西安市饱和负荷下的330 kV电网发展研究

姜山，魏磊，胡晓菁，姜宁

（国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安　710065）

西安市饱和负荷下的330 kV电网发展研究

姜山，魏磊，胡晓菁，姜宁

（国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安710065）

本文结合西安市的负荷变化规律和趋势，分析了西安市未来饱和负荷值及负荷密度。根据饱和负荷预测的结果，提出西安市饱和年330 kV变电站需要变电容量、台数，并对各电压等级之间的协调配合问题进行了讨论，为西安电网未来的规划提供参考。

西安电网；饱和负荷；330 kV电网

电网是国民经济的基础设施，是国家能源安全的重要组成部分。西安电网经过“十一五”时期及“十二五”初期的建设与改造，现有的330 kV电网已经形成了双环网结构，同时750 kV变电站也已经在西安地区落地，满足地区电力需求。

西安中心城区正处于建设改造实施的关键阶段，区域内开发密度、开发强度较以往均大幅提高。本文首先分析西安电网辖区范围内负荷的变化规律和趋势，预测西安市饱和负荷水平。根据西安地区负荷预测成果，提出西安市未来330 kV变电站需求，并对主变台数、容量以及上下级电网的协调问题进行讨论，为西安电网的未来的规划提供参考。

1　饱和年负荷分析

截止2014年底，西安市全社会用电量和最大负荷分别为27.5 TWh与6 160 MW，年均增长率为8.99%和10.35%。西安地区的年负荷曲线存在明显的季节性波动，地区的负荷曲线变化趋势及形状主要受居民生活及第三产业负荷的影响，呈夏、冬双峰的特性，地区年最大负荷一般出现在夏季，负荷低谷期一般为每年的5月份及10月份。

2005～2014年西安市全社会用电量与最大负荷如表1、图1所示。

表1　西安市历史年电量与负荷表Tab.1　The Xi’an annual electricity consumption and load in past years　亿kW·h、MW

数学家Verhulst于1840年提出了Logistic曲线，最早用于生物种群的研究，通过观察研究发现，许多事物的发展过程与生物种群的发展相似，因而其应用范围得以拓展到其他领域。由于区域环境、资源、土地等因素的限制，随着地区的发展，一个确定区域的负荷增长必然会达到一个趋于饱和的状态，基于负荷生长的这种特性，可以采用Logistic曲线描述［1］。记t水平年负荷为X（t），则X（t）可通过如下微分方程描述：

式中：r为比例常数；Xm为负荷增长极限值；X（t）的初始值X（0）已知，则可以求得X（t）为：

图1　历史年年全社会电量负荷情况Fig.1　Total annual electricity consumption and load value in past years　亿kW·h、MW

根据历史数据X（t），通过迭代算法已知Xm求得r，再由r求出Xm，如此交替迭代直至收敛，求得需要的饱和负荷预测值Xm。

根据西安市历史年负荷数据，将历史年负荷录入进行Logistic曲线拟合，通过Logistic曲线模型拟合预测未来电量变化趋势，如图2所示。

图2　西安市负荷Logistic曲线拟合图Fig.2　The Logistic curve of load value in Xi’an

由曲线可知西安市2010年以前属负荷发展初级阶段，2010～2022年快速发展进入快速发展阶段，2022～2034年负荷增量逐渐减小，2034年以后负荷增长减缓，逐渐进入饱和阶段。从2040年开始西安市负荷增长速率小于2%，2040～2045年西安市负荷趋于饱和。

根据以上拟合曲线，结合西安市发展规划［2］与城市电力负荷饱和负荷的分析方法［3］，采用负荷密度法对西安市饱和负荷进行估算，预计西安市饱和年最大负荷约为20 000 MW，其中一环以内负荷密度26.47 MW/km2，一环至二环28.46 MW/km2，二环至三环21.01 MW/km2，三环到绕城14.41 MW/km2。

2　变电容量需求分析

根据相关规定［4］，对于负荷增长速度较慢的地区，330 kV城网容载比宜控制在1.6～1.9之间。对于饱和年的西安电网，负荷增长缓慢，330 kV容载比按照1.6考虑。

容载比计算公式如下：

式中：Rs为容载比kV·A/kW；PMAX为该电压等级的全网最大预测负荷；Si该电压等级所需要的主变容量。

根据负荷预测结果PMAX=20 000 MW，Rs=1.6，则PMAX=32 000 MV·A。截止2014年底西安电网共有330 kV变电容量9 120 MV·A，至饱和年需要新增330 kV变电容量ΔS新增=Si-S现状=22 880 MV·A。

3　主变台数、容量需求分析

3.1主变台数分析

在实际运行中，330 kV变电站的供电能力主要取决于分区内电源容量、变电站主变配置情况及短路水平、分区电网接线形式等多种因素，还要计及主变N-1时，正常变压器不过载。受110 kV侧母线侧开关遮断电流的影响，随着330 kV主变台数增多，分区内电源允许接入容量显著下降。同时，变电站中负荷侧可并列运行的变压器数越多，其利用率越高。并列运行的变压器负载率可按照下式计算。

式中：T为变压器负载率；K为过负荷倍数，取1.3；N为并列运行的变压器台数；P为变压器额定容量。

当N=2、3、4时，能够满足N-1校验的变压器最大负载率分别为65%、87%、100%。因而，对于本地电源较多，可以在本地实现部分甚至大部分就地平衡的地区，应该考虑主变配置以2台为主，不超过3台。对于分区负荷较大、地方电厂容量不大的分区，其负荷主要依靠330 kV主变供电满足，比较适合采用3台或4台330 kV主变并列运行，利用提升的主变受电能力来满足分区供电能力。

西安是未来陕西电网最大的负荷中心，同时，受环保压力等因素影响，西安市附近未来新建火电厂的难度较大，每座330 kV变电站适合采用3台或4台主变运行是合理的。

3.2单台主变容量分析

西安市目前使用的330 kV主变容量有240 MV·A，360 MV·A两种类型，其中240 MV·A主变主要存在于运行年限较长或位于郊区的330 kV变电站。未来，随着西安市负荷的发展，中心城区（绕城高速以内）负荷密度将由目前的约8 MW/km2上升到约20 MW/km2，且可用于330 kV变电站布点的站址越来越少，现有的360 MV·A主变将无法满足中心城区的供电需求。

因此，至饱和年，西安市二环以内的区域330 kV变电站主变单台容量宜选择500 MV·A，二环至绕城及各开发区工业园区主变单台容量宜选择360 MV·A，各周边县区负荷密度较小，饱和年仅为2～5 MW/ km2，宜使用单台容量为240 MV·A主变。因此，至饱和年西安电网至少需要330 kV变电站（按照每座3台360 MV·A主变计算，容载比按照1.6考虑）30座。

4　与上下级电网协调配合分析

陕西电网目前采用的电压等级序列为750 kV/ 330 kV/110 kV，为充分发挥330 kV电网的供电能力，需要与750 kV、110 kV电压等级协调配合发展。

4.1与750 kV电网的协调配合分析

为了使750 kV变电站全停的情况下能够将负荷转移到相邻的两座750 kV变电站，根据文献［4］，750 kV主变的过负荷能力按照1.3倍考虑，则一座750 kV变电站所带负荷至多为5 460～7 280 MW（1.3×（3～4）×2 100/（1+1/2）=5 460～7 280），在不考虑电厂的情况下，所带330 kV变电站为7～10座。

为实现高可靠性目标，在电网规划中330 kV受端电网一般采用双回路环网结构，330 kV受端电网的结构应主要以750 kV变电站为中心，实现分片供电，正常方式下各分区间相对独立，各区之间具备线路检修或方式调整情况下一定的相互支援能力。其标准接线单元如图3所示。

图3　330 kV标准单元示意图Fig.3　The standard unit of 330 kV power network

为了满足高可靠性，同时考虑实际电网中的潮流分布的不均衡性，由330 kV变电站构成的双环网中的750 kV变电站第一级330 kV送出线路以及供区之间的联络线导线截面尽量采用4×400 mm2；第二级330 kV送出线路导线截面建议采用2×400 mm2或2×300 mm2。

330 kV一回4×400 mm2导线的经济载流量约1 000 MW，因此一座750 kV变电站大约需要送出线路8到10回（考虑同塔双回N-1）。考虑到一座750 kV变电站全停时，需要将负荷转移到周边的750 kV变电站，一个750 kV供电区最少需要4到5回4×400 mm2联络线路同其他750 kV供电区相连。

4.2与110 kV电网的协调配合分析

饱和年西安市110 kV变电站按照3台主变、单台80 MV·A考虑［5］，为达到一座330 kV变电站全停时，其负荷能够全部转由相邻2座330 kV变电站供电的高可靠性目标，一座330 kV变电站所带负荷至多为720～1 000 MW（计算公式为：3×（360～500）/（1+ 1/2）=720～1000）。考虑到负荷分布的不均衡性，110 kV变电站容载比按照1.8考虑，一座330 kV变电站可带6～8座110 kV变电站，至少需要330 kV变电站110 kV出线间隔12～16个。

110 kV高压配电网的接线应规范化、标准化，力求简化，运行时一般采用辐射型结构。

1）中心城区负荷密度大，供电可靠性要求高，110 kV变电站占地面积较小，可以采用如图4、图5的接线方式。

图4　城市中心110 kV网络接线图（A）Fig.4　The wiring diagram of 110 kV power network in urban center（A）

图5　城市中心110 kV网络接线图（B）Fig.5　The wiring diagram of 110 kV power network in urban center（B）

2）与城市中心区相比，开发区和工业园区站址选取相对容易，110 kV变电站出线预留间隔较多，供电可靠性压力相对较小，建议采用如图6的链式接线形式。

图6　开发区与工业园区110 kV网络接线图Fig.6　The wiring diagram of 110 kV power network in economic development zone and industry zone

该接线方式110 kV线路利用率相对较高，可靠性和转供能力较强，110 kV出线间隔占用较多，适用于新兴的开发区及工业园区。

3）城市周边县区接线形式

周边县区负荷密度较低，供电可靠性要求也较低，可以采用如图7的双回辐射、单回链式、两站三线等接线方式。

图7　城市周边县区110 kV网络接线图Fig.7　The wiring diagram of 110 kV power network in surrounding city

5　结论

根据西安电网辖区范围内负荷的变化规律和趋势，未来西安市仍将处于负荷快速增长的时期，预计在2040—2045年左右接近饱和，饱和年最大负荷将达到约2 000万kW。容载比按照1.6考虑，需要新增330 kV变电容量约2 288万kV·A。

西安是陕西电网最大的负荷中心且新建电源困难，未来每座330 kV变电站建议采用3台或4台主变，充分发挥主变的供电能力。至饱和年西安电网至少需要330 kV变电站30座。

为充分发挥330 kV电网的供电能力，需要与750 kV、110 kV电压等级协调配合发展，满足电网可持续发展的要求。最终实现饱和年任意750 kV、330 kV变电站全停时能够将负荷完全转移至周边变电站的目标。

［1］杨昭军，师义民.Logistic模型参数估计及预测实例［J］.数理统计与管理，1997，16（3）：13-15.YANG Zhaojun，SHI Yimin.Logistic model parameter estimation and forecasting example［J］.Journal of Applied Statistics and Management，1997，16（3）：13-15（in Chinese）.

［2］西安城市总体规划（2008年～2020年）说明书及图集［R］.西安：西安市政府，2008年7月.

［3］刘先虎.负荷密度法在城市远景负荷预测中的应用［J］.供用电，2007（12）：13-15.LIU Xianhu.The application of load density method in long-term load forecasting in city［J］.Power Supply，2007（12）：13-15（in Chinese）.

［4］中华人民共和国建设部.（GB 50293-1999），城市电力规划规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［5］王艳，冯坤，黄媛芳.西安城区110 kV变电站主变压器容量和台数的探讨［J］.陕西电力，2012（11）：74-76.WANG Yan，FENG Kun，HUANG Yuanfang.Discussion on main transformer capacity and number of 110 kV substation in Xi’an city［J］.Shaanxi Electric Power，2012（11）：74-76（in Chinese）.

（编辑黄晶）

Study of 330 kV Power Grid with Saturation Load in Xi’an

JIANG Shan，WEI Lei，HU Xiaojing，JIANG Ning
（State Grid Shaanxi Economic Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

In this paper，the values of future saturated load and load density are analyzed considering the change and trend of the electricity consuming load in Xi’an.According to the forecasting results of saturation load，the need of electric capacity in 330 kV substation，number of units and the single equipment capacity are proposed.Meanwhile，the problem of matching and coordination regrading various voltage levels is discussed so as to provide reference for future Xi’an Power Grid planning.

Xi’an power grid；saturated load；330 kV power network

1674-3814（2015）11-0063-04

TM727

A

2015-08-07。

姜山（1986—），男，工程师，研究方向为电力系统规划；

魏磊（1980—），男，高级工程师，研究方向为电力系统规划；

胡晓菁（1981—），女，高级工程师，研究方向为电力系统规划；

姜宁（1973—），女，高级工程师，研究方向为电力系统规划。