城市电网规划综述

1城市电网规划综述张柳，肖白，宋坤（东北电力大学微通电力系统研究室，吉林110032）摘要：本文对城市电网规划作了简要的介绍，阐述了其目的、内容和意义，对城市电网规划的方法、技术原则，包括电源选址、电压等级、电网结构、以及高低中压配电网、供电可靠性、城网接线、设备选择、配电自动化等问题进行了详细的论述。并对未来的工作形势进行了展望。关键词：城网规划；电压等级；配电网；供电可靠性；城网接线；配电自动化。0引言城市电网是指在该城市范围内向城市及其郊区分配和供应电能的电力网，它包括输电网（220KV以上），高压配电网（35，63，110KV），中压配电网（10KV）和低压配电网（0.38KV）等各级电压电网的总称。电网规划是所在供电区域国民经济和社会发展的重要组成部分，同时也是电力企业自身长远发展规划的重要基础之一。电网规划的目标就是能够使电网发展，能适应，满足并适度超前于供电区域内的经济发展要求，并能发挥其对于电网建设，运行和供电保障的先导和决定作用。城市电网规划（以下简称城网规划）是城市电网发展和改造的总体计划。其任务是研究城市负荷增长的规律，改造和加强现有城网结构，逐步解决薄弱环节，扩大供电能力，实现设施标准化，提高供电质量和安全可靠性，建立技术经济合理的城网。本文首先对城市电网规划的目的，内容和意义，及其国内现状作了简要的分析和介绍，之后阐述了城市电网规划的指导原则和技术原则,并对未来的工作形势进行了展望。1城市电网规划简介1.1城网规划的目的和意义城市电网规划的目的是采用科学的方法确定何时何地在规划区内新建或改建何种电力设施，使得未来的电网[1]：（1）能够满足负荷的发展和各种电网技术要求，安全可靠地为电力用户提供客户所需要质量的电能；（2）能够满足城市规划的环保，美观等公众要求；（3）在满足上述两者的基础上为电力企业追求最大的经济效益和社会效益。城市电网规划的意义[1]：（1）配电系统的优化规划是提高系统投资效益的最有效途径，它可以降低系统的网络损耗，改进未来电网的运行效益；（2）配电网络结构的优化规划，可以大大提高系统同的供电可靠性；（3）科学合理地确定变电站的容量，位置及供电范围，有利于系统的运行管理，提高系统管理和运行效率。1.2城网规划的内容城市电网规划的主要内容大体相同，主要包括以下内容[1]：（1）分析规划区内的现状，明确规划区内电网布局，电量，负荷，负荷分布和负荷曲线预测的情况；（2）确定规划区内规划各期的目标及电网结构原则和供电设备的标准化，包括中，低压配电网的改造原则；（3）进行有功，无功电力平衡，提出城网供电电源点（发电厂，220KV级以上的变电所）的建设要求；（4）确定城市电网变电所的地理位置，线路路径，确定分期建设的工程项目；（5）确定调度，通信，自动化等的规模和要求；（6）编写规划说明书及绘出个规划期末的城网规划地理位置结构图（包括现状接线图）。1.3我国电网现状目前我国形成了东北，华北，华东，华中，川渝，南方七个跨省（直辖市，自治区）大电网以及山东，海南，福建，新疆，西藏等独立省（市）电网。大电网覆盖了全部城市和大部分农村。全国各主要电网，超高压500KV和330KV网架已逐步形成。一般大，中城市电网都由220KV输电网络和110KV级以下配电网络构成，担负约80%的电力的送配任务（含转送电网部分）。但由于城市经济的发展迅速，用电负荷需求量猛增，对供电的质量和可靠性要求也逐渐提高，普2遍出现城网不能充分满足各方面要求，城网严重过负荷的现象。并且由于各种原因城网建设严重滞后电源建设和负荷的发展，电网有电送不进、供不出、用不上的现象非常严重。这表明城市电网己成为制约用电市场进一步扩大的瓶颈，影响到国民经济的发展，加速城市电网建设与改造己经是当前电力工业的急迫任务。2城市电网规划的研究方法配电网规划工作要统筹兼顾、全面考虑;不仅要研究配电网络的优化设计，还要研究配电网与输电网的关系，如输配电压的选择等，以及随着负荷增长和地理分布的变化，对现有网络进行改建、扩建的时间顺序和设备参数设计等各种情况，以期取得在规划期内的网络优化设计.近年来以采用空间负荷预测方法进行供电区域内负荷增长和地理分布的预测为基础的网络规划研究比较普遍.配电网网络规划一般都采用某种运筹学方法如[2]:线性规划、整数规划、混合整数规划和动态规划等.纵观网络规划研究的历史，可以归纳为：（1）可行策略评价方法；（2）分步优化方法；（3）整体一次性优化方法；（4）多阶段整体规划方法。必须指出的是：这些网络规划方法都有一个共同的前提，即在进行网络规划之前，必须由专家给出规划期内可能建设的配电网设备最大数目、备选站址和标准容量等级等有关技术指标.一般说来备选设备数目不应低于相应优选出设备数目的1.5倍。这种处理方法的优点是它所给出的规划设计优化方案在实践中是可行的。因为在预选的过程中，已将城市地下状况、建筑条件及线路走向等各种因素都考虑在内，同时也已取得较为准确的数据。3城网规划的技术原则3.1电源选址电网规划中的电源选址主要是变电所选址。它直接影响着未来电力系统的网络结构、供电质量、经济性和供电可靠性。与变电所选址相关的因素很多，如靠近负荷中心、节约用地、少占良田、地形地质、线路走廊、交通运输、气象、防洪、防污、与城乡建设发展规划相一致等。在实际工作中，选址工作通常需要多个专业的专家共同完成。3.1.1变电所优化选址的方法变电所优化选址的方法有[3]：线性规划模型、混合整数规划法、运输模型法、交替选址一分配模型等。也有一些采用启发式方法，如遗传算法、多目标决策选址方法等，这些优化方法各有特点，但是大多是基于数学优化方法，以电力系统技术要求为主要约束条件，主要考虑工程投资、运行费用等可量化指标，较少考虑所址的地理地质等重要因素，使得优化结果难以在实际工程中直接应用。随着数据融合、模糊规划理论的发展，目前也出现了一些新的研究方法。3.1.2变电所主接线的选择变电所（包括发电厂升压变电所）电器主接线是根据电能输送和分配的要求，表示主要电气设备相互之间以及该变电所（或发电厂）与电力系统的电器连接关系，通常以单线图表示。常用的主接线方式有[4]：（1）单母线接线；图一：单母线接线（2）单母线分段接线；图二：单母线分段接线（3）单母线分段带旁路母线接线；图三：单母线带旁路母线接线（4）双母线接线；图四：双母线接线3（5）双母线单（双）分段接线；（6）双母线（分段）带旁路母线接线；（7）内外桥式接线；（8）以及3/2断路器接线，4/3断路器接线，双断路器接线，多角形接线等。图五：（a）内桥接线（b）外侨接线3.2电压等级及电网结构选择原则3.2.1电压等级和划分按照中国国家标准《标准电压》（GB156—1993）中规定：3KV及以上交流三相电力系统的标准电压等级系列3，6，10，（20）（用户要求），35，63，110，220，330，500，（750）KV。由于相邻级差不宜太小，因此上述电压等级中的35KV与63KV，63KV与110KV不宜在同一地区性电网中并存；330KV与500KV，500KV与750KV不宜在同一输电系统中并存。我国的电力系统除西北系统现采用750/330/（220）/110/（35）/10KV，东北系统现采用500/220/63/10K外，其通系统均采用500/220/110/(35)/10KV系列。按照电网结构与运行特性上的差异和部颁《城市电力网规划设计导则》规定，通常把1000KV级以上的电压称为特高压输电；330~750KV称为超高压输电；220KV称为高压输电；35~110KV称为高压配电；10~20KV为中压配电；380/220V成为低压配电。3.2.2电网结构选择原则电网结构是指输送和分配电能（包括电压变换）的各类电压等级电力线路，变压器和相应配电装置的连接或接线方式。电网由输电网和配电网组成。1、电网结构分类：电网的结构与电压等级，电源点，负荷容量与数目，地理位置以及可靠性要求等因素有关，其基本分类如下：（1）放射式(radial)，是一种最简单的电网结构，运行调度和控制最为方便，但单回线路供电可靠性不高；图六：放射式结构（2）链式，结构是放射式的扩展，但可靠性低于放射式；（3）环式，结构是有较好的可靠性与经济性，但当某一线路退出运行后，电压质量可能较差；图七：环式结构（4）多电源环式和串链式，具有多个电源的电网有环式和串链式两种常用的结构，两者均有很高的可靠性，但多个闭环结构电网的调度和控制（包括继电保护）比较复杂，短路电流水平也较高。输电网通常采用这两种结构或他们的组合，其中环式结构对各发电厂间联系较弱，运行稳定性相对较差。（5）干线式，投资最省但可靠性很差，只适用于负荷密度小，可靠性要求不高的配电网；（6）网格式，结构适用于负荷密度很大，电压质量和可靠性要求很高的城市配电网；2、现代城市电网分层分区结构选择城市电网运行的最基本要求是安全与稳定。而城市电网安全稳定的核心问题是要建立一个与该城市相适应的，合理的电网结构。现代大城市电网运行必须考虑实行分层分区的运行管理。电网分层分区是合理的生产管理和调度自动化所必须遵循的原则，是合理的电压等级配合和电源与负荷平衡的网络条件。图八：网格式结构43.2.3城市配电网配电网通常是从输电网接受电能，再分配给各用户的电网。城市配电网是指向一个城市及其郊区部分分配和供应电能的电力网。按电压等级分为高压配电网（35，63，110KV），中压配电网（0，20KV）和低压配电网（380/220V）；按线路的形式可分为架空线配电网，电缆线配电网和架空线，电缆混合配电网。1、高压配电网高压配电网是指由高压配电网线路和高压配电变电所组成的向中压配电网和用户提供电能的配电网。它为高压线路和变电所组成的电网。配电网结构如下：（1）采用架空线路时的接线方式图：a）采用同杆双回路的供电方式的两侧电源能分段的高压配电网：载流量大，沿线可以接若干变电所，但可靠性差；较上述有所改进的接线方式；图九：两侧电源能分段的高压配电网b）电缆线路支接两个变电所；c）电缆线路支接三个变电所；（2）高压变电所一次侧接线的两种方式：a）进线与主变压器的连接中省去母线甚至断路器的线路变压器组的接线；b）设置高压母线接线的配电网；图十：设置高压母线接线的配电网c）桥式接线三种；d）两回线路接三台变压器。（3）单母线四分段或六分段；图十一：单母线四分段接线的配电网2、中压配电网中压配电网是指中压配电线路和中压配电所（配电变压器）组成的向低压配电网或用户提供电能的配电网。其配电网结构如下：（1）闭环运行的电网；（2）开环运行的单环网；电缆运行率仅为50%，为提高电缆运行率，有如下两种改进方式：使环网电缆的运行率提高到近100%；（3）架空线路和电缆线路的混合网。3、低压配电网低压配电网石油低压配电线路及附属电气设备组成的直接向用户提供和分配电能的配电网。配电网结构如下：（1）架空线网一般是沿道路架设的多分段，多联络格子形网络，其原理与中压架空线电网相同；（2）放射式低压电缆网；放射形网络由中压/低压配电所，低压电缆，带分段隔离开关的开关箱和接户线分支箱组成；（3）格式网络。3.2.4供电可靠性1、N—l准则[4]：城市配电网的供电安全通常要求是采用“N—1”准则。根据2001年国家经济贸易委员会颁布的电力行业标准《电力系统安全稳定导则》（KL755—2001）中指出：“N—1”准则为：正常运行方式下的电力系统中任一元件（如线路，发电机，变压器等）无故障或因故障断开，电力系统应能维持稳定运行和正常供电，其它元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。这通常称为“N—1”准则。2、城市配电网的供电安全采用“N—1”准则[4]时的若干要求：（1）高压变电所中失去任何一回进线或一组降压变压器，必须保证向下一级配电网供电；（2）高压配电网中一条架空线或一条电缆，或变电所中一组降压变压器发生故障停运时：a）在正常情况下，除故障区段外不停电，并不得发生电压过低和设备不允许的过负荷；b）在计划停运情况下，又发生故障停运时，允