第1章概述
社会生产的进步引领着社会用电需求的不断增长和用户电能质量要求的持续提高。由于新能源发电的发展和电力电子技术的进步，传统交流配电系统将面临分布式能源大量接入、电力电子负荷持续增长的发展趋势，由此产生了配电系统接线复杂、负荷调度困难和潮流优化困难等一系列问题。
国内外研究表明，相比交流配电网，基于全控器件的直流配电系统，在系统可控性、电能输送容量和供电质量等方面均具有更加优越的性能，且能通过主动控制手段协调分布式能源与配电系统之间的矛盾，充分利用分布式能源，更好地促进“双碳”目标的达成。随着技术的继续进步，直流配电系统在可靠性、稳定性、安全性和经济性等方面的优势将进一步加大，具有巨大的经济价值和市场潜力。
1.1配电系统应用与背景
城市供用电系统起始于19世纪80年代，爱迪生创立了爱迪生电灯公司，*早在纽约、伦敦等地通过直流进行配电。随着交流发电机和变压器的发明和推广，交流配电逐渐成为主流的供电方式。应用旋转磁场的两相感应电动机的发明进一步加速了交流电力的供应和普及。19世纪末期，欧洲、美国的电力传输技术迎来了长足进步，包括发电机、变压器、输电线及作为电力负载的各种电器的发展，初步形成了包含发电、输电、变电、配电以及用电等各环节的完整交流电力系统。至20世纪初，斯坦梅茨（Steinmetz）等学者建立了完整的交流理论体系，巩固了交流电力传输技术的发展基础，交流配电技术占据了配电系统的主流地位。
在我国，随着改革开放的推进和国民经济的迅速发展，现代化的居民小区和各类经济技术开发区如雨后春笋，城乡居民用电和工商业电力负荷的不断增长，导致配电系统成为制约经济发展的重要因素之一。具有更加稳定的供电能力、更加优良的电能质量的城市配电系统愈发成为经济发展和社会进步的基本要求。
配电系统是电力系统中直接与用户侧相联系的中低压部分。配电系统直接面向广大的民生需求，因此对自身可靠性提出了很高的要求。其中，城市配电系统是城市基础设施建设的重要组成部分，其影响范围更加广泛。城市配电系统的规划建设和升级改造一般均与所在城市的中长期规划设计密切配合、同步实施。目前，发达国家的城市配电网通常采用多回路网状结构，使其平均供电可靠率达到99.99%以上。对于中小城市配电系统，常常先在高压配电等级构建110kV单（或双）环网。高压配电环网建成后，再片运行。面向特大城市配电系统，如日本东京等地，则选择先在市郊建设超高压输电外环，再与高压配电内环相连，为市区居民和工商业供电。
近年来，我国在配电系统建设方面也取得了长足的进步，其主要成果如下[1]。
1.配电线路升压技术的发展
配电设备通常具有较为宽裕的绝缘裕度。提升电压等级是提升现有配电系统供电能力*直接有效的措施。充分利用现有配电杆塔的绝缘裕度，配合杆塔头部结构改造，并通过一定的措施加强线路绝缘强度、加大线路间距，能够提升配电系统电压等级。
我国众多城市都采用直接升压的方法提高配电系统的供电能力。此外，通过配电线路升压运行，可以淘汰非标准电压，简化系统电压等级，达到提升配电系统运行效率的效果。1959年起，北京市就已经将5kV线路升压为10kV。目前我国已经普遍采用10kV作为中低压配电系统的标准电压等级，部分城市和工业园区正在试点使用20kV电压等级。高压配电线路则普遍使用110kV和35kV电压等级。负荷密度特别大的城市的高压配电系统也可以采用220kV电压等级。
2.配电设备的进步
中压配电变压器的额定容量从数十千伏安增加为数百千伏安甚至更高；高中压配电线路的导线截面积由数十平方毫米增加到240～400mm2，显著提升了配电线路的载流能力；同时，配电线路断路器的短路电流开断能力大幅提高到31.5～40kA，并广泛使用节能环保、损耗小、可靠性高的成套配电设备等，适应了不断增长的用电负荷需求。
3.配电系统规划的发展
20世纪60～70年代，由于缺乏统一的城市建设规划意识，配电系统往往仅依据近期负荷需求进行建设，导致配电变电所等投运几年后就需要进一步扩建和重建，造成资金浪费，且难以进行后续的电网优化。80年代初，随着各项国家标准的制订、修改和落实，配电系统规划逐渐步入正规化、流程化。配电网的建设开始结合城市总体发展规划，以城市中远期负荷发展预测为基础，合理布置配电变电所位置和配电线路走廊。对于传统架空线，部分城市采用窄基杆塔和同塔多回线并架等形式，并注意使架空线路的造型更美观；更多的城市则开始在市中心地区使用地下电缆，建设专用电缆隧道，节约空间资源，进一步美化城市景观。
4.灵活的配电系统结构
传统配电网络多为放射形，其供电灵活性和可靠性均不能满足现代配电系统的基本需求。因此，现代配电系统通常使用两端供电、双回线或环网等主接线形式并配合多分段多联络环形接线盒等，尽量减少故障导致的系统停电。环形接线、分段运行是常见的配电系统运行方式，能够实现运行可靠性与经济性的统一。
5.配电网运行管理自动化、信息化
随着计算机技术和通信技术的不断发展，配电系统的运行管理也在发生深刻变化。配电系统自动化技术，利用信息技术将配电系统的系统结构、实时运行、设备状态、用户信息和地理分布等因素结合起来，共同组成全面的配电自动化系统，实现配电系统的控制运行自动化和监管的信息化，显著加强了配电系统的实时监控能力，提升了配电系统供电质量与运行可靠性。
此外，配电系统也出现了一些新的特点和发展趋势。为了响应国际气候保护和环保需求，太阳能、风能等可再生能源将越来越多地接入配电系统。配电系统中的可再生能源通常具有小型化、分布式的特点。同时，位于偏远地区的海岛、钻探平台等孤立负荷，过去常采用柴油机等就地发电方式，用电成本偏高；而城市居民和工商业用电负荷的持续增长也不断对配电系统容量提出新要求。如何将可再生能源更加经济、环保地接入配电系统，并*大限度地发挥其发电潜力，是配电系统亟须解决的重要问题之一。
由于在分布式能源并网等方面的优势，直流输配电技术重新进入了人们的视野。此外，直流输电方式规避了交流电力传输中的稳定性问题，便于引入高性能电力潮流控制技术，且不存在交流电力电缆的充电电流导致的送电容量偏低的问题。上述特点均给直流配电技术的应用带来了新的生命力。
1.2交流配电系统技术特征
传统交流配电系统通常包括高压配电线路、配电变电站、中低压配电线路、配电变压器和继电保护等环节。由于涉及的电力设备种类和数量繁多，配电系统的投资通常占到电力系统总体投资的一半，运行成本则占到电力系统总体成本的五分之一。配电系统的主要作用是将用户和电力系统发、输电环节相衔接，其主要要求是供电稳定性和电能质量。配电系统的正常运行中，需要在安全可靠的基础上，满足电能质量和运行经济性要求，并保证足够的拓展改造裕度。
1.2.1交流配电系统结构
选择配电网的主接线方式时，需要综合考虑其可靠性、经济性、电能质量、主变压器和线路负载率、短路容量、“N-1”和“N-2”安全准则等多种因素。传统交流微电网的接线方式主要有辐射状接线、“N-1”接线、多分段多联络接线、接线等。
1.辐射状接线系列
辐射状接线属于无备用接线方式，其主要形式有树枝状（干线式）接线、完全放射状接线和中介点放射状接线三种形式，如图1-1所示。
树枝状接线通常由主干线、次干线和分支线共同构成。其优点在于接线方式清晰简单，但存在供电可靠性差、需进行扩容改造等缺点。当供电负荷沿线分布较为均匀时，可采用树枝状接线，但分支线不宜过多。因此树枝状接线通常只应用于城市配电系统的6～10kV架空线供电、非重要用户供电和郊区农村供电。完全放射状接线结构更加简单，但同样存在供电可靠性差、停电影响范围大等缺陷。中介点放射状接线初期施工和后期拓展比较灵活，供电容量较前两种接线方式更大，比较适合用户负荷密集的供电区域。
整体上看，辐射状接线结构简单、经济性好，但整体供电可靠性不高，不能满足“N-1”安全准则，因此仅用于对供电可靠性要求较低的地区。
2.“N-1”接线系列
环网供电、两端供电等有备用接线方式是较为常见的提高配电系统供电可靠性的接线形式。在此基础上，可以发展出多种具有高供电可靠性的接线方式。其中，“N-1”接线方式是在环网系统或两端供电系统的基础上，添加备用供电线路发展而成的。常见的“N-1”接线包括：“2-1”接线、“3-1”接线（包括两供一备、互为备用两种接线方式）以及“4-1”接线等，如图1-2所示。
图1-2（a）所示的“2-1”接线方式，具有结构简单、操作运维清晰、供电可靠性高的特点，且便于进行配电自动化改造，因此在目前城镇配电系统中得到普遍应用。但“2-1”接线方式运行方式较少，切换不灵活，配电网整体资源利用率较低。“3-1”接线方式中，对于如图1-2（b）所示的两供一备接线方式，通常要求线路容量裕度不低于1/3，通过合理切换运行方式，充分利用线路有效载荷，提升配电网整体运行效率。但两供一备接线方式在正常运行时，线路容易进入满负荷状态，影响运行灵活性，因此实际应用案例较少。图1-2（c）所示的互为备用接线中，通过合理的运行方式切换，能够将线路的*高负荷控制在安全载流量的2/3，从而提高配电线路利用率。图1-2（d）所示的“4-1”接线方式，实际上是一种三供一备接线方式。相比前几种接线方式，“4-1”接线方式运行方式较多，可靠性也显著提升，在负荷集中区域的配电网利用率更高。但“4-1”接线方式的电网结构较为复杂，维护难度大幅增加，且经济性相对较差，目前主要在大中城市负荷密集区域实现应用。
总体上看，“N-1”接线属于有备用接线，满足“N-1”运行要求，因此供电可靠性较高。配电线路利用率较高，通过选择合适的运行方式，能够*大限度地利用配电线路的有效载荷，紧急情况下的供电负荷转移也更加灵活。但是，当发生两条线路同时出现故障等情况时，也可能没有合适的转供运行方式，导致部分区域停电。该接线系列的主要应用场景是大中城市中经济发展水平较高、居民负荷较为密集的区域。
随着城市规模的不断扩大，部分地区的配电系统正在接近其设计极限。如果原配电系统为单环网回路或两端供电等接线方式，则可以通过在扩建中增加专用备用线路等方式，将配电网接线演化为“N-1”接线，从而进一步挖掘现有配电线路的输送潜力，进一步提升线路负载率，满足负荷增长新需求。
3.多分段多联络接线系列
多分段多联络接线是一种新型配电网接线方式，正在我国城市配电系统中得到逐步推广应用。典型的多分段多联络接线如图1-3所示。依分段和联络数量的不同，多分段多联络接线可以分为两分段两联络接线、三分段两联络接线、三分段三联络接线等方式。通过设置较多的分段和联络数目，多分段多联络接线使配电系统演化为复杂网状结构。因此配电网络整体可靠性较高，经济性较好。但过于复杂的网络也会导致运行方式过多，运行方式优化和保护定值计算复杂，因此分段数通常不会超过四。
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