新形勢下城市輸電網規劃方法研究

杜 劍,歐陽俊，李國柱,杜 治,趙紅生,喬 立,趙雄光,徐小琴

(1.國網湖北省電力公司經濟技術研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網公司華中分部，湖北 武漢 430077)

新形勢下城市輸電網規劃方法研究

杜 劍1,歐陽俊1，李國柱2,杜 治1,趙紅生1,喬 立1,趙雄光1,徐小琴1

(1.國網湖北省電力公司經濟技術研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電網公司華中分部，湖北 武漢 430077)

詳細梳理了目前城市輸電網發展面臨的形勢，分析了現有規劃方法的不足，提出了一種適應于新形勢的城市輸電網規劃方法，并應用于湖北“鋼光鄂”電網規劃中。

城市電網;飽和年網架;輸電網

0 引言

城市化一直是社會關注的焦點，城市化水平可以反映出一個國家的文明程度和經濟實力。目前，我國城市化程度與發達國家相比差距明顯，城市化水平具有較大提升空間。

輸電網作為重要的基礎設施，對提升城市化水平起著關鍵性的支撐作用。我國大部分城市輸電網由500 kV電網和220 kV電網構成，隨著社會經濟發展水平的逐步提高和城市化建設的持續推進，城市輸電網發展面臨了新的機遇與挑戰。如何做好新形勢下的城市輸電網規劃值得研究。

1 城市輸電網發展面臨的形勢

（1）供給側結構性改革沖擊工業用電需求。一方面，除電氣化鐵路牽引站外，現有的220 kV專用變大部分服務于鋼鐵、煤炭等傳統行業，但這些行業產能嚴重過剩，面臨調整壓力；另一方面，新一代信息技術、高端裝備制造等戰略新興行業企業在接入電壓、電能質量及供電可靠性等方面提出了較高要求，以220 kV專用變服務這類企業的情況在今后會更加普遍。

（2）軌道交通建設調整城市人口分布。從經驗上來看，產業的發展提供了就業機會，吸引了人口的集聚[1]。但受制于中心城區較高的房價和擁堵的交通，軌道交通沿線已逐步成為城市人口置業的首選項。軌道交通建設對城市人口分布的調節作用日益顯著，這一現象也為城區負荷預測工作提出了新的要求。

（3）短路電流水平持續上漲。近年來我國許多城市的輸電網都面臨短路電流越限的風險[2-4]。一方面是由于新增站點投產后，站點密度增加，網絡結構更加緊密；另一方面由于電纜線路得到廣泛使用，增加了電網的充電電容。通過拉停線路等傳統方式或使用限流電抗器等新型電力電子器件可以對短路電流水平起到一定的限制作用，但要徹底解決問題，還需擇機對電網進行分區分片。

（4）投資成本高與投產難度大并存。隨著土地價格和“入地工程”比例的持續上漲，城區電網項目的造價遠高于普通電網項目。與此同時輸電網項目建設周期長，外部環境復雜多變，環境要求日趨嚴格，規劃站點無法按期投運的情況并非個例。城市輸電網已不具備“推倒重來”的可能性，提高規劃方案的適應性勢在必行。

2 現有規劃方法的不足

（1）負荷預測方法不能適應新形勢。負荷預測相對籠統，并沒有專門考慮“去產能”“調結構”對工業負荷的沖擊，也沒有將軌道交通建設對居民負荷分布的影響放在重要位置予以考慮。

（2）飽和年網架構建相對粗略。飽和年網架的構建多依靠經驗，分區分片方案研究過程的理論支撐有待加強。

（3）電網發展的重大事項不突出。多以重要年份為節點開展網架過渡方案的研究，研究結論對電網發展的關鍵環節和重大事項的突出力度不夠，發展脈絡不清晰。

（4）資源統籌利用考慮不足。一些規劃方法以解決當前問題為規劃目標，停留在“頭痛醫頭腳痛醫腳”階段，缺乏對全網資源統籌利用的考慮，導致資源利用效率偏低。

3 適應于新形勢的城市輸電網規劃方法

3.1 規劃流程

本文提出的城市輸電網規劃方法共分為7個步驟：（1）開展負荷預測。（2）明確電網發展邊界，即飽和年電網分區分片范圍。（3）計算飽和年500 kV主變容量，確定飽和年500 kV主變臺數。（4）明確500 kV主變分配方案。（5）選取220 kV電網分片開環點。（6）校核分片方案短路電流水平和供電能力。（7）以500 kV主變投產為重要節點，開展電網過渡方案研究。

3.2 技術要求

依據《城市電力網規劃設計導則》和《電網規劃導則》，城市輸電網規劃應該滿足以下要求：

（1）有清晰的網架結構。電網電壓等級層次清晰，簡化網絡接線，貫徹分層分區，電源和用戶站盡量從網架中解除。以500 kV樞紐變電站為核心，將220 kV電網劃為幾個區，相鄰分區之間應有適當聯絡，不宜跨分區電磁環網運行。

（2）短路電流應控制在合理水平。各電壓等級電網的短路電流應控制在合理區間，并留有一定裕度。500 kV電網短路電流控制限額為63 kA，220 kV電網短路電流控制限額為50 kA。

（3）容載比在合理范圍。考慮到電網的安全性和經濟運行，變電站的容載比不宜過大或者過小。在年負荷增長率小于7%時，500 kV電網容載比選擇范圍為1.5～1.8，220 kV電網容載比選擇范圍為1.6～1.9。

（4）有充足的供電能力。要能滿足用電負荷增長需要，保障分區內有充足的電源。220 kV分區電網內至少應有3臺500 kV主變，至少應有來自不同500 kV變電站或220 kV電壓等級主力電廠的2路電源。

3.3 規劃要點

（1）做實負荷預測。應參考城市發展總體規劃、社會經濟發展統計公報、各類年鑒、地方政府重點儲備項目庫等權威資料切實開展負荷預測。

在短中期負荷預測中，對新增戰略性工業的負荷應予以充分考慮。對于專用變下網負荷占城市電網總負荷比重較大的情況，宜對專用變和公用變下網負荷分別開展預測。由于飽和年負荷直接影響到中期電網規模和分區分片方案，因此還要重視飽和年的負荷預測工作。

（2）合理分區分片。對電網進行適當的分區分片有利于簡化電網結構，提高電網運行的可靠性。應從有效限制短路電流的角度出發，考慮電網分區分片的必要性；從電網規劃延續性和工程實施難度出發，考慮電網分區分片的可行性。

（3）明確飽和年500 kV主變容量、數量及分配方案。應從滿足供電安全可靠性和經濟性的角度考慮合理的500 kV電網容載比，從而確定在飽和年電網需要的500 kV變電容量；應從有利于實現220 kV電網分區分片供電的角度，確定飽和年500 kV變電站的主變臺數和各220 kV片區的500 kV主變數量。

（4）提高資源利用效率。對于在局部電網中同時存在供電能力不足和負載率偏低、短路電流越限和暫態穩定問題的情況，應優先考慮就地統籌資源，取長補短，避免一味的地增加設備或拉停線路。

4 適應于新形勢的城市輸電網規劃方法在“鋼光鄂”電網規劃中的應用

4.1“鋼光鄂”電網簡介

“鋼光鄂”（GGE）電網為武漢市青山區、武昌區北部和洪山區東部地區及鄂州市全境供電。截至2016年底，供區內統調裝機容量為376×104kW。共有500 kV變電站2座，變電容量300×104kV·A；220 kV變電站22座，變電容量757×104kV·A。電網結構如圖1所示。

圖1“鋼光鄂”電網現狀圖Fig.1 GGE power grid current state graph

4.2 負荷預測

研究表明[5-6]，湖北省將于2032年進入用電需求“飽和階段”，即用電量、最大負荷的增長率小于2%，于2043年達到用電需求飽和。根據鋼光鄂供區歷年發展情況[7-8]，預測鋼都、光谷供區2025年左右進入用電需求“飽和階段”，2035年左右達到用電需求飽和；鄂州電網2030年左右進入用電需求“飽和階段”，2040年左右達到用電需求飽和。

對鋼都、光谷供區進行負荷預測時，參考了近年用電報裝計劃、電力設施布局規劃和武漢市軌道交通建設規劃[9]。鋼都、光谷供區內的城市軌道交通建設規模有限，不屬于核心建設范圍。供區內重點用戶武鋼在“去產能、調結構”的大環境下與寶鋼合并，重組后的發展有待觀察。但特大型項目國家存儲器已經開工建設，參考國內已投產的類似項目，國家存儲器的投產將有力支撐區域內的負荷增長。對鄂州市進行負荷預測時，參考了鄂州的歷史發展情況以及部分現有規劃研究成果[10-11]。鄂鋼是鄂州的支柱產業，也是鄂州電網負荷的重要支撐。受鋼鐵行業“去產能、調結構”的影響，鄂鋼近幾年負荷增長幾乎停滯。與此同時，鄂東機場項目已獲得政府批文，建成后將成為吞吐量全國第一、全球第四的貨運機場，對鄂州的經濟結構調整和用電負荷增長均將起到積極作用。

鋼光鄂電網負荷預測結果如表1所示。

表1 鋼光鄂電網統調最大負荷預測結果（單位：104kW）Tab.1 The maximum load forcast result

4.3 飽和年網架分區分片方案

步驟1明確分區分片范圍

鋼光鄂電網北面與武漢江北電網一江之隔，南面緊靠鳳凰山、江夏、東山電網，東面臨近黃石電網。根據地理環境及電網結構提出以下三種分片方案：（1）與鳳凰山、江夏統籌考慮分片；（2）與東山統籌考慮分片；（3）鋼光鄂電網內部分片。

目前，鋼光鄂電網已解開了與周邊電網的220 kV電氣聯系獨立成片運行。考慮到已經分開的電網不宜輕易合并運行，排除分片方案1。東山站址與鋼光鄂電網隔著武昌中心城區，要穿越東湖風景區、南湖、東湖高新技術開發區等區域，線路走廊資源緊張。因此方案2代價較高，予以放棄。方案3符合分區分片范圍確定原則，為推薦方案。

步驟2確定500 kV主變容量及數量

按照負荷預測結果，對鋼光鄂電網進行電力平衡，平衡結果如表2所示。

表2 光鋼鄂電網電力平衡（統調）Tab.2 GGE power grid electric balance data

由表2可以看出,在飽和年光鋼鄂電網需要500 kV下網容量512×104kV·A。建議飽和年500 kV主變容量按600×104kV·A考慮。為滿足獨立分區內至少有3臺500 kV主變的要求，分片前區內需至少6臺500 kV主變。因此飽和年應按6臺100×104kV·A的500 kV主變考慮。

步驟3明確主變分配方案

以鋼光鄂電網鋼都、光谷、鄂州3個500 kV站點，6臺500 kV主變為前提，進行排列組合，排除明顯不合理的方案，提出以下三種分配方案,方案如表3所示。

表3 主變分配方案Tab.3 Main transformers assignments proposal

方案1中鋼都3臺主變獨立成片不利于短路電流控制。方案2中光谷兩臺主變和鄂州變聯合成片存在負荷與主變錯位配置的情況，經濟性較差；同時光谷短路電流控制難度大。方案3短路電流水平合理，能滿足各分區的供電需求，為推薦方案。

步驟4選取開環點

500 kV光谷變2臺主變分兩片運行，光谷變需要分母。220 kV花山變改造工程即將實施，改造后花山將具備分母運行條件。鄂州二期裝機容量2×60×104kW，并列運行時存在暫態穩定問題，適合分母運行。

因此開環點選擇為以上3廠站的220 kV母線，如圖2所示。

圖2 鋼光鄂片區飽和年網架Fig.2 Saturation year power grid structure of GGE

步驟5校核分片方案

（1）分區電力平衡

由表4可以看出,分片后鋼光鄂電網東片和西片都能滿足供電需求。

表4 鋼光鄂電網分區平衡表（單位：104kW）Tab.4 Subdistrict power distribution of GGE

（2）實施可行性

該方案不需新建線路，3處解環點都具備分母運行條件，工程實施可行性較高。

（3）電網安全穩定校核

通過PSASP仿真分析工具對目標網架的潮流、暫穩特性及短路電流水平進行校核，能滿足電網安全穩定需求。

4.4 網架過渡方案研究

節點1：2019年投產第4臺500 kV主變

2019年前后，鋼光鄂電網負荷達到450 kW，鋼光鄂電網主要面臨三方面問題：一是鋼都變、光谷變、花山變短路電流越限；二是光谷鄂州供區供電能力不足；三是鋼光鄂電網的暫態穩定問題突出。

為此，考慮新建鄂州變，將光谷一臺主變搬至鄂州，同時擴建光谷一臺高阻抗變壓器，工程實施后的電網結構如圖3所示。

圖3 鋼光鄂電網2019年方案Fig.3 2019 GGE power grid planning proposal

節點2：投產第5臺500 kV主變

當鋼光鄂電網負荷達到570×104kW，光谷西主變N-1后，鋼都主變接近滿載，鋼都光谷西片區需新增主變；光谷主變N-1后，鄂州變接近滿載，鄂州光谷東片區也存在新增主變的需求。綜合兩片供區的情況，有必要于鋼光鄂電網負荷達到570×104kW前在光谷西新增一臺500 kV主變。為配合該主變投產，限制鋼都片區短路電流，宜對220 kV桂家灣變進行分母，將鋼都供區的220 kV電網構建為“C”型網絡，如圖4所示。

圖4 鋼光鄂電網“C”型網絡方案Fig.4 Type"C"GGE power grid proposal

節點3：投產第6臺500 kV主變

當鋼光鄂電網負荷達到620×104kW，考慮鄂州二期3號機停機，鄂州主變N-1時，光谷東主變過載。若不投產新的500 kV主變，鄂州光谷東片區供電能力此時達到飽和。因此，建議在鋼光鄂電網負荷達到620×104kW前投產鋼光鄂地區第6臺主變，即鄂州第二臺主變，并在此時實施分片。

5 結語

本文提出了一種適應于新形勢的城市輸電網規劃方法，該方法強調負荷預測的科學性和飽和年電網分區分片方案的合理性，并力求提高設備的利用效率。與傳統方法中以重要水平年為節點研究電網過渡方案不同，本文提出的規劃方法選擇以逐臺500 kV主變投產時間為節點對電網過渡方案進行研究，從而能更有效地突出電網發展的關鍵環節，有利于電網投資計劃和項目里程碑的制訂，提高規劃方案的針對性和精準度，助力電網科學高效發展。

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Research on the Network Planning of City Transmission under New Situation

DU Jian1,OUYANG Jun1,LI Guozhu2,DU Zhi1,ZHAO Hongsheng1,QIAO Li1,ZHAO Xiongguang1,XU Xiaoqin1
(1.Economy&Technology Research Institute,State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China;2.Central China Division of State Grid Corporation of China,Wuhan Hubei 430077,China)

A detailed analysis of the current urban transmission network development is given under the“new situation”and the deficiency of the existing planning method.A new promising urban transmission network planning method which can be adapted to the“new situation”is given.The method is put into the application of“Gang-Guang-E”power grid planning project.

city power grid;saturation year power grid structure;transmission network

TM715

B

1006-3986(2017)03-0001-05

10.19308/j.hep.2017.03.001

2017-02-11

杜 劍(1987)，男，湖北武漢人，碩士，工程師。