配电网规划及主要原则.docx
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配电网规划及主要原则
配电网规划及主要原则
配电网规划的主要原则
城市电网规划以城市总体发展规划为依据，强调其整体及长期的合理性和适应性。
一些影响整个电网结构的技术原则，如电压等级、可靠性、变压器负载率、变电所最佳容量、一次接线方式和电网允许短路容量等，都应遵循既定“原则”，同时在具体条件下应有适当的灵活性。
因为我国城市规模和经济发展程度相差悬殊，情况各有不同，另外，技术原则本身也受时间、地域、社会经济、科学文化和电力工业状况诸因素的影响和制约，所以，要强调“原则”，但要把“原则”看成随时代而进步、发展的结果。
这点应是讨论下面各条原则的出发点。
一、城市电网电压等级
目前，我国省会城市和沿海大中城市基本上已建成220kV超高压外环网或双网，经过多年的改造，基本上形成了220/110（66）/10/0.38kV或220/35/10/0.38kV四级输配电压，一般称220kV为送电电压，110、66、35kV为高压配电电压，10kV为中压配电电压，380/220V为低压配电电压。
各级电压电网的功能因城市规模不同而异。
电压等级是根据技术经济综合论证确定的，它和国家的经济发展，尤其是电气设备制造技术水平密切相关。
由于城市经济的迅速发展，电力负荷大幅度上升，有的城市负荷密度已达3～4万kW/km2，个别小区高达几十万kW/km2。
所以，增大配电网容量是目前城网的突出任务，其中提高城网配电电压成为大家关注的问题。
尽量简化城网的变压层次，有利于提高电网运行的经济效益和可靠性。
同一电网各级电压要匹配合理，相邻两级电压差不应太小，此外还要考虑变压器容量大小的协调，以免上一级变电站因容量太大而使低压侧出线多而发生困难。
二、供电配电系统的可靠性
供、配电可靠性是指对用户连续供电的可靠程度。
在城网规划中，应从满足电网供电安全准则和满足用户用电要求两方面来考核。
（1）我国规定城市配电网必须满足“N—1”准则，具体是指：
高压变电所中失去任一回进线或一组降压变压器时，必须保证向下一级配电网供电；
高压配电网中一条架空线或一条电缆，变电所中一组降压变压器发生故障停运时，在正常情况下，除故障外处不停电，不得发生电压过低，不允许设备过负荷，在计划停运情况下，又发生故障停运时，允许部分停电，但应在规定时间内恢复供电；
低压电网中当一台变压器或电网发生故障时，允许部分停电，但应尽快将完好的区段在规定时间内切换至邻近电网恢复供电。
（2）对满足用户用电程度的规定是：
两回路供电的用户，失去一回路后，应不停电；
三回路供电的用户，失去一回路后，应不停电，再失去一回路后，应满足50%～70%用电；
一回路和多回路供电的用户电源全停电时，恢复供电的目标时间为一回路故障处理时间；
开环网络中的用户，环网故障时需通过电网操作恢复供电的，其目标时间为操作所需时间。
确定具体目标时间原则是：
负荷愈大的用户，目标时间应愈短。
可分阶段规定目标时间。
由于考虑到我国各地区电网情况差别较大，以上规定中没有统一的量化标准。
实际上，许多城网已按量化指标进行考核评估，如配电网的可靠性评估指标有：
LSCN——电源及输电设备全部正常时电网供电能力（MW）；
FTR——电网储备系数
，Lmax为电网最大预测负荷；
LOLE——电网缺电时间期望值（天/年）；
EENS——电网电量不足期望值（kWh/年）；
FLOL——电网缺电频率（次/年）。
（3）配电网可靠性的评估指标有：
各负荷点、馈线、变电所及系统的缺电时间期望值LOLE、电量不足期望值EENS；
与用户有关的系统平均断电频率【SAIFI，次/（户·年）】、系统年平均断电时间【SAIDI，小时/（户·年）】、用户平均断电频率【CAIFI，次/（户·年）】、平均供电可用率（ASAI，％）和平均电量不足【AENS，kWh次/（户·年）】。
由于资金短缺、缺乏远景规划等原因，我国城网建设普遍滞后于经济发展，也滞后于电源建设。
设备陈旧、供电容量不足、网架结构不合理，导致事故率高，可靠性指标低。
做好城网网架结构是提高供电质量的根本性措施。
通常，在确定网架方案时不仅要校核“N—1”准则，还应按送、配电网络分别计算其它可靠性指标，根据计算结果来修改接线方式和网架结构，使规划网架能达到较高的可靠性指标。
三、降压变压器负荷率取值
变压器负荷率又称运行率，是影响变压器容量、台数和电网结构的重要参数。
其值为
（1–1）
国内和国外对T的取值大小有两种观点和两种做法，一种认为T值取得大为好，下称高负荷率；另一种则相反，称为低负荷率。
下面就这两种观点分别进行讨论分析。
3.1.关于高负荷率
T的具体取值和变电所中变压器台数N有关，当N＝2时，T＝65％；N＝3时，T＝87％（近似值）；N＝4时，T＝100％（近似值）。
根据变压器负荷能力中的绝缘老化理论，允许变压器短时间过负荷而不会影响变压器的使用寿命，大体取过负荷倍数为1.3时，延续时间2h。
按“N—1”准则，当变电所中有一台变压器因故障停运时，剩余变压器必须承担全部负荷而过负荷运行，过负荷率为1.3。
所以，不同变压器台数的T值不同，台数增多，T值增大。
提高T值能充分发挥电网中设备的利用率，减少电网建设投资，降低变压器损耗。
变压器取高负荷率时，为了保证系统的可靠供电，在变压所的低压侧应有足够容量的联络线，在2h之内经过操作把变压器过负荷部分通过联络线转移至相邻变电所。
联络线容量为
L=（K－1）P（N－1）（1–2）
式中，K——变压器短时过负荷倍数；
P——单台变压器额定容量；
N——变压所中变压器台数。
3.2.关于低负荷率
变压器负荷率T的取值和变电站中变压器台数N的关系是：
N＝2时，T＝50％；N＝3时，T＝67％（近似值）；N＝4时，T＝75％。
这种观点与前者截然不同，当变电所中有一台变压器因故障停运时，剩余变压器承担全部负荷而不过负荷，因此无需在相邻变电所的低压侧建立联络线、负荷切换操作都在本变电所内完成。
香港和日本东京的城网中降压变压器均取低负荷率。
对变压器负荷取值的不同看法产生了设计观念和对经济评价准则上的差别。
90年代初，我国个别城市主张采用低负荷率。
为了使论证的计算方案有可比性、普遍性和尽可能与实际电网接近，取计算方案的电网覆盖面积为100km2的方形，内有两个电源，供电区的负荷密度分别取1万，1.5万，2.0万，2.5万，……，5万kW/km2各负荷水平，计算网络包括两级电压，上下两级变压器不同负荷率和不同变压器台数的组合方案见表1–1，采用静态优化模型，共算了360多个方案，各个计算网络的可靠性指标靠近。
以上是按新建电网进行计算比较的，在实际上会遇到另一种情况，即对已运行的变电所增容扩建，对网架不需要作重大改变，只需增加变电所容量（加大单台变压器容量或增加变压器台数）和相应的配电线路。
针对这种情况也作了各种方案，进行计算比较。
经过大量计算后可归纳出以下几点：
（1）关于投资。
按新建电网计算，高负荷率时的电网总投资比低负荷率的总投资节省，35kV电网平均相差10％，220kV电网平均投资相差不到5％。
按变电所增容扩建计算，既有高负荷率时电网投资比低负荷率的投资省的，也有低负荷率时电网投资比高负荷率的投资省的情况，这取决于变电所中变压器的台数，有3台变压器时出现后一种情况。
大量的计算数据证明了在大多数（不是全部）情况下高负荷率比低负荷率有较高的经济效益，这正是许多人主张取高负荷率的理由。
（2）低负荷率时的电网网损比高负荷率时小5%～15%。
表1–1变压器组合方案
变电站中主变压器台数（台）
变压器负荷率
220
kV
110
kV
35
kV
1
2
3
4
220
kV
110kV
35kV
220
kV
110kV
35kV
220
kV
110kV
35kV
220
kV
110kV
35kV
2
2
2
低
低
低
低
高
高
高
低
低
高
高
高
2
3
3
低
低
低
低
高
高
高
低
低
高
高
高
3
3
3
低
低
低
低
高
高
高
低
低
高
高
高
3
4
4
低
低
低
低
高
高
高
低
低
高
高
高
4
4
4
低
低
低
低
高
高
高
低
低
高
高
高
（3）低负荷率平时的电网供电可靠性高于高负荷率的可靠性。
如当一台变压器故障时，只要在本变电所内进行转移负荷操作，无需求助于临近变电所，故称为纵向备用，也不会因外部转移负荷有困难而延长停电时间。
而且，误操作事故率高于设备事故率。
（4）高负荷时，需要在变电所之间建立联络线，以备必要时转移负荷，其容量按式（1–2）计算，若变电所容量为3×24万kVA，变压器过负荷倍数为1.3，则联络线的通道要比征用一个变电所址困难得多。
所以城市规划部门很赞成变压器取低负荷率。
（5）低负荷率时，电网有更强的适应性和灵活性，对于经济发展迅速、人口密度大和用电标准高的城市是可取的。
（6）高负荷密度城市取高负荷率时经济优势逐渐减弱，也说明高负荷密度区宜建大容量变电所。
（7）变压器取低负荷率是简化网络接线的必要条件，对城网自动化有利。
由于我国各城市的具体情况相差甚远，社会经济发展程度不同，原有电网基础也不同，同时人们对经济性和可靠性的评估准则也不尽相同，不能对负荷率的两种取值哪种优、哪种劣简单下结论。
可参考上述分析，结合本地区实际条件，因地制宜。
在我国，降压变压器取低负荷率还是新观念，需要在实践中加以验证。
四、变电所最佳容量及变压器台数
变电所容量和变压器台数是影响城网结构、可靠性和经济性的又一个重要因素。
变电所容量和台数不同，网内变电所总数、变电所的主接线形式和系统的接线方式也就不同，也必然对电网的经济性和可靠性产生不同影响。
4.1.国外情况
变压器容量和一次侧电压有密切关系，也即变电所容量和它所在电网功能相适应。
据15个国家统计，输送电系统中的单台变压器变化范围很大，如40kV电压的电网中变压器容量为240～770MVA，而送配电系统的单台变压器容量变化范围要小得多。
用另一个概念来说，即电压等级高，变电所密度低，变压器容量大；电压等级低，变电所密度高，变压器容量小。
另外，还有一些因素影响变压器容量大小的选择，如单位容量（MVA）费用、系统短路容量、运输条件和安装环境等。
变电所密度和容量还与负荷密度及其增长率、变压器的负荷率等因素有关，高负荷密度地区需要建造多而大的变电所，这是众所周知的。
负荷增大速度是选择变电所容量的重要依据。
国外普遍掌握的原则是：
开始阶段，负荷密度小时多用较大容量变压器。
若变压器低负荷率运行，单位变电容量（MW）费用大于高负荷率运行变压器；若用小容量变压器，提高变压器负荷率，能降低成本。
选择大容量还是小容量变压器，关键看负荷增长率，负荷增长大的地区若选用小容量变压器，必然很快被大容量变压器所代，是不经济的。
4.2.论证计算
供电容量不足几乎是当前我国所有城网都存在的问题，增加降压容量是解决供需矛盾的位移措施。
在具体实施时可采用不同方式增容，多布点，多建新的降压站，也可采取增加布点和扩容相结合的方法。
但是，布多少点为合适，变电所扩建到多大规模，几台变压器为最好，迫切需要一个科学的回答。
下面将对论证的基本思路及以上参数的计算进行简单的介绍。
4.2.1.基本思路
假如要对某城网220kV系统增容，所选变电所规模大或小将直接影响该级电压变电所的数量和变压器的台数，从而影响该级电压电网连接；同时，上一级电压的这种决策差异必然导致下一级110kV（或35kV）电网中变电所数量、变压器容量和台数以及电网接线的变化。
这个简单明了的例子说明变电所规模受众多因素的影响和制约，这就要求我们必须从整体角度来考察变电所的作用和效果，变电所最佳容量和最佳变压器台数取决于许多因素，而不是简单的单一参数。
4.2.2.几个参数计算
模型应忠实地表达上述基本思路，把有关的因素尽可能多地反映在模型里，使求得的解更接近实际。
（1）电路电压降
一条线路被负荷支线分成几段时全线电压降为
（1–3）
其中百分数为
（1–4）
式中，r，x——单位长度线路的电阻和电抗，Ω/km；
U——线路电压，kV；
li——线路第i段的长度，km；
Si——通过第i段线路的电力负荷，kVA；
cosφ——负荷功率因数。
定义线路电压降为1％时的负荷矩为H，即
（1–5）
把式（1–4）代入式（1–5）得
（1–6）
称H为单位电压调整常数，因为当线路的导线截面、功率因数和电压确定后，它的值和电压调整百分数、线路长度、线路负荷大小无关，其单位为km·kVA。
（2）线路负荷分配
线路电压降不仅只与线路长度、线路负荷大小、线路电路参数和功率因数有关，还与线路的沿线负荷分配情况有密切关系，现定一参数，称负荷分配系数LDF，其值为
（1–7）
把式（1–5）代入式（1–7）得
这是一个描述线路沿线负荷分配情况的参数，其值大小反映负荷分配状况，也可以用它来计算线路的电压损失和功率损耗。
线路负荷的分配情况是多种多样的，但计算时不外乎两种方式：
一种是沿线均匀分配；另一种是不均匀分配。
后者又分为两种情况：
首端负荷密，末端稀，从首端至末端逐渐递减；末端负荷密，从首端至末端逐渐递增。
对负荷沿线均匀分配的辐射式网络，宜用下式，即
～2（1–8）
式（1–8）对三种分配方式都适用。
对首端密、末端稀的不均匀分配电网，宜用
～1.5（1–9）
对首端稀、末端密的不均匀分配电网，宜用
（1–10）
式中，n——从干线引下的支线数。
在实际应用时，n是可以按具体电网预先确定的，LDF值随之而定。
（3）变电所和线路投资费计算
（1–11）
式中，Css——变电所投资费；
f——每个进出线间隔建设费；
nf——进出线间隔数；
e和g——根据本国变电所的费用—容量统计数据线性化处理后得到的常数。
由于一次变电所和二次变电所每个进线间隔和出线间隔的建设费用有较大的差别，故应分别计算，但为了简化计算，也可把两者归并为一个模型，即
Cl＝CfL（1–12）
式中，Cl——线路建设费；
Cf——每公里线路建设费。
（4）变压器功率损耗费计算
变压器的铁损和铜损可用线性模型来计算。
变压器铁损为
（1–13）
变压器满负荷时铜损为
（1–14）
系数
、
、
和
根据实际应用变压器的损耗数据经线性化处理后求得，
和
的单位为kW，
和
的单位为kW/kVA。
（5）变压器能耗费计算
变压器能耗按下式计算
（1–15）
式中，Et——一台变压器的能耗，kWh；
UF——变压器利用系数；
LF——负荷损耗系数，其经验公式为LF＝a（Lf）2+bLf，其中Lf为负荷系数，
，输电系统a＝0.3，配电系统a＝0.15。
当供电系统有ns个变电站，每变电站有nt台变压器时，变压器的总能耗为
Est＝nsntEt（1–16）
折算投资费为
（1–17）
式中，Ct——为了补偿年能耗Est所需要的投资；
Cs——单位电能费用；
C——投资效益系数，含折旧费、维修费和利润。
式（1–17）可改写为另一种形式。
设供电区面积A内有ns座变电站，每座变电站容量为S，其对应供电面积为as，则有
（1–18）
和
（1–19）
式中，D——负荷密度，万kW/km2；
UF——变压器负荷率或利用系数；
DF——负荷差异系数，DF＝各变电所的最大负荷之和/供电区A的最大负荷；
PF——变电所平均功率因数。
将式（1–13）～式（1–16）和式（1–18）、式（1–19）代入式（1–17）并经过运算，即得计算变压器投资费的另一形式为
（1–20）
其中
（6）线路损耗费计算
这里分别计算一次干线和二次支、干线的损耗。
假定线路供电面积为L×2b的矩形，负荷为均匀分配，如图1–1（a）所示。
二次干线总功率损耗为
Pms＝K2Laf（1–21）
其中
（1–22）
式中，af——一回二次干线路供电区面积；
L——二次干线长度。
通过支线的功率为
（1–23）
式中，l——二次支线之间的距离；
b——二次支线长度，b＝af/2L，如图1–1（a）所示。
经过计算得二次支线上的总功率损耗为
（1–24）
图1–1一、二次干线负荷分布示意图
（a）二次干线负荷分布；（b）一次干线供电区
若二次干线和二次支线有相同的n，且负荷为均匀分配，则式（1–24）中的
和式（1–22）中的
相等。
二次干线和二次支线的总功率损耗为Pms+Pss，相应的电能损耗为
（1–25）
折算到投资费为
（1–26）
一次配电线的损耗和投资费用计算类似于二次配电线的损耗和投资计算。
af、b和L各代表与前相同的含义。
Rs为二次变电所的供电半径，则
（1–27）
一次配电干线的供电区，如图1–1（b）所示，有
一次配电线的能耗折算成投资费为
（1–28）
五、城网一次接线方式
城网接线是整个电力系统中的重要组成部分，它吸收全国主网约80%的电量，所以城网接线与主系统运行有着密切的关系。
城网接线包括变电所接线和网络接线两部分（有的城网还要考虑发电机上网接线方式），而每一部分接线方式又取决于它所取的电压等级、电网的功能及其在系统中的地位。
城网供配电能力是当前评价城网的首要指标。
近几年来，随着改革开放的深入，城市经济繁荣，第三产业迅速发展，人们生活水平明显提高，家用电器大量增加，许多城市市区用电负荷增长速度高于送配电网建设增长，但城网的送配电能力明显低于发、用电容量增长，成了电力流通环节的“瓶颈”。
供电可靠性是评价城网的又一重要指标，一旦用电量达到“温饱”水平之后。
人们对供电的可靠性意识会越来越强。
因为城市建筑日趋向高空发展，大量超高层建筑的出现，以计算机和现代通信为代表的大量现代化信息、控制网络的应用和发展，以及居民对电的依赖程度的日益增加，这些都对城网供电可靠性和电能质量提出了更高要求。
电网接线方式是决定可靠性的重要因素。
此外，电网的灵活性、建设投资、占用空间、环境保护和城网自动化技术推广应用等等都是评价城网接线方式的重要指标，对具体接线起重要作用。
六、城网短路容量
近10多年来，城乡电网有了很大发展。
目前，省会城市和沿海大城市基本上已建成了220kV超高压外环网或从环网，一批220kV或110kV高压变电所深入市区，大大增强了市区电网的供电能力。
由于城网的发展，各级电压的短路容量不断增大，不少城网已出现短路容量超过断路器开断能力的现象，这是很危险的。
根据我国目前的设备制造水平，认为各级电压电网的最大短路电流不应超过以下值：
电压（kV）220110663510
短路电流（kA）50252524.716～20.2
短路容量（MVA）190004800028001500250～350
如果城市电网的短路容量超过上述规定，应采取各种限制措施。
（1）在保证可靠性的前提下，选择合适的网络结构。
这是城网规划时可采取的最有效
的措施，其中有：
城网分片运行，使每片的电源负荷基本平衡，既能独立运行又能相互支援。
环型接线，开环运行。
环型接线是为了提高供电可靠性，但当电网变电容量增大之
后，电网的短路容量超过开关设备的允许短路容量，所以在正常运行应把环打开，发生故障时闭环。
简化接线。
终端变电所尽量采用线路变压器组接线，既能降低短路容量，又能节省
建设投资。
减少中间变电所数量，也能有效地减少短路容量。
变电所母线分段运行，辐射式供电。
（2）含发电厂的城网，把发电机直接接到负荷中心，减少网中潮流。
（3）选用合适容量的变压器、高阻抗变压器或分裂绕组变压器等。
（4）变压器低压侧装母线电抗器等。
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