中压蜂巢状配电网结构研究及应用.pdf
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1、SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷(总第309期)2023年第8期0引言在新型电力系统建设背景下,高比例分布式电源和电动汽车等资源大量接入配电网,重要敏感负荷对供电可靠性的要求也越来越高,传统配电网在支撑更高比例新能源并网消纳及源网荷储协调互动方面受限,亟须探索新型配电网的结构形态,支撑构建灵活资源占比逐渐提高的新型电力系统。专家学者对配电网网架结构已有大量研究,法国巴黎的20 kV三环网1-2接线,供电可靠性较高;新加坡电网的“单花瓣”供电结构3-5,需要配电网合环运行;雄安新区的电缆“双花瓣”接线6,供电可靠性较高,负荷转供能力达到 100%,线路利用率可达
2、50%;上海钻石型接线7以开关站为网架结构核心,构建双层双环网结构,供电模式为不同变电站双侧电源,供电可靠性较高,转供能力强,线路利用率为中压蜂巢状配电网结构研究及应用葛少云1,刘帅2,李荣超2,高洁2,孔亮2(1.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;2.国网山东省电力公司威海供电公司,山东威海264200)摘要:针对在支撑高比例分布式新能源消纳及源网荷储协调互动方面传统配电网遇到的瓶颈问题,基于蜂窝状配电网理论搭建一种高可靠性的中压蜂巢型配电网网架结构。总结国内外中压配电网网架的研究现状,并从安全性、实用性、可靠性、经济性4个维度分析中压蜂巢状配电网结构的优缺点。结合区域直流
3、资源发展趋势,从交流组网过渡策略及交直流组网过渡策略两方面提出中压蜂巢状配电网过渡策略。对蜂巢状配电网关键技术进行了初步探索,对比分析柔性软开关(Soft Open Point,SOP)技术路线及容量选取原则。最后,以某试点区域为例进行网架改造升级示范,指导蜂巢状配电网精准规划、有序推进,验证了所提中压蜂巢状配电网网架结构及过渡策略的合理性和可行性。关键词:蜂巢状配电网;拓扑结构;过渡策略;柔性软开关中图分类号:TM72文献标识码:A文章编号:1007-9904(2023)08-0001-10Research and Application of Medium Voltage Honeycom
4、bDistribution Network StructureGE Shaoyun1,LIU Shuai2,LI Rongchao2,GAO Jie2,KONG Liang2(1.School of Electrical Automation and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.State Grid Weihai Power Supply Company,Weihai 264200,China)Abstract:Aiming at the bottleneck problems encoun
5、tered by traditional distribution networks in supporting the high proportion ofdistributed new energy consumption and the coordinated interaction of source-grid-load-storage,this paper builds a highreliability medium voltage honeycomb distribution network structure based on the honeycomb theory.Firs
6、tly,the domestic andinternational research status of the medium voltage distribution network is summarized,and the advantages and disadvantages ofmedium voltage honeycomb distribution network structure are analyzed in four dimensions,such as security,practicality,reliability and economy.Secondly,com
7、bining with the development trend of regional DC resources,the transition strategy ofmedium-voltage honeycomb distribution network is proposed in terms of AC grouping network transition strategy and AC-DCgrouping network transition strategy.Then,the preliminary exploration of key technologies of hon
8、eycomb distribution network iscarried out,and the soft open point(SOP)technical route and capacity selection principles are compared and analyzed.Finally,taking a pilot area as an example,the network transformation and upgrading are demonstrated to guide the precise planning andorderly promotion of
9、the honeycomb distribution network.The rationality and feasibility of the medium-voltage honeycombdistribution network structure and transition strategy are verified.Keywords:honeycomb distribution network;topological structure;transition strategy;soft open point 配电网 DOI:10.20097/ki.issn1007-9904.20
10、23.08.0011山东电力技术第50卷(总第309期)2023年第8期50%。现有网架结构研究成果在供电可靠性或利用效率方面有所提升,但针对现代化城市的高比例分布式能源、储能与需求侧资源等新型配电网组成部分的接入、协调互动、市场化交易等方面缺乏可靠支持8。王成山等提出了蜂巢有源配电网理论,以微网群及柔性软开关9构建蜂巢状配电网10。基于蜂窝状配电网理论进一步深化蜂巢型中压配电网网架结构及其过渡策略研究,为城市配电网规划及改造工作提供新思路,推动新型电力系统配电网网架结构转型升级。1国内外中压配电网结构1.1国外中压配电网1)巴黎中压配电网。巴黎城区20 kV配电网多采用由两座变电站电缆三射线
11、构成的电缆三环网结构,如图1所示。用户接入方式为双电源供电。图1巴黎城区20 kV三环网Fig.1 Three-ring structure of Paris urban 20 kV power grid配电网开环运行,三环网的分段开关和联络开关均配置远程遥控功能,配电网具备自愈能力,供电可靠性较高11,线路利用率为50%。图2为巴黎电网的组网形态,从图中可以看出三个中压环之间纵向联络,通过高压线路相连,由此形成图3网孔型中压配电网结构,任意变电站N-1或N-2均可通过临近变电站恢复供电,若相邻两个变电站同时停运,可通过跨母线方式由周边变电站向断电变电站恢复供电,使变电站满足N-2安全校验。2
12、)新加坡中压配电网。新加坡中压配电网采用花瓣组网的结构,如图4所示,来自同一座变电站4台并列运行变压器的2回馈线构成单环网闭环运行。不同电源变电站所供花瓣间设置备用联络(13个),开环运行12。“单花瓣”接线、单一线路发生故障时能够全容量保障供电且不存在瞬时停电,但正常运行方式下,若调整站间负荷须打破花瓣闭环运行,其灵活性、可实施性较低。图2巴黎电网形态Fig.2 Morphological structure of Paris power grid图3巴黎电网形态细化Fig.3 Detailed morphological structure of Paris power grid1.2国内
13、中压配电网1)雄安电缆“双花瓣”结构。雄安新区中压配电网网架为电缆“双花瓣”结构,如图5所示。“双花瓣”之间接入的开关站分段开关开环运行、互为备用,线路利用率为50%。另外,每个开关站均具备两个及以上电源点支撑,负荷转供电能力100%,失去任何一座高压变电站不损失负荷。但此结构为合环运行模式,运维管理比较复杂,2且线路建设规模较大,开关站造价较高,整体投资较高。图4新加坡“单花瓣”供电结构Fig.4 Petal structure of Singapore power grid图5电缆“双花瓣”结构Fig.5 Double petal structure of cable2)上海钻石型结构。上
14、海钻石型结构是以10 kV开关站为核心节点、双侧电源供电、配置自愈功能的双环网结构,由多个变电站、开关站、环网室(箱)构成,可实现站间负荷100%转供,供电可靠性较高,N-1情况下10 kV线路利用率为50%。该结构分为由变电站和开关站形成的主干网,以及由开关站和环网室(箱)形成的次干网,如图6所示。因开关站造价较高,此结构在以开关站为核心节点的配电网网架改造方案中较适用。图6上海钻石型结构Fig.6 Diamond structure of Shanghai power grid国内外城市从各自发展需求和配电网建设改造条件出发,形成各具特色的适合本城市的配电网发展策略,但在解决新型电力系统下
15、配电网面临的问题与挑战时仍存在不足。因此,在综合花瓣结构、钻石型结构、三环网结构优点的基础上,统筹考虑微电网与配电网融合,深化了中压蜂巢状配电网网架结构研究。2蜂巢状配电网2.1中压蜂巢状配电网结构当微网在配电网中大量存在并发展成微网群后,已不能将其简单看作配电系统的补充,而应寻求微网规模化应用的方案13-14。文献 15 提出了考虑多微网系统与配电网协调性的多微网运行模式与决策流程。文献 16 提出了基于双层决策模型的含多微网的主动配电系统优化运行控制方法。以上研究中,微网群均以串联或并联的形式接入配电网,虽已达到广域互联,但依然只是作为配电网的一部分,智能化程度仍较低。这是因为单个微网的容
16、量小、调节能力差,无法做到独立自治运行,其可靠运行仍需要配电网的支撑。对此,基于文献 10 的柔性软开关的蜂窝状配电网理论,进一步深化中压蜂巢状配电网结构研究,蜂巢状配电网拓扑如图7所示。图中红色六边形区域代表每个中压蜂巢的供电范围,小型交直流微网通过各自的公共连接点与配电网实现连接,从而组成蜂巢状配电网整体。中压蜂巢状配电网以柔性软开关(Soft OpenPoint,SOP)为核心节点、三侧或以上电源供电、蜂巢式连接、配微融合、闭环运行,其结构形态如图8所示。蜂巢状配电网并非要求其在地理上为严格的正六边形,也可以为四边形、五边形等结构。葛少云,等:中压蜂巢状配电网结构研究及应用3山东电力技术
17、第50卷(总第309期)2023年第8期图7蜂巢状配电网拓扑结构Fig.7 Topological structure of honeycomb distributionnetwork中压蜂巢状配电网二次系统架构如图9所示,主要包括10 kV线路保护测控系统、中压柔性互联系统、就地监控系统及主站系统。各系统之间通过61850等协议进行通信,其中就地监控系统对上与主站通信,对下与中压柔性互联系统通信,实现对中压柔性互联系统的运行控制与展示;柔性互联系统接收上级控制指令,实现变流器级的直流电压控制、交流电压控制、有功功率及无功功率控制和变流器级的相关保护。图9中压蜂巢状配电网二次系统架构Fig.9
18、 Structure of medium voltage honeycomb distributionsecondary system图8中压蜂巢状配电网结构形态示意图Fig.8 Structure of medium voltage honeycomb distribution network4蜂巢状配电网可应用于电缆网或架空网,分段开关采用二遥型或三遥型自动化开关,通信采用光纤或5G通信。保护控制方面部署线路双向差动保护装置,建设蜂巢状配电网内全域保护系统,用于主干线故障快速定位及故障隔离。2.2SOP容量选取中压蜂巢组网结构下,SOP容量选取应从正常运行方式、故障运行方式、满足远景负荷需
19、求及经济可靠四方面进行综合评判,具体容量选取原则如下:1)正常运行。以互联线路负载率均衡为目标,提升线路利用效率,SOP容量需要大于互联线路最大负荷差值的1/2。以最大化促进分布式能源消纳为目标,SOP容量需要大于线路过剩的分布式电源容量。2)故障运行。以缩短停电时间为目标,通过SOP对非故障线路供电,SOP容量需要大于该线路负荷(或该线路内重要负荷)。3)满足远景需求。SOP容量选型除了满足近期负荷需求,同时须满足远景负荷需求,避免重复建设、投资浪费。以提高设备利用率为目标,SOP与储能站结合,SOP容量须大于储能容量。4)经济性与可靠性。考虑SOP设计成本与技术难度,目前常用中压SOP开关
20、容量为3 MW、5 MW、10 MW。2.3中压蜂巢状配电网技术经济分析2.3.1安全性和灵活性蜂巢状配电网中6回10 kV主干线路来自不少于 3 个变电站的 6 回母线,且基于 SOP 实现闭环运行,站间负荷可转供电率达到100%。蜂巢状配电网在1回线路故障情况下,基于SOP可实现线路连续转供及负荷均衡,其余线路均可为故障线路提供故障支援。在满足N-1情况下,蜂巢状配电网线路最高利用率可达到83%,较单联络(单环网)提升33%,较两联络提升17%,可有效缓解分布式电源波动性对电网的冲击。蜂巢状配电网满足N-1下线路利用率如表1所示。蜂巢状配电网基于SOP可实现运行模式灵活切换。蜂巢状配电网运
21、行模式包括正常态功率转供模式、故障态N-1运行模式及分布式电源协同消纳模式。表1蜂巢状配电网满足N-1下线路利用率Table 1 Honeycomb distribution network meeting thecapacity utilization of transmission lines under N-1接线模式六边形蜂巢状配电网五边形蜂巢状配电网四边形蜂巢状配电网线路最大利用率/%838075线路裕度/%172025正常态功率转供模式下,通过最优潮流计算,SOP控制器控制AC/DC变流器进行功率输出,实现各线路之间的负载率均衡。故障态 N-1运行模式下,SOP设备可提供频率、电压
22、支撑,恢复非故障段线路供电,缩短停电时间。分布式电源协同消纳模式下,结合峰谷电价及光伏出力特性,通过潮流计算,控制器控制储能系统进行充放电,促进分布式电源消纳及削峰填谷。2.3.2适用性蜂巢状配电网能够有效应对灵活资源接入对配电网的影响。由于分布式电源的接入使配电网呈现多电源点情况,可能导致原有故障定位失效。为了缩短停电时间,蜂巢状配电网通过部署全域差动保护装置实现快速故障隔离,降低分布式电源故障对电流、对配电网的影响。基于SOP电压支撑功能,可以有效滤除高比例电力电子设备接入或线路故障引起的电压波动,提高线路供电质量。分布式光伏、储能、直流充电桩等资源通过接入蜂巢状配电网直流干线,实现高效接
23、入。蜂巢状配电网能够为配电网传统问题提供新型解决思路:1)蜂巢状配电网基于功率分配功能,实现组网内线路负荷实时均衡,提高设备利用效率,节约线路廊道及10 kV间隔,实现挖潜增效;2)通过SOP交直交的变换模式,有效解决三相不平衡以及相角差问题。2.3.3供电可靠性架空单联络等接线通过闭合联络开关恢复供电,但是停电时间较长,达到分钟级;蜂巢状配电网通过SOP进行故障支援可实现毫秒级恢复供电。某城市配电网供电可靠性参数如表 2所示,以此为计算依据,采用故障模式后果分析法对3种典型网架的供电可靠性计算,结果如表 3所示。可以葛少云,等:中压蜂巢状配电网结构研究及应用5山东电力技术第50卷(总第309
24、期)2023年第8期看出,蜂巢状接线供电可靠率最高为99.999 782%,年户均停电时间114.58 s,比“单花瓣”接线少31.54 s,比常规双环式接线少56.24 s。表2某城市配电网供电可靠性参数Table 2 Reliability indices of anurban distribution network设备参数电缆故障率/(次/(百 kma)电缆修复时间/h10 kV 母线故障率/(次/a)10 kV 母线修复时间/hSOP 动作时间/ms配电自动化动作时间/s数值0.025.50.001 5202030表3典型网架结构可靠性计算结果(仅考虑故障)Table 3 Relia
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