考慮負荷特性的新市鎮(zhèn)配電網網架優(yōu)化研究

周江昕，余浩斌，吳萬祿

(國網上海市電力公司松江供電公司，上海 200160)

考慮負荷特性的新市鎮(zhèn)配電網網架優(yōu)化研究

周江昕，余浩斌，吳萬祿

(國網上海市電力公司松江供電公司，上海 200160)

隨著新市鎮(zhèn)社會經濟和負荷的快速增長，對市鎮(zhèn)配電網優(yōu)化及運行提出了更高要求?？紤]負荷特性，提出了新市鎮(zhèn)配電網網架優(yōu)化方案。首先，對功能型新市鎮(zhèn)進行特征分析并分類；然后，從變電站互聯模式和中壓接線模式，研究配電網供電模式，并研究不同主變容量、主變理論負載率對配電網網架優(yōu)化和變電站供電能力的影響；最后，選取多類型新市鎮(zhèn)進行實例分析，建立了考慮負荷特性的新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架。通過相關技術指標計算分析，驗證了所提優(yōu)化方案的可行性和必要性。

新市鎮(zhèn)；負荷特性；配電網供電模式；供電能力；遠景目標網架

配電網網架優(yōu)化是電網建設與改造的一個關鍵環(huán)節(jié)，是否合理將直接影響整個電力系統(tǒng)的經濟性、供電可靠性、電能質量等[1-3]。近年來，特大型城市的不斷發(fā)展，對城市建設提出了新的要求和方向，著力于建設功能型新市鎮(zhèn)[4]。這些地區(qū)對電力需求愈來愈大，負荷快速增長，大規(guī)模建設與電網結構薄弱之間形成了較大的矛盾?？梢?，如何優(yōu)化新市鎮(zhèn)配電網網架，使之適應城市發(fā)展和負荷分布，具有十分重要的意義，然而現有針對新市鎮(zhèn)配電網優(yōu)化的研究還比較少，大容量主變接入配電網的適應性研究也鮮有報道[5]。

本文考慮配電網負荷特性，將功能型新市鎮(zhèn)分類為工業(yè)型、商住型和混合型新市鎮(zhèn)進行新市鎮(zhèn)特征分析。然后從變電站互聯模式和中壓配電網接線模式出發(fā)，研究配電網供電模式，并研究不同容量主變供電、變電站供電能力對配電網網架優(yōu)化的影響。最后，考慮負荷特性，建立新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架，并選取典型新市鎮(zhèn)，進行技術性計算分析及對比，驗證所提優(yōu)化方案的可行性和必要性，目的是更好地指導快速發(fā)展型新市鎮(zhèn)的配電網網架優(yōu)化。

1 新市鎮(zhèn)特征分析

近年來，我國越來越重視城市建設與發(fā)展模式的研究，為適應經濟發(fā)展、優(yōu)化產業(yè)結構、緩解市區(qū)人口壓力，對新市鎮(zhèn)有了全新的定義。實現控制中心城區(qū)發(fā)展規(guī)模、集聚新興產業(yè)、帶動區(qū)域發(fā)展，不僅僅能夠滿足基本的生活生產需求，并要求其擁有較高的工作質量、舒適的居住環(huán)境以及便捷的商業(yè)購物場所，于是功能型新市鎮(zhèn)概念逐漸被人們提出和認可[6]。根據不同的新市鎮(zhèn)功能，不同的負荷發(fā)展特性，可將其分類為：工業(yè)型、商住型和工業(yè)商住混合型新市鎮(zhèn)，不同的功能型新市鎮(zhèn)具有相應的發(fā)展特性，其負荷特性也各具特色。

1.1 工業(yè)型新市鎮(zhèn)

工業(yè)型新市鎮(zhèn)以工業(yè)生產為主，商業(yè)和居民較少，其工業(yè)用地對經濟的發(fā)展有著強大的促進作用，不受苛刻的環(huán)境要求和限制，且擁有便捷的交通運輸，使之成為了最理想的工業(yè)區(qū)。工業(yè)型新市鎮(zhèn)一般建設有市級工業(yè)園區(qū)，在市級工業(yè)園區(qū)內擁有大量的國內外大型企業(yè)，涵蓋了重工業(yè)、電子科技、金融、IT等高科技企業(yè)，所在地區(qū)的電網負荷量將隨著工業(yè)園區(qū)的建設而迅速增加，最終將形成具有高負荷量、高可靠性要求的負荷特性。

1.2 商住型新市鎮(zhèn)

商住型新市鎮(zhèn)以商業(yè)和居住為主，基本不含工業(yè)用地，其內有大面積的居民小區(qū)和商業(yè)中心，要求有較高的環(huán)境舒適度、便利的交通以及便捷的購物中心。按商業(yè)住宅區(qū)的建設規(guī)模，一般可以分為小型、中型、大型和超大型商業(yè)居住區(qū)，具有繁多的商業(yè)設施，表現為用戶數量多、負荷密集、遠景發(fā)展空間大，對電網供電能力和供電可靠性的要求也更高。

1.3 混合型新市鎮(zhèn)

工業(yè)商住混合型新市鎮(zhèn)內不僅存在工業(yè)區(qū)，還有商業(yè)住宅用地。工業(yè)用地一般屬于區(qū)級工業(yè)園區(qū)，擁有大量的中小型企業(yè)，經營范圍涵蓋了倉儲、加工制造業(yè)、手工業(yè)等。工業(yè)商住混合型新市鎮(zhèn)可視為是工業(yè)型和商住型新市鎮(zhèn)的綜合，用戶負荷綜合了工業(yè)型和商住型新市鎮(zhèn)負荷的特點，但對應的用地規(guī)模和負荷量相對較小，遠景期負荷密度也相對較小。

隨著功能型新市鎮(zhèn)社會經濟的快速發(fā)展，新市鎮(zhèn)功能的定位將更加明確，負荷特性更加凸顯，用戶負荷也將保持快速增長的趨勢。不同功能型新市鎮(zhèn)原有的配電網網架不完全相同，加之負荷空間布局和發(fā)展規(guī)律的不同，對電網供電能力和可靠性的要求也不相同。通過對上海市新市鎮(zhèn)進行遠景負荷預測可知，商住型新市鎮(zhèn)遠景負荷密度最高，為40～50 MW/km2，工業(yè)型新市鎮(zhèn)遠景負荷密度為24～30 MW/km2，工業(yè)商住混合型新市鎮(zhèn)遠景負荷密度為15～18 MW/km2。

2 配電網供電模式

在配電網供電模式中，由多個變電站進行聯合供電，以提升供電能力和供電可靠性[7]。變電站主接線、聯絡方式、主變臺數、主變容量、接線模式等，均會對配電網優(yōu)化和經濟運行產生影響。本文從變電站互聯模式和中壓配電網接線模式出發(fā)，對配電網供電模式進行研究。

2.1 變電站互聯模式

針對當前新市鎮(zhèn)常用的主變容量20 MVA、31.5 MVA、40 MVA、80 MVA，就兩變電站兩主變、兩變電站三主變、三變電站兩主變、三變電站三主變互聯模式，計算分析主變、線路理論負載率和供電能力提升水平。為計算簡便，統(tǒng)一選取功率因數0.95，10 kV線路額定電流I取400 A，供電容量取6.928 MVA。變電站互聯模式的計算分析如表1所示。

表1 變電站互聯模式的計算分析

由表1可知，隨著互聯變電站和主變臺數的增加，主變和線路理論負載率呈遞增趨勢；采用三站三主變互聯模式，通過加強變電站間的聯絡可提高供電能力，主變理論負載率可高達88.9%，為較高水平；采用20 MVA容量主變進行供電，10 kV線路理論平均負載率較低(約為30%)，主要是受變電容量過小所致；隨著主變容量的增大，10 kV線路理論平均負載率逐漸增大，線路利用率將得到提高，對于80 MVA主變，線路理論平均負載率可高達64.2%。

2.2 中壓配電網接線模式

中壓配電網接線模式是否合理，關系到配電網供電能力、負荷轉移能力、供電可靠性、供電經濟性、運行靈活性，以及變電容量釋放等問題[8]。中壓配電網分為“架空網絡”和“電纜網絡”，兩者具有不同的特點和適用范圍，相輔相成。新市鎮(zhèn)將逐漸形成架空網絡采用多分段多聯絡，電纜網絡采用開關站的供電方式。為此對常用的中壓配電網接線模式進行技術分析和對比，尋找適合新市鎮(zhèn)配電網網架優(yōu)化的接線模式，見表2。

表2 中壓配電網接線模式技術分析

由表2可知，對于架空網絡，通過加強線路之間聯絡，可提高線路供電可靠性和供電能力。對于電纜網絡，采用雙拼型開關站或二供一備開關站供電，與二進線開關站相比供電能力提高了一倍，其中二供一備開關站只增加了一回進線和一個開關，經濟性更佳。伴隨新市鎮(zhèn)負荷快速增長，對供電能力和可靠性提出了更高的要求，多分段多聯絡和改進型開關站將受到廣泛的應用，以適應大容量主變接入配電網。

3 變電站供電能力

影響變電站供電能力的因素眾多，現從負荷密度分布、主變負載率、主變容量等，對變電站供電能力進行計算分析，為簡化變電站供電半徑求解，假設變電站供電范圍內負荷分布均勻，變電站位于中心，則有：

nMηcosφ=πR2S

(1)

供電半徑計算公式：

(2)

式中n——主變臺數；

M——主變變電容量；

η——負載率；

cosφ——功率因數；

S——負荷密度。

針對新市鎮(zhèn)遠景期負荷分布情況，本文研究中負荷密度取15～45 MW/km2，遠景期主變臺數n統(tǒng)一取3，對不同情況進行分析討論，計算結果如圖1所示。

圖1 變電站供電半徑分析計算

由變電站供電能力及供電半徑計算可知：若采用相同容量主變，當負荷密度一定時，變電站供電半徑隨主變負載率增大而增大；當主變負載率不變，負荷密度高的地區(qū)供電半徑較?。划斬撦d率和負荷密度均相同時，采用較大容量主變的變電站進行供電，供電半徑也會隨之增大，供電范圍增大，與20 MVA主變相比，同等條件下主變容量80 MVA的變電站供電半徑增大了一倍。

由圖1，若變電站采用20.0、31.5、40.0 MVA主變，針對新市鎮(zhèn)遠景負荷分布，變電站供電半徑均能夠控制在2 km以內，且不受負載率大小的約束；若采用20 MVA等小容量主變對高負荷密度新市鎮(zhèn)進行供電，供電半徑將達到幾百米，勢必對變電站及電力線路走廊的選擇造成嚴重的考驗；但若均采用80 MVA主變，變電站供電半徑將可能超過技術導則所規(guī)定的數值，從而受負載率的約束。因此，針對不同的新市鎮(zhèn)及負荷分布特性，宜采用相適應的主變進行供電，提升變電站供電能力。

4 新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架分析

負荷快速增長，大容量主變逐漸接入配電網，配電網供電方式變得更加復雜[9]，接線模式也缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，對配電網靈活運行、負荷轉移能力和供電可靠性等提出了更大的挑戰(zhàn)。為此，結合新市鎮(zhèn)特征，考慮負荷特性進行分類，針對不同新市鎮(zhèn)遠景期負荷分布，構建相應的新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架。

4.1 工業(yè)型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

選取了上海某工業(yè)型新市鎮(zhèn)，記為A片區(qū)，進行遠景負荷預測，總負荷為370.7 MW，用地面積1 431.3 hm2，平均負荷密度為25.9 MW/km2。遠景期配置2座3×80 MVA變電站，形成兩站三主變互聯模式，架空網絡采用四分段三聯絡，電纜網絡采用二供一備開關站供電。遠景目標網架簡圖及接線方式如圖2所示。

圖2 工業(yè)型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

4.2 商住型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

選取了上海某商業(yè)居住型新市鎮(zhèn)，記為B片區(qū)，進行遠景期負荷預測，總負荷為583.4 MW，用地面積為1 411.5 hm2，平均負荷密度為41.6 MW/km2。遠景期配置3座3×80 MVA變電站，形成三站三主變互聯模式，采用二供一備開關站接線模式進行供電。遠景目標網架簡圖及接線方式如圖3所示。

圖3 商住型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

4.3 混合型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

選取了上海某工業(yè)和商住混合型新市鎮(zhèn)，記為C片區(qū)，進行遠景期負荷預測，總負荷為223.5 MW，用地面積1 339.4 hm2，平均負荷密度為16.7 MW/km2。遠景期配置3座3×31.5 MVA變電站，形成三站三主變互聯模式，采用三分段一聯絡及二進線開關站進行供電，配電網遠景目標網架簡圖及接線方式如圖4所示。

圖4 混合型新市鎮(zhèn)配電網遠景目標網架

4.4 遠景目標網架相關指標計算分析

采用提出的配電網供電模式，考慮新市鎮(zhèn)負荷特性，分別構建了工業(yè)型、商住型和混合型配電網遠景目標網架，配電網網架優(yōu)化后各項指標得到了顯著提高，相關計算結果如表3所示。

由表3各項指標可知，采用所提出的供電模式優(yōu)化配電網網架，能夠提高主變及10 kV線路利用率，充分挖掘配電網供電能力；遠景期變電站理論和實際負載率均能達到較高水平，并仍留有一定裕度；主變“N-1”校驗均合格，且負荷轉移能力強，能夠保證故障或檢修情況下負荷不間斷供電，供電可靠性高；變電站平均供電半徑基本都在1.5 km以內，滿足技術導則要求；其中10 kV線路平均負載率將達到47.2%～61.6%，與現有20%～30%相比，得到了顯著提高，經濟性優(yōu)勢明顯。

表3 新市鎮(zhèn)配電網遠景期相關指標匯總

5 結語

本文根據新市鎮(zhèn)電網的負荷特性，研究了快速發(fā)展型新市鎮(zhèn)的配電網網架優(yōu)化，將提出的配電網供電模式應用于新市鎮(zhèn)配電網實例優(yōu)化，驗證了優(yōu)化方案的可行性和必要性。

(1) 新市鎮(zhèn)社會經濟發(fā)展快速，其負荷空間布局和發(fā)展規(guī)律特征明顯，對配電網優(yōu)化和運行將產生重要的影響。

(2) 針對大容量主變逐漸接入配電網，采用所提出的配電網供電模式可充分釋放變電容量，提高大容量主變變電站的適應性。

(3) 結合新市鎮(zhèn)負荷特性和變電站配置，通過優(yōu)化變電站互聯模式和中壓配電網接線模式，建立的配電網遠景目標網架具有較強的可行性和必要性，可指導城市配電網建設及優(yōu)化過渡。

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(本文編輯：楊林青)

Distribution Network Structure Optimization of the New Town Considering Load Characteristics

ZHOU Jiang-xin，YU Hao-bin，WU Wan-lu

(Songjiang Power Supply Company，SMEPC，Shanghai 201600，China)

The fast growth of social economy and power load in the new town will put forward higher requirements for the optimization and operation of distribution network. Taking into account the load characteristics, we propose an optimization scheme of distribution network structure for the new town. Firstly, the feature analysis and classification for New Town were made. Then, it studied the power supply model of distribution network for the substation interconnection model and connection model of medium voltage, as well as the effect of different main transformer capacity, theory load rate on structure optimization and power supply capability of substation. Finally, an example analysis was conducted for selecting the multiple types of New Town. It was proposed that prospective target frameworks of distribution network for the New Town based on load characteristics. Though the calculation and analysis of related technical indicators, the feasibility and necessity of the optimization scheme proposed were verified.

new town; load characteristics; power supply model of distribution network; power supply capability; prospective target framework

10.11973/dlyny201701004

周江昕(1981-)，男，碩士，高級工程師，從事電網規(guī)劃及項目前期工作。

TM715

A

2095-1256(2017)01-0016-05

2016-11-05