大型城市電網結構分析及其對重慶電網的啟示

唐文左，梁文舉，李媛媛，宋云亭，張鑫

（1.重慶電力公司電力科學研究院，重慶400014；2.中國電力科學研究院系統(tǒng)所，北京100192）

大型城市電網結構分析及其對重慶電網的啟示

唐文左1，梁文舉1，李媛媛2，宋云亭2，張鑫2

（1.重慶電力公司電力科學研究院，重慶400014；2.中國電力科學研究院系統(tǒng)所，北京100192）

針對目前重慶電網內電磁環(huán)網運行、短路電流超標的問題，為保證“十二五”期間重慶電網改造的合理性，提高電網運行的可靠性、經濟性，詳細分析了國內外大型城市的電網結構，在借鑒先進城市電網供電模式設計理念和發(fā)展經驗的基礎上，結合重慶電網的實際特點和發(fā)展現狀，對重慶電網的規(guī)劃設計工作進行了思考，最后對重慶電網的供電模式提出了相關建議。研究成果可為重慶電網的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展提供指導。

重慶電網；供電模式；城網規(guī)劃；電磁環(huán)網

發(fā)達國家城市電網發(fā)展較為成熟，其先進的城網規(guī)劃理念可為我國城市電網的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。重慶電網地處四川電網與湖北電網之間，除滿足重慶網內負荷的需求外，還兼具為川電外送通道提供電壓支撐的功能。重慶電網已于2007年建成500 kV“日”字型環(huán)網，骨干網架實現了由220 kV向500 kV的轉型升級[1～3]。由于主城區(qū)220 kV電網密集，且重慶內部電源多接入220 kV網架，主城區(qū)部分電網仍保持著500/220 kV的高低壓電磁環(huán)網運行狀態(tài)，主城區(qū)220 kV電網短路電流水平較高。特高壓網架建成投運后，系統(tǒng)短路容量水平將是制約重慶電網進一步發(fā)展的重要因素，因此需要對其進行科學合理的網架規(guī)劃。

本文首先分析了國內外發(fā)達國家城市的電網結構，結合重慶電網的實際特點和發(fā)展現狀，對其規(guī)劃設計工作提出了相關建議，從而為重慶電網的規(guī)劃建設提供指導。

1 國外大型城市電網結構分析

1.1 巴黎城市電網

巴黎電網的電壓等級為400/225/20/0.4 kV[4～5]，電網結構為2層輸電環(huán)網體系，如圖1所示。外層線路為400 kV；內層線路為225 kV，以高壓配電電壓輻射狀深入市區(qū)，多數直接通過變壓器從400 kV網絡上受電，且各站點多采用放射型結構，彼此間互不相連，類似于終端變電站。

圖1 巴黎電網地理接線Fig.1Geographical wiring of Paris power network

環(huán)網的設計概念延伸到20 kV配電網，目前20 kV配電網為2個完整環(huán)（外環(huán)和內環(huán)）和1個半環(huán)（中間環(huán)）的結構。城區(qū)分區(qū)供電十分清晰，3個環(huán)上分布了多個225/20 kV變電站，每條225 kV輻射饋線最多帶3個225/20 kV變電站。外環(huán)和中間環(huán)上通常配置2×70 MVA的變壓器；內環(huán)上通常配置1個100 MVA的變壓器。

巴黎電網的20 kV網絡非常堅強，可以在發(fā)生“N-2”故障后快速恢復供電。當某條225 kV輻射饋線故障斷開時，失去電源的225/20 kV變電站負荷完全轉移到相鄰的225/20 kV變電站，即不依靠任何一條225 kV線路來保證巴黎市區(qū)的供電，而是依靠20kV中壓環(huán)網強有力的聯(lián)系來保證。

1.2 倫敦城市電網

倫敦高、中壓電網的電壓序列包括400、275、132、66、33、22和11 kV，33 kV及22 kV只在低負荷密度區(qū)使用，市區(qū)內正在逐步取消[6，7]。

圖2 倫敦電網地理接線Fig.2Geographical wiring of London power network

圖2 為向倫敦市輸電的英國國家超高壓輸電網絡的一部分，灰線代表275 kV線路，黑線代表400 kV線路。倫敦電網在城外形成400 kV環(huán)形接線，從四周向城市供電，275 kV電網形成雙環(huán)網環(huán)繞在倫敦外部，這一環(huán)路大部分由雙分裂或四分裂的架空線路構成；一條400 kV的雙回線穿越市區(qū)，為位于倫敦市中心的變電站提供電力。

由于在275 kV雙環(huán)網上布置了多個400/275 kV供電節(jié)點，故該輸電網絡結構能夠在多回線路停電的情況下保證城市供電的可靠與安全。

1.3 東京城市電網

東京高中壓電網標準電壓包括1 000、500、275、154、66、22、6.6 kV。其中：1 000 kV降壓500 kV運行，154 kV只出現在東京的外圍，而22 kV則是在首都中心的高負荷密度地區(qū)采用[8]。

東京電力系統(tǒng)主網架結構如圖3所示。以500 kV輸電線路為骨干網，以同桿并架雙回線的方式圍繞城市形成500 kV雙環(huán)U形網，U型環(huán)上的500 kV站以275 kV架空線將電力從多方向送入275 kV樞紐變電站，再經275 kV電纜或154 kV電纜向都市中心供電。275 kV網絡采用手拉手模式，在郊外154 kV作為送電線路架空線架設，城區(qū)內66、22、6.6 kV作為配電電壓“手拉手”接線。

圖3 東京電力系統(tǒng)主網架示意Fig.3Sketch map of Tokyo main power network

東京受端電網500 kV短路電流水平目前已超過50 kA。如果短路電流超過50 kA，則采用分層分區(qū)解環(huán)運行的方式，變更網絡結構，限制短路電流。

1.4 紐約城市電網

美國紐約電網接線如圖4所示。紐約高中壓電網的電壓等級為345、138、33、27和13.6 kV。其中，345 kV高壓輸電網呈“條狀”結構，接線簡單；138 kV電網以電廠為支撐形成連接主要功能區(qū)中心變電站的環(huán)網供電模式。

圖4 美國紐約電網接線Fig.4Wiring of New York power network

城區(qū)配電網采用138/（33～27）kV的電壓等級，多數為環(huán)型/“4×6”網絡接線模式，此種接線模式由4個節(jié)點和6條線路構成，4臺變壓器分別位于4個節(jié)點，組成四邊形供電，對角線相連，正常運行時，每條線的中間斷路器斷開，每臺變壓器低壓側分別向3條負荷線路送電。這種網絡接線可靠性高、經濟性好，而且有利于限制短路電流。

1.5 北京城市電網

北京500 kV電網是華北電網的重要組成部分，電網接線示意如圖5所示。

圖5 北京電網主網架示意Fig.5 Sketch map of Beijing main power network

北京500 kV電網已經基本形成昌平-順義-通州-安定-房山-門頭溝-昌平的雙環(huán)網結構，外部電源分散接入北京地區(qū)的各個500 kV變電站，且500 kV負荷變電站已考慮深入市區(qū)。500 kV環(huán)網按線路“N-2”不損失負荷的安全標準來設計。以相鄰2座500 kV變電站的各段220 kV母線構成220 kV電網的一個供電區(qū)域，從而實現220 kV網絡的分區(qū)供電模式。

目前220 kV電網分為昌平-城北、城北-順義-朝陽-通州、通州-安定-興都、興都-房山-門頭溝、門頭溝-昌平等5個供電區(qū)域分片運行?！笆濉蹦┢冢本?20 kV電網將初步分為9個供電分區(qū)，各分區(qū)內220 kV為雙環(huán)網結構開環(huán)運行，部分220 kV變電站深入到城市繁華地區(qū)，各分區(qū)之間在正常方式下相對獨立，事故情況下各區(qū)之間具備一定的相互支援能力。

2 對重慶電網的啟示與思考

2.1 加強主網建設

目前重慶500 kV輸電網雖已初步形成“日”字型環(huán)網，但網架結構仍較為薄弱，500 kV變電站布點不足，220 kV網絡無法分區(qū)運行。重慶電網的特點是雙回500 kV線路與多回220 kV線路并列運行。在特高壓電網形成后，若500/220 kV電磁環(huán)網不能解環(huán)，將形成1 000/500/220 kV三級電磁環(huán)網。正常運行時，處于四川-重慶-湖北送電通道上的500 kV線路潮流較重，而重慶內部500 kV線路潮流較輕，電磁環(huán)網對電網安全穩(wěn)定運行和輸電能力的影響較小，但高一級電網故障時則可能會造成嚴重后果。由此可見，重慶500 kV電網與220 kV環(huán)網不能有效匹配，難以應對大負荷轉移，抵御事故及強自然災害能力差。

重慶電網應吸取國外城市主干輸電網的規(guī)劃建設理念，加強500 kV主網建設，結合新的送變電工程建設，盡快實現向“目”字型網架過渡，并擇機適時解開500/220 kV電磁環(huán)網，為合理分層分區(qū)的目標網架建設打下堅實基礎，同時也能滿足大型電源的接入及區(qū)外電力送入的需要。

2.2 采取有效措施，限制短路電流

經計算分析[9]，2011年重慶電網在主變中性點為加裝小阻抗的情況下，巴南站220 kV單相短路電流達到50.22 kA，已超過遮斷容量?！笆濉逼陂g，隨著重慶網內500 kV電網的不斷加強及接入220 kV電網的電源項目的建成投產，220 kV系統(tǒng)短路容量將呈上升趨勢，且在特高壓電網形成后，重慶電網內電磁環(huán)網的存在與系統(tǒng)短路電流增加之間的矛盾也將日益突出。

重慶電網可參考東京電網和紐約城市電網在處理系統(tǒng)短路電流方面的經驗，在逐步解開500/ 220 kV電磁環(huán)網的基礎上，合理協(xié)調220 kV電網分區(qū)運行，限制短路容量以降低各電壓等級的三相及單相短路電流。此外還應結合重慶城網現有供電格局進行統(tǒng)籌規(guī)劃，進一步采取措施限制短路電流，如采用合適的高阻抗500/220 kV變壓器和中性點接入小阻抗等。

2.3 高壓站點深入城市中心

由于獨特的地形地貌環(huán)境，重慶城區(qū)“1 h經濟圈”內負荷密度高，且變電站站點及線路走廊資源奇缺，致使城網發(fā)展速度與城市建設發(fā)展速度不匹配，甚至已影響部分地區(qū)供電安全。

為減少對220 kV線路走廊及站點的占用，重慶電網可借鑒倫敦和北京電網的建設經驗推進500 kV站點深入中心城區(qū)。重慶市區(qū)輸變電工程建設難度較大，在“1 h經濟圈”內新建的500 kV變電站可考慮以1 500 MVA大容量變壓器和4×630 mm2大截面送出線路為主，采用新技術提高單位走廊輸送能力；其他區(qū)域新建的500 kV變電站則以1 000 MVA容量變壓器為主，并就近接入500 kV環(huán)網，減少對土地資源的占用。

2.4 重視配網建設

重慶老舊的配電網不堪重負，線損逐年增大，供電可靠率低，配網事故頻繁，特別是在農村地區(qū)，由于農村人口分布分散，負荷密度水平較低，相比重慶的主城區(qū)，農村地區(qū)的電網結構相當薄弱，且供電半徑偏大，導線截面偏小。重慶電網應參考國外城市配網建設的先進經驗，如倫敦20 kV中壓互聯(lián)環(huán)網結構、紐約中壓變電所的環(huán)形接線方式和巴黎20 kV網絡等，加快中低壓配電網的改造工程。對于10 kV配電線路，可結合電網實際情況考慮采用“手拉手”的鏈式接線，并采取更換低壓小截面導線等措施來降低中低壓配電網事故，提高供電可靠性。

3 結語

城市電網與城市社會經濟發(fā)展及居民生活質量密切相關，因此重慶電網的規(guī)劃設計工作應在充分借鑒國外城市電網建設經驗的基礎上，結合本地的實際情況，盡快實現向“目”字型網架的過渡，在加強主網建設的過程中擇機適時解開電磁環(huán)網，合理協(xié)調220 kV電網分區(qū)運行，并積極穩(wěn)妥地推進高壓站點深入中心城區(qū)，加快中低壓配電網的改造工程，力求實現經濟與電網的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis on Power Network Structure of Large-scale Urban Areas and Its Inspiration to Chongqing Power Network

TANG Wen-zuo1，LIANG Wen-ju1，LI Yuan-yuan2，SONG Yun-ting2，ZHANG Xin2
（1.Chongqing Electric Power Research Institute，Chongqing 400014，China；2.China Electric Power Research Institute，Power System Department，Beijing 100192，China）

Chongqing power network is facing the problems of the electromagnetic loop operation and the excessive short-circuit current.In order to improve the reliability and the economy of Chongqing power network operation，and ensure the rational construction of power network，the power network structure of large urban areas both at home and abroad is analyzed in this paper.On the basis of the advanced design concept and development experience，this paper considered the planning of Chongqing power network combined with the actual characteristics and current status.Finally，this paper proposed some suggestions for Chongqing power network planning，and provided guidance for the coordinated and sustainable development of Chongqing power network.

Chongqing power network；power supply mode；urban power network planning；electromagnetic loop

TM7

A

1003-8930（2014）03-0072-04

唐文左（1982—），男，本科，工程師，研究方向為電網規(guī)劃。Email：twz205@126.com

2012-05-03；

2012-07-02

梁文舉（1982—），男，碩士，工程師，研究方向為電網規(guī)劃。Email：lwj0209@126.com

李媛媛（1982—），女，碩士，工程師，研究方向為電網規(guī)劃與運行。Email：liyuanyuan2010@epri.sgcc.com.cn