北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)電纜雙環(huán)網(wǎng)與電纜直配雙射網(wǎng)的運(yùn)行對比分析

(國網(wǎng)北京市電力公司亦莊供電公司，北京 100176)

0 引 言

現(xiàn)代城市配電網(wǎng)主要以電纜網(wǎng)為主。其中，10 kV電纜網(wǎng)肩負(fù)著向高壓電力用戶提供電能的重任。北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的用電客戶絕大多數(shù)是知識和技術(shù)密集型企業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代高新技術(shù)企業(yè)對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高[1]。因此，對城市地區(qū)10 kV電纜網(wǎng)供電方式的研究分析具有十分重要的意義。

北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)10 kV電網(wǎng)是比較典型的電纜配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中以電纜雙環(huán)網(wǎng)接線方式為主，并輔以少數(shù)開閉站(變電站)出線的電纜直配雙射網(wǎng)方式。近年來，北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)逐步完成了自動(dòng)化改造。在經(jīng)過兩年多的運(yùn)行中，積累了大量珍貴的調(diào)控運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些明顯的不足。因此，有必要通過對電纜雙環(huán)網(wǎng)接線方式和開閉站(變電站)出線的電纜雙射網(wǎng)直配方式進(jìn)行對比分析，為城市配電網(wǎng)的規(guī)劃、發(fā)展和運(yùn)行提供科學(xué)合理的指導(dǎo)建議。

1 基本方式介紹

通常情況下，北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)是由一座變電站不同母線出線的一組電纜雙射線路與另外一座變電站出線的一組雙射線路之間安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)(一側(cè)常開，另一側(cè)常閉)組成[2]。正常方式運(yùn)行時(shí)，線路上的每一個(gè)用戶都由同一座變電站的不同母線供電。見圖1所示。

圖1 電纜雙環(huán)網(wǎng)

開閉站(變電站)出線的電纜直配雙射網(wǎng)方式由開閉站或者變電站不同母線饋出兩條電纜專路，為用戶提供雙路電源[3]，見圖2所示。

圖2 電纜直配雙射網(wǎng)方式

2 對比分析

2.1 供電可靠性和靈活性

電纜雙環(huán)網(wǎng)上的每一個(gè)用戶理論上可以具備4個(gè)供電電源，極端情況下，可以滿足N-3方式運(yùn)行，具備非常強(qiáng)的供電可靠性和方式變化的靈活性。但是為滿足N-3情況下運(yùn)行，雙環(huán)網(wǎng)4條線路平均負(fù)載率最大限度僅為25%。若只滿足N-2運(yùn)行，則線路平均負(fù)載率上限可達(dá)到50%。若進(jìn)一步放寬至滿足N-1，那么線路平均負(fù)載率上限可達(dá)到75%[4]，但是要通過負(fù)荷分配預(yù)算和復(fù)雜的倒閘操作方可實(shí)現(xiàn)。

開閉站(變電站)引出的直配雙射電纜線路為雙電源供電，可以滿足N-1運(yùn)行。但是線路平均負(fù)載率最大可高達(dá)50%[5]。

開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，近10年未發(fā)生過電纜雙環(huán)網(wǎng)N-2的情況，因此可以說，對于一般非重要用戶，雙電源完全可以滿足供電可靠性要求。電纜雙環(huán)網(wǎng)的理論高可靠性實(shí)際意義并不大，而且嚴(yán)重犧牲了線路的平均負(fù)載率上限。在實(shí)際運(yùn)行中，由于用戶的負(fù)荷不斷增大，多數(shù)雙環(huán)網(wǎng)線路已突破理論平均負(fù)載率上限，難以實(shí)現(xiàn)理論上的可靠性和靈活性，造成了空有電源，但因負(fù)荷過高而無法靈活倒換線路的局面。

表1 平均負(fù)載率區(qū)間分布

圖3 平均負(fù)載率區(qū)間分布

2.2 停電影響范圍

1)故障停電

電纜線路上發(fā)生故障，變電站內(nèi)饋線開關(guān)跳閘，線路全線停電，線路上所有用戶均會(huì)失去一路電源，影響正常供電。故障點(diǎn)隔離之后，故障區(qū)段之前的部分可以恢復(fù)正常運(yùn)行，故障區(qū)段之后的部分可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將負(fù)荷倒至雙環(huán)網(wǎng)對側(cè)線路。根據(jù)開發(fā)區(qū)近5年的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，平均每起電纜雙環(huán)網(wǎng)線路故障影響5戶，其中1戶在故障區(qū)段，另外4戶為陪停用戶(可通過雙環(huán)網(wǎng)倒出)。

而作為對比的由開閉站或變電站引出的直配電纜雙射線路故障，站內(nèi)出線開關(guān)跳閘，線路停電后只有所帶的1戶失去一路電源，影響范圍明顯更少。

2)計(jì)劃停電

因10 kV電纜雙環(huán)線路通常無合環(huán)保護(hù)，在無有效的安全措施和精確分析計(jì)算的情況下，不允許合環(huán)操作[6]，所以線路安排計(jì)劃停電工作時(shí)，需要停電倒換線路，受影響用戶較多。

設(shè)定10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)線路由N個(gè)環(huán)網(wǎng)單元(分界室或分界箱)串接組合，帶N個(gè)10 kV高壓用戶。因?yàn)橛?jì)劃停電工作安排在各個(gè)區(qū)段的概率均等，所以計(jì)劃停電工作安排在某一區(qū)段的概率為

p=1/N

(1)

則每項(xiàng)10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)線路計(jì)劃停電工作需要停電倒換線路的平均用戶數(shù)量為

(2)

根據(jù)選取的30條典型10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)線路所帶用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每條線路帶5戶，那么可以計(jì)算出每項(xiàng)10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)線路計(jì)劃停電工作需要停電倒換線路的平均用戶數(shù)量為3戶。

由變電站或開閉站引出的電纜直配線路安排計(jì)劃停電工作時(shí)，只需站內(nèi)停出線開關(guān)即可，線路停電只影響1個(gè)10 kV高壓用戶。

電纜雙環(huán)網(wǎng)線路與開閉站(或變電站)引出的電纜直配雙射線路停電影響用戶數(shù)量對比見表2。

表2 停電影響用戶數(shù)量對比

2.3 分段電纜負(fù)載率

電纜雙環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，每段電纜的實(shí)際負(fù)載從首端向末端逐級遞減，但是線路倒換后從雙環(huán)網(wǎng)對端供電時(shí)，電纜首端將變成末端，為了保證線路倒換可行，線路全線各段基本都是同一截面積、同一額定載流的電纜。每條電纜線路在99%以上的時(shí)間里是正常方式運(yùn)行狀態(tài)，電纜實(shí)際負(fù)載率從首端到末端依次遞減。這就造成了嚴(yán)重的電纜載流容量浪費(fèi)，越靠近末端輕載現(xiàn)象越嚴(yán)重。尤其是雙環(huán)網(wǎng)中的兩條聯(lián)絡(luò)電纜，正常運(yùn)行時(shí)，其負(fù)載率長期為0。

假定一條電纜雙環(huán)網(wǎng)線路由N段電纜串接而成，每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜(分界室)帶1個(gè)用戶，全線共帶N個(gè)用電客戶，線路總負(fù)荷為P，每個(gè)用戶的負(fù)荷為P/N，電纜的負(fù)載額定上限為P1，則正常運(yùn)行方式情況下，線路上每段電纜的負(fù)載率從末端至首端依次是P/(NP1)、2P/(NP1)、3P/(NP1)……P/P1。由此可以計(jì)算出線路每段電纜的平均負(fù)載率為

(3)

式中，P/P1為電纜首端負(fù)載率，即線路的負(fù)載率。

若按上面所述，根據(jù)開發(fā)區(qū)核心區(qū)10 kV電纜雙環(huán)網(wǎng)線路數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每條線路由5段電纜組成，每條線路帶5戶，那么正常運(yùn)行方式情況下，可以計(jì)算出線路每段電纜的平均負(fù)載率為0.6P/P1。理論上，電纜雙環(huán)網(wǎng)為滿足N-3情況下運(yùn)行，線路平均負(fù)載率最大僅為25%。那么，可以計(jì)算出線路每段電纜的平均負(fù)載率僅為15%。

即便是犧牲電纜雙環(huán)網(wǎng)的可靠性和靈活性，允許滿足N-2運(yùn)行條件(線路平均負(fù)載率上限50%)即可，線路每段電纜的平均負(fù)載率也僅僅能夠達(dá)到30%。

在實(shí)際的線路運(yùn)行中，部分線路已經(jīng)出現(xiàn)首端重載甚至接近滿載，而末端仍輕載運(yùn)行的浪費(fèi)情況。根據(jù)開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，電纜雙環(huán)網(wǎng)首端電纜負(fù)載率平均為29.6%，第2段電纜負(fù)載率平均為22.1%，末段電纜負(fù)載率平均僅為8.9%。

如果是變電站或開閉站引出的直配電纜線路模式，開閉站或變電站出線直配電纜可以根據(jù)用戶不同的負(fù)荷情況選擇電纜截面積，而且在保證線路N-1運(yùn)行條件的情況下，每條電纜的負(fù)載率可以達(dá)到50%，遠(yuǎn)高于電纜雙環(huán)網(wǎng)方式，基本不會(huì)出現(xiàn)上述浪費(fèi)情況。

2.4 電纜終端頭數(shù)量

電纜雙環(huán)網(wǎng)線路由大量的環(huán)網(wǎng)柜(電纜分界箱、分界室)連接而成，開關(guān)數(shù)量龐大，電纜終端頭眾多，而開關(guān)處電纜終端頭是電纜線路較為薄弱的環(huán)節(jié)，容易出故障[7]。根據(jù)開發(fā)區(qū)近5年的配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近14%的電纜線路故障發(fā)生在開關(guān)電纜接頭處。

在典型的電纜雙環(huán)網(wǎng)中，用戶數(shù)量等于分界室數(shù)量，每個(gè)分界室8個(gè)開關(guān)，6個(gè)開關(guān)電纜接頭。而開閉站或變電站出線直配電纜方式，每個(gè)用戶僅對應(yīng)2個(gè)出線開關(guān)，2個(gè)開關(guān)電纜接頭。在用戶數(shù)量既定的情況下，若采用開閉站或變電站出線電纜直配方式，將會(huì)減少大量的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，電纜終端接頭的數(shù)量也會(huì)大大降低，相應(yīng)的故障發(fā)生次數(shù)也將會(huì)大量減少。

2.5 自動(dòng)化終端運(yùn)行環(huán)境

配電網(wǎng)運(yùn)行的精益化管理對配電網(wǎng)自動(dòng)化的要求越來越高。電纜分界室或分界箱中配電網(wǎng)自動(dòng)化終端的運(yùn)行狀況，直接決定了配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)在調(diào)控運(yùn)行工作中能否充分地發(fā)揮作用。然而，電纜分界室或分界箱的運(yùn)行環(huán)境普遍較差，其溫度和濕度變化較大，嚴(yán)重影響著配電網(wǎng)自動(dòng)化終端的運(yùn)行狀況[8]，自動(dòng)化終端的在線率難以保證。自開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn)以來，雙環(huán)網(wǎng)線路上分界室自動(dòng)化終端的在線率長期在92%左右浮動(dòng)，難以再度提高，嚴(yán)重制約了配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作效率。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)電纜分界室或分界箱的運(yùn)行環(huán)境使自動(dòng)化終端運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)上送大量的誤發(fā)信號，給配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作帶來了極大的干擾。

2)自動(dòng)化終端的運(yùn)行電源依賴一次設(shè)備的正常供電，當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)故障后，停電的電纜分界室或分界箱的自動(dòng)化終端電池供電可靠性較差。在自動(dòng)化終端失電后，調(diào)控人員無法通過遙控操作進(jìn)行故障點(diǎn)隔離以及非故障段恢復(fù)供電。在開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn)以來，有接近29%的雙環(huán)網(wǎng)故障后停電區(qū)段自動(dòng)化終端因失電離線，配電網(wǎng)自動(dòng)化的遙控功能喪失，嚴(yán)重影響了故障的處置效率。

3)電纜分界室或分界箱的自動(dòng)化終端運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)收到的信號不全，從而導(dǎo)致故障區(qū)間研判不準(zhǔn)確的問題。

4)自動(dòng)化終端在實(shí)際運(yùn)行中，電纜分界室或分界箱中的溫度和濕度變化較大，容易出現(xiàn)終端設(shè)備凝露現(xiàn)象，從而引發(fā)開關(guān)誤動(dòng)。

在開閉站或變電站出線電纜直配方式中，開閉站(變電站)中的自動(dòng)化終端運(yùn)行環(huán)境得以顯著改善，不會(huì)出現(xiàn)溫度和濕度的劇烈變化，自動(dòng)化終端運(yùn)行穩(wěn)定，從而有效克服了大量終端誤上信號以及故障區(qū)段研判錯(cuò)誤等問題，故障點(diǎn)將非常容易查找，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)裝置凝露問題。另外，開閉站內(nèi)的站內(nèi)電源非常可靠，基本不用擔(dān)心自動(dòng)化終端因失電而離線的問題，配電自動(dòng)化系統(tǒng)的功能作用將會(huì)得到充分發(fā)揮。

2.6 后期改造

電纜雙環(huán)網(wǎng)每條線路帶多戶負(fù)荷，線路負(fù)荷增長無規(guī)律，難以預(yù)估，一旦線路負(fù)荷增長過快，造成線路重載或過載，線路改造復(fù)雜，工程難度大，常常出現(xiàn)就近的變電站預(yù)留待用間隔不足的問題，如此，需要以較遠(yuǎn)的變電站為電源，線路建設(shè)投資非常大。

在開閉站或變電站出線電纜直配方式中，當(dāng)用戶負(fù)荷增大，線路重載后，更換更大額定載流的電纜即可，線路改造工程較為簡單。

3 建 議

在配電網(wǎng)的調(diào)控運(yùn)行工作中發(fā)現(xiàn)，如果線路的負(fù)載率較低，則電纜雙環(huán)網(wǎng)的可靠性和靈活性確實(shí)有明顯的體現(xiàn)。然而為了實(shí)現(xiàn)理論上的可靠性和靈活性，必然會(huì)犧牲電纜的負(fù)載率，經(jīng)濟(jì)性較差。另外，由于電纜雙環(huán)網(wǎng)的停電影響范圍較大以及配套的自動(dòng)化終端運(yùn)行環(huán)境較差，比開閉站(或變電站)出線直配電纜方式有明顯的不足。因此，對于高壓用戶較為密集的地區(qū)(如經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū))，建議采取電纜直配雙射網(wǎng)供電為主要模式。如果變電站的10 kV出線間隔數(shù)量有限，可以通過變電站引出開閉站的模式提供充足的出線間隔。

對于個(gè)別重要用戶，建議提供3路電纜直配電源供電，或者由兩組雙射電纜直配線路加裝聯(lián)絡(luò)形成最簡單的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以保證其供電可靠性和方式靈活性。

4 結(jié) 語

通過對開發(fā)區(qū)電纜雙環(huán)網(wǎng)與開關(guān)站電纜直配雙射網(wǎng)在可靠性、停電影響、負(fù)載率、自動(dòng)化終端運(yùn)行環(huán)境等方面的對比分析， 論證了電纜雙環(huán)網(wǎng)模式在調(diào)控運(yùn)行工作中存在的劣勢和開關(guān)站電纜直配雙射網(wǎng)模式的優(yōu)勢所在。電纜雙環(huán)網(wǎng)模式與開關(guān)站電纜直配雙射網(wǎng)模式的對比分析研究對城市地區(qū)10 kV電纜配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展具有重要的指導(dǎo)與參考意義。