高校配电网现状及优化.docx
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高校配电网现状及优化
1 绪论
1.1 本课题研究的目的和意义
随着校园高速发展及扩大，电力的供应和消耗己渗透到校园生产、师生生活的
各个角落，学校对电力的需求量越来越大，对电网的经济性和可靠性提出了新的要
求。
1.1.1 配电网发展现状
学校的配电系统建设较早，建设相对落后。
校园配电网，己或多或少滞后于校
园的发展壮大，成为制约校园发展的瓶颈。
配电网结构不合理，电力设备数量多但
性能落后、免维护水平低且不适合自动化要求等，导致可靠性不高，影响了师生的
生活学习。
从现有配电网的状况进行分析，根据需要和可能进行改造，提高供电质量、可
靠性和安全性，降低损耗，以适应校园的发展和扩建的需要。
1.1.2 当前配电网存在的问题
目前，学校配电网的发展还存在一些普遍性问题，如网架结构薄弱;电力设备
陈旧、事故率高、线路过载、可靠性差、电压质量低等。
具体可归纳为以下几点:
1、中压配电网的网架结构薄弱
长期以来，网络结构极不合理，突出表现在网架结构薄弱，主次网架不清晰，
多分段多互联的网络连结未形成。
配电网负荷增长迅速。
生活用电量增长给配电网
带来了很大的压力，相当多的一些设备因为过负荷而发生故故障发生频繁等问题，
用户电压不稳定，网络损耗过大。
2、配电网技术落后，网络自动化水平低
目前，学校配电网自动化技术水平较低，配电网设备落后陈旧，安全性差，能
耗大，故障频繁。
同时，网络自动化水平低，在学校电网中，中压配电网的自动化
是一块空白。
3、线路损耗率较高，电压合格率普遍较低
目前，校园配电网普遍存在线损较高的问题。
同时，电压合格率也普遍较低。
根据统计，我国 10kV（6kV）的配电网功率因数在 0.65 到 0.8,这些主要与校园配电
网结构、原建设标准低以及负荷发展的特点有关。
早期建设的配网线路已经不适合
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当前的发展需要和要求。
4、电网供电可靠性低，电网规划不科学
学校的配电网规划和设计，主要是由规划人员依据个人经验和局部计算来进
行，在有限的条件下解决负荷增加、线路过载、电压偏低等不断出现的新问题。
对
于规模日益扩大的配电网，这种规划方法将越来越难以进行配电网的合理建设和经
济运行。
1.1.3 配电网优化的意义
一、降低配电网线损，提高系统经济性
长期以来，电力部门不断的降低电力系统的能耗和线损，提高电力系统的运行
经济可靠性。
西方主要工业国家的线损率大致在 5%-8%，我国为 10%，与发达国家
相比尚有差距。
35-11 0kV 配网线损是地区线损的重要组成部分，在正常运行时，
通过网络优化改善电网运行方式从而达到降低配网网损的目的。
二、均衡负荷，消除过载，提高供电电压质量
在配网中，每条馈线均有不同类型的负荷如 :
商业类、生活类和生产类。
由于
不同类型负荷的日负荷曲线是不同的，在变电站的变压器及每条馈线上峰值负荷出
现的时间是不同的，通过网络优化，可以将负荷从重负载或是过负载馈线 （或变压
器、转移到轻负载（或变压器）上，这种转移不仅调节了运行馈线的负荷水平，消除
馈线过载，还能改善电压质量，同时也可以有效地减小整个系统的网损。
三、提高供电可靠性
在配电系统发生故障时，可以打开配电系统中的某些分段开关隔离故障，同时
合上某些联络开关把故障线路上的部分或全部负荷转移到其它线路上去，从而起到
快速隔离故障和恢复供电的目的。
综上所述，学校的配电网的运行中存在的突出问题表现为资金投入不足，网损
较高和可靠性较低，而配电网优化能够解决学校配电网现存的问题。
但是，这三者
之间存在着一定的抵制关系，要想降低网络损耗和提高供电可靠性，就势必会增加
资金投入，但过多的资金投入会给学校造成投资压力。
所以本论文将在资金投入，
网络损耗和可靠性这三者之间寻求一条最优途径，以满足配电网改造的实际要求。
1.2 国内外研究动态
1.2.1 配电网可靠性研究的现状
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配电系统可靠性的研究始于上世纪中后期，其起步晚于发电和输电系统可靠性
的研究。
现代电力系统的供电能力强大，并且涉及面广泛，任何停电事故的发生都
会造成巨大的经济损失和社会影响。
由于缺乏对可靠性的研究和管理，以及人们开
始并未意识到配电网可靠性的重要性，一些国家的电力系统曾发生过大面积停电事
故。
其中，尤其是美国东北部电力系统（包括纽约市）发生的大停电，引起了社会秩
序的极大混乱，造成的损失惊人，成为国际史上的一次重大事故。
自此以后，各国都大大加强了对电力系统可靠性的研究工作。
自 1965 年大量该领
域的学术论文问世以来，到目前为止，无论是在数据统计方面，还是在可靠性的模
型和算法方面，都进行了大量的研究，在发达国家，可靠性评估正逐步成为配电网
决策中的常规性工作。
国内配电网可靠性评估中的工程应用研究起步较晚，八十年代初期才开始这方
面的研究工作。
由于缺乏必要的统计数据和行之有效的计算方法，初期发展缓慢。
此后，随着国民经济的飞速发展，城市用电负荷迅速一嘈长，供需矛盾日益突出，
迫切需要对配电网进行科学合理的规划，这就促进了配电网可靠性评估的发展。
配电系统可靠性评估虽然起步较晚，但在模型和算法上仍取得了很大的进展。
目前，用于定量评估配电系统可靠性的方法有三类:
一类是解析法、一类是模拟法、
另一类是人工智能方法。
一、解析法
解析法的基本思想是根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑
关系，建立系统的可靠性概率模型，通过递推和迭代等过程精确求解此模型，从而
计算用户和系统可靠性指标。
1、概率分布法
这种方法利用可靠度来计算系统在各种容量状态的稳态概率指标，具有使用灵
活方便，计算速度快等优点，可用于小型配电系统的可靠性评估，但它没有较强的
系统性，建立元件故障和系统处于各种容量状态之间的概率关系十分繁琐，且难以
处理状态之间的随机转移和多重故障等因素的影响。
上述缺点使其应用范围受到了
限制。
2、表格法
它是前苏联科学家塔里维尔季耶夫在 1970 年提出的。
该方法简单直观，在理
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论上不存在其他模型因元件状态不独立而带来的建模困难问题。
但表格法仅适用于
手工计算，不利于计算机编程实现，难于对大型配电系统进行可靠性评估计算。
国
内学者对其进行了有益的探索和分析，取得了一定的研究成果。
3、故障模式与后果分析法（Failure Mode and Effect Analysis method 简称
FEMA 法）
这种方法通过对系统中各元件的状态的搜索，列出全部可能的系统状态，然后
根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析，找出系统的故障模式集
合，最后在此集合的基础上求得系统的可靠性指标。
该方法原理简单、清晰，模型
准确，已广泛用于小型配电系统的可靠性评估中。
但是，由于它的计算量随着元件
的增长成指数增加。
故在系统结构复杂、元件数目及操作方式增多时，系统的故障
模式急剧增加，计算将变的冗长繁琐。
直接采用 FEMA 法对一个复杂
的辐射形配电系统进行可靠性评估是十分困难的。
4、最小路法
对配电系统中的每一个负荷点，求取其最小路模型，将非最小路上的元件故障
对负荷点可靠性指标的影响，根据网络的实际情况，折算到相应的最小路节点上，
从而对于每个负荷点，仅对其最小路 L 的元件进行计算即可得到负荷点相应的可靠
性指标。
该算法可以结合系统的实际配置，找出网络的薄弱环节，计算效率较 FEMA
法有了很大的提高，但是对于由主馈线和分支馈线组成的相对复杂的系统，其最小
路的求解和简化工作非常复杂。
此外，它对我们不很关心的负荷点的指标也做了大
量的计算，耗费了不必要的时间。
二、模拟法
模拟法是通过模拟元件寿命过程的实际情况，并对此模拟过程进行若干时间观
察，评估所求系统的可靠性指标。
适合于复杂系统计算，在有些特定场合，该方法
甚至是唯一可行的求解方法，但这种方法耗时多而且精度不高。
1,蒙特卡罗模拟法（Monte Cario Method）
在己知配电系统各元件的可靠性原始数据的前提下，通过计算机模拟随机出现
的各种系统运行状态，从大量的模拟实验结果中统计出系统的可靠性指标。
模拟法
所要求的随机模拟次数与系统的规模无关，收敛速度与问题的维数无关，算法与程
序结构都较为简单，可以求解出可靠性指标的概率分布，适用于复杂大系统的可靠
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性评估。
但模拟法计算量大，需要较长的模拟时间。
在同样的样本容量下，系统可
靠性水平越高，则模拟估计量的精度越差。
基于降低方差，提高收敛
速度的考虑，提出了分层抽样、重要抽样、对偶变量、控制变量及基于状态分析的
Monte Carlo 模拟等方法，取得了相当的成效。
2,混合法
模拟法可随机模拟系统运行的实际方式，考虑的情况更加全面，且不需要做过
多的假设，而解析法概念清晰，逻辑关系明确，在两者的基础上建立了混合法。
混
合法是 Monte Carlo 模拟法与解析法的有机结合，其基本思想是:
用 Monte Carlo
模拟法随机模拟系统的状态转移过程，而用解析法确定系统在所模拟到的各种状态
中的平均持续时间，并以此代替持续时间的抽样值。
混合法提高了模拟效率，
减少模拟统计量的方差，已成为近年来可靠性评估研究的热点。
三、人工智能算法
人工智能算法是通过仿效生物处理模式，获取智能信息处理功能，以便简化处
理一些复杂现象，快速有效的解决各种难题。
它是在 1956 年由美国的 McCarthy 和
Vinsky 等人提出的，经过多年努力己经有了很大发展。
目前包括人工神经网络算
法、模糊算法和遗传算法等多种算法。
1、人工神经网络算法
人工神经网络是进行配电系统可靠性评估的新方法，研究中建立了三层前馈人
工神经网络，采用了误差反向传播（BP）算法。
在利用历史数据对神经网络进行训练
后，即可用于计算配电系统的可靠性指标。
该算法计算速度快、精度高，可以考虑
网络结构变化等多种实际运行条件的影响。
但神经网络的设计比较困难，隐含层中
的节点数的选取问题仍需要作进一步的研究。
2、模糊可靠性评估法
在同时考虑随机性不确定事件和模糊性不确定事件对系统可靠性影响的基础
上，综合应用概率论和模糊集合论，提出了模糊可靠性评估方法。
该方法应用概率
统计理论描述和处理设备与电网运行状态的变化及负荷状态变化的随机性，应用模
糊集合论描述设备故障率、修复率、设备状态概率、电网状态概率及某负荷水平发
生的概率和负荷水平预测等数值上的模糊不确定性，并利用相应的模糊集合运算得
出电网的模糊可靠性指标。
该方法可以较好的计入可靠性计算中的许
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多模糊性不确定因素的影响。
但在隶属函数的选取、模型建立等方面仍存在一些困
难。
1.2.2 配电网优化研究的现状
配电网重构是近年来电力系统领域一个引人注目的研究方向。
通过网络重构
来实现负荷转移以达到均衡负荷、消除过载、降低网损 、提高供电电压质量和系
统可靠性的效果。
其中降低配电网线损一直是电力企业努力的方向。
配电网络优化技术最早是由 Merlin 和 Back 于 1975 年提出来的，之后不断有
研究成果发表。
事实上配电网优化是一个多目标非线性混合优化问题，处理多目标
优化问题的方法之一是降维优化方法，即选择一个主要的目标函数，把其他的目标
作为约束处理。
近几十年来，电力工作者己经在可靠性规划及网络重构方面作了大量的工作，
提出了许多实用的可靠性评估方法及重构算法，尽管采用了不同的方法，借鉴不同
的理论，但都是从配电网某一指标或某两项指标达到最优为目标函数进行研究，在
收敛性、寻优效果及运算速度上仍存在一个寻找更为实用更为优化及更加系统的综
合解的问题。
因此，寻求一个收敛性好、计算速度快的配电网优化途径具有重要的
现实意义。
1.3 本论文进行的研究
围绕配电网优化这一主题，首先介绍了配网优化的基本思路、用户可靠性和线
损的基本理论及计算方法，通过配电网设备优化，利用配电自动化系统实现管理优
化和技术优化，配电网络重构以及网络结构优化等。
其中网络结构优化又分为：
多
发段，多连接的方式；对低压供电区采用两台较小容量变压器分路供电并互为联络
备用和电源点的优化。
使配电网绝缘化、电缆化达到配电网更经济更可靠。
1.3.1学校配电网络存在的问题
近年来，随着学校招生规模扩大以及学校加大对科研、教学仪器设备的投入，
高等学校用电负荷在不断增长，大部分高校配电网络存在着以下几方面的问题：
（1）用电负荷增长，供电容量不足。
近年来，随着学校加大对科研、教学仪器设备
的投入，科研与教学用电负荷不断增长，同时，随着生活水平的提高，家用电器的
普及，学生宿舍公寓化进程加快，办公场所与宿舍的空调、热水器等大功率用电设
备增长迅猛，生活用电负荷猛增，然而，由于学校建设资金紧张等原因，配电网络
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建设发展较为缓慢，导致用电供需矛盾突出。
（2）供电可靠性低。
目前高校供电电压等级为10kv，影响教学、科研工作的开展和
师生员工的正常生活
（3）设备陈旧、技术落后。
目前许多高校设备档次普遍较低，有的设备已使用多年，
维护困难。
如福州大学GG一1A高压开关柜配置SNl0油断路器，已运行18年，断路器
漏油现象时有发生，需要经常检修，部分变电所还使用 BSL型低压开关柜，维护困
难。
（4）学校电网电能质量低，线路损耗大。
由于高校用电负荷高速增长，现有配电网
因导线线径小、供电半径大、配变布点不合理、无功补偿容量欠缺等原因，学校电
网电压合格率普遍较低。
（5）学校配网自动化水平低。
随着社会信息化和电气化的高度发展，高校对供电可
靠性的要求也越来越高，甚至连电源的瞬时中断也不允许，配电系统采用原有的运
行、控制管理模式已无法适应新形势的要求
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2 配电网优化的基本理论
2.1 配电网优化基本思路
2.1.1 配电网优化的总体原则
配电网规划是在学校发展规划及扩大规划的基础上进行的。
通过对学校发展
和建设的调查、研究，提出电力需求预测，结合学校发展的总体设想，安排学校规
划建设改造项目。
其中，要坚持以下原则:
1、配电网规划以电力需求为导向，将配电网建设的效益与配电网建设的经济
效益兼顾考虑。
2、配电网所安排的建设项目必须有利于电力市场的开拓，有利于电网的安全
稳定运行，有利于供售电量的增长。
3、配电网规划建设，要贯彻电力与生活学习、生产、环境协调发展和适度超
前的方针。
4、配电网规划坚持电力工业的可持续发展战略，提高能源利用率，加快技术
创新，确保配电网的安全经济运行。
2.1.2 配电网优化的技术原则
1、为符合国家电压标准和尽量简化电压层次的原则，高压配电网为 110 千伏，
中压配电网电压为 10 千伏，低压配电网电压为 380/220 伏。
2、中压配电网依据高压变电站的分布和供电能力在满足电能质量及安全经济
运行指标的范围内，结合经营配合管理上的方便性和城市功能分区划分成相对独立
的分区配电网。
3、中压配电网应有一定的容量裕度，当负荷转移时不致使载流元件过载。
当
任何一个中压馈电柜因故停电时，通过倒闸操作，能继续向用户供电，当发生线路
故障时，通过倒闸操作，能继续向非故障线路路段用户供电，配电线路不过负荷，
不限电。
4、中、低压电网规划、建设与改造要积极采用新技术、新设备、新工艺、新
材料。
设备选择注意小型化、自动化、免维护或少维护。
5、随着学校建设与改造的不断进行，学校中压配电网应逐步提高绝缘化水平，
在有条件的情况下要逐步发展电缆网络和架空绝缘导线，使规划区内的电缆化率和
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绝缘化率稳步提高。
新建的教学楼、住宅区应采用电缆网供电。
6、分区配电网应有明确的供电范围，营业区不交错，分区配电网的供电范围
以新的高压变电站投产，负荷的增长程度进行调整。
7、中心区公用架空配电网采用环网结构，开环运行。
8、分区配电网以高压变电站不同两段 10 千伏母线为供电电源。
重要地区的分
区配电网应有两个及两个以上高压变电站向其供电。
9、架空线路的主干网导线截面应按配电网中长期规划一次建成，主干线平均
负荷电流一般应控制在其安全电流的 1/2 左右，当负荷转移时不致使配电网的各元
件过载;电缆线路的负荷电流一般应控制在安全电流的 1/2 以下，超过时应采取分
路措施。
10、开闭所电源电缆，每回路选用 300MMz 铜芯，双电源开闭所应设备自投。
11、中性点可采取不接地，经消弧线圈接地，经小电阻接地三种接地方式。
12、中压配电线路供电半径，校区中心不大于2 公里，中心区外不超过 3-4 公
里。
13、学校道路网是学校配电网建设的依托，每条道路至少应留一条线路路径。
校内主、次干道均应留有电缆敷设位置，重要主干道还应留有电缆隧道或排管位置。
道路交叉处可按规划线路敷设足够数量的电缆排管，变电站进出线通道应按最终规
模一次建成。
2.2 用电系统用户供电可靠性的基本理论
供 电 系 统 用 户 供 电 可 靠 性 （reliability of utility's power supply
systemcustomer）是指供电系统对用户持续供电的能力。
2.2.1 用户统计
低压用户统计单位—以 380/220V 电压受电的用户，一个接受电业部门计量收
费的用电单位，作为一个低压用户统计单位。
。
中压用户统计单位—以 10 （20, 6） kV电压受电的用户，一个用电单位接在同
一条或分别接在两条（多条）电力线路上的几台用户配电变压器及中压用电设备，应
以一个电能计量点作为一个中压用户统计单位。
（在低压用户供电可靠性统计工作
普及之前，以 10 （6, 20） kV供电系统中的公用配电变压器作为用户统计单位，即
一台公用配电变压器作为一个中压用户统计单位。
）
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2.2.2 停电性质分类
故障停电—供电系统无论何种原因未能按规定程序向调度提出申请，并在
6h（或按供电合同要求的时间）前得到批准且通知主要用户的停电。
内部故障停电—凡属本企业管辖范围以内的电网或设施等故障引起的停电。
外部故障停电—凡属本企业管辖范围以外的电网或设施等故障引起的停电。
预安排停电—凡预先己作出安排，或在 6h 前得到调度批准（或按供用电合同要
求的时间）并通知主要用户的停电。
计划停电—有正式计划安排的停电。
检修停电—按检修计划要求安排的检修停电。
施工停电—系统扩建、改造及迁移等施工引起的有计划安排的停电。
注:
检修停电及施工停电，按管辖范围的界限，分别有内部和外部两种情况。
用户申请停电—由于用户本身的要求得到批准，且影响其他用户的停电。
临时停电—事先无正式计划安排，但在 6h（或按供电合同要求的时间）
以前按规定程序经过批准并通知主要用户的停电。
临时检修停电—系统在运行中发现危及安全运行、必须处理的缺陷而临时安排
的停电。
临时施工停电—事先未安排计划而又必须尽早安排的施工停电。
注:
检修停电及施工停电，按管辖范围的界限，分别有内部和外部两种情况。
用户临时申请停电—由于用户本身的特殊要求而得到批准，且影响其他用户的
停电。
限电—在电力系统计划的运行方式下，根据电力的供求关系，对于求大于供的
部分进行限量的供应。
系统电源不足限甩—由于电力系统电源容量不足，由调度命令对用户以拉闸或
不拉闸的方式限电。
供电网限电—由于供电系统本身设备容量不足，或供电系统异常，不能完成预
定的计划供电而对用户的拉闸限电，或不拉闸限电。
停电持续时间—供电系统由停止对用户供电到恢复供电的时间段，以小时表
示。
停电容量—供电系统停电时，停止供电的各用户的装见容量之和。
单位为 kVAo
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停电缺供电量—供电系统停电期间，对用户少供的电量。
单位为:
kW -h.
停电缺供电量按下列公式计算:
W=KxS1xT
式中:
W 一停电缺供电量，kWh;
S1 一停电容量，即停止供电的各用户的装见容量之和（kVA）
T 一停电持续时间，或等效停电时间，h;
K 一载容比系数，
K=P/s
该值应根据上一年度的具体情况于每年年初修正一次。
式中:
P 一供电系统（或某条线路）上年度的年平均负荷 kW;
S 一供电系统（或某条线路）上年度的用户装见容量总和（kVA）;
尸及 S 系指同一电压等级的供电系统年平均负荷及其用户装见总容量。
P=上年度售电量（KW. h）/8760（h）
注:
闰年为 8784 ho
2.2.3 可靠性主要指标及计算公式
1、用户平均停电时间:
用户在统计期间内的平均停电小时数
用户平均停电时间=E（每户每次停电时间）/总用户数
=E（每次停电持续时间 x 每次停电用户数）/总用数
若不计外部影响时:
用户平均停电时间（不计外部影响）
=用户平均停电时间一用户平均受外部影响停电时间 h/户
用户平均受外部影响停电时间
=（每次外部影响停电持续时间 x 每次受其影响的停电户数）/总用数
若不计系统电源不足限电时:
用户平均停电时间（不计系统电源不足限电）
=（用户平均停电时间一用户平均限电停电时间）/用户平均限电停时间
=E（每次限电停电持续时间 X 每次限电停电户数）/总用户数
2、供电可靠率:
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在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数的比值
供电可靠率=（1-（用户平均停电时间/统计期间时间）X 100%
若不计外部影响时:
供电可靠率（不计外部影响）
=（1-（用户平均停电时间一用户平均受外部影响停电时间）/统计期间时间）X 100%
若不计系统电源不足限电时:
供电可靠率（不计系统电源不足限电）
（1-（用户平均停电时间一用户平均限电停电时间）/统计期间时间）X 100%
3、用户平均停电次数:
供电用户在统计期间内的平均停电次数
用户平均停电次数=E（每次停电用户数）/总用户数
若不计外部影响时:
用户平均停电次数（不计外部影响）
=（E（每次停电用户数）一 E（每次受外部影响的停电用户数））/总用户数
若不计系统电源不足限电时:
用户平均停电次数（不计系统电源不足限电）
=（E（每次停电用户数）一 E（每次限电停电用户数））/总用户数
4、用户平均故障停电次数:
供电用户在统计期间内的平均故障停电次数
用户平均故障停电次数=.E（每次故障停电用户数）/总用户数
5、用户平均预安排停电次数:
供电用户在统计期间内的平均预安排停电次数用户平
均预安排停电次数=E（每次预安排停电用户数）/总用户数
若不计系统电源不足限电时:
用户平均预安排停电次数（不计系统电源不足限电）
=（E（每次预安排停电用户数）一 E（每次限电停电用户数））/总用户数
6、系统停电等效小时数:
在统计期间内，因系统对用户停电的影响折（等效）成全系
统（全部用户）停电的等效小时数。
未统停电等效小时数=（E（每次停电容量 X 每次停电时间））/系统供电总容量
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3 配电网优化的基本内容
3.1配电网网络结构的优化
3.1.1配电网的结线原则
（1）高压变电站的 10 千伏母线结线
由两台主变压器供电的 10 千伏母线结线推荐采用单母线分段；3 台主变压器
的 10 千伏母线结线按照变压器的容量推荐采用单母线四分段或六分段。
（2）中压配电网应根据高压变电站布点、负荷分布和运行管理的
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