新形勢下城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

杜 劍,歐陽俊，李國柱,杜 治,趙紅生,喬 立,趙雄光,徐小琴

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077)

新形勢下城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

杜 劍1,歐陽俊1，李國柱2,杜 治1,趙紅生1,喬 立1,趙雄光1,徐小琴1

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077)

詳細梳理了目前城市輸電網(wǎng)發(fā)展面臨的形勢，分析了現(xiàn)有規(guī)劃方法的不足，提出了一種適應于新形勢的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法，并應用于湖北“鋼光鄂”電網(wǎng)規(guī)劃中。

城市電網(wǎng);飽和年網(wǎng)架;輸電網(wǎng)

0 引言

城市化一直是社會關(guān)注的焦點，城市化水平可以反映出一個國家的文明程度和經(jīng)濟實力。目前，我國城市化程度與發(fā)達國家相比差距明顯，城市化水平具有較大提升空間。

輸電網(wǎng)作為重要的基礎設施，對提升城市化水平起著關(guān)鍵性的支撐作用。我國大部分城市輸電網(wǎng)由500 kV電網(wǎng)和220 kV電網(wǎng)構(gòu)成，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平的逐步提高和城市化建設的持續(xù)推進，城市輸電網(wǎng)發(fā)展面臨了新的機遇與挑戰(zhàn)。如何做好新形勢下的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃值得研究。

1 城市輸電網(wǎng)發(fā)展面臨的形勢

（1）供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革沖擊工業(yè)用電需求。一方面，除電氣化鐵路牽引站外，現(xiàn)有的220 kV專用變大部分服務于鋼鐵、煤炭等傳統(tǒng)行業(yè)，但這些行業(yè)產(chǎn)能嚴重過剩，面臨調(diào)整壓力；另一方面，新一代信息技術(shù)、高端裝備制造等戰(zhàn)略新興行業(yè)企業(yè)在接入電壓、電能質(zhì)量及供電可靠性等方面提出了較高要求，以220 kV專用變服務這類企業(yè)的情況在今后會更加普遍。

（2）軌道交通建設調(diào)整城市人口分布。從經(jīng)驗上來看，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了就業(yè)機會，吸引了人口的集聚[1]。但受制于中心城區(qū)較高的房價和擁堵的交通，軌道交通沿線已逐步成為城市人口置業(yè)的首選項。軌道交通建設對城市人口分布的調(diào)節(jié)作用日益顯著，這一現(xiàn)象也為城區(qū)負荷預測工作提出了新的要求。

（3）短路電流水平持續(xù)上漲。近年來我國許多城市的輸電網(wǎng)都面臨短路電流越限的風險[2-4]。一方面是由于新增站點投產(chǎn)后，站點密度增加，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加緊密；另一方面由于電纜線路得到廣泛使用，增加了電網(wǎng)的充電電容。通過拉停線路等傳統(tǒng)方式或使用限流電抗器等新型電力電子器件可以對短路電流水平起到一定的限制作用，但要徹底解決問題，還需擇機對電網(wǎng)進行分區(qū)分片。

（4）投資成本高與投產(chǎn)難度大并存。隨著土地價格和“入地工程”比例的持續(xù)上漲，城區(qū)電網(wǎng)項目的造價遠高于普通電網(wǎng)項目。與此同時輸電網(wǎng)項目建設周期長，外部環(huán)境復雜多變，環(huán)境要求日趨嚴格，規(guī)劃站點無法按期投運的情況并非個例。城市輸電網(wǎng)已不具備“推倒重來”的可能性，提高規(guī)劃方案的適應性勢在必行。

2 現(xiàn)有規(guī)劃方法的不足

（1）負荷預測方法不能適應新形勢。負荷預測相對籠統(tǒng)，并沒有專門考慮“去產(chǎn)能”“調(diào)結(jié)構(gòu)”對工業(yè)負荷的沖擊，也沒有將軌道交通建設對居民負荷分布的影響放在重要位置予以考慮。

（2）飽和年網(wǎng)架構(gòu)建相對粗略。飽和年網(wǎng)架的構(gòu)建多依靠經(jīng)驗，分區(qū)分片方案研究過程的理論支撐有待加強。

（3）電網(wǎng)發(fā)展的重大事項不突出。多以重要年份為節(jié)點開展網(wǎng)架過渡方案的研究，研究結(jié)論對電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重大事項的突出力度不夠，發(fā)展脈絡不清晰。

（4）資源統(tǒng)籌利用考慮不足。一些規(guī)劃方法以解決當前問題為規(guī)劃目標，停留在“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”階段，缺乏對全網(wǎng)資源統(tǒng)籌利用的考慮，導致資源利用效率偏低。

3 適應于新形勢的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法

3.1 規(guī)劃流程

本文提出的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法共分為7個步驟：（1）開展負荷預測。（2）明確電網(wǎng)發(fā)展邊界，即飽和年電網(wǎng)分區(qū)分片范圍。（3）計算飽和年500 kV主變?nèi)萘浚_定飽和年500 kV主變臺數(shù)。（4）明確500 kV主變分配方案。（5）選取220 kV電網(wǎng)分片開環(huán)點。（6）校核分片方案短路電流水平和供電能力。（7）以500 kV主變投產(chǎn)為重要節(jié)點，開展電網(wǎng)過渡方案研究。

3.2 技術(shù)要求

依據(jù)《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設計導則》和《電網(wǎng)規(guī)劃導則》，城市輸電網(wǎng)規(guī)劃應該滿足以下要求：

（1）有清晰的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。電網(wǎng)電壓等級層次清晰，簡化網(wǎng)絡接線，貫徹分層分區(qū)，電源和用戶站盡量從網(wǎng)架中解除。以500 kV樞紐變電站為核心，將220 kV電網(wǎng)劃為幾個區(qū)，相鄰分區(qū)之間應有適當聯(lián)絡，不宜跨分區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)運行。

（2）短路電流應控制在合理水平。各電壓等級電網(wǎng)的短路電流應控制在合理區(qū)間，并留有一定裕度。500 kV電網(wǎng)短路電流控制限額為63 kA，220 kV電網(wǎng)短路電流控制限額為50 kA。

（3）容載比在合理范圍。考慮到電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟運行，變電站的容載比不宜過大或者過小。在年負荷增長率小于7%時，500 kV電網(wǎng)容載比選擇范圍為1.5～1.8，220 kV電網(wǎng)容載比選擇范圍為1.6～1.9。

（4）有充足的供電能力。要能滿足用電負荷增長需要，保障分區(qū)內(nèi)有充足的電源。220 kV分區(qū)電網(wǎng)內(nèi)至少應有3臺500 kV主變，至少應有來自不同500 kV變電站或220 kV電壓等級主力電廠的2路電源。

3.3 規(guī)劃要點

（1）做實負荷預測。應參考城市發(fā)展總體規(guī)劃、社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計公報、各類年鑒、地方政府重點儲備項目庫等權(quán)威資料切實開展負荷預測。

在短中期負荷預測中，對新增戰(zhàn)略性工業(yè)的負荷應予以充分考慮。對于專用變下網(wǎng)負荷占城市電網(wǎng)總負荷比重較大的情況，宜對專用變和公用變下網(wǎng)負荷分別開展預測。由于飽和年負荷直接影響到中期電網(wǎng)規(guī)模和分區(qū)分片方案，因此還要重視飽和年的負荷預測工作。

（2）合理分區(qū)分片。對電網(wǎng)進行適當?shù)姆謪^(qū)分片有利于簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)運行的可靠性。應從有效限制短路電流的角度出發(fā)，考慮電網(wǎng)分區(qū)分片的必要性；從電網(wǎng)規(guī)劃延續(xù)性和工程實施難度出發(fā)，考慮電網(wǎng)分區(qū)分片的可行性。

（3）明確飽和年500 kV主變?nèi)萘俊?shù)量及分配方案。應從滿足供電安全可靠性和經(jīng)濟性的角度考慮合理的500 kV電網(wǎng)容載比，從而確定在飽和年電網(wǎng)需要的500 kV變電容量；應從有利于實現(xiàn)220 kV電網(wǎng)分區(qū)分片供電的角度，確定飽和年500 kV變電站的主變臺數(shù)和各220 kV片區(qū)的500 kV主變數(shù)量。

（4）提高資源利用效率。對于在局部電網(wǎng)中同時存在供電能力不足和負載率偏低、短路電流越限和暫態(tài)穩(wěn)定問題的情況，應優(yōu)先考慮就地統(tǒng)籌資源，取長補短，避免一味的地增加設備或拉停線路。

4 適應于新形勢的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法在“鋼光鄂”電網(wǎng)規(guī)劃中的應用

4.1“鋼光鄂”電網(wǎng)簡介

“鋼光鄂”（GGE）電網(wǎng)為武漢市青山區(qū)、武昌區(qū)北部和洪山區(qū)東部地區(qū)及鄂州市全境供電。截至2016年底，供區(qū)內(nèi)統(tǒng)調(diào)裝機容量為376×104kW。共有500 kV變電站2座，變電容量300×104kV·A；220 kV變電站22座，變電容量757×104kV·A。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1“鋼光鄂”電網(wǎng)現(xiàn)狀圖Fig.1 GGE power grid current state graph

4.2 負荷預測

研究表明[5-6]，湖北省將于2032年進入用電需求“飽和階段”，即用電量、最大負荷的增長率小于2%，于2043年達到用電需求飽和。根據(jù)鋼光鄂供區(qū)歷年發(fā)展情況[7-8]，預測鋼都、光谷供區(qū)2025年左右進入用電需求“飽和階段”，2035年左右達到用電需求飽和；鄂州電網(wǎng)2030年左右進入用電需求“飽和階段”，2040年左右達到用電需求飽和。

對鋼都、光谷供區(qū)進行負荷預測時，參考了近年用電報裝計劃、電力設施布局規(guī)劃和武漢市軌道交通建設規(guī)劃[9]。鋼都、光谷供區(qū)內(nèi)的城市軌道交通建設規(guī)模有限，不屬于核心建設范圍。供區(qū)內(nèi)重點用戶武鋼在“去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)”的大環(huán)境下與寶鋼合并，重組后的發(fā)展有待觀察。但特大型項目國家存儲器已經(jīng)開工建設，參考國內(nèi)已投產(chǎn)的類似項目，國家存儲器的投產(chǎn)將有力支撐區(qū)域內(nèi)的負荷增長。對鄂州市進行負荷預測時，參考了鄂州的歷史發(fā)展情況以及部分現(xiàn)有規(guī)劃研究成果[10-11]。鄂鋼是鄂州的支柱產(chǎn)業(yè)，也是鄂州電網(wǎng)負荷的重要支撐。受鋼鐵行業(yè)“去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)”的影響，鄂鋼近幾年負荷增長幾乎停滯。與此同時，鄂東機場項目已獲得政府批文，建成后將成為吞吐量全國第一、全球第四的貨運機場，對鄂州的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和用電負荷增長均將起到積極作用。

鋼光鄂電網(wǎng)負荷預測結(jié)果如表1所示。

表1 鋼光鄂電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最大負荷預測結(jié)果（單位：104kW）Tab.1 The maximum load forcast result

4.3 飽和年網(wǎng)架分區(qū)分片方案

步驟1明確分區(qū)分片范圍

鋼光鄂電網(wǎng)北面與武漢江北電網(wǎng)一江之隔，南面緊靠鳳凰山、江夏、東山電網(wǎng)，東面臨近黃石電網(wǎng)。根據(jù)地理環(huán)境及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提出以下三種分片方案：（1）與鳳凰山、江夏統(tǒng)籌考慮分片；（2）與東山統(tǒng)籌考慮分片；（3）鋼光鄂電網(wǎng)內(nèi)部分片。

目前，鋼光鄂電網(wǎng)已解開了與周邊電網(wǎng)的220 kV電氣聯(lián)系獨立成片運行。考慮到已經(jīng)分開的電網(wǎng)不宜輕易合并運行，排除分片方案1。東山站址與鋼光鄂電網(wǎng)隔著武昌中心城區(qū)，要穿越東湖風景區(qū)、南湖、東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)等區(qū)域，線路走廊資源緊張。因此方案2代價較高，予以放棄。方案3符合分區(qū)分片范圍確定原則，為推薦方案。

步驟2確定500 kV主變?nèi)萘考皵?shù)量

按照負荷預測結(jié)果，對鋼光鄂電網(wǎng)進行電力平衡，平衡結(jié)果如表2所示。

表2 光鋼鄂電網(wǎng)電力平衡（統(tǒng)調(diào)）Tab.2 GGE power grid electric balance data

由表2可以看出,在飽和年光鋼鄂電網(wǎng)需要500 kV下網(wǎng)容量512×104kV·A。建議飽和年500 kV主變?nèi)萘堪?00×104kV·A考慮。為滿足獨立分區(qū)內(nèi)至少有3臺500 kV主變的要求，分片前區(qū)內(nèi)需至少6臺500 kV主變。因此飽和年應按6臺100×104kV·A的500 kV主變考慮。

步驟3明確主變分配方案

以鋼光鄂電網(wǎng)鋼都、光谷、鄂州3個500 kV站點，6臺500 kV主變?yōu)榍疤幔M行排列組合，排除明顯不合理的方案，提出以下三種分配方案,方案如表3所示。

表3 主變分配方案Tab.3 Main transformers assignments proposal

方案1中鋼都3臺主變獨立成片不利于短路電流控制。方案2中光谷兩臺主變和鄂州變聯(lián)合成片存在負荷與主變錯位配置的情況，經(jīng)濟性較差；同時光谷短路電流控制難度大。方案3短路電流水平合理，能滿足各分區(qū)的供電需求，為推薦方案。

步驟4選取開環(huán)點

500 kV光谷變2臺主變分兩片運行，光谷變需要分母。220 kV花山變改造工程即將實施，改造后花山將具備分母運行條件。鄂州二期裝機容量2×60×104kW，并列運行時存在暫態(tài)穩(wěn)定問題，適合分母運行。

因此開環(huán)點選擇為以上3廠站的220 kV母線，如圖2所示。

圖2 鋼光鄂片區(qū)飽和年網(wǎng)架Fig.2 Saturation year power grid structure of GGE

步驟5校核分片方案

（1）分區(qū)電力平衡

由表4可以看出,分片后鋼光鄂電網(wǎng)東片和西片都能滿足供電需求。

表4 鋼光鄂電網(wǎng)分區(qū)平衡表（單位：104kW）Tab.4 Subdistrict power distribution of GGE

（2）實施可行性

該方案不需新建線路，3處解環(huán)點都具備分母運行條件，工程實施可行性較高。

（3）電網(wǎng)安全穩(wěn)定校核

通過PSASP仿真分析工具對目標網(wǎng)架的潮流、暫穩(wěn)特性及短路電流水平進行校核，能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定需求。

4.4 網(wǎng)架過渡方案研究

節(jié)點1：2019年投產(chǎn)第4臺500 kV主變

2019年前后，鋼光鄂電網(wǎng)負荷達到450 kW，鋼光鄂電網(wǎng)主要面臨三方面問題：一是鋼都變、光谷變、花山變短路電流越限；二是光谷鄂州供區(qū)供電能力不足；三是鋼光鄂電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題突出。

為此，考慮新建鄂州變，將光谷一臺主變搬至鄂州，同時擴建光谷一臺高阻抗變壓器，工程實施后的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼光鄂電網(wǎng)2019年方案Fig.3 2019 GGE power grid planning proposal

節(jié)點2：投產(chǎn)第5臺500 kV主變

當鋼光鄂電網(wǎng)負荷達到570×104kW，光谷西主變N-1后，鋼都主變接近滿載，鋼都光谷西片區(qū)需新增主變；光谷主變N-1后，鄂州變接近滿載，鄂州光谷東片區(qū)也存在新增主變的需求。綜合兩片供區(qū)的情況，有必要于鋼光鄂電網(wǎng)負荷達到570×104kW前在光谷西新增一臺500 kV主變。為配合該主變投產(chǎn)，限制鋼都片區(qū)短路電流，宜對220 kV桂家灣變進行分母，將鋼都供區(qū)的220 kV電網(wǎng)構(gòu)建為“C”型網(wǎng)絡，如圖4所示。

圖4 鋼光鄂電網(wǎng)“C”型網(wǎng)絡方案Fig.4 Type"C"GGE power grid proposal

節(jié)點3：投產(chǎn)第6臺500 kV主變

當鋼光鄂電網(wǎng)負荷達到620×104kW，考慮鄂州二期3號機停機，鄂州主變N-1時，光谷東主變過載。若不投產(chǎn)新的500 kV主變，鄂州光谷東片區(qū)供電能力此時達到飽和。因此，建議在鋼光鄂電網(wǎng)負荷達到620×104kW前投產(chǎn)鋼光鄂地區(qū)第6臺主變，即鄂州第二臺主變，并在此時實施分片。

5 結(jié)語

本文提出了一種適應于新形勢的城市輸電網(wǎng)規(guī)劃方法，該方法強調(diào)負荷預測的科學性和飽和年電網(wǎng)分區(qū)分片方案的合理性，并力求提高設備的利用效率。與傳統(tǒng)方法中以重要水平年為節(jié)點研究電網(wǎng)過渡方案不同，本文提出的規(guī)劃方法選擇以逐臺500 kV主變投產(chǎn)時間為節(jié)點對電網(wǎng)過渡方案進行研究，從而能更有效地突出電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有利于電網(wǎng)投資計劃和項目里程碑的制訂，提高規(guī)劃方案的針對性和精準度，助力電網(wǎng)科學高效發(fā)展。

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Research on the Network Planning of City Transmission under New Situation

DU Jian1,OUYANG Jun1,LI Guozhu2,DU Zhi1,ZHAO Hongsheng1,QIAO Li1,ZHAO Xiongguang1,XU Xiaoqin1
(1.Economy&Technology Research Institute,State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China;2.Central China Division of State Grid Corporation of China,Wuhan Hubei 430077,China)

A detailed analysis of the current urban transmission network development is given under the“new situation”and the deficiency of the existing planning method.A new promising urban transmission network planning method which can be adapted to the“new situation”is given.The method is put into the application of“Gang-Guang-E”power grid planning project.

city power grid;saturation year power grid structure;transmission network

TM715

B

1006-3986(2017)03-0001-05

10.19308/j.hep.2017.03.001

2017-02-11

杜 劍(1987)，男，湖北武漢人，碩士，工程師。