220 kV分區(qū)電網(wǎng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其遴選方法

孫富榮,倪　鵬

(國(guó)網(wǎng)乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

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220 kV分區(qū)電網(wǎng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其遴選方法

孫富榮,倪鵬

(國(guó)網(wǎng)乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

針對(duì)電壓等級(jí)升高、電力系統(tǒng)短路電流超標(biāo)等問(wèn)題,提出了 220 kV典型分區(qū)結(jié)構(gòu)的定義和接線原則。在考慮分區(qū)供電可靠性的基礎(chǔ)上,結(jié)合500 kV電站帶220 kV變電站的數(shù)目 和220 kV變電站的 空間分布特點(diǎn),建立了220 kV電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu),然后采用兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性的優(yōu)化方法對(duì)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化遴選,確定出單座與多座500 kV變電站在有無(wú)220 kV電廠下的最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),為500/220 kV規(guī)劃發(fā)展提供參考。

220 kV;分區(qū)電網(wǎng);典型結(jié)構(gòu);最優(yōu)網(wǎng)架;遴選方法

在中國(guó)500 kV電壓等級(jí)輸電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程中,隨著各地負(fù)荷水平的不斷提高和220 kV側(cè)上網(wǎng)電廠裝機(jī)容量的逐漸增大,電力系統(tǒng)面臨著500/220 kV高、低壓電磁環(huán)網(wǎng)[1-3]和500 kV變電站220 kV側(cè)短路電流超標(biāo)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。目前,主要采用電網(wǎng)分層分區(qū)[4-6]運(yùn)行方式解決這一問(wèn)題,而且無(wú)論從實(shí)踐還是理論方面,對(duì)于從解開(kāi)高低壓電磁環(huán)網(wǎng)角度的電網(wǎng)分層分區(qū)的研究和論述均較多見(jiàn)。而對(duì)于電網(wǎng)分層分區(qū)的典型結(jié)構(gòu)并形成通用的指導(dǎo)性意見(jiàn)的理論研究較少。本文在考慮分區(qū)供電可靠性的基礎(chǔ)上,結(jié)合500 kV電站帶220 kV變電站的數(shù)目和220 kV變電站的空間分布特點(diǎn),建立了220 kV電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)指標(biāo),以經(jīng)濟(jì)總費(fèi)用(折合到年值)最低作為多個(gè)模式的選優(yōu)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化遴選,確定出單座與多座500 kV變電站在有無(wú)220 kV電廠下的最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),以為電網(wǎng)的分層分區(qū)、規(guī)劃發(fā)展提供參考。

1　典型分區(qū)結(jié)構(gòu)定義

典型分區(qū)結(jié)構(gòu)是指對(duì)于多個(gè)同類(lèi)場(chǎng)所具有一定通用性與普遍性的電網(wǎng)分區(qū)接線方案,其價(jià)值是可作為規(guī)律和范例加以推廣應(yīng)用到具有同類(lèi)特點(diǎn)、同類(lèi)要求的多個(gè)場(chǎng)所,避免對(duì)同類(lèi)的場(chǎng)所進(jìn)行重復(fù)考慮和計(jì)算。

典型電網(wǎng)分區(qū)的接線原則:

1) 可靠性原則。根據(jù)系統(tǒng)可靠性原則,在220 kV電網(wǎng)的分區(qū)結(jié)構(gòu)中任何一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)至少應(yīng)該有兩個(gè)或兩個(gè)以上的供電渠道對(duì)其供電,即一條輸電線路發(fā)生故障時(shí)不至于導(dǎo)致該負(fù)荷點(diǎn)停電。

2) 經(jīng)濟(jì)性原則。系統(tǒng)走廊與輸電線路及其相關(guān)附屬設(shè)備的建造與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用應(yīng)該在保證可靠性原則上盡量做到費(fèi)用最低。

3) 靈活性原則。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能適應(yīng)電力系統(tǒng)的近、遠(yuǎn)景發(fā)展,便于過(guò)渡,尤其要注意到遠(yuǎn)景電源建設(shè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)的各種變化,并且能夠方便調(diào)整。

2　220 kV電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)

220 kV分區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與電源站點(diǎn)和負(fù)荷站點(diǎn)的分布和個(gè)數(shù)存在普遍性關(guān)系,主要體現(xiàn)在:在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,500 kV變電站與220 kV變電站的地理位置并不是隨意分布的,而是存在一定的普遍性。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的計(jì)算分析,單座500 kV電站所帶220 kV電站個(gè)數(shù)一般為4個(gè)與6個(gè)。單座500 kV變電站的供電區(qū)域可以抽象為圓形、扇形兩種,即220 kV變電站“集中于電源一側(cè)”和“環(huán)繞電源周?chē)眱煞N典型的位置分布[8],多座500 kV電站或有220 kV上網(wǎng)電廠(220 kV上網(wǎng)電廠可以看作與500 kV電站類(lèi)似的電源點(diǎn),但在供電能力與容量極限配合上存在差異)的供電區(qū)域可以視為多個(gè)單電源供電區(qū)域的組合。

2.1單座500 kV變電站帶分區(qū)典型接線結(jié)構(gòu)

以500 kV電站為參考點(diǎn),根據(jù)220 kV電站的普遍性地理位置特點(diǎn),歸納得出三種空間分布情況:發(fā)散分布、集中分布、環(huán)繞分布。在單座500 kV電站供4座或6座220 kV電站兩種情況下,組合得到以下21種典型的分區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2.1.1單座500 kV變電站供4座220 kV變電站

單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷發(fā)散分布如圖1所示,單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷集中分布,如圖2所示,單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷環(huán)繞分布,如圖3所示。

圖1　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷發(fā)散分布

圖2　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷集中分布

圖3　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負(fù)荷環(huán)繞分布

2.2.2單座500 kV變電站供6座220 kV變電站

單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷發(fā)散分布如圖4所示, 單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷均勻分布如圖5所示,單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷環(huán)繞分布如圖6所示。

圖4　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷發(fā)散分布

圖5　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷均勻分布

圖6　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負(fù)荷環(huán)繞分布

2.2兩座500 kV變電站/一座500 kV變電站加一座220 kV上網(wǎng)電廠分區(qū)典型接線結(jié)構(gòu)

兩座500kV電站可以看作單電源供電區(qū)域的組合。220 kV上網(wǎng)電廠可以看作與500 kV電站類(lèi)似的電源點(diǎn),但在供電能力與容量極限配合上存在差異。根據(jù)兩個(gè)電源點(diǎn)連線區(qū)域之內(nèi)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接線形式,建立獨(dú)立輻射接線、雙節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)?、三?jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)?、四?jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)剿姆N典型分區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　兩座500kV電站/一座500kV變電站加一座220kV上網(wǎng)電廠典型接線

2.3三座500 kV變電站帶分區(qū)典型接線結(jié)構(gòu)

三座500kV變電站同一片分區(qū)的情況比較少,并沒(méi)有典型接線結(jié)構(gòu)。但出現(xiàn)這種情況時(shí),可以分別兩兩按照兩座500 kV變電站帶分區(qū)的典型接線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3　分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選計(jì)算

3.1基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選方法

本文采用綜合效益最優(yōu)為選優(yōu)目標(biāo)函數(shù),即將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)指標(biāo),采用經(jīng)濟(jì)總費(fèi)用(折合到年值)最低作為多個(gè)模式中選優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)。由于220 kV電網(wǎng)電壓等級(jí)較高,在多回線輸電、無(wú)功補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備存在下,不同接線模式網(wǎng)損費(fèi)用的差別并不大。而220 kV作為輸電網(wǎng)絡(luò),對(duì)可靠性要求較高。因此220 kV分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選函數(shù)中以可靠性指標(biāo)與投資運(yùn)行指標(biāo)的總經(jīng)濟(jì)費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù),即

F=T+W+EENS·VOLL

(1)

式中:F為方案的總費(fèi)用;T為方案初始投資的年費(fèi)用(單位:萬(wàn)元/年);W為輸變電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和損耗費(fèi)用(單位:萬(wàn)元/年);EENS為方案年缺電電量期望值(單位:kWh/年);VOLL為單位停電損失費(fèi)用(單位:萬(wàn)元/kWh)。

(2)

式中：折現(xiàn)率i取為5%;系統(tǒng)折算年限n取為25年;T0為初始投資費(fèi)用;輸變電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和損耗費(fèi)用W取為初始投資費(fèi)用的5%。

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用造價(jià)220 kV輸電線路分冊(cè)》(2010年版)中的數(shù)據(jù),220 kV輸電線路采用2×LGJ-400/35的初始投資費(fèi)用平均值約為70萬(wàn)元/km。本文取該數(shù)值用于單線路建設(shè)費(fèi)用計(jì)算,即

(3)

式中:x為負(fù)荷點(diǎn);N為負(fù)荷點(diǎn)個(gè)數(shù);P(x)為該負(fù)荷點(diǎn)斷電概率;Lx為該負(fù)荷點(diǎn)負(fù)荷大小。

VOLL可應(yīng)用產(chǎn)電比法確定。產(chǎn)電比法是指某一時(shí)期、某一地區(qū)內(nèi)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)與消耗電量之比,單位為元/kW·h,它描述了單位電能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益,是對(duì)電能貨幣價(jià)值的一種社會(huì)度量,可以從宏觀上估計(jì)停電損失。中國(guó)2010年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到39.79萬(wàn)億元,2010年發(fā)電量為41 413億kW·h。考慮220 kV電網(wǎng)的重要性,參考加拿大的做法,取停電損失費(fèi)為每千瓦時(shí)產(chǎn)值的5倍左右,即可確定VOLL的值。

3.2典型分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選方案

基于該優(yōu)選方法,對(duì)220 kV分區(qū)典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化遴選,確定出每種分區(qū)的最優(yōu)網(wǎng)架。

3.2.1單座500 kV變電站供4座220 kV變電站

單座500 kV電站供4座220 kV電站優(yōu)選結(jié)果如表1所示。

表1單座500kV電站供4座220 kV電站優(yōu)選結(jié)果

Table 1Optimization results of single 500 kV power for 4 220 kV power stations

接線模式優(yōu)選計(jì)算的結(jié)果:

1) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供4個(gè)220 kV變電站,負(fù)荷點(diǎn)集中于電源同一側(cè),負(fù)荷發(fā)散式不均勻分布的情況下,推薦采用帶輻射的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在距離較近的負(fù)荷密集處采用鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)可以較大幅度提高供電可靠性,且造價(jià)并不貴。而對(duì)于處于遠(yuǎn)端的負(fù)荷點(diǎn)采用從鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)中樞站引出的輻射供電接線,能保證遠(yuǎn)端的供電可靠性。

2) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供4個(gè)220 kV變電站,220 kV變電站集中于電源同一側(cè),負(fù)荷密集于500 kV變電站的情況下,采用雙孔環(huán)網(wǎng)接線在總投資增加并不多的前提下可以大幅提升系統(tǒng)可靠性。推薦采用雙孔環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供4個(gè)220 kV變電站,220 kV變電站環(huán)繞電源均勻分布的情況下,推薦采用雙回輻射供電結(jié)構(gòu)。這是由于負(fù)荷點(diǎn)較少、線路較少,因此采用雙回輻射供電建設(shè)費(fèi)用相比環(huán)網(wǎng)增加不多,且雙回輻射供電相比單回環(huán)網(wǎng)可靠性更高。

3.2.2單座500 kV變電站供6座220 V變電站

單座500 kV電站供6座220 kV電站優(yōu)選結(jié)果如表2所示。

表2單座500kV電站供6座220 kV電站優(yōu)選結(jié)果

Table 2Optimization results of single 500 kV power for 6 220 kV power stations

接線模式優(yōu)選計(jì)算得出的結(jié)果:

1) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供6個(gè)220 kV變電站,220kV變電站集中于電源同一側(cè),負(fù)荷發(fā)散式不均勻分布的情況下,采用雙孔環(huán)網(wǎng)接線在總投資增加并不多的前提下可以大幅提升系統(tǒng)可靠性。推薦采用雙孔環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供6個(gè)220 kV變電站,負(fù)荷點(diǎn)集中于電源同一側(cè),負(fù)荷均勻分布的情況下,推薦采用3個(gè)變電站串聯(lián)的鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3) 對(duì)于單個(gè)500 kV電站供6個(gè)220 kV變電站,220 kV變電站環(huán)繞電源均勻分布的情況下,推薦采用2個(gè)變電站串聯(lián)的鏈?zhǔn)江h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其建設(shè)投資費(fèi)用相比3個(gè)變電站串聯(lián)增加不多但可靠性得到明顯提升。

3.2.3兩座500 kV電站/單座500 kV變電站加220 kV側(cè)上網(wǎng)電廠分區(qū)結(jié)構(gòu)

對(duì)于兩個(gè)電源點(diǎn)的電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)選優(yōu),可以看作是兩個(gè)單電源點(diǎn)的組合。在兩個(gè)電源點(diǎn)連線區(qū)域之外的負(fù)荷點(diǎn)可以參考單電源點(diǎn)分區(qū)結(jié)構(gòu)選優(yōu)結(jié)果。兩個(gè)電源點(diǎn)連線區(qū)域之內(nèi)的負(fù)荷點(diǎn)接線方式可以通過(guò)綜合選優(yōu)函數(shù)計(jì)算。

兩個(gè)電源點(diǎn)之間通過(guò)單節(jié)點(diǎn)、雙節(jié)點(diǎn)、三節(jié)點(diǎn)與四節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)较噙B的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)選優(yōu)結(jié)果如表3所示。

表3　兩座500 kV電站/單座500 kV電站加 220 kV上網(wǎng)電廠分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選結(jié)果Table 3　Optimization results of two 500 kV power stations/single 500 kV power plus 220 kV Internet power plant partition structure

注：總投資年值、停電損失、總費(fèi)用，萬(wàn)元。

通過(guò)兩個(gè)電源點(diǎn)之間的連接,可使整個(gè)系統(tǒng)在一方故障時(shí)相互支援,從而提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此不推薦兩個(gè)電源點(diǎn)之間完全獨(dú)立供電。同時(shí)兩個(gè)電源點(diǎn)之間的負(fù)荷點(diǎn)通過(guò)兩側(cè)的鏈?zhǔn)竭B接,可以代替其原本的雙回輻射供電線路或環(huán)網(wǎng)線路,從而減少輸電線路建造數(shù)目。代價(jià)是相隔另一個(gè)電源點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),可靠性將會(huì)下降,從而導(dǎo)致停電損失費(fèi)用增加。

通過(guò)選優(yōu)分析可以看出:停電損失費(fèi)用隨著兩電源點(diǎn)之間串聯(lián)220 kV變電站個(gè)數(shù)的增加而增加。只通過(guò)一個(gè)220 kV變電站相連時(shí),并沒(méi)有減少線路條數(shù)。而隨著串聯(lián)220 kV變電站個(gè)數(shù)的增加及減少線路費(fèi)用的同時(shí),停電損失費(fèi)用迅速增加。因此,雙電源串連鏈?zhǔn)焦╇姷淖冸娬緜€(gè)數(shù)一般不超過(guò)四個(gè),對(duì)供電可靠性要求較高的區(qū)域一般不超過(guò)三個(gè)。以2～3個(gè)220 kV變電站串聯(lián)在電源點(diǎn)之間為最優(yōu)。

3.2.4三座500 kV電站分區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)選方案

三座500kV變電站同時(shí)對(duì)一片分區(qū)進(jìn)行供電的情況比較少。對(duì)于大部分220 kV電網(wǎng)而言,實(shí)現(xiàn)電磁解環(huán)和分區(qū)供電后,一般不會(huì)出現(xiàn)三個(gè)電源同時(shí)向若干站供電的情況。

4　結(jié)　論

本文介紹了220 kV典型分區(qū)結(jié)構(gòu)的定義和接線原則。在考慮分區(qū)供電可靠性的基礎(chǔ)上,結(jié)合220 kV電站的空間分布特點(diǎn),給出了25種典型的分區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性的優(yōu)化方法,然后利用該方法對(duì)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化遴選,確定出單座、多座500 kV變電站在負(fù)荷發(fā)散、集中、環(huán)繞等分布情況下的最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),以為電網(wǎng)的分層分區(qū)建設(shè)提供理論支持,同時(shí)也可為500/220 kV規(guī)劃發(fā)展提供參考。

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(責(zé)任編輯郭金光)

Typical network structure of 220 kV district grid and its selection method

SUN Furong, NI Peng

(State Grid Rushan Power Supply Company, Rushan 264500, China)

Aiming at the problems of power system, such as the increase of voltage level, and the over-standard short-circuit current, this paper proposed the definition of the 220 kV typical district structure and the grounding principle, established the 220 kV typical district structure according to the number of 500 kV power station with 220 kV substation and the characteristics of the spatial distribution of 220 kV substation, considering the reliability of district power supply, and utilized the optimization method, combining economy and reliability, to select and optimize the typical district structure, so as to determine the optimal grid structure of the single or multiple 500 kV substation with or without 220 kV power plant, which provided the reference for the planning and development of 500/220 kV.

220 kV; district grid; typical structure; optimal grid; selection method

2016-01-14;

2016-03-16。

孫富榮(1978—),男,助理工程師,主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃。

TM715

A

2095-6843(2016)04-0296-05