城市配網(wǎng)規(guī)劃實用方法及其實踐

黃育波 周星星

（1.國網(wǎng)杭州市蕭山區(qū)供電公司，杭州 311200；2.重慶星能電氣有限公司，重慶 400039）

城市配網(wǎng)指的是向一個城市分配和供應(yīng)電能的電力網(wǎng)。城市配網(wǎng)是電網(wǎng)的重要部分，用戶對于供電可靠性的要求越來越高。長期以來，我國對于配網(wǎng)建設(shè)的重視程度不夠高，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理。如何規(guī)劃建設(shè)一個可靠性高、滿足負(fù)荷需求的高質(zhì)量城市配網(wǎng)[1-8]，成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。

目前國內(nèi)城市配電網(wǎng)規(guī)劃大多采用人工擬定方案和計算機輔助計算的方法。本文借助供電網(wǎng)計算分析及輔助決策軟件，在對某城市現(xiàn)狀配網(wǎng)分析基礎(chǔ)上，進行負(fù)荷預(yù)測及電力平衡分析，最終得出該城市配網(wǎng)規(guī)劃方案。

1 城市配網(wǎng)規(guī)劃特點、問題及思路

1.1 城市配網(wǎng)規(guī)劃[2-6]特點

城市配網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，具有用電量大、負(fù)荷密度高、供電質(zhì)量要求高等特點，在其規(guī)劃中值得注意的問題很多：①規(guī)劃的不確定因素很多，負(fù)荷狀況很難準(zhǔn)確預(yù)測；②規(guī)劃中所涉及的部門和專業(yè)領(lǐng)域多。

1.2 城市配網(wǎng)規(guī)劃存在的問題

1）電力電量預(yù)測和平衡問題

電力電量預(yù)測，考慮城市發(fā)展情況，對用電量進行分析。電力電量平衡，通過分析電廠的裝機容量數(shù)和可利用容量，求得網(wǎng)電和地電的平衡。

2）與主網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)的問題

鑒于目前我國110kV 及以上電網(wǎng)規(guī)劃已得到優(yōu)化，而配網(wǎng)建設(shè)還相對落后的情況，今后的電網(wǎng)建設(shè)應(yīng)趨向由輸電向配電轉(zhuǎn)化，使配網(wǎng)功能得到優(yōu)化。配網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要盡量準(zhǔn)確，為主網(wǎng)規(guī)劃提供重要的參考和基礎(chǔ)原料。

3）結(jié)構(gòu)問題

配網(wǎng)結(jié)構(gòu)對供電可靠性起關(guān)鍵作用，城市配網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須重點考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力。對于一般城市可以采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)可靠性和安全運行水平較高，可達到“N-1”，負(fù)荷轉(zhuǎn)移率可達到50%。對于可靠性要求更高的城市，可以采用雙回線加備自投結(jié)構(gòu)。

4）站點分布問題

配網(wǎng)站點分布主要是供電范圍的劃分，路徑的選擇，開關(guān)站、配變的選址等。合理選取路徑和配變，對供電半徑起著決定作用，必須給予足夠的重視。想要做好這些工作，必須和城市發(fā)展規(guī)劃緊密結(jié)合。

5）無功優(yōu)化問題

配網(wǎng)無功優(yōu)化是改善電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損的重要環(huán)節(jié)。功率因數(shù)的高低對過負(fù)荷和網(wǎng)損起著極重要的作用。城市配網(wǎng)無功補償應(yīng)該按照分層分區(qū)就地平衡，功率因數(shù)大于0.9 的原則進行。

1.3 城市配網(wǎng)規(guī)劃的思路

1）對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃進行解讀

對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃進行解讀，其《用地規(guī)劃圖》、《土地利用總體規(guī)劃》可作為空間負(fù)荷預(yù)測基礎(chǔ)，《路網(wǎng)規(guī)劃》和《管線綜合規(guī)劃》可作為目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)建的基礎(chǔ)。

2）電網(wǎng)現(xiàn)狀電網(wǎng)分析

開展現(xiàn)狀電網(wǎng)分析，找出影響供電可靠性的主要因素和薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進措施。

3）電力需求預(yù)測及平衡

立足于積累的歷史與現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，開展空間負(fù)荷預(yù)測，采用彈性系數(shù)法、運用產(chǎn)值單耗法等方法校驗負(fù)荷總量預(yù)測結(jié)論，綜合分析得到總負(fù)荷、電量的預(yù)測結(jié)果。

4）配網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)制定

依據(jù)《配網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則（征求意見稿）》（Q/GDW738-2012）以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)技術(shù)條款要求，結(jié)合本地區(qū)特點，確定配網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)。

5）高壓配網(wǎng)規(guī)劃

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，對高壓變電站布點及網(wǎng)架進行合理規(guī)劃，并對規(guī)劃結(jié)果進行容載比校核。

6）中壓配網(wǎng)規(guī)劃

結(jié)合現(xiàn)狀分析結(jié)果，針對電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，以可靠性為目的，提出2014年、2015年項目實施方案。

7）電氣計算

對目標(biāo)網(wǎng)架方案進行潮流計算、“N-1”分析和短路電流計算。

8）規(guī)劃方案評估

對規(guī)劃電網(wǎng)進行可靠性、線損評估，并結(jié)合投資估算結(jié)果進行經(jīng)濟性評估，分析規(guī)劃的可行性。

2 城市配網(wǎng)規(guī)劃的重點

2.1 現(xiàn)狀電網(wǎng)分析

開展現(xiàn)狀電網(wǎng)分析，找出電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)和問題，形成現(xiàn)狀問題表，作為目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃項目庫形成的依據(jù)。

現(xiàn)有的城市供電系統(tǒng)已基本上覆蓋了城市所有的居住地區(qū)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)對規(guī)劃系統(tǒng)未來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了一個良好的起點，未來的投資需求主要在于滿足負(fù)荷的增長，以及更換網(wǎng)絡(luò)中殘舊、存在缺陷的設(shè)備，以保證網(wǎng)絡(luò)安全、可靠運行。

只有對現(xiàn)狀電網(wǎng)做全面的分析，才能給規(guī)劃區(qū)的電網(wǎng)起點一個合理的定位，從而更好的開展目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃。

2.2 負(fù)荷預(yù)測

負(fù)荷預(yù)測[7]具有科學(xué)性強的特點，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在搜集難及預(yù)測模型存在不適應(yīng)性等問題，對某一具體區(qū)域而言，還要根據(jù)其實際的社會經(jīng)濟與負(fù)荷發(fā)展情況采用恰當(dāng)?shù)呢?fù)荷預(yù)測方法。一般情況下，城區(qū)配網(wǎng)的近期負(fù)荷預(yù)測采用產(chǎn)量單耗法和數(shù)學(xué)模型法，遠景目標(biāo)年的負(fù)荷預(yù)測宜采用空間負(fù)荷預(yù)測法。

1）產(chǎn)量單耗法

根據(jù)規(guī)劃年產(chǎn)值單耗指標(biāo)和國民生產(chǎn)總值目標(biāo)，可預(yù)測出規(guī)劃年的需電量。根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并分析影響產(chǎn)值單耗的各因素可能變化趨勢后確定產(chǎn)值單耗，影響產(chǎn)值單耗的因素大概有以下一些：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)電措施、產(chǎn)品價格以及產(chǎn)品生產(chǎn)的條件等。

2）數(shù)學(xué)模型法預(yù)測負(fù)荷

（1）回歸分析預(yù)測法

回歸分析也稱為解釋性預(yù)測，它假設(shè)一個系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量之間存在著某種因果關(guān)系，它認(rèn)為輸入變量的變化會引起系統(tǒng)輸出變量的變化。通過研究輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系，建立預(yù)測模型，明確相互關(guān)系的密切程度，然后以輸入變量為依據(jù)預(yù)測輸出變量的變化。

回歸分析法預(yù)測的步驟為：①分析確定自變量和因變量；②計算各自變量與因變量之間的相關(guān)性，確定合適的自變量；③根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定回歸方程的參數(shù)，并進行假設(shè)檢驗，檢驗求得的方程是否具有實用價值和可行性；④判斷回歸方程的可行以后，由自變量計算預(yù)測值和置信區(qū)。

回歸分析法的缺點是要收集較多的觀測值，它的預(yù)測精度與樣本含量有關(guān)，所以付出的代價一般比較大。一般分為線性一元回歸、線性多元回歸和非線性回歸三種方法。

（2）優(yōu)選組合預(yù)測法

優(yōu)選組合預(yù)測有兩類概念，一是指將幾種預(yù)測方法所得的預(yù)測結(jié)果，選取適當(dāng)?shù)臋?quán)重進行加權(quán)平均的一種預(yù)測方法；二是指在幾種預(yù)測方法中進行比較，選擇擬合優(yōu)度最佳或標(biāo)準(zhǔn)離差最小的預(yù)測模型作為最優(yōu)模型進行預(yù)測。組合預(yù)測方法是建立在最大信息利用的基礎(chǔ)上集結(jié)多種單一模型所包含的信息，進行最優(yōu)組合。

（3）空間負(fù)荷預(yù)測法[8]

城市電力總體規(guī)劃階段負(fù)荷預(yù)測的方法，宜選用空間負(fù)荷預(yù)測。收集土地利用現(xiàn)狀圖和規(guī)劃圖，在未來電力部門的供電范圍內(nèi)，將城市用地按照一定的原則劃分成各小區(qū)，基于各小區(qū)土地利用的特征和發(fā)展規(guī)律的預(yù)測，進一步預(yù)測相應(yīng)小區(qū)中電力負(fù)荷的位置、數(shù)量和產(chǎn)生時間。

對未做上級電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)域，其預(yù)測結(jié)果是對高壓變電站位置和容量、主干線的型號和路徑、開關(guān)設(shè)備的裝設(shè)及投入時間等決策變量進行規(guī)劃的基礎(chǔ)。對于已開展上級電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)域，其預(yù)測結(jié)果是對高壓變電站布點的校核，對于布點不合理的變電站可提出上級電網(wǎng)建設(shè)。

開展空間負(fù)荷預(yù)測，校驗上級電網(wǎng)負(fù)荷總量預(yù)測結(jié)論。其分布預(yù)測結(jié)果可作為中壓出線規(guī)模的依據(jù)。其預(yù)測的飽和密度指標(biāo)可作為供區(qū)劃分的依據(jù)，進一步確定各區(qū)的接線模式。

2.3 電力平衡

通過電力平衡分析，得到各電壓等級公用負(fù)荷，為配網(wǎng)規(guī)劃提供理論依據(jù)。電力平衡原理見表1。

表1 電力平衡表

2.4 配網(wǎng)規(guī)劃

規(guī)劃側(cè)重解決兩個問題：第一解決現(xiàn)狀電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)及問題，第二解決新增負(fù)荷供電問題。以標(biāo)準(zhǔn)化、差異化和設(shè)備全壽命周期管理為原則，采取先確定遠景年后確定中間過渡年的思路進行目標(biāo)網(wǎng)架的構(gòu)建，具體構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)建思路圖

3 算例

高壓：某城市轄區(qū)內(nèi)擁有500kV 變電站1 座，總變電容量2250MVA；220kV 變電站9 座，主變22臺，變電容量4170MVA；110kV 公用變電站34 座，主變68 臺，總變電容量3270MVA；35kV 公用變電站12 座、公用臨時變9 座，總變電容量502MVA。110kV 容載比1.85，35kV 容載比1.57，均處在較低水平。110kV 配網(wǎng)由于負(fù)載率較重，造成N-1 通過率僅為31.25%，110kV 變電站布點不足已成為地區(qū)供電瓶頸。

中壓： 10kV 線路737 條，線路總長4504.01km；10kV 配變共計14184 臺，配變總?cè)萘?670.38MVA。10kV 線路供電距離偏長的有137 條，線路配變裝接容量超過12MVA 的有140 條，導(dǎo)線截面偏小線路長度1134.28km，不滿足N-1 聯(lián)絡(luò)線路189 條。

分析完該城市的配網(wǎng)現(xiàn)狀及薄弱環(huán)節(jié)之后，接下來進行電力需求預(yù)測。綜合上述多種預(yù)測方法后對轄區(qū)電量和負(fù)荷進行預(yù)測，結(jié)果見表2。

表2 分年度全社會用電量和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

圖2 “十二五”末主要負(fù)荷增長點分布圖

到2015年預(yù)測全社會用電量為176.69 億kW·h，負(fù)荷為2871MW。2013－2015年電量、負(fù)荷年均增長率分別為6.85%和7.34%，最大負(fù)荷利用小時數(shù)6064h。

至2015年110kV 網(wǎng)供負(fù)荷1955MW，35kV 網(wǎng)供負(fù)荷227MW，10kV 網(wǎng)供負(fù)荷1688MW。

通過電力平衡分析得出，城市2013年110kV需新增變電容量0～214.47MVA；2015年110kV 需新增變電容量443.65～834.56MVA。

分析得出城市的高壓變電站布址及建設(shè)時序情況。2013年至2015年該轄區(qū)規(guī)劃新建110kV 變電站7 座，主變14 臺，容量700MVA；擴建變電站1座，主變1 臺，容量50MVA。至2020年，轄區(qū)內(nèi)共19 座變電站，主變41 臺，容量共計1610MVA。

表3 110kV主變?nèi)葺d比計算表 單位：MVA、MW

至2015年，城市的容載比為2.06；至2020年，城市的容載比為1.96，均滿足相關(guān)導(dǎo)則要求。

圖3 2015年35kV 及以上電網(wǎng)地理接線示意圖

2013－2015年新建110kV 和35kV 線路20 條，新建電纜線路長度 8.2km，新建架空線路長度81.95km。

圖4 2020年35kV 及以上電網(wǎng)地理接線示意圖

2013－2015年新建中壓線路211 條，線路總長666.34km，配套開閉所176 座，柱上開關(guān)141 臺；改造線路總長度487.75km，新建開閉所56 座，柱上開關(guān)212 臺；新建分段開關(guān)115 臺，聯(lián)絡(luò)開關(guān)238臺，新建分段環(huán)網(wǎng)柜（開閉所）125 座，新建聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)柜（開閉所）110 座。

圖5 中壓電網(wǎng)走廊通道規(guī)劃圖

2013－2015年新建低壓線路682.20km，改造低壓線路85.54km。新建配變1137 臺，容量303.99MVA；改造配變173 臺，凈增容量55.64MVA。

2013－2015年110kV 及以下總投資18.25 億元，其中高壓投資3.20 億元，中低壓投資15.05 億元。

2015年供電可靠性達到99.990%；110kV 及以下線損由1.5%降至1.2%；綜合電壓合格率提升至99.994%。至 2015年轄區(qū)內(nèi)中壓線路聯(lián)絡(luò)達到100%，線路N-1 通過率達到94.85%。高壓線路全部通過N-1 校驗。規(guī)劃期容載比在1.8～2.2 之間。

對上級電網(wǎng)的建議如下：

1）建議在地方政府和電力部門之間建立交流渠道，共享資源，以便準(zhǔn)確及時的預(yù)測電力市場變化。

2）受變電站及線路建設(shè)條件等制約，輸變電工程前期工作難度較大，建議規(guī)劃實施部門提前進行前期工作，以便改造能順利按時實施。

4 結(jié)論

城市的配網(wǎng)規(guī)劃有益于電網(wǎng)的營銷、基建等方面的充分配合，使得配網(wǎng)建設(shè)工作的效率得到整體提升。本文介紹了一種實用的城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法，在分析電網(wǎng)現(xiàn)狀及其薄弱環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，按照社會發(fā)展?fàn)顩r預(yù)測電力負(fù)荷，根據(jù)城市的遠景目標(biāo)及相關(guān)導(dǎo)則要求，對城市目標(biāo)網(wǎng)架和逐年網(wǎng)架進行規(guī)劃，同時對上級電網(wǎng)的建設(shè)提出建議。

[1] 城市電力規(guī)劃規(guī)范.國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、中華人民共和國建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布GB/50293-1999.

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