中压配电电压等级优化及改造*

刘晓菲，商立群

(西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054)

中压配电电压等级优化及改造*

刘晓菲，商立群

(西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054)

∶随着中国科学技术和社会经济的快速发展，国家电网建设规模也在不断的扩大，10 kV中压配电网已经越来越难以满足负荷发展的需要，为国家电网的长远发展，必须采取措施优化及改造现有的中压配电网。国外已广泛采用20 kV电压作为新的中压配电电压，对于我国采取何种电压等级最优，则需要建立完整的分析模型，从经济性和社会性等角度对我国电网电压等级序列进行论证。通过对国内外电网及电压等级序列发展的充分调研，并结合国家电网的实际情况，提出了中压配电网电压等级优化的方案，然后分别建立电网规模估算模型、投资费用估算模型、占地面积估算模型，将优化方案与现使用的电压等级方案从电网规模、投资费用、占地面积3方面进行比较，得出最优化方案为∶500/220/20/0.4 kV.最后依据不同情况，提出了具体的改造方法。建立了3种估算模型，考虑的因素更加全面，而且具有很好的适应性，对相关实践具有较大的意义。

∶20 kV;电压序列;中压配电;优化及改造

0 引言

随着用电负荷密度的迅速增长、供电半径的增大，中压配电网现普遍使用的10 kV供电电压已越来越难以满足负荷发展的需要，现有的供电模式在许多地方面临很多问题，亟需改进［1-2］。因此，有必要加强对中压配电网的改造。中压配电网的升压改造是一项系统性工程，需要系统的论证改造方案及实施措施，同时，升压改造有利于节约能源和减少损耗、提高供电能力、减少空间资源占用等，其在节能降损方面的作用是现阶段其他节能降损措施都无法与之比拟的［3-5］，对电力网络的运行及发展具有十分重要的意义。

中压配电网升压改造既要考虑城市供电是否能满足现代社会的需要，同时也要考虑升压改造所面临的各种外部因素。20世纪50年代，国外的很多国家已经完成了中压配电电压等级的优化和改造工作，普遍选择20 kV作为新的中压配电电压［6-8］。为了合理配置我国电网的电压等级序列，范明天等［9］研究了国内外电网电压等级配置的现状，提出应简化变电层次，提高中压配电电压。彭东等［10］分析了影响电压序列配置的主要因素，从技术和经济2方面进行研究，提出提升中压配电电压是电网电压发展的总体趋势，并建议在部分区域采用20 kV作为中压配电电压。刘令富等［11］对10，20，35 kV等3种中压配电电压进行技术和经济特性分析，说明了提升中压配电电压的优势，并得出20 kV电压等级比其他2种电压等级更有优势。世界电力多年的发展经验表明，选取20 kV作为中压配电电压在经济和技术上的优势明显［12］，其在国际上已有超过50年的运营经验，国外很多发达国家都已经选用了20 kV作为中压配电电压［13-14］，因此，笔者主要研究20 kV为新的中压配电电压，提出不同优化方案，建立优化评价模型，将提出的优化方案与现有供电方案从电网规模、投资费用、占地面积3方面进行技术经济评价，验证20 kV作为新的中压配电电压使用的合理性，并得出最优的升压改造等级序列，最后根据各地配电网的具体情况提出相应的改造措施。

1 升压改造过程中需解决的主要问题

中国的城市和农村配电网规划和建设多年后，现在处于历史上发展最好的时期。要对现有的供电模式进行改造需要考虑以下几个问题

1)空间资源占用问题。随着城市人口密度的增加，可利用的土地面积越来越少，中压配电网的升压改造必须适应现有的可利用的土地资源;

2)升压改造的时机问题。要结合不同供电区域设备的运营年限，寻找最佳的升压改造时间，并充分利用现有的供电设备;

3)经济效益问题。升压改造要考虑使改造过程中消耗的费用最小并且改造后的电价对用电客户不产生大的影响［15］。

2 提出优化方案和建立评估模型

2.1 优化方案

2.1.1 选用20 kV电压的优势

10～20 kV架空线的材料与建设费用只比相同长度的0.4 kV线路的费用稍高一些，且大约仅为110 kV线路的1/10.这个巨大的费用差异证明，超高压/高压电网与低压配电网之间，加入10 kV或20 kV中压配电网是经济的，即使考虑到HV/MV变电站的费用，也可以得到同样的结论［16］。而35 kV线路的建设费用已达到110 kV线路的1/5～1/3，和20 kV相比，虽然供电能力有所提高，但在相当的负荷密度范围内经济上不具有优势。

2.1.2 具体方案

中压配电电压优化的方法应以达到总投资费用最小为目标，同时满足社会、经济及其他方面的要求。因此，按照中国城市电网的电压序列和安装方法，并考虑容量系列和负荷密度，确定新的电压序列可行的替代方案，即500/220/110/20/0.4 kV，500/220/20/0.4 kV.

2.2 评估模型

对中压配电电压等级优化和改造的评价需要从技术和经济2方面考虑，在此基础上建立技术经济评估模型，包括电网规模估算模型、投资费用估算模型、以及占地面积估算模型，其中投资费用包括变电站投资费用、线路改造费用、电缆改造费用。

2.2.1 电网规模模型

全区变电站总座数(座)

式中P为全区总负荷，万kW;K为容载比;CHV为单台主变容量，万kVA;THV为站内主变台数;INT (X)表示对数X取整;MOD(X)表示对数X取其小数位。

单座高压变电站的供电面积(km2)

式中dss为任意两座高压变电站的间距，km.

变电站的高压进线平均长度LHV.

变电站的高压进线总长度Lh，km.

2.2.2 中压变电站规模

中压配变总容量(万kVA)

式中RMV为配变负载率;cosφ为负荷功率因数。中压配变总台数(台)

式中TCM为中压配变总容量;CM1为单台配变容量。中压线路总长度(km)

式中N为中压线路总回数;Lc为出线主干长度。

2.2.3 投资费用模型

利用电网规模估算模型进行网络规模估算，则投资费用的计算式为

式中S为全区变电总容量;Lh为变电站的高压进线总长度;Tz为中压配变总台数;Lz为全区中压馈线总长度;VH为单位变电容量综合造价;V1为每公里高压线路综合造价;VM1为单台配变综合造价; VM2为每公里中压主干线综合造价。

2.2.4 占地面积模型

利用电网规模估算模型的计算结果，计算不同备选方案的占地面积规模，等于电网规模乘以单位设备的占地面积或线路走廊宽度，则占地面积的计算式为

式中nHV为全区变电站总座数;Lh为变电站的高压进线总长度;Tz为中压配变总台数;Lz为全区中压馈线总长度;QH1为单座变电站的占地面积;QH2为高压线路的走廊宽度;QM1为单台配变的占地面积;QM2为中压线路的走廊宽度。

3 实证分析

以苏州工业园区为例，验证20 kV的可行性和经济性。目前苏州工业园区的电压等级序列主要为500/220/110/10/0.4 kV，以该城市现有的电压等级序列500/220/110/10/0.4 kV作为方案1，新的电压等级序列500/220/110/20/0.4 kV作为方案2，500/220/20/0.4 kV作为方案3，对这3种方案进行电网规模估算和经济性比较。

3.1 负荷概况

苏州工业园区规划区使用面积为196.95 km2，建设区使用面积为122 km2.2020年的负荷和占地面积预测结果详见表1.

表1 2020年负荷和占地面积预测Tab.1 Forecast of load and floor area in 2020

由表1可知，2020年苏州工业园区负荷为1 064 MW，负荷密度为8.72 MW/km2;远景饱和年负荷约为1 817 MW，负荷密度达到14.9 MW/km2.

3.2 电网规模评估

根据电网规模估算模型的计算结果，220/110/ 10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV等3种建设方案的电网规模详见表2.

表2 3种建设方案的变电和输电规模估算Tab.2 Power transformation and power transm ission scale estimation of three construction programs

由表2可知，220/110/10/0.4 kV，220/110/ 20/0.4 kV以及220/20/0.4 kV等3种方案的220 kV变电站的座数分别为6，6和11;110 kV变电站的座数分别为19，16和0;10(20)kV配变台数分别为6 224，3 734和3 734，因此3种方案中的220 kV及以下的变电站总座数是依次减少的，线路总长度也是依次减少的。

3.3 经济性评估

通过建立方案1～方案3，即220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV的投资估算模型，同时考虑全电缆线路电网和全架空线路电网2个子方案，结果详见表3.

1)不管是哪种架设方式，方案3即220/20/0. 4 kV方案的投资都是最省的;

2)在架空方式中，220/20/0.4kV方案相对220/110/20/0.4 kV和220/110/10/0.4 kV方案，都节省投资28%;

3)在电缆方式中，220/20/0.4 kV方案相对220/110/20/0.4 kV方案，节省投资17%，相对220/110/10/0.4 kV方案，节省投资28%;

4)变电工程中220/20/0.4 kV方案的投资最低，分别相对220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV节省投资33%和33.4%;

5)输电工程中，架空架设方式投资是电缆方式投资的13%左右，3个方案中220/110/0.4 kV架空架设方式的投资最低。

表3 3种建设方案的投资估算Tab.3 Investment estimation of three construction program s万元

3.4 占地面积估算

方案1～方案3的占地面积结果详见表4.

表4 3种建设方案估算的占地面积Tab.4 Floor area estimation of three construction programs

由表4可知，以上3种方案

1)方案3的输变电占地面积最小，分别相对220/110/10/0.4 kV和220/110/20/0.4 kV等2个方案节省占地面积35.9%和2.43%;

2)在输电工程中，占地面积最少的是方案3，分别相对220/110/10/0.4 kV，220/110/20/0.4 kV等2个方案节省占地面积36.3%和6.7%;

3)在变电工程中，占地面积最少的是方案2，分别相对220/110/10/0.4 kV，220/20/0.4kV等2个方案节省占地面积12.2%和11.9%.

通过上面3个模型的对比分析可知，方案3即220/20/0.4 kV方案的升压改造总投资和总占地面积最优，所以，选用20 kV作为新的中压配电电压在技术和经济上都具有合理性。

4 10 kV配电网的升压改造

4.1 分阶段升压改造

10 kV配电网要综合考虑升压改造的时机、升压改造的区域以及升压改造的设备等方面的因素［17-19］。

在升压改造的初期阶段，既要对升压改造区域和设备进行研究，更要集中对供电能力不足及设备使用寿命将尽的地区实施升压改造;在升压改造的中期阶段，应该着重对电网发展较好的城市地区开展10 kV电网升压改造工作;在升压改造后期，主要针对还未实施升压改造的地区进行升压改造，最终实现所有地区升压成为20 kV运行。

4.2 分区域升压改造

在划分了不同的升压改造阶段以后，就需要针对具体的供电区域实施升压改造，根据各个区域内电网发展规模的差异，升压改造地区大体上可以分为城市地区和农村地区［20-21］。

对城市地区，在原有的10 kV供电模式下，逐步推行20 kV升压改造，最终使20 kV完全代替10 kV运行;对农村地区，一般情况下维持10 kV供电模式不变，根据具体情况进行20 kV的升压改造。

4.3 充分利用现有的设备

对10 kV配电设备的升压改造过程中，要尽量利用现有的存量设备实施升压，以此来节约改造成本。

对于不可利用的设备，包括使用寿命达到预期的设备，应尽早更换为适应20 kV电压等级的配电设备;对于检验后可直接利用的设备，应升压至20 kV运行;对于经改造后方可利用的设备，在兼顾经济性的条件下，应通过技术改造措施，以满足20 kV运行要求;针对处于升压改造过渡时期的站点，可以采用联络变压器进行逐步改造，具体措施为∶先扩建1台10/20 kV联络变(2号)，为1号变部分暂不升压的10 kV负荷供电;而后随着升压改造的深入，再扩建110/20 kV主变(3号)，共同为20 kV负荷供电;待10 kV网络逐渐被20 kV替代以后，再将1号变改造为110/20 kV等级的主变，与3号变共同承担供电任务，2号变可以退出运行，示意图如图1所示。

图1 联络变压器工作原理示意图Fig.1 Work principle illustration of connecting transformers

5 结论

1)中压配电网的升压改造符合我国经济社会发展需要，可以提高供电能力、减少土地资源占用以及节约能源和减少损耗。经过论证，相比10 kV供电，20 kV供电在技术和经济方面均具有优越性，能更好的满足未来城市经济发展的需要，因此，采用20 kV电压等级是改造现有中压配电网的首选，同时建议采用500/220/20/0.4 kV的供电电压等级;

2)在升压改造过程中，要考虑实际困难，兼顾经济效益，把握时机、因地制宜，适时的对中压配电网进行升级改造。

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M edium voltage power distribution voltage grade optim ization and transformation

LIU Xiao-fei，SHANG Li-qun

(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

∶With the rapid development of China’s science and technology and social economy aswell as the gradual expansion of the construction scale of State Grid，it becomesmore difficult for 10 kVmedium voltage distribution networks to meet load development requirement.For the long-term development of State Grid，itmustadoptmeasures to optimize and transform the existingmedium voltage distribution networks.Foreign countries have widely used 20 kV voltage as the new medium distribution voltage.As to which kind of voltage class is optimum for China，a complete analysismodel needs to be set up to demonstrate China’s network voltage grade from the perspective of economy and sociality.Through full survey on the development of power grid and voltage grade and based on the actual situation of State Grid，the voltage grade optimization program was put forward formedium voltage distribution networks.Then power grid scale estimation model，investment cost estimation model，and floor area estimation model were established tomake a comparison between the optimization program and current voltage grade program from the perspective of power grid scale，investment cost，and floor area，and obtained the best optimization program∶500/220/20/0.4 kV.Finally，according to different local conditions，we propose con-crete transformation methods.The three estimation models established in the paper take more comprehensive factors into consideration，which are highly adaptive with great significance for relative practice.

∶20 kV;voltage sequence;medium voltage power distribution;optimization and transformation

∶TM 727

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0319

∶1672-9315(2015)03-0386-06

∶2015-02-10责任编辑∶李克永

∶陕西省教育厅科研计划(12JK0568);陕西省自然科学基础研究计划(2014JM2-5077)

∶商立群(1968-)，男，河南济源人，博士，教授，E-mail∶shanglq@xust.edu.cn