低壓直流配電網(wǎng)電壓等級序列的經(jīng)濟性研討

王建淵，賈靈賢 ，蔣琪，蔣勃，郝偉，楊文宇，張旭

（1.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048；2.國網(wǎng)陜西省電力公司培訓中心，陜西 西安 710032；3.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048）

隨著分布式能源、儲能以及直流負荷大批接入電網(wǎng)，直流微網(wǎng)成為近年來的研究熱點。因為電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，直流輸配電系統(tǒng)中的難題逐步得以攻克，直流輸配電的技術(shù)優(yōu)勢也已經(jīng)逐步呈現(xiàn)[1]。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)能夠顯著地提高輸配電的運行水平，公共直流母線的接入使得大量的換流環(huán)節(jié)得以釋放，直流配電網(wǎng)還具有輸配電成本低、損耗小以及不存在調(diào)節(jié)功角穩(wěn)定、濾除電網(wǎng)諧波、解決三相不平衡這些交流電網(wǎng)的固有問題。直流配電網(wǎng)是將來電網(wǎng)的發(fā)展趨向，但仍有一系列問題急需解決。如斷路器和限流器的開發(fā)，指導(dǎo)直流配電網(wǎng)布局、建設(shè)和運行的理論和辦法等。

規(guī)范直流電壓等級序列是推進直流配電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，電壓等級的選擇一定要得到理論科學選擇的支持。這樣才能夠合理地防止電壓等級的混雜，減少電力電子變換器的投入，減少建設(shè)成本，提高直流配電網(wǎng)運行效率和安全性，避免產(chǎn)生損失和不利的影響[2]。

園區(qū)指規(guī)劃建設(shè)配套設(shè)施齊全、布局合理的建筑群，包含住宅小區(qū)、企業(yè)園區(qū)、教育園區(qū)、會展文化中心、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)中心和政府建設(shè)等，2017年國內(nèi)已經(jīng)有120多萬個園區(qū)。近年來，隨著城市的智能化發(fā)展和國家政策的引導(dǎo)，園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出產(chǎn)值集中、覆蓋面不斷擴大、國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）貢獻占比加大的趨勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、邊緣計算等新技術(shù)的急速發(fā)展和深化運用，園區(qū)智能化革新已成為將來發(fā)展的必然方向。園區(qū)信息化建設(shè)是必由之路，規(guī)范化經(jīng)營使園區(qū)發(fā)展迅速。從智能中國的戰(zhàn)略愿景到智能城市的結(jié)構(gòu)設(shè)想，從智能建筑的微觀實踐到智能園區(qū)的產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)，對智能商業(yè)運作的探索已經(jīng)在行業(yè)熱點上如火如荼地展開。

智能園區(qū)的概念也滲入到了科技型、產(chǎn)業(yè)型和工業(yè)型產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)了運營信息化、數(shù)字智能化、服務(wù)平臺化及社區(qū)移動化。其中關(guān)鍵技術(shù)包含智能交通、智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及智能園區(qū)建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術(shù)應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，為智能園區(qū)的建設(shè)和發(fā)展提供了強有力的技術(shù)保證。依照功用和需求，智能園區(qū)可分為高科技園區(qū)、物流園區(qū)、工業(yè)園區(qū)、軟件園、文化園區(qū)、創(chuàng)業(yè)園區(qū)、綜合園區(qū)等。

典型的智能園區(qū)建設(shè)可概括為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、云服務(wù)平臺建設(shè)（園區(qū)數(shù)據(jù)中心云計算）、智能應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)、運營模式設(shè)計等。完善的基礎(chǔ)設(shè)施層是智能園區(qū)建設(shè)的首要條件，也是園區(qū)信息化建設(shè)的硬件根底層。園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要包含智能基礎(chǔ)設(shè)施、園區(qū)信息基礎(chǔ)設(shè)施、園區(qū)安全設(shè)施、園區(qū)消防設(shè)施、數(shù)據(jù)中心設(shè)施和公共基礎(chǔ)設(shè)施、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。園區(qū)必須進行通訊網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)劃和總體設(shè)計，完成園區(qū)管理走廊、光纖網(wǎng)絡(luò)、WiFi熱點等的建設(shè)，以滿足園區(qū)的基本通訊需求。智能園區(qū)的負荷需求豐富且多樣。園區(qū)的智能化與數(shù)字化的升級使得升級后的智能園區(qū)成為了低壓直流配電的典型應(yīng)用場景，具體相關(guān)的負荷特性分析在文中的第2節(jié)涉及。

本文將剖析影響智能園區(qū)電壓等級的要素，研討并提出一種確定智能園區(qū)直流配電網(wǎng)電壓等級序列的方法，并對確定電壓等級序列進行評價和分析，從而驗證選擇的合理性和適用性。

1 影響智能園區(qū)電壓等級的要素

本節(jié)將對影響直流配電電壓等級的要素進行探討，為以后對直流配電電壓等級的確定和評價的分析研討提供依據(jù)[3]。

1.1 內(nèi)部要素

系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性是影響電壓等級的內(nèi)在要素。電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行的基本要求。雖然提高直流配電電壓是為了降低電網(wǎng)的電壓損耗和防止輸電線路末端電壓下降，是提高線路電壓質(zhì)量的有效途徑。但是這同時也會導(dǎo)致對線路絕緣等級的高要求，從而導(dǎo)致設(shè)備成本投入加大、空間資源占用更多的問題[3-4]。此外，較高的直流配電電壓水平意味著線路上的負載也明顯增加，故障發(fā)生的概率也會增加，故障時更多負荷會遭遇停電風險，因而配電電壓等級不宜過高。從以上分析電壓質(zhì)量、電氣絕緣、供電可靠性與電壓等級的關(guān)系能夠看出，這些都是影響電壓等級的內(nèi)在要素。

電網(wǎng)運行經(jīng)濟是判斷直流電壓等級選擇是否合理的標準以及最終的目標。具體來說，電壓等級的選擇不但要保障系統(tǒng)的安全牢靠運行，而且要保證電能質(zhì)量達到標準，提高發(fā)電效率和輸電效率，降低線損。在直流配電中，高電壓能夠提高線路的供電能力。因而我們希望在滿足安全性的要求下，盡量提高直流電壓水平，從而保證線路的供電能力和提高線路的傳輸距離[5]。

因為直流配電系統(tǒng)規(guī)模大、投資大，投資經(jīng)濟性對直流配電網(wǎng)建設(shè)的影響至關(guān)重要。而投資經(jīng)濟性又和直流設(shè)備、線路及電能損耗費用息息相關(guān)。因而，投資經(jīng)濟性是影響電壓水平的重要內(nèi)部要素。

1.2 外部要素

隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，電力需求持續(xù)增加，電力系統(tǒng)需要傳輸更多的容量。為了使電力滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求、減少系統(tǒng)損耗、提高用電效率，選擇合適的電壓等級發(fā)揮著十分重要的作用。所以，社會經(jīng)濟發(fā)展是影響配電電壓水平的外部要素。

電力電子技術(shù)的發(fā)展影響著直流配電的推廣和運用[6]，直流設(shè)備的研發(fā)技術(shù)決定了設(shè)備的額定參數(shù)和建設(shè)直流配電網(wǎng)的技術(shù)可行性。儲能裝置自身以直流方式工作，在低壓配電網(wǎng)中，接入設(shè)備和控制技術(shù)都相對簡單，主要用作應(yīng)急電源、接入用戶側(cè)、增加備用容量、提高電能質(zhì)量及供電可靠性。因而，電力電子技術(shù)、直流設(shè)備研發(fā)技術(shù)和儲能技術(shù)的發(fā)展也是影響電壓水平的外部要素[7]。

到2020年，分布式發(fā)電裝機容量將大幅增加，分布式能源主要連接到配電網(wǎng)。未來20～50年間，配電網(wǎng)將會逐漸接納大批的分布式能源發(fā)電和儲能裝置并網(wǎng)，它將分布式能源與微電網(wǎng)相結(jié)合，發(fā)展成為有源配電網(wǎng)。因為分布式能源（光伏、蓄電池、燃料電池、超級電容等）輸出電能的形式為直流，所以應(yīng)該選用合理的電壓等級，為分布式電源的接入提供更便捷的配電環(huán)境。因而，電源也是影響電壓水平的外部要素之一[4，8]。

綜上，用圖1可視化影響電壓水平的內(nèi)、外部因素。

圖1 電壓等級影響要素示意圖Fig.1 Schematic diagram of voltage level influence factors

在國家電動汽車政策的鼎力支持下，電動汽車的數(shù)量在逐年增加。電動汽車作為直流負荷，將占據(jù)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中直流負荷的很大一部分比例。其次，隨著信息技術(shù)的不停發(fā)展和5G技術(shù)的戰(zhàn)略部署，大批的微處理器、計算機、傳感器、通迅設(shè)備和智能終端將耗費更多的直流電源能量[9]。發(fā)光二極管（LED）作為節(jié)能的直流負荷也具有光明的發(fā)展前景。因而，須要充分考慮負荷的需要，制訂合理的電壓等級，以滿足國家的用電需求。

2 智能園區(qū)低壓直流配電電壓等級研討

2.1 智能園區(qū)低壓直流配電網(wǎng)電壓等級序列推薦值

智能園區(qū)的供電系統(tǒng)的電壓等級須要滿足不同的供電需求。因為我國的交流配電系統(tǒng)電壓是220 V，直流設(shè)備，如加熱設(shè)備和LED能夠繼續(xù)工作在220 V電壓水平，而不需要輔助設(shè)備或者是進行設(shè)備本身的變動。因而，選取DC 220 V能夠繼續(xù)滿足原有設(shè)備的供電需求，節(jié)省了投入成本。若采用相電壓的峰值DC 310 V進行直流配電，那么設(shè)備的改動也很小，而且，它能最大限度地兼容原電纜的絕緣等級，不需要對電纜進行升級，節(jié)省了大批量投資[4，10]。

DC 380 V可用于向空調(diào)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、廚房和其他大型家用電器供電。且DC 380 V直流配電技術(shù)在世界上已有先例，歐洲電信標準協(xié)會建議數(shù)據(jù)中心和電動汽車的直流電壓等級為DC 400 V。國內(nèi)外專家學者建議將DC 380 V列為建筑供電系統(tǒng)直流電壓等級。因而，我們應(yīng)該協(xié)調(diào)國內(nèi)和國際要素，能夠選擇DC 380 V作為一級供電等級[11]。

從個人和設(shè)備安全的角度來看，DC 48 V不需要任何保護，甚至能夠直接接觸DC 48 V的帶電部分，可以用于向小型家電供電。因為DC 48 V不但能夠提高計算機等低壓設(shè)備的供電安全性，還能夠節(jié)省電源適配器。因而，它也是通訊部門使用的電壓等級。使用這個電壓等級能夠直接使用一些支持設(shè)備，不需要進行設(shè)備更迭。

直流配電網(wǎng)依照母線數(shù)量能夠分為單極性和雙極性。單極性直流配電網(wǎng)只含有正、零2條母線，雙極性微網(wǎng)含有正線、負線和零線3條母線。由于直流負載的種類繁多，因此所需要的供電電壓也需要多種等級，采用雙極性直流配電網(wǎng)能夠滿足比單極性更多的負荷對電壓等級的需求，從而能夠減少能量轉(zhuǎn)化時的能量損耗[12]。

綜上所述，得到智能園區(qū)低壓直流配電網(wǎng)電壓等級序列的推薦值為±48/110/220/310/380 V。

2.2 推薦值的理論驗證

電壓等級的配置主要遵照“幾何均值”原則[12]。電網(wǎng)的運行需要效益最大化，既要滿足電力系統(tǒng)安全可靠運行又要保證運行的綜合費用最低。在兩個標準電壓Ui和Ui+1之間有一個經(jīng)濟帶，因而，經(jīng)濟電壓不必然等于標準電壓。經(jīng)濟電壓和標準電壓存在“幾何均值”關(guān)系[2]。在相同的負荷密度、供電半徑和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，相鄰的兩個標準電壓能夠是等效的經(jīng)濟電壓。假如電壓等級序列中的每一個電壓值都是經(jīng)濟電壓，就能滿足配電網(wǎng)運行綜合費用最低。

式中：Uj為經(jīng)濟電壓。

利用“幾何均值”原則對本文給出的推薦值進行理論驗證，驗證圖如圖2所示。圖2中，驗證過程呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。位于底層的數(shù)值部分即為本文給出的推薦值，第2層的數(shù)值是推薦值利用“幾何均值”得到的計算值，對比于第1層的推薦值，可以得到推薦值滿足“幾何均值”原則的結(jié)論。

圖2“幾何均值”驗證圖Fig.2 Geometry mean verification chart

驗證計算如下：

驗證結(jié)果表明，上文所確定的電壓等級序列滿足理論要求。推薦值中的每一個電壓都近似等于經(jīng)濟電壓，能夠有效地降低電網(wǎng)運行的經(jīng)濟費用。

3 智能園區(qū)直流配電電壓等級序列經(jīng)濟性評價

在確定電壓等級序列后，依然需要通過必然的評價方法對直流配電電壓等級進行綜合評價。評價方法須要科學、一致、系統(tǒng)、獨立、實用、適應(yīng)性強，并結(jié)合直流配電網(wǎng)的特點。直流配電網(wǎng)電壓等級的評價指標是可靠性、經(jīng)濟性和適應(yīng)性，其中，可靠性評價指標主要有：換流站可靠性、直流配電線路可靠性；經(jīng)濟性評價指標有：運行經(jīng)濟性和建設(shè)投資經(jīng)濟性；適應(yīng)性的評價指標有：負荷發(fā)展的適應(yīng)性、電源接入的適應(yīng)性、研發(fā)制造技術(shù)的適應(yīng)性以及社會發(fā)展的適應(yīng)性[2]。鑒于篇幅的限制，本文主要通過經(jīng)濟性評價指標來評價所選直流配電網(wǎng)的電壓等級。

已有文獻對配電網(wǎng)中壓等級進行經(jīng)濟性評估[13]，但是鮮有對低壓等級經(jīng)濟性的評估，故本文將借鑒中壓等級經(jīng)濟性評估的方法來對智能園區(qū)低壓直流配電網(wǎng)電壓等級序列進行經(jīng)濟性的評估。

3.1 供電物理模型

直流配電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備主要包含變電站、換流站、電纜、斷路器、變壓器和逆變器。根據(jù)調(diào)研，低壓配電網(wǎng)的常見負荷分類如下：低壓直流負荷（供暖設(shè)備、白熾燈、供熱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、廚房及其他大型家電、樓宇供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和電動汽車）與低壓交流負荷兩類。圖3為低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Low-voltage distribution network structure diagram

3.2 經(jīng)濟模型

建立配電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟模型，以單位負荷年度總成本為目標：

式中：F為單位負荷年總成本；C為施工成本；U為年運行成本；P為總負荷。

其中

綜上，目標函數(shù)可表示為

式中：q為資金回收系數(shù)，依照國家財務(wù)法規(guī)q=1.0～1.4，本文取為1.1；I為方案總投資；i為折現(xiàn)率；n為方案建設(shè)年限；L為電能年損耗費用；I0為年運行維護費用，年運行維護費用依照總投資必然比例提?。籯Y為提取比例，依照國家財務(wù)法規(guī)選取為1.5%；R為圓形供電區(qū)域半徑；σ為負荷密度（單位MW/km2，以下省略）。

3.3 目標函數(shù)求解

求解目標函數(shù)需要確定低壓直流配電方案總投資金額、電能年損耗費用、年運行維護費用、電網(wǎng)線路的供電區(qū)域半徑以及負荷密度。

據(jù)文獻[5]中分析，方案總投資包含：變電站本體投資、換流站本體投資以及直流配電線路建設(shè)投資。投資成本和變電站的容量成正相關(guān)的關(guān)系。直流配電容量值參考《T/CEC107—2016直流配電電壓》標準，具體的傳輸容量和電壓等級的關(guān)系見表1，直流配電傳輸容量計算的基準環(huán)境溫度依照+25°C，最高允許溫度依照+70°C考慮。

表1 ±1 500 V至±110 V直流配電傳輸容量Tab.1 ±1 500 V to±110 V DC power distribution transmission capacity

低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)的總投資金額、每年損耗的電能費用以及每年進行運行維護的費用均以陜西省西安市某智慧產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)園的案例為參考。電網(wǎng)線路的供電區(qū)域半徑和負荷密度按照《20 kV配電網(wǎng)規(guī)劃與改造》在符合經(jīng)濟性的范圍內(nèi)進行選取。選取到合適值之后將確定的數(shù)值帶入到目標函數(shù)中去，之后在Matlab中進行編程求解，單位負荷年總費用計算結(jié)果如圖4所示。從圖4中能夠看出，隨著低壓等級的增加，負荷密度增加，說明線路帶載能力增強；隨著低壓等級的增加，單位負荷運行的年總費用增加；隨著負荷密度的增加，單位負荷運行的年總費用減少。17＜σ＜30時，48 V線路年總費用最小，110 V方案次之，220 V方案最差；30＜σ＜45時，110 V線路年總費用最小，220 V方案次之；60＜σ＜70時，310 V線路年總費用最小，380 V方案次之。

圖4 各電壓等級單位負荷年總費用Fig.4 Total annual cost of each voltage level unit load

根據(jù)圖4目標函數(shù)的求解結(jié)果來看，當25＜σ＜30時，48 V，110 V，220 V 3種電壓等級的單位負荷年運行總費用不同；30＜σ＜45時，110 V，220 V的單位負荷年運行總費用不同；60＜σ＜75時，310 V，380 V的單位負荷年運行總費用不同。因而，25＜σ＜30時，以48 V方案的單位負荷年運行費用為基準，計算其與110 V，220 V方案費用的差值，如圖5所示。

圖5 不同電壓等級單位負荷年運行費用差Fig.5 Annual operating cost difference for unit load of different voltage levels

隨著σ的變化，110 V與48 V方案的年費用差值在σ=27時最大，110 V與48 V方案的年費用差值隨著σ的增加而平穩(wěn)增加；30＜σ＜45時，以110 V方案的單位負荷年運行費用為基準，計算其與220 V方案費用的差值，如圖6所示，220 V與110 V方案的年費用差值隨著σ的增加而平穩(wěn)增加；60＜σ＜70時，以310 V方案的單位負荷年運行費用為基準，計算其與380 V方案費用的差值，如圖7所示：380 V與310 V方案的年費用差值隨著σ增加而平穩(wěn)增加。

圖6 220 V和110 V單位負荷年運行費用差Fig.6 Annual operating cost difference of 220 V and 110 V unit load

圖7 380 V和310 V單位負荷年運行費用差Fig.7 Annual operating cost difference of 380 V and 310 V unit load

4 結(jié)論

本文在智能園區(qū)物理模型的基礎(chǔ)上，于Matlab中建立了其經(jīng)濟數(shù)學模型，以單位負荷年度總成本最低為目標進行求解。由所得到的結(jié)果可知：在10＜σ＜70的范圍內(nèi)，低壓等級的配電網(wǎng)具有較高的經(jīng)濟效益，具有很大的應(yīng)用前景。