呂奮飛 殷紅旭

（1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250000；2.山東電力集團(tuán)公司德州供電公司，山東 德州 253000）

城市電網(wǎng)是城市范圍內(nèi)為城市供電的各級電壓電網(wǎng)的總成，它包括送電網(wǎng)、高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)，連同為其提供電源的變電站和網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電廠。城市電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，又是其主要的負(fù)荷中心，具有用電量大、負(fù)荷密度高、安全可靠性要求高和供電質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)進(jìn)步，用電負(fù)荷持續(xù)上升，城市配電網(wǎng)的供電壓力增加。為了使城市電網(wǎng)不成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，必須對今后城市電網(wǎng)的發(fā)展方向進(jìn)行充分思考，做出合理的判斷。

1 我國城市配電網(wǎng)現(xiàn)狀及存在問題

我國城市配電網(wǎng)一般存在以下特點(diǎn)[1]：

1）負(fù)荷密度大、增長快，供電設(shè)施占地面積要小。

2）僅靠電網(wǎng)增容改造仍然不能滿足負(fù)荷需求。

3）出線電纜走廊有限，為滿足新增用電，不斷增加電纜條數(shù)，電纜排列緊密，電流大、發(fā)熱多、散熱困難、溫升大，不利于安全運(yùn)行。

4）新建變電站選址、征地困難，且變電站進(jìn)線電纜走廊困難，無法滿足要求。

由于城市中心區(qū)大多是能源缺乏區(qū)，這樣就使得越來越多的電力需要經(jīng)過長距離輸電才可以到達(dá)用戶，外售電比例較高。眾所周知，這樣并不符合電源接近負(fù)荷中心的規(guī)劃思路，無功電壓支撐困難，再加上恒功率負(fù)荷的持續(xù)增加，勢必會(huì)對城市配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題造成影響。同時(shí)，配電網(wǎng)上廣泛使用的無功電壓綜合自動(dòng)控制裝置在改善用戶供電質(zhì)量的同時(shí)，也給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了極為不利的影響。

目前，電力市場改革仍然難以邁開步伐。我國的現(xiàn)行電價(jià)，對同一類用戶只有一種電價(jià)，用戶的選擇余地不大，缺乏用電的積極性，大大影響了用電和節(jié)電的熱情。

我國配電自動(dòng)化的概念已提出多年，但至今成效尚微，只在部分城市進(jìn)行了專項(xiàng)試點(diǎn)，且實(shí)際運(yùn)行中存在問題。只有少數(shù)城市的配電網(wǎng)規(guī)劃大綱中明確指出需做配電自動(dòng)化的專項(xiàng)規(guī)劃，由于配電網(wǎng)先天的復(fù)雜性使得配電網(wǎng)的自動(dòng)化成為難題。

借鑒國外發(fā)展城市配電網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上述對我國城市配電網(wǎng)現(xiàn)狀的具體分析，電網(wǎng)發(fā)展也需要優(yōu)質(zhì)與高效，可見對我國城市配電網(wǎng)的發(fā)展方向進(jìn)行思考已經(jīng)勢在必行。

2 城市高負(fù)荷密度新區(qū)推行20kV

現(xiàn)有高負(fù)荷密度地區(qū)配電模式存在的問題包括以下幾個(gè)方面：10kV供電半徑不足；網(wǎng)損大，電能質(zhì)量差，電費(fèi)過高；高負(fù)荷密度用戶供電難以滿足。

IEC標(biāo)準(zhǔn)電壓中規(guī)定有20kV電壓等級，美國、俄羅斯、日本、法國、意大利、加拿大等都將20kV列入國家標(biāo)準(zhǔn)。尤其是法國電力公司（EDF）從1961年規(guī)定 20kV為城網(wǎng)中壓系統(tǒng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)[2]，至今20kV網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好。

在我國，國家電網(wǎng)公司在2004年在“輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展及電壓等級優(yōu)化研究中提出在新發(fā)展電網(wǎng)的地區(qū)宜不失時(shí)機(jī)地試點(diǎn)推行20kV作為中壓配電的電壓等級”。目前，蘇州工業(yè)園區(qū)青秋浦以東45km工業(yè)園區(qū)全部采用20kV中壓配電電壓等級，上海軌道交通、地鐵和輕軌均采用20kV作為中壓配電電壓等級，二者實(shí)際運(yùn)行情況良好。

就合理性而言，由理論計(jì)算[3]可知，采用20kV供電，輸送容量在同等導(dǎo)線規(guī)格下比 10kV提高 1倍，在同等負(fù)荷下 20kV的電壓降比 10kV減少了75%，供電半徑增加一倍；線損率降低了 75%，變壓器損耗只有10kV的1/4；有色金屬耗量減少50%。

就可行性而言，10kV升壓至20kV在設(shè)備方面的價(jià)格增加不大，約為15%左右，且為滿足國內(nèi)10kV中性點(diǎn)不接地而購進(jìn)的進(jìn)口15kV或24kV設(shè)備可以直接用于20kV；20kV由于絕緣要求與10kV較為接近，所以相比35kV電壓等級的占地而言，20kV明顯減少；在電費(fèi)方面，2007年國家發(fā)改委辦公廳已經(jīng)批復(fù)了江蘇省關(guān)于增設(shè)20kV銷售電價(jià)的決定，采用10kV和35kV電價(jià)的平均值。這樣，對于高負(fù)荷密度地區(qū)的大用戶而言，采用20kV不僅可以滿足其供電需要，而且電費(fèi)也相比35kV有所節(jié)省。

鑒于20kV電網(wǎng)建設(shè)時(shí)間較長且布線與10kV相差較大，現(xiàn)有10kV電網(wǎng)不可能短期內(nèi)升壓至20kV，所以初期宜選擇新興區(qū)域或現(xiàn)狀電網(wǎng)基礎(chǔ)比較薄弱，但未來發(fā)展負(fù)荷密度高、電力需求增長迅猛的區(qū)域開展20kV試點(diǎn)[4]。而對老城區(qū)等電網(wǎng)已經(jīng)成熟的且不易重新布線的地區(qū)暫不改造為20kV。這樣既可以節(jié)

省資金，又可以確保老城區(qū)已有規(guī)劃不必因此修改。

3 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)引入智能用電系統(tǒng)

從20世紀(jì)90年代中期起，國家電網(wǎng)公司旗下的網(wǎng)省公司就開始對用電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化建設(shè)進(jìn)行了有益的探索。對我國配電網(wǎng)進(jìn)行智能用電的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

在我國適時(shí)引入智能用電系統(tǒng)，可以對電網(wǎng)建設(shè)、節(jié)能環(huán)保、電能質(zhì)量管理產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。由于智能用電投資較大，所以可以先在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，然后在全國陸續(xù)展開。

目前，北京蓮香園小區(qū)、北京阜城路95號院、上海市浦東區(qū)峨山路的“越富豪庭”居民區(qū)等正在進(jìn)行智能用電試點(diǎn)，上海世博會(huì)國家電網(wǎng)館也將智能用電的理念展示給世人。

智能用電系統(tǒng)的應(yīng)用將為配電網(wǎng)引入新的元素：實(shí)時(shí)電價(jià)的應(yīng)用、分布式電源的接入、儲(chǔ)能裝置的接入等。它們的引入將改變配電網(wǎng)傳統(tǒng)的運(yùn)行模式，在使配電網(wǎng)智能化的進(jìn)程中，無論在技術(shù)上還是觀念上都是一次全新的挑戰(zhàn)。

3.1 智能用電中的實(shí)時(shí)電價(jià)

實(shí)時(shí)電價(jià)[5]能反映“瞬時(shí)”的生產(chǎn)邊際成本及用電量信息，融電價(jià)水平與電價(jià)結(jié)構(gòu)于一身。其應(yīng)用可以激勵(lì)用戶節(jié)約用電，向用戶提供實(shí)時(shí)電價(jià)信息，同時(shí)為用戶提供多種可選的用電方案。

智能用電系統(tǒng)引入實(shí)時(shí)電價(jià)理念使用戶側(cè)電力市場化成為可能，用經(jīng)濟(jì)手段刺激用戶積極參與零售市場，讓消費(fèi)者自主選擇適合自己的用電方案，從而促成人們生活的便捷性、舒適性和高質(zhì)量。對電力企業(yè)而言，應(yīng)用實(shí)時(shí)電價(jià)有利于減少高峰需求的增長，推遲配電網(wǎng)改造，保持電價(jià)穩(wěn)定。通過鼓勵(lì)避峰消費(fèi)，還可以幫助平衡配電網(wǎng)的負(fù)荷。

3.2 智能用電中的分布式電源

智能用電系統(tǒng)的建立恰為實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電提供了客觀便利條件；同時(shí)，分布式發(fā)電也正是智能用電系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。智能用電系統(tǒng)中，用戶的概念發(fā)生了變化，至少它已不是傳統(tǒng)意義上單方面消耗電能的用電終端。智能用電系統(tǒng)中的用戶在可以根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)安排用電方案的同時(shí)，還可以根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)信息向電網(wǎng)回饋電能，這時(shí)候用戶就不再是傳統(tǒng)意義上的被動(dòng)用電了。

分布式電源的種類很多，包括小水電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等。一般來說，其容量從1kW 到 10kW。智能用電系統(tǒng)中的分布式電源并不具有像內(nèi)蒙風(fēng)電場那樣集中的特點(diǎn)，相反它是分散在每家每戶的小型風(fēng)機(jī)或是幾塊太陽能電池板。因此這樣的分布式電源規(guī)模小，靠近負(fù)荷中心，可根據(jù)需要給附近負(fù)荷供電，降低對電網(wǎng)擴(kuò)展的要求[6]；或是接入配電網(wǎng)，向電網(wǎng)輸送電能。這樣，可以在一定程度上減輕對常規(guī)能源發(fā)電的依賴，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；還可以減少輸電網(wǎng)上的功率傳輸，降低損耗，節(jié)約電網(wǎng)的年運(yùn)行費(fèi)用。

然而，大量的分布式電源接入配電網(wǎng)，勢必改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流分布[7]。在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，饋線潮流總是單向流動(dòng)的，并且隨著與變電站距離的增加有功潮流單調(diào)減少；當(dāng)在饋線上安裝了分布式電源以后，從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式，使得潮流難以預(yù)測，會(huì)對保護(hù)方案、電壓控制和儀表設(shè)備提出新的要求[6]。同時(shí)，分布式電源（例如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電）受天氣影響較大，接入電網(wǎng)后會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)性變化，使得潮流具有隨機(jī)性。所以，分布式電源的接入可能會(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，勢必會(huì)給配電網(wǎng)帶來一次技術(shù)革新。

3.3 智能用電中的儲(chǔ)能裝置

隨著科技進(jìn)步，儲(chǔ)能裝置的種類層出不窮，比如：飛輪儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能、鈉硫蓄電池儲(chǔ)能等。在我國試點(diǎn)建設(shè)智能用電系統(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)了一種新型的交通工具——充電式混合動(dòng)力汽車（俗稱電動(dòng)汽車）。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和油價(jià)的不斷攀升，人們在追求方便快捷的同時(shí)，更多的會(huì)考慮如何更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)。電力作為一種生活必需品，電價(jià)相對較低，單就這一方面而言，在充電站等基礎(chǔ)設(shè)施建成后，電動(dòng)汽車也會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)得到普及。

從另外一個(gè)角度考慮，電動(dòng)汽車還是一種強(qiáng)大的儲(chǔ)能裝置。據(jù)報(bào)道，其車用電池可儲(chǔ)能35kW·h，足以提供一般居民用戶一晝夜的用電量。而且，居民用戶可充分利用實(shí)時(shí)電價(jià)信息，適時(shí)給電動(dòng)汽車充放電，以節(jié)約電費(fèi)。例如：夜間處于谷荷時(shí)期電價(jià)較低，則給電動(dòng)汽車充電，傍晚正值峰荷時(shí)期電價(jià)較高，可將電動(dòng)汽車的剩余電量接入系統(tǒng)，作為電源以供家用。隨著智能用電的發(fā)展，電動(dòng)汽車等儲(chǔ)能裝置的使用，將使電力負(fù)荷曲線趨于平緩，有利于延長電力設(shè)備的壽命，減少備用容量，同時(shí)也有利于居民節(jié)電意識(shí)的形成。

4 分布式電源自足的地區(qū)建立微網(wǎng)

微網(wǎng)是21世紀(jì)的新興概念。微網(wǎng)的含義在不同國家和地區(qū)也有著演變和區(qū)分，但共同的觀點(diǎn)是：微網(wǎng)必須是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，融合儲(chǔ)能裝置、控制裝置和保護(hù)裝置的一體化單元；靠近用戶終端負(fù)荷；接入的電壓等級是配電網(wǎng)；能夠工作在并網(wǎng)和自治兩種模式[8-10]。

微網(wǎng)是一個(gè)集成了分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能以及保護(hù)和控制等一系列環(huán)節(jié)的小型供能系統(tǒng),它最大的特點(diǎn)是能夠自治運(yùn)行。當(dāng)微網(wǎng)運(yùn)行于自治模式時(shí)，網(wǎng)內(nèi)的分布式微電源將可以在一定程度上發(fā)揮分布式電源的作用，從而使微網(wǎng)在自治運(yùn)行時(shí)能夠盡可能少的放棄負(fù)荷甚至是不放棄。

在我國，隨著智能用電系統(tǒng)的建設(shè)，分布式電源的引入也給微網(wǎng)的建立提供了可能，可在電源能夠自足的地區(qū)建立微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)該樓宇、小區(qū)或者地區(qū)內(nèi)供電的自給自足。

微網(wǎng)的建設(shè)可以優(yōu)化和提高能源的利用率，推動(dòng)分布式電源上網(wǎng)，改善電網(wǎng)的安全可靠性[6]。特別是當(dāng)大電網(wǎng)遭嚴(yán)重破壞而解列時(shí)，微網(wǎng)可以自成網(wǎng)絡(luò)向區(qū)內(nèi)用戶供電，保證智能用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，大大增強(qiáng)了配電網(wǎng)供電的靈活性。

隨著近年來“直流生態(tài)住宅”理念的提出，考慮建立集成直流電與住宅能源管理系統(tǒng)的住宅供電系統(tǒng)[11]，是城市配電網(wǎng)的又一發(fā)展方向。由于直流配電網(wǎng)具有線路造價(jià)低、電能損耗小、供電可靠性高、環(huán)保等優(yōu)勢，在地區(qū)微網(wǎng)的構(gòu)建中應(yīng)予以足夠重視。

5 結(jié)論

城市配電網(wǎng)發(fā)展方向的確定，關(guān)系到具體的配電網(wǎng)規(guī)劃與改造的實(shí)施。明確配電網(wǎng)今后如何發(fā)展，對下一步的工作具有積極的意義。

在城市高負(fù)荷密度建站、出線困難的地區(qū)以及遠(yuǎn)距離輸電使得電壓水平下降的地區(qū)，宜試點(diǎn)推行20kV作為中壓配電電壓等級，代替 10kV；在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)試點(diǎn)并推廣智能用電系統(tǒng)，使配電網(wǎng)更具智能化，滿足人們對高質(zhì)量生活的需要；在分布式電源充足的地區(qū)，可以構(gòu)建微網(wǎng)，自治模式下可增強(qiáng)“抗震減災(zāi)”的能力，同時(shí)在微網(wǎng)中試點(diǎn)“直流生態(tài)住宅”，將直流電的優(yōu)勢充分發(fā)揮。

綜上，今后城市配電網(wǎng)將向著節(jié)能、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、智能的方向發(fā)展，我國配電網(wǎng)的明天值得期待。

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