220 kV 變電站低壓側(cè)電壓等級選擇研究

丁 誠

(連云港供電公司，江蘇連云港 222004)

隨著城市負(fù)荷密度的不斷增大，110 kV 變電站布點(diǎn)間距縮小，10 kV 電網(wǎng)可直接覆蓋，35 kV 公用電網(wǎng)的作用將逐漸削弱，未來35 kV 公用電網(wǎng)的規(guī)模也將不斷減小?；谶@種情況，新建及改造的220 kV 變電站變比較多選用220/110/10 kV，以充分利用220 kV 變電站的10 kV 間隔出線，優(yōu)化中壓電源點(diǎn)布局。但是對于中小型工業(yè)用戶，仍然適合采用35 kV 電壓等級的專線供電[1-4]。

1 電網(wǎng)發(fā)展成本費(fèi)用模型

1.1 模型假設(shè)

設(shè)定在一個理想的圓形供電區(qū)域，負(fù)荷均勻分布，由1 座220 kV 變電站供電，位于圓形供電區(qū)域的圓心。220 kV 變電站容量為2×180 MV·A，考慮1.8的容載比，負(fù)荷為200 MW。圓形供電區(qū)域的面積根據(jù)負(fù)荷密度變化而變化。在確定負(fù)荷密度后，在35 kV 負(fù)荷所占比例變化的條件下，分別計算2 種方案的綜合費(fèi)用?？傎M(fèi)用有初始投資費(fèi)用、網(wǎng)損費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用3 部分組成。采用“現(xiàn)值轉(zhuǎn)年值法”，按照“最小年費(fèi)用法”對2 種方案的綜合費(fèi)用進(jìn)行比較，目標(biāo)函數(shù)[5，6]：

式（1）中：Fn為平均分布在n年內(nèi)整個系統(tǒng)的年費(fèi)用；Z為網(wǎng)絡(luò)的初始投資；ns為網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)使用年限，取20年；r0為電力工業(yè)的投資回報率，現(xiàn)階段取10%；Eloss為網(wǎng)損費(fèi)用；Ers為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

1.2 計算條件

（1）220 kV 電 網(wǎng)。220 kV 變 電 站 變 比為220/110/35 kV時，35 kV 間隔為12個；220 kV 變 電站變比為220/110/10 kV時，10 kV 間隔為24個。

（2）110 kV 電網(wǎng)。110 kV 容載比為2.0。110 kV變電站容量為2×50 MV·A，變比為110/10 kV，10 kV 間隔為24個。每座110 kV 變電站進(jìn)線為2 條，需要占用220 kV 變電站的2個110 kV 間隔。

（3）35 kV 電網(wǎng)。35 kV 負(fù)荷均為專用負(fù)荷，僅作為負(fù)荷點(diǎn)。每條35 kV 線路限額電流為400 A，極限輸送容量為23 MW，取負(fù)載率為70%，輸送容量為16 MW。每條線路即為一個負(fù)荷點(diǎn)。

（4）10 kV 電網(wǎng)。每條10 kV 線路限額電流為400 A，極限輸送容量為6.6 MW，專線負(fù)載率取70%，輸送容量為4.6 MW；公線負(fù)載率取50%，輸送容量為3.3 MW。

（5）35 kV 負(fù)荷比例。在220 kV 變電站變比為220/110/35 kV時，35 kV 負(fù)荷由220 kV 變電站供電；在220 kV 變電站變比為220/110/10 kV時，則假定的35 kV 負(fù)荷由10 kV 專線供電，隨機(jī)由220 kV 和110 kV變電站供電。35 kV 負(fù)荷的比例為20%，30%，40%，50%，60%，70%。

（6）供電半徑計算。考慮負(fù)荷均勻分布，220 kV 變電站到每座110 kV 變電站為等距離，每座110 kV 變電站的供電區(qū)域的面積也相等，并近似為圓形。

在220 kV 變電站變比為220/110/35 kV時，110 kV變電站劃分供電區(qū)域不考慮220 kV 變電站，即110 kV變電站供電面積=供電總面積/110 kV 變電站座數(shù)，每條110 kV 線路的長度可以近似等于110 kV 變電站供電區(qū)域的半徑。每條10 kV 線路的長度等于110 kV 變電站供電區(qū)域的半徑。

在220 kV 變電站變比為220/110/10 kV時，110 kV變電站劃分供電區(qū)域需要考慮220 kV 變電站，即110 kV 變電站供電面積=供電總面積/（110 kV 變電站座數(shù)+1），所以每條110 kV 線路的長度可以近似等于110 kV 變電站供電區(qū)域的半徑的2 倍。每條10 kV 線路的長度等于110 kV 變電站供電區(qū)域的半徑。同理，每條35 kV 線路的長度為35 kV 負(fù)荷點(diǎn)面積的半徑。

（7）投資單價。220 kV 變電站的單價為12 000萬/ 座，110 kV 間隔的機(jī)會成本為1000 萬元/個；110 kV 變電站的單價為5000 萬元/ 座；110 kV 電纜線路的單價為300 萬元/km；35 kV 電纜線路的單價為200萬/km；10 kV 電纜線路單價為100 萬元/km。

2 算例分析

以負(fù)荷密度10 MW/km2為例。首先確定供電區(qū)域總面積為20 km2，半徑為2.5 km，分別考慮35 kV 負(fù)荷的比例為20%，30%，40%，50%，60%，70%。

2.1 方案A

220 kV 變電站變比為220/110/35 kV。

2.1.1 初始投資

（1）根據(jù)35 kV 用戶負(fù)荷計算110 kV 變電站降壓負(fù)荷，110 kV 變電站降壓負(fù)荷=供電區(qū)域總負(fù)荷-35 kV 負(fù)荷，然后根據(jù)容載比（110 kV 容載比取2.0）計算出所需的110 kV 變電容量及主變臺數(shù)，最后確定所需的110 kV 變電站座數(shù)。1 座110 kV 變電站需2 條110 kV 進(jìn)線，需占用2個110 kV 間隔。根據(jù)110 kV 變電站座數(shù)及供電半徑計算所需110 kV 線路的工程量。

（2）根據(jù)35 kV 用戶負(fù)荷確定35 kV 線路條數(shù)，供電半徑計算所需35 kV 線路的工程量。

（3）根據(jù)10 kV 總負(fù)荷，確定需要的10 kV 公用線路總條數(shù)。然后根據(jù)110 kV 變電站的數(shù)量確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 主干線總長度。方案A 初始投資費(fèi)用的計算過程及結(jié)果如表1 所示。

由表1 可見，隨著35 kV 負(fù)荷的增加，初始投資費(fèi)用會減少，主要原因是由于10 kV 負(fù)荷比例的降低，110 kV 電網(wǎng)的投資減少。

2.1.2 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

為簡單計算，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取初始投資的8%。方案A 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的計算結(jié)果如表2 所示。

2.1.3 網(wǎng)損費(fèi)用

線路損耗電量計算公式：

式（2）中：I為線路的最大電流；r為線路的導(dǎo)線電阻率；L為線路的主干線長度；τmax為最大負(fù)荷損耗小時數(shù)。

方案A的網(wǎng)損費(fèi)用的計算結(jié)果如表3 所示。

2.1.4 總費(fèi)用

方案A 總費(fèi)用的計算結(jié)果如表4 所示。由表4 可見，初始投資的費(fèi)用所占比例最大，超過了60%。

2.2 方案B

220 kV 變電站變比為220/110/10 kV。

2.2.1 初始投資

（1）將220 kV變電站視為1座容量為2×50 MV·A的110 kV 變電站，供電負(fù)荷為50 MW，110 kV變電站降壓負(fù)荷=供電區(qū)域總負(fù)荷-50 MW，然后根據(jù)容載比（110 kV 容載比取2.0）計算出所需的110 kV變電容量及主變臺數(shù)，最后確定所需的110 kV 變電站座數(shù)。1 座110 kV 變電站需要2 條110 kV 進(jìn)線，需要占用2個110 kV 間隔。根據(jù)110 kV 變電站座數(shù)及供電半徑計算所需110 kV 線路的工程量。

表1 方案A 初始投資

表2 方案A 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

（2）10 kV 專線負(fù)荷，即為方案A的35 kV 負(fù)荷，由10 kV 電壓等級的專用線路供電，根據(jù)110 kV 變電站的數(shù)量確定，確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 專線總長度。

表3 方案A 網(wǎng)損費(fèi)用

表4 方案A 總費(fèi)用

（3）確定10 kV 公用負(fù)荷，10 kV 公用負(fù)荷=供電區(qū)域總負(fù)荷-10 kV 專線負(fù)荷，根據(jù)10 kV 公用負(fù)荷，確定需要的10 kV 公用線路總條數(shù)。然后根據(jù)110 kV變電站的數(shù)量確定，確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 主干線總長度。

方案B的初始投資費(fèi)用的計算過程及結(jié)果如表5所示。

由表5 可見，方案B的初始投資變化較小，主要原因是由于110 kV 變電站座數(shù)一直維持不變。

2.2.2 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為簡單計算，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取初始投資的8%。方案B 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的計算結(jié)果如表6 所示。

2.2.3 網(wǎng)損費(fèi)用計算公式同本文2.1.3 節(jié)的式（2）。方案B 網(wǎng)損費(fèi)用的計算結(jié)果如表7 所示。

2.2.4 總費(fèi)用

方案B 總費(fèi)用的計算結(jié)果如表8 所示。

由表8 可見，初始投資費(fèi)用所占的比例最大，超過了60%。

2.3 經(jīng)濟(jì)性比較

重復(fù)以上步驟分別計算不同負(fù)荷密度下的綜合費(fèi)用并比較結(jié)果，不同負(fù)荷密度下2個方案總費(fèi)用的對比結(jié)果如表9 所示。

表5 方案B 初始投資

表6 方案B 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

（1）無論負(fù)荷密度如何變化，35 kV 用戶負(fù)荷所占比例在40%～50%出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)35 kV 用戶負(fù)荷小于拐點(diǎn)時，方案A 投資大于方案B 投資，此時選擇方案B 更經(jīng)濟(jì)；當(dāng)35 kV 用戶負(fù)荷大于拐點(diǎn)時，方案B投資大于方案A 投資，此時選擇方案A 更經(jīng)濟(jì)。

表7 方案B 網(wǎng)損費(fèi)用

表8 方案B 總費(fèi)用

表9 不同負(fù)荷密度下兩種方案的總費(fèi)用

（2）方案A 費(fèi)用隨著35 kV 用戶負(fù)荷所占比例的增大而降低的較為明顯；而方案B 費(fèi)用變化則很小。

（3）考慮到35 kV 負(fù)荷具有一定的偶然性，采用方案A 存在一定的風(fēng)險。在不能確定35 kV 負(fù)荷的情況下，采用方案B 則可以有效地規(guī)避風(fēng)險。

3 結(jié)束語

通過建立電網(wǎng)發(fā)展最小費(fèi)用模型，針對不同負(fù)荷密度，在35 kV 負(fù)荷所占比例變化的條件下，分別計算2 種方案的綜合費(fèi)用。得出了以下結(jié)論：在確定35 kV負(fù)荷所占比例可以達(dá)到40%以上時，建議220 kV 變電站低壓側(cè)采用35 kV 電壓等級；否則，建議采用10 kV 電壓等級。

[1]張 斌，楊高才.湖南電網(wǎng)220 kV 變電站采用35 kV 電壓等級出線分析[J].湖南電力，2011，32(2)：6-8.

[2]何春庚，鐘 清.廣東35 kV 電壓等級電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].廣東電力，2005，18(5)：21-25.

[3]陳根永，張新民，孫啟偉.農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中配網(wǎng)電壓等級的選擇分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(7)：l19-123.

[4]陳永明，楊茹，湯大海，等.無后備靈敏度的220 kV 變壓器后備保護(hù)整定[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(3)：57-59.

[5]WILLIS H L.配電系統(tǒng)規(guī)劃參考手冊[M].2 版.范明天，劉 健，張毅威，等譯.北京：中國電力出版社，2013：144-162.

[6]徐 悅，王天華，李寧可，等.基于綜合費(fèi)用最小的10 kV 開閉所容量選擇實用算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（S2）：867-869.