220 kV 變電站低壓側電壓等級選擇研究

丁 誠

(連云港供電公司，江蘇連云港 222004)

隨著城市負荷密度的不斷增大，110 kV 變電站布點間距縮小，10 kV 電網可直接覆蓋，35 kV 公用電網的作用將逐漸削弱，未來35 kV 公用電網的規模也將不斷減小。基于這種情況，新建及改造的220 kV 變電站變比較多選用220/110/10 kV，以充分利用220 kV 變電站的10 kV 間隔出線，優化中壓電源點布局。但是對于中小型工業用戶，仍然適合采用35 kV 電壓等級的專線供電[1-4]。

1 電網發展成本費用模型

1.1 模型假設

設定在一個理想的圓形供電區域，負荷均勻分布，由1 座220 kV 變電站供電，位于圓形供電區域的圓心。220 kV 變電站容量為2×180 MV·A，考慮1.8的容載比，負荷為200 MW。圓形供電區域的面積根據負荷密度變化而變化。在確定負荷密度后，在35 kV 負荷所占比例變化的條件下，分別計算2 種方案的綜合費用。總費用有初始投資費用、網損費用和運行維護費用3 部分組成。采用“現值轉年值法”，按照“最小年費用法”對2 種方案的綜合費用進行比較，目標函數[5，6]：

式（1）中：Fn為平均分布在n年內整個系統的年費用；Z為網絡的初始投資；ns為網絡的經濟使用年限，取20年；r0為電力工業的投資回報率，現階段取10%；Eloss為網損費用；Ers為運行維護費用。

1.2 計算條件

（1）220 kV 電 網。220 kV 變 電 站 變 比為220/110/35 kV時，35 kV 間隔為12個；220 kV 變 電站變比為220/110/10 kV時，10 kV 間隔為24個。

（2）110 kV 電網。110 kV 容載比為2.0。110 kV變電站容量為2×50 MV·A，變比為110/10 kV，10 kV 間隔為24個。每座110 kV 變電站進線為2 條，需要占用220 kV 變電站的2個110 kV 間隔。

（3）35 kV 電網。35 kV 負荷均為專用負荷，僅作為負荷點。每條35 kV 線路限額電流為400 A，極限輸送容量為23 MW，取負載率為70%，輸送容量為16 MW。每條線路即為一個負荷點。

（4）10 kV 電網。每條10 kV 線路限額電流為400 A，極限輸送容量為6.6 MW，專線負載率取70%，輸送容量為4.6 MW；公線負載率取50%，輸送容量為3.3 MW。

（5）35 kV 負荷比例。在220 kV 變電站變比為220/110/35 kV時，35 kV 負荷由220 kV 變電站供電；在220 kV 變電站變比為220/110/10 kV時，則假定的35 kV 負荷由10 kV 專線供電，隨機由220 kV 和110 kV變電站供電。35 kV 負荷的比例為20%，30%，40%，50%，60%，70%。

（6）供電半徑計算。考慮負荷均勻分布，220 kV 變電站到每座110 kV 變電站為等距離，每座110 kV 變電站的供電區域的面積也相等，并近似為圓形。

在220 kV 變電站變比為220/110/35 kV時，110 kV變電站劃分供電區域不考慮220 kV 變電站，即110 kV變電站供電面積=供電總面積/110 kV 變電站座數，每條110 kV 線路的長度可以近似等于110 kV 變電站供電區域的半徑。每條10 kV 線路的長度等于110 kV 變電站供電區域的半徑。

在220 kV 變電站變比為220/110/10 kV時，110 kV變電站劃分供電區域需要考慮220 kV 變電站，即110 kV 變電站供電面積=供電總面積/（110 kV 變電站座數+1），所以每條110 kV 線路的長度可以近似等于110 kV 變電站供電區域的半徑的2 倍。每條10 kV 線路的長度等于110 kV 變電站供電區域的半徑。同理，每條35 kV 線路的長度為35 kV 負荷點面積的半徑。

（7）投資單價。220 kV 變電站的單價為12 000萬/ 座，110 kV 間隔的機會成本為1000 萬元/個；110 kV 變電站的單價為5000 萬元/ 座；110 kV 電纜線路的單價為300 萬元/km；35 kV 電纜線路的單價為200萬/km；10 kV 電纜線路單價為100 萬元/km。

2 算例分析

以負荷密度10 MW/km2為例。首先確定供電區域總面積為20 km2，半徑為2.5 km，分別考慮35 kV 負荷的比例為20%，30%，40%，50%，60%，70%。

2.1 方案A

220 kV 變電站變比為220/110/35 kV。

2.1.1 初始投資

（1）根據35 kV 用戶負荷計算110 kV 變電站降壓負荷，110 kV 變電站降壓負荷=供電區域總負荷-35 kV 負荷，然后根據容載比（110 kV 容載比取2.0）計算出所需的110 kV 變電容量及主變臺數，最后確定所需的110 kV 變電站座數。1 座110 kV 變電站需2 條110 kV 進線，需占用2個110 kV 間隔。根據110 kV 變電站座數及供電半徑計算所需110 kV 線路的工程量。

（2）根據35 kV 用戶負荷確定35 kV 線路條數，供電半徑計算所需35 kV 線路的工程量。

（3）根據10 kV 總負荷，確定需要的10 kV 公用線路總條數。然后根據110 kV 變電站的數量確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 主干線總長度。方案A 初始投資費用的計算過程及結果如表1 所示。

由表1 可見，隨著35 kV 負荷的增加，初始投資費用會減少，主要原因是由于10 kV 負荷比例的降低，110 kV 電網的投資減少。

2.1.2 運行維護費用

為簡單計算，年運行維護費用取初始投資的8%。方案A 運行維護費用的計算結果如表2 所示。

2.1.3 網損費用

線路損耗電量計算公式：

式（2）中：I為線路的最大電流；r為線路的導線電阻率；L為線路的主干線長度；τmax為最大負荷損耗小時數。

方案A的網損費用的計算結果如表3 所示。

2.1.4 總費用

方案A 總費用的計算結果如表4 所示。由表4 可見，初始投資的費用所占比例最大，超過了60%。

2.2 方案B

220 kV 變電站變比為220/110/10 kV。

2.2.1 初始投資

（1）將220 kV變電站視為1座容量為2×50 MV·A的110 kV 變電站，供電負荷為50 MW，110 kV變電站降壓負荷=供電區域總負荷-50 MW，然后根據容載比（110 kV 容載比取2.0）計算出所需的110 kV變電容量及主變臺數，最后確定所需的110 kV 變電站座數。1 座110 kV 變電站需要2 條110 kV 進線，需要占用2個110 kV 間隔。根據110 kV 變電站座數及供電半徑計算所需110 kV 線路的工程量。

表1 方案A 初始投資

表2 方案A 運行維護費用

（2）10 kV 專線負荷，即為方案A的35 kV 負荷，由10 kV 電壓等級的專用線路供電，根據110 kV 變電站的數量確定，確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 專線總長度。

表3 方案A 網損費用

表4 方案A 總費用

（3）確定10 kV 公用負荷，10 kV 公用負荷=供電區域總負荷-10 kV 專線負荷，根據10 kV 公用負荷，確定需要的10 kV 公用線路總條數。然后根據110 kV變電站的數量確定，確定110 kV 變電站的供電半徑，計算出10 kV 主干線總長度。

方案B的初始投資費用的計算過程及結果如表5所示。

由表5 可見，方案B的初始投資變化較小，主要原因是由于110 kV 變電站座數一直維持不變。

2.2.2 運行維護費用為簡單計算，年運行維護費用取初始投資的8%。方案B 運行維護費用的計算結果如表6 所示。

2.2.3 網損費用計算公式同本文2.1.3 節的式（2）。方案B 網損費用的計算結果如表7 所示。

2.2.4 總費用

方案B 總費用的計算結果如表8 所示。

由表8 可見，初始投資費用所占的比例最大，超過了60%。

2.3 經濟性比較

重復以上步驟分別計算不同負荷密度下的綜合費用并比較結果，不同負荷密度下2個方案總費用的對比結果如表9 所示。

表5 方案B 初始投資

表6 方案B 運行維護費用

（1）無論負荷密度如何變化，35 kV 用戶負荷所占比例在40%～50%出現拐點，當35 kV 用戶負荷小于拐點時，方案A 投資大于方案B 投資，此時選擇方案B 更經濟；當35 kV 用戶負荷大于拐點時，方案B投資大于方案A 投資，此時選擇方案A 更經濟。

表7 方案B 網損費用

表8 方案B 總費用

表9 不同負荷密度下兩種方案的總費用

（2）方案A 費用隨著35 kV 用戶負荷所占比例的增大而降低的較為明顯；而方案B 費用變化則很小。

（3）考慮到35 kV 負荷具有一定的偶然性，采用方案A 存在一定的風險。在不能確定35 kV 負荷的情況下，采用方案B 則可以有效地規避風險。

3 結束語

通過建立電網發展最小費用模型，針對不同負荷密度，在35 kV 負荷所占比例變化的條件下，分別計算2 種方案的綜合費用。得出了以下結論：在確定35 kV負荷所占比例可以達到40%以上時，建議220 kV 變電站低壓側采用35 kV 電壓等級；否則，建議采用10 kV 電壓等級。

[1]張 斌，楊高才.湖南電網220 kV 變電站采用35 kV 電壓等級出線分析[J].湖南電力，2011，32(2)：6-8.

[2]何春庚，鐘 清.廣東35 kV 電壓等級電網的發展現狀與趨勢[J].廣東電力，2005，18(5)：21-25.

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[4]陳永明，楊茹，湯大海，等.無后備靈敏度的220 kV 變壓器后備保護整定[J].江蘇電機工程，2013，32(3)：57-59.

[5]WILLIS H L.配電系統規劃參考手冊[M].2 版.范明天，劉 健，張毅威，等譯.北京：中國電力出版社，2013：144-162.

[6]徐 悅，王天華，李寧可，等.基于綜合費用最小的10 kV 開閉所容量選擇實用算法[J].電網技術，2011，35（S2）：867-869.