220 kV 变电站低压侧电压等级选择研究

丁 诚

(连云港供电公司，江苏连云港 222004)

随着城市负荷密度的不断增大，110 kV 变电站布点间距缩小，10 kV 电网可直接覆盖，35 kV 公用电网的作用将逐渐削弱，未来35 kV 公用电网的规模也将不断减小。基于这种情况，新建及改造的220 kV 变电站变比较多选用220/110/10 kV，以充分利用220 kV 变电站的10 kV 间隔出线，优化中压电源点布局。但是对于中小型工业用户，仍然适合采用35 kV 电压等级的专线供电[1-4]。

1 电网发展成本费用模型

1.1 模型假设

设定在一个理想的圆形供电区域，负荷均匀分布，由1 座220 kV 变电站供电，位于圆形供电区域的圆心。220 kV 变电站容量为2×180 MV·A，考虑1.8的容载比，负荷为200 MW。圆形供电区域的面积根据负荷密度变化而变化。在确定负荷密度后，在35 kV 负荷所占比例变化的条件下，分别计算2 种方案的综合费用。总费用有初始投资费用、网损费用和运行维护费用3 部分组成。采用“现值转年值法”，按照“最小年费用法”对2 种方案的综合费用进行比较，目标函数[5，6]：

式（1）中：Fn为平均分布在n年内整个系统的年费用；Z为网络的初始投资；ns为网络的经济使用年限，取20年；r0为电力工业的投资回报率，现阶段取10%；Eloss为网损费用；Ers为运行维护费用。

1.2 计算条件

（1）220 kV 电 网。220 kV 变 电 站 变 比为220/110/35 kV时，35 kV 间隔为12个；220 kV 变 电站变比为220/110/10 kV时，10 kV 间隔为24个。

（2）110 kV 电网。110 kV 容载比为2.0。110 kV变电站容量为2×50 MV·A，变比为110/10 kV，10 kV 间隔为24个。每座110 kV 变电站进线为2 条，需要占用220 kV 变电站的2个110 kV 间隔。

（3）35 kV 电网。35 kV 负荷均为专用负荷，仅作为负荷点。每条35 kV 线路限额电流为400 A，极限输送容量为23 MW，取负载率为70%，输送容量为16 MW。每条线路即为一个负荷点。

（4）10 kV 电网。每条10 kV 线路限额电流为400 A，极限输送容量为6.6 MW，专线负载率取70%，输送容量为4.6 MW；公线负载率取50%，输送容量为3.3 MW。

（5）35 kV 负荷比例。在220 kV 变电站变比为220/110/35 kV时，35 kV 负荷由220 kV 变电站供电；在220 kV 变电站变比为220/110/10 kV时，则假定的35 kV 负荷由10 kV 专线供电，随机由220 kV 和110 kV变电站供电。35 kV 负荷的比例为20%，30%，40%，50%，60%，70%。

（6）供电半径计算。考虑负荷均匀分布，220 kV 变电站到每座110 kV 变电站为等距离，每座110 kV 变电站的供电区域的面积也相等，并近似为圆形。

在220 kV 变电站变比为220/110/35 kV时，110 kV变电站划分供电区域不考虑220 kV 变电站，即110 kV变电站供电面积=供电总面积/110 kV 变电站座数，每条110 kV 线路的长度可以近似等于110 kV 变电站供电区域的半径。每条10 kV 线路的长度等于110 kV 变电站供电区域的半径。

在220 kV 变电站变比为220/110/10 kV时，110 kV变电站划分供电区域需要考虑220 kV 变电站，即110 kV 变电站供电面积=供电总面积/（110 kV 变电站座数+1），所以每条110 kV 线路的长度可以近似等于110 kV 变电站供电区域的半径的2 倍。每条10 kV 线路的长度等于110 kV 变电站供电区域的半径。同理，每条35 kV 线路的长度为35 kV 负荷点面积的半径。

（7）投资单价。220 kV 变电站的单价为12 000万/ 座，110 kV 间隔的机会成本为1000 万元/个；110 kV 变电站的单价为5000 万元/ 座；110 kV 电缆线路的单价为300 万元/km；35 kV 电缆线路的单价为200万/km；10 kV 电缆线路单价为100 万元/km。

2 算例分析

以负荷密度10 MW/km2为例。首先确定供电区域总面积为20 km2，半径为2.5 km，分别考虑35 kV 负荷的比例为20%，30%，40%，50%，60%，70%。

2.1 方案A

220 kV 变电站变比为220/110/35 kV。

2.1.1 初始投资

（1）根据35 kV 用户负荷计算110 kV 变电站降压负荷，110 kV 变电站降压负荷=供电区域总负荷-35 kV 负荷，然后根据容载比（110 kV 容载比取2.0）计算出所需的110 kV 变电容量及主变台数，最后确定所需的110 kV 变电站座数。1 座110 kV 变电站需2 条110 kV 进线，需占用2个110 kV 间隔。根据110 kV 变电站座数及供电半径计算所需110 kV 线路的工程量。

（2）根据35 kV 用户负荷确定35 kV 线路条数，供电半径计算所需35 kV 线路的工程量。

（3）根据10 kV 总负荷，确定需要的10 kV 公用线路总条数。然后根据110 kV 变电站的数量确定110 kV 变电站的供电半径，计算出10 kV 主干线总长度。方案A 初始投资费用的计算过程及结果如表1 所示。

由表1 可见，随着35 kV 负荷的增加，初始投资费用会减少，主要原因是由于10 kV 负荷比例的降低，110 kV 电网的投资减少。

2.1.2 运行维护费用

为简单计算，年运行维护费用取初始投资的8%。方案A 运行维护费用的计算结果如表2 所示。

2.1.3 网损费用

线路损耗电量计算公式：

式（2）中：I为线路的最大电流；r为线路的导线电阻率；L为线路的主干线长度；τmax为最大负荷损耗小时数。

方案A的网损费用的计算结果如表3 所示。

2.1.4 总费用

方案A 总费用的计算结果如表4 所示。由表4 可见，初始投资的费用所占比例最大，超过了60%。

2.2 方案B

220 kV 变电站变比为220/110/10 kV。

2.2.1 初始投资

（1）将220 kV变电站视为1座容量为2×50 MV·A的110 kV 变电站，供电负荷为50 MW，110 kV变电站降压负荷=供电区域总负荷-50 MW，然后根据容载比（110 kV 容载比取2.0）计算出所需的110 kV变电容量及主变台数，最后确定所需的110 kV 变电站座数。1 座110 kV 变电站需要2 条110 kV 进线，需要占用2个110 kV 间隔。根据110 kV 变电站座数及供电半径计算所需110 kV 线路的工程量。

表1 方案A 初始投资

表2 方案A 运行维护费用

（2）10 kV 专线负荷，即为方案A的35 kV 负荷，由10 kV 电压等级的专用线路供电，根据110 kV 变电站的数量确定，确定110 kV 变电站的供电半径，计算出10 kV 专线总长度。

表3 方案A 网损费用

表4 方案A 总费用

（3）确定10 kV 公用负荷，10 kV 公用负荷=供电区域总负荷-10 kV 专线负荷，根据10 kV 公用负荷，确定需要的10 kV 公用线路总条数。然后根据110 kV变电站的数量确定，确定110 kV 变电站的供电半径，计算出10 kV 主干线总长度。

方案B的初始投资费用的计算过程及结果如表5所示。

由表5 可见，方案B的初始投资变化较小，主要原因是由于110 kV 变电站座数一直维持不变。

2.2.2 运行维护费用为简单计算，年运行维护费用取初始投资的8%。方案B 运行维护费用的计算结果如表6 所示。

2.2.3 网损费用计算公式同本文2.1.3 节的式（2）。方案B 网损费用的计算结果如表7 所示。

2.2.4 总费用

方案B 总费用的计算结果如表8 所示。

由表8 可见，初始投资费用所占的比例最大，超过了60%。

2.3 经济性比较

重复以上步骤分别计算不同负荷密度下的综合费用并比较结果，不同负荷密度下2个方案总费用的对比结果如表9 所示。

表5 方案B 初始投资

表6 方案B 运行维护费用

（1）无论负荷密度如何变化，35 kV 用户负荷所占比例在40%～50%出现拐点，当35 kV 用户负荷小于拐点时，方案A 投资大于方案B 投资，此时选择方案B 更经济；当35 kV 用户负荷大于拐点时，方案B投资大于方案A 投资，此时选择方案A 更经济。

表7 方案B 网损费用

表8 方案B 总费用

表9 不同负荷密度下两种方案的总费用

（2）方案A 费用随着35 kV 用户负荷所占比例的增大而降低的较为明显；而方案B 费用变化则很小。

（3）考虑到35 kV 负荷具有一定的偶然性，采用方案A 存在一定的风险。在不能确定35 kV 负荷的情况下，采用方案B 则可以有效地规避风险。

3 结束语

通过建立电网发展最小费用模型，针对不同负荷密度，在35 kV 负荷所占比例变化的条件下，分别计算2 种方案的综合费用。得出了以下结论：在确定35 kV负荷所占比例可以达到40%以上时，建议220 kV 变电站低压侧采用35 kV 电压等级；否则，建议采用10 kV 电压等级。

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