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20kV配电电压等级的应用与节能减排

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/6/29 16:17:21   

 关键词:  节能减排 20kV  约型电网

摘要:节能降耗是国家“十一五”规划纲要的目标之一,应积极将节能的新科技、新措施利用到实际中去。20kV配电电压等级已在一些国家得到应用,实践证明20kV配电网络能够有效减少线损率,节能效果明显。本文从电网远景建设规模、可靠性、电压质量、经济性和节能方面对浙江某规划区采用10kV配网模式和20kV配电模式进行规划比较,并对采用20kV提出相关的建议。
  
关键词:节能减排 20kV 节约型电网
  
  1前言
  
  国家“十一五”规划纲要明确提出,到2010年全国单位GDP能耗和主要污染物排放总量分别比2005年降低20%和10%。这是贯彻科学发展观和建设和谐社会的重大举措,也是加快建设资源节约型、环境友好型社会的迫切需要。因此,贯彻落实科学发展、节约发展的工作思路,扎实做好节能降耗工作,是义不容辞的社会责任。目前,加强线损管理,落实降损措施,已经成为供电企业经营管理的重要内容之一。
  
  现阶段,国际上许多国家采用了20kV等级的配电网络,理论和实践均证明在一定负荷密度的条件下,以采用相同导线输送相同功率电能,20kV供电线路的有色金属耗量可减少50%,节约建设投资约40%,降低电能损耗50%以上,可为用电容量数百kV安到几万kV安的客户提供灵活、经济的接入方案,供电能力和供电可靠性得到提高,有效改善客户端的电压质量。2007年,根据国家电网“关于推广20kV电压等级的通知”的精神,江苏省率先在省内13个市推广2OkV电压等级试点供电项目。近几年,其他省份也在积极开展20kV的相关工作。
  
  与传统的10kV配电网相比,20kV配电网电压不但可以增加供电能力,有效减少变电站和线路布点密度,方便客户接入,大用户效益突出等优点,而且节能降损效益可观,环保效益突出。据测算,输送同等功率,2OkV供电线路的有色金属耗量可减少50%,节约建设投资约40%等。然而,针对于20kV配电电压等级的优越性来说,目前国内20kV电气设备生产能力并不完善,存在建设成本相对较高、运行经验少、与其他区域电网配合困难等问题,因此还未得到广泛应用。但是在发展快速、负荷密度定位高,而且存在很多新区和准新区的开发区域,局部采用20kV是存在可能的,应积极进行论证分析。在此情况下,选定浙江某城市区块,根据该区块发展的阶段和负荷水平,开展了20kV和10kV规划比较研究。

2规划比较思路
  
  为了寻求中压10kV和20kV配电网的规划比较,对不同方案进行技术经济分析比较,主要从电网远景建设规模、可靠性、电压质量、经济性和节能方面进行比较。电网远景建设规模主要比较远景变电站建设规模、占地面积、高中压线路出线规模。可靠性分析对各个不同方案计算平均用电有效度指标(ASAI)、系统平均断电频率指标(SAIFI)和系统平均断电持续时间指标(SAIDI),用这些指标来比较不同方案的可靠性高低。电压质量分析根据中压配网线路负荷情况,通过理论潮流计算得到中压线路的最低电压。经济性分析是将变电站和高压线路的综合投资、中压线路和配变的投资按等年值法折算到年值,再加上运行费用,计算得出年最小单位负荷总费用,然后比较不同方案的投资大小。
  
  3 10kV和20kV规划比较
  
  3.1 比较方案确定

  
  为了使规划方案具有可比性,考虑到规划区域未来为城市高档中心区域,假设高中压均采用电缆线路,变电站布点已在布局规划中确定,通道走廊也已有初步设计,确定对以下四个方案进行对比分析:
  
  方案一:变比220/110/10kV,主变容量3×50MVA,电缆网;
  
  方案二:变比220/110/20kV,主变容量4×80MVA,电缆网;
  
  方案三:变比220/110/20kV,主变容量3×63MVA,电缆网;
  
  方案四:变比220/110/20kV和220/110/10kV,主变容量选取3×50MVA、3×63MVA、3×80MVA,电缆网的混供方案。
  
  3.2规划区域现状简介
  
  该区域目前公用网络电压等级构成为220/110/10kV。至2007年底,共有4座110kV变电站向规划区电网提供电源,主变共8台,主变容量总计286MVA;10kV配电线路23条,线路总长度179.48km。
  
  3.3电网远景建设规模比较
  
  有关该区域远景110kV变电站建设规模见表3-1。由表中可以看出,方案一为220/110/10kV电网方案,新建6座110/10kV变电站,数量最多;方案二、方案三均为220//110/20kV电网方案,区别在于方案二选取了4×80MVA的大容量变电站,故变电站数量最少;方案四为10kV和20kV混合电网方案,变电站数量与方案三相同。结合四个方案变电站数量及占地情况进行变电站占地估算,见表3-2。从表3-2的统计结果可知,和20kV相关的二、三、四方案的变电站占地均小于10kV方案一的占地规模。

表3-1远景各方案变电站建设规模
  

方案

电压等级

变电站最终规模

变电站新建

个数

变电站总容量

MVA

方案一

110/10

3×50

6

900

方案二

110/20

4×80

3

960

方案三

110/20

3×63

4

756

方案四

110/10110/20

3×803×633×50

4

729


  表3-2110kV变电站用地规模

  

方案

变电站建设情况

变电站单位占地面积(m2

合计占地

面积(m2

最终规模

座数

4×80MVA

3×63MVA

3×50MVA

方案一

3×50

6

--

--

6000

36000

方案二

4×80

3

9000

--

--

27000

方案三

3×63

4

 

7700

--

30800

方案四

3×803×633×50

4

9000

7700

6000

28700


  对于110kV线路远景建设规模见表3-3。从表中可以看出,方案二新建高压线路6条,线路长度34.72km,均比其它三个方案少,主要由于方案二采用大容量变电站,站点最少,故所需高压线路最少。
  
  表3-3远景各方案110kV线路规模
  

方案

电压等级

变电站最终规模

线路条数

线路长度(km

方案一

110/10

3×50

8

49.59

方案二

110/20

4×80

6

34.72

方案三

110/20

3×63

8

46.33

方案四

110/10110/20

3×803×633×50

8

47.45


  中压线路远景建设规模见表3-4。从表中可以看出,无论从中压线路数量和长度比较,方案二和方案三均优于方案一和方案四,对于20kV电网方案,随着变电站容量的增大,变电站的供电范围加大,中压线路的总长基本上也随之逐渐增大,从而导致了中压线路投资和网损也逐渐增大,这是采用大容量变电站的一个不利之处。

表3-4远景各方案中压线路规模
  

方案

电压等级

导线型号

线路条数

线路长度(km

方案一

110/10

YJV22-3×400

190

205.41

方案二

110/20

YJV22-3×400

78

164.47

方案三

110/20

YJV22-3×400

80

136.35

方案四

110/10110/20

YJV22-3×400

101

176.93


  对四个方案的高、中压配网线路通道规模进行统计,分别见表3-5和表3-6。从表中可知,选用20kV供电的方案二、三、四所需的高中压电缆通道资源均小于10kV供电的方案一。其中高压通道中后三个方案的平均电缆通道长度为42.83km,方案一通道长度为49.59km;中压通道后三个方案的平均电缆通道长度为38.62km,比方案一的43.65km减少5.03km。
  
  表3-5110kV电缆的通道选择及规模统计
  

方案

电压等级(kV)

变电站

座数

高压线路总长度(km)

电缆通道总长度(km)

2×110kV

3×110kV

4×110kV

方案一

110/10

6

49.59

20.17

11.55

7.12

1.50

方案二

110/20

3

34.72

16.84

16.84

--

--

方案三

110/20

4

46.33

20.17

17.10

1.58

1.50

方案四

110/10110/20

4

47.45

20.17

15.47

3.20

1.50


  表3-610kV电缆的通道选择及规模统计

  

方案

电压等级(kV)

电缆通道

总长(km)

缆沟

6孔排管

8孔排管

12孔排管

24孔排管

长度

(km)

长度

(km)

长度

(km)

长度

(km)

长度

(km)

方案一

110/10

43.65

6

5.80

1

1.75

5

10.49

5

15.87

4

9.75

方案二

110/20

37.13

3

3.46

6

10.47

3

4.16

6

19.04

--

--

方案三

110/20

39.27

4

3.80

7

12.80

2

3.35

6

19.32

--

--

方案四

110/10110/20

39.47

6

5.28

5

9.57

4

6.59

6

18.03

--

--


  综上分析,采用20kV配电电压等级,对于相同区块的规划,远景规模可以有效减少变电站和线路布点密度,大大节约土地资源占用。针对于目前我国城市化水平的快速提高,土地资源日益紧张,电网建设与城市土地资源之间的矛盾日趋突出,变电站站址和线路走廊的获得非常困难,拆迁等政策处理困难而言,20kV的应用能够在一定程度上缓解这些矛盾。

3.4供电可靠性和电压水平比较
  
  对各个不同方案考虑每个元件出现的平均年故障率及其故障时受影响的用户数和平均修复时间,同时考虑到某些方案可以转移负荷的情况,然后算出平均用电有效度指标(ASAI)、系统平均断电频率指标(SAIFI)和系统平均断电持续时间指标(SAIDI),计算结果如表3-7所示。从供电可靠性指标可以看出,各方案的可靠性指标均可达到99.995%以上,其中方案二优于方案三、方案一和方案四。
  
  表3-7远景四个方案在正常运行方式下系统可靠性指标
  

分类

单位

方案一

方案二

方案三

方案四

平均断电频率指标:SAIPI

(次/年)

0.530

0.521

0.524

0.529

平均断电持续时间(SAIDI

(小时/年)

3.096

3.032

3.045

3.072

用户平均断电持续时间(CAIDI

(小时/次)

5.978

5.047

5.481

5.702

平均用电有效度指标(ASAI

--

0.999954

0.999964

0.999962

0.999957

平均用电无效度指标(ASUI

--

0.000046

0.000036

0.000038

0.000043


  在中压配网的最低电压计算中,假设变电站母线电压为10.5kV或21kV,结合中压线路负荷情况,通过理论潮流计算得到中压线路的最低电压。分析中,针对不同长度(1.0,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0km)线路下,按照全网线路平均所带负荷来计算各方案的电压偏差,结果见表3-8。从供电电压水平来看,均能满足要求。
  
  表3-8中压线路最低电压及电压偏差
  

分类

1km

2 km

2.5 km

3 km

3.5 km

4 km

5 km

方案一

110/10kV

10.48

10.46

10.44

10.41

10.38

10.33

10.26

(50MVA)

0.19

0.38

0.57

0.86

1.14

1.62

2.29

方案二

110/20kV

20.96

20.94

20.92

20.89

20.88

20.83

20.74

(63MVA)

0.19

0.29

0.38

0.52

0.57

0.81

1.24

方案三

110/20kV

20.94

20.92

20.9

20.86

20.84

20.78

20.55

(80MVA)

0.29

0.38

0.48

0.67

0.76

1.05

2.14

方案四

110/10kV

110/20kV

20.95

20.93

20.92

20.88

20.87

20.81

20.64

(80MVA)

0.24

0.33

0.38

0.57

0.62

0.90

1.71


  通过对供电可靠性和电压水平的比较分析可知,20kV和10kV的方案均能满足供电的需求,但采用20kV电压水平要优于10kV电压水平。

3.5动态经济分析
  
  远景该区块各方案动态投资结果如表3-9所示。由表可见,从综合投资、年运行费用、最小年费用、最小单位负荷年费用四个方面来看,均是方案二最优,方案一最差,介于二者中间的方案三略优于方案四。
  
  表3-9远景各方案动态投资比较结果单位:万元,万元/MW
  

分类

变电站

高压线路

中压线路

配变

综合

投资

年运行费用

最小年费用

最小单位负荷年费用

综合

投资

运行

费用

综合

投资

运行

费用

综合

投资

运行

费用

综合

投资

运行

费用

方案一

30000

3000

13886

1095

32865

863

18576

774

95327

5732

16234

37.00

方案二

25500

2550

9723

1003

29605

841

21672

759

86499

5153

14683

33.46

方案三

28500

2850

12974

980

24543

693

21672

759

87689

5282

14942

34.05

方案四

26500

2650

13287

959

30228

920

20708

764

90723

5293

15288

34.84


  3.6 节能分析

  
  从变电站布点来看,在采用20kV电压等级时,根据负荷密度选取了大容量变电站,简化规划区内的变电所布点、优化电力网络,减少变电站在电网中的损耗。从网络结构来看,通过电力网进行升压,简化了电压等级,进而在负荷密度较高的地区,更可以将高压引入负荷中心,最大可能地避免了迂回供电。通过前面的技术方案对比分析可知,在远景电网中,采用20kV电网进行供电的二、三、四方案的网络综合网损均比10kV电网方案一线损降低50%以上。
  
  通过以上综合对比后,各方面比较结果也较为明显,20kV的方案要优于10kV的方案。但通过综合理论比较可以看出,高中压配网均采用电缆线路供电时,在负荷密度低于15MW/km2时,建议采用110/10kV方案;在负荷密度高于15MW/km2及以上时,建议采用110/20kV方案。
  
  4 20kV供电的适用范围建议
  
  20kV供电的适应范围应结合地区电力发展、现状电网条件以及上级电源规划,按照新建区域、混供区域的不同需求和特点,规划20kV配电网。
  
  (1)新建工业园区、开发区、新城区等新兴区域或现状电网非常薄弱,未来电力需求增长迅速的区域,结合自身情况可以考虑直接引用20kV电压等级。
  
  (2)现状电网具有一定规模,但供电能力和设备状况需进一步提高以满足发展需求的区域,视建设改造时机结合自身实际需要可考虑适时引入20kV电压等级。
  
  (3)对于10kV供电系统相对成熟稳定,在一定时期内可以满足电力需求进一步发展需要的区域,研究该区域引入20kV供电的时机和条件。

5 20kV供电的规划建议
  
  在对20kV试点区域进行规划时,除需满足一般规划原则外,进一步提出以下建议,供参考。
  
  (1)20kV系统的规划应本着实事求是、远近结合的原则,根据城市规划和电力需求,结合区域内负荷性质和发展趋势以及现状电网条件综合考虑。
  
  (2)20kV供电应用初期,应考虑与现状电网的衔接性。针对20kV配电网建设初期,电源相对孤立的情况,应配合采取必要措施,确保电网安全、可靠供电。
  
  (3)20kV供电应用,应综合考虑经济性和可行性,初期宜选择新兴区域或现状电网基础比较薄弱,但未来发展负荷密度高、电力需求增长迅猛的区域开展。若对现有配网进行较大规模的改造和重构,应作充分的技术经济分析、比较和评估。
  
  (4)20kV电网规划建设应与大容量变压器的应用相联系和衔接。应用初期,20kV的上级电源原则上引自110kV变电站。
  
  (5)20kV电压等级供电的建设,应按照集约资源、节约建设的原则,充分利用原有电网资源设备,力争用最低的成本,达到供电能力的大幅增加。
  
  6结论
  
  在国家节能减排政策下,以提高能源利用效率和效益为中心,按照因地制宜、因网制宜的方针,优化电网结构、提高电网的经济效益,积极将节能的新科技、新措施利用到实际中去。20kV配电网络已在国际上许多国家得到应用,实践证明,在合适的条件下,20kV配电网络能够有效提高经济供电容量,增加经济输送距离,节约土地资源占用,有效减少线损率,节能效果明显。现阶段,20kV系统的规划应本着实事求是、远近结合的原则,根据城市规划和电力需求,结合区域内负荷性质和发展趋势以及现状电网条件综合考虑。20kV供电应用,应综合考虑经济性和可行性,初期宜选择新兴区域或现状电网基础比较薄弱,但未来发展负荷密度高、电力需求增长迅猛的区域开展。若对现有配网进行较大规模的改造和重构,应作充分的技术经济分析、比较和评估。
  
  参考文献

  
  [1]马苏龙.20kV电压等级在配电网中的应用.电网技术,2008,32(19).
  
  [2]姜祥生.苏州工业园区20kV配电工程.电网技术,1997,21(2).
  
  [3]孙科.宁波市东部新城采用20kV配电电压的探讨.浙江电力,2007,26(5).
  
  [4]姜祥生,汪洪业,姚国平.苏州工业园区20kV电压等级的实践.供用电,2002,19(6).
  
  作者简介:赵波(1977-),男,高工,博士,现任职于浙江省电力试验研究院,主要从事电网规划方面的研究。




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