王乃永，吳磊，黃明良，張世強(qiáng)

(1.陜西省電力公司，西安市，710048;2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075)

0 引言

目前，西安電網(wǎng)主網(wǎng)電壓等級(jí)為330/110 kV，電網(wǎng)發(fā)展初期300 MW級(jí)機(jī)組均要求接入330 kV電網(wǎng)，電廠電力需要通過330 kV變電站降壓供地區(qū)110 kV電網(wǎng)負(fù)荷，占用330 kV變電容量。隨著城區(qū)負(fù)荷的快速發(fā)展，負(fù)荷中心負(fù)荷密度不斷提高，西安市區(qū)受制于線路走廊、土地價(jià)格等限制，市區(qū)330 kV變電站選址十分困難，330 kV變電容量嚴(yán)重不足。

根據(jù)《陜西電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃》［1］，“十二五”期間，西安地區(qū)規(guī)劃新增熱電機(jī)組較多，主力機(jī)組多為300 MW級(jí)機(jī)組，電源接入系統(tǒng)方案的選擇直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定以及電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)DL 755—2001《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》［2］，對(duì)電廠接入系統(tǒng)方案選擇的基本原則是“簡(jiǎn)化電廠接線，分散外接電源，分層分區(qū)接入”，其中主要的問題集中在對(duì)“分層分區(qū)接入”這一原則的理解。導(dǎo)則中規(guī)定，主力電廠宜直接接入最高一級(jí)電壓電網(wǎng)，同時(shí)又規(guī)定，合理分層，將不同規(guī)模的發(fā)電廠和負(fù)荷接到相適應(yīng)的電壓網(wǎng)絡(luò)上［3］。

本文通過西安西郊熱電廠接入系統(tǒng)方案研究，分析了300 MW級(jí)機(jī)組分層分區(qū)接入電網(wǎng)負(fù)荷中心城區(qū)110 kV電網(wǎng)的可行性、合理性以及技術(shù)上需要滿足的條件。西安市西郊熱電廠現(xiàn)在裝機(jī)為2×60 MW+1×30 MW+1×25 MW，電廠規(guī)劃容量為4×350 MW機(jī)組，本期建設(shè)2×350 MW 機(jī)組，計(jì)劃于2012年投運(yùn)，建成后關(guān)停西郊熱電廠現(xiàn)有小機(jī)組。

1 西安負(fù)荷發(fā)展情況及電力平衡分析

1.1 西安及西郊負(fù)荷發(fā)展情況

2010年，西安地區(qū)最大用電負(fù)荷為4061 MW，較上年增長(zhǎng)15.0%。預(yù)計(jì)2012、2015年西安地區(qū)用電負(fù)荷分別達(dá)到4750、6040 MW，“十二五”期間年均增長(zhǎng)率為8.62%。

西安西郊地區(qū)主要由西郊熱電廠、北郊330 kV草灘變和西南郊330 kV河寨變共同供電，330 kV河寨變、草灘變主變負(fù)載率均接近80%，河寨變已為最終規(guī)模3×360 MVA，遠(yuǎn)期2個(gè)變電站無論是在容量還是在供電距離上已不能滿足西郊地區(qū)日益發(fā)展的負(fù)荷需求。

根據(jù)《陜西電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃》，“十二五”期間，在西郊地區(qū)建設(shè)330 kV西郊變，建設(shè)容量為2×360 MVA;西郊變站址位于西郊熱電廠附近，緊鄰電廠升壓站北側(cè)，330 kV西郊變計(jì)劃主供以110 kV阿房變?yōu)橹行牡奈鹘嫉貐^(qū)負(fù)荷。根據(jù)《西安電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》［4］，預(yù)測(cè)西郊變供電區(qū)2012和2015年最大負(fù)荷分別為581、786 MW，2020年最大負(fù)荷為1092 MW。

2010年西郊熱電廠附近330/110 kV電網(wǎng)如圖1所示;2012—2013年西郊熱電廠附近330/110 kV電網(wǎng)如圖2［5］所示(圖中虛線為備用線路)。

圖1 2010年西郊熱電廠附近330/110 kV電網(wǎng)Fig.1 The 330/110 kV power grid diagram near Xi'an west suburb thermal power plant in 2010

圖2 2012—2013年西郊熱電廠附近330/110 kV電網(wǎng)Fig.2 The 330/110 kV power grid diagram near Xi'an west suburb thermal power plant from 2010 to 2013

1.2 西安電網(wǎng)電力平衡

由西安電網(wǎng)供電平衡表1可以看出，“十二五”期間，在考慮西郊熱電廠2×350 MW機(jī)組投運(yùn)的情況下，西安地區(qū)2011—2015年電力缺額為1590～2340 MW，2020年電力缺額為2550 MW，電廠電力可以在西安電網(wǎng)完全消納。

表1 西安電網(wǎng)供電平衡表Tab.1 Balance of power supply for Xi'an power grid MW

2 電廠接入系統(tǒng)方案

2.1 接入系統(tǒng)電壓等級(jí)

電廠本期主要供電方向?yàn)槲靼驳貐^(qū)，如果按照300 MW級(jí)機(jī)組優(yōu)先接入330 kV電網(wǎng)，電廠接入系統(tǒng)則提出了以330 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)的方案。

西郊變供電區(qū)2012，2015年最大負(fù)荷分別為581、786 MW。西郊熱電廠正位于西郊負(fù)荷中心區(qū)域，且電廠廠址附近規(guī)劃建設(shè)330 kV西郊變電站，電廠電力可以就近通過110 kV送出，直供負(fù)荷中心，電廠本期電力可以在西郊供電區(qū)基本消納，因此，接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出以110 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)的方案。

2.2 接入系統(tǒng)方案

目前，距電廠較近的接入點(diǎn)有330 kV莊頭變、330 kV河寨變和330 kV灃河變，以上3站均無電廠可利用的330 kV出線間隔，規(guī)劃建設(shè)的330 kV西郊變可作為電廠的接入點(diǎn)。根據(jù)西郊熱電廠電氣布置，西郊變所址緊鄰西郊熱電廠2×350 MW機(jī)組升壓站北側(cè)，電廠2×350 MW機(jī)組可就近接入西郊變，西郊變考慮與電廠同步投產(chǎn)。根據(jù)以上原則和要求，提出如下接入系統(tǒng)方案。

方案1:西郊熱電廠2×350 MW機(jī)組就近出2回330 kV線路接入西郊變電站330 kV母線，導(dǎo)線規(guī)格為2×300 mm2。

方案2:根據(jù)西郊變110 kV進(jìn)出線初步布置情況，西郊熱電廠2×350 MW機(jī)組每臺(tái)機(jī)組均以1回110 kV電纜接入西郊變110 kV母線，電纜規(guī)格初步選擇2×1200 mm2。

方案3:西郊熱電廠1臺(tái)350 MW機(jī)組就近出1回330 kV線路接入西郊變330 kV母線，導(dǎo)線規(guī)格為2×300 mm2;另一臺(tái)350 MW 機(jī)組以1回110 kV電纜接入西郊變110 kV母線，電纜規(guī)格初步選擇2×1200 mm2。

西郊熱電廠接入系統(tǒng)方案及西郊變330 kV/110 kV主接線見圖3。

圖3 西郊熱電廠接入系統(tǒng)方案及西郊變330 kV/110 kV主接線Fig.3 Connection to power system of Xi'an west suburb thermal power plant and 330 kV/110 kV main wiring of Xi'an west suburb substation

3 方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

3.1 方案技術(shù)比較

3.1.1 短路電流比較

(1)西郊變、西郊熱電廠短路電流計(jì)算。

根據(jù)《陜西電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃》，2013年前后關(guān)中電網(wǎng)將要形成750 kV環(huán)網(wǎng)，關(guān)中中東部負(fù)荷中心330 kV線路解環(huán)運(yùn)行，解環(huán)運(yùn)行后關(guān)中電網(wǎng)330 kV母線短路電流水平比2012年有較大程度的降低，因此，本文主要對(duì)2012年及遠(yuǎn)景年2020年短路電流進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表2～3所示。

由表2～3計(jì)算結(jié)果可以看出，各方案近期、遠(yuǎn)期短路電流均在斷路器開斷電流范圍內(nèi)，只有方案2的110 kV母線短路電流稍偏高。

表2 2012年各方案短路電流水平Tab.2 Short circuit current level of each scheme in 2012

表3 2020年各方案短路電流水平Tab.3 Short circuit current level of each scheme in 2020

(2)西郊熱電廠投運(yùn)后對(duì)附近110 kV電網(wǎng)短路電流的影響。

西郊熱電廠附近110 kV電網(wǎng)見圖2。110 kV阿房變是距離西郊熱電廠最近的110 kV變電站，線路距離約1 km，正常運(yùn)行方式下灃河—阿房、河寨—阿房雙回110 kV線路熱備用，西郊熱電廠投運(yùn)后主要對(duì)110 kV阿房變母線短路電流影響較大，計(jì)算結(jié)果見表4～7。2010年，阿房站115 kV母線三相短路電流為19.6 kA，開斷能力為31.5、40 kA。

由表4～5計(jì)算結(jié)果可知，正常運(yùn)行方式下，方案1阿房變110 kV母線短路電流水平在允許范圍內(nèi)，方案2阿房變110 kV母線短路電流水平已接近開關(guān)開斷極限31.5 kA，比方案1大11 kA左右;在投運(yùn)1回110 kV備用線路情況下，方案1阿房變110 kV母線短路電流最大為31.2 kA，方案2阿房變110 kV母線短路電流最大為41.5 kA，方案3阿房變110 kV母線短路電流最大為37.8 kA，大于開關(guān)開斷極限。

表4 2012年普通阻抗變壓器各方案短路電流水平Tab.4 Short circuit current level of each scheme for common impedance transformer in 2012

表5 2020年普通阻抗變壓器各方案短路電流水平Tab.5 Short circuit current level of each scheme for common impedance transformer in 2020

由表6～7計(jì)算結(jié)果可知，若西郊熱電廠升壓變及西郊變主變均采用高阻抗變壓器后，方案1阿房變110 kV母線短路電流均在開關(guān)開斷范圍內(nèi)，最大為26.4 kA;方案2阿房變110 kV母線短路電流正常運(yùn)行方式在開關(guān)開斷范圍內(nèi)，在投1回備用線路情況下，短路電流最大為34.9 kA，超過阿房變部分110 kV開關(guān)開斷極限;方案3短路電流最大為31.5 kA(阿房變110 kV開關(guān)開斷能力，14個(gè)31.5 kA開關(guān)，2個(gè)40 kA開關(guān))。

表6 2012年高阻抗變壓器各方案短路電流水平Tab.6 Short circuit current level of each scheme for high impedance transformer in 2012

表7 2020年高阻抗變壓器各方案短路電流水平Tab.7 Short circuit current level of each scheme for high impedance transformer in 2020

因此，方案1在控制西郊變附近110 kV電網(wǎng)短路電流水平方面較優(yōu)，方案2、3阿房變相關(guān)110 kV備用線路的短時(shí)投運(yùn)可能會(huì)受到一定限制，不如方案1靈活可靠。

3.1.2 方案2西郊變主變通過功率分析

方案2西郊變主變通過功率見表8。供電平衡計(jì)算中，冬季、夏季西郊熱2×350 MW 機(jī)組均全開機(jī)，考慮到西郊熱為供熱機(jī)組，冬季供熱期“以熱定電”運(yùn)行方式，每臺(tái)機(jī)組最大出力約為255 MW;夏季有少量工業(yè)熱抽氣，最大出力約為310 MW;冬季按不調(diào)峰考慮，夏季考慮30%調(diào)峰能力［7］。

表8 方案2西郊變各運(yùn)行方式通過功率Tab.8 Circulating power of various operation modes in Xi'an West Suburb Substation MW

正常運(yùn)行方式下西郊變主變通過功率均在允許范圍內(nèi)，西郊熱電廠供電出力基本在110 kV電網(wǎng)消納，僅在小方式下有少量升壓功率。

3.1.3 潮流穩(wěn)定計(jì)算分析

各方案潮流校核均可以滿足西郊熱電廠本期2×350 MW機(jī)組的送出要求，對(duì)關(guān)中電網(wǎng)潮流分布影響差別不大。西郊熱電廠全部電力可以在西郊供電區(qū)完全消納，典型運(yùn)行方式下電廠向關(guān)中330 kV主網(wǎng)基本沒有送出潮流。

各方案穩(wěn)定校核均滿足規(guī)程規(guī)定要求。方案1、3，電壓、功角曲線較方案2稍優(yōu)。方案2、3西郊變110 kV出線西郊變側(cè)三永故障，故障切除時(shí)間在0.14 s以內(nèi)可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)端故障切除時(shí)間在0.2 s時(shí)可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足110 kV系統(tǒng)故障操作要求。

3.1.4 各方案有功功率損耗比較

各方案對(duì)關(guān)中電網(wǎng)潮流分布影響不大，對(duì)有功功率損耗計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，主要比較各方案330 kV西郊變主變損耗、電廠送出線路損耗、西郊熱電廠升壓變損耗。

計(jì)算原則如下:各方案均為冬大方式，供熱期間電廠2臺(tái)機(jī)組滿出力510 MW，2012年西郊變供電區(qū)的負(fù)荷為581 MW，功率因素按0.9考慮。

變壓器主變損耗見表9，各方案變壓器阻抗值百分比選擇見表10。各方案有功功率損耗計(jì)算結(jié)果見表11，由表可見，方案2有功功率損耗最小，分別比方案1、3 小0.769、0.521 MW。

表9 變壓器有功功率損耗Tab.9 Active power loss of transformer

表11 各方案有功功率損耗Tab.11 Active power loss of various schemes MW

經(jīng)過廠商調(diào)研，西安西電變壓器有限責(zé)任公司、衡陽(yáng)變壓器有限公司等廠家均具有生產(chǎn)420 MVA/110 kV變壓器的能力。該非標(biāo)110 kV變壓器制造相對(duì)于普通變壓器制造成本增加并不大，主要是增加了一定量的鐵心、線圈等材料的成本。經(jīng)廠家初步估算，420 MVA/110 kV主變壓器造價(jià)約1200萬元，420 MVA/330 kV主變?cè)靸r(jià)約為1400萬元。

由經(jīng)濟(jì)比較表12可知:方案1～3投資分別為5771萬、4875萬、5355萬元;方案2最便宜，分別比方案1便宜896萬元，比方案3便宜480萬元。

3.2 綜合比較

從技術(shù)比較來看，3個(gè)方案潮流、穩(wěn)定計(jì)算均可滿足規(guī)程規(guī)定要求。

方案1電廠大部分出力通過西郊變降壓供西郊地區(qū)負(fù)荷，其余部分電力送往西安電網(wǎng)消納，該方案在控制西郊變附近110 kV電網(wǎng)短路電流水平方面較優(yōu)，可靠性較高。但是，該方案存在著電廠大部分電力先升壓后又就近降壓供負(fù)荷的問題，增加了系統(tǒng)損耗;根據(jù)西郊變供電區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)，該供電區(qū)2012年負(fù)荷約為581 MW，2015年約為786 MW，西郊變投運(yùn)后負(fù)載率較高，可能面臨擴(kuò)建第3臺(tái)主變的壓力。

方案2電廠以110 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，電廠電力可就近直接供西郊當(dāng)?shù)刎?fù)荷用電，送電方向明確，從直供負(fù)荷上看最優(yōu)，可以從一定程度上延緩西郊變第3臺(tái)主變的擴(kuò)建。該方案也存在一些問題:(1)為限制阿房變110 kV母線短路電流水平，西郊熱電廠升壓變及西郊變主變均需采用高阻抗變壓器，其中，西郊熱電廠升壓變阻抗電壓按24%考慮，西郊變高-中阻抗電壓按22%考慮，增加了系統(tǒng)的無功損耗。在短時(shí)投阿房—河寨1回110 kV備用線路情況下，阿房變110 kV母線短路電流為34.9 kA，若阿房變不更換部分31.5 kA的110 kV開關(guān)，則不如方案1靈活可靠。(2)在西郊變1臺(tái)主變檢修，同時(shí)西郊熱電廠僅1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，若西郊熱該機(jī)組故障停運(yùn)，則西郊變110 kV母線電壓波動(dòng)接近10%，對(duì)于部分重要負(fù)荷的供電質(zhì)量有一定影響。

表12 各方案經(jīng)濟(jì)比較(僅差別部分)Tab.12 Investment comparison of each scheme(only difference parts)

方案3可以看作是方案1與2的中間方案，該方案相對(duì)于方案2，可使阿房變短路電流降低約3.4 kA，最大為31.5 kA左右。但該方案同樣存在電廠電力先升壓后降壓供負(fù)荷的問題，增加了系統(tǒng)損耗;本期電廠電力采用330、110 kV 2個(gè)電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，不利于電廠調(diào)度運(yùn)行。

從經(jīng)濟(jì)比較來看，方案2最便宜，分別比方案1便宜896萬元，比方案3便宜480萬元。

綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，本文認(rèn)為西郊熱電廠本期2×350 MW機(jī)組接入系統(tǒng)采用方案2較為有利。

4 結(jié)語(yǔ)

西郊熱電廠以2回110 kV線路接入西郊變，電廠電力可就近直供當(dāng)?shù)刎?fù)荷，避免電廠電力先升壓后降壓，減少西郊330 kV變電站變壓器容量，降低系統(tǒng)損耗，工程投資最省，具有潮流流向合理、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。為限制110 kV電網(wǎng)短路電流，電廠升壓變阻抗值按不低于24%考慮。西郊熱電廠接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)已通過了有關(guān)方面組織的評(píng)審，評(píng)審會(huì)議認(rèn)為，電廠本期以110 kV電壓等級(jí)接入技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)較優(yōu)，同意采用設(shè)計(jì)推薦方案。近年來華東等電網(wǎng)600 MW機(jī)組接入220 kV電網(wǎng)逐漸增多;同時(shí)結(jié)合“上大壓小”的實(shí)施，華東電網(wǎng)正研究將已經(jīng)接入500 kV電網(wǎng)的600 MW機(jī)組改接入220 kV電網(wǎng);在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已有1000 MW機(jī)組接入380 kV以下電網(wǎng)的先例［8］。國(guó)內(nèi)外電廠接入系統(tǒng)方案的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以逐步借鑒到陜西電網(wǎng)，以優(yōu)化電源接入方案，尤其是應(yīng)用在關(guān)中負(fù)荷中心電網(wǎng)。

［1］西北電力設(shè)計(jì)院.陜西電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃工程［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2010.

［2］DL 755—2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［3］鐘清，主然，任震.基于分層分區(qū)原則的大機(jī)組接入系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(12):105-108.

［4］陜西西安供電局.西安電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃［R］.西安:陜西西安供電局，2010.

［5］陜西省電力設(shè)計(jì)院.西安西郊變電站可行性研究［R］.西安:陜西省電力設(shè)計(jì)院，2010.

［6］西北電力設(shè)計(jì)院.國(guó)電西安西郊熱電廠“上大壓小”2×350 MW機(jī)組接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)核［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2010.

［7］西北電力設(shè)計(jì)院.國(guó)電西安西郊熱電廠三期工程初步設(shè)計(jì)［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2010.

［8］郭明星，楊增輝，曹娜，等.1000 MW 機(jī)組接入220 kV分區(qū)電網(wǎng)初探［J］.華東電力，2010，38(11):1744-1749.