项目 权重因子   i 最大短路电流 I max  1 0.173 最大支路电压降落 U max  2 0.106 系统平均供电可靠率指标 ASAI  3 0.424 单位负荷年费 C  4 0.297 最终得分最高的供电模式为最优供电模式。 3.2 隶属度函数 3.2.1 最大短路电流 I max 本文认为短路电流指标在允许范围之内，则其 满意度为 1，若短路电流指标超出允许范围，则其 满意度为 0，由此得到以下隶属度函数： min max min max 1, 0, III I III       或 (7) 式中 I max 为系统最大允许短路电流。 3.2.2 最大支路电压降落 U max 本文认为支路电压降落越小，其满意度越高， 当支路电压降为 0 时，其满意度为 1，而当支路电 压降落超出电力系统允许的范围时，其满意度为 0， 由此得到所示的隶属度函数： max max m max m 1 ,0 e 0, aU UU UU            (8) 式中 U m 为系统允许的最大电压降。 3.2.3 系统平均供电可靠率指标 ASAI 本文认为 ASAI [11] 指标越高，其满意度越高： 当达到 100%时，满意度为 1；当 ASAI 低于电力系 统运行要求时，满意度为 0。由此得到所示的隶属 度函数： 00 0 0 sin[ ]( ), 100 2(100 ) 0, xx x x x xx          (9) 由于本文的对象是含微网的配电网，其对可靠 性的要求通常较高，因此，取 x 0   99.99%时，隶属 度为 0。 3.2.4 单位负荷年费 C 一般来说，对单位负荷年费用的满意度用降梯 形函数来描述。当单位负荷年费用小于等于 C min 时，令满意度等于 1； 当年费用高于某个值 C max 时， 满意度等于 0。当单位负荷年费用处于 C min 和 C max 之间时，满意度和费用之间呈线性递减的关系，即 min max min max max min max 1, , 0, CC CC CCC CC CC             (10) 考虑微网投资根据不同的用户需求变化较大， 取 C min   1 万元 /MW， C max   100 万元 /MW。 4 基于接线模式的典型配电网综合评估 4.1 理论分析模型 通常，中压配电网的上级电源为 110  kV/35  kV 变电站，其供电面积可以认为是一个圆，供电区域 内负荷均匀分布。 根据上述供电模型，对各种接线模式进行供电 可靠性、供电质量和电网经济性等定量指标进行理 论计算的边界条件界定如下： 1）负荷密度。为反映不同负荷密度对指标的 影响 [12] ，本文中考虑 30、 50  MW/km 2 两种不同的 负荷密度。 2）电源容量及负载率。 110  kV 变电站规模选 取 3    40  MVA，主变压器负载率为 66.7%； 35  kV 变电站容量为 3    31.5  MVA，主变压器负载率为 66.7%； 10  kV 变电站容量为 2    0.8 MVA，主变压 器负载率为 65%。 3）变电站功率因数统一取为 0.95，线路功率 因数统一取为 0.90。 4）线路类型。 10  kV 电缆线路的线型统一取为 YJV22–3300，导线载流量为 552  A。 5）接线模式均取其最高负载率，单电源辐射 状接线负载率取为 100%，不同母线出线的环式接 线负载率取为 50%，不同母线出线连接开关站接线 中的开关站每回进线负载率取为 50%。 6）含微网的各种接线模式中，微网在所有负 荷中所占比重、类型及运行控制方式均统一。 4.2 指标计算结果 配电网不同接线模式在负荷密度为 30  MW/km 2 时的各项指标计算结果如表 2 所示。 配电网不同接线模式在负荷密度为 50  MW/km 2 时的各项指标计算结果如表 3 所示。 4.3 指标结果分析 通过上述指标计算，分析如下： 1）在相同电压等级的不同接线方式中，不同 母线出线连接开关站接线 (含微网 )单位负荷年费用 最高，单电源辐射接线单位负荷年费用最低。含微 网的接线模式相比不含微网的接线模式，单位负荷 第 1 期 缪源诚等：含微网的配电网接线模式探讨 21 表 2 接线模式指标列表 (负荷密度 30  MW/km 2 ) Tab. 2 Calculation results of different connection modes (load density is 30  MW/km 2 ) 接线方式 ASAI/% 单位负荷 年费用 / (万元 /MW) 最大短 路电流 / kA 支路电压 降落 /% 综合 指标 单电源辐射接线 (方式 1) 0.999  884  0 23.373  000 5.613 0.079  207 0.505  8 不同母线出线 环式接线 (方式 2) 0.999  917  0 24.887  420 5.621 0.052  340 0.614  8 不同母线出线连接 开关站接线 (方式 3) 0.999  961  0 24.541  880 5.712 0.114  192 0.849  3 单电源辐射 (含微网 ) (方式 4) 0.999  919  3 29.187  300 5.911 0.022  043 0.617  4 不同母线出线环式 接线 (含微网 ) (方式 5) 0.999  941  9 31.078  415 6.012 0.028  382 0.744  4 不同母线出线连接 开关站接线 (含微网 ) (方式 6) 0.999  973  0 30.646  918 6.212 0.036  701 0.872  5 表 3 接线模式指标列表 (负荷密度 50  MW/km 2 ) Tab. 3 Calculation results of different connection modes (load density is 50  MW/km 2 ) 接线方式 ASAI/% 单位负荷 年费用 / (万元 /MW) 最大短 路电流 / kA 支路电压 降落 /% 综合 指标 单电源辐射接线 (方式 1) 0.999  892  0 16.075  607 5.623 0.094  390 0.528  3 不同母线出线 环式接线 (方式 2) 0.999  920  0 16.093  562 5.633 0.066  202 0.660  0 不同母线出线连接 开关站接线 (方式 3) 0.999  964  0 16.299  702 5.732 0.082  327 0.885  9 单电源辐射 (含微网 ) (方式 4) 0.999  924  0 20.074  575 5.924 0.076  355 0.672  8 不同母线出线环式 接线 (含微网 ) (方式 5) 0.999  944  0 20.097  000 6.035 0.063  238 0.787  3 不同母线出线连接 开关站接线 (含微网 ) (方式 6) 0.999  974  8 20.354  416 6.251 0.086  362 0.906  9 年费用有比较显著的提升，主要原因在于微网中分 布式电源的投资成本较大。负荷密度为 50  MW/km 2 时的单位负荷年费用对比如图 4 所示 (序号同表 2， 下同 )。 2）所计算的各种接线方式中，可靠性从低到 高依次为单电源辐射接线模式、不同母线出线的环 式接线模式、含微网的单电源辐射接线模式、含微 网的不同母线出线的环式接线模式、不同母线出线 接线方式 可靠性 0.999  6 1 0.999  7 0.999  9 1.000  0 3 4 625 0.999  8 图 4 单位负荷年费用对比 Fig. 4 Comparison of annual fee per load unit 连接开关站的接线模式、含微网的不同母线出线连 接开关站接线。具体如图 5 所示。 接线方式 可靠性 0.999  6 1 0.999  7 0.999  9 1.000  0 3 4 625 0.999  8 图 5 可靠性指标 (ASAI)对比 Fig. 5 Comparison of ASAI 3）传统的接线方式中加入微网，各种接线方 式可靠性均有不同程度的提高，其中对单电源辐射 状接线的可靠性提升幅度最大，如图 6、 7 所示。 负荷密度 /(30  MW/km 2 ) AS A I 0.999  8 放射状接线 1.000  0 连接开关站接线环式接线 0.999  9 不含微网 含微网 图 6 加入微网前后 ASAI 对比 (30  MW/km 2 ) Fig. 6 Comparison of ASAI when the load density is 30  MW/km 2 负荷密度 /(50  MW/km 2 ) AS AI 0.999  8 放射状接线 1.000  0 连接开关站接线环式接线 0.999  9 不含微网 含微网 图 7 加入微网前后 ASAI 对比 (50  MW/km 2 ) Fig. 7 Comparison of ASAI when the load density is 50  MW/km 2 22 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 5 结论 传统的配电网接线模式是否能适应微网用户 的需求已成为电网规划阶段急需解决的问题。本文 针对几种常见的配电网接线模式进行了描述，在此 基础上完成了基于接线模式的配电网规划，并通过 建立隶属度函数对每一种接线模式 (包括加入微网 ) 从最大短路电流 I max 、最大支路电压降落 U max 、 系统平均供电可靠率指标 ASAI 和单位负荷年费 C 这 4 项指标进行了计算分析。 结果表明，在传统接线模式中加入微网，其单 位负荷年费用有所增加，同时其可靠性也有一定提 高。由于不同的供电区域对于可靠性的需求不同， 因此应根据实际要求选择合适的接线模式。其中， 单电源辐射状接线模式在加入微网后可靠性提升 幅度最大，那么从“单位微网容量 (成本 )对可靠性 提升幅度”这个角度来看，单电源辐射状接线模式 更适合使用微网的供电区域。如果以综合评价得分 最高的角度来考虑，不同母线出线连接开关站这一 接线模式在加入微网后虽然可靠性提升幅度不大， 但由于其综合评估最优，仍然能最大限度地满足重 要用户对于供电质量的需求。 微网技术正日新月异地发展，但由于微网内部 结构及其标准尚不成熟，本文并未考虑配电网接线 模式对继电保护配置的影响，随着微网技术的不断 成熟，继电保护与配电网接线模式之间的相互配合 将成为下一步的研究重点。 参考文献 [1] 裴玮，盛鹍，孔力，等．分布式电源对配网供电电压质 量的影响与改善 [J]．中国电机工程学报， 2008， 28(13)： 152-157． Pei Wei， Sheng Kun， Kong Li， et al． Impact and improvement of distributed generation on distribution network voltage quality[J]． Proceedings of the CSEE， 2008， 28(13)： 152-157(in Chinese)． [2] Perea E， Oyarzabal J M， Rodriguez R， Definition， evolution， applications and barriers for deployment of microgrids in the energy sector[J]． Elektrotechnik und Informationstechnik， 2008， 125(12)： 432-437． [3] 陈庭记，程浩忠，何明，等．城市中压配电网接线模式 研究 [J]．电网技术， 2000， 24(9)： 35-38． Chen Tingji， Cheng Haozhong， He Ming， et al． Research on connection mode of urban middle voltage distribution networks[J]． Power System 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Shanghai Pudong Power Supply Company, Pudong District, Shanghai 200122, China; 3. ALSTOM Grid Research distribution network; connection mode; reliability; evaluation The selection of connection mode is a very important aspect for the distribution network, because it not only influences the economy of the power grid construction, but also has great significance to the reliability of power supply. Taking into account the most microgrid power users who are considered as important power customers inhabited in urban areas, three 10  kV connection modes i.e. radial connection, ring connection with 2 sources and switch substation with 2 sources that are typically used in urban areas are analyzed. Firstly, the automated distribution network planning for the “normal power supply area” and the “microgrid power supply area” has been executed respectively. In the “normal power supply area”, all loads are non-microgrid power users; and in the “microgrid power supply area”, some of the users are replaced by the microgrid power users. Then, based on the network planning, an evaluation considering 4 indices can be accomplished. The indices are maximum short-circuit current, maximum voltage drop, average service availability index (ASAI) and annual fee per load unit. The objective function of the optimal planning is defined as line investment plus penalty terms when the variables exceed the constraint conditions: 11 1 cost load () min mm n ii i i i i T Z kc P Q kc U Z T       In this paper, the coefficients are calculated on the basis of the benchmark data of Shanghai Municipal Electric Power Company. The weight coefficient of each index is presented as Tab. 1. Tab. 1 Weighing coefficients of evaluation Name of indices Value of coefficients  i Maximum short-circuit current I max  1 0.173 Maximum voltage drop U max  2 0.106 Average service availability index ASAI  3 0.424 Annual fee for unit load C  4 0.297 Through the index calculation result is shown in Fig. 1. Load density/(30  MW/km 2 ) AS AI 0.999  8 Radial connection 1.000  0 Switch substation Ring connection 0.999  9 In normal power supply area In microgrid power supply area Fig. 1 Comparison of ASAI by the load density at 30  MW/km 2 The result shows that the connection mode, which used in “microgrid power supply area”, has better reliability but poorer economical efficiency compared with the same connection mode used in the “normal power supply area”. The radial connection has the largest increase of power reliability when used in the “microgrid power supply area”. Therefore it’s more suitable when considering economical efficiency. If the reliability has the highest priority in a “microgrid power supply area”, the switch substation with 2 sources can meet the highest reliability requirement of the important power users.