220 kV分區電網的典型網架結構及其遴選方法

孫富榮,倪　鵬

(國網乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

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220 kV分區電網的典型網架結構及其遴選方法

孫富榮,倪鵬

(國網乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

針對電壓等級升高、電力系統短路電流超標等問題,提出了 220 kV典型分區結構的定義和接線原則。在考慮分區供電可靠性的基礎上,結合500 kV電站帶220 kV變電站的數目 和220 kV變電站的 空間分布特點,建立了220 kV電網典型分區結構,然后采用兼顧系統經濟性與可靠性的優化方法對典型分區結構進行優化遴選,確定出單座與多座500 kV變電站在有無220 kV電廠下的最優網架結構,為500/220 kV規劃發展提供參考。

220 kV;分區電網;典型結構;最優網架;遴選方法

在中國500 kV電壓等級輸電網絡發展過程中,隨著各地負荷水平的不斷提高和220 kV側上網電廠裝機容量的逐漸增大,電力系統面臨著500/220 kV高、低壓電磁環網[1-3]和500 kV變電站220 kV側短路電流超標等現實問題。目前,主要采用電網分層分區[4-6]運行方式解決這一問題,而且無論從實踐還是理論方面,對于從解開高低壓電磁環網角度的電網分層分區的研究和論述均較多見。而對于電網分層分區的典型結構并形成通用的指導性意見的理論研究較少。本文在考慮分區供電可靠性的基礎上,結合500 kV電站帶220 kV變電站的數目和220 kV變電站的空間分布特點,建立了220 kV電網典型分區結構。將系統的可靠性指標轉換成經濟指標,以經濟總費用(折合到年值)最低作為多個模式的選優標準,對典型分區結構進行優化遴選,確定出單座與多座500 kV變電站在有無220 kV電廠下的最優網架結構,以為電網的分層分區、規劃發展提供參考。

1　典型分區結構定義

典型分區結構是指對于多個同類場所具有一定通用性與普遍性的電網分區接線方案,其價值是可作為規律和范例加以推廣應用到具有同類特點、同類要求的多個場所,避免對同類的場所進行重復考慮和計算。

典型電網分區的接線原則:

1) 可靠性原則。根據系統可靠性原則,在220 kV電網的分區結構中任何一個負荷點至少應該有兩個或兩個以上的供電渠道對其供電,即一條輸電線路發生故障時不至于導致該負荷點停電。

2) 經濟性原則。系統走廊與輸電線路及其相關附屬設備的建造與運行維護費用應該在保證可靠性原則上盡量做到費用最低。

3) 靈活性原則。系統結構能適應電力系統的近、遠景發展,便于過渡,尤其要注意到遠景電源建設和負荷預測的各種變化,并且能夠方便調整。

2　220 kV電網典型分區結構

220 kV分區網架結構與電源站點和負荷站點的分布和個數存在普遍性關系,主要體現在:在實際運行過程中,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。根據文獻[7]的計算分析,單座500 kV電站所帶220 kV電站個數一般為4個與6個。單座500 kV變電站的供電區域可以抽象為圓形、扇形兩種,即220 kV變電站“集中于電源一側”和“環繞電源周圍”兩種典型的位置分布[8],多座500 kV電站或有220 kV上網電廠(220 kV上網電廠可以看作與500 kV電站類似的電源點,但在供電能力與容量極限配合上存在差異)的供電區域可以視為多個單電源供電區域的組合。

2.1單座500 kV變電站帶分區典型接線結構

以500 kV電站為參考點,根據220 kV電站的普遍性地理位置特點,歸納得出三種空間分布情況:發散分布、集中分布、環繞分布。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種典型的分區網架結構。

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電站負荷發散分布如圖1所示,單座500 kV電站帶4座220 kV電站負荷集中分布,如圖2所示,單座500 kV電站帶4座220 kV電站負荷環繞分布,如圖3所示。

圖1　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負荷發散分布

圖2　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負荷集中分布

圖3　單座500 kV電站帶4座220 kV電站負荷環繞分布

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電站負荷發散分布如圖4所示, 單座500 kV電站帶6座220 kV電站負荷均勻分布如圖5所示,單座500 kV電站帶6座220 kV電站負荷環繞分布如圖6所示。

圖4　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負荷發散分布

圖5　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負荷均勻分布

圖6　單座500 kV電站帶6座220 kV電站負荷環繞分布

2.2兩座500 kV變電站/一座500 kV變電站加一座220 kV上網電廠分區典型接線結構

兩座500kV電站可以看作單電源供電區域的組合。220 kV上網電廠可以看作與500 kV電站類似的電源點,但在供電能力與容量極限配合上存在差異。根據兩個電源點連線區域之內的負荷節點接線形式,建立獨立輻射接線、雙節點鏈式、三節點鏈式、四節點鏈式四種典型分區網架結構如圖7所示。

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

2.3三座500 kV變電站帶分區典型接線結構

三座500kV變電站同一片分區的情況比較少,并沒有典型接線結構。但出現這種情況時,可以分別兩兩按照兩座500 kV變電站帶分區的典型接線結構進行分析。

3　分區結構優選計算

3.1基于經濟性和可靠性的分區結構優選方法

本文采用綜合效益最優為選優目標函數,即將系統的可靠性指標轉化成經濟指標,采用經濟總費用(折合到年值)最低作為多個模式中選優的標準。由于220 kV電網電壓等級較高,在多回線輸電、無功補償等設備存在下,不同接線模式網損費用的差別并不大。而220 kV作為輸電網絡,對可靠性要求較高。因此220 kV分區結構優選函數中以可靠性指標與投資運行指標的總經濟費用作為目標函數,即

F=T+W+EENS·VOLL

(1)

式中:F為方案的總費用;T為方案初始投資的年費用(單位:萬元/年);W為輸變電設備的運行維護費用和損耗費用(單位:萬元/年);EENS為方案年缺電電量期望值(單位:kWh/年);VOLL為單位停電損失費用(單位:萬元/kWh)。

(2)

式中：折現率i取為5%;系統折算年限n取為25年;T0為初始投資費用;輸變電設備的運行維護費用和損耗費用W取為初始投資費用的5%。

根據《國家電網公司輸變電工程通用造價220 kV輸電線路分冊》(2010年版)中的數據,220 kV輸電線路采用2×LGJ-400/35的初始投資費用平均值約為70萬元/km。本文取該數值用于單線路建設費用計算,即

(3)

式中:x為負荷點;N為負荷點個數;P(x)為該負荷點斷電概率;Lx為該負荷點負荷大小。

VOLL可應用產電比法確定。產電比法是指某一時期、某一地區內國內生產總值(GDP)與消耗電量之比,單位為元/kW·h,它描述了單位電能創造的經濟效益,是對電能貨幣價值的一種社會度量,可以從宏觀上估計停電損失。中國2010年國內生產總值達到39.79萬億元,2010年發電量為41 413億kW·h。考慮220 kV電網的重要性,參考加拿大的做法,取停電損失費為每千瓦時產值的5倍左右,即可確定VOLL的值。

3.2典型分區結構優選方案

基于該優選方法,對220 kV分區典型網架結構進行優化遴選,確定出每種分區的最優網架。

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電站優選結果如表1所示。

表1單座500kV電站供4座220 kV電站優選結果

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

接線模式優選計算的結果:

1) 對于單個500 kV電站供4個220 kV變電站,負荷點集中于電源同一側,負荷發散式不均勻分布的情況下,推薦采用帶輻射的環網結構。在距離較近的負荷密集處采用鏈式環網可以較大幅度提高供電可靠性,且造價并不貴。而對于處于遠端的負荷點采用從鏈式環網中樞站引出的輻射供電接線,能保證遠端的供電可靠性。

2) 對于單個500 kV電站供4個220 kV變電站,220 kV變電站集中于電源同一側,負荷密集于500 kV變電站的情況下,采用雙孔環網接線在總投資增加并不多的前提下可以大幅提升系統可靠性。推薦采用雙孔環網結構。

3) 對于單個500 kV電站供4個220 kV變電站,220 kV變電站環繞電源均勻分布的情況下,推薦采用雙回輻射供電結構。這是由于負荷點較少、線路較少,因此采用雙回輻射供電建設費用相比環網增加不多,且雙回輻射供電相比單回環網可靠性更高。

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電站優選結果如表2所示。

表2單座500kV電站供6座220 kV電站優選結果

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

接線模式優選計算得出的結果:

1) 對于單個500 kV電站供6個220 kV變電站,220kV變電站集中于電源同一側,負荷發散式不均勻分布的情況下,采用雙孔環網接線在總投資增加并不多的前提下可以大幅提升系統可靠性。推薦采用雙孔環網結構。

2) 對于單個500 kV電站供6個220 kV變電站,負荷點集中于電源同一側,負荷均勻分布的情況下,推薦采用3個變電站串聯的鏈式環網結構。

3) 對于單個500 kV電站供6個220 kV變電站,220 kV變電站環繞電源均勻分布的情況下,推薦采用2個變電站串聯的鏈式環網結構。其建設投資費用相比3個變電站串聯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側上網電廠分區結構

對于兩個電源點的電網分區結構選優,可以看作是兩個單電源點的組合。在兩個電源點連線區域之外的負荷點可以參考單電源點分區結構選優結果。兩個電源點連線區域之內的負荷點接線方式可以通過綜合選優函數計算。

兩個電源點之間通過單節點、雙節點、三節點與四節點鏈式相連的電網結構選優結果如表3所示。

表3　兩座500 kV電站/單座500 kV電站加 220 kV上網電廠分區結構優選結果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、總費用，萬元。

通過兩個電源點之間的連接,可使整個系統在一方故障時相互支援,從而提升整個系統的可靠性。因此不推薦兩個電源點之間完全獨立供電。同時兩個電源點之間的負荷點通過兩側的鏈式連接,可以代替其原本的雙回輻射供電線路或環網線路,從而減少輸電線路建造數目。代價是相隔另一個電源點較遠時,可靠性將會下降,從而導致停電損失費用增加。

通過選優分析可以看出:停電損失費用隨著兩電源點之間串聯220 kV變電站個數的增加而增加。只通過一個220 kV變電站相連時,并沒有減少線路條數。而隨著串聯220 kV變電站個數的增加及減少線路費用的同時,停電損失費用迅速增加。因此,雙電源串連鏈式供電的變電站個數一般不超過四個,對供電可靠性要求較高的區域一般不超過三個。以2～3個220 kV變電站串聯在電源點之間為最優。

3.2.4三座500 kV電站分區結構優選方案

三座500kV變電站同時對一片分區進行供電的情況比較少。對于大部分220 kV電網而言,實現電磁解環和分區供電后,一般不會出現三個電源同時向若干站供電的情況。

4　結　論

本文介紹了220 kV典型分區結構的定義和接線原則。在考慮分區供電可靠性的基礎上,結合220 kV電站的空間分布特點,給出了25種典型的分區網架結構及兼顧系統經濟性與可靠性的優化方法,然后利用該方法對典型分區結構進行優化遴選,確定出單座、多座500 kV變電站在負荷發散、集中、環繞等分布情況下的最優網架結構,以為電網的分層分區建設提供理論支持,同時也可為500/220 kV規劃發展提供參考。

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(責任編輯郭金光)

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,主要研究方向為電網運維檢修、配電網規劃。

TM715

A

2095-6843(2016)04-0296-05