城市供配电系统设计与分析DOC.docx

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城市供配电系统设计与分析DOC

题目：

城市供配电系统设计与分析

内容摘要

供配电技术，就是研究电力的供应及分配的问题。

电力，是现代工业生产、民用住宅、及企业单位的主要能源和动力，是现代文明的物质技术基础。

没有电力，就没有国民经济的现代化。

现代社会的信息化和网络化，都是建立在电气化的基础之上的。

因此，电力公园如果突然中断，则将对这些用电部门造成严重的和深远的影响。

因此，做好供配电工作，对于保证正常的工作、学习、生活将具有十分重要的意义。

本文首先对供配电系统进行了概述，分析供配电系统的国内外研究发展现状，并在此基础上进行了负荷预测方法及特点的分析。

另外本文还对高压配电规划与中压配电规划进行了分析，主要包括规划要求以及规划过程中需要注意的问题。

关键词：

配电所；供配电；负荷预测；高压配电；中压配电

1绪论

1.1课题的背景及意义

本部分同学可以结合____供配电系统设计与分析（最好能联系能源问题、环保问题等），简要介绍论文选题的内容及研究意义，说明该研究论题具有良好的应用价值和现实意义。

1.1.1供配电系统概述

供配电系统由总降压变电所（高压配电所）、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。

下面分别介绍几种不同类型的供配电系统。

1．一次变压的供配电系统

（1）只有一个变电所的一次变压系统。

对于用电设组成较少的小型工厂或生活区，通常只设一个将6～10kV电压降为380V/220V电压的变电所，这种变电所通常称为车间变电所，图1-1a所示为装有一台电力变压器的车间变电所，图1-1b所示为装有两台电力变压器的车间变电所。

图1-1

（2）拥有高压配电所的一次变压供配电系统，一般中小型工厂，多采用6～10kV电源进线，经高压配电所将电能分配给各个车间变电所，由车间变电所再将6～10kV电压降至380V/220V，供低压用电设备使用；同时，高压用电设备直接由高压配电所的6～10kV母线供电。

高压深入负荷中心的一次变压供配电系统。

某些中小型工厂，如果本地电源电压为35kV，且工厂的各种条件允许时，可直接采用35kV作为配电电压，将35kV线路直接引入靠近负荷中心的工厂车间变电所，在由车间变电所一次变压为380/220V，供低压用电设备使用。

2．二次变压的供配电系统

大型工厂和某些电力负荷较大的中型工厂，一般采用具有总降压变电所的二次变压供电系统。

该供配电系统，一般采用35～110kV电源进线，先经过工厂总降压变电所，将35～110kV的电源电压降至6～10kV，然后经过高压配电线路将电能输送到各车间变电所，在将6～10kV的电压降至380/220V，供低压用电设备使用；高压用点设备则直接由总降压变电所的6～10kV母线供电。

这种供配电方式称为二次变压的供配电方式。

3．低压供配电系统

某些无高压用电设备且用电设备总容量较小的小型工厂，有时也直接采用380/220V低压电源进线，只需设置一个低压配电室，将电能直接分配给各车间低压用电设备使用。

1.1.2供配电系统的意义

电能是现代工业生产的主要能源和核心动力。

电能既易于由其它形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；电能的输送的分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。

因此，电能在现代工业生产及整个国民经济生活中应用极为广泛[1]。

在企业工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。

电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。

从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。

可见，做好工厂供电工作对于发展工业自动化生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。

由于能源节约是工厂供电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此做好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外供配电系统发展现状

在国外近年来一些国家的能源不是很丰富，进而导致电力资源不充足。

为了满足国内的需求，减少在网络中的损耗，这些发达国家已经形成了完善的供电设计理论，如变电站电压无功控制理论和基于模糊控制理论的变电站电压无功综合控制等理论。

发达国家通过新的设计理论改善和优化变电结构，降低变电的功率损耗，使供电运行更加节约、集约、高效。

设备方面实现了测控设备和一次设备的完全融合，即实现所谓的智能一次设备，每个对象均含有保护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能及信息库[2]。

1.2.2我国供配电系统发展现状

近年来，随着国内制造厂生产的电气设备质量的提高以及电网可靠性的增加，供配电接线日趋简化。

大量高性能的新型一次设备不断出现。

一次电气设备档次不断提高，配电装置也从传统的形式向无油化、真空开关、SF6开关和机、电组合一体化的小型设备发展。

但是工厂供电的设计中仍然存在一些问题，比如供电线路的数字化水平还比较低。

还有企业对电力能源的需求持续增长，需要建立更多的变电站以提高电力系统供电的可靠性和稳定性，然而这些变电站占地面积大。

而现在土地资源紧张，环境要求严格，使得选择变电站地址相当困难[3]。

在我国电力工业发展的过程中，长期以来存在着“重发轻供不管用”的倾向，致使大多数配电系统网架薄弱。

近年来，经济的持续发展和人民生活水平的不断提高使得配电系统的问题更加严峻。

配电系统是整个电力系统的重要组成部分。

资料显示，配电系统的投资费用大约占整个电力系统投资的40％，对于采用地下电缆的城市配电系统，这个比例更大。

而且，由于配电系统电压低且分布广，相对于输电系统有更多的线路损耗，有时高达整个系统线损的85％。

怎样通过优化规划与设计尽量降低配电系统的投资费用和运行费用，具有显著的经济意义。

另外，配电系统是电力系统到用户的最后一环，与用户的联系最紧密，配电系统的安全、可靠、经济的运行不仅关系到电力公司的经济效益，而且对于提高用户的满意度和树立良好的公司形象有着重要意义。

因此，为了找到最合理的设计方案，必须对新建和扩建的配电网进行科学的规划。

科学的规划对于指导配电网建设和改造至关重要，对电网的经济建设、合理布局以及提高供电可靠性具有重大指导意义。

1.3本文的主要内容

本文研究的是介绍供配电系统设计与分析。

全文共分为5章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章主要分析了六种负荷预测的方法及特点；

第三章主要分析了高压配电规划的要求，以及在高压配电规划过程中需要注意的问题；

第四章主要分析了中压配电规划的要求，中压配电规划的步骤，以及中压配电过程中需要注意的问题；

第五章是对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2负荷预测的方法及特点

负荷预测是从已知的用电需求出发，考虑政治、经济、气候相关因素，对未来的用电需求做出的预测。

负荷预测包括两方面的含义：

对未来需求量（功率）的预测和未来用电量（能量）的预测。

电力需求量的预测决定发电、输电、配电系统新增容量的大小；电能预测决定发电设备的类型（如调峰机组、基荷机组等）。

负荷预测的目的就是提供负荷发展状况及水平，同时确定各供电区、各规划年供用电量、供用电最大负荷和规划地区总的负荷发展水平，确定各规划年用电负荷构成[4]。

2.1单耗法

按照国家安排的产品产量、产值计划和用电单耗确定需电量。

单耗法分“产品单耗法”和“产值单耗法”两种。

采用“单耗法”预测负荷前的关键是确定适当的产品单耗或产值单耗。

从我国的实际情况来看，一般规律是产品单耗逐年上升，产值单耗逐年下降。

单耗法的优点是：

方法简单，对短期负荷预测效果较好。

缺点是：

需做大量细致的调研工作，比较笼统，很难反映现代经济、政治、气候等条件的影响。

2.2趋势外推法

当电力负荷依时间变化呈现某种上升或下降的趋势，并且无明显的季节波动，又能找到一条合适的函数曲线反映这种变化趋势时，就可以用时间t为自变量，时序数值y为因变量，建立趋势模型y＝f（t）。

当有理由相信这种趋势能够延伸到未来时，赋予变量t所需要的值，可以得到相应时刻的时间序列未来值。

这就是趋势外推法[5]。

应用趋势外推法有两个假设条件：

①假设负荷没有跳跃式变化；

②假定负荷的发展因素也决定负荷未来的发展，其条件是不变或变化不大。

选择合适的趋势模型是应用趋势外推法的重要环节，图形识别法和差分法是选择趋势模型的两种基本方法。

外推法有线性趋势预测法、对数趋势预测法、二次曲线趋势预测法、指数曲线趋势预测法、生长曲线趋势预测法。

趋势外推法的优点是：

只需要历史数据、所需的数据量较少。

缺点是：

如果负荷出现变动，会引起较大的误差。

2.3回归分析法

编制科学合理的电力规划依赖于负荷的中长期预测，多元回归方法是常见的中长期负荷预测方法。

但负荷序列是受多种因素影响的复杂非线性系统，各影响因素即自变量间往往存在多重共线性，普通最小二乘法拟合出的回归系数无法保证模型的精确性和可靠性。

为解决多重共线性的问题，可对自变量信息进行综合与筛选。

思路之一是利用主成分回归（PCR）提取的主成分（PC）进行建模。

思路之二是利用近年来新兴的偏最小二乘回归（PLSR）提取潜变量（LV）进行建模，实验表明，该模型计算快捷/准确性高，具有较强的实用性。

国家统计局相关研究表明，经济增长与用电增长具有较强的相关性，但并不是线性关系，在PCR和PLSR建模中默认自变量与因变量间是线性关系，这与实际不符。

反向传播神经网络（BPNN）能很好地逼近变量间的非线性关系，因而引入BPNN方法进行组合建模[6]。

在PCR与BPNN耦合的模型中，由PCR提供PC数，作为BPNN的输入变量，建立主成分－反向传播神经网络（PC-BPNN）预测模型；在PLSR与BPNN耦合的模型中，由PLSR提供潜变量，即LV数，作为BPNN的输入变量，建立潜变量－反向传播神经网络（LV-BPNN）预测模型。

建立各模型后，比较预测误差值来判断以PCR、PLSR为代表的线性预测模型和以PC-BPNN和LV-BPNN为代表的非线性预测模型的精度，以期找出经济发达地区经济增长与用电增长之间的关系，以及预测精度更高的中长期负荷预测模型。

2.4灰色预测法

灰色系统理论是我国学者邓聚龙教授于1982年3月在国际上首先提出来的，灰色系统理论认为任何随机过程都是在一定幅值范围、一定时区内变化的灰色量，并称随机过程为灰色过程。

尽管随机过程中所显示的现象是随机的、杂乱无章的，而其实质则是有序的、有界的，因此这一过程具有一定的潜在规律性，关键在于如何选择适当的方式去挖掘和利用它。

灰色预测就是利用这种规律建立灰色模型对灰色系统进行预测。

在预测问题中，把观察数据序列看作是随机时间变化的灰色量或过程，而不是视为一个随机过程，通过累加和累减生成逐步使灰色量白化，从而建立相对于微分方程解的模型并作出预测，在负荷预测中常用的是GM（1,1）模型。

灰色模型预测是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法[7]。

它适用于贫信息条件下的分析和预测，其优点是：

要求负荷数据少、原理简单、不考虑分布规律、不考虑变化趋势、运算方便、短期预测精度高；其缺点是：

灰色模型微分方程指数解比较适应具有指数增长趋势的负荷序列，当数据离散程度越大，即数据灰度越大，预测精度越低，为了解决这一问题，预测人员对灰色预测模型做了许多改进。

2.5人工神经网络预测法

人工神经网络理论用于短期负荷预测的研究比较多，其突出优点是它可以模仿人脑的智能化处理，对大量非结构性、非精确性规律具有自适应功能，具有信息记忆、自主学习、知识推理和优化计算的特点。

人工神经网络具有很强的自学习和复杂的非线性函数拟合能力，很适合于电力负荷预测问题，是在国际上得到认可的实用预测方法之一。

目前预测模型大多采用前馈神经网络模型，使用的训练方法为算法及其各种变种或改进方法，其预测模型结构网络的层数和神经元的个数的选取则大多凭借经验确定，人工神经网络预测方法的研究重点在于如何构成预测样本和确定网络隐含层神经元数目。

由于人工神经网络需要大量的样本进行训练，而中长期负荷历史样本数据量少，且中长期负荷预测与地区的政治和经济政策密切相关，其发展变化是一个非平稳过程，所以人工神经网络不太适应中长期负荷总量的预测[8]。

2.6模糊预测法

电力负荷受到很多不确定因素的影响，如国民经济发展的情况、国家的政策、人口的增长及气候条件等，这些因素很难用定量的方法来描述，但是其对负荷的影响又是很重要的，不能不予以考虑。

模糊理论是目前处理主观因素较重、定性数据资料不完整等不确定因素的有效方法。

它在电力系统的许多领域都得到了广泛的应用，在处理负荷预测中的不确定因素方面也取得了很好的效果。

目前模糊理论应用于电力负荷预测主要有以下三种方法：

模糊聚类法、模糊相似优先比法和模糊最大贴近度法[9]。

模糊聚类预测法的基本思想是通过对历史数据进行加工处理，提炼出负荷变化的若干典型模式，进而根据负荷相关影响因素的未来状态去判断未来负荷变化属于那一种模式，从而达到预测的目的。

这样做不仅避免了建立数学模型的困难，而且把影响负荷的各种相关因素的模糊性和信息的不确定性、不完全性都考虑进去，这是其它方法所不及的，该方法可用于短期或长期预测。

但是，当预测地区未来经济发展速度高于其历年速度时，需对该方法进行修正。

此方法要求拥有较多的历史负荷资料和环境因素资料，并要对未来的环境因素做出准确的预计，这使它的应用受到一定的限制。

模糊相似优先比预测法是用相似优先比来判断哪一种环境因素增长率与电力负荷增长率最为相似，选出该因素后，再通过待测年该因素与各历史年该因素的贴近度，选中与待测年贴近度最大的历史年，这样就可以将被选中年的电力负荷增长率作为待测年的电力负荷增长率。

模糊最大贴近度预测法的核心在于，按照一种选定的因素比较待预测地区与各参考地区的接近程度，选中与其最为贴近的地区，认为该地区相应的负荷增长率就是待预测地区对应所求的电力负荷增长率。

迄今为止，模糊数学在预测方面还没有形成完整而深刻的理论和系统的方法，还有待进一步研究与探索。

3高压配电规划

3.1高压配电规划要求

高压配电规划是各地供电企业一项不可忽视的重要工作。

进行规划前不仅要详细了解规划地区的负荷情况，了解城建部门的城镇规划和环保部门的环保要求，还要考虑近期负荷要求，兼顾中期、远期要求，并适当为未来的发展作好准备。

根据《城市电力规范》的规定，对城市高压配电网规划有如下要求：

电网规划的编制，应从调查研究现有电网入手，分析在社会主义市场经济条件下负荷增长的规律，解决电网的薄弱环节，优化电网结构，提高电网的供电能力和适应性；做到近期与远期相衔接，新建和改造相结合以及实现电网接线规范化设施标准化；在电网运行安全可靠和保证电能质量的前提下，达到电网发展，技术领先，装备先进和经济合理的目标。

根据规划地区的社会经济发展状况及电网现状情况，通常高压配电网规划的基本技术原则如下[10]：

（1）密切协调与规划地区总体规划的关系；

（2）为减少运行费用和管理费用，尽量统一变电站的规模和型号，建设标准型的变电站；

（3）导线型号尽可能标准化，输电线路的导线截面可根据经济电流密度选择；

（4）电网变电容量应参考《城市电力网规划设计导则》中容载比的有关规定值进行配置，220kV电网变压器容载比取宜1.6～1.9，110kV电网变压器容载比宜取1.8～2.1。

具体项目可参考电力平衡结果进行规划，但由于负荷分布不均衡及主变容量要求标准化等原因，为满足供电可靠性，提高供电质量，规划项目将比电力平衡结果计算的需要量更多，实际容载比可稍大于电力平衡的结果。

容载比稍大的电网初期投资略高，但适应能力强，供电可靠性高；

（5）110kV电网采用环形与放射型两种结构。

负荷密集区110kV及以上电网的安全标准尽可能符合N-1规定，单一元件故障不压减负荷，其它地区的110kV电网也应随着负荷的发展，逐步向满足N-1要求的目标过渡；

（6）无功补偿应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置，采用分散与集中补偿相结合的方式。

220kV变电站应有较多的无功调节能力，使高峰负荷时220kV侧功率因数达到0.95以上。

无功补偿容量可取主变容量的1/6～1/4。

110kV变电站内安装的电容器容量应使高峰负荷时功率因数达到0.9～0.95及以上，一般可取主变容量的1/6～1/4，并可根据运行需要进行投切；

（7）负荷密集区按110kV电压等级深入负荷中心，并逐步取消35kV电压等级的原则进行规划。

其他地区充分利用220kV变压器35kV侧变电容量，因地制宜、控制发展35kV变电站。

根据负荷发展的需要，逐步对原有35kV变电站进行升级改造。

3.2高压配电中需注意的问题

3.2.1高压变电站选址问题

高压变电站的所址选择应考虑审定的本地区电力系统远景发展规划，综合考虑网络结构、负荷分布、城建规划、土地征用、出线走廊、交通运输、水文地质、环境影响、地震烈度等因素，通过技术经济比较和经济效益分析，选择最佳方案。

其具体原则如下[11]：

（1）变电站的设立要有利于电力系统运行性能的提高，便于系统的控制和管

理：

110kV及以下变电站应接近负荷中心；

（2）充分考虑出线条件，避免或减少相互交叉跨越；

（3）注意节约用地，尽量不占或少占耕地，减少拆迁，占地面积要充分考虑最终规模的要求；

（4）交通运输方便；

（5）站址应避免对临近设施的影响，如军事设施、通讯电台、飞机场、导航台、风景旅游区等，应与相关单位或部门达成协议；

（6）站址不宜设在易燃、易爆、大气污染地区和有严重烟雾的地区；

（7）远离通信设施，避免电网发生接地故障时变电站电位升高对临近通信设施产生危险影响，无法远离时应通过计算和试验，必要时采取措施，实施由双方协商确定；

（8）充分考虑地质条件、防洪、防震等有关规定；

（9）对于城市变电站而言，要求容量大、占地少、可靠性高、外形美观、噪音小和建设费用适当。

3.2.2进出线通道规划问题

电网规划中所涉及的高压输电线路走廊为35kV及以上电力线路走廊。

按照地区总体规划，统筹安排市政高压输电线路走廊及电缆通道的定线和用地。

确定的高压走廊范围内不能有任何建筑物，电缆通道经过位置的地下不能有任何管网等市政设施[12]。

（1）城市中心地区110kV线路可在资金到位的情况考虑采用电缆暗敷；

（2）架空线路应根据城市地形、地貌特点和城市道路规划要求，沿山体、河渠、绿化带、道路架设，路径选择宜短捷、顺直，减少同水渠、道路、铁路的交叉。

对110kV及以上的电力线路应规划专用高压输电线路走廊，并应加以控制和保护。

架空线路尽可能沿高压走廊集中架设；

（3）架空线路不宜沿山脊线架设；

（4）架空线路应避开易燃易爆危险区；

（5）新建架空线路走廊位置不应选择在极具发展潜力的地区，应尽可能避开现状发展区、公共体憩用地、环境易受破坏地区、或严重影响景观的地区。

电缆通道一般电力电缆通道沿道路东侧、南侧人行道或绿化带布置。

在负荷密度高、电缆集中的城市中心地段，可采用电缆隧道。

城市主、次干道及集中出线处应设置电缆管道，电缆管道应采用隐蔽式。

4中压配电规划

4.1引言

中压配电网络规划是电力网施工设计最基本的依据和基础。

它必须在城市供电总体规划和区域电力系统的基础上进行。

首先要保证供电系统安全可靠运行，同时要考虑社会效益、经济效益，讲求综合投资效果，远期目标和近期目标相结合，技术上先进可靠，布局经济合理，满足不同用户的需求，并适应用电负荷的增长。

4.2主电路设计中压配电网络规划的步骤

其中可包括规划的原则和目标、规划区负荷预测、变电站的选址和定容、规划方案的确定等。

规划区中压配电网规划方案除了要满足供电的安全性与可靠性、运行及投资的经济性以及电力供需平衡等要求外，中压配电网规划依然存在着许多不确定性。

因此，最优方案的判别不仅仅以一种既定条件下的经济性和供电质量为主要目标，还应重视规划方案对环境和未来变化的适应性。

中压配电网络规划是电力网施工设计最基本的依据和基础,它必须在城市供电总体规划和区域电网布局的基础上进行。

首先要保证供电系统安全可靠运行,同时要考虑社会效益、经济效益,讲求综合投资效果,远期目标和近期目标相结合,技术上先进可靠,布局经济合理,满足不同用户的需求,并适应用电负荷的增长。

4.2.1明确中压配电网规划的原则和目标

中压配电网规划应遵循《城市电力网规划设计导则》以及各地区城市电网规划规范与相关原则。

中压配电网需适应本地区电网的发展,即中压配电网的规划要与高压配电网和低压配电网的发展相协调。

中压配电网规划应定位于远期规划,根据需要,可制定近期的过渡性规划,但必须与远期规划相协调,在保证电网的安全、可靠的前提下,使配电网络的投资费用降至最低[13]。

4.2.2规划区的功能区分和中长期建设规划

根据规划区的用地规划,可将规划区划分成用地性质相同的小块和用地性质不同的小块,再根据规划配套的要求,加以分析。

一个规划区根据不同的功能大致可分为居住用地、公共设施用地（行政办公、商业金融、文化娱乐、体育、医疗卫生、教育科研设计用地等）、道路广场用地、绿地等,规划人员可对每一种用地性质的规划区块单独分析。

4.2.3规划区负荷预测

规划区负荷预测是整个规划区规划工作中最为关键的工作之一,其目的就是尽可能准确的预测规划区远期负荷及负荷分布情况。

一般采用比较实用的负荷分布预测方法———功能区负荷密度指标法。

所谓负荷密度指标法,是根据规划区内各地块的用地性质,采用类比的方式确定地块单位建筑面积负荷指标,进而对地块负荷进行测算。

在这种方法中,规划地块用地性质分析以及负荷指标的确定是整个预测工作的关键[14]。

4.2.4规划区变电站的选址和容量的确定

10kV中压配电网规划中,既要考虑中压10kV配电变电站（变压器）的位置与容量选择,又要考虑35kV或110kV高压配电变电站的选址和容量。

可以根据规划区的负荷分布预测结果,采用分区分片的方法,首先确定各10kV配电变电站的容量和位置,然后利用规划软件的优化计算,确定35kV或110kV高压配电变电站的容量和位置以及高压配电变电站的供电范围,可根据需要形成2～3个较优的变电站选址方案。

其中,既要考虑供电的经济性,又要考虑供电半径的限制。

对于城市变电站而言,要求容量大,占地少,可靠性高,外形美观,噪音小和建设费用适当。

这些要求需从简化接线,优化变电站容量,提高设备运行率以及选择变电站的布置和设备的可扩展性等方面实现。

中压配电变电站选址原则除了遵循《城市电力网规划设计导则》以及各地的城市电网规划规范外,更要考虑规划区自身的特点,如在负荷密度不高的居民区,宜采用小容量配电变压器；反之,对于负荷密度较高的商业区,则容量大于800kVA的配电变电站优势更大[15]。

在中压配电变电站选址过程中,应注意以下几个问题:

（1）由于负荷预测存在不确定性,因此中压配电变电站选址和容量的选择应能满足负荷的不确定性变化需求,也就是说要求规划方案应能够适应不同的负荷增长水平。

（2）站址应尽量靠近负荷中心,以不破坏环境为宜,站址的确定要经过有关市政规划部门的同意后方可继续进行配电网规划。

（3）站址的选择应考虑小区周边的环境情况以及上一级电源的情况（如电压等级的协调）,使之与周边环境相协调、与高压配电网相协调。

4.3某客运中心的中压配电网规划

某客运中心面积为128公顷,远期总负荷为53.15～61.26MW,平均负荷密度为41.52～4