我國電網電壓序列及其評價指標

崔凱，宋毅，李敬如，趙娟

(國網北京經濟技術研究院，北京市，100052)

0 引言

電壓序列是電網發(fā)展過程中逐漸形成的電壓等級分層系列。電壓序列的確定與選用直接關系到電網的發(fā)展和國家建設，不僅會影響電網結構和布局，而且會影響電氣設備和電力設施的設計與制造以及電力系統(tǒng)的運行和管理，同時在相當程度上決定著電力系統(tǒng)的運行費用及經濟效益［1］。合理的電壓序列，不僅有利于電力系統(tǒng)的發(fā)展、技術改造，而且對國家的現代化建設和民族工業(yè)的振興均具有相當重要的意義［2］。電壓序列評價指標是指導電壓序列選擇和改造的重要依據，是評價電網建設和改造方案優(yōu)劣的重要內容。開展電壓序列評價指標的研究工作，一方面有助于發(fā)現和解決制約電網發(fā)展的問題和瓶頸，梳理和形成電網健康發(fā)展的正確思路;另一方面有助于提高電網規(guī)劃設計水平，增強電網規(guī)劃方案的前瞻性、科學性和合理性。

1 電壓序列選擇的基本要求

1.1 電壓等級標準

電壓等級標準是電氣技術中最基本的標準之一，與電力系統(tǒng)和電氣設備的設計、制造和使用密切相關［3］。根據國家標準 GB 156-2007《標準電壓》［4］的規(guī)定，標稱電壓1 kV以上的交流三相系統(tǒng)及相關設備的標準電壓共有12種，分別為1 000、750、500、330、220、110、66、35、20、10、6、3 kV。

國家電壓標準為規(guī)范和統(tǒng)一電力行業(yè)、電力設備制造企業(yè)以及用電工業(yè)和電力用戶之間的電壓等級發(fā)揮了重要作用，合理的電壓序列應在此范圍內選擇組合。

1.2 電壓等級級差

國家電壓標準規(guī)定了電網可以采用的標稱電壓，但由于不同地區(qū)經濟社會發(fā)展的差異性，同時考慮到不同電壓等級的特點和適應范圍，實際應用中沒有必要完全依次采用，可以根據不同地區(qū)電網的特點越級使用，從而產生了電壓等級級差。電壓等級級差是指電網相鄰電壓間的比值，對電網實際運行有著非常重要的影響［2］。電壓等級級差選擇過大，將造成變電設備制造困難和低壓送出困難，導致出線回路數多且低壓送電距離過長，損耗增大，還可能造成供電范圍不能聯合;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，同時也會造成供電范圍重疊，不能充分發(fā)揮電壓等級應有的功能。

國際電工委員會在《IEC標準電壓》中對電壓等級級差的選擇提出如下2點建議［1］。(1)任一國家內，相鄰2級電壓之比不應小于2;(2)任一地區(qū)內，對下列括號內的各種電壓等級只能選擇其中1種:(245、300、363 kV)、(363、420 kV)和(420、525 kV)。

國際大電網會議(international council on large electric systems，CIGRE)與國際供電會議(international conference and exhibition on electricity distribution，CIRED)所組成的聯合工作組，經研究后推薦，電網相鄰2級電壓之比宜滿足以下條件［1］:超高壓(220～500 kV)以下的大于3、高壓(50～150 kV)以下的大于5。

1.3 其他影響要求

國內外電網發(fā)展歷程表明，電壓序列的選擇涉及的影響因素眾多［5］，不僅受資源分布、地域環(huán)境以及國家方針和能源政策等諸多因素的制約，而且還受原有基礎的制約(如輸電距離、技術水平、財力物力、材料材質、試驗條件、各類電氣設備的設計技術與制造工藝等)及其他國家的影響。因此，電壓序列的優(yōu)化選擇，需要科學決策，統(tǒng)籌規(guī)劃，因地制宜，穩(wěn)步推進，避免不必要的重復投資。

2 電壓序列配置方案

2.1 方案組合

根據我國電網電壓等級的分布，結合國內外電網實際應用情況，我國電網電壓序列各種可能的配置組合如圖1所示。

圖1 我國電網電壓序列配置方案Fig.1 Voltage sequence configuration scheme in China's power grid

圖1中電壓序列配置方案可大致分成2類，分別是以500 kV為電源點的電壓序列和以750 kV為電源點的電壓序列。根據電壓等級配置的基礎理論［6］，/220/10/0.4 kV電壓序列由于不能使220 kV輸電容量得到充分釋放應限制使用;/35/20/0.4 kV電壓序列由于35 kV和20 kV電壓等級級差較小，不滿足技術合理性的要求，也不推薦使用。

2.2 我國電壓序列發(fā)展概況

2.2.1 區(qū)域分布

我國電網經過大規(guī)模的建設和改造，電壓序列得到逐步規(guī)范和簡化，現有電壓序列大多數為5～6級，詳細分布如表1所示。

表1 我國電網主要電壓序列分布情況Tab.1 Distribution of main voltage sequences in China's power grid

2.2.2 優(yōu)化重點

從表1中不難發(fā)現，我國局部地區(qū)電網電壓序列變電層次相對較多，導致運行損耗較大。在電網建設和改造過程中，應結合經濟社會發(fā)展需要適時而有計劃地開展電壓序列的改造工作，簡化電壓等級，提高電網的經濟效益。

根據輸電距離和輸電容量的需要，我國220 kV及以上電網電壓等級的功能定位已較為明確，而低壓采用0.4 kV也已成為普遍的事實，用戶設備數量極其龐大，調整也不太現實［7］。因此，電壓序列的優(yōu)化重點應在電網高、中壓配電電壓的選取以及電網變電層級的配置上。綜合考慮我國電網發(fā)展現狀和技術經濟合理性要求，電壓序列優(yōu)化配置的目標方案一般有如下5種:(1)500/220/110/10(20)/0.4 kV;(2)500/220/66/10(20)/0.4 kV;(3)500/220/35/10/0.4 kV;(4)500/220/20/0.4 kV;(5)750/330/110/10(20)/0.4 kV。

3 電壓序列評價指標的構建

根據我國電網電壓序列發(fā)展客觀情況，結合電力系統(tǒng)規(guī)劃設計的有關規(guī)定和電力系統(tǒng)分析的技術原理，本文提出的電壓序列評價指標主要由基礎指標、技術指標、經濟指標、社會指標構成。

3.1 基礎指標

基礎指標是電壓序列計算的原始指標，可由其進一步計算或派生出其他指標。基礎指標分為基本信息和基礎參數，如圖2所示。

圖2 基礎指標的構成Fig.2 Structure of basic indexes

(1)基本信息。與基本信息相關的指標旨在定量描述規(guī)劃區(qū)的基本情況，主要包括供電面積、供電人口、負荷密度(最大負荷)、用電量等指標。

(2)基礎參數。與基礎參數相關的指標一般事先給定，指標的數值或來自于電力系統(tǒng)的相關規(guī)定，或來自于規(guī)劃、運行人員的經驗積累。

3.2 技術指標

技術指標是電壓序列配置方案技術合理性的重要反映，主要用來描述輸配電網的協調匹配關系和高、中壓配電網的總體規(guī)模，并論證說明電壓序列配置方案對技術約束的滿足程度。技術指標分為描述性指標和評價性指標，如圖3所示。

(1)描述性指標。描述性指標在反映輸配電網協調匹配特性的同時，著重說明不同配置方案在工程規(guī)模(工程量)上的差異。指標數量的大小原則上并不能反映不同方案的優(yōu)劣，但可間接反映配置方案技術性能的特點。描述性指標由輸配電網協調類指標、高壓配電網規(guī)模類指標和中壓配電網規(guī)模類指標構成。

圖3 技術指標的構成Fig.3 Structure of technical indexes

(2)評價性指標。評價性指標是電壓序列配置方案選擇重點考察的指標。按照技術上要求滿足的程度不同，評價性指標分為約束性指標和預期性指標。約束性指標是指根據技術規(guī)程的規(guī)定必須滿足的指標，主要由短路容量和電壓降2個指標構成。預期性指標反映了不同電壓序列配置方案在技術上的差別，是供電部門力爭改善的指標，主要由結構類指標(高壓配電設備N-1通過率、中壓線路聯絡率)以及線損率、供電可靠率等綜合性指標構成。

3.3 經濟指標

經濟指標包括建設費用、運行維護費用和線損費用，其和可用工程總費用表示。由于電壓序列優(yōu)化選擇既可能出現在電網的新建區(qū)，也有可能出現在電網的建成區(qū)，對于后者，工程總費用中還需要反映電網過渡改造成本。

為了進一步體現資金的時間價值，在經濟評價指標中引入年費用的概念［8］，將各方案的投資和運行成本費用按照等支出的方法折算為年費用進行比較。

式中:Za為年費用;Zt為投資年值;Zm為年運行維護費用;Zc為年線損費用。

式中:Im為總建設費用;i為折現率;n為運營期。

式中:I0為固定資產原值;R為運行維護費率。

式中:ΔP為線損功率;h為年最大損耗小時數;f為購電價。

3.4 社會指標

電壓序列評價的社會指標主要為線路走廊、變電站、配變等設備的占地面積。其中，線路走廊占地面積可近似表示為線路走廊寬度與線路條數的乘積。

3.5 電壓序列評價指標體系

電壓序列評價指標由基礎指標、技術指標、經濟指標和社會指標構成，指標數量較多，為方便對電壓序列配置方案的合理性做出正確評價，需要進一步研究篩選出關鍵性指標。鑒于基礎指標和描述性技術指標并不直接參與電壓配置方案的評價，因此電壓序列評價指標體系原則上可由評價性技術指標以及經濟指標、社會指標組成，如圖3所示。考慮到設備N-1通過率、中壓線路聯絡率與配電網的供電可靠性密切相關，為減少指標評價內容的相互交叉和重疊，評價性指標僅選擇綜合線損率、供電可靠率等綜合性指標作為關鍵性指標。

圖4 電壓序列評價指標體系Fig.4 Evaluation index system of voltage sequence

3.6 電壓序列優(yōu)化選擇的綜合評價

電壓序列優(yōu)化選擇涉及面廣。單一的評價指標由于側重點不一，對評價對象難以做出全面、合理的評價。利用多個評價指標對評價對象進行綜合評價，可以在電壓序列不同的配置方案中尋求整體最優(yōu)。考慮到電壓序列評價指標體系中各指標都是對客觀數據的分析，并且評價體系采用的是分級構建的組織模型結構，因此可選用層次分析法進行評價［9-10］。首先對各個評價指標進行無量綱化處理并確定相應的權重系數，然后采用綜合評價模型逐層向上計算，直到計算得到評價對象的綜合評估值，以此作為對不同電壓序列配置方案進行排序和評價的依據。

4 結語

電壓序列的選擇關系到電網發(fā)展的整體布局和長遠戰(zhàn)略，意義重大，影響深遠。本文基于電網發(fā)展客觀規(guī)律的認識，提出了覆蓋技術經濟內容的電壓序列評價指標，建立了可用于指導實際工作的評價指標體系。由于不同的評價指標側重點不一，為便于對被評價對象進行全面、綜合考察，可通過層次分析法等綜合評價方法進一步建立反映各種指標內涵的綜合評價指標來定量說明不同配置方案的優(yōu)劣，從而為決策者提供更為全面、客觀的決策信息。

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