考慮災害經濟學的大連第二輸電通道對大連南部電網的影響研究

李常信，張明理，史 喆

(國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

大連市地處歐亞大陸東岸，位于中國東北遼東半島最南端，處于東北亞經濟區和環渤海經濟圈的重要區域，與日本、韓國、朝鮮、俄羅斯遠東地區相鄰，是重要的港口、貿易、工業、旅游城市。大連市總面積12 574 km2，截至2016年底，常住人口數量為698.4萬人。

大連地區電網位于遼寧省電網的最南端，東臨丹東電網，北接營口電網，是遼寧省電網的重要組成部分。大連地區電網現通過3通道、6回500 kV線路(瓦渤1號線、瓦渤2號線、瓦海1號線、瓦海2號線、丹海1號線、丹海2號線)和3回220 kV線路(熊松線(目前在57號塔斷引)、宮利線、巖莊線)與遼寧主網相連。

目前紅沿河核電站1號、2號機組、莊河電廠、華能大連電廠、甘井子熱電廠、開發區熱電廠、泰山熱電廠是大連地區電網的主要電源點，地區電網形成了以南關嶺500 kV變電站、金家500 kV變電站、瓦房店500 kV變電站、雁水500kV變電站及黃海500 kV開閉所為支撐點的供電主干網架。

大連南部地區與東北大陸連接處大連灣和金州灣之間地域十分狹窄，最窄處只有4 km左右，線路走廊集中、輸送容量較大，在此狹長地帶集中了3回500 kV線路和4回220 kV線路，承擔著大連市區和旅順地區的供電任務。由于地域狹窄，受當地氣候環境的影響，十分容易發生大面積電網停電事故。2007年3月4日起，遼寧地區普降大到暴雪并伴有9級左右的大風，遼寧電網多條輸電線路故障跳閘[1]。其中大連電網受事故影響較大，與主網聯系的2條500 kV線路(王石-南關嶺雙線)和3條220 kV線路相繼跳閘，地區電網孤網運行。事故期間大連地區共有14座220 kV變電站全停(全地區共21座)，損失電力約1 000 MW，持續時間達17 h，其中大連南部電網與主網解列3 h15 min。電網大面積供電事故[2-5]對當地工業生產和人民生活產生嚴重影響，造成嚴重的社會影響和重大的經濟損失。

開辟大連南部地區與東北大陸第二輸電通道對保證大連南部電網的供電可靠性具有非常重要的作用，但是開辟的第二輸電通道與原有輸電通道在地理位置上并不是非常遙遠，同時出現自然災害的概率非常大，即第二輸電通道在出現自然災害仍能發揮較大作用的前提是第二輸電通道要比現有輸電通道具有更大、更強的抗災能力，否則第二通道的輸電能力在出現較大自然災害的情況下根本發生不了作用，所以在研究第二輸電通道時必須考慮抗災能力的配合問題。

1 大連電網“十三五”規劃及飽和期負荷預測

1.1 遼寧電網2020年底500 kV及以上電網規劃

為了滿足大連地區經濟增長和社會發展需要，2017—2020年，大連地區新建輸變電項目2項，包括鐵營、文體2個新建輸變電工程；擴建工程7項，分別為華昌、閆店、中華路、花園口、淮河、復州城和凌水220 kV變電站擴建工程，2017—2020年，大連地區220 kV新增變電容量246萬kVA，到2020年底，220 kV變電容量將達到1 298.7萬kVA，220 kV容載比1.95，容載比滿足導則要求，能夠滿足地方負荷發展要求。

1.2 大連地區飽和期負荷預測

大連作為中國北方的一個重要工業城市，2014年國務院批復大連金普新區成立，2017年大連自貿區正式掛牌成立，電力需求一直保持著快速發展的勢頭。參考全球各地區大城市的用電負荷，預計大連市將在2040年進入負荷增長飽和期，到2040年底，大連地區負荷將達到1 147萬kW。大連地區負荷預測結果如表1所示。

表1 大連負荷預測

2 大連電網第二輸電通道方案

為了改善交通狀況，縮短主城區與新市區的距離，集聚優勢資源，共享城市要素，大連市政府于2009年啟動了大連灣跨海交通工程建設，大連灣跨海交通工程起點在大連灣南岸解放路，與規劃解放路立交橋銜接，在東港商務區海之韻公園進入海底隧道后，通過人工轉換島建設跨海大橋穿越大連灣，在金普新區西海屯登陸，終點位于中港路。

項目全長約25.05 km，采用南隧北橋(A2線位)的總體建設方案，其中包括海中特大橋1座長9.83 km；人工島1處長1.14 km；海底隧道1座長5.14 km。兩岸接線工程中包括隧道3座長5.53 km；接線大橋4座長2.135 km。設置中南路、東港、人工島、北接線(復合式)互通式立交4處；同步建設相應的交通工程和沿線設施。工程總投資約297億元。

大連電網第二輸電通道[6-10]就是利用建設中跨海大橋采取橋隧敷設方式建設大連南部電網和北部電網的第二輸電通道，綜合多種因素，采用交流電纜的方式較為可行，目前，技術成熟的220 kV電纜最大截面為1 600 mm2，輸電容量約為420 MW(功率因數0.95)，考慮電纜基本不具備過載能力的特點以及充電功率對載流量的影響，采用220 kV電纜輸電最少應出線2回。此外，建設220 kV聯絡線將造成500 kV金家變與雁水變220 kV間重新形成電磁環網，這與大連電網解環運行的要求相悖。而采用500 kV電纜，雖然其輸電能力較高，單回線路即可滿足要求；但線路充電功率較大，需配置大量無功補償裝置，工程投資過大，且正常運行方式線路潮流較輕，設備利用率較低，輸電電壓等級按220 kV考慮。

3 第二輸電通道對大連南部電網的影響研究

本文計算采用中國電力科學研究院電力系統分析計算軟件BPA，以2020年為計算水平年，開機方式：正常方式火電機組按25%備用考慮；負荷水平：選擇地區負荷較重的冬大方式進行分析。

3.1 對分區供電的影響

為降低南關嶺變和金家變220 kV短路電流水平，現狀電網采取吳屯變220 kV母線分裂運行的措施，大連南北部電網220 kV電磁環網解環，大連電網南北部第二輸電通道投產后，由于實施的交流電纜聯網，大連南北部電網重新存在220 kV電磁環網，地區短路電流水平存在超標現象，需采取措施降低短路電流水平。2020年底第二輸電通道投產后大連地區短路電流水平見表2。在大連南北部220 kV電磁環網解環后部分500 kV變電站220 kV側短路電流因第二通道投產重新超標。

表2 第二輸電通道投產后短路電流

對于單相短路電流超標問題，可采取在變壓器加裝中性點小電抗的方式。安裝10 Ω小電抗后，金家變220 kV母線單相短路電流下降至41.6 kA，南關嶺變220 kV母線單相短路電流下降至48.8 kA。南關嶺變220 kV母線單相短路電流水平仍較高，需在實際運行中合理控制運行方式。

對于三相短路電流，可通過改變電網接線形式達到抑制短路電流的目的。普蘭店熱電廠未投運時，金家變220 kV母線三相短路電流水平尚可接受(短路電流約45.2 kA)。普蘭店熱電廠投運后，金家變220 kV母線三相短路電流水平提高到48.0 kA，金家變220 kV母線三相短路電流水平將下降至45.8 kA。

3.2 大連南部電網安全電源容量分析

所謂安全電源容量，本文指某地區單一受電通道或多個受電通道或全部受電通道發生故障時仍能安全運行而不損失負荷的電源容量；安全電源容量主要應用于易孤網運行的地區。

由于大連南部地區特殊的地理環境，向大連南部地區建設更多的輸電通道將非常困難，除對現有薄弱斷面實施差異化改造以提高抗災能力之外，應將大連南部地區電源規劃納入抗災型電源規劃，合理弱化大連南北部輸電斷面在保大連南部負荷方面的功能，根據遠景年飽和期負荷預測科學合理確定外受電比例，促使電網差異化改造和電源規劃結合起來共同抗災。

大連南部電網從大連北部有4條受電通道，受電通道一(交流島變-南關嶺變500 kV同塔雙回線)、受電通道二(金家至雁水500 kV線路)、受電通道三(金家至南關嶺500 kV線路)、受電通道四(海上隨橋敷設的雙回220 kV線路)，受電通道一、二、三全通過陸路4 km最窄處，本文從受電通道故障規模逐步增大來計算安全電源容量，負荷備用按3%處理。表3為各種事故情況下南部地區的安全電源容量。

表3 大連南部地區2040年安全電源容量 MW

由表3可以看出，到2040年，大連南部電源規劃容量和需要的安全電源容量已基本上匹配，出現電網大面積停電事故的概率已大為降低，電源規劃能有效保障南部負荷可靠供電。

4 第二輸電通道災害經濟學重要準則驗證

對普通的輸電方案一般進行技術經濟比選，方案選擇較多，而為抗災而產生的輸電方案受限于多種條件限制，方案單一，在抗災工程投產后仍不能完全解決問題的情況下很難進行技術經濟比選；由于輸電通道的稀缺性和某種現實程度的唯一性，對輸電方案進行災害經濟學比選相當困難，因此對第二輸電通道輸電方案的災害經濟學重要準則驗證就成為評價總結抗災型輸電通道輸電方案的現實選擇，為后續抗災輸電工程的規劃建設提供建議和參考。由自然災害造成的大面積停電事故不同于一般的事故，關聯較為復雜。由于特殊的地理環境，建設抗災型輸電通道進行災害經濟學的最小代價準則驗證是非常困難的。

4.1 補償準則驗證

災害經濟學的補償準則要求為減災而建設的項目所產生的效益能充分補償工程的全部投資，即滿足:

Lmax-f(I)≥I

(1)

式中：Lmax表示某種自然災害情況下無相關減災措施而產生的災害損失最大值；f(I)表示災害損失與抗災投資I的函數；I表示投資。大連第二輸電通道建成后正常方式潮流偏小，投資回收期偏長，需和相關部門溝通合理安排機組開機方式、梳理220 kV網架結構增加第二通道線路潮流，縮短投資回收期。

4.2 投資效益比準則驗證

在災害經濟學中，應用最為廣泛的是效益投資比準則，它要求抗災工程產生的效益與抗災工程投資之比達到最大值：

F=[Lmax-f(I)]/I

(2)

若要達到最大值，這就要求f(I)達到最小值，在建設一項抗災工程就能根本解決問題的情況下，F容易達到最大值，即投資效益比最大值為Lmax/I。大連南北部電網之間比較狹窄，利用橋梁敷設大連南北部之間的第二通道因為現有電纜技術、橋梁可用空間、送受端環境等限制并不能從根本上解決大連南部電網孤網運行的風險，只是有限度降低孤網運行風險，通過BPA軟件計算也已驗證這種結果，需進一步深入實施電網差異化改造論證，在重點地區、重要斷面，逐步提升線路通道的抗災標準[11]，與易孤網運行地區的電源優化合力解決孤網運行問題，降低孤網運行風險[12]。

5 結論與建議

a. 易孤網運行地區應根據飽和期負荷預測、電力電量平衡、外送電比例等情況合理確定該地區最優電源容量，當該地區無法滿足最優電源容量布局時，實施啟動抗災型輸電通道方案論證，合理確定抗災型輸電通道的輸送容量，科學布局，因地施策，以積極措施降低孤網運行的發生。

b. 主動型的抗災型輸電工程對提高易孤網運行地區的供電可靠性具有非常重要的意義，建設抗災型輸電線路也是電網企業承擔社會責任的具體體現，但建設抗災型輸電線路具有投資規模大、走廊資源稀缺、投資回收期[13]長等特點，建議政府相關部門在線路走廊資源、輸配電價等方面給予大力支持[14]，實現投資順利回收，共同為經濟社會發展提供安全的電力保障。

c. 建立導致電網重大事故的氣象特征集，啟動大連南部電網機組出力應急反應機制，當天氣情況出現氣象特征集里超過50%以上的特征，即啟動大連南部電網機組出力應急反應機制，提高大連南部地區機組出力，大幅壓低大連南北部500 kV斷面潮流，降低可能出現的由于孤網運行而造成的負荷損失。

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