基于配電網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.河北省電力勘測設計研究院，石家莊，050031；2.國網河北省電力公司，石家莊，050021；3.國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊，050011；4.國網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.河北省電力勘測設計研究院，石家莊，050031；2.國網河北省電力公司，石家莊，050021；3.國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊，050011；4.國網河北省電力公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲，056000)

電網電壓等級序列的合理配置，對電網運行靈活性、負荷發展適應性、土地資源占用、企業經營效益提升等關鍵問題有重要意義。為此，該文基于中壓配電網絡采用手拉手接線型式，提出了一種電網電壓等級序列合理配置的分析方法，以期為電網相關規劃工作提供決策參考。

電壓等級；電壓序列；手拉手接線

電網供電電壓等級序列合理配置，是確定電網發展戰略的重要內容之一，對于不同供電電壓等級序列，電力網絡的結構與布局不同，所需電力設備的額定電壓等級及技術水平也不同，其對電力系統運行管理、經濟效益、電網可靠性及適應能力等均產生直接影響，甚至還關系列整個電力工業建設投資及發展速度。因此，供電電壓等級序列的合理選擇具有重要意義。目前，某些地區電網中壓電壓配置不合理、輸電能力不足、網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研究，有助于提高電網規劃設計水平，增強電網規劃方案的前瞻性、科學性、合理性。

1 國內外電壓等級序列配置概況

目前，世界各國電網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。為能求得電網最佳經濟效益及合理發展，各國都在致力于改造現有電網。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，并相應提升中壓。

我國電網經歷了長時間的電壓等級提升、調整和簡化過程[6-8]，逐步形成了相對統一的電壓等級序列，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農村/kV西北地區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在滿足技術要求和安全、可靠、穩定運行的前提下獲得最大的經濟效益，即使電網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，將造成變電設備制造困難、低壓出線回路數多且送電距離過長、損耗增大以及供電范圍不能聯合等問題；電壓等級級差選擇過小，電網變電層次太多，將造成不必要的重復變電，增加電網運行費用，且不能充分發揮電壓等級應有的功能。

3 電壓等級序列分析數學模型

3.1 電網建設規模估算模型

a. 變電站規模

式中:K為容載比； S為變電站主變壓器容量，MVA。

b. 高壓線路

供電區域內每座變電站的平均供電半徑：

高壓線路回數：

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

高壓配電網的網絡結構需考慮滿足N-1條件下的可靠供電，根據線路供電半徑結合網絡結構系數進行估算。其中：網絡結構系數主要是考慮到雙回供電和站間聯絡。則每回線路平均長度：

L=WR

式中：W為網絡結構系數。

c. 中壓線路

中壓線路長度的確定通過供電半徑結合線路的曲折系數進行估算。其中，曲折系數主要考慮供電線路走廊建設、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。

單電源輻射接線?，F有供電電壓等級選擇相關分析研究中，在網絡建設規模估算中，配網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。隨著市場觀念轉變和電力發展的需求，配電網自動化已經發展為供電企業十分緊迫的任務。無論是配電網改造還是配電網自動化均應以滿足用戶的供電質量要求為目標。因此，該研究中配電網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中壓配電網采用拉手式接線，除需考慮饋線間聯絡，還應滿足線路N-1運行要求以及N-1方式下電壓質量約束。

基于中壓配網采用雙電源拉手式接線型式，配網線路規模計算流程示意見圖3。

圖3 中壓配網線路規模計算流程示意

d.配電變壓器容量和臺數

配電變壓器總容量：

式中：Tp為配電變壓器總容量，MVA；L為區域總負荷，MW；Kp為配電變壓器負載率； cosφ為負荷功率因數。

式中：Np為配電變壓器總臺數；T0為單臺配電變壓器容量，MVA。

3.2 功率損耗估算模型

電網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。

按照我國電力工業推薦采用的“最小年費用法”進行動態經濟比較。

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

線路建設費用構成與變電站相似，同樣采用“最小年費用法”動態比較，線路的經濟使用年限，架空線路取30年，電纜線路取40年。

則區域電網建設總年費用為：FN=FNS+FNL。FN較小的方案經濟性較優。

4 算例分析

4.1 典型算例分析

假定一負荷均勻分布的供電區域，面積800 km2，飽和負荷密度為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建設規模分析、損耗分析及經濟性比較。

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模3×180 MVA，110 kV站主變壓器規模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設計，各級容載比配置參照《城網規劃設計導則》中規定數據，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%，年損耗小時數取6 200 h。負荷密度1～40 MW/km2各方案損耗比較，見表2，負荷密度1～40 MW/km2各方案綜合年費用比較，見表3。

表2 負荷密度1～40 MW/km2各方案損耗比較

負荷密度/(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 負荷密度1～40 MW/km2各方案綜合年費用比較

負荷密度/(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、重復降壓導致。

同一供電區域，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。

同一供電區域，不同負荷密度時，各方案相對損耗比例差別不大。

由表3計算結果分析可知：

同一供電區域，隨著負荷密度增加，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。

同一供電區域，隨著負荷密度增加，方案I綜合年費用增長較快，主要原因是35 kV電氣設備造價相對10 kV較高，隨著負荷密度增加、電網建設規模增大，此部分價差越明顯。

由理論計算，對于目前電網兩類常用電壓序列方案Ⅱ、Ⅳ，在負荷密度1.8 MW/km2時綜合年費用存在等值點。即負荷密度小于1.8 MW/km2時，五級電壓序列方案Ⅳ經濟性優于四級電壓序列方案Ⅱ。

4.2 實例分析

以某園區為例，規劃總面積約19.43 km2，規劃區平均負荷密度約36.76 MW/km2，園區周邊電網運行電壓等級序列為220/110/35/10/0.4 kV，由于該園區無居民負荷，且負荷密度較高。經調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絡，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絡。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，該園區采用220/(110)/35/0.4 kV電壓序列方案經濟性較優，其綜合年費用約為方案Ⅱ的82%。

5 結論及建議

電壓等級序列的合理選擇關系到電網發展的整體布局和長遠戰略，通過總結其發展客觀規律及配置原則，基于配電網采用拉手式接線，提出了一種電壓等級序列合理配置的技術經濟評價方法，可為相關工作提供決策參考。由于影響電壓序列合理配置的因素很多，如各等級電壓負荷分配、專供用戶負荷比例、設備造價等。因此，在工作中還應結合電網實際具體分析。

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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].現代電力，2009，26(4)：51-55.

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[8] 崔 凱，宋 毅，李敬如，等.我國電網電壓序列及其評價指標[J].電力建設，2012，33(2)：14-17.

本文責任編輯：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，主要從事電力系統規劃設計工作。

TM715

B

1001-9898(2016)05-0017-04