中壓配電電壓等級優(yōu)化及改造*

劉曉菲，商立群

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

中壓配電電壓等級優(yōu)化及改造*

劉曉菲，商立群

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

∶隨著中國科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大，10 kV中壓配電網(wǎng)已經(jīng)越來越難以滿足負(fù)荷發(fā)展的需要，為國家電網(wǎng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，必須采取措施優(yōu)化及改造現(xiàn)有的中壓配電網(wǎng)。國外已廣泛采用20 kV電壓作為新的中壓配電電壓，對于我國采取何種電壓等級最優(yōu)，則需要建立完整的分析模型，從經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性等角度對我國電網(wǎng)電壓等級序列進(jìn)行論證。通過對國內(nèi)外電網(wǎng)及電壓等級序列發(fā)展的充分調(diào)研，并結(jié)合國家電網(wǎng)的實(shí)際情況，提出了中壓配電網(wǎng)電壓等級優(yōu)化的方案，然后分別建立電網(wǎng)規(guī)模估算模型、投資費(fèi)用估算模型、占地面積估算模型，將優(yōu)化方案與現(xiàn)使用的電壓等級方案從電網(wǎng)規(guī)模、投資費(fèi)用、占地面積3方面進(jìn)行比較，得出最優(yōu)化方案為∶500/220/20/0.4 kV.最后依據(jù)不同情況，提出了具體的改造方法。建立了3種估算模型，考慮的因素更加全面，而且具有很好的適應(yīng)性，對相關(guān)實(shí)踐具有較大的意義。

∶20 kV;電壓序列;中壓配電;優(yōu)化及改造

0 引言

隨著用電負(fù)荷密度的迅速增長、供電半徑的增大，中壓配電網(wǎng)現(xiàn)普遍使用的10 kV供電電壓已越來越難以滿足負(fù)荷發(fā)展的需要，現(xiàn)有的供電模式在許多地方面臨很多問題，亟需改進(jìn)［1-2］。因此，有必要加強(qiáng)對中壓配電網(wǎng)的改造。中壓配電網(wǎng)的升壓改造是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要系統(tǒng)的論證改造方案及實(shí)施措施，同時(shí)，升壓改造有利于節(jié)約能源和減少損耗、提高供電能力、減少空間資源占用等，其在節(jié)能降損方面的作用是現(xiàn)階段其他節(jié)能降損措施都無法與之比擬的［3-5］，對電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行及發(fā)展具有十分重要的意義。

中壓配電網(wǎng)升壓改造既要考慮城市供電是否能滿足現(xiàn)代社會(huì)的需要，同時(shí)也要考慮升壓改造所面臨的各種外部因素。20世紀(jì)50年代，國外的很多國家已經(jīng)完成了中壓配電電壓等級的優(yōu)化和改造工作，普遍選擇20 kV作為新的中壓配電電壓［6-8］。為了合理配置我國電網(wǎng)的電壓等級序列，范明天等［9］研究了國內(nèi)外電網(wǎng)電壓等級配置的現(xiàn)狀，提出應(yīng)簡化變電層次，提高中壓配電電壓。彭東等［10］分析了影響電壓序列配置的主要因素，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面進(jìn)行研究，提出提升中壓配電電壓是電網(wǎng)電壓發(fā)展的總體趨勢，并建議在部分區(qū)域采用20 kV作為中壓配電電壓。劉令富等［11］對10，20，35 kV等3種中壓配電電壓進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性分析，說明了提升中壓配電電壓的優(yōu)勢，并得出20 kV電壓等級比其他2種電壓等級更有優(yōu)勢。世界電力多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，選取20 kV作為中壓配電電壓在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)勢明顯［12］，其在國際上已有超過50年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，國外很多發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)選用了20 kV作為中壓配電電壓［13-14］，因此，筆者主要研究20 kV為新的中壓配電電壓，提出不同優(yōu)化方案，建立優(yōu)化評價(jià)模型，將提出的優(yōu)化方案與現(xiàn)有供電方案從電網(wǎng)規(guī)模、投資費(fèi)用、占地面積3方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)，驗(yàn)證20 kV作為新的中壓配電電壓使用的合理性，并得出最優(yōu)的升壓改造等級序列，最后根據(jù)各地配電網(wǎng)的具體情況提出相應(yīng)的改造措施。

1 升壓改造過程中需解決的主要問題

中國的城市和農(nóng)村配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)多年后，現(xiàn)在處于歷史上發(fā)展最好的時(shí)期。要對現(xiàn)有的供電模式進(jìn)行改造需要考慮以下幾個(gè)問題

1)空間資源占用問題。隨著城市人口密度的增加，可利用的土地面積越來越少，中壓配電網(wǎng)的升壓改造必須適應(yīng)現(xiàn)有的可利用的土地資源;

2)升壓改造的時(shí)機(jī)問題。要結(jié)合不同供電區(qū)域設(shè)備的運(yùn)營年限，尋找最佳的升壓改造時(shí)間，并充分利用現(xiàn)有的供電設(shè)備;

3)經(jīng)濟(jì)效益問題。升壓改造要考慮使改造過程中消耗的費(fèi)用最小并且改造后的電價(jià)對用電客戶不產(chǎn)生大的影響［15］。

2 提出優(yōu)化方案和建立評估模型

2.1 優(yōu)化方案

2.1.1 選用20 kV電壓的優(yōu)勢

10～20 kV架空線的材料與建設(shè)費(fèi)用只比相同長度的0.4 kV線路的費(fèi)用稍高一些，且大約僅為110 kV線路的1/10.這個(gè)巨大的費(fèi)用差異證明，超高壓/高壓電網(wǎng)與低壓配電網(wǎng)之間，加入10 kV或20 kV中壓配電網(wǎng)是經(jīng)濟(jì)的，即使考慮到HV/MV變電站的費(fèi)用，也可以得到同樣的結(jié)論［16］。而35 kV線路的建設(shè)費(fèi)用已達(dá)到110 kV線路的1/5～1/3，和20 kV相比，雖然供電能力有所提高，但在相當(dāng)?shù)呢?fù)荷密度范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)上不具有優(yōu)勢。

2.1.2 具體方案

中壓配電電壓優(yōu)化的方法應(yīng)以達(dá)到總投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，同時(shí)滿足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及其他方面的要求。因此，按照中國城市電網(wǎng)的電壓序列和安裝方法，并考慮容量系列和負(fù)荷密度，確定新的電壓序列可行的替代方案，即500/220/110/20/0.4 kV，500/220/20/0.4 kV.

2.2 評估模型

對中壓配電電壓等級優(yōu)化和改造的評價(jià)需要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面考慮，在此基礎(chǔ)上建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估模型，包括電網(wǎng)規(guī)模估算模型、投資費(fèi)用估算模型、以及占地面積估算模型，其中投資費(fèi)用包括變電站投資費(fèi)用、線路改造費(fèi)用、電纜改造費(fèi)用。

2.2.1 電網(wǎng)規(guī)模模型

全區(qū)變電站總座數(shù)(座)

式中P為全區(qū)總負(fù)荷，萬kW;K為容載比;CHV為單臺(tái)主變?nèi)萘?，萬kVA;THV為站內(nèi)主變臺(tái)數(shù);INT (X)表示對數(shù)X取整;MOD(X)表示對數(shù)X取其小數(shù)位。

單座高壓變電站的供電面積(km2)

式中dss為任意兩座高壓變電站的間距，km.

變電站的高壓進(jìn)線平均長度LHV.

變電站的高壓進(jìn)線總長度Lh，km.

2.2.2 中壓變電站規(guī)模

中壓配變總?cè)萘?萬kVA)

式中RMV為配變負(fù)載率;cosφ為負(fù)荷功率因數(shù)。中壓配變總臺(tái)數(shù)(臺(tái))

式中TCM為中壓配變總?cè)萘?CM1為單臺(tái)配變?nèi)萘俊Ｖ袎壕€路總長度(km)

式中N為中壓線路總回?cái)?shù);Lc為出線主干長度。

2.2.3 投資費(fèi)用模型

利用電網(wǎng)規(guī)模估算模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算，則投資費(fèi)用的計(jì)算式為

式中S為全區(qū)變電總?cè)萘?Lh為變電站的高壓進(jìn)線總長度;Tz為中壓配變總臺(tái)數(shù);Lz為全區(qū)中壓饋線總長度;VH為單位變電容量綜合造價(jià);V1為每公里高壓線路綜合造價(jià);VM1為單臺(tái)配變綜合造價(jià); VM2為每公里中壓主干線綜合造價(jià)。

2.2.4 占地面積模型

利用電網(wǎng)規(guī)模估算模型的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算不同備選方案的占地面積規(guī)模，等于電網(wǎng)規(guī)模乘以單位設(shè)備的占地面積或線路走廊寬度，則占地面積的計(jì)算式為

式中nHV為全區(qū)變電站總座數(shù);Lh為變電站的高壓進(jìn)線總長度;Tz為中壓配變總臺(tái)數(shù);Lz為全區(qū)中壓饋線總長度;QH1為單座變電站的占地面積;QH2為高壓線路的走廊寬度;QM1為單臺(tái)配變的占地面積;QM2為中壓線路的走廊寬度。

3 實(shí)證分析

以蘇州工業(yè)園區(qū)為例，驗(yàn)證20 kV的可行性和經(jīng)濟(jì)性。目前蘇州工業(yè)園區(qū)的電壓等級序列主要為500/220/110/10/0.4 kV，以該城市現(xiàn)有的電壓等級序列500/220/110/10/0.4 kV作為方案1，新的電壓等級序列500/220/110/20/0.4 kV作為方案2，500/220/20/0.4 kV作為方案3，對這3種方案進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模估算和經(jīng)濟(jì)性比較。

3.1 負(fù)荷概況

蘇州工業(yè)園區(qū)規(guī)劃區(qū)使用面積為196.95 km2，建設(shè)區(qū)使用面積為122 km2.2020年的負(fù)荷和占地面積預(yù)測結(jié)果詳見表1.

表1 2020年負(fù)荷和占地面積預(yù)測Tab.1 Forecast of load and floor area in 2020

由表1可知，2020年蘇州工業(yè)園區(qū)負(fù)荷為1 064 MW，負(fù)荷密度為8.72 MW/km2;遠(yuǎn)景飽和年負(fù)荷約為1 817 MW，負(fù)荷密度達(dá)到14.9 MW/km2.

3.2 電網(wǎng)規(guī)模評估

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模估算模型的計(jì)算結(jié)果，220/110/ 10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV等3種建設(shè)方案的電網(wǎng)規(guī)模詳見表2.

表2 3種建設(shè)方案的變電和輸電規(guī)模估算Tab.2 Power transformation and power transm ission scale estimation of three construction programs

由表2可知，220/110/10/0.4 kV，220/110/ 20/0.4 kV以及220/20/0.4 kV等3種方案的220 kV變電站的座數(shù)分別為6，6和11;110 kV變電站的座數(shù)分別為19，16和0;10(20)kV配變臺(tái)數(shù)分別為6 224，3 734和3 734，因此3種方案中的220 kV及以下的變電站總座數(shù)是依次減少的，線路總長度也是依次減少的。

3.3 經(jīng)濟(jì)性評估

通過建立方案1～方案3，即220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV的投資估算模型，同時(shí)考慮全電纜線路電網(wǎng)和全架空線路電網(wǎng)2個(gè)子方案，結(jié)果詳見表3.

1)不管是哪種架設(shè)方式，方案3即220/20/0. 4 kV方案的投資都是最省的;

2)在架空方式中，220/20/0.4kV方案相對220/110/20/0.4 kV和220/110/10/0.4 kV方案，都節(jié)省投資28%;

3)在電纜方式中，220/20/0.4 kV方案相對220/110/20/0.4 kV方案，節(jié)省投資17%，相對220/110/10/0.4 kV方案，節(jié)省投資28%;

4)變電工程中220/20/0.4 kV方案的投資最低，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV節(jié)省投資33%和33.4%;

5)輸電工程中，架空架設(shè)方式投資是電纜方式投資的13%左右，3個(gè)方案中220/110/0.4 kV架空架設(shè)方式的投資最低。

表3 3種建設(shè)方案的投資估算Tab.3 Investment estimation of three construction program s萬元

3.4 占地面積估算

方案1～方案3的占地面積結(jié)果詳見表4.

表4 3種建設(shè)方案估算的占地面積Tab.4 Floor area estimation of three construction programs

由表4可知，以上3種方案

1)方案3的輸變電占地面積最小，分別相對220/110/10/0.4 kV和220/110/20/0.4 kV等2個(gè)方案節(jié)省占地面積35.9%和2.43%;

2)在輸電工程中，占地面積最少的是方案3，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV等2個(gè)方案節(jié)省占地面積36.3%和6.7%;

3)在變電工程中，占地面積最少的是方案2，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/20/0.4kV等2個(gè)方案節(jié)省占地面積12.2%和11.9%.

通過上面3個(gè)模型的對比分析可知，方案3即220/20/0.4 kV方案的升壓改造總投資和總占地面積最優(yōu)，所以，選用20 kV作為新的中壓配電電壓在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都具有合理性。

4 10 kV配電網(wǎng)的升壓改造

4.1 分階段升壓改造

10 kV配電網(wǎng)要綜合考慮升壓改造的時(shí)機(jī)、升壓改造的區(qū)域以及升壓改造的設(shè)備等方面的因素［17-19］。

在升壓改造的初期階段，既要對升壓改造區(qū)域和設(shè)備進(jìn)行研究，更要集中對供電能力不足及設(shè)備使用壽命將盡的地區(qū)實(shí)施升壓改造;在升壓改造的中期階段，應(yīng)該著重對電網(wǎng)發(fā)展較好的城市地區(qū)開展10 kV電網(wǎng)升壓改造工作;在升壓改造后期，主要針對還未實(shí)施升壓改造的地區(qū)進(jìn)行升壓改造，最終實(shí)現(xiàn)所有地區(qū)升壓成為20 kV運(yùn)行。

4.2 分區(qū)域升壓改造

在劃分了不同的升壓改造階段以后，就需要針對具體的供電區(qū)域?qū)嵤┥龎焊脑?，根?jù)各個(gè)區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模的差異，升壓改造地區(qū)大體上可以分為城市地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)［20-21］。

對城市地區(qū)，在原有的10 kV供電模式下，逐步推行20 kV升壓改造，最終使20 kV完全代替10 kV運(yùn)行;對農(nóng)村地區(qū)，一般情況下維持10 kV供電模式不變，根據(jù)具體情況進(jìn)行20 kV的升壓改造。

4.3 充分利用現(xiàn)有的設(shè)備

對10 kV配電設(shè)備的升壓改造過程中，要盡量利用現(xiàn)有的存量設(shè)備實(shí)施升壓，以此來節(jié)約改造成本。

對于不可利用的設(shè)備，包括使用壽命達(dá)到預(yù)期的設(shè)備，應(yīng)盡早更換為適應(yīng)20 kV電壓等級的配電設(shè)備;對于檢驗(yàn)后可直接利用的設(shè)備，應(yīng)升壓至20 kV運(yùn)行;對于經(jīng)改造后方可利用的設(shè)備，在兼顧經(jīng)濟(jì)性的條件下，應(yīng)通過技術(shù)改造措施，以滿足20 kV運(yùn)行要求;針對處于升壓改造過渡時(shí)期的站點(diǎn)，可以采用聯(lián)絡(luò)變壓器進(jìn)行逐步改造，具體措施為∶先擴(kuò)建1臺(tái)10/20 kV聯(lián)絡(luò)變(2號)，為1號變部分暫不升壓的10 kV負(fù)荷供電;而后隨著升壓改造的深入，再擴(kuò)建110/20 kV主變(3號)，共同為20 kV負(fù)荷供電;待10 kV網(wǎng)絡(luò)逐漸被20 kV替代以后，再將1號變改造為110/20 kV等級的主變，與3號變共同承擔(dān)供電任務(wù)，2號變可以退出運(yùn)行，示意圖如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)變壓器工作原理示意圖Fig.1 Work principle illustration of connecting transformers

5 結(jié)論

1)中壓配電網(wǎng)的升壓改造符合我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，可以提高供電能力、減少土地資源占用以及節(jié)約能源和減少損耗。經(jīng)過論證，相比10 kV供電，20 kV供電在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面均具有優(yōu)越性，能更好的滿足未來城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，因此，采用20 kV電壓等級是改造現(xiàn)有中壓配電網(wǎng)的首選，同時(shí)建議采用500/220/20/0.4 kV的供電電壓等級;

2)在升壓改造過程中，要考慮實(shí)際困難，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，把握時(shí)機(jī)、因地制宜，適時(shí)的對中壓配電網(wǎng)進(jìn)行升級改造。

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M edium voltage power distribution voltage grade optim ization and transformation

LIU Xiao-fei，SHANG Li-qun

(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

∶With the rapid development of China’s science and technology and social economy aswell as the gradual expansion of the construction scale of State Grid，it becomesmore difficult for 10 kVmedium voltage distribution networks to meet load development requirement.For the long-term development of State Grid，itmustadoptmeasures to optimize and transform the existingmedium voltage distribution networks.Foreign countries have widely used 20 kV voltage as the new medium distribution voltage.As to which kind of voltage class is optimum for China，a complete analysismodel needs to be set up to demonstrate China’s network voltage grade from the perspective of economy and sociality.Through full survey on the development of power grid and voltage grade and based on the actual situation of State Grid，the voltage grade optimization program was put forward formedium voltage distribution networks.Then power grid scale estimation model，investment cost estimation model，and floor area estimation model were established tomake a comparison between the optimization program and current voltage grade program from the perspective of power grid scale，investment cost，and floor area，and obtained the best optimization program∶500/220/20/0.4 kV.Finally，according to different local conditions，we propose con-crete transformation methods.The three estimation models established in the paper take more comprehensive factors into consideration，which are highly adaptive with great significance for relative practice.

∶20 kV;voltage sequence;medium voltage power distribution;optimization and transformation

∶TM 727

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0319

∶1672-9315(2015)03-0386-06

∶2015-02-10責(zé)任編輯∶李克永

∶陜西省教育廳科研計(jì)劃(12JK0568);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2014JM2-5077)

∶商立群(1968-)，男，河南濟(jì)源人，博士，教授，E-mail∶shanglq@xust.edu.cn