考慮災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)的大連第二輸電通道對(duì)大連南部電網(wǎng)的影響研究

李常信，張明理，史 喆

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015)

大連市地處歐亞大陸東岸，位于中國東北遼東半島最南端，處于東北亞經(jīng)濟(jì)區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要區(qū)域，與日本、韓國、朝鮮、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)相鄰，是重要的港口、貿(mào)易、工業(yè)、旅游城市。大連市總面積12 574 km2，截至2016年底，常住人口數(shù)量為698.4萬人。

大連地區(qū)電網(wǎng)位于遼寧省電網(wǎng)的最南端，東臨丹東電網(wǎng)，北接營口電網(wǎng)，是遼寧省電網(wǎng)的重要組成部分。大連地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)通過3通道、6回500 kV線路(瓦渤1號(hào)線、瓦渤2號(hào)線、瓦海1號(hào)線、瓦海2號(hào)線、丹海1號(hào)線、丹海2號(hào)線)和3回220 kV線路(熊松線(目前在57號(hào)塔斷引)、宮利線、巖莊線)與遼寧主網(wǎng)相連。

目前紅沿河核電站1號(hào)、2號(hào)機(jī)組、莊河電廠、華能大連電廠、甘井子熱電廠、開發(fā)區(qū)熱電廠、泰山熱電廠是大連地區(qū)電網(wǎng)的主要電源點(diǎn)，地區(qū)電網(wǎng)形成了以南關(guān)嶺500 kV變電站、金家500 kV變電站、瓦房店500 kV變電站、雁水500kV變電站及黃海500 kV開閉所為支撐點(diǎn)的供電主干網(wǎng)架。

大連南部地區(qū)與東北大陸連接處大連灣和金州灣之間地域十分狹窄，最窄處只有4 km左右，線路走廊集中、輸送容量較大，在此狹長地帶集中了3回500 kV線路和4回220 kV線路，承擔(dān)著大連市區(qū)和旅順地區(qū)的供電任務(wù)。由于地域狹窄，受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的影響，十分容易發(fā)生大面積電網(wǎng)停電事故。2007年3月4日起，遼寧地區(qū)普降大到暴雪并伴有9級(jí)左右的大風(fēng)，遼寧電網(wǎng)多條輸電線路故障跳閘[1]。其中大連電網(wǎng)受事故影響較大，與主網(wǎng)聯(lián)系的2條500 kV線路(王石-南關(guān)嶺雙線)和3條220 kV線路相繼跳閘，地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。事故期間大連地區(qū)共有14座220 kV變電站全停(全地區(qū)共21座)，損失電力約1 000 MW，持續(xù)時(shí)間達(dá)17 h，其中大連南部電網(wǎng)與主網(wǎng)解列3 h15 min。電網(wǎng)大面積供電事故[2-5]對(duì)當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響和重大的經(jīng)濟(jì)損失。

開辟大連南部地區(qū)與東北大陸第二輸電通道對(duì)保證大連南部電網(wǎng)的供電可靠性具有非常重要的作用，但是開辟的第二輸電通道與原有輸電通道在地理位置上并不是非常遙遠(yuǎn)，同時(shí)出現(xiàn)自然災(zāi)害的概率非常大，即第二輸電通道在出現(xiàn)自然災(zāi)害仍能發(fā)揮較大作用的前提是第二輸電通道要比現(xiàn)有輸電通道具有更大、更強(qiáng)的抗災(zāi)能力，否則第二通道的輸電能力在出現(xiàn)較大自然災(zāi)害的情況下根本發(fā)生不了作用，所以在研究第二輸電通道時(shí)必須考慮抗災(zāi)能力的配合問題。

1 大連電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃及飽和期負(fù)荷預(yù)測

1.1 遼寧電網(wǎng)2020年底500 kV及以上電網(wǎng)規(guī)劃

為了滿足大連地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)發(fā)展需要，2017—2020年，大連地區(qū)新建輸變電項(xiàng)目2項(xiàng)，包括鐵營、文體2個(gè)新建輸變電工程；擴(kuò)建工程7項(xiàng)，分別為華昌、閆店、中華路、花園口、淮河、復(fù)州城和凌水220 kV變電站擴(kuò)建工程，2017—2020年，大連地區(qū)220 kV新增變電容量246萬kVA，到2020年底，220 kV變電容量將達(dá)到1 298.7萬kVA，220 kV容載比1.95，容載比滿足導(dǎo)則要求，能夠滿足地方負(fù)荷發(fā)展要求。

1.2 大連地區(qū)飽和期負(fù)荷預(yù)測

大連作為中國北方的一個(gè)重要工業(yè)城市，2014年國務(wù)院批復(fù)大連金普新區(qū)成立，2017年大連自貿(mào)區(qū)正式掛牌成立，電力需求一直保持著快速發(fā)展的勢頭。參考全球各地區(qū)大城市的用電負(fù)荷，預(yù)計(jì)大連市將在2040年進(jìn)入負(fù)荷增長飽和期，到2040年底，大連地區(qū)負(fù)荷將達(dá)到1 147萬kW。大連地區(qū)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果如表1所示。

表1 大連負(fù)荷預(yù)測

2 大連電網(wǎng)第二輸電通道方案

為了改善交通狀況，縮短主城區(qū)與新市區(qū)的距離，集聚優(yōu)勢資源，共享城市要素，大連市政府于2009年啟動(dòng)了大連灣跨海交通工程建設(shè)，大連灣跨海交通工程起點(diǎn)在大連灣南岸解放路，與規(guī)劃解放路立交橋銜接，在東港商務(wù)區(qū)海之韻公園進(jìn)入海底隧道后，通過人工轉(zhuǎn)換島建設(shè)跨海大橋穿越大連灣，在金普新區(qū)西海屯登陸，終點(diǎn)位于中港路。

項(xiàng)目全長約25.05 km，采用南隧北橋(A2線位)的總體建設(shè)方案，其中包括海中特大橋1座長9.83 km；人工島1處長1.14 km；海底隧道1座長5.14 km。兩岸接線工程中包括隧道3座長5.53 km；接線大橋4座長2.135 km。設(shè)置中南路、東港、人工島、北接線(復(fù)合式)互通式立交4處；同步建設(shè)相應(yīng)的交通工程和沿線設(shè)施。工程總投資約297億元。

大連電網(wǎng)第二輸電通道[6-10]就是利用建設(shè)中跨海大橋采取橋隧敷設(shè)方式建設(shè)大連南部電網(wǎng)和北部電網(wǎng)的第二輸電通道，綜合多種因素，采用交流電纜的方式較為可行，目前，技術(shù)成熟的220 kV電纜最大截面為1 600 mm2，輸電容量約為420 MW(功率因數(shù)0.95)，考慮電纜基本不具備過載能力的特點(diǎn)以及充電功率對(duì)載流量的影響，采用220 kV電纜輸電最少應(yīng)出線2回。此外，建設(shè)220 kV聯(lián)絡(luò)線將造成500 kV金家變與雁水變220 kV間重新形成電磁環(huán)網(wǎng)，這與大連電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的要求相悖。而采用500 kV電纜，雖然其輸電能力較高，單回線路即可滿足要求；但線路充電功率較大，需配置大量無功補(bǔ)償裝置，工程投資過大，且正常運(yùn)行方式線路潮流較輕，設(shè)備利用率較低，輸電電壓等級(jí)按220 kV考慮。

3 第二輸電通道對(duì)大連南部電網(wǎng)的影響研究

本文計(jì)算采用中國電力科學(xué)研究院電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件BPA，以2020年為計(jì)算水平年，開機(jī)方式：正常方式火電機(jī)組按25%備用考慮；負(fù)荷水平：選擇地區(qū)負(fù)荷較重的冬大方式進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)分區(qū)供電的影響

為降低南關(guān)嶺變和金家變220 kV短路電流水平，現(xiàn)狀電網(wǎng)采取吳屯變220 kV母線分裂運(yùn)行的措施，大連南北部電網(wǎng)220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，大連電網(wǎng)南北部第二輸電通道投產(chǎn)后，由于實(shí)施的交流電纜聯(lián)網(wǎng)，大連南北部電網(wǎng)重新存在220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，地區(qū)短路電流水平存在超標(biāo)現(xiàn)象，需采取措施降低短路電流水平。2020年底第二輸電通道投產(chǎn)后大連地區(qū)短路電流水平見表2。在大連南北部220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后部分500 kV變電站220 kV側(cè)短路電流因第二通道投產(chǎn)重新超標(biāo)。

表2 第二輸電通道投產(chǎn)后短路電流

對(duì)于單相短路電流超標(biāo)問題，可采取在變壓器加裝中性點(diǎn)小電抗的方式。安裝10 Ω小電抗后，金家變220 kV母線單相短路電流下降至41.6 kA，南關(guān)嶺變220 kV母線單相短路電流下降至48.8 kA。南關(guān)嶺變220 kV母線單相短路電流水平仍較高，需在實(shí)際運(yùn)行中合理控制運(yùn)行方式。

對(duì)于三相短路電流，可通過改變電網(wǎng)接線形式達(dá)到抑制短路電流的目的。普蘭店熱電廠未投運(yùn)時(shí)，金家變220 kV母線三相短路電流水平尚可接受(短路電流約45.2 kA)。普蘭店熱電廠投運(yùn)后，金家變220 kV母線三相短路電流水平提高到48.0 kA，金家變220 kV母線三相短路電流水平將下降至45.8 kA。

3.2 大連南部電網(wǎng)安全電源容量分析

所謂安全電源容量，本文指某地區(qū)單一受電通道或多個(gè)受電通道或全部受電通道發(fā)生故障時(shí)仍能安全運(yùn)行而不損失負(fù)荷的電源容量；安全電源容量主要應(yīng)用于易孤網(wǎng)運(yùn)行的地區(qū)。

由于大連南部地區(qū)特殊的地理環(huán)境，向大連南部地區(qū)建設(shè)更多的輸電通道將非常困難，除對(duì)現(xiàn)有薄弱斷面實(shí)施差異化改造以提高抗災(zāi)能力之外，應(yīng)將大連南部地區(qū)電源規(guī)劃納入抗災(zāi)型電源規(guī)劃，合理弱化大連南北部輸電斷面在保大連南部負(fù)荷方面的功能，根據(jù)遠(yuǎn)景年飽和期負(fù)荷預(yù)測科學(xué)合理確定外受電比例，促使電網(wǎng)差異化改造和電源規(guī)劃結(jié)合起來共同抗災(zāi)。

大連南部電網(wǎng)從大連北部有4條受電通道，受電通道一(交流島變-南關(guān)嶺變500 kV同塔雙回線)、受電通道二(金家至雁水500 kV線路)、受電通道三(金家至南關(guān)嶺500 kV線路)、受電通道四(海上隨橋敷設(shè)的雙回220 kV線路)，受電通道一、二、三全通過陸路4 km最窄處，本文從受電通道故障規(guī)模逐步增大來計(jì)算安全電源容量，負(fù)荷備用按3%處理。表3為各種事故情況下南部地區(qū)的安全電源容量。

表3 大連南部地區(qū)2040年安全電源容量 MW

由表3可以看出，到2040年，大連南部電源規(guī)劃容量和需要的安全電源容量已基本上匹配，出現(xiàn)電網(wǎng)大面積停電事故的概率已大為降低，電源規(guī)劃能有效保障南部負(fù)荷可靠供電。

4 第二輸電通道災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)重要準(zhǔn)則驗(yàn)證

對(duì)普通的輸電方案一般進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，方案選擇較多，而為抗災(zāi)而產(chǎn)生的輸電方案受限于多種條件限制，方案單一，在抗災(zāi)工程投產(chǎn)后仍不能完全解決問題的情況下很難進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選；由于輸電通道的稀缺性和某種現(xiàn)實(shí)程度的唯一性，對(duì)輸電方案進(jìn)行災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)比選相當(dāng)困難，因此對(duì)第二輸電通道輸電方案的災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)重要準(zhǔn)則驗(yàn)證就成為評(píng)價(jià)總結(jié)抗災(zāi)型輸電通道輸電方案的現(xiàn)實(shí)選擇，為后續(xù)抗災(zāi)輸電工程的規(guī)劃建設(shè)提供建議和參考。由自然災(zāi)害造成的大面積停電事故不同于一般的事故，關(guān)聯(lián)較為復(fù)雜。由于特殊的地理環(huán)境，建設(shè)抗災(zāi)型輸電通道進(jìn)行災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)的最小代價(jià)準(zhǔn)則驗(yàn)證是非常困難的。

4.1 補(bǔ)償準(zhǔn)則驗(yàn)證

災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)的補(bǔ)償準(zhǔn)則要求為減災(zāi)而建設(shè)的項(xiàng)目所產(chǎn)生的效益能充分補(bǔ)償工程的全部投資，即滿足:

Lmax-f(I)≥I

(1)

式中：Lmax表示某種自然災(zāi)害情況下無相關(guān)減災(zāi)措施而產(chǎn)生的災(zāi)害損失最大值；f(I)表示災(zāi)害損失與抗災(zāi)投資I的函數(shù)；I表示投資。大連第二輸電通道建成后正常方式潮流偏小，投資回收期偏長，需和相關(guān)部門溝通合理安排機(jī)組開機(jī)方式、梳理220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增加第二通道線路潮流，縮短投資回收期。

4.2 投資效益比準(zhǔn)則驗(yàn)證

在災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)中，應(yīng)用最為廣泛的是效益投資比準(zhǔn)則，它要求抗災(zāi)工程產(chǎn)生的效益與抗災(zāi)工程投資之比達(dá)到最大值：

F=[Lmax-f(I)]/I

(2)

若要達(dá)到最大值，這就要求f(I)達(dá)到最小值，在建設(shè)一項(xiàng)抗災(zāi)工程就能根本解決問題的情況下，F(xiàn)容易達(dá)到最大值，即投資效益比最大值為Lmax/I。大連南北部電網(wǎng)之間比較狹窄，利用橋梁敷設(shè)大連南北部之間的第二通道因?yàn)楝F(xiàn)有電纜技術(shù)、橋梁可用空間、送受端環(huán)境等限制并不能從根本上解決大連南部電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，只是有限度降低孤網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，通過BPA軟件計(jì)算也已驗(yàn)證這種結(jié)果，需進(jìn)一步深入實(shí)施電網(wǎng)差異化改造論證，在重點(diǎn)地區(qū)、重要斷面，逐步提升線路通道的抗災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)[11]，與易孤網(wǎng)運(yùn)行地區(qū)的電源優(yōu)化合力解決孤網(wǎng)運(yùn)行問題，降低孤網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[12]。

5 結(jié)論與建議

a. 易孤網(wǎng)運(yùn)行地區(qū)應(yīng)根據(jù)飽和期負(fù)荷預(yù)測、電力電量平衡、外送電比例等情況合理確定該地區(qū)最優(yōu)電源容量，當(dāng)該地區(qū)無法滿足最優(yōu)電源容量布局時(shí)，實(shí)施啟動(dòng)抗災(zāi)型輸電通道方案論證，合理確定抗災(zāi)型輸電通道的輸送容量，科學(xué)布局，因地施策，以積極措施降低孤網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)生。

b. 主動(dòng)型的抗災(zāi)型輸電工程對(duì)提高易孤網(wǎng)運(yùn)行地區(qū)的供電可靠性具有非常重要的意義，建設(shè)抗災(zāi)型輸電線路也是電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的具體體現(xiàn)，但建設(shè)抗災(zāi)型輸電線路具有投資規(guī)模大、走廊資源稀缺、投資回收期[13]長等特點(diǎn)，建議政府相關(guān)部門在線路走廊資源、輸配電價(jià)等方面給予大力支持[14]，實(shí)現(xiàn)投資順利回收，共同為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供安全的電力保障。

c. 建立導(dǎo)致電網(wǎng)重大事故的氣象特征集，啟動(dòng)大連南部電網(wǎng)機(jī)組出力應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，當(dāng)天氣情況出現(xiàn)氣象特征集里超過50%以上的特征，即啟動(dòng)大連南部電網(wǎng)機(jī)組出力應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，提高大連南部地區(qū)機(jī)組出力，大幅壓低大連南北部500 kV斷面潮流，降低可能出現(xiàn)的由于孤網(wǎng)運(yùn)行而造成的負(fù)荷損失。

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