西安市飽和負荷下的330 kV電網(wǎng)發(fā)展研究

姜山，魏磊，胡曉菁，姜寧

（國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西西安　710065）

西安市飽和負荷下的330 kV電網(wǎng)發(fā)展研究

姜山，魏磊，胡曉菁，姜寧

（國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西西安710065）

本文結(jié)合西安市的負荷變化規(guī)律和趨勢，分析了西安市未來飽和負荷值及負荷密度。根據(jù)飽和負荷預測的結(jié)果，提出西安市飽和年330 kV變電站需要變電容量、臺數(shù)，并對各電壓等級之間的協(xié)調(diào)配合問題進行了討論，為西安電網(wǎng)未來的規(guī)劃提供參考。

西安電網(wǎng)；飽和負荷；330 kV電網(wǎng)

電網(wǎng)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施，是國家能源安全的重要組成部分。西安電網(wǎng)經(jīng)過“十一五”時期及“十二五”初期的建設(shè)與改造，現(xiàn)有的330 kV電網(wǎng)已經(jīng)形成了雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時750 kV變電站也已經(jīng)在西安地區(qū)落地，滿足地區(qū)電力需求。

西安中心城區(qū)正處于建設(shè)改造實施的關(guān)鍵階段，區(qū)域內(nèi)開發(fā)密度、開發(fā)強度較以往均大幅提高。本文首先分析西安電網(wǎng)轄區(qū)范圍內(nèi)負荷的變化規(guī)律和趨勢，預測西安市飽和負荷水平。根據(jù)西安地區(qū)負荷預測成果，提出西安市未來330 kV變電站需求，并對主變臺數(shù)、容量以及上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)問題進行討論，為西安電網(wǎng)的未來的規(guī)劃提供參考。

1　飽和年負荷分析

截止2014年底，西安市全社會用電量和最大負荷分別為27.5 TWh與6 160 MW，年均增長率為8.99%和10.35%。西安地區(qū)的年負荷曲線存在明顯的季節(jié)性波動，地區(qū)的負荷曲線變化趨勢及形狀主要受居民生活及第三產(chǎn)業(yè)負荷的影響，呈夏、冬雙峰的特性，地區(qū)年最大負荷一般出現(xiàn)在夏季，負荷低谷期一般為每年的5月份及10月份。

2005～2014年西安市全社會用電量與最大負荷如表1、圖1所示。

表1　西安市歷史年電量與負荷表Tab.1　The Xi’an annual electricity consumption and load in past years　億kW·h、MW

數(shù)學家Verhulst于1840年提出了Logistic曲線，最早用于生物種群的研究，通過觀察研究發(fā)現(xiàn)，許多事物的發(fā)展過程與生物種群的發(fā)展相似，因而其應用范圍得以拓展到其他領(lǐng)域。由于區(qū)域環(huán)境、資源、土地等因素的限制，隨著地區(qū)的發(fā)展，一個確定區(qū)域的負荷增長必然會達到一個趨于飽和的狀態(tài)，基于負荷生長的這種特性，可以采用Logistic曲線描述［1］。記t水平年負荷為X（t），則X（t）可通過如下微分方程描述：

式中：r為比例常數(shù)；Xm為負荷增長極限值；X（t）的初始值X（0）已知，則可以求得X（t）為：

圖1　歷史年年全社會電量負荷情況Fig.1　Total annual electricity consumption and load value in past years　億kW·h、MW

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)X（t），通過迭代算法已知Xm求得r，再由r求出Xm，如此交替迭代直至收斂，求得需要的飽和負荷預測值Xm。

根據(jù)西安市歷史年負荷數(shù)據(jù)，將歷史年負荷錄入進行Logistic曲線擬合，通過Logistic曲線模型擬合預測未來電量變化趨勢，如圖2所示。

圖2　西安市負荷Logistic曲線擬合圖Fig.2　The Logistic curve of load value in Xi’an

由曲線可知西安市2010年以前屬負荷發(fā)展初級階段，2010～2022年快速發(fā)展進入快速發(fā)展階段，2022～2034年負荷增量逐漸減小，2034年以后負荷增長減緩，逐漸進入飽和階段。從2040年開始西安市負荷增長速率小于2%，2040～2045年西安市負荷趨于飽和。

根據(jù)以上擬合曲線，結(jié)合西安市發(fā)展規(guī)劃［2］與城市電力負荷飽和負荷的分析方法［3］，采用負荷密度法對西安市飽和負荷進行估算，預計西安市飽和年最大負荷約為20 000 MW，其中一環(huán)以內(nèi)負荷密度26.47 MW/km2，一環(huán)至二環(huán)28.46 MW/km2，二環(huán)至三環(huán)21.01 MW/km2，三環(huán)到繞城14.41 MW/km2。

2　變電容量需求分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)定［4］，對于負荷增長速度較慢的地區(qū)，330 kV城網(wǎng)容載比宜控制在1.6～1.9之間。對于飽和年的西安電網(wǎng)，負荷增長緩慢，330 kV容載比按照1.6考慮。

容載比計算公式如下：

式中：Rs為容載比kV·A/kW；PMAX為該電壓等級的全網(wǎng)最大預測負荷；Si該電壓等級所需要的主變?nèi)萘俊?/p>

根據(jù)負荷預測結(jié)果PMAX=20 000 MW，Rs=1.6，則PMAX=32 000 MV·A。截止2014年底西安電網(wǎng)共有330 kV變電容量9 120 MV·A，至飽和年需要新增330 kV變電容量ΔS新增=Si-S現(xiàn)狀=22 880 MV·A。

3　主變臺數(shù)、容量需求分析

3.1主變臺數(shù)分析

在實際運行中，330 kV變電站的供電能力主要取決于分區(qū)內(nèi)電源容量、變電站主變配置情況及短路水平、分區(qū)電網(wǎng)接線形式等多種因素，還要計及主變N-1時，正常變壓器不過載。受110 kV側(cè)母線側(cè)開關(guān)遮斷電流的影響，隨著330 kV主變臺數(shù)增多，分區(qū)內(nèi)電源允許接入容量顯著下降。同時，變電站中負荷側(cè)可并列運行的變壓器數(shù)越多，其利用率越高。并列運行的變壓器負載率可按照下式計算。

式中：T為變壓器負載率；K為過負荷倍數(shù)，取1.3；N為并列運行的變壓器臺數(shù)；P為變壓器額定容量。

當N=2、3、4時，能夠滿足N-1校驗的變壓器最大負載率分別為65%、87%、100%。因而，對于本地電源較多，可以在本地實現(xiàn)部分甚至大部分就地平衡的地區(qū)，應該考慮主變配置以2臺為主，不超過3臺。對于分區(qū)負荷較大、地方電廠容量不大的分區(qū)，其負荷主要依靠330 kV主變供電滿足，比較適合采用3臺或4臺330 kV主變并列運行，利用提升的主變受電能力來滿足分區(qū)供電能力。

西安是未來陜西電網(wǎng)最大的負荷中心，同時，受環(huán)保壓力等因素影響，西安市附近未來新建火電廠的難度較大，每座330 kV變電站適合采用3臺或4臺主變運行是合理的。

3.2單臺主變?nèi)萘糠治?/p>

西安市目前使用的330 kV主變?nèi)萘坑?40 MV·A，360 MV·A兩種類型，其中240 MV·A主變主要存在于運行年限較長或位于郊區(qū)的330 kV變電站。未來，隨著西安市負荷的發(fā)展，中心城區(qū)（繞城高速以內(nèi)）負荷密度將由目前的約8 MW/km2上升到約20 MW/km2，且可用于330 kV變電站布點的站址越來越少，現(xiàn)有的360 MV·A主變將無法滿足中心城區(qū)的供電需求。

因此，至飽和年，西安市二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域330 kV變電站主變單臺容量宜選擇500 MV·A，二環(huán)至繞城及各開發(fā)區(qū)工業(yè)園區(qū)主變單臺容量宜選擇360 MV·A，各周邊縣區(qū)負荷密度較小，飽和年僅為2～5 MW/ km2，宜使用單臺容量為240 MV·A主變。因此，至飽和年西安電網(wǎng)至少需要330 kV變電站（按照每座3臺360 MV·A主變計算，容載比按照1.6考慮）30座。

4　與上下級電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合分析

陜西電網(wǎng)目前采用的電壓等級序列為750 kV/ 330 kV/110 kV，為充分發(fā)揮330 kV電網(wǎng)的供電能力，需要與750 kV、110 kV電壓等級協(xié)調(diào)配合發(fā)展。

4.1與750 kV電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合分析

為了使750 kV變電站全停的情況下能夠?qū)⒇摵赊D(zhuǎn)移到相鄰的兩座750 kV變電站，根據(jù)文獻［4］，750 kV主變的過負荷能力按照1.3倍考慮，則一座750 kV變電站所帶負荷至多為5 460～7 280 MW（1.3×（3～4）×2 100/（1+1/2）=5 460～7 280），在不考慮電廠的情況下，所帶330 kV變電站為7～10座。

為實現(xiàn)高可靠性目標，在電網(wǎng)規(guī)劃中330 kV受端電網(wǎng)一般采用雙回路環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，330 kV受端電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)應主要以750 kV變電站為中心，實現(xiàn)分片供電，正常方式下各分區(qū)間相對獨立，各區(qū)之間具備線路檢修或方式調(diào)整情況下一定的相互支援能力。其標準接線單元如圖3所示。

圖3　330 kV標準單元示意圖Fig.3　The standard unit of 330 kV power network

為了滿足高可靠性，同時考慮實際電網(wǎng)中的潮流分布的不均衡性，由330 kV變電站構(gòu)成的雙環(huán)網(wǎng)中的750 kV變電站第一級330 kV送出線路以及供區(qū)之間的聯(lián)絡線導線截面盡量采用4×400 mm2；第二級330 kV送出線路導線截面建議采用2×400 mm2或2×300 mm2。

330 kV一回4×400 mm2導線的經(jīng)濟載流量約1 000 MW，因此一座750 kV變電站大約需要送出線路8到10回（考慮同塔雙回N-1）。考慮到一座750 kV變電站全停時，需要將負荷轉(zhuǎn)移到周邊的750 kV變電站，一個750 kV供電區(qū)最少需要4到5回4×400 mm2聯(lián)絡線路同其他750 kV供電區(qū)相連。

4.2與110 kV電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合分析

飽和年西安市110 kV變電站按照3臺主變、單臺80 MV·A考慮［5］，為達到一座330 kV變電站全停時，其負荷能夠全部轉(zhuǎn)由相鄰2座330 kV變電站供電的高可靠性目標，一座330 kV變電站所帶負荷至多為720～1 000 MW（計算公式為：3×（360～500）/（1+ 1/2）=720～1000）?？紤]到負荷分布的不均衡性，110 kV變電站容載比按照1.8考慮，一座330 kV變電站可帶6～8座110 kV變電站，至少需要330 kV變電站110 kV出線間隔12～16個。

110 kV高壓配電網(wǎng)的接線應規(guī)范化、標準化，力求簡化，運行時一般采用輻射型結(jié)構(gòu)。

1）中心城區(qū)負荷密度大，供電可靠性要求高，110 kV變電站占地面積較小，可以采用如圖4、圖5的接線方式。

圖4　城市中心110 kV網(wǎng)絡接線圖（A）Fig.4　The wiring diagram of 110 kV power network in urban center（A）

圖5　城市中心110 kV網(wǎng)絡接線圖（B）Fig.5　The wiring diagram of 110 kV power network in urban center（B）

2）與城市中心區(qū)相比，開發(fā)區(qū)和工業(yè)園區(qū)站址選取相對容易，110 kV變電站出線預留間隔較多，供電可靠性壓力相對較小，建議采用如圖6的鏈式接線形式。

圖6　開發(fā)區(qū)與工業(yè)園區(qū)110 kV網(wǎng)絡接線圖Fig.6　The wiring diagram of 110 kV power network in economic development zone and industry zone

該接線方式110 kV線路利用率相對較高，可靠性和轉(zhuǎn)供能力較強，110 kV出線間隔占用較多，適用于新興的開發(fā)區(qū)及工業(yè)園區(qū)。

3）城市周邊縣區(qū)接線形式

周邊縣區(qū)負荷密度較低，供電可靠性要求也較低，可以采用如圖7的雙回輻射、單回鏈式、兩站三線等接線方式。

圖7　城市周邊縣區(qū)110 kV網(wǎng)絡接線圖Fig.7　The wiring diagram of 110 kV power network in surrounding city

5　結(jié)論

根據(jù)西安電網(wǎng)轄區(qū)范圍內(nèi)負荷的變化規(guī)律和趨勢，未來西安市仍將處于負荷快速增長的時期，預計在2040—2045年左右接近飽和，飽和年最大負荷將達到約2 000萬kW。容載比按照1.6考慮，需要新增330 kV變電容量約2 288萬kV·A。

西安是陜西電網(wǎng)最大的負荷中心且新建電源困難，未來每座330 kV變電站建議采用3臺或4臺主變，充分發(fā)揮主變的供電能力。至飽和年西安電網(wǎng)至少需要330 kV變電站30座。

為充分發(fā)揮330 kV電網(wǎng)的供電能力，需要與750 kV、110 kV電壓等級協(xié)調(diào)配合發(fā)展，滿足電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的要求。最終實現(xiàn)飽和年任意750 kV、330 kV變電站全停時能夠?qū)⒇摵赏耆D(zhuǎn)移至周邊變電站的目標。

［1］楊昭軍，師義民.Logistic模型參數(shù)估計及預測實例［J］.數(shù)理統(tǒng)計與管理，1997，16（3）：13-15.YANG Zhaojun，SHI Yimin.Logistic model parameter estimation and forecasting example［J］.Journal of Applied Statistics and Management，1997，16（3）：13-15（in Chinese）.

［2］西安城市總體規(guī)劃（2008年～2020年）說明書及圖集［R］.西安：西安市政府，2008年7月.

［3］劉先虎.負荷密度法在城市遠景負荷預測中的應用［J］.供用電，2007（12）：13-15.LIU Xianhu.The application of load density method in long-term load forecasting in city［J］.Power Supply，2007（12）：13-15（in Chinese）.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.（GB 50293-1999），城市電力規(guī)劃規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］王艷，馮坤，黃媛芳.西安城區(qū)110 kV變電站主變壓器容量和臺數(shù)的探討［J］.陜西電力，2012（11）：74-76.WANG Yan，F(xiàn)ENG Kun，HUANG Yuanfang.Discussion on main transformer capacity and number of 110 kV substation in Xi’an city［J］.Shaanxi Electric Power，2012（11）：74-76（in Chinese）.

（編輯黃晶）

Study of 330 kV Power Grid with Saturation Load in Xi’an

JIANG Shan，WEI Lei，HU Xiaojing，JIANG Ning
（State Grid Shaanxi Economic Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

In this paper，the values of future saturated load and load density are analyzed considering the change and trend of the electricity consuming load in Xi’an.According to the forecasting results of saturation load，the need of electric capacity in 330 kV substation，number of units and the single equipment capacity are proposed.Meanwhile，the problem of matching and coordination regrading various voltage levels is discussed so as to provide reference for future Xi’an Power Grid planning.

Xi’an power grid；saturated load；330 kV power network

1674-3814（2015）11-0063-04

TM727

A

2015-08-07。

姜山（1986—），男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃；

魏磊（1980—），男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃；

胡曉菁（1981—），女，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃；

姜寧（1973—），女，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃。