（电力系统及其自动化专业论文）计及通道因素的城市中压配电网络规划.pdf

a bs t r a c t u r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gi n c l u d e ss e v e r a ls t e p ss u c ha sl o a d f o r e c a s t i n g ，s u b s t a t i o nl o c a t i n ga n dc a p a c i t yc a l c u l a t i n g ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k p l a n n i n ga n dr e a c t i v es o u r c e so p t i m a lp l a n n i n g a m o n gt h e s es t e p s ，u r b a n d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gb a s e do nl o a df o r e c a s t i n ga n ds u b s t a t i o nl o c a t i n g a n dc a p a c i t yc a l c u l a t i n gi sac o m p l e xb u ti m p o r t a n ts t e p u n d e rt h ec a b l i n go fu r b a n n e t w o r ka n dd e m a n d i n go fc i t yl a n d s c a p e ，t h er e s o u r c e so fc a b l et r e n c hh a v ead i r e c t i m p a c to nt h er o u t e so fn e t w o r k t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt h eu r b a nd i s t r i b u t i o n n e t w o r kp l a n n i n gc o n s i d e r e dc a b l et r e n c hw i l lg i v es o m eu s e f u lr e f e r e n c e st o c o n s t r u c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dc a b l et r e n c h e s t h i sp a p e rr e v i e w st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de c o n o m i cc o m p a r a t i o nb e t w e e n d i f f e r e n tc a b l el a y i n gm e t h o d si nu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , a n da n a l y z e si n s t a l l a t i o n c o s t so fe l e c t r i c a lp i p ei nd e t a i l c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h i sp a p e r p r o p o s e sag e n e r a lp l a n n i n gp r o c e s sf o rc a b l et r e n c hp l a n n i n g w h a t sm o r e ，s e v e r a l i n d e xa r ep r o p o s e dt oe v a l u a t et h es t a t u so ft r e n c hn e t w o r k i nv i e wo ft h et r e n c h c o n s t r u c t i o ni nf u t u r e ，t h ed e m a n df o r e c a s t i n ga n dd e v e l o p i n gm o d ea r ea n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h et r e n c h si n f l u e n c eo nu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，t h i s p a p e rp r e s e n t san e wm o d e lo fd i s t r i b u t i o np l a n n i n g t h ee c o n o m yi n d e xo ft h i s m o d e li n c l u d e si n v e s t m e n ta n dm a i n t e n a n c ec o s t so fh i g h - v o l t a g es u b s t a t i o n ，c a b l e l i n e s ，s w i t c h i n ge q u i p m e n t , a n de l e c t r i c a lc a b l et r e n c h t h i sp a p e ru s e sas i m p l i f i e d a p p r o a c ht od e a lw i t hr e l i a b i l i t yw h i c hi sc o n s i d e r e da sac o n s t r a i n tc o n d i t i o n i n a d d i t i o n ，t h em o d e la l s oc o n s i d e r e do t h e rc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sl o a dc a p a c i t y , v o l t a g ed r o pa n dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n i nv i e wo fs o l u t i o n so ft h ep l a n n i n gm o d e l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es p e c i a l t i e so f d i s t r i b u t i o nn e t w o r ks p a t i a ld a t as t r u c t u r e ，a n dt h e nd e s i g n sa n di m p r o v e sg i ss p a t i a l d a t a b a s ef o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g a f t e rt h a t ，g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt o o p t i m i z et h ep r e l i m i n a r yn e t w o r k , w h i c hi sp r o p i t i o u st og l o b a lo p t i m a ls e a r c h i n go f c o m p l e xs y s t e m d u r i n gt h er e a l i z a t i o no fa l g o r i t h mp r o c e s s i n g ，t h ep a p e ra n a l y z e s t r e n c h sr e s t r a i n tt ol i n e s r o u t e si nd e t a i la n da d o p t sa ne f f e c t i v ed e c o u p l e dm e t h o dt o c a l c u l a t et h e i rf i t n e s s f i n a l l y , u s i n gg i ss p a t i a ld a t a b a s ea sp l a t f o r m ，t h em o d e la n ds o l u t i o na l g o r i t h m p r e s e n t e da b o v ea r ea p p l i e dt ot h er a d i a ln e t w o r kp l a n n i n gf o ras u b s t a t i o n t h e r e s u l t ss h o w st h a tc o n s i d e r i n gc o s t so fc a b l et r e n c hi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g m a yg e tm u c hm o r ep r a c t i c a la n de c o n o m i c a lp r o j e g t s ，a n d i ta l s oh a v ec e r t a i n g u i d a n c ef o rc o n s t r u c t i o no f c a b l et r e n c h k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g , c a b l et r e n c h ，g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g e n e t i ca l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：尊易旨 签字日期：加。年厂月讶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 朱踌 签字日期：扫口7 年，月吕日 导师签名：加厶 签字日期：1 引月 天津大学硕士学位论文计及通道因素的城市中压配电网络规划 1 1 城市配电网规划概述 第一章绪论 1 1 1 城市配电网规划的目的和意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，全社会对电力需 求越来越大，对供电质量和供电可靠性要求越来越高，促使电力事业迅速发展， 电网不断扩大，技术不断提高。 配电网通常是指电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供 电的网络，是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节，包括 架空线或电缆线路、配电所和柱上降压变压器等等。城市配电网作为电力系统的 重要组成部分，是电力系统的主要负荷中心，同时也是城市现代化建设的重要基 础设施之一。对于一个城市配电网来说，最为繁杂的是中压配电网。城市中压配 电网覆盖城市每条街道，再通过城市低压配电网延伸至每个用电客户，承担着向 城市中小用电客户供电的功能。因此，对城市配电网进行科学的规划，以保证电 网改造的合理性和电网运行的安全性和经济性，保证供电质量，是当前电力部门 的一项重要任务。 城市配电网规划主要目的是在满足城市电力负荷需求和城市整体规划的前 提下，采用科学的方法来确定规划区未来的电力设施改造或建设项目，为电力企 业追求最大的经济效益和社会效益。 城市配电网络结构的科学性和合理性不仅关系到电网运行的安全性和经济 性，也直接影响着城市的环境、美观和地方经济的发展，更关系到广大人民群众 物质文化生活的质量和水平。做好城市配电网规划工作，在节约投资和运行费用 的同时，又能满足用户对供电可靠性的要求，可以获得巨大的经济效益和社会效 益，其主要意义具体体现有以下几点i l 五】： ( 1 )科学的城网规划和设计，有利于合理有效地使用建设资金，加快城 网的建设和改造进度，提高决策管理的科学性和运行效率； ( 2 ) 配电网络的优化规划，可以降低系统的网络损耗，改进未来电网的 运行经济效益； ( 3 ) 配电网络结构的优化规划，可以大大提高系统的供电可靠性； ( 4 ) 科学合理地确定变电站的容量、位置及供电范围，有利于系统的运 第一章绪论 行管理，减少系统跨区域交叉供电； ( 5 )配电网结构的合理性直接影响配电自动化设施的投资效益，配电系 统规划是配电自动化实施的基础： ( 6 )有效地改善城市景观和提高城市的安全性。 1 1 2 城市配电网规划的内容及方法 按照规划时间的不同，城市配电网规划可分为近期( 1 5 年) 、中期( 5 1 5 年) 和长期( 1 5 - 3 0 年) 规划。其中，近期和中期规划属于战役规划，主要 为长期规划的任务和目标如何实施确定时间表；长期规划属于战略规划，主要决 策城市电网发展的重大问题和发展方向，为近期和中期规划制定目标。长期规划 要求近期和中期的城市电网建设和改造是长期电网发展目标的一部分，并保证近 期和中期投入的设备在规划期间不发生拆除现象。 按照规划电压等级的不同，城市配电网规划可分为城市高压配电网规划和城 市中低压配电网规划，它是在城网供电的电源点给定的前提下进行的，其涉及的 主要内容有1 2 】： ( 1 )规划区内的电量、负荷及其分布情况、负荷曲线预测，通常分为总 量负荷预测和空间负荷预测两个部分； ( 2 ) 分区分片确定规划区内目标年及中间年的中压配电站位置、容量及 供电范围； ( 3 )确定规划区内高压变、配电站目标年及中间年的站址及容量，计算 各变电站的供电范围； ( 4 ) 分别进行现状年中压、高压配电网络的分析，规划目标年及中间年 的配电网络； ( 5 ) 进行目标年及中间年的无功优化规划； ( 6 ) 调度通讯及自动化规划； ( 7 ) 完成规划项目投资估算和经济评价等。 城市配电网规划是一个复杂的问题，要想做好配电网规划工作，需要多个部 门进行配合，然而电力公司、市政规划等部门规模庞大，协调工作比较困难，另 外配电网规划工作本身的不确定性因素较多，使得规划的结果也不确定。现阶段， 常用的城市配电网规划方法有如下几点： ( 1 ) 规划人员的手工规划：规划人员依据个人经验和局部计算来进行， 在有限条件下解决负荷增加、线路过载、电压偏低等不断出现的新 问题，完全依赖规划人员的知识经验，对方案的分析仅限于定性分 析，不仅工作量大，而且容易出现问题，该方法一般能提供较简单 天津大学硕士学位论文 计及通道因素的城市中压配电网络规划 的规划文本及方案图纸，通常规划结果质量较低； ( 2 )规划人员手工规划结合潮流、短路等技术校验：主要依赖规划人员 的知识经验，除了定性分析之外，通常能够提供规划方案的潮流及 短路定量计算分析，该方法工作量大，也可能出现问题，规划文本 的内容较之前有较大的提高，规划结果质量一般； ( 3 ) 以规划软件为主结合专家干预：主要依赖规划软件的功能，以及规 划人员的规划经验，这种方法通常可以提供较丰富的定量分析比较 手段，规划报告的内容也较丰富，规划文本的质量较之前有较大的 提高，通常规划结果质量较好。 1 1 3 城市配电网规划面临的新形势 近些年来，国家有意识地加大了配网建设改造的力度，城市配电网规划工作 的研究与应用取得了一定的成果，但是随着国民经济的发展，城市配电网规划面 临着新的形势和挑战。 首先是外部环境的变化。城市电网规划与建设所涉及的部门和专业领域多， 除了要满足安全性与可靠性、投资成本等经济技术方面的要求外，尤其是要与市 政规划等部门协调，即与城市规划的配合成为目前城市配电网规划中必须考虑的 一个重要因烈3 1 。这体现在两个方面：当前城市总体规划由专家在科学论证与 充分听取公众意见的基础上编制，强调了城市的长远定位和各个功能区域的最终 布局，并上升为法律文件，正在和将在城市的发展过程中严格执行。这样，作为 电网规划依据的城市总体规划变得相对稳定和具体，为制定比较稳定和详细的城 市电网规划创造了条件。城市的发展使得未来的土地资源越来越稀缺，给电力 部门重新布点及新增线路走廊的空间十分有限，即使勉强安排了新的电源点以及 线路走廊，也会因约束因素使布局不合理，况且越是到后来，在市区进行开挖铺 设电缆的代价会越大，从而增大了建设线路走廊的难度。目前，我国已经有城市 出现电源点布点不足、电力线路走廊有限，而由于空间的限制，周围几乎无再建 电源点或新出线的可能。因此，与城市规划的有机配合成为目前城网规划中必须 考虑的一个重要因素。 其次是投资主体的变化，即随着电力企业改革和现代企业制度的建立，电力 企业更加重视经济效益和投资回报，配电网建设和运行的利益最大化是电力企业 的根本利益【4 】。电力公司内部投资主体多元化，电网建设项目经费不再单独由国 家投入，而是由企业本身通过各种融资手段筹集，因此企业在电网规划建设的决 策中更加注重经济效益和投资回报。科学的电网规划将是保证电网投资回报的前 提，这一点更体现在规划对项目决策的作用上。电网规划将产生大量的待建项目， 第一章绪论 而由于投资预算的限制，只能允许建设部分项目。规划的失误将直接导致经济利 益的损失，例如不准确的空间负荷预测可能导致某些区域新建电力设施利用率低 下，而某些区域又无法满足负荷增长的情况。从经济学角度看，这样不仅浪费了 有限的投资，还付出了机会成本的代价。因此，电力公司不得不把电网规划工作 提到非常高的地位。 上述两方面的变化，既为城市电网规划工作创造了有利条件，又使之成为 一个迫切任务。随着社会主义市场经济的建立与完善，规划工作要站在企业的角 度进一步更新观念、调整思路，同时追求企业效益和社会效益，以更好地为企业 和国民经济的健康发展服务。 1 2 城市配电网规划的研究现状 本节从数学模型方面分析和比较了配电网规划中经济性和可靠性的处理方 法，归纳和总结了当前配网规划模型求解的各种方法，并简要介绍了城网规划软 件开发的情况。 1 2 1 配网规划数学模型概述 实际配电网规划是一项复杂的工程，考虑因素较多，其中经济性一直受到高 度的重视，但随着经济的发展，用户对供电可靠性的要求不断提高。提高配电网 的供电可靠性虽然会增加资金投入，但也带来隐含的经济效益，如停电损失费用 的减少等。当可靠性投资和效益得到平衡时，配电网的规划达到最优。因此，在 配电网规划中处理好经济性和可靠性的关系是意义重大的课题。下面从数学模型 方面分析和比较配电网规划中经济性和可靠性的处理方法1 5 j 。 ( 1 )仅考虑经济性的配网规划模型 根据规划时对负荷和配电系统的处理不同，文献【6 】将配电网规划模型分为 四种：静态负荷子系统、静态负荷全系统、动态负荷子系统、动态负荷全系 统。静态负荷模型即为单阶段规划模型，它假设规划水平年内负荷需求不会改变， 模型中一般不考虑负荷的增长因素；动态负荷模型为多阶段规划模型，它是指在 长期配电网规划中，动态地考虑不同时间段的负荷变动情况，常常将规划分成几 个阶段进行的模型。子系统模型只考虑配电网络的馈线或者变电站，譬如对于网 络馈线的子系统模型，文献【7 】以线路的年综合费用和过负荷惩罚费用之和最小 为目标函数建立网架模型；对于变电站的子系统模型，文献【8 研究了基于不同 原则的多源连续选址计算模型在变电站选址中的应用，文献【9 】提出了一种变电 站两阶段的优化规划方法，充分考虑了地理信息的影响。全系统模型同时考虑变 天津大学硕士学位论文计及通道因素的城市中压配电网络规划 电站和馈线，譬如文献【1 0 】提出了一种将变电站容量、位置的选择和馈线布线综 合考虑、一体优化的方法，文献【l l 】建立了综合考虑变电站规划和配电网线路规 划的数学模型，该模型以总体负荷矩最小为目标函数，以功率平衡、容量约束等 为约束条件，等等。 ( 2 ) 综合考虑经济性和可靠性的配网规划模型 在配电系统规划阶段有可靠性投资的优化和可靠性指标约束或检验两种考 虑可靠性的方法。对于将可靠性指标转化为经济形式加入目标函数，文献【1 2 】在 目标函数中考虑了由于可靠性不高带来的用户停电经济损失，文献【1 3 】在目标函 数中同时考虑了分段开关的年投资与维护费用，以及将可靠性效益转化为经济性 指标的用户缺电成本；对于将可靠性指标作为约束条件，文献【1 4 】将变电站、线 路和开关的投资运行费用也纳入了经济性指标，同时将可靠性指标作为约束条 件。将可靠性费用( 停电损失费用) 和经济费用( 变电站和配电线的投资、维护和 能量损失费用) 的线性组合作为优化的目标函数，并且在约束条件中增加可靠性 指标的检验是目前最常见的做法i l5 。 综上所述，在配电网规划模型上，国内外的相关文献大多以变电站、线路、 开关等设备的经济性或可靠性为目标，以设备容量、电压降、接线模式和地理因 素等等为约束条件。然而，这些模型都没有考虑通道因素对配电网络规划结果的 影响。因此，在城市配电网规划工程中考虑通道因素的影响，具有一定的实际意 义。 1 2 2 配网规划求解算法概述 如上述所说，对于城市配电网规划存在不同的数学模型，但其求解方法主要 集中在数学优化方法、启发式优化方法和智能优化算法等三大类。 ( 1 ) 数学优化方法是将城市配电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通 过一定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。在经典数学 优化方法中，常用于配电网规划问题求解的是分支定界法l l6 。、0 1 优化算 法【1 7 】，这类方法的优点是能够得到精确解，但存在维数灾，当问题规模较 大时，几乎不可能在有限时间内得到最优解。此外，有些规划决策因素难 以用数学模型来表达，即使由数学优化方法求出的最优解也未必是符合实 际的最优方案。 ( 2 ) 启发式优化方法是以直观分析为依据的算法，通常基于系统某一性能指标 对可行路径上一些线路参数的灵敏度，根据一定的原则，逐步迭代直到得 到满足要求的方案。常用于城市配电网规划中的启发式优化方法有支路交 换法【1 8 】，这类方法的优点是接近工程人员的思路，可根据经验和计算给出 第一章绪论 较好的设计方案，但是容易陷于局部最优解【1 9 1 。 ( 3 ) 智能优化算法是一种基于随机化技术的搜索算法，其对于问题的复杂性没 有要求，具有很强的全局优化能力，虽然无法严格保证解的最优性，但计 算和应用都很方便，而且便于同规划人员的经验相结合，因而在近年来的 工程应用中取得了较好的经济效益和社会效益。常用于配电网规划的智能 优化算法有遗传算法( g a ，g e n e t i ca l g o r i t h m ) 、模拟退火( s a ，s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) 算法【2 0 1 、禁忌搜索( t s ，t a b us e a r c h ) 算法【2 1 。2 2 1 、蚁群优化 算法( a c a ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m ) t 2 3 等等，其中尤以遗传算法在解决 配电网络规划问题中的应用更为广泛。如文献 2 4 】和【2 5 】介绍了用g a 来 优化配电网络，文献【2 6 】介绍了用g a 来进行中压配电网的辐射状线路布 局，文献 2 7 】介绍了基于统计负荷模型并用遗传算法和蒙特一卡罗模拟方 法来进行配电网络规划，文献 2 8 】介绍了用g a 来进行配电网络重构，以 及文献【2 9 】概括了用遗传算法来进行配电网络规划时需要注意的几个技 术要点，等等。 1 2 3 配网规划软件的开发应用 城市配电网是一项复杂的系统工程，不仅需要大量有关城市配电网发展的历 史数据，还需对现状网进行深入的分析，也要对城市的未来发展情况有较全面的 了解，因此完全依靠规划工作者们的经验来规划未来的城市配电网，已经远远不 能满足现代城网规划的要求。实践表明，计算机辅助决策系统的应用能够显著提 高规划的科学性和精确性，大大降低规划工程师的劳动强度p o 】。 针对城市电网规划计算机辅助决策这一重要领域，国内外进行了大量的研究 开发。在国际上，法国e d f 公司曾开发完成了有一定影响的城网规划软件系统， 1 9 9 6 年东北电力集团引进了该软件，但在应用过程中由于存在许多过于严格的 限制因素和缺乏智能化的人机交互规划的方法与手段，始终未能取得科学的规划 结果。上世纪9 0 年代以来，国内很多电力公司引进了一些国外城市电网规划的 软件，但由于国外城市电网规划工作过程中所考虑的因素与国内有很大不同，所 购买的国外软件都没能在电网规划工作中发挥出实际作用。到目前为止，可以说 国内没有一家电力公司有过成功应用国外城网规划软件很好地完成城网规划工 作的先例。在国内，许多研究单位和大学进行了很多研究和开发工作，但大多局 限于一些模型算法的研究，或者仅完成有关城网规划某一方面相关软件的开发工 作，这些软件或算法虽然在城市电网规划工作中发挥了重要的作用，但由于存在 这样或那样的缺点，都没能得到大范围的推广使用。 因此，结合国情系统深入地研究满足实际要求的城市电网规划理论，开发研 天津大学硕士学位论文 计及通道因素的城市中压配电网络规划 制高效、方便、实用的城市电网规划软件，既是我国城市电网建设当前的迫切需 要，也是今后长期发展的必要的科学手段。由天津大学开发的城网规划计算机辅 助决策系统正是基于这一需求而开发，是一套具有完整规划功能、同时又得到广 泛应用的城市电网规划计算机辅助决策系统。 1 3 本文主要工作 配电网的建设越来越得到重视，尤其是对繁杂的中压配电网，由规模庞大的 电力设备和装置组成，对其网络结构的改进可能意味着大量投资的节省。做好城 市中压配电网规划，在节约投资和运行费用的同时，又能满足用户对供电可靠性 的要求，显得至关重要。 同时，随着电力负荷的增加和电网规模的进一步扩展，电力电缆通道建设的 难度将逐步加大，在某些大城市甚至超过变配电站站址的落实难度，已经成为城 市配电网发展的瓶颈，需要在城市配电网络规划中计及通道因素的影响。 鉴于此，本文的主要研究工作如下所述： ( 1 ) 对于城市配电网电缆通道系统进行相关研究，综述了城网电缆通道 多种敷设方式的技术经济特点，着重分析了电力排管的敷设应用。 结合电缆通道规划特点和工程实际应用，本文提出了城市配电网电 缆通道规划的一般流程，并在通道网络现状分析、发展需求预测和 通道规划原则三个阶段进行了规划思路的着重论述。 ( 2 )为了更好的考虑通道因素在城网规划中的影响，本文在传统配电网 规划的基础上提出了一种新的配电网规划模型。该模型不仅包括变 电站、电缆线路、开关设备的投资和运行维护费用，而且首次将电 缆通道的经济性指标纳入了目标函数，同时考虑了满足供电可靠性 的约束要求。 ( 3 ) 针对该规划模型的求解，本文沿用了文献u 4 的求解思路，即结合配 电网空间数据结构自身的特点，设计并完善了配网规划g i s 空间数 据库，采用适于复杂系统全局优化搜索的遗传算法( g a ) 获得优化 的候选规划方案。算法实现过程中，本文充分考虑了通道因素对线 路走向的约束作用，实现两者适应度计算的解耦。 ( 4 ) 最后进行了算例分析，对某变电站进行了辐射状的网络布线规划， 以研究本文方法的应用效果。 第二章城市配电网电缆通道系统的研究 2 1 引言 第二章城市配电网电缆通道系统的研究 随着城市化进程的逐步加快，城市用电负荷增长迅速。在这种情况下，要满 足城市用电的需求，加强电网建设刻不容缓。 电力线路是城市电力网的重要组成部分，其有架空线路和电缆线路两种形 式。与架空供电相比，电缆供电有着很多的优越性和先进性，尤其是在改善城市 环境、优化城市电网的网络结构以及提高供电可靠性和供电能力等方面都有十分 明显的优势。因此，在城市电力线路网络中，架空线的发展受到了非常大的限制， 电缆化供电是城市电网发展的方向。 随着电力负荷的增加和电网规模的进一步扩展，大量的电缆埋地对城市地下 空间的资源有更高的要求。由于城市地下管线复杂、空间资源有限，因而电力电 缆通道建设的难度将逐步加大，在某些大城市甚至超过变配电站站址的落实难 度，从而成为城市电网发展的主要瓶颈。 基于上述原因，对城市配电网电缆通道系统的研究是摆在我们面前的新课 题。 2 2 电力电缆通道概况 近年来，国内对于地下管线的管理信息系统作了一定的研究【3 ，探讨了地下 管线的综合规划建设【3 2 1 ，但是针对电力电缆通道的专门研究较少，迫切需要对电 力电缆通道特点进行研究与分析。 2 2 1 电缆敷设方式分析 3 3 - 3 4 】 目前，电缆的敷设方式有直埋、电缆沟、排管、顶管、电缆隧道等，它们有 着不同的技术结构特点，因而适用的环境也有较大区别。 ( 1 )直埋敷设：直埋敷设是指将电缆直接埋设于地面下的敷设方式，其 适用于电缆线路不太密集的城市地下走廊，如市区人行道、公共绿 地、建筑物边缘地带等。电缆埋设深度为0 7 - 1 5 m ，覆盖15 e r a 细土 或细沙，并用水泥盖板保护。 天津大学硕士学位论文计及通道因素的城市中压配电网络规划 ( 2 ) 电缆沟敷设：电缆沟敷设是指将电缆敷设于预先建好的电缆沟中的 安装方式，其适用于地面载重负荷较轻的电缆线路路径，如工厂厂 区、发电厂和变电站内。在结构特点上，电缆沟采用混凝土或砖砌 结构，顶部用盖板覆盖，沟内设单侧或双侧支架。 ( 3 ) 排管敷设：电力排管敷设是指将电缆敷设于预先建好的地下排管中 的安装方式，其适用于城市交通比较繁忙，有机动车等重载，敷设 电缆条数比较多的地段。在结构特点上，排管敷设必须有电力排管 和工井两种土建设施。采用这种方式敷设，基本上消除了电缆外力 机械损伤的可能性。 ( 4 )项管敷设：顶管敷设一般采用水泥管作顶管，管内再敷设塑料管或 作支架，其适用于不宜开挖、且路径短的路段( 如铁路干线) ，一般 配合其它敷设方式使用。 ( 5 ) 电缆隧道敷设：电缆隧道敷设是指将电缆敷设于地下隧道中的电缆 安装方式，其适用于电厂或变电站的进出线通道，电缆并列在2 0 根 以上的城市重要道路以及有多回路高压电缆从同一地段跨越内河等 场所。在结构特点上，隧道中有高1 9 2 o m 的人行通道，有照明、 通风和自动排水等装置。 对于电缆敷设方式的选择需结合具体的电缆线路路径环境，应根据统一规 划、安全运行和经济合理等原则确定敷设方式和相应的附属土建设施规模。不同 敷设方式的技术特点比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1 电缆敷设方式技术比较 敷设方式优势劣势 不需要大量的土建工程，施检修维护时需开挖道路， 直埋 工周期较短。不方便。 易于故障处理和维修，发生空气散热条件差，电缆允 电缆沟 外力破坏少。许的载流量比直埋要低。 施工相对简单，线路相互影土建工程投资较大，工期 排管 响小，且检修维护方便。较长，修理费用较大。 顶管 介于排管和隧道之间。介于排管和隧道之间。 散热好，无外力破坏，易于施工复杂、建设工期长， 电缆隧道 故障处理，可敷设多条电缆。维护量较大。 由于结构和附属土建设施的不同，电缆敷设方式在经济上也差别较大，具体 经济比较如表2 2 所示【3 5 】。 第二章城市配电网电缆通道系统的研究 表2 - 2 电缆敷设方式经济比较 电缆敷设方式电缆条数单价( 元m 。1 ) 电缆沟1 67 0 0 明挖隧道 1 64 0 0 0 暗挖隧道 1 61 2 0 0 0 81 2 0 0 排管 1 01 9 0 0 2 42 5 0 0 顶管 1 6 6 0 0 0 注：未包含道路挖掘费用 2 2 2 电缆通道敷设原则 电缆通道的敷设需要同城市整体规划相结合，尤其是城市环境、道路发展、 地下空间规划等等，为了减少对城市道路及其它地下管线的影响和干扰，电缆通 道布设应遵循一定的敷设原则1 3 6 j ，归纳有以下几点： 布设位置尽量优先考虑人行道、非机动车道和绿带下面，其次机动车道； 对于道路两侧的选择，若道路较窄时，优先考虑分支线较多的一侧；若道路较宽 时，可以考虑两侧各布设一套通道。 布设方向应与道路中线或建筑红线平行，尽量避免横穿道路，必须横穿时 尽量与道路正交； 布设线型以顺直为主，能短则短，尽量少弯： 布设间距需考虑与其它管线间交叉时的最小水平间距与最小垂直间距【3 。 对于不同的电压等级，敷设方式也有不同的规定【3 6 1 ，譬如直埋方式不宜应用 于3 5 k v 及以上电缆和1 0 k v 重要进线电缆；电力排管孔位应优先满足2 2 0 k v 电 缆线路需要，若有双排管时，宜将2 2 0 k v 电缆分别敷设在不同排管中；同一路 段上的各级电压电缆线路应同沟敷设等等。 由于沿道路敷设的城市公用管道较多，如供水、排水、供热、天然气、通信 及路灯管道等等，考虑到城市规划及供电安全，电力部门在电力电缆通道规划时， 要同城建规划部门多联系，要避免与供热、天然气、排水及供水管道放在一侧。 2 3 电力排管的敷设应用 对于城市中压配电网络，其电缆线路路径一般是沿着城市街道的地理走向， 因而在选择电缆通道的敷设方式时需依照城市道路管线综合规划，与城市道路规 天津大学硕士学位论文计及通道因素的城市中压配电网络规划 划有机结合起来。鉴于此，需要考虑两方面的因素：城市规划道路施工完毕后， 在很长的一段时期内将不准开挖路面，因此要求电缆敷设应尽可能配合道路的施 工与扩建，在道路施工完毕前完成电缆放线工作；为了保证电网远期规划得以 实施，应该尽量做到一次开挖路面就预埋足够的电缆通道，以避免重复开挖路面。 要解决上述问题通常可以有如下三种措施：一是预埋电力排管，二是在人行 道上修筑电缆沟，三就是修筑地下电缆隧道。比较以上三种敷设方式，无论出于 投资还是工期方面考虑，预埋电力排管都有一定的优势，同时这种敷设方式还可 以满足配合道路施工的要求。此外，从广州、上海等城市多年的实际工程应用看 来【3 引，在城市中压配电网络中采用电力电缆排管的敷设方式是可行的，也是适合 我国国情的。 2 3 1 电力排管的应用 早在上世纪8 0 年代初，上海已开始采用电力排管的敷设方式，主要是为了 解决变电站电缆进出线路径问题，而现阶段对2 2 0 k v 以及大截面l l o k v 电缆己 逐渐考虑采用隧道的敷设方式，排管主要用于小截面l l o k v 电缆以及3 5 k v 以下 电压等级电缆，其位置主要布置在道路的慢车道或人行道上。 从2 0 世纪9 0 年代初期开始，电力排管已逐渐代替电缆沟及隧道成为城市电 力管线的主要敷设方式。目前在广州，除了2 2 0 k v 变电站电缆出线段，一般都 可以考虑在城市规划新建的道路上采用电力排管方案。 采用电力排管的敷设方式，其目的是为了保护电缆不受外界机械的损伤或其 他介质的侵蚀，又便于抽放电缆。因此，对管道的管材选择时考虑便于运行维护， 同时尽可能降低工程造价。 目前，电缆管的种类有碳素波纹、p v c 、阻燃c p v c 、玻璃钢、维纶水泥电 缆等。随着石油化学工业的飞速发展，塑料的加工技术也取得了长足进步，一些 高性能塑料管材不断涌现，阻燃p v c c 排管既有效地解决了普通p v c 排管材料 本身原因的不足，又避免了维纶水泥排管运输和施工中的各种弊病，未来将成为 城市电力排管的主力管线【3 引。 2 3 2 电力排管的敷设 城市配电网电力排管的敷设施工，往往需在道路上进行开挖，要充分考虑到 道路挖掘的修复成本。不同的城市区域，不同的道路状况，道路挖掘的成本也差 异较大。通过对实际敷设工程的调查和研究，本文认为道路挖掘修复费用主要决 定于待开挖道路的道路等级、所处的道路地价、道路单位面积挖掘修复费用等。 ( 1 ) 道路等级的划分 第二章城市配电网电缆通道系统的研究 根据现有城市道路设计规范，城市道路等级划分为如下四类，不同等级的道 路，其挖掘成本不同。 快速路：城市道路中设有中央分隔带，具有四条以上机动车道，全部或部 分采用立体交叉与控制出入，供汽车以较高速度行驶的道路，又称汽车专用道。 主干路：连接城市各分区的干路，以交通功能为主。 次干路：承担主干路与各分区间的交通集散作用，兼有服务功能。 支路：次干路与街坊路( 小区路) 的连接线，以服务功能为主。 因此，在不同等级的道路上进行开挖埋管，挖掘费用计算时需考虑乘以一个 道路等级系数。 ( 2 )道路地价分类 道路挖掘往往需要一段施工时间，这给道路交通运输、周边地区的商铺营业、 居民生活出行等都带来一定负面影响，并且道路所处的城市区域不同，其造成的 影响因子也有较大的差别。譬如对于同一等级的道路，其处于城市内环线内时， 施工影响因子相对较高，内外环间次之，外环线外相对较低。因此，需要将这种 影响因子纳入道路的挖掘成本，并且要根据各城市的实际规划特点进行分类。 ( 3 ) 道路单位面积挖掘修复费用 道路单位面积挖掘修复费用的收费标准主要按道路结构材料和使用年限等 因素确定，具体由各省、自治区、直辖市市政部门根据实际情况制定。 首先，城市道路的结构材料是影响道路挖掘修复费用的主要因素，其种类很 多，譬如沙土、沙石、沥青、水泥混凝土等等。不同材质的道路，其单位造价差 别较大。其次，城市道路的使用年限也是影响挖掘费用的一个因素。近年来，为 避免道路重复开挖的“拉链现象 ，南京、上海等很多城市规定道路竣工五年内 或大修竣工后三年内不得挖掘，如确需开挖的需向市政管理局报批，并将根据道 路使用年限向施工方征收数倍的挖掘修复费。 2 4 城市配电网电缆通道规划研究初探 相对于城市配电网建设中的变电站规划、馈线规划而言，电力部门对电力电 缆通道规划的重视程度还很不够，再加上日常管理手段有限、地区间管理水平参 差不齐，电缆通道的建设缺乏现状分析，规划理念缺乏全局性和超前性意识。在 当前的实际规划工程中，电缆通道的建设往往依赖于工程人员对电网规划的线路 方案进行人工修正，不仅工作量大、效率低，而且通道规划的结果方案经济性也 较差。因此，建设和规划好城市配电网电缆通道，已经成为城市配电网规划的一 项重要内容。 天津大学硕士学位论文 计及通道因素的城市中压配电网络规划 与配电网络中的变电站或馈线规划相同，电力电缆通道规划的重点仍是经济 性，充分考虑到电力公司本身投资的成本和投资的利用率。同时，规划中应考虑 到未来发展中的不确定因素，如负荷预测的不确定性，城乡建设和经济发展中政 策的不确定性，经济环境变化的影响，配电网本身技术的发展等。在通道敷设方 式、通道规格大小、数量的考虑上，不仅要注意其技术寿命和施工的影响，还要 考虑市政重大工程的形象要素，电力用户的具体要求及工程的实际情况。 图2 _ 1 城市配电网电缆通道规划流程图 目前，在通道规划上还未形成明晰的思路，加上不可控因素较多，现在通道 建设一般是结合市政道路的新建、拓宽、改造来进行的，使得部分通道的建设不 尽合理，在一定程度上制约了网络的发展。借鉴城市配电网规划的一般思路咖1 ， 规划准备阶段一现状统计分析阶段丽略研究与方案设计阶段一规划文本编制阶段 第二章城市配电网电缆通道系统的研究 结合上海市电力公司市区供电公司的“十一五一电力通道规划工程，本文提出了 城市配电网电缆通道的规划思路，如图2 1 所示为城市配电网电缆通道的规划流 程图。 2 4 1 通道网络现状分析 城市配电网电缆通道网络进行现状分析，主要目的是为了摸清通道网络的现 状，提高通道对于电力网络的适应性。通过分区域对电缆、通道的统计指标分析， 明确当前存在的问题，从而为规划方案的研究提供需求依据。 电缆通道是一种特殊的运输通道，具备其他通道网络一样的评价共性。结合 运输网络的普遍评价指标分类【4 1 1 ，可以对通道网络现状尝试从如下两方面建立评 价指标。 第一类指标用来评估通道网络自身的技术状况，而与是否满足需求无关，如 网络连接性、网络适应性、通道覆盖形态等，从网络的连续性、通达性、分布密 度、布局等方面来描述网络状况，这与一般的运输网络一致。 第二类指标用来评估通道网络对城市配电网络需求的适应程度，既与通道的 能力有关，又与电缆的需求有关，如电缆占有率、电缆占有均匀性等。这些指标 从网络能力适应需求的程度等方面来描述网络状况，既反映了通道网络适应需求 的程度，也反映电缆通道资源的利用程度、利用状况差异程度。 基于上述分析，本文建立了如下四种统计指标： ( 1 ) 通道比：这个指标主要反映在区域范围内，通道的总量是否能和电 缆数量相匹配，是否能满足电缆排管敷设的需要。 通道比= 掣熬需警 江， ( 2 )电缆穿管率：这个指标主要反映各电压等级电缆的敷设水平，电压 等级越高，越要优先保证其通道的使用。 电缆穿管率= 皇誊瓣 ( 2 2 ) ( 3 )通道占用率：这个指标反映区域内通道的利用水平，为了保证通道 的有效利用，这个数值应控制在一个合理的范围内。 通道占用率= 嘉篱蔫罐揣 c 2 - 3 ， ( 4 ) 通道密度：区域内通道的多寡，主要取决于区域内变电站的数量和 负荷密度，越是负荷密度高的地方，变电站数量也越多，对通道的 天津大学硕士学位论文计及通道因素的城市中压配电网络规划 需求也越大。 通道密度= 垦垫堕号耋耋铲 ( 2 4 ， 区域回积 2 4 2 通道发展需求预测 通道建设是随着电网的发展而发展的，对于通道的增长可以从变电站出口通 道需求、一般市政道路通道需求和架空线入地工程通道需求等三个方面进行分 析。 一般而言，通道规划目标年的高压变电站数量是相对确定的，其进出线的通 道需求基本比较明确。市政道路的通道主要是满足1 0 k v 网络的扩展需求，要结 合l o k v 电网规划和区域电力增长情况而论，目前规划工程人员只能根据经验和 原则在3 5 k v 和1 1 0 k v