交直流混合配电网结构优选和设备容量优化

发表时间：2020-08-11T13:50:56.627Z 来源：《基层建设》2020年第9期 作者： 赵希 邢家琦[导读] 摘要：电力作为现代社会最基础的能源之一在各个行业中发挥着极为重要的作用。 国网河北省电力有限公司检修分公司 河北石家庄 050000

摘要：电力作为现代社会最基础的能源之一在各个行业中发挥着极为重要的作用。随着柔性直流技术和电力电子器件的发展，交直流混合配电网可以更高效地接纳直流源荷，成为未来配电网的一个重要发展方向，而构建交直流混合配电网的首要问题就是其结构和设备容量的选择。通过对交直流混合配电网供电能力的分析能够有效优化其结构和设备容量，提升系统的供电能力和设备容量利用率，对于交直流混合配电网的规划设计具有重要意义。本文就交直流混合配电网结构优选和设备容量优化展开探讨。 关键词：交直流混合配电网；交流供电能力；直流供电能力；优化 引言

据统计,我国约80%的发电量在城市电网内销纳的,其中又有70%是通过公用配电网络输送给用户的,可见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,必须合理地选择配电网的结构模式。要判断某一地区采用哪种网架模式最合理,就必须对不同网架模式进行技术经济比较,以得出该地区的最优网架模式。 1交直流混合配电网网架结构

交直流混合配电网网架结构对运行可靠性、灵活性、经济性等方面都有重要影响。传统交流配电网的网架结构已经非常成熟，国内外均有相关网架结构标准和案例。目前针对交直流混合配电网网架结构的研究较少，主要研究工作集中在直流配电网的网架结构设计。交直流混合配电网网架结构设计需要综合考虑现有交流配电网的网架结构和直流配电网的研究成果，提出交直流混合配电网网架结构设计方案。我国交流配电网中，高压配电网网架结构主要有链式、环网和辐射状结构；中压配电网结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构；低压配电网一般采用辐射状结构。10kV配电网结构根据架空网和电缆网的不同可以分为2类：架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式；电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。北京市高压配电网以环网建设、放射状运行为主（“手拉手”式网架结构）。巴黎城区的电缆网采用三环网T接或双环网T接方式；东京22kV电缆网采用主线备用线、环形、点状网络接线方式；新加坡采用“花瓣式”结构，22kV配电网采用环网连接、并列运行方式。直流配电网网架结构主要有辐射型、两端供电型和环型直流配电网。（1）辐射型直流配电网由不同电压等级的直流母线组成骨干网络，分布式电源、交流负载与直流负载通过电力电子装置与直流母线相连，其结构简单，对控制保护要求低，但供电可靠性较低；（2）两端供电型直流配电网与辐射型直流配电网相比，当一侧电源故障时，可以通过操作联络开关，由另一侧电源供电，实现负荷转供，提高整体可靠性；（3）环型直流配电网相比于两端供电型直流配电网，可实现故障快速定位、隔离，其运行方式与两端供电型直流配电网相似，且供电可靠性更高。根据不同的应用需求，交直流混合配电网可分为含柔性直流装置的交直流混合配电网与含直流网的交直流混合配电网，前者适用于直流源荷较少的情况，后者更加适合高密度直流源荷接入的情况。含直流网的交直流混合配电网接线模式主要包括辐射型交直流混合配电网（交直流线路间无联络）、多分段适度联络型交直流混合配电网（交直流线路间有联络）。 2网架模式规划内容的研究

在进行网架模式的技术经济比较时,不仅要考虑当前的效益和技术指标,还必须考虑城市规划和未来配网升级的因素,应全面地评价网架结构的优劣。按综合分析考虑,应从以下4个方面进行技术经济比较。（1）技术性。选择网架模式时,对技术性方面的考虑主要指可靠性的高低、电压质量的优劣、电力电量是否平衡以及备用电量是否充沛。其中可靠性是最主要的因素。（2）经济性。选择网架模式时,对经济性方面的考虑,主要指供电成本的多少。（3）可实施性。选择网架模式时,可实施性方面主要考虑哪种模式更容易规划,更便于远近结合(既节能,又更便于新接入负荷和负荷的增加等),更便于实施(更节约线路走廊资源,占地面积更小、更满足市政的要求等)。（4）可发展性。选择网架模式时,可发展性主要考虑哪种模式更便于管理、运行、维护、操作和检修,更便于今后自动化升级及配网自动化改造,更利于提高工作效率。按照上面的网架模式技术经济比较的内容,采用哪种方法从这4个属性进行多目标网架模式规划将是文中研究的核心和关键。在此笔者提出一种新的网架模式规划方法———综合赋权法。

3基于供电能力的交直流混和配电网结构优选和设备容量优化方法 3.1基于供电能力的电网结构筛选方法

交直流混和配电网可以由已有交流配电网增加PET和VSC改造而来，构建交直流混和配电网时，首先需要对其直流侧的结构进行筛选。本文通过计算供电能力最优解的方法来选择其直流侧结构，步骤如下：（1）对交直流混和配电网的可行结构进行设计，得到不同的结构备选方案；（2）构建所有结构备选方案的供电能力多目标优化模型；（3）对所有方案的供电能力模型进行求解，得到各个方案的Pareto前沿；（4）获取当前交流和直流负荷初值，并对交流和直流负荷的年增长量进行预测；（5）得到交直流负荷的每年预测值，并在Pareto前沿图中画出交直流负荷变化曲线；（6）各方案Pareto前沿与负荷曲线距离最近点的集合中供电能力最大的点对应的方案即为最优的电网结构配置方案。

3.2直流断路器可靠性建模

交直流配电网的构建目标是为高可靠性需求的大负荷量的电力用户提供可靠的供电方案，但当前直流侧系统的故障隔离技术是制约直流侧配电网发展的关键技术问题，因此发展直流断路器进行故障隔离是配电网理想的故障处理方案。本文采用混合式直流断路器进行可靠性建模预测。对混合式直流断路器进行建模分析，其可靠性评价模型硬件部分由机械开关(MS)、固态开关(SSS)、缓冲吸收回路(CC)以及限流电抗器(R)构成。由于混合式直流断路器采用电力电子元件，同时需要配合系统的故障识别过程，因此直流断路器还应配置相应的保护控制系统(CP)。

3.3基于N-1校验的设备容量优化方法

得到最优电网结构配置方案之后，可以通过计算某一元件在系统正常运行状态下和各类N-1故障状态下的负载率集合中的最大值得到该元件的最大负载率，如下式所示:

式中，Ratemaxd为元件d的最大负载率；Sd(f)为系统处于f状态时元件d的视在功率，对于直流设备如直流馈线，则为其功率；Srated为元件d的额定功率； 为所有元件的集合。最大负载率接近满载的设备即为供电瓶颈，若要提高系统供电能力则首先应提高此类设备的容量；而负载率相对较小的设备，其多余的容量无法为提高供电能力做出贡献，因此可以根据其N-1校验下的最大负载率对此类设备容量进行优化，在规划设计阶段，减小对其容量的设计，使其容量接近其N-1校验下最大负载率的功率，进而提高此类设备的容量利用率和系统的容量利用率。 结语

交直流混合配电网规划中，相比于传统交流配电网，由于加入了柔性直流装置和分布式源荷，需要综合考虑规划、运行过程，进行风险评估。通过基于供电能力的交直流混合配电网规划设计方法，能够选出适合负荷发展的系统结构，同时优化设备容量，提高设备和系统的容量利用率，减少建设成本。 参考文献

[1]马钊,周孝信,尚宇炜,等.未来配电系统形态及发展趋势[J].中国电机工程学报,2018,35(6):12-1298. [2]孔力,裴玮,叶华,等.交直流混合配电系统形态、控制与稳定性研究[J].电工电能新技术,2018,36(9):1-10. [4]荆朝霞,王宏益,江昌旭.考虑负荷均衡的220kV电网供电能力多目标优化[J].电网技术,2018,41(5):1619-1626.