农网规划-第5章z.ppt

华北电力大学电力工程系 1 2020 2 14 第五章农村电网规划 5 1概述5 2农村电网规划中的容载比5 3相临电压等级电网线路总长度的合理配置5 4农网规划的一般问题5 5正方形供电方案比较5 6六角形供电方案比较5 7农村配电线路的最优布局5 8更换和选择导线截面的有关问题5 9变电所最佳容量的确定原则5 10变电所最佳容量的计算公式 华北电力大学电力工程系 2 2020 2 14 5 1概述 一 输电与配电的划分 1 选择电压等级应考虑的因素选择电压等级应考虑的因素有如下6项 国家电压标准 本网的电压系列 简化电压等级 全网经济效益 设备制造能力 电压等级的发展 华北电力大学电力工程系 3 2020 2 14 电压等级合理配置的原则和标准为 有利于降低电网整体投资 有利于降低损耗 有利于提升供电能力和供电可靠性 有利于节约站址和通道资源 有利于运行维护 有利于供电适应性 以适应不同负荷情况的需求 华北电力大学电力工程系 4 2020 2 14 2 发展更高一级电压等级应考虑的因素 1 选择更高一级的电压 应与现有电网的电压系列相适应 相邻两级电压之比不低于2倍 且第i级经济电压为 2 当系统的短路容量达到原有断路器最大切断容量时 则需寻求更高一级的电压 3 选择更高一级的电压等级 应考虑与邻近电网互联网的可能性 4 要考虑国家对电气设备的研制和供应能力 5 应以电力系统中 长期规划为依据 华北电力大学电力工程系 5 2020 2 14 几何均值 规律电网运行的综合费用在仅考虑与电压U有关联时 可粗略地表示为 F A BU C U式中A B C是分别与电网参数有关的系数 A 一部分费用与电压无关 如部分维护费 管理费等 B 一部分与电压成正比 如初投资 折旧费 运行维护费等 C 一部分与电压成反比 如线路损耗 变压器损耗等 由上式可求得综合费用F最小时的经济电压认 即 F B C U2令F 0 得到经济电压 华北电力大学电力工程系 6 2020 2 14 对一个网络或一个区域网络 由综合费用最小确定的经济电压并不一定正好符合现行电压标准 一般在两个标准电压之间 因此 标准电压Ui与Ui 1之间必然存在一个经济带 即存在Uj这一经济电压 在某一相同负荷密度 供电半径和网络结构下 即A B C三个参数相同 两个相邻的标准电压可以是等经济的 因而有 BUi C Ui Bui 1 C Ui 1整理后得到 由此得 可见经济电压与标准电压间是 几何均值 的关系 推广开来 最佳电压等级序列中的各电压等级间应互为 几何均值 只有这样 电压等级序列中每个电压都是经济电压 华北电力大学电力工程系 7 2020 2 14 我国电压等级序列图 华北电力大学电力工程系 8 2020 2 14 3 世界各国的电压等级 1 美国 俄罗斯采用1150kV 500kV 220kV 110kV 20kV电压等级 2 英 法 德采用800kV 400kV 220kV 110kV 20kV电压等级 3 我国华北电网采用500kV 220kV 110kV 35kV 10kV 0 4kV电压等级 东北采用500kV 220kV 60kV 10kV 0 4kV电压等级 西北电网330 110kV和220 110kV并存 华北电力大学电力工程系 9 2020 2 14 华北电力大学电力工程系 10 2020 2 14 4 输电网按着输电技术的特点 输电网分为三级 l000kV及以上 称为特高压输电网 330kV 550kV 750kV 称为超高压输电网 220kV为高压输电网 5 配电网配电网也分为三类 35kV 110kV为高压配电网 10kV为中压配电网 380 220V为低压配电网 因此 农村电力网皆属于配电网范畴 不过 在农网中把110kV 60kV线路常称为送电线路 而把10kV称为配电线路 华北电力大学电力工程系 11 2020 2 14 目前我国电网已基本形成了220kV及以上电压等级作为输电电压和以110kV 66kV 35kV 10kV作为配电电压的电压等级序列 220kV及以上的超高压和高电压等级因受输电距离和输电容量以及技术水平的制约难以改变 而低压0 4kV等级因设备数量庞大 调整改造也不现实 因此 电压等级的调整主要在于配电网电压等级部分 华北电力大学电力工程系 12 2020 2 14 二 农网结构模式 随着广大农村地区电力负荷的不断增长 农村电网也在不断地扩大 500kV电压等级开始进入地区 或地级市 区域 220kV电压等级也已逐步进入县 或县级市 区域 而且县 市 建有220kV变电所已经成为现实 目前 我国农网的主要供电模式有 110 35 10kV 110 10kV 110 35kV GB156 93 中华人民共和国国家标准电压 中增加了20kV电压等级 因此 新的供电模式为110 20kV 华北电力大学电力工程系 13 2020 2 14 三 各种供电模式的优缺点 1 110 35 10kV供电方式 多一级电压 损耗较大 并且随负荷密度的增大而增大 2 110 10kV供电方式 10kV供电半径短 110kV变电所多 建设投资大 损耗比110 35 10kV供电方式低 3 110 20kV供电方式 20kV供电半径较长 减少了110kV变电所数量 在许多情况下 投资最低 损耗比110 10kV供电方式低 但20kV设备尚无系列产品 4 110 35kV供电方式 35kV供电半径较长 110kV变电所数量最少 但配电设备费用高 负荷密度大时投资最低 在以上四种供电方式中 110 10kV的年支出费用最高 经济性差 采用时应慎重 110 20kV的年支出费用最低 具有很大的优越性 应创造条件予以推广 华北电力大学电力工程系 14 2020 2 14 各供电模式比较 1 110 35 10kV 多一级电压 损耗较大 2 110 10kV 110kV变电所多 投资较大 损耗低 3 110 20kV 可以克服上述两种模式缺点 今后可考虑发展 4 110 35kV 35kV配电设备费高 负荷密度特别大时可考虑 华北电力大学电力工程系 15 2020 2 14 20kV国内应用情况简介 1993年 苏州工业园区在全国率先采用了20kV电压等级 并于1996年正式投运 降压层次为 220 110 20 0 4kV或110 20 0 4kV 2003年 本溪供电公司南芬地区电网改造中采用20kV供电电压 在国内首采用20kV架空线路的单位 2007年8月 江苏省电力公司正式发文推广应用20kV电压等级 华北电力大学电力工程系 16 2020 2 14 国外20kV应用情况 法国配电网早期为3kV 5 5kV 15kV 22kV 3OkV电压并存 后来确定为15kV为标准电压 淘汰其余的 但进一步研究后认为 以20kV代替15kV可使配电网传输能力显著提高 而增加的费用很小 所以又决定在新建配电网中采用20kV 逐步淘汰15kV 因此 法国电力公司从1961年规定20kV为城网中压系统唯一标准 限制或取消了原有的15kV电压等级 德国在1960年前曾将5 6kV配电网改造成10kV电压等级 很快便停止了这一做法 改为20kV 俄罗斯则在20世纪60年代几乎将所有大城市的10kV改造成20kV 美国自1892年建立12 5kV线路起 随着负荷的不断提高 在1948年采用了20 8一24 9kV电压 华北电力大学电力工程系 17 2020 2 14 依据对国内外电网电压等级的分析可知 简化电压等级 减少变电层次 提高配电电压 优化电压等级序列将是未来电网发展趋势 华北电力大学电力工程系 18 2020 2 14 四 电网供电的N 1准则 配电网供电安全采用的N 1准则如下 1 高压变电所中失去任何一回进线或一组降压变压器时必须保证向下一级配电网供电 2 高压配电网中一条架空线 或一条电缆 或变电所中一组降压变压器发生故障时 应按以下要求进行处理 1 在正常情况下 除故障段外不停电 并不得发生电压过低和设备不允许的过负荷 2 在计划停电情况下 又发生故障停运时 允许部分停电 但应在规定时间内恢复供电 3 低压配电网中 当一台变压器或电网发生故障时 允许部分停电 并尽快将完好的区段在规定时间内切换至邻近电网 华北电力大学电力工程系 19 2020 2 14 五 N 1准则实例 为了说明N 1准则 我们以湖北省兴山县电网为例 至1992年底 总装机容量已达50MW 单机容量最大的机组为12MW 最大综合负荷约为38MW 网内有110kV变电所l座 35kV变电所5座 华北电力大学电力工程系 20 2020 2 14 该电网的特点是一个放射性电网 我国大多数地方电网均此 以湘坪变为基点分三支向外辐射 对该系统进行潮流计算表明 主要潮流集中在三条支路上 如图5 2所示 华北电力大学电力工程系 21 2020 2 14 兴山县电网存在以下主要问题 1 可靠性差 考虑任何网架的N l方式都会导致兴山系统的解列 兴山的主要负荷位于城关地区和南阳河地区 我们以两种可能出现的N l方式 湘坪变 城关变线和湘坪变 南阳河线分别退出运行 来进行说明 1 当湘 城线由于雷击跳间或其他故障退出运行后 电网结构如图5 3所示 整个系统解列成两个部分 仅由东部地区电站供电远不能满足城关负荷的需求 甩大量负荷是不可避免的 华北电力大学电力工程系 22 2020 2 14 2 湘 南线停运时 系统也解列成两个部分 由于南阳河地区集中了主要的工业负荷 仅靠南阳河电站的出力是不够的 也要卸掉部分负荷 2 经济性差 计算表明 网损高达2 25MW 占发电出力的5 75 这只是在一条110kV线路和12条35kV线路上的损耗 如加上变压器和大量配电线路上的损耗后 网损是相当大的 处在低可靠性下运行时 系统的安全性受到极大的威胁 一旦线路发生故障即造成解列 除工业生产受到损失外 还会引起发电机剧烈振荡 危及设备安全 电网损耗过高 使电网建设的大量投资所发挥的效益受到影响 综上所述 电网的可靠性差和经济性差的症结在于网架太薄弱 需要进行改造 华北电力大学电力工程系 23 2020 2 14 兴山电网改进方案我们通过分析发现兴山网架太薄弱 为加强网架 通过计算发现 在城关变到南阳河之间架设一条35kV线路 约14km 即可收到较好的效果 设想有城一南线后 重负荷区即为三角环网运行 由于功率分布趋于合理 如图5 4所示 网损得到降低 约为1 63MW 较不架线网损减少28 华北电力大学电力工程系 24 2020 2 14 当仍考虑前述的N 1方式时 系统不解列 仍可维持向负荷的正常供电 如图5 5所示 可见 当网架结构稍有加强后 可靠性大增 损耗下降 效果是显著的 华北电力大学电力工程系 25 2020 2 14 5 2农村电网规划中的容载比 一 容载比的定义 配电网的容载比 是指配电网设备的额定容量Se与所供年平均最高有功功率Pmax之比 一般以R表示 即 变压器和线路是配电网的主要设备 因此 容载比又分为变电容载比和线路容载比 1 变电容载比 变电容载比的计算式为 RS 容载比 kVA kW K1 负荷分散系数 K2 平均功率因数 K3 经济负荷率 新版 导则 称为变压器运行率 K4 储备系数 上述估算公式及其他各因数在农村电网规划中可以研究使用 华北电力大学电力工程系 26 2020 2 14 2 线路容载比 其定义方法与变电容载比类同 但它随配电网接线和运行方式而变化 实用意义不大 容载比的重要性 容载比是衡量电网可靠性与经济性的重要评价指标 容载比取值是否合理直接影响到电网的供电可靠性和经济性 城市电力网规划设计导则 中容载比的定义 变电容载比是指在某一电压等级中 变电容量在满足供电可靠性基础上与对应的最大负荷 kW 之比 另外 城市电力网规划设计导则 中还给出了35kV及以上电网的容载比推荐值为1 8 2 1 华北电力大学电力工程系 27 2020 2 14 二 变电容载比分析2001年DL T518 2000 农村电力网规划设计导则 正式颁发 其中对变电容载比修改为 220kV 原Rs 1 8 2 0 修改后Rs 1 6 1 935 l10kV 原Rs 2 2 2 5 修改后Rs 1 8 2 1容载比过大 电网建设早期投资增大 容载比过小 又会使电网的适应性差 发生调度困难 甚至引起限电现象 运行实践证明 由于容载比配置的不合理 农村电力网发生限电现象比比皆是 深望能引起我们的注意 华北电力大学电力工程系 28 2020 2 14 1 关于K1值 宜以不同电压等级的变电所座数为单位进行研究 凡是某电压等级只有一座变电所 如220kV变电所 其分析系数肯定为1 随着变电所座数的增加 分散系数由l逐步开始不同程度地出现 一般农网分散系数小于城网分散系数 k1指变压器最大负荷的分散系数 k1等于一年中同一电压等级中的所有各变压器供应的最大负荷值的和除以电网最高负荷时对应的所有变压器供应负荷值的和 2 关于K2值 随着电网的不断发展完善 电压的等级 功率固数逐步提高 因此农网K2值一般略低于城网 华北电力大学电力工程系 29 2020 2 14 3 关于K3值 导则 试行版中称为经济负荷率 其定义为经济最高负荷与额定容量之比 经济负荷是指在综合考虑损耗及年运行费最低时得出的合理最高负荷 仅就变压器本身效率而言 变压器在出现最高效率时其负载系数一般都在45 55 之内 通常变压器的瞬时效率都很高 在负载系数 25 时 其效率即可在95 以上 因此 导则 试行版中综合考虑损耗及年运行费率 对农村电网来说 还要结合电网建设的投入与地方财政的承受能力 在电网发展的不同阶段 对整个电网而言 K3取值大于负载系数而在0 65 0 70之间 对城乡电网均较为合理且比较适用 导则 在正式出版中 k3称为变压器安全运行率 在确定的条件下 某一个变电所主变压器台数越多 其K3值越高 若某变电所内有四台主变压器 则K3近似值可达100 这样的计算结果仅适合进行可靠性分析 若作为宏观控制变电总容量就很难具体运用了 因此 在电网规划中令K3为经济负荷率更为确切些 华北电力大学电力工程系 30 2020 2 14 当变电站主变压器台数大于或等于3台时 虽然可以采用单母四分段 环型六分段等结线方式均衡布置负荷 但 N 1 条件下剩余主变压器负荷能绝对均衡分布实际上很难满足 另外 在短时间内要将占主变压器容量30 的过载部分转移出去需要很强的配网转负荷能力 一般的配网难以满足 因此 主变压器运行率实际上很难达到导则的推荐值 综合考虑 主变压器过载率一般取20 再加上主变压器不均衡分布的影响 一般2台主变压器的变电站运行率取60 3台主变压器变电站的运行率取70 75 华北电力大学电力工程系 31 2020 2 14 4 关于K4值 确切地说 电网发展规划中负荷水平本来就是发展预测值 不存在对发展再增加储备 只是考虑到供电地区内有变压器发生故障或检修停电时 由部分负荷需要转移到相邻变电所予以转供 但这只能在电网联结比较紧密的地区 形成有力的手拉手联网条件电网才能有转供能力 由于K1与K3中已有潜力因数 对35 220kV变电设备 K4取值可控制在10 以内 分散的农村电网中配电变压器低压一般不具备联网条件 规划中可不考虑转供因数 综上所述 对K1 K4值农网均需作调整 把整个地区划分为若干个片区 分区计算变电容载比 华北电力大学电力工程系 32 2020 2 14 三 变电容载比在农网规划设计中的应用 1 城市电力网规划设计导则 中关于变电容载比的估算公式所计及的各种因素 在农网规划中基本可以参考分析使用 但不宜生搬硬套 2 变压器允许过载率 T记入变电容载比 在用电峰谷差很大 且峰值时间较短的大农业地区 对宏观控制变电容量总量起到明显的作用 其估算公式宜为 5 4 华北电力大学电力工程系 33 2020 2 14 3 允许过载率KT值在电网宏观总量控制及满足可靠性微观校核过程中可灵活协调应用 在变电总量确定后 可以应用KT值对变电所进行可靠性分析 4 随着电网的不断发展完善 变电容载比应呈下降趋势 5 农村电网规划容载比值应按下述要求选取 1 220kV Rs 1 50 2 110kV Rs 1 60 3 35kV Rs 1 70 4 10kV配电变压器 根据变压器的效率特性 在宏观上控制变电容载比在4以内是比较科学合理的 各地在实际测算Rs值时 若已经大于4 则应适当控制发展并应调整配变布局 以求配变配置能够达到系统最佳经济效益 华北电力大学电力工程系 34 2020 2 14 5 3相临电压等级电网线路总长度的合理配置 一 线路长度与变压器容量比例的合理配置 各电压级线路长度的比例配置问题 是电力网规划中带有战略性的问题 因为这种比例影响整个网络结构的合理性 而且调整这种比例也非一日之功 必须在电力网发展中逐步完成 这就需要我们研究和掌握这种比例 以便使农村电力网向健康的方向发展 此配置比例的计算依据有二 一是不同电压等级电网的允许供电半径已给定 二是电网允许损失百分率已给定 华北电力大学电力工程系 35 2020 2 14 可推导出相应电压等级电网线路合理长度的计算公式如下 5 5 式中 L 线路合理的总长度 km K 电网经济运行系数 As 线路首端供电量 kW h Id 计算点代表日负荷曲线求得的等效电流 Se 相应电压级变压器容量 kVA L0 各电压级下线路允许供电半径 35kV级为40km 10kV级为15km r0 综合导线电阻率 km A 电网允许损耗电量 kW h U 线路首端电压 kV 华北电力大学电力工程系 36 2020 2 14 可得 合理的线路总长度与相应电压等级的变压器总容量之比为 5 6 式 5 6 中 为电网经济运行系数 其取决于电网管理水平 在经济运行条件下 理论值为 110kV主变压器 Id Ie 0 7 0 9 则K 0 78 35kV主变压器 Id Ie 0 6 0 85 则K 0 70 10kV主变压器 Id Ie 0 5 0 8 则K 0 63 华北电力大学电力工程系 37 2020 2 14 例5 1 验算某县35kV线路长度和35kV变压器容量的配置系数是否合理 解 已知 该县35kV农网线路 35mm2钢芯铝线约占20 LGJ 50mm2约占40 LGJ 70mm2约占30 其他约占10 L35 40km K 0 7 该网导线电阻率 可取构成电网的几种主要导线电阻率用加权平均法计算而得 r0 0 063 km 华北电力大学电力工程系 38 2020 2 14 K 0 7L0 40kmU 35kVr0 0 063 km 合理的配置系数 km KVA 华北电力大学电力工程系 39 2020 2 14 验证 该县35kV线路总长L35 60km 变压器容量Se 35 32850kVA 配置系数的实际值为 可见 35kV线路长度与35kV变压器容量的配置系数的实际值稍小于计算出的合理配置系数值 基本合理 华北电力大学电力工程系 40 2020 2 14 例5 2某县10kV网 按 5 6 算 得合理的配置系数 而实际情况 2 1 142 8 可知10kV配变配置容量实际值大于理论合理值很多 分析 10kV线路太短 不能深入到负荷中心 必然造成低压线路的延长 使网损加大 另一方面 10kV配变数量较多 使负荷率降低 例5 30 4kV配电网 合理的配置系数的近似计算公式和参考值 而某县实际情况 3 1 57 用电设备容量配置实际值远小于理论合理值 分析 低压线路太长 结构不合理 这必将增大低压网损 这也是由于高压线路太短所至 华北电力大学电力工程系 41 2020 2 14 二 不同电压等级线路长度配置比例的计算 例5 4 验证某县35kV线路长度与10kV线路长度配置的比例是否合理 解由式 4 3 知 则将式 5 7 除以式 5 8 得线路的合理比例系数 将 2的数值代入式 5 10 后 有 5 10 验证 该县35kV线路60km 10kV线路557km 实际线路长度配置比例 计算结果说明10kV线路太短了 华北电力大学电力工程系 42 2020 2 14 例5 5 验证某县10kV线路长度与0 4kV线路长度配置的比例是否合理 解 用式 5 8 除以式 5 9 得10kV与0 4kV线路长度合理配置的比例系数为 而 于是 验证 该县有10kV线路557km 0 4kV线路长度1305km 实际线路配置系数 分析 实际配置比例与理论最佳值相差甚大 0 4kV低压线路太长 必将使网损增大 这是由于10kV线路未架到用电负荷中心所至 电网结构配置不合理 华北电力大学电力工程系 43 2020 2 14 从例5 1到例5 5对某县配电网进行了分析 经过实际值与理论计算最佳值相比 可得出该县农网结构存在的主要问题和相应的解决措施如下 1 35kV线路稍短 基本合理 2 10kV线路太短 对策是增加线路长度 措施是合理增加支路数 不要单纯延长原线路 3 0 4kV线路太长 对策是缩短低压线 措施是可通过10kV配变深入负荷中心来实现 4 用电设备容量太小 对策是增加电机容量 措施是扶持发展乡镇企业及县办工业 华北电力大学电力工程系 44 2020 2 14 义乌2004年底不同电压等级的变电站设备容量和线路长度 华北电力大学电力工程系 45 2020 2 14 5 4农网规划的一般问题 一 农网规划任务的确定 农村电力网规划任务由下述方面确定 1 农网现状及其存在的主要问题反映农网现状的基本数据 电网中输电线路的条数 总长度 传送容量 传输距离 绝缘状态 开关台数 导线情况等 农网存在的主要问题有如下7个方面 1 现存农网能否满足负荷发展的需要 2 绝缘老化程度如何 3 导线是否过细 有无 瓶颈 线路存在 4 各线路供电可靠性指标高 低 5 线路中开关的数量 投入时间 运行中发生过哪些故障 6 线损指标高 低 7 线路维修情况 华北电力大学电力工程系 46 2020 2 14 2 规划区在农村经济中的地位规划区在农村经济发展中的地位 对电网规划任务有着重要的影响 规划是否为经济作物区 旅游区 或为农业开发区 农业科技中心区等 其对规划负荷的发展 供电可靠性的要求必将有所不同 因此也必将影响规划的水平和档次 3 改善电网的各项运行指标改善电网的运行指标是建设和改造电网必须完成的任务 作为重要的运行指标 有供电可靠性指标 电压质量指标 线损率指标及容载比指标 在规划开始前 这些运行指标应有明确的改善目标 华北电力大学电力工程系 47 2020 2 14 二 配电网规划的范围 电网规划的业务范围包括下列包项 1 电网的接线根据规划区的地理条件和负荷的重要程度来确定规划的电网结构 按着简化各级电压电网接线的原则来确定各电压级变电所的一 二次接线 2 主变压器容量和台数主变压器容量和台数应按远期规划的目标负荷来考虑 并根据当地的负荷特点来确定变压器的容量标准 华北电力大学电力工程系 48 2020 2 14 3 l10kV或60kV电网规划l10kV或60kV电网 不论是对城网还是农网 都是非常重要的一级电网 它负担着向城市供电和向广大农村输电的重要任务 向上其支持220kV电网的运行 向下其负担着所有35kV 10kV 电网的负荷 因此它是承上启下的一级电网 规划这一级电网时 应该考虑到下述方面的问题 1 提高对220kV电网的支持能力 2 为35kV 10kV 电网提供双电源 3 考虑各电压级变压器容量的合理配置 4 考虑各电压级线路长度的合理配置 5 合理的容载比 华北电力大学电力工程系 49 2020 2 14 4 35kV级电网的规划这是一个中间电压级的配电网 当采220 110 35 10 0 4kV电压系列时 有35kV电网规划的任务 从发展的观点来看 35kV电网的前景并不十分乐观 其原因是该电压级不但使电压层次增加 而且也增加了变电工程造价和电能损失 计算表明 采用220 110 35 10 0 4kV电压系列的电网 不论是工程造价 还是电能损失 与220 110 20kV和22O 66 10kV电压系列相比 其值都是最高的 而且 随着负荷密度超过40kW km2情况更为严重 因此 在进行长远规划时 应考虑用220 110 20kV电压系列来取代220 110 35 10kV电压系列的问题 华北电力大学电力工程系 50 2020 2 14 5 10kV及以下电冈规划规划的主要项目如下 1 建立坚强的配电网架 2 配电网要层次清楚 供电区明确 3 导线截面宜按远期规划的负荷密度一次选定 4 合理规划供电半径 5 确定中点接地方式 10kV架空线路采用绝缘中点 380 220V电网中点直接接地 6 无功补偿应根据就地平衡的原则 采用集中和分散补偿相结合的方法 7 10kV柱上开关宜选用遮断容量大 体积小 运行可靠的真空开关或SF6开关 装前必须进行动稳定校验 8 合理规划低压网的结构和供电方式 配电点的形式 9 合理规划低压网的保护方式 10 有关高能耗变压器的改造以及线路维修规划 华北电力大学电力工程系 51 2020 2 14 6 配电网自动化规划配电网自动化的规划任务分为三大部分 其一是调度自动化部分 该部分主要集中在供电局 农电局 电力公司的调度中心 其二是厂 站自动化部分 该部分集中在厂 变电所中 其三是输 配电线路自动化部分 前两个问题 在第四章中已有所叙述 这里主要叙述配电线路自动化的规划问题 10kV配电网是农网的重要组成部分 但其在自动化方面的工作却是刚刚起步不久 因此 就其规划 设计 运行乃至管理方面的经验是不足的 又因10kV配电网在农网中的比重大 分布面广 故这项规划是对未来电网发展有重要影响的系统工程 必须给予充分的注意 10kV配电网自动化规划的范围有如下几个方面 华北电力大学电力工程系 52 2020 2 14 1 确定配电网自动化发展方案 配电网自动化发展方案大体有三种模式 自动隔离故障域模式 这种模式的特点是线路上的分段器或是电压配电开关与厂 站端无遥测信息传递 而只是靠分段器检测线路电流或是配电开关检测线路电压 把故障区段隔离开来 遥控自动化模式 这种模式的特点是厂 站端可以检测线路的参数和故障信息 遥控线路开关的分合 配电网全过程管理模式 这种模式的特点是除了上两种模式的功能外 对网络的运行数据进行适时采集 存储 分析 对网络的运行状态进行全面的管理 这三种模式可以分层次来实现 在规划现在的电网时 要充分考虑电网的发展 以免造成重复投资 华北电力大学电力工程系 53 2020 2 14 2 从电网现代化 自动化的要求出发 研究自动化元件选择在技术上的合理性 配电网自动化元件有断路器 重合器 分段器 自动配电开关等 目前 在配电网自动化的配置中普遍地采用如下两种方案 第一种方案为重合器与分段器的配合方案 这种方案靠检测线路电流来实现控制的 故称为电流方案 还因为该方案为英 美等国家所采用 故又称英 美方案 第二种方案为重合器与自动配电开关的配合方案 这种方案是靠检测线路电压来实现控制的 故称为电压方案 还因为该方案为日本所采用 故又称日本方案 华北电力大学电力工程系 54 2020 2 14 3 合理地规划配电线路的分段 实现配电网自动化的目的之一是提高电网供电的可靠性 为此 必须保证发生故障后切除线路区段应尽可能的少 这只有在增加线路分段的情况下才有可能 而过多地增加线路分段 必定会导致线路开关投资的增加 当所增加的投资为多供电量的收益不能补偿时 则在经济上是没有利的 在进行配电网自动化规划时 要充分注意到配电网自动化系统的特点 配电系统设备多 面广 分散 配电网的采集数据远多于输变电系统 配电网操作频度比输变电系统多 设备维护工作量大 在规划时应全面考虑各部分 并注意计算机 支持软件 调度 通信等的标准化 可扩充性 以及实用化的要求 华北电力大学电力工程系 55 2020 2 14 7 继电保护规划继电保护规划的任务在于确定采用哪种类型的保护 以及各元件保护设备的配置 1 220kV线路可装设高频保护 三段式距离保护 故障录波装置 限时方向过流保护及零序电流速断保护等 2 110kV线路可装设三段式距离保护 电流闭锁电压速断保护 过流保护及零序过流保护 3 60kV线路可装设三段式距离保护 三段电流保护 三段方向过流保护及电流速断保护等 4 35kV线路可装设三段过流保护方案 两段方向过流保护方案及三段方向过流保护方案 5 10kV线路的保护可采用下述方案 第一方案是主保护为瞬时电流速断 后备保护为过电流 重合闸采用后加速 第二方案是主保护为延时电流速断 后备保护为过电流 重合闸为后加速 华北电力大学电力工程系 56 2020 2 14 6 备用电源自动投入装置 变压器10kV分段开关备用电源自动投入装置应设过负荷减载装置 线路及母联备用电源自动投入装置应设连切负荷装置 备用电源自动投入装置的装设位置应视运行方式和电源情况而定 鉴于目前继电保护技术的发展 对于新建和改建的变电所 应考虑采用微机保护 8 负荷监控的规划原则 1 实行计划用电 推行 限电不拉闸 和 谁超限谁 的控制 2 在电力资源缓解时 起躲峰填谷 平滑负荷曲线的作用 3 实行负荷管理 采集负荷信息 4 实行远方读表和分时记费 华北电力大学电力工程系 57 2020 2 14 9 通信发展规划规划通信网应考虑下述问题 1 掌握通信网的现状 其中包括通信方式 通信网长度 通信设备的种类和台数 运行时间等 2 掌握通信网现存问题 诸如通信网的结构合理性问题 传输信息的质量问题 网络可靠性问题 设备陈旧状态问题 信息交换功能以及传畅效率问题等 3 制定规划目标 其中包括近期和远期规划目标 在规划目标中 应拟定主干通信网的设备 配套工程建设 移动通信建设 网络管理等方面的目标 4 制定各电压级电网的通信网发展方案 其中包括l10kV 60kV 35kV 10kV电网的通信方案 华北电力大学电力工程系 58 2020 2 14 5 5正方形供电方案比较 负荷矩M P LP 某条线路上流动的有功功率 L 该条线路的长度 配电网的投资 年运行费 电能损耗 电压损失等皆与它的线路总长度 L和总负荷矩 M有关 因此 本节我们以两个 最小的原则来讨论供电方案的优化问题 假设 负荷按供电面积均匀分布 供电点设在供电面积中心 供电线路的电流密度是相同的 如果供电面积是相同的 最佳分支角采用450 600和900三种方案 首先对正方形供电进行讨论 华北电力大学电力工程系 59 2020 2 14 设供电点的每条干线有n个配电点 供电正方形的对角线长为2R4而配电点的每边长为4 如图5 6所示 我们先来讨论比较简单的情况 例如每条干线只有一个或两个配电点 如图5 7 a b 所表示的形状 对图5 7 a 而言 配电点的个数为 3 2 2 1 1 2 9对图5 7 b 而言 配电点的个数为 5 2 2 2 1 2 25可见 如果每条干线上有n个配电点 则在整个供电区内 总配电点的个数应为 在整个供电区内 供电面积应等于所有配电点的面积之和 即 如此有 华北电力大学电力工程系 60 2020 2 14 一 变电所有4根干线的情况有4根干线的网络布局 有图5 8所示的4种方案 下面对它们的线路长度 负荷矩分别进行计算 1 线路长度方案A的线路长度为 5 12 华北电力大学电力工程系 61 2020 2 14 其中2 1 2 3 n 1 4为成对分支线的长度 n4为单个分支线长度 n4为干线长度 方案B的线路长度为 5 13 方案C的线路长度为 5 14 华北电力大学电力工程系 62 2020 2 14 方案D的线路长度为 5 15 2 线路负荷矩令 为供电面积内的单位面积负荷密度 kW km2 则每个配电点的负荷大小 0为 5 16 华北电力大学电力工程系 63 2020 2 14 可以证明 当配电点的数目N足够大时 总的负荷矩基本上只与R4有关 而与N或每个供电点的供电范围大小无关 对于以上各方案要求出总的负荷矩时 可以使用当n l4 0的极限情况 即用积分的方法来求出负荷矩的大小 令 每条干线上的负荷到电源点的总负荷矩为 M1 由每条干线所供电范围内的支线上的负荷到它的干线连接点的总负荷矩为 M2 华北电力大学电力工程系 64 2020 2 14 方案A的负荷矩 每条干线上的负荷矩为M 由于对称关系 只需求出1 4供电面积上的负荷矩 标有斜线的面积元上负荷大小为 见图5 9 此负荷在干线上产生的负荷矩为 所以 dM 积分得出 方案 每条干线负荷到电源点的负荷矩为 干线负荷矩 华北电力大学电力工程系 65 2020 2 14 再求M2 如图5 10所示 有斜线表示的面积元dxdy上的负荷为 dxdy 此负荷在支线上产生的负荷矩为 所以 dM 积分得出 方案 每条支线负荷到干线连接点的负荷矩为 在1 4供电面积内 5 17 华北电力大学电力工程系 66 2020 2 14 所以 方案A的总负荷矩M为 5 18 同理可求方案B C D的总负荷矩为 5 21 5 24 5 27 华北电力大学电力工程系 67 2020 2 14 3 小结将方案A B C D的线路长度 干线上负荷矩和总负荷矩列表 如表5 2所示 从表5 2可见 方案C在各方面的指标不如方案A 应首先淘汰C 方案D的负荷矩与方案A相同 但线路长度比方案A大20 30 所以应淘汰D 方案B与方案A比较 线路长度约小15 10 但负荷矩约大40 干线上的负荷矩也约大24 所以保留A B两种方案 以便和以后各方案再进行比较 华北电力大学电力工程系 68 2020 2 14 5 6六角形供电方案比较 所谓六角形供电方案是指供电区为正六边形围成的面积 其中所含配电点也为正六边形 我们的讨论分4根干线供电 6根干线供电 3根干线供电三种情况 一 一般性讨论思路 先拟订出几种供电方案 比较它们的线路总长度和总负荷矩 以决定方案的优劣 图5 18中给出六角形供电方案图形 今设每条干线有n个配电点 六角形的长边对角线长度为2R6 配电点的六角形长边对角线为l6 现在来求出l6和R6之间的关系 华北电力大学电力工程系 69 2020 2 14 供电点的供电面积 每个配电点的面积 供电区内配电点的个数N为 故R6与l6的关系为 于是 5 28 华北电力大学电力工程系 70 2020 2 14 二 变电所4根干线的情况 方案 1 线路长度线路总长度L 计算如下 5 29 其中 为支线与干线分支角成60o的每组支线长度 为该组的干线长度 为支线与干线分支角成90o的每组支线长度 华北电力大学电力工程系 71 2020 2 14 为该组干线长度 2 负荷矩支线与干线成600角供电区城内每条干线的负荷矩M11 见图5 20 为 5 30 支线与干线成900角供电区城内每条干线的负荷矩M12 见图5 20 为 华北电力大学电力工程系 72 2020 2 14 与干线成600角的支线上负荷矩 见图5 22 为 与干线成900角的支线上负荷矩 见图5 23 为 华北电力大学电力工程系 73 2020 2 14 总负荷矩为 5 31 华北电力大学电力工程系 74 2020 2 14 三 变电所有6根干线的情况 初步拟订三个方案 见图5 24 可以证明 这些方案中 线路长度及总负荷矩都是完全相同的 但方案T干线上的负荷矩比方案S大 方案U各条干线上的负荷大小不相同 方案T和 的优越性皆不如方案S 故保留方案S进行讨论 华北电力大学电力工程系 75 2020 2 14 1 线路长度 5 32 2 负荷矩 每条干线上的负荷矩 见图5 25 为 5 33 由每条干线供电的区域内 支线的负荷矩 为 华北电力大学电力工程系 76 2020 2 14 总负荷矩 5 34 四 变电所为3根干线的情况3根干线的情况见图5 26所示 可以证明 其线路长度与总负荷矩与6根干线的情况完全相同 但其一半干线上的负荷电流与另一半干线上的负荷电流相差太大 因此 此方案不如方案S 华北电力大学电力工程系 77 2020 2 14 五 六角形供电方案的小结从上可见 在六角形供电方案中只有方案S 干线 和方案K 干线 可能是好的 其他方案都因干线上的电压降不如方案S而被淘汰 方案S和方案K的比较结果如表5 3所示 从表5 3可见 方案S的线路长度比方案K只大1 2 负荷矩则比方案K小约4 干线上的负荷矩方案K比方案S大24 因而以方案S为优 小结 六角形供电方案之中方案S 干线 为最优 华北电力大学电力工程系 78 2020 2 14 5 7农村配电线路的最优布局 一 正方形和六角形的供电的比较将正方形供电的优化方案的方案A B与六角形供电的最优方案S进行等价比较 便可得出农村配电线路的最优布局 华北电力大学电力工程系 79 2020 2 14 先对正方形和六角形的供电范围进行统一换算 令两种供电范围的供电面积相等 即供电点的变压器容量一样 则有 或 所以 方案A的单位面积内分摊到的线路长度为 方案S的单位面积内分摊到的线路长度为 华北电力大学电力工程系 80 2020 2 14 所以 对于不同的n值 其比例见表5 4 根据表5 4 将表5 2 表5 3中的值归算成同一单位 可将各方案单位面积的线路长度之比 以方案S为1 列于表5 5中 华北电力大学电力工程系 81 2020 2 14 以代人负荷矩的公式中 也以方案S的负荷矩为1 符各其他方案的负荷矩比较列于表5 6中 从表5 5 表5 6可见 方案B应淘汰 各指标不如方案S 方案A的负荷矩比方案S小2 6 但干线上的负荷矩比方案S大14 线路长度也比方案S大12 以上 因此仍以方案S为优 华北电力大学电力工程系 82 2020 2 14 二 结论 1 农村配电线路的布局是否合理 对线路的基建投资 年运行费用 电能损耗 导线材料的消耗量以及电压降等技术经济因素有很大的关系 而线路的总长度和总负荷矩对以上因素起着决定性的作用 2 在平原地区按面积均匀分布的农村负荷 变电所内引出6根干线 干线之间互成600角 供电范围接近圆形 即按六角形的供电范围 有着最好的技术经济指标 即方案S的布局是最好的 3 为了使干线上的电压降减少 并有较好的经济效果 支线应在干线同一侧的近电源处引出 并与干线成500 800的角度 华北电力大学电力工程系 83 2020 2 14 4 导线的截面积应按经济电流密度进行选择 并按机械强度校验 5 上述结论对于干线为分段等截面的情况也是近似适用的 6 在进行配电线路布局时 按上述原则 根据具体情况略有变动 仍旧可以收到相当大的技术经济效果 华北电力大学电力工程系 84 2020 2 14 5 8更换和选择导线截面的有关问题 一 按每吨新导线减少的电阻值最大的原则更换导线 送配电线路更换导线的原因一般有三种 其一是电流超过原导线的长期载流量 其二是电流密度超过经济电流密度 其三是线路的压降超过容许值 我们的目的是以什么样的新导线更换旧导线 才能用相同的投资达到最大的降损效果 下面我们来讨论这个问题 不考虑旧导线回收费用的影响 设原导线每km的电阻为r 所选新导线的截面为S mm2 L 1 AS 为新导线每吨的长度 km 其中A 0 为导线的电阻率 mm2 km 如此 用1t新导线更换旧导线后 其电阻减小值为 华北电力大学电力工程系 85 2020 2 14 为使阻值减小的最大 令 解得 5 35 且二阶导数 式中S1 原导线的截面 mm2 从上述推演可知 S 是更换导线截面的最优值 由于减少的阻值最大 则相应的减少损失和电压损失也最大 华北电力大学电力工程系 86 2020 2 14 2 考虑旧导线回收费用的影响若旧导线截面为S1 新导线截面为S 则用1t新导线换下来旧导线的重量为S1 S t 于是问题的目标函数为每吨新导线带来的经济效益 5 36 其中第一项为更换导线后电阻减小所节省电能损失的价格 第二项为更换下来旧导线的价格 式中 m 平均售电单价 设0 245元 kW h I 线路电流有效值 A 电阻率 mm2 km A 比例系数 其值约为4 f 旧导线回收年折回价格 元 t t 运行时间 h 华北电力大学电力工程系 87 2020 2 14 为使经济效益 最高 将Q值对S求导 并命其为0 有 一般情况下 I S 对LGJ 16 LGJ 240导线而言 S12 I2的比值在0 02 0 15的范围以内 且当t 8500h时 有 5 37 华北电力大学电力工程系 88 2020 2 14 若导线的价格每吨为13000元 考虑5年回收 则年金 因此 比值的最大值为 故式 5 37 可近似写成 结论 更换线路导线时若新导线的截面积为原导线截面积的 倍则每吨新导线的使用带来的线路电阻减少或带来的经济效益增加均为最大使 13000 13000 华北电力大学电力工程系 89 2020 2 14 例5 6 某线路S1 35mm2 现其首端有10 7km的线路上的均方根电流已达到65A 欲更换该段导线 按经济电流密度选择新导线截面应为50mm2 按本方案应为70mm2 6t导线 如用为LGJ 50刚好更换10 7km的线路 而LGJ 70导线只能更换7 6km 其余3 1km仍用原35mm2的导线 试比较两种方案的电能损失和电压损失 解 更换6tLGJ 50导线后 全线电阻为 更换6tLGJ 70导线后 全线电阻为 华北电力大学电力工程系 90 2020 2 14 相应的功率损耗 电压降 若年运行小时数t 8500h 则LGJ 70比LGJ 50的年节约电量为 年节约金额 因此 第二方案比第一方案优越 采用第二方案换线 比35mm2导线所节省的电能和价格为 华北电力大学电力工程系 91 2020 2 14 年金M和现价P之间有下述关系 今6t导线现价为6x13000 78000元 故依M和P 可求回收年限n 考虑i 10 有 结论 现投资78000元 经0 925年 即11个月可回收 华北电力大学电力工程系 92 2020 2 14 例5 7 现网络采用截面为120mm2的铝绞线LJ 120 其运行电流为110A LJ 120导线的持续电流为375A 故满足发热要求 现负荷的功率因数为0 85 校验其电压损失为 其中 P 1620kw L 7km 电压损失的百分值 其值已超过5 的标准 今欲采用两种方案换线 第一方案采用LJ 150导线 第二方案采用LJ 240导线 我们来比较这两种方案的经济技术指标 华北电力大学电力工程系 93 2020 2 14 采用LJ 150导线 满足要求 电能损耗 其中 5900为年损耗小时数 2 采用LJ 240导线 华北电力大学电力工程系 94 2020 2 14 即 采用LG 240导线比采用LJ 150导线多花资金于4 75年内可以回收 华北电力大学电力工程系 95 2020 2 14 二 导线参数随截面的变化在S 150mm2时 变更一个线号 线路压降将有明显的改变 当S 150mm2时 增大导线截面带来的线路压降的减少将不明显 最好是