龚小雪，程浩忠，陈 楷，李子韵

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.南京供电公司，南京 210019）

微网（micro grid），也称微电网，是将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置等有机结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开孤岛运行[1，2]。按照范围、大小和所有权不同，微网具有多种形式，可以分为单元级，多单元级、馈线级和变电站级[3]。

微网采用了大量先进的现代电力技术，如快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样化的储能装置等，可以提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量需求、更好地发挥分布式电源的作用。微网通过一个公共连接点（point of common coupling，PCC）与大电网连接，它可以看作电网中一个可控的单元，可以在数秒内反应来满足外部输配电网络的需求；对于用户来说，微网可以满足他们特定的需求，增加本地可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者提供不间断电源。目前对微网的研究受到国内外学者的高度重视，其主要研究方向包括微网系统中的并网、保护与通信技术、微网系统的规划设计、运行控制与能量管理、系统建模与仿真等[4]。随着微网技术的发展和成熟，它将成为可再生能源综合利用最有效的方式。

文献 [5]针对不同负荷密度和不同变压器容量、台数的组合，对不同网架结构进行了可靠性和经济性的定量分析比较研究；文献[6]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[7]引入分布式电源以后，结合配电网孤岛运行方式，对传统可靠性计算中的最小路法进行改进，使之适用于含分布式电源的配电网供电可靠性分析计算。文献[8]建立了接线模式对比因素体系和研究思路，并构建了理论分析模型。从可靠性、电压质量、经济性和适应性等角度全面分析和对比各类城市中压配电网典型接线模型的优缺点，为电网规划运行人员提供了实际指导。

上述文献通过建立评估模型，从不同角度比较了城市配电网接线模式的差异，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。微网作为配电网的一部分，随着其数量和规模的不断扩大，会影响配电网的规划，而其中对接线模式的影响将是一个非常重要的方面。为此，本文结合微网的特性，考虑基于微网的配电网接线模式研究，对典型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及微网接入方式的相关建议。

1 典型配电网接线模式分析

配电网接线模式类型多样，各种结构有其各自的使用条件、应用范围及优缺点，使用时要充分考虑安全可靠性、经济性、操作灵活性及可发展性等多个因素。常见的配电网接线模式包括辐射状结构、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、T型接线，“3-1”主备接线等多种模式[9]。本文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，这里选取几种典型中压配电网的接线模式进行分析。

1.1 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，但其缺点主要是线路故障会导致全线停电，当电源故障时也将导致全线瘫痪。故障影响时间长、范围较大，供电可靠性较差。

图1 单电源辐射状接线Fig.1 Radial connection mode of single power source

如果在含微网的配电网规划中使用该接线结构，那么微网的接入形式可以是图1中所示的任意一个或多个负荷点（图中MG表示可以形成微网的负荷点）。此时该结构不但具有传统辐射状接线模式的优点，同时还可以通过微网的孤岛运行能力，提高微网内重要负荷的供电可靠性。

1.2 不同母线环式接线

图2所示为不同母线（变电站）出线的环式接线，在两回线路的末端设置一联络开关，每回线路的负载率为50%。这种接线模式适用于负荷密度较大且供电可靠性要求高的城区供电，其最大优点是可靠性比单电源辐射接线模式大大提高，接线清晰，运行比较灵活。

图2 不同母线环式接线Fig.2 Ring connection of different bus

结合微网的接入及合理的控制，可靠性必然可以得到进一步提升，但因为其线路利用率较低，线路投资原本就比单电源辐射接线大的情况下，加上微网的相关投资费用，其经济性相对较差，所以在具体选择的时候需要视情况综合考虑是否选择该接线。

1.3 不同母线出线连接开关站接线

双电源出线连接开关站接线，开关站两回进线互为备用，其出线可根据用户的实际要求选择是否采用双电源供电。此接线主要应用于负荷中心距电源较远、出线较多、线路走廊困难的情况。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，如图3所示。

如果在使用这一接线模式的供电区域中结合微网，可靠性进一步提高，并且其投资相比不同母线出线的环式接线相差不大。由于开关站出线可以呈放射状，也可以形成小环网，其结构简单灵活，可靠性也能得到保障，因此该接线模式也具有广阔的应用空间。

图3 不同母线出线连接开关站接线Fig.3 Switch substation connection of different bus

2 可靠性评估指标及方法

2.1 可靠性评估指标

常用的可靠性评价指标有：系统平均供电可用率（average service availability index，ASAI）、系统平均断电频率指标（system average interruption frequency index，SAIFI）、系统平均断电持续时间（system average interruption duration index，SAIDI）等[10，11]。传统的指标计算中若负荷点i故障，则该点的用户数全部停电，然而若该处形成微网，由于其孤岛运行能力，保证一部分重要负荷继续供电，则相应的可靠性指标计算公式如下。

（1）系统平均停电持续时间（h/（户·a）），即一年中用户的停电持续时间总和除以该年中由系统供电的用户总数来估计，即

（2）系统平均供电可用率，即一年中用户经受的不停电时间总数与用户要求的总供电时间之比，即

式中：Ui为负荷点i的平均停电时间；Ni为负荷点i的用户数，ni为负荷点i由于微网接入，在i点故障时通过孤岛运行维持继续供电的用户数。那么此时负荷点i故障的实际停电用户数为Ni-ni。若没有接入微网，则ni=0，即为传统计算相关指标的公式。

2.2 可靠性计算方法

本文基于负荷均匀分布建立模型，所分析的结构及规模均不复杂，因此采用了解析法中的故障模式影响分析法。即以段作为负荷转移的最小单位，以每一个线路元件为对象，分析每一个基本故障事件及其后果，然后结合元件的可靠性数据，如故障率、故障排除时间[12]等，求得所有的故障状态，综合形成系统可靠性指标。其基本步骤如下。

（1）产生（或枚举）系统网络可能的故障事件；

（2）每一个故障事件，进行系统网络的行为分析，形成系统网络的失效事件集；

（3）根据所形成的“系统网络的失效事件集”，结合元件的可靠性数据，累积形成系统可靠性指标。

以图1为例，假设负荷沿线路均匀分布，总用户数为N，线路的分段数为k，则线路的用户停电时间计算式为

式中：R为供电半径，km；λL为线路的平均故障率，次/km·a；λb为分段开关的故障率，次/a；λMG为微网故障率；t0为线路的平均修复时间，h/次；t1为线路的倒闸时间h/次；t2为分段开关的修复时间，h/次；t3为微网故障的修复时间，h/次。

3 可靠性模型建立

为了实现各种接线模式并计算相应的可靠性，实际中需要确定相应的规划区域及街道、负荷分布情况等。然而作为理论性分析，为计算的方便且不失一般性，做模型的以下边界条件假设[13]。

（1）供电区域设为圆形且负荷均匀分布；

（2）电源容量及负载率。这里中压配网的上级电源统一取110 kV变电站，容量取3×40 MVA，主变负载率为66.7%。同一方案中各个变电所的变压器容量、台数和负载率均相同；

（3）接线模式负载率。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%；

（4）变电站功率因数统一取为0.95；

（5）不考虑微网内部结构，微网自身具有一定的故障率；各种接线模下，微网的容量、分布相同；

（6）不考虑微网从并网到孤岛运行的时间，即可以无缝过渡；

（7）所有断路器和联络开关均能成功动作，不考虑拒动情况；

（8）连接开关站接线中不考虑开关站出线后形成小环网的情况。

在以上假设条件下，形成各种接线的最优布线，统一线路型号及各元件故障率，故障修复时间，通过故障模式影响分析法计算可靠性指标。

4 计算结果及分析

4.1 微网接入容量不同

假设所有负荷点能均匀形成微网，且微网孤岛运行时能继续供应该负荷点15%和30%的用户，即式（1）和式（2）中 ni分别为 15%Ni、30%Ni，根据故障后果模式分析法对上述接线模式计算结果（ASAI）如表1所示。

从表中可以看到形成微网后，不同接线模式的可靠性均有不同程度的提高，而且微网容量越大，可靠性提升越高。

保持线路和分段开关的故障率不变，如果考虑微网自身的故障率，则系统的可靠性反而可能降低，所以这就要求微网容量不能太小，也就是说微网加入后对可靠性的提升程度要大于因微网自身故障引起的可靠性的降低程度。

表1 不同微网容量下的ASAI对比Tab.1 Comparison of ASAI with different MG capacity%

假设每个微网综合故障率为0.02次/a，每次修复时间为1 h，并以放射状接线为例，带入式（3）可以计算得出，当ni=8.03%Ni时，其供电可用率指标与不接入微网时相同。可见，接入微网的容量不能小于该值。不同接线模式的下限值不同，该值大小与微网数量，微网的故障率，修复时间相关。

4.2 微网接入位置不同

各种接线模式中，微网接入位置不同的可靠性计算结果如表2所示，其中仅有MG1表示在且仅在距离母线或者开关站最近的负荷点形成微网，MG2和MG3分别表示在较远和最远处形成微网。

表2 微网接入位置不同下ASAI对比Tab.2 Comparison of ASAI with different MG position%

4.3 结果分析

从表1和表2得出以下结论。

（1）所计算的三种接线模式中放射状接线模式可靠性最低，其次为不同母线环式接线，不同母线出线连接开关站最高。

（2）接入相同容量的微网，且微网分布方式相同的情况下，对放射状接线的可靠性提高最为明显。其原因是放射状接线只能从一端获得电源，一旦线路发生故障，其后面整条线路均失电，而微网接入后，通过它的孤岛运行能力使分布式电源成为了它的“备用”，从而很好地提高了其可靠性。

（3）微网接入容量越大，对可靠性提升越高。考虑微网自身的故障率，则微网的接入容量不能太小，从而保证其对系统可靠性提高程度大于因其自身故障率引起的可靠性降低程度；另外，实际中还要考虑微网接入的成本，同时要考虑分布式电源对电网稳定性的影响，即微网的渗透率应控制在一定范围内，确保配网的安全稳定。最终通过综合考虑以上因素来确定微网的接入容量。

（4）微网的接入位置对可靠性也有一定影响。对于放射状接线，负荷均匀分布情况下，相同容量的微网接入距离母线较远的负荷点，其可靠性提高大，这是因为放射状接线中越是线路末端故障率越高，前面任何一条线路的故障都会引起其停电。如果不考虑负荷的重要程度，那么将微网接入放射状接线模式的末端性价比是最高的。

（5）同样，在连接开关站的情况下，不考虑开关站出线形成小环网的情况，那么相同容量的微网接入距离开关站越远的负荷点对系统可靠性提高越大。

（6）在环网接线中，微网的接入位置对整体可靠性影响并不明显，其原因是任一负荷点均可通过联络线及开关倒闸从不同电源获得供电，在这种情况下，不同位置的微网接入对可靠性的影响原因主要来自分段开关和联络开关之间的动作时间差异，比如图2中MG1处故障，MG2可通过联络开关闭合继续获得供电，若MG2处故障，只需将它与MG1间的分段开关断开，MG1可继续获得供电。两者的动作时间差相比线路修复时间小很多，固对整个网络的可靠性影响很小。

5 结语

微网技术正在不断的发展和成熟，传统配电网的接线模式是否仍然合适已经成为配网规划者备受关注的问题之一。本文从城市配网的接线模式出发，结合微网的特性，对比计算了放射状接线、不同母线出线的环式接线和不同母线出线连接开关站的接线之间的差异。从计算结果看出尽管放射状接线模式的可靠性最低，但其经济性最好，且加入微网后可靠性提升最明显，其今后很可能成为含微网的配电网重点关注的接线模式。对于微网的接入容量，需要充分考虑微网自身的故障率、微网的造价、网络安全以及期望达到的可靠性水平，共同确定微网的最终接入容量。同时，对于微网的接入位置，一方面需要考虑围绕重要负荷来规划，另一方面，可以考虑建在线路较长、可靠性较差的供电区域末端，从而获得更高的性价比。

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