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基于可靠性的城市中压配电网规划

    “N-1”安全准则是指在正常运行方式下,电力系统中任一元件无故障或因故障断开,电力系统能保持稳定运行和正常供电。
   配电网要求高安全可靠性的供电来保障,电网供电安全准则和安全性评价分析原则有哪些?中压电网供电可靠性要求有哪些?中压供配电系统的设计规范、设计依据和设计原则有哪些?配电网设计过程中如何考虑用电可靠性问题?为此,本刊邀请了北京电力经济技术研究院夏泉副院长给予介绍。
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    夏泉  高级工程师
    北京电力经济技术研究院副院长
    安全准则  可靠性设计指导
    电气应用:配电网负荷分类、供电要求及“N-1”安全准则的定义?
    夏泉:根据GB 50052-1995《供配电系统设计规范》,负荷应根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响程度,分为一级负荷、二级负荷及三级负荷。
    符合下列情况之一时,应为一级负荷:
    1)中断供电将造成人身伤亡时。
    2)中断供电将在政治、经济上造成重大影响或损失时。
    3)中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作,或造成公共场所秩序严重混乱时。例如:重要通信枢纽、重要交通枢纽、重要的经济信息中心、特级或甲级体育建筑、国宾馆、国家级及承担重大国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。
    在一级负荷中,当中断供电后将影响重要计算机的实时处理、计算机网络的正常工作以及特别重要场所中不允许中断供电的负荷,为特别重要的负荷。
    符合下列情况之一时,应为二级负荷:
    1)中断供电将造成较大影响时。
    2)中断供电将造成较大损失时。
    3)中断供电将影响重要用电单位的正常工作,或造成公共场所秩序严重混乱时。
    不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。三级负荷在供电突然中断时,造成的影响较小。
    一级负荷应由两个电源供电。当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏。一级负荷容量较大或有10kV用电设备时,应采用两路10kV或35kV电源。如一级负荷容量不大时,应优先采用从电力系统或就近取得第二低压电源,亦可采用应急发电机组。如一级负荷仅为照明或电信负荷时,宜采用不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)或应急电源EPS(Emergency Power Supply)作为备用电源。一级负荷中特别重要的负荷,除由两个电源供电外,尚应增设备用电源,并严禁将其他负荷接入应急供电系统。
    下列电源可作为备用电源:独立于正常电源的发电机组;供电网络中有效地独立于正常电源的专用的馈电线路;不间断电源UPS或应急电源EPS。
    根据允许中断供电的时间可分别选择下列备用电源:
    1)快速自动起动的应急发电机组,适用于允许中断供电时间为15 s以内的供电。
    2)带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路,适用于允许中断时间为1.5 s以内的供电。
    3)静止型不间断电源装置,适用于允许中断供电时间为毫秒级的供电。
    二级负荷的供电系统宜由两回路线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时,二级负荷可由一回路6kV及以上专用的架空线路或电缆线路供电。
    “N-1”安全准则是指在正常运行方式下,电力系统中任一元件无故障或因故障断开,电力系统能保持稳定运行和正常供电,其他元件不过负荷,且系统电压和频率在允许的范围之内。这种保持系统稳定和持续供电的能力和程度,称为“N-1”安全准则。其中N指系统中相关的线路或元件数量。
    电气应用:城市中压配电网供电可靠性及满足用户用电的程度有什么要求?
    夏泉: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,应满足下列两个方面中的具体规定:
    1)电网供电安全准则。
    2)满足用户用电的可靠程度。
    城市中压配电网的供电安全采用“N-1”安全准则,即中压配电网中一条架空线,或一条电缆,或变电站中一台降压变电器发生故障停运时:①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。②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。
    架空配电网为沿道路架设的多分段、多联络开式网络。虽然每段有一个电源馈入点,当某一区段线路故障停运时仍将造成停电。为了能够隔离故障,达到将完好部分通过联络开关向邻近段线路转移,恢复供电的目的,线路正常运行时的最大负载率应控制为
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式中,M为线路的预留备用容量,kW,即邻近段线路故障停运时可能转移过来的最大负荷;P为对应线路安全电流限值的线路容量,kW。
    电缆配电网一般有两种基本结构:①多回路配电网。②开式单环配电网。由于电缆故障处理时间长,一般不采用放射形单回路电缆供电。
    20kV/380 V、10kV/380 V户内配电站宜采用两台及以上变压器。20kV/380 V、10kV/380 V杆架变压器故障时,允许停电。
    校核事故运行方式时,可考虑事故允许过负荷,以适当节约投资。
    考虑具体目标时间的原则是:负荷越大的用户或供电可靠性要求越高的用户,恢复供电的目标时间应越短,可按用户的负荷和可靠性要求规定恢复供电的目标时间。随着电网结构的改造和完善,恢复供电的目标时间应逐步缩短。如果配置自动化装置,则故障后负荷能自动切换,恢复供电时间可最小化。
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    新编写的国标GB 50613《城市配电网规划设计规范》规定:城市中压电缆配电网的设计应满足“N-1”安全准则的要求,中压架空配电网宜按“N-1”安全准则设计。对于不同用电容量和可靠性需求的中压用户,应采用不同的供电方式。电网故障造成用户停电时,允许停电的容量和恢复供电的目标是:
    1)双回路供电的用户,失去一回路供电后应不损失负荷。
    2)三回路供电的用户,失去一回路供电后应不损失负荷,失去两回路时应至少满足50%负荷的供电。
    3)多回路供电的用户,当所有线路全停时,恢复供电的时间为一回路故障处理的时间。
    4)开环网络中的用户,环网故障时,非故障段用户恢复供电的时间为网络倒闸操作时间。
    城市中压用户供电可靠性按地区实施差异化原则,一般按城市中心区、一般城区和郊区进行划分。城市中压用户供电可靠率指标宜不低于下表的规定。
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    表  城市中压用户供电可靠率指标
    注:工业园区形成初期可按郊区对待,成熟以后可按一般城区对待。
    规划方案  可靠性分析方法
    电气应用:提高供电可靠性的规划方案包括哪些方面?如何应用可靠性规划方法?
    夏泉:提高中压配电网络供电可靠性的规划方法主要包括基于预想事故和基于可靠性两种思路的规划方案。
    基于预想事故的规划方法是根据系统规划,对全部设备均评估各自的退出情况(退出系统中的某个元件——即停运一个元件),并确认是否满足特定的准则。即规划人员以个案为基础来研究系统,并完成系统的可靠性设计工作,前提条件为隐含或间接地假定系统满足导则中的准则要求。在配电系统中,常常需要对基于预想事故规划方案进行细微调整,以适应配电网络人工切换操作和辐射状系统的网络状况。在事故状态下,“N-1”安全准则需要系统必须具有可切换手段,从而为除系统故障段以外的所有部分继续供电。但是,在切换过程中,由于隔离故障导致部分客户短时间停电,人工将故障线路切换到备用线路,可能需要0.5~1h的时间。
    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。考虑客户的供电特性,规划人员必须考虑可靠性的三个方面,即系统平均停电频率(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个方面的相互影响: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。
    规划人员往往能够同时考虑这两种规划方法,决定从一个模式转变到另外一个模式。
    电气应用:如何依据“N-1”的安全准则,对节点用户供电电源路径进行分析?如何采用主配网一体化研究方法,将用户供电与输电网、高压配电网和中压配电网综合考虑进行可靠性分析?
    夏泉:依据“N-1”的安全准则,对节点用户供电电源路径进行分析采用全电压等级电网安全性分析原则。即某节点用户的供电安全性需要考虑各电压等级电网协调配合,综合分析各级电网运行方式变化相互影响,不仅考虑中压配电网的安全性,而且考虑输电网、高压配电网的安全性。研究确定的全电压等级安全性分析原则以受电用户为核心追溯至各级电网电源,各级电网方式变化(“N-1”、“N-2”)均不影响上级或下级电网的安全供电,尤其是不会影响对受电用户的安全供电。
    为实现全电压等级安全性研究原则,电网安全性分析需要采用主配网一体化的研究方法,即建立起输电网与配电网的连接。一般的供电安全往往体现在受电用户的安全与否或者是电网运行的安全性,但是电网安全性与受电用户的安全性的关系不会直接联系在一起,同时双回路或多回路供电电源的追溯往往局限在高压配电电压等级。通过编制系统主接线图,将受电用户与各级电源站点主接线和系统接线融为一体,清晰直观地反映从中压配电网、高压配电网至输电网全电压等级的电网情况,通过对系统主接线图中各级接线关系和运行方式变化影响的研究来实现主配网一体化研究,逐级研究与上下级电网的关联关系。