中壓配電電壓等級優化及改造*

劉曉菲，商立群

(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

中壓配電電壓等級優化及改造*

劉曉菲，商立群

(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

∶隨著中國科學技術和社會經濟的快速發展，國家電網建設規模也在不斷的擴大，10 kV中壓配電網已經越來越難以滿足負荷發展的需要，為國家電網的長遠發展，必須采取措施優化及改造現有的中壓配電網。國外已廣泛采用20 kV電壓作為新的中壓配電電壓，對于我國采取何種電壓等級最優，則需要建立完整的分析模型，從經濟性和社會性等角度對我國電網電壓等級序列進行論證。通過對國內外電網及電壓等級序列發展的充分調研，并結合國家電網的實際情況，提出了中壓配電網電壓等級優化的方案，然后分別建立電網規模估算模型、投資費用估算模型、占地面積估算模型，將優化方案與現使用的電壓等級方案從電網規模、投資費用、占地面積3方面進行比較，得出最優化方案為∶500/220/20/0.4 kV.最后依據不同情況，提出了具體的改造方法。建立了3種估算模型，考慮的因素更加全面，而且具有很好的適應性，對相關實踐具有較大的意義。

∶20 kV;電壓序列;中壓配電;優化及改造

0 引言

隨著用電負荷密度的迅速增長、供電半徑的增大，中壓配電網現普遍使用的10 kV供電電壓已越來越難以滿足負荷發展的需要，現有的供電模式在許多地方面臨很多問題，亟需改進［1-2］。因此，有必要加強對中壓配電網的改造。中壓配電網的升壓改造是一項系統性工程，需要系統的論證改造方案及實施措施，同時，升壓改造有利于節約能源和減少損耗、提高供電能力、減少空間資源占用等，其在節能降損方面的作用是現階段其他節能降損措施都無法與之比擬的［3-5］，對電力網絡的運行及發展具有十分重要的意義。

中壓配電網升壓改造既要考慮城市供電是否能滿足現代社會的需要，同時也要考慮升壓改造所面臨的各種外部因素。20世紀50年代，國外的很多國家已經完成了中壓配電電壓等級的優化和改造工作，普遍選擇20 kV作為新的中壓配電電壓［6-8］。為了合理配置我國電網的電壓等級序列，范明天等［9］研究了國內外電網電壓等級配置的現狀，提出應簡化變電層次，提高中壓配電電壓。彭東等［10］分析了影響電壓序列配置的主要因素，從技術和經濟2方面進行研究，提出提升中壓配電電壓是電網電壓發展的總體趨勢，并建議在部分區域采用20 kV作為中壓配電電壓。劉令富等［11］對10，20，35 kV等3種中壓配電電壓進行技術和經濟特性分析，說明了提升中壓配電電壓的優勢，并得出20 kV電壓等級比其他2種電壓等級更有優勢。世界電力多年的發展經驗表明，選取20 kV作為中壓配電電壓在經濟和技術上的優勢明顯［12］，其在國際上已有超過50年的運營經驗，國外很多發達國家都已經選用了20 kV作為中壓配電電壓［13-14］，因此，筆者主要研究20 kV為新的中壓配電電壓，提出不同優化方案，建立優化評價模型，將提出的優化方案與現有供電方案從電網規模、投資費用、占地面積3方面進行技術經濟評價，驗證20 kV作為新的中壓配電電壓使用的合理性，并得出最優的升壓改造等級序列，最后根據各地配電網的具體情況提出相應的改造措施。

1 升壓改造過程中需解決的主要問題

中國的城市和農村配電網規劃和建設多年后，現在處于歷史上發展最好的時期。要對現有的供電模式進行改造需要考慮以下幾個問題

1)空間資源占用問題。隨著城市人口密度的增加，可利用的土地面積越來越少，中壓配電網的升壓改造必須適應現有的可利用的土地資源;

2)升壓改造的時機問題。要結合不同供電區域設備的運營年限，尋找最佳的升壓改造時間，并充分利用現有的供電設備;

3)經濟效益問題。升壓改造要考慮使改造過程中消耗的費用最小并且改造后的電價對用電客戶不產生大的影響［15］。

2 提出優化方案和建立評估模型

2.1 優化方案

2.1.1 選用20 kV電壓的優勢

10～20 kV架空線的材料與建設費用只比相同長度的0.4 kV線路的費用稍高一些，且大約僅為110 kV線路的1/10.這個巨大的費用差異證明，超高壓/高壓電網與低壓配電網之間，加入10 kV或20 kV中壓配電網是經濟的，即使考慮到HV/MV變電站的費用，也可以得到同樣的結論［16］。而35 kV線路的建設費用已達到110 kV線路的1/5～1/3，和20 kV相比，雖然供電能力有所提高，但在相當的負荷密度范圍內經濟上不具有優勢。

2.1.2 具體方案

中壓配電電壓優化的方法應以達到總投資費用最小為目標，同時滿足社會、經濟及其他方面的要求。因此，按照中國城市電網的電壓序列和安裝方法，并考慮容量系列和負荷密度，確定新的電壓序列可行的替代方案，即500/220/110/20/0.4 kV，500/220/20/0.4 kV.

2.2 評估模型

對中壓配電電壓等級優化和改造的評價需要從技術和經濟2方面考慮，在此基礎上建立技術經濟評估模型，包括電網規模估算模型、投資費用估算模型、以及占地面積估算模型，其中投資費用包括變電站投資費用、線路改造費用、電纜改造費用。

2.2.1 電網規模模型

全區變電站總座數(座)

式中P為全區總負荷，萬kW;K為容載比;CHV為單臺主變容量，萬kVA;THV為站內主變臺數;INT (X)表示對數X取整;MOD(X)表示對數X取其小數位。

單座高壓變電站的供電面積(km2)

式中dss為任意兩座高壓變電站的間距，km.

變電站的高壓進線平均長度LHV.

變電站的高壓進線總長度Lh，km.

2.2.2 中壓變電站規模

中壓配變總容量(萬kVA)

式中RMV為配變負載率;cosφ為負荷功率因數。中壓配變總臺數(臺)

式中TCM為中壓配變總容量;CM1為單臺配變容量。中壓線路總長度(km)

式中N為中壓線路總回數;Lc為出線主干長度。

2.2.3 投資費用模型

利用電網規模估算模型進行網絡規模估算，則投資費用的計算式為

式中S為全區變電總容量;Lh為變電站的高壓進線總長度;Tz為中壓配變總臺數;Lz為全區中壓饋線總長度;VH為單位變電容量綜合造價;V1為每公里高壓線路綜合造價;VM1為單臺配變綜合造價; VM2為每公里中壓主干線綜合造價。

2.2.4 占地面積模型

利用電網規模估算模型的計算結果，計算不同備選方案的占地面積規模，等于電網規模乘以單位設備的占地面積或線路走廊寬度，則占地面積的計算式為

式中nHV為全區變電站總座數;Lh為變電站的高壓進線總長度;Tz為中壓配變總臺數;Lz為全區中壓饋線總長度;QH1為單座變電站的占地面積;QH2為高壓線路的走廊寬度;QM1為單臺配變的占地面積;QM2為中壓線路的走廊寬度。

3 實證分析

以蘇州工業園區為例，驗證20 kV的可行性和經濟性。目前蘇州工業園區的電壓等級序列主要為500/220/110/10/0.4 kV，以該城市現有的電壓等級序列500/220/110/10/0.4 kV作為方案1，新的電壓等級序列500/220/110/20/0.4 kV作為方案2，500/220/20/0.4 kV作為方案3，對這3種方案進行電網規模估算和經濟性比較。

3.1 負荷概況

蘇州工業園區規劃區使用面積為196.95 km2，建設區使用面積為122 km2.2020年的負荷和占地面積預測結果詳見表1.

表1 2020年負荷和占地面積預測Tab.1 Forecast of load and floor area in 2020

由表1可知，2020年蘇州工業園區負荷為1 064 MW，負荷密度為8.72 MW/km2;遠景飽和年負荷約為1 817 MW，負荷密度達到14.9 MW/km2.

3.2 電網規模評估

根據電網規模估算模型的計算結果，220/110/ 10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV等3種建設方案的電網規模詳見表2.

表2 3種建設方案的變電和輸電規模估算Tab.2 Power transformation and power transm ission scale estimation of three construction programs

由表2可知，220/110/10/0.4 kV，220/110/ 20/0.4 kV以及220/20/0.4 kV等3種方案的220 kV變電站的座數分別為6，6和11;110 kV變電站的座數分別為19，16和0;10(20)kV配變臺數分別為6 224，3 734和3 734，因此3種方案中的220 kV及以下的變電站總座數是依次減少的，線路總長度也是依次減少的。

3.3 經濟性評估

通過建立方案1～方案3，即220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV的投資估算模型，同時考慮全電纜線路電網和全架空線路電網2個子方案，結果詳見表3.

1)不管是哪種架設方式，方案3即220/20/0. 4 kV方案的投資都是最省的;

2)在架空方式中，220/20/0.4kV方案相對220/110/20/0.4 kV和220/110/10/0.4 kV方案，都節省投資28%;

3)在電纜方式中，220/20/0.4 kV方案相對220/110/20/0.4 kV方案，節省投資17%，相對220/110/10/0.4 kV方案，節省投資28%;

4)變電工程中220/20/0.4 kV方案的投資最低，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV節省投資33%和33.4%;

5)輸電工程中，架空架設方式投資是電纜方式投資的13%左右，3個方案中220/110/0.4 kV架空架設方式的投資最低。

表3 3種建設方案的投資估算Tab.3 Investment estimation of three construction program s萬元

3.4 占地面積估算

方案1～方案3的占地面積結果詳見表4.

表4 3種建設方案估算的占地面積Tab.4 Floor area estimation of three construction programs

由表4可知，以上3種方案

1)方案3的輸變電占地面積最小，分別相對220/110/10/0.4 kV和220/110/20/0.4 kV等2個方案節省占地面積35.9%和2.43%;

2)在輸電工程中，占地面積最少的是方案3，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV等2個方案節省占地面積36.3%和6.7%;

3)在變電工程中，占地面積最少的是方案2，分別相對220/110/10/0.4 kV，220/20/0.4kV等2個方案節省占地面積12.2%和11.9%.

通過上面3個模型的對比分析可知，方案3即220/20/0.4 kV方案的升壓改造總投資和總占地面積最優，所以，選用20 kV作為新的中壓配電電壓在技術和經濟上都具有合理性。

4 10 kV配電網的升壓改造

4.1 分階段升壓改造

10 kV配電網要綜合考慮升壓改造的時機、升壓改造的區域以及升壓改造的設備等方面的因素［17-19］。

在升壓改造的初期階段，既要對升壓改造區域和設備進行研究，更要集中對供電能力不足及設備使用壽命將盡的地區實施升壓改造;在升壓改造的中期階段，應該著重對電網發展較好的城市地區開展10 kV電網升壓改造工作;在升壓改造后期，主要針對還未實施升壓改造的地區進行升壓改造，最終實現所有地區升壓成為20 kV運行。

4.2 分區域升壓改造

在劃分了不同的升壓改造階段以后，就需要針對具體的供電區域實施升壓改造，根據各個區域內電網發展規模的差異，升壓改造地區大體上可以分為城市地區和農村地區［20-21］。

對城市地區，在原有的10 kV供電模式下，逐步推行20 kV升壓改造，最終使20 kV完全代替10 kV運行;對農村地區，一般情況下維持10 kV供電模式不變，根據具體情況進行20 kV的升壓改造。

4.3 充分利用現有的設備

對10 kV配電設備的升壓改造過程中，要盡量利用現有的存量設備實施升壓，以此來節約改造成本。

對于不可利用的設備，包括使用壽命達到預期的設備，應盡早更換為適應20 kV電壓等級的配電設備;對于檢驗后可直接利用的設備，應升壓至20 kV運行;對于經改造后方可利用的設備，在兼顧經濟性的條件下，應通過技術改造措施，以滿足20 kV運行要求;針對處于升壓改造過渡時期的站點，可以采用聯絡變壓器進行逐步改造，具體措施為∶先擴建1臺10/20 kV聯絡變(2號)，為1號變部分暫不升壓的10 kV負荷供電;而后隨著升壓改造的深入，再擴建110/20 kV主變(3號)，共同為20 kV負荷供電;待10 kV網絡逐漸被20 kV替代以后，再將1號變改造為110/20 kV等級的主變，與3號變共同承擔供電任務，2號變可以退出運行，示意圖如圖1所示。

圖1 聯絡變壓器工作原理示意圖Fig.1 Work principle illustration of connecting transformers

5 結論

1)中壓配電網的升壓改造符合我國經濟社會發展需要，可以提高供電能力、減少土地資源占用以及節約能源和減少損耗。經過論證，相比10 kV供電，20 kV供電在技術和經濟方面均具有優越性，能更好的滿足未來城市經濟發展的需要，因此，采用20 kV電壓等級是改造現有中壓配電網的首選，同時建議采用500/220/20/0.4 kV的供電電壓等級;

2)在升壓改造過程中，要考慮實際困難，兼顧經濟效益，把握時機、因地制宜，適時的對中壓配電網進行升級改造。

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M edium voltage power distribution voltage grade optim ization and transformation

LIU Xiao-fei，SHANG Li-qun

(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

∶With the rapid development of China’s science and technology and social economy aswell as the gradual expansion of the construction scale of State Grid，it becomesmore difficult for 10 kVmedium voltage distribution networks to meet load development requirement.For the long-term development of State Grid，itmustadoptmeasures to optimize and transform the existingmedium voltage distribution networks.Foreign countries have widely used 20 kV voltage as the new medium distribution voltage.As to which kind of voltage class is optimum for China，a complete analysismodel needs to be set up to demonstrate China’s network voltage grade from the perspective of economy and sociality.Through full survey on the development of power grid and voltage grade and based on the actual situation of State Grid，the voltage grade optimization program was put forward formedium voltage distribution networks.Then power grid scale estimation model，investment cost estimation model，and floor area estimation model were established tomake a comparison between the optimization program and current voltage grade program from the perspective of power grid scale，investment cost，and floor area，and obtained the best optimization program∶500/220/20/0.4 kV.Finally，according to different local conditions，we propose con-crete transformation methods.The three estimation models established in the paper take more comprehensive factors into consideration，which are highly adaptive with great significance for relative practice.

∶20 kV;voltage sequence;medium voltage power distribution;optimization and transformation

∶TM 727

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0319

∶1672-9315(2015)03-0386-06

∶2015-02-10責任編輯∶李克永

∶陜西省教育廳科研計劃(12JK0568);陜西省自然科學基礎研究計劃(2014JM2-5077)

∶商立群(1968-)，男，河南濟源人，博士，教授，E-mail∶shanglq@xust.edu.cn