基于配電網(wǎng)拉手式接線的電壓等級序列合理配置研究

張 磊，胡 平，董 昕，賀春光，單保濤

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊，050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊，050021；3.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，石家莊，050011；4.國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲，056000)

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基于配電網(wǎng)拉手式接線的電壓等級序列合理配置研究

張 磊1，胡 平2，董 昕2，賀春光3，單保濤4

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊，050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊，050021；3.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，石家莊，050011；4.國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲，056000)

電網(wǎng)電壓等級序列的合理配置，對電網(wǎng)運行靈活性、負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)性、土地資源占用、企業(yè)經(jīng)營效益提升等關(guān)鍵問題有重要意義。為此，該文基于中壓配電網(wǎng)絡(luò)采用手拉手接線型式，提出了一種電網(wǎng)電壓等級序列合理配置的分析方法，以期為電網(wǎng)相關(guān)規(guī)劃工作提供決策參考。

電壓等級；電壓序列；手拉手接線

電網(wǎng)供電電壓等級序列合理配置，是確定電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一，對于不同供電電壓等級序列，電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與布局不同，所需電力設(shè)備的額定電壓等級及技術(shù)水平也不同，其對電力系統(tǒng)運行管理、經(jīng)濟效益、電網(wǎng)可靠性及適應(yīng)能力等均產(chǎn)生直接影響，甚至還關(guān)系列整個電力工業(yè)建設(shè)投資及發(fā)展速度。因此，供電電壓等級序列的合理選擇具有重要意義。目前，某些地區(qū)電網(wǎng)中壓電壓配置不合理、輸電能力不足、網(wǎng)損較高等問題日益突出[1-3]。開展電壓等級序列合理配置相關(guān)研究，有助于提高電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計水平，增強電網(wǎng)規(guī)劃方案的前瞻性、科學(xué)性、合理性。

1 國內(nèi)外電壓等級序列配置概況

目前，世界各國電網(wǎng)雖然采用的額定電壓及電壓序列不盡相同，但仍有一些相似情況，如高壓輸電電壓、低壓配電電壓基本相差不大，主要差異在中壓配電電壓的選用和配置上。國外中壓大致分為4檔：10 kV以下、10～15 kV，20～25 kV和30～35 kV。為能求得電網(wǎng)最佳經(jīng)濟效益及合理發(fā)展，各國都在致力于改造現(xiàn)有電網(wǎng)。電壓序列選擇主要趨勢是盡可能簡化電壓等級層次[4-5]，高壓深入城市中心，并相應(yīng)提升中壓。

我國電網(wǎng)經(jīng)歷了長時間的電壓等級提升、調(diào)整和簡化過程[6-8]，逐步形成了相對統(tǒng)一的電壓等級序列，我國典型電壓等級序列見表1。

表1 我國典型電壓等級序列

城市/kV農(nóng)村/kV西北地區(qū)4-5級:(750)/330(220)/110/10/0.4330(220)/110(35)/10/0.45-6級:(750)/330(220)/110/35/10/0.4東北地區(qū)4-5級:(500)/220/66/10/0.44-5級:(500)/220/66/10/0.4上海、天津等5級:500/220/35/10/0.40-大陸其余地區(qū)4-5級:(500)/220/110/10/0.45-6級:(500)/220/110/35/10/0.4香港4級:400/132/11/0.4(九龍、新界)275/132/11(22)/0.4(港島等)-

2 電壓等級序列配置基本原則

電壓序列的合理配置應(yīng)在滿足技術(shù)要求和安全、可靠、穩(wěn)定運行的前提下獲得最大的經(jīng)濟效益，即使電網(wǎng)運行的綜合費用最小。

其中，電壓等級級差有非常重要的影響。若級差選擇過大，將造成變電設(shè)備制造困難、低壓出線回路數(shù)多且送電距離過長、損耗增大以及供電范圍不能聯(lián)合等問題；電壓等級級差選擇過小，電網(wǎng)變電層次太多，將造成不必要的重復(fù)變電，增加電網(wǎng)運行費用，且不能充分發(fā)揮電壓等級應(yīng)有的功能。

3 電壓等級序列分析數(shù)學(xué)模型

3.1 電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模估算模型

a. 變電站規(guī)模

式中:K為容載比； S為變電站主變壓器容量，MVA。

b. 高壓線路

供電區(qū)域內(nèi)每座變電站的平均供電半徑：

高壓線路回數(shù)：

式中：S為輸送容量，MVA；Sj為單回線路導(dǎo)線截面，mm2；J為線路的經(jīng)濟電流密度A/mm2； cosφ為功率因數(shù)，取0.9～1。

高壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需考慮滿足N-1條件下的可靠供電，根據(jù)線路供電半徑結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系數(shù)進行估算。其中：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系數(shù)主要是考慮到雙回供電和站間聯(lián)絡(luò)。則每回線路平均長度：

L=WR

式中：W為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系數(shù)。

c. 中壓線路

中壓線路長度的確定通過供電半徑結(jié)合線路的曲折系數(shù)進行估算。其中，曲折系數(shù)主要考慮供電線路走廊建設(shè)、地形影響等因素，取1.2～1.5。則中壓線路長度為：

L=qR

式中：L為線路長度;q為線路曲折系數(shù)。

單電源輻射接線。現(xiàn)有供電電壓等級選擇相關(guān)分析研究中，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模估算中，配網(wǎng)接線型式多采用單電源輻射接線。單電源輻射接線型式簡單清晰、運行方便、建設(shè)投資低，但其供電可靠性較差。單電源輻射接線型式示意見圖1。

圖1 單電源輻射接線示意

雙電源拉手式接線。隨著市場觀念轉(zhuǎn)變和電力發(fā)展的需求，配電網(wǎng)自動化已經(jīng)發(fā)展為供電企業(yè)十分緊迫的任務(wù)。無論是配電網(wǎng)改造還是配電網(wǎng)自動化均應(yīng)以滿足用戶的供電質(zhì)量要求為目標(biāo)。因此，該研究中配電網(wǎng)接線型式采用雙電源拉手式接線，接線型式示意見圖2。

圖2 雙電源拉手式接線示意

與采用單電源輻射接線相比，35 kV、10 kV中壓配電網(wǎng)采用拉手式接線，除需考慮饋線間聯(lián)絡(luò)，還應(yīng)滿足線路N-1運行要求以及N-1方式下電壓質(zhì)量約束。

基于中壓配網(wǎng)采用雙電源拉手式接線型式，配網(wǎng)線路規(guī)模計算流程示意見圖3。

圖3 中壓配網(wǎng)線路規(guī)模計算流程示意

d.配電變壓器容量和臺數(shù)

配電變壓器總?cè)萘浚?/p>

式中：Tp為配電變壓器總?cè)萘浚琈VA；L為區(qū)域總負(fù)荷，MW；Kp為配電變壓器負(fù)載率； cosφ為負(fù)荷功率因數(shù)。

式中：Np為配電變壓器總臺數(shù)；T0為單臺配電變壓器容量，MVA。

3.2 功率損耗估算模型

電網(wǎng)功率損耗主要包括各級變電站的變壓器損耗和線路損耗兩部分。

負(fù)荷均勻分布情況下，線路損耗為：

式中：Si為線路i的視在功率，MVA；Ri為線路i的等效電阻，Ω；Ri0為線路i的單位長度電阻，Ω/km；li為線路i的長度，km。

若不計及變壓器內(nèi)部電壓降落，變電站單臺主變壓器損耗為：

式中：ΔPTi0為變壓器i的空載損耗，MW；STi為變壓器i的計算視在功率，MVA；SNi為變壓器i的額定容量，MVA；i為變壓器 的短路損耗。

3.3 經(jīng)濟性計算模型

變電站費用由變電站綜合投資費用、變電站運行費用兩部分構(gòu)成。綜合投資ZS主要包括變壓器綜合投資、配電裝置綜合投資以及不可預(yù)見的附加投資等。

變電站年運行費用US主要包括一年中變壓器的電能損耗費及檢修、維護費等，即：

US=αΔPS×10-4+USL

式中：USL為變電站檢修、維護費萬元；α為電能電價，暫取0.4元/kWh；ΔPS為變電站全年電能損失總值，kWh。

按照我國電力工業(yè)推薦采用的“最小年費用法”進行動態(tài)經(jīng)濟比較。

式中：FNS為平均分布在n年內(nèi)的變電站年費用；ZS為變電站綜合投資；nS為變電站的經(jīng)濟使用年限，暫取25年；r0為電力工業(yè)投資回收率，現(xiàn)階段取0.1。

線路建設(shè)費用構(gòu)成與變電站相似，同樣采用“最小年費用法”動態(tài)比較，線路的經(jīng)濟使用年限，架空線路取30年，電纜線路取40年。

則區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)總年費用為：FN=FNS+FNL。FN較小的方案經(jīng)濟性較優(yōu)。

4 算例分析

4.1 典型算例分析

假定一負(fù)荷均勻分布的供電區(qū)域，面積800 km2，飽和負(fù)荷密度為40 MW/km2。

按前述計算模型，對以下擬選電壓序列方案進行電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模分析、損耗分析及經(jīng)濟性比較。

方案I： 220/110/35/0.4 kV；方案Ⅱ：220/110/10/0.4 kV；方案Ⅲ：220/35/0.4 kV；方案Ⅳ：220/110/35/10/0.4 kV；方案Ⅴ：220/35/10/0.4 kV。

比較中，220 kV變電站終期主變壓器規(guī)模3×180 MVA，110 kV站主變壓器規(guī)模3×50 MVA，110 kV線路型號LGJ-300，35 kV、10 kV線路均為LGJ-240，35 kV、10 kV配變均按0.8 MVA設(shè)計，各級容載比配置參照《城網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》中規(guī)定數(shù)據(jù)，輸變電單位工程造價按工程典型造價選取。變電站、線路運行維護費用比例取4%，年損耗小時數(shù)取6 200 h。負(fù)荷密度1～40 MW/km2各方案損耗比較，見表2，負(fù)荷密度1～40 MW/km2各方案綜合年費用比較，見表3。

表2 負(fù)荷密度1～40 MW/km2各方案損耗比較

負(fù)荷密度/(MW·km-2)各方案損耗/MW方案I方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ方案Ⅴ124.3527.8120.4332.7337.07591.34124.3188.53133.08131.3810164.86210.59155.09226.33221.1920303.65394.37280.85395.56380.8730437.47543.71399.48554.61529.4740569.69688.09516.24709.48673.87

表3 負(fù)荷密度1～40 MW/km2各方案綜合年費用比較

負(fù)荷密度/(MW·km-2)綜合年費用/億元方案I方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ方案Ⅴ14.244.893.954.474.16514.2014.0611.3314.7612.581027.2926.5121.5927.5123.092053.1948.5341.3352.3743.423079.1270.9361.1577.0763.4740104.6892.8480.66101.2883.12

由表2計算結(jié)果分析可知：

變電層次較多的方案損耗較大，變電層次較少的損耗較小。其中，方案Ⅳ、方案Ⅴ損耗相對較大，主要是其變電層次較多、重復(fù)降壓導(dǎo)致。

同一供電區(qū)域，采用35 kV配電電壓較采用10 kV配電電壓序列損耗較小，即提高中壓配電電壓有利于降低損耗。

同一供電區(qū)域，不同負(fù)荷密度時，各方案相對損耗比例差別不大。

由表3計算結(jié)果分析可知：

同一供電區(qū)域，隨著負(fù)荷密度增加，方案I、方案Ⅳ綜合年費用較高；方案Ⅲ以及方案Ⅴ綜合年費用相對較小。即減少變電層次、合理配置電壓等級級差均能降低投資。

同一供電區(qū)域，隨著負(fù)荷密度增加，方案I綜合年費用增長較快，主要原因是35 kV電氣設(shè)備造價相對10 kV較高，隨著負(fù)荷密度增加、電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模增大，此部分價差越明顯。

由理論計算，對于目前電網(wǎng)兩類常用電壓序列方案Ⅱ、Ⅳ，在負(fù)荷密度1.8 MW/km2時綜合年費用存在等值點。即負(fù)荷密度小于1.8 MW/km2時，五級電壓序列方案Ⅳ經(jīng)濟性優(yōu)于四級電壓序列方案Ⅱ。

4.2 實例分析

以某園區(qū)為例，規(guī)劃總面積約19.43 km2，規(guī)劃區(qū)平均負(fù)荷密度約36.76 MW/km2，園區(qū)周邊電網(wǎng)運行電壓等級序列為220/110/35/10/0.4 kV，由于該園區(qū)無居民負(fù)荷，且負(fù)荷密度較高。經(jīng)調(diào)研擬定電壓序列方案如下：

方案I：采用220/(110)/35/0.4電壓序列組建供電網(wǎng)絡(luò)，其中110 kV電壓等級主要作為大用戶專用。

方案Ⅱ：采用220/110/10/0.4電壓序列組建供電網(wǎng)絡(luò)。損耗比較，見表4，綜合年費用比較，見表5。

表4 損耗比較

電壓序列方案Ⅰ方案Ⅱ損耗合計/MW5.6238.852比較/%63.52100

表5 綜合年費用比較

電壓序列方案/萬元方案Ⅰ方案Ⅱ綜合投資/萬元69527987運行費用/萬元16282444合計/萬元857910431比較/%82100

采用前述計算方法分析比較，該園區(qū)采用220/(110)/35/0.4 kV電壓序列方案經(jīng)濟性較優(yōu)，其綜合年費用約為方案Ⅱ的82%。

5 結(jié)論及建議

電壓等級序列的合理選擇關(guān)系到電網(wǎng)發(fā)展的整體布局和長遠戰(zhàn)略，通過總結(jié)其發(fā)展客觀規(guī)律及配置原則，基于配電網(wǎng)采用拉手式接線，提出了一種電壓等級序列合理配置的技術(shù)經(jīng)濟評價方法，可為相關(guān)工作提供決策參考。由于影響電壓序列合理配置的因素很多，如各等級電壓負(fù)荷分配、專供用戶負(fù)荷比例、設(shè)備造價等。因此，在工作中還應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)實際具體分析。

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[2] 范明天，張祖平，周莉梅.中壓配電電壓等級優(yōu)化與改造[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 李金芳，劉宗岐，張建華，等.中壓配電電壓等級選擇研究[J].現(xiàn)代電力，2009，26(4)：51-55.

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[5] 國內(nèi)外電壓層級序列現(xiàn)狀及發(fā)展經(jīng)驗調(diào)研[R].廣州：南方電網(wǎng)公司，2009.

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本文責(zé)任編輯：靳書海

Rational Allocation Study of Voltage Sequence Based on Voltage Distribution Network Hand in Hand Wiring

Zhang Lei1，Hu Ping2，Dong Xin2，He Chunguang3，Shan Baotao4

(1. Hebei Electric Power Design & Research Institute，Shijiazhuang 050031，China；2.State Grid Hebei Electric Power Company，Shijiazhuang 050021，China；3. State Grid Hebei Economic Research Institute，Shijiazhuang 050011，China；4. State Grid Hebei Electric Power Company Handan Power Supply Branch，Handan 056000，China)

The reasonable configuration of the voltage grade sequence is very meaningful for power grid operation flexibility、 load adaptability、occupy land resources、promotion enterprise management etc.Based on the medium voltage distribution network hand in hand wiring, this paper proposes a analysis method for rational allocation of power grid voltage grade sequence,in order to provide decision-making reference for power grid planning.

voltage level;voltage;hand by hand line sequence

2016-03-14

張 磊(1982-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作。

TM715

B

1001-9898(2016)05-0017-04