基于电压序列优化的高铁新区电网规划方案研究

汪湲，牟宏，赵龙，郑志杰

（1.国网山东省电力公司，山东济南250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

基于电压序列优化的高铁新区电网规划方案研究

汪湲1，牟宏1，赵龙2，郑志杰2

（1.国网山东省电力公司，山东济南250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

为了满足未来德州高铁新区负荷快速增长的用电需求，按照优化配置电压序列，简化变压层次，避免重复降压的原则，根据电网新建区和建成区的不同特点，结合大容量用户的构成，从技术和经济两方面对比分析，提出了基于电压序列优化的高铁新区电网规划方案。该方案电压等级合理，可增强区域供电的灵活性、经济性和安全可靠性。

高铁新区；电压序列；优化；电网规划

0 引言

德州高铁新区地处德州市经济开发区内，总面积78 km2。按照德州市政府规划，德州高铁新区将建设成为未来德州重要的交通门户区、新型产业集聚区和外向型功能拓展区。为了满足高铁新区未来负荷快速增长的需求，按照“优化配置电压序列，简化变压层次，避免重复降压”的原则，根据电网新建区和建成区的不同特点，结合大容量用户的构成分析，通过技术经济分析，提出了基于电压序列优化的高铁新区电网规划方案。

1 高铁新区现状

德州高铁新区以京沪高铁为界划分为两个区域：高铁西区和高铁东区，建设用地分别为29.88 km2和23.15 km2。高铁新区中心区规划面积13 km2，是未来德州城市形象和城市功能的核心，将建设成为未来德州新的城市次中心，其他区域将加快新型城镇化建设，着力打造精细化工、装备制造、新能源、新材料等“10+3”现代产业园区及大社区。

目前，高铁西区电网已初具规模，电压序列为220 kV、35 kV、10 kV。主供电源为220 kV香坊站，配置2台容量为180 MVA的220／35 kV双绕组变压器，接线组别均为YNd11。区内高压配网电压等级为35 kV，已建成袁桥、牟庄、郑家、白桥4座35 kV公用变电站，变电总容量229 MVA，在建35 kV变电站1座，配置2台31.5 MVA变压器。现有35 kV变压器接线组别均为YNd11。

高铁东区目前没有35 kV及以上电压等级电网，正在开展110 kV北纪站前期工作（一期主变压器2×50 MVA，110／10 kV，接线组别为YNd11，电源出自220 kV苏庄站）。北纪站位于高铁东区东侧边缘，投运初期与香坊站供电范围内10 kV线路距离较远，难以实现联络。

2012年，220 kV香坊站最大负荷20.4 MW，35 kV牟庄站最大负荷2.3 MW，35 kV袁桥站最大负荷6.5 MW，35 kV郑家站最大负荷2.3 MW，35 kV白桥站未接带负荷。2012年底高铁新区电网接线如图1所示。

2 高铁新区电力需求预测

根据德州市发展规划，高铁新区规划人口规模35万人，区域将围绕“德州TBD—鲁北生态城—中国太阳谷”的形象定位，以新能源与生物相关产业为主导产业，机械制造、纺织、食品医药为基础产业，辅以现代物流和现代商贸，打造一体化综合性制造业基地。

图1 2012年底高铁新区电网接线图

考虑高铁新区建设发展的总体规划已初步确定，基本具备应用条件，土地开发规划较为详细，各部分土地用途基本清晰，因此，采用功能小区负荷密度指标法［1-2］对该区域电力需求进行预测，计算公式为

式中：L为小区总负荷；T为同时率；li为不同性质用地区块的负荷密度指标；Si为功能小区的面积（负荷密度指标若为建筑负荷密度，则取建筑面积；若为占地负荷密度，则取占地面积）。

根据预测结果，若不考虑同时率，预计高铁新区饱和负荷约1 151 MW；若考虑0.98的同时率，饱和负荷约1 128 MW，其中，高铁西区和东区负荷基本相等。具体结果如表1所示。

表1 远景年饱和负荷预测表

3 高铁新区电网电压序列选择

3.1 基本原则

影响电压序列选择的主要因素包括负荷需求、负荷特点、技术约束、电网现状、用户接入及土地资源等［3］。电压序列优化选择应遵循以下基本原则：一是能够满足负荷短、中、长期发展需求；二是能够满足电网运行技术约束条件；三是电压级差合理，各级变电容量匹配；四是有利于构建安全可靠灵活的网络结构；五是有利于节省土地和空间资源；六是有利于提高电网建设、运行和维护经济性。除此之外，电压序列优化配置还要综合考虑市政建设、电价政策、电气设备制造水平、电网改造成本和过渡时期供电可靠性保证等因素。

3.2 高铁新区电网电压序列选择

3.2.1 各电压等级供电特点

随着电力技术的持续进步，负荷密度的逐步增大，单台变压器容量和变电站规划容量逐步提高，相应线路导线截面选择逐渐增大。截至2012年底，山东电网110 kV线路平均长度12.5 km，新建线路以JL/G1A-300导线为主，极限功率129 MVA；35 kV线路平均长度8.5 km，新建线路以JL/G1A-240、JL/ G1A-300导线为主，极限输送功率分别为36 MVA、41 MVA［4］。

3.2.2 用户接入

按照Q/GDW 738—2012《配电网规划设计技术导则》，110 kV电压等级推荐接带的用户受电变压器总容量为20～100 MVA，35 kV电压等级推荐接带的用户受电变压器总容量为5～40 MVA［5］。

3.2.3 电力损失

电压等级与电网电力损失密切相关，可利用电力损失确定各电压等级下的输送距离。考虑一般情况，即送电线路采用铝导线、电流密度0.9 A/mm2、受端功率因数为0.95，各级电压线路每公里电力损失的相对值近似为［6］

式中：ΔP为每公里电力损失的相对值，%；Ue为线路额定电压；L为线路长度。

送电线路的电力损失不宜超过5%，由式（2）求得各级电压线路合理的输送距离，如表2所示。

表2 按电力损失校核线路输送距离

由于德州高铁新区总面积78 km2，且基本为正方形。由以上分析可知在该区域采用各电压等级，电力损失均可满足要求。

3.2.4 高压配电网各电压等级供电情况分析

1）110 kV供电情况分析。

适宜应用于负荷密度相对较大的城市建成区和中心区。按照上海城区电网经验，在负荷密度大于40 MW／km2时，110 kV供电的综合投资小于35 kV供电［7］。

适宜为40 MW及以上大客户直接供电［6］（导线为JL/G1A-300的110 kV线路极限输送容量为129 MVA，经济输送容量为60 MVA左右）。

按照现行供电电价，110 kV电价比35 kV电价低约0.015元／kWh（如：德州110 kV、35 kV工业电价分别为0.653 2元／kWh、0.668 2元／kWh）。

但是，如果区域负荷密度较低，由于10 kV线路供电半径增长，将造成电压质量下降，网损增大；由于10 kV出线数量较多，在部分城市中心区域，线路通道建设将存在困难；单个变电站占地面积相对较大，布点相对较难。

2）35 kV供电情况分析。

适宜向5～40 MVA的大中型用户供电。

适宜部分城郊及农村区域等负荷密度相对较低的区域。在此类区域如果采用110 kV变电站供电，则会由于线路供电半径增长，造成电压质量下降，网损增大。

对于负荷密度低于40 MW／km2的区域，采用35 kV电压等级供电也是适宜的。

在高负荷密度区域可以采用35 kV直降380 V的配电方式，减少变压层次，减少电网投资，降低网损［8］。

但是，如果应用区域负荷密度较高，与110 kV供电相比，所需35 kV变电站布点较多，相应总占地面积大。

3.3 220kV变压器常用选择分析

目前，山东电网应用的220 kV变压器主要有220／110／35 kV、220／110／10 kV、220／35 kV、220／35／10 kV 4种。在技术上，4种类型变压器均不存在制造困难；在应用上，由于前3种列入了国网通用设备目录，应用较广。

1）220／110／35 kV变压器。主要优点是具有35 kV绕组，方便大用户接入；缺点是不能直供10kV负荷，需要在周边再新建110kV或35 kV变电站。

2）220／110／10 kV变压器。主要优点是具有10 kV绕组，可就近直供10kV负荷，节省1座110kV变电站布点；缺点是变压器阻抗加大，损耗加大。

当35 kV电压等级大用户需要接入时，只能采用110kV或10kV电压等级。若该用户升高电压等级，采用110 kV电压等级供电，将增加用户一次性投资，但是电价降低约0.015元／kWh，对用户有利有弊；若降低为10 kV电压等级供电，电价提高0.015元／kWh，而且需要10 kV配电线路回数较多，且对电网10 kV电压质量存在较大影响。

当采用大容量主变压器时，10 kV侧变电容量受到限制，而且必须采取措施限制低压侧短路电流。

3）220／35 kV变压器。主要优点是由于减少了一个电压等级的配电装置，减少了变电站占地面积（同三绕组变压器相比，减少占地0.13 hm2左右）；缺点是不能直供10 kV负荷，需要在周边再新建35 kV变电站，而且电压等级单一，灵活适应性稍差。此外，由于缺少110 kV电压等级，如果供电区域内高耗能产业等大用户较多，将需要大量35 kV间隔和线路走廊，对区域供电的灵活适应性不高。

4）220／35／10 kV变压器。220 kV变电站采用220／35／10 kV电压等级同220／35 kV电压等级技术优缺点基本相同；在应用上的主要问题是该类型变压器目前未列入国网通用设备目录。

3.4 高铁新区电压序列选择

3.4.1 高铁新区电压序列配置

高铁新区发展主要以机械、高新技术制造业和商业为主，其负荷性质及特点均有别于已有的城市建成区和中心区，如果完全采用220kV、110kV、10kV电压序列将带来以下两个问题。

1）根据目前区内用户报装及规划情况，区域内将有大量5 MVA以上大容量客户，如果采用10 kV电压等级供电，需要配出较多10 kV线路（约为35 kV线路数量的3～4倍）。

2）随着220 kV香坊站的建成，高铁西区已建成较为完善的电网结构，形成220 kV、35 kV、10 kV电压序列，电网已初具规模，大部分变电站和输电线路均为最近3年内建成，如果改变区内目前已形成的220 kV、35 kV、10 kV电压等级，而仅采用220 kV、110 kV、10 kV电压序列，则上述已有变电站及线路均需要实施搬迁、改造或拆除，造成较大投资浪费。

从高铁新区城市发展定位来看，预计未来仍将新增大量适宜35 kV电压供电的大容量客户。考虑到35 kV电压等级供电的优势、区域内电网建设现状等诸多因素，区内采用35 kV电压等级供电仍具备较大的优势，因此区域内继续保留35 kV电压等级是合理的。同时，考虑新区发展以及负荷性质仍然存在不确定性因素，为了更好的兼顾区域内及周边负荷发展，提高供电安全性、可靠性，可通过在后续规划中结合220 kV变电站建设，新增110 kV电压等级，增强区域供电的灵活适应性。

因此，根据高铁新区发展特点以及各电压等级供电优势分析，区内电网在电压序列配置上可以考虑：220kV变电站采用220／35 kV或220／110／35 kV；110 kV变电站采用110／10 kV；35 kV变电站采用35／10 kV。

3.4.2 高铁新区高、中压配电网构建

考虑后续规划的220 kV变电站采用220／110／35 kV变压器，接线组别为YNyn0d11，可与现有香坊站一同建立起安全、可靠、经济、合理的35 kV高压配电网，并且由香坊站和新建220 kV变电站供电的35 kV变电站的10 kV出线可实现联络，不存在相角差问题。

同时，随着负荷的增加，若高铁新区仅靠35 kV高压配电网无法满足供电需求时，由于规划的220kV变电站采用了220／110／35kV变压器，可以通过110 kV电压等级进行有效补充。对于110 kV变压器采用常规YNd11联结组别时，110 kV和35 kV变电站10 kV出线拉手存在30°相角差的问题，可通过在相应110 kV变电站采用YNyn10+d11（带平衡绕组）接线组别的双绕组变压器来解决。同理，若高铁新区外围已有110 kV变电站（采用YNd11联结组别）10 kV出线需要与区内新建35 kV变电站10 kV出线拉手时，35 kV变电站也可通过采用YNyn0+d11（带平衡绕组）接线组别的双绕组变压器来消除相角差。相关网络构建如图2所示。

图2 10kV网络联络示意图

对于区域内较集中的楼宇，则可采用35 kV直降380 V的配电方式直接供电，进一步减少电网投资，降低网损。

4 高铁新区电网规划方案比选

4.1 采用220 kV、110 kV、35 kV、10 kV电压序列（方案一）

根据前述负荷预测结果，高铁新区远景饱和年最大负荷为1 128 MW，由于区内没有规划的接入110 kV及以下电压等级的电厂，因此，区内负荷均考虑由山东主网供电。按照《城市电力网规划设计导则》要求，考虑220 kV容载比取1.8，共需220 kV变电容量2 030 MVA。变电站最终规模按3×240 MVA考虑，则远景饱和年区内需建设220 kV变电站3座。

当区内所有220 kV变电站采用220／110／35 kV或220／35kV主变压器时，考虑220kV直降35kV负荷占比为60%（香坊站直降35 kV负荷占比为100%，其他220 kV变电站直降35 kV负荷占比为40%），则110kV网供负荷约为460MW。考虑110kV容载比取1.9，共需110 kV变电容量1 093 MVA。变电站最终规模按3×63 MVA考虑，则远景饱和年区内需建设110 kV变电站5座。

由于目前区内大容量负荷用户报装容量已达88.8 MVA，结合山东类似区域的负荷特点，按35 kV直供负荷占网供负荷20%左右（即饱和年35 kV用户站负荷为225 MW左右，35 kV公用站与35 kV用户站负荷之比为2：1）、35 kV容载比取1.9考虑，共需35 kV变电容量876 MVA。变电站最终规模按照3×31.5 MVA考虑，则远景饱和年区内需建设35 kV公用变电站10座。

4.2 采用220 kV、110 kV、10 kV电压序列（方案二）

220 kV容量需求及规划变电站座数同方案一。

220／110／10 kV主变压器10 kV侧负荷一般占比为10%～30%。根据以一般工商业负荷为主的济南美里湖等220 kV变电站负荷实测，10 kV侧负荷一般占总负荷的20%左右。因此，当高铁新区内所有220 kV变电站采用220／110／10 kV主变压器时，考虑220 kV直降10 kV负荷占比为20%，则110 kV网供负荷约921MW。按110 kV容载比取1.9考虑，共需110 kV变电容量1 750 MVA。变电站最终规模按3×63 MVA考虑，则远景饱和年区内需建设110 kV变电站10座。

4.3 技术经济比较分析

从技术上来看，由于高铁新区规划负荷密度较高，变电站布点较为密集，两种方案均可以满足供电可靠性、电压质量相关要求。在环境影响方面，35 kV变电站和线路在电磁、噪声、生态等环境影响方面均小于110 kV变电站和线路，且35 kV工程无需办理环境影响评价手续，因此，采用方案一相对较优。

从经济性上来看，方案二变电站占地面积比方案一少0.57 hm2，减少约10.85%；高压配网走廊面积比方案一少17.5 hm2，减少约12.28%；总投资比方案一多13 140万元，增加约7.55%。具体比较详见表3。

上述经济比较是在假定高铁新区为空白电网区域的基础上，对两种方案进行的对比，均未考虑对现有变电站、线路等输变电设备的拆除、改造费用。考虑目前高铁新区现有220 kV、35 kV变电站及线路等输变电设备已投入约2.5亿元左右，若采用方案一，则仅是在现有电网上的补充和增加，后续电网建设资金实际上是小于上述测算17.4亿元的；若采用方案二，则是在对现有电网进行拆除和改造的基础上重建新的电网，还需在上述测算18.7亿元的基础上增加大量拆除和改造费用。因此，从经济性上来考虑，方案一远远优于方案二。

5 结语

高铁新区西区现有的220 kV、35 kV、10 kV电压序列可以满足区域负荷现状及未来安全、可靠供电的需要。由于区内大容量用户较多，保留已有的35 kV电压等级是合理的，且220 kV香坊站可维持现有220／35 kV电压等级。

根据区域负荷情况，通过在后续规划220 kV变电站中采用220／110／35 kV变压器，即可以与现有以香坊站为中心辐射的35 kV电网一同构建更加可靠、合理、经济的35kV高压配电网络，还可以根据需要，通过新增110 kV电压等级，在区域内构建110 kV供电网络，增强区域供电的灵活适应性和安全可靠性。配电网中不再出现110／35 kV变压层次。

根据高铁新区饱和负荷预测分析，区内电网规划推荐方案为：布点220 kV变电站3座，除现有香坊站外，考虑在东区新建2座220 kV变电站，均采用220／110／35 kV电压等级；110 kV变电站布点暂按5座考虑（根据35 kV能力及周边补充，可减少），推荐采用110／10 kV电压等级，并通过110 kV线路与区外的220 kV苗庄、苏庄站，以及高铁西区南侧规划的220 kV抬头寺站建立沟通和联络，提高电网安全可靠性；35 kV变电站布点暂按10座考虑（根据220 kV供电能力，可增加），推荐采用35／10 kV电压等级，并通过35 kV线路与区外的220 kV苗庄、抬头寺站建立沟通和联络，提高供电可靠性；在10 kV网络建设方面，一是加强高铁西区和东区内部各自的10 kV联络，保证正常及检修方式下的运行需要，二是适当建设西区和东区之间的10 kV联络线，保证电网极端情况下对重要负荷的供电。对于规划中可能存在的10 kV侧相角差问题，可以通过合理选择变压器型式加以解决。

表3 两种方案技术经济比较表

［1］沈一平．土地用途清晰开发小区的负荷预测方法［J］．浙江电力，2006（6）：6-9．

［2］代力东．初论适合城市电网规划的负荷预测方法［J］．中国电力，1999，32（7）：36-37．

［3］中国电力科学研究院．20 kV中压配电理论研究与工程实践［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［4］山东2013—2020年配电网滚动规划报告［R］．国网山东省电力公司，2013．

［5］Q／GDW 738—2012配电网规划设计技术导则［S］．

［6］电力工业部电力规划设计总院．电力系统设计手册［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［7］施卫国．上海电网高压配电网络电压等级技术经济比较［J］．供用电，2003（4）：17-20．

［8］何善瑾．上海配电网35 kV直降380 V配电方式的探析［J］．上海电力，2004（4）：319-322．

汪湲（1978—），工程师，主要从事电网运行和规划设计等工作。

Research on High-speed Rail District Power Grid Planning Based on Voltage Series Optimization

In order to meet the electricity needs of prospective rapid load growth in Dezhou High-speed Rail District，according to the principle of voltage series optimization，voltage levels simplification，repetitive voltage lowering avoidance and the different power grid characteristics of new and existing district，the power grid planning of High-speed Rail District based on voltage series optimization was presented the technology and economy were analyzed on the basis of large capacity users.This plan had reasonable voltage level，which could enhance the flexibility，efficiency and security of regional power supply.

High-speed Rail District；voltage series；optimization；power grid planning

TM715

：A

：1007－9904（2014）03－0008－05

2014-03-29