新形势下城市输电网规划方法研究

杜 剑,欧阳俊，李国柱,杜 治,赵红生,乔 立,赵雄光,徐小琴

(1.国网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077)

新形势下城市输电网规划方法研究

杜 剑1,欧阳俊1，李国柱2,杜 治1,赵红生1,乔 立1,赵雄光1,徐小琴1

(1.国网湖北省电力公司经济技术研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077)

详细梳理了目前城市输电网发展面临的形势，分析了现有规划方法的不足，提出了一种适应于新形势的城市输电网规划方法，并应用于湖北“钢光鄂”电网规划中。

城市电网;饱和年网架;输电网

0 引言

城市化一直是社会关注的焦点，城市化水平可以反映出一个国家的文明程度和经济实力。目前，我国城市化程度与发达国家相比差距明显，城市化水平具有较大提升空间。

输电网作为重要的基础设施，对提升城市化水平起着关键性的支撑作用。我国大部分城市输电网由500 kV电网和220 kV电网构成，随着社会经济发展水平的逐步提高和城市化建设的持续推进，城市输电网发展面临了新的机遇与挑战。如何做好新形势下的城市输电网规划值得研究。

1 城市输电网发展面临的形势

（1）供给侧结构性改革冲击工业用电需求。一方面，除电气化铁路牵引站外，现有的220 kV专用变大部分服务于钢铁、煤炭等传统行业，但这些行业产能严重过剩，面临调整压力；另一方面，新一代信息技术、高端装备制造等战略新兴行业企业在接入电压、电能质量及供电可靠性等方面提出了较高要求，以220 kV专用变服务这类企业的情况在今后会更加普遍。

（2）轨道交通建设调整城市人口分布。从经验上来看，产业的发展提供了就业机会，吸引了人口的集聚[1]。但受制于中心城区较高的房价和拥堵的交通，轨道交通沿线已逐步成为城市人口置业的首选项。轨道交通建设对城市人口分布的调节作用日益显著，这一现象也为城区负荷预测工作提出了新的要求。

（3）短路电流水平持续上涨。近年来我国许多城市的输电网都面临短路电流越限的风险[2-4]。一方面是由于新增站点投产后，站点密度增加，网络结构更加紧密；另一方面由于电缆线路得到广泛使用，增加了电网的充电电容。通过拉停线路等传统方式或使用限流电抗器等新型电力电子器件可以对短路电流水平起到一定的限制作用，但要彻底解决问题，还需择机对电网进行分区分片。

（4）投资成本高与投产难度大并存。随着土地价格和“入地工程”比例的持续上涨，城区电网项目的造价远高于普通电网项目。与此同时输电网项目建设周期长，外部环境复杂多变，环境要求日趋严格，规划站点无法按期投运的情况并非个例。城市输电网已不具备“推倒重来”的可能性，提高规划方案的适应性势在必行。

2 现有规划方法的不足

（1）负荷预测方法不能适应新形势。负荷预测相对笼统，并没有专门考虑“去产能”“调结构”对工业负荷的冲击，也没有将轨道交通建设对居民负荷分布的影响放在重要位置予以考虑。

（2）饱和年网架构建相对粗略。饱和年网架的构建多依靠经验，分区分片方案研究过程的理论支撑有待加强。

（3）电网发展的重大事项不突出。多以重要年份为节点开展网架过渡方案的研究，研究结论对电网发展的关键环节和重大事项的突出力度不够，发展脉络不清晰。

（4）资源统筹利用考虑不足。一些规划方法以解决当前问题为规划目标，停留在“头痛医头脚痛医脚”阶段，缺乏对全网资源统筹利用的考虑，导致资源利用效率偏低。

3 适应于新形势的城市输电网规划方法

3.1 规划流程

本文提出的城市输电网规划方法共分为7个步骤：（1）开展负荷预测。（2）明确电网发展边界，即饱和年电网分区分片范围。（3）计算饱和年500 kV主变容量，确定饱和年500 kV主变台数。（4）明确500 kV主变分配方案。（5）选取220 kV电网分片开环点。（6）校核分片方案短路电流水平和供电能力。（7）以500 kV主变投产为重要节点，开展电网过渡方案研究。

3.2 技术要求

依据《城市电力网规划设计导则》和《电网规划导则》，城市输电网规划应该满足以下要求：

（1）有清晰的网架结构。电网电压等级层次清晰，简化网络接线，贯彻分层分区，电源和用户站尽量从网架中解除。以500 kV枢纽变电站为核心，将220 kV电网划为几个区，相邻分区之间应有适当联络，不宜跨分区电磁环网运行。

（2）短路电流应控制在合理水平。各电压等级电网的短路电流应控制在合理区间，并留有一定裕度。500 kV电网短路电流控制限额为63 kA，220 kV电网短路电流控制限额为50 kA。

（3）容载比在合理范围。考虑到电网的安全性和经济运行，变电站的容载比不宜过大或者过小。在年负荷增长率小于7%时，500 kV电网容载比选择范围为1.5～1.8，220 kV电网容载比选择范围为1.6～1.9。

（4）有充足的供电能力。要能满足用电负荷增长需要，保障分区内有充足的电源。220 kV分区电网内至少应有3台500 kV主变，至少应有来自不同500 kV变电站或220 kV电压等级主力电厂的2路电源。

3.3 规划要点

（1）做实负荷预测。应参考城市发展总体规划、社会经济发展统计公报、各类年鉴、地方政府重点储备项目库等权威资料切实开展负荷预测。

在短中期负荷预测中，对新增战略性工业的负荷应予以充分考虑。对于专用变下网负荷占城市电网总负荷比重较大的情况，宜对专用变和公用变下网负荷分别开展预测。由于饱和年负荷直接影响到中期电网规模和分区分片方案，因此还要重视饱和年的负荷预测工作。

（2）合理分区分片。对电网进行适当的分区分片有利于简化电网结构，提高电网运行的可靠性。应从有效限制短路电流的角度出发，考虑电网分区分片的必要性；从电网规划延续性和工程实施难度出发，考虑电网分区分片的可行性。

（3）明确饱和年500 kV主变容量、数量及分配方案。应从满足供电安全可靠性和经济性的角度考虑合理的500 kV电网容载比，从而确定在饱和年电网需要的500 kV变电容量；应从有利于实现220 kV电网分区分片供电的角度，确定饱和年500 kV变电站的主变台数和各220 kV片区的500 kV主变数量。

（4）提高资源利用效率。对于在局部电网中同时存在供电能力不足和负载率偏低、短路电流越限和暂态稳定问题的情况，应优先考虑就地统筹资源，取长补短，避免一味的地增加设备或拉停线路。

4 适应于新形势的城市输电网规划方法在“钢光鄂”电网规划中的应用

4.1“钢光鄂”电网简介

“钢光鄂”（GGE）电网为武汉市青山区、武昌区北部和洪山区东部地区及鄂州市全境供电。截至2016年底，供区内统调装机容量为376×104kW。共有500 kV变电站2座，变电容量300×104kV·A；220 kV变电站22座，变电容量757×104kV·A。电网结构如图1所示。

图1“钢光鄂”电网现状图Fig.1 GGE power grid current state graph

4.2 负荷预测

研究表明[5-6]，湖北省将于2032年进入用电需求“饱和阶段”，即用电量、最大负荷的增长率小于2%，于2043年达到用电需求饱和。根据钢光鄂供区历年发展情况[7-8]，预测钢都、光谷供区2025年左右进入用电需求“饱和阶段”，2035年左右达到用电需求饱和；鄂州电网2030年左右进入用电需求“饱和阶段”，2040年左右达到用电需求饱和。

对钢都、光谷供区进行负荷预测时，参考了近年用电报装计划、电力设施布局规划和武汉市轨道交通建设规划[9]。钢都、光谷供区内的城市轨道交通建设规模有限，不属于核心建设范围。供区内重点用户武钢在“去产能、调结构”的大环境下与宝钢合并，重组后的发展有待观察。但特大型项目国家存储器已经开工建设，参考国内已投产的类似项目，国家存储器的投产将有力支撑区域内的负荷增长。对鄂州市进行负荷预测时，参考了鄂州的历史发展情况以及部分现有规划研究成果[10-11]。鄂钢是鄂州的支柱产业，也是鄂州电网负荷的重要支撑。受钢铁行业“去产能、调结构”的影响，鄂钢近几年负荷增长几乎停滞。与此同时，鄂东机场项目已获得政府批文，建成后将成为吞吐量全国第一、全球第四的货运机场，对鄂州的经济结构调整和用电负荷增长均将起到积极作用。

钢光鄂电网负荷预测结果如表1所示。

表1 钢光鄂电网统调最大负荷预测结果（单位：104kW）Tab.1 The maximum load forcast result

4.3 饱和年网架分区分片方案

步骤1明确分区分片范围

钢光鄂电网北面与武汉江北电网一江之隔，南面紧靠凤凰山、江夏、东山电网，东面临近黄石电网。根据地理环境及电网结构提出以下三种分片方案：（1）与凤凰山、江夏统筹考虑分片；（2）与东山统筹考虑分片；（3）钢光鄂电网内部分片。

目前，钢光鄂电网已解开了与周边电网的220 kV电气联系独立成片运行。考虑到已经分开的电网不宜轻易合并运行，排除分片方案1。东山站址与钢光鄂电网隔着武昌中心城区，要穿越东湖风景区、南湖、东湖高新技术开发区等区域，线路走廊资源紧张。因此方案2代价较高，予以放弃。方案3符合分区分片范围确定原则，为推荐方案。

步骤2确定500 kV主变容量及数量

按照负荷预测结果，对钢光鄂电网进行电力平衡，平衡结果如表2所示。

表2 光钢鄂电网电力平衡（统调）Tab.2 GGE power grid electric balance data

由表2可以看出,在饱和年光钢鄂电网需要500 kV下网容量512×104kV·A。建议饱和年500 kV主变容量按600×104kV·A考虑。为满足独立分区内至少有3台500 kV主变的要求，分片前区内需至少6台500 kV主变。因此饱和年应按6台100×104kV·A的500 kV主变考虑。

步骤3明确主变分配方案

以钢光鄂电网钢都、光谷、鄂州3个500 kV站点，6台500 kV主变为前提，进行排列组合，排除明显不合理的方案，提出以下三种分配方案,方案如表3所示。

表3 主变分配方案Tab.3 Main transformers assignments proposal

方案1中钢都3台主变独立成片不利于短路电流控制。方案2中光谷两台主变和鄂州变联合成片存在负荷与主变错位配置的情况，经济性较差；同时光谷短路电流控制难度大。方案3短路电流水平合理，能满足各分区的供电需求，为推荐方案。

步骤4选取开环点

500 kV光谷变2台主变分两片运行，光谷变需要分母。220 kV花山变改造工程即将实施，改造后花山将具备分母运行条件。鄂州二期装机容量2×60×104kW，并列运行时存在暂态稳定问题，适合分母运行。

因此开环点选择为以上3厂站的220 kV母线，如图2所示。

图2 钢光鄂片区饱和年网架Fig.2 Saturation year power grid structure of GGE

步骤5校核分片方案

（1）分区电力平衡

由表4可以看出,分片后钢光鄂电网东片和西片都能满足供电需求。

表4 钢光鄂电网分区平衡表（单位：104kW）Tab.4 Subdistrict power distribution of GGE

（2）实施可行性

该方案不需新建线路，3处解环点都具备分母运行条件，工程实施可行性较高。

（3）电网安全稳定校核

通过PSASP仿真分析工具对目标网架的潮流、暂稳特性及短路电流水平进行校核，能满足电网安全稳定需求。

4.4 网架过渡方案研究

节点1：2019年投产第4台500 kV主变

2019年前后，钢光鄂电网负荷达到450 kW，钢光鄂电网主要面临三方面问题：一是钢都变、光谷变、花山变短路电流越限；二是光谷鄂州供区供电能力不足；三是钢光鄂电网的暂态稳定问题突出。

为此，考虑新建鄂州变，将光谷一台主变搬至鄂州，同时扩建光谷一台高阻抗变压器，工程实施后的电网结构如图3所示。

图3 钢光鄂电网2019年方案Fig.3 2019 GGE power grid planning proposal

节点2：投产第5台500 kV主变

当钢光鄂电网负荷达到570×104kW，光谷西主变N-1后，钢都主变接近满载，钢都光谷西片区需新增主变；光谷主变N-1后，鄂州变接近满载，鄂州光谷东片区也存在新增主变的需求。综合两片供区的情况，有必要于钢光鄂电网负荷达到570×104kW前在光谷西新增一台500 kV主变。为配合该主变投产，限制钢都片区短路电流，宜对220 kV桂家湾变进行分母，将钢都供区的220 kV电网构建为“C”型网络，如图4所示。

图4 钢光鄂电网“C”型网络方案Fig.4 Type"C"GGE power grid proposal

节点3：投产第6台500 kV主变

当钢光鄂电网负荷达到620×104kW，考虑鄂州二期3号机停机，鄂州主变N-1时，光谷东主变过载。若不投产新的500 kV主变，鄂州光谷东片区供电能力此时达到饱和。因此，建议在钢光鄂电网负荷达到620×104kW前投产钢光鄂地区第6台主变，即鄂州第二台主变，并在此时实施分片。

5 结语

本文提出了一种适应于新形势的城市输电网规划方法，该方法强调负荷预测的科学性和饱和年电网分区分片方案的合理性，并力求提高设备的利用效率。与传统方法中以重要水平年为节点研究电网过渡方案不同，本文提出的规划方法选择以逐台500 kV主变投产时间为节点对电网过渡方案进行研究，从而能更有效地突出电网发展的关键环节，有利于电网投资计划和项目里程碑的制订，提高规划方案的针对性和精准度，助力电网科学高效发展。

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Research on the Network Planning of City Transmission under New Situation

DU Jian1,OUYANG Jun1,LI Guozhu2,DU Zhi1,ZHAO Hongsheng1,QIAO Li1,ZHAO Xiongguang1,XU Xiaoqin1
(1.Economy&Technology Research Institute,State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan Hubei 430077,China;2.Central China Division of State Grid Corporation of China,Wuhan Hubei 430077,China)

A detailed analysis of the current urban transmission network development is given under the“new situation”and the deficiency of the existing planning method.A new promising urban transmission network planning method which can be adapted to the“new situation”is given.The method is put into the application of“Gang-Guang-E”power grid planning project.

city power grid;saturation year power grid structure;transmission network

TM715

B

1006-3986(2017)03-0001-05

10.19308/j.hep.2017.03.001

2017-02-11

杜 剑(1987)，男，湖北武汉人，硕士，工程师。