崔凱，宋毅，李敬如，趙娟

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

電壓序列是電網(wǎng)發(fā)展過程中逐漸形成的電壓等級分層系列。電壓序列的確定與選用直接關(guān)系到電網(wǎng)的發(fā)展和國家建設(shè)，不僅會影響電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和布局，而且會影響電氣設(shè)備和電力設(shè)施的設(shè)計與制造以及電力系統(tǒng)的運行和管理，同時在相當(dāng)程度上決定著電力系統(tǒng)的運行費用及經(jīng)濟(jì)效益［1］。合理的電壓序列，不僅有利于電力系統(tǒng)的發(fā)展、技術(shù)改造，而且對國家的現(xiàn)代化建設(shè)和民族工業(yè)的振興均具有相當(dāng)重要的意義［2］。電壓序列評價指標(biāo)是指導(dǎo)電壓序列選擇和改造的重要依據(jù)，是評價電網(wǎng)建設(shè)和改造方案優(yōu)劣的重要內(nèi)容。開展電壓序列評價指標(biāo)的研究工作，一方面有助于發(fā)現(xiàn)和解決制約電網(wǎng)發(fā)展的問題和瓶頸，梳理和形成電網(wǎng)健康發(fā)展的正確思路;另一方面有助于提高電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計水平，增強電網(wǎng)規(guī)劃方案的前瞻性、科學(xué)性和合理性。

1 電壓序列選擇的基本要求

1.1 電壓等級標(biāo)準(zhǔn)

電壓等級標(biāo)準(zhǔn)是電氣技術(shù)中最基本的標(biāo)準(zhǔn)之一，與電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計、制造和使用密切相關(guān)［3］。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 156-2007《標(biāo)準(zhǔn)電壓》［4］的規(guī)定，標(biāo)稱電壓1 kV以上的交流三相系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電壓共有12種，分別為1 000、750、500、330、220、110、66、35、20、10、6、3 kV。

國家電壓標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)范和統(tǒng)一電力行業(yè)、電力設(shè)備制造企業(yè)以及用電工業(yè)和電力用戶之間的電壓等級發(fā)揮了重要作用，合理的電壓序列應(yīng)在此范圍內(nèi)選擇組合。

1.2 電壓等級級差

國家電壓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)可以采用的標(biāo)稱電壓，但由于不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的差異性，同時考慮到不同電壓等級的特點和適應(yīng)范圍，實際應(yīng)用中沒有必要完全依次采用，可以根據(jù)不同地區(qū)電網(wǎng)的特點越級使用，從而產(chǎn)生了電壓等級級差。電壓等級級差是指電網(wǎng)相鄰電壓間的比值，對電網(wǎng)實際運行有著非常重要的影響［2］。電壓等級級差選擇過大，將造成變電設(shè)備制造困難和低壓送出困難，導(dǎo)致出線回路數(shù)多且低壓送電距離過長，損耗增大，還可能造成供電范圍不能聯(lián)合;電壓等級級差選擇過小，電網(wǎng)變電層次太多，將造成不必要的重復(fù)變電，增加電網(wǎng)運行費用，同時也會造成供電范圍重疊，不能充分發(fā)揮電壓等級應(yīng)有的功能。

國際電工委員會在《IEC標(biāo)準(zhǔn)電壓》中對電壓等級級差的選擇提出如下2點建議［1］。(1)任一國家內(nèi)，相鄰2級電壓之比不應(yīng)小于2;(2)任一地區(qū)內(nèi)，對下列括號內(nèi)的各種電壓等級只能選擇其中1種:(245、300、363 kV)、(363、420 kV)和(420、525 kV)。

國際大電網(wǎng)會議(international council on large electric systems，CIGRE)與國際供電會議(international conference and exhibition on electricity distribution，CIRED)所組成的聯(lián)合工作組，經(jīng)研究后推薦，電網(wǎng)相鄰2級電壓之比宜滿足以下條件［1］:超高壓(220～500 kV)以下的大于3、高壓(50～150 kV)以下的大于5。

1.3 其他影響要求

國內(nèi)外電網(wǎng)發(fā)展歷程表明，電壓序列的選擇涉及的影響因素眾多［5］，不僅受資源分布、地域環(huán)境以及國家方針和能源政策等諸多因素的制約，而且還受原有基礎(chǔ)的制約(如輸電距離、技術(shù)水平、財力物力、材料材質(zhì)、試驗條件、各類電氣設(shè)備的設(shè)計技術(shù)與制造工藝等)及其他國家的影響。因此，電壓序列的優(yōu)化選擇，需要科學(xué)決策，統(tǒng)籌規(guī)劃，因地制宜，穩(wěn)步推進(jìn)，避免不必要的重復(fù)投資。

2 電壓序列配置方案

2.1 方案組合

根據(jù)我國電網(wǎng)電壓等級的分布，結(jié)合國內(nèi)外電網(wǎng)實際應(yīng)用情況，我國電網(wǎng)電壓序列各種可能的配置組合如圖1所示。

圖1 我國電網(wǎng)電壓序列配置方案Fig.1 Voltage sequence configuration scheme in China's power grid

圖1中電壓序列配置方案可大致分成2類，分別是以500 kV為電源點的電壓序列和以750 kV為電源點的電壓序列。根據(jù)電壓等級配置的基礎(chǔ)理論［6］，/220/10/0.4 kV電壓序列由于不能使220 kV輸電容量得到充分釋放應(yīng)限制使用;/35/20/0.4 kV電壓序列由于35 kV和20 kV電壓等級級差較小，不滿足技術(shù)合理性的要求，也不推薦使用。

2.2 我國電壓序列發(fā)展概況

2.2.1 區(qū)域分布

我國電網(wǎng)經(jīng)過大規(guī)模的建設(shè)和改造，電壓序列得到逐步規(guī)范和簡化，現(xiàn)有電壓序列大多數(shù)為5～6級，詳細(xì)分布如表1所示。

表1 我國電網(wǎng)主要電壓序列分布情況Tab.1 Distribution of main voltage sequences in China's power grid

2.2.2 優(yōu)化重點

從表1中不難發(fā)現(xiàn)，我國局部地區(qū)電網(wǎng)電壓序列變電層次相對較多，導(dǎo)致運行損耗較大。在電網(wǎng)建設(shè)和改造過程中，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要適時而有計劃地開展電壓序列的改造工作，簡化電壓等級，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)輸電距離和輸電容量的需要，我國220 kV及以上電網(wǎng)電壓等級的功能定位已較為明確，而低壓采用0.4 kV也已成為普遍的事實，用戶設(shè)備數(shù)量極其龐大，調(diào)整也不太現(xiàn)實［7］。因此，電壓序列的優(yōu)化重點應(yīng)在電網(wǎng)高、中壓配電電壓的選取以及電網(wǎng)變電層級的配置上。綜合考慮我國電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性要求，電壓序列優(yōu)化配置的目標(biāo)方案一般有如下5種:(1)500/220/110/10(20)/0.4 kV;(2)500/220/66/10(20)/0.4 kV;(3)500/220/35/10/0.4 kV;(4)500/220/20/0.4 kV;(5)750/330/110/10(20)/0.4 kV。

3 電壓序列評價指標(biāo)的構(gòu)建

根據(jù)我國電網(wǎng)電壓序列發(fā)展客觀情況，結(jié)合電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的有關(guān)規(guī)定和電力系統(tǒng)分析的技術(shù)原理，本文提出的電壓序列評價指標(biāo)主要由基礎(chǔ)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會指標(biāo)構(gòu)成。

3.1 基礎(chǔ)指標(biāo)

基礎(chǔ)指標(biāo)是電壓序列計算的原始指標(biāo)，可由其進(jìn)一步計算或派生出其他指標(biāo)?；A(chǔ)指標(biāo)分為基本信息和基礎(chǔ)參數(shù)，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)指標(biāo)的構(gòu)成Fig.2 Structure of basic indexes

(1)基本信息。與基本信息相關(guān)的指標(biāo)旨在定量描述規(guī)劃區(qū)的基本情況，主要包括供電面積、供電人口、負(fù)荷密度(最大負(fù)荷)、用電量等指標(biāo)。

(2)基礎(chǔ)參數(shù)。與基礎(chǔ)參數(shù)相關(guān)的指標(biāo)一般事先給定，指標(biāo)的數(shù)值或來自于電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，或來自于規(guī)劃、運行人員的經(jīng)驗積累。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)是電壓序列配置方案技術(shù)合理性的重要反映，主要用來描述輸配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)匹配關(guān)系和高、中壓配電網(wǎng)的總體規(guī)模，并論證說明電壓序列配置方案對技術(shù)約束的滿足程度。技術(shù)指標(biāo)分為描述性指標(biāo)和評價性指標(biāo)，如圖3所示。

(1)描述性指標(biāo)。描述性指標(biāo)在反映輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配特性的同時，著重說明不同配置方案在工程規(guī)模(工程量)上的差異。指標(biāo)數(shù)量的大小原則上并不能反映不同方案的優(yōu)劣，但可間接反映配置方案技術(shù)性能的特點。描述性指標(biāo)由輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)類指標(biāo)、高壓配電網(wǎng)規(guī)模類指標(biāo)和中壓配電網(wǎng)規(guī)模類指標(biāo)構(gòu)成。

圖3 技術(shù)指標(biāo)的構(gòu)成Fig.3 Structure of technical indexes

(2)評價性指標(biāo)。評價性指標(biāo)是電壓序列配置方案選擇重點考察的指標(biāo)。按照技術(shù)上要求滿足的程度不同，評價性指標(biāo)分為約束性指標(biāo)和預(yù)期性指標(biāo)。約束性指標(biāo)是指根據(jù)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定必須滿足的指標(biāo)，主要由短路容量和電壓降2個指標(biāo)構(gòu)成。預(yù)期性指標(biāo)反映了不同電壓序列配置方案在技術(shù)上的差別，是供電部門力爭改善的指標(biāo)，主要由結(jié)構(gòu)類指標(biāo)(高壓配電設(shè)備N-1通過率、中壓線路聯(lián)絡(luò)率)以及線損率、供電可靠率等綜合性指標(biāo)構(gòu)成。

3.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括建設(shè)費用、運行維護(hù)費用和線損費用，其和可用工程總費用表示。由于電壓序列優(yōu)化選擇既可能出現(xiàn)在電網(wǎng)的新建區(qū)，也有可能出現(xiàn)在電網(wǎng)的建成區(qū)，對于后者，工程總費用中還需要反映電網(wǎng)過渡改造成本。

為了進(jìn)一步體現(xiàn)資金的時間價值，在經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)中引入年費用的概念［8］，將各方案的投資和運行成本費用按照等支出的方法折算為年費用進(jìn)行比較。

式中:Za為年費用;Zt為投資年值;Zm為年運行維護(hù)費用;Zc為年線損費用。

式中:Im為總建設(shè)費用;i為折現(xiàn)率;n為運營期。

式中:I0為固定資產(chǎn)原值;R為運行維護(hù)費率。

式中:ΔP為線損功率;h為年最大損耗小時數(shù);f為購電價。

3.4 社會指標(biāo)

電壓序列評價的社會指標(biāo)主要為線路走廊、變電站、配變等設(shè)備的占地面積。其中，線路走廊占地面積可近似表示為線路走廊寬度與線路條數(shù)的乘積。

3.5 電壓序列評價指標(biāo)體系

電壓序列評價指標(biāo)由基礎(chǔ)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會指標(biāo)構(gòu)成，指標(biāo)數(shù)量較多，為方便對電壓序列配置方案的合理性做出正確評價，需要進(jìn)一步研究篩選出關(guān)鍵性指標(biāo)。鑒于基礎(chǔ)指標(biāo)和描述性技術(shù)指標(biāo)并不直接參與電壓配置方案的評價，因此電壓序列評價指標(biāo)體系原則上可由評價性技術(shù)指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、社會指標(biāo)組成，如圖3所示?？紤]到設(shè)備N-1通過率、中壓線路聯(lián)絡(luò)率與配電網(wǎng)的供電可靠性密切相關(guān)，為減少指標(biāo)評價內(nèi)容的相互交叉和重疊，評價性指標(biāo)僅選擇綜合線損率、供電可靠率等綜合性指標(biāo)作為關(guān)鍵性指標(biāo)。

圖4 電壓序列評價指標(biāo)體系Fig.4 Evaluation index system of voltage sequence

3.6 電壓序列優(yōu)化選擇的綜合評價

電壓序列優(yōu)化選擇涉及面廣。單一的評價指標(biāo)由于側(cè)重點不一，對評價對象難以做出全面、合理的評價。利用多個評價指標(biāo)對評價對象進(jìn)行綜合評價，可以在電壓序列不同的配置方案中尋求整體最優(yōu)?？紤]到電壓序列評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)都是對客觀數(shù)據(jù)的分析，并且評價體系采用的是分級構(gòu)建的組織模型結(jié)構(gòu)，因此可選用層次分析法進(jìn)行評價［9-10］。首先對各個評價指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理并確定相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后采用綜合評價模型逐層向上計算，直到計算得到評價對象的綜合評估值，以此作為對不同電壓序列配置方案進(jìn)行排序和評價的依據(jù)。

4 結(jié)語

電壓序列的選擇關(guān)系到電網(wǎng)發(fā)展的整體布局和長遠(yuǎn)戰(zhàn)略，意義重大，影響深遠(yuǎn)。本文基于電網(wǎng)發(fā)展客觀規(guī)律的認(rèn)識，提出了覆蓋技術(shù)經(jīng)濟(jì)內(nèi)容的電壓序列評價指標(biāo)，建立了可用于指導(dǎo)實際工作的評價指標(biāo)體系。由于不同的評價指標(biāo)側(cè)重點不一，為便于對被評價對象進(jìn)行全面、綜合考察，可通過層次分析法等綜合評價方法進(jìn)一步建立反映各種指標(biāo)內(nèi)涵的綜合評價指標(biāo)來定量說明不同配置方案的優(yōu)劣，從而為決策者提供更為全面、客觀的決策信息。

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