国内外重点城市配电网研究
国内外重点城市配电网研究北京电力经济技术研究院
二〇一三年十一月
目录
1配电网对标公司，指标选取 (1)
1.1对标公司选取 (1)
1.2对标指标选取 (1)
2配电网对标 (1)
2.1人均负荷水平 (1)
2.1.1 新加坡 (1)
2.1.2 巴黎 (2)
2.1.3 东京 (2)
2.1.4 北京 (5)
2.1.5 与世界城市电网发展水平对比分析 (6)
2.2配电网电压等级 (7)
2.2.1 新加坡配电网 (7)
2.2.2 巴黎配电网 (7)
2.2.3 东京配电网 (8)
2.2.4 北京配电网 (8)
2.2.5 与世界城市配电网电压等级对比分析 (8)
2.3配电网规模 (9)
2.3.1 新加坡配电网 (9)
2.3.2 巴黎配电网 (9)
2.3.3 东京配电网 (10)
2.3.4 北京配电网 (10)
2.3.5 与世界城市配电网规模对比分析 (11)
2.4配电网网架结构 (12)
2.4.1 新加坡配电网 (12)
2.4.2 巴黎配电网 (16)
2.4.3 东京配电网 (19)
2.4.4 北京配电网 (23)
2.4.5 与世界城市配电网网架结构对比分析 (27)
2.5供电可靠性 (28)
2.5.1 新加坡配电网 (28)
2.5.2 巴黎配电网 (29)
2.5.3 东京配电网 (31)
2.5.4 北京配电网 (31)
2.5.5 与世界城市配电网供电可靠性对比分析 (33)
3主要结论及建议 (34)
3.1北京电网定位 (34)
3.2人均负荷水平对比分析 (35)
3.3配电网电压等级对比分析 (35)
3.4配电网网架结构对比分析 (36)
3.4.1 世界城市配电网网架特点分析 (36)
3.4.2 北京市中压配电网网架设计思路 (37)
3.5供电可靠性 (40)
1配电网对标公司，指标选取
1.1对标公司选取
鉴于北京定位为国际大都市的发展目标，选取新加坡、巴黎、东京为北京的对标研究城市，这三座城市皆具有相当的国际知名度和影响力，并在电网发展上处于世界领先水平，因此选取以上三家公司作为对标公司，帮助识别并分析北京电网公司电网发展水平与国际水准的真实差距。
1.2对标指标选取
根据指标的可获取性、可对比性以及引用次数，结合建设世界一流电网的基本内涵，考虑北京公司的实际，确立了以网架坚强为目标的，从协调发展、电网结构、装备水平、安全可靠性四各层面上选取
的能够充分表现北京市电力公司电网水准的5个核心指标。分别为：人均负荷水平、配电网电压等级、配电网规模、配电网网架结构、供电可靠性。
2配电网对标
2.1人均负荷水平
2.1.1 新加坡
新加坡是一个热带岛国，总面积为707平方公里。得天独厚的地理条件使之发展成为一个主要的商业、通讯和旅游中心。新加坡目前大约有499万人口。新加坡的气温变化不大，降雨量充足，空气湿度高，气候温暖而潮湿，年平均温度在23和31摄氏度之间，温差很小。
2006年新加坡电网最高用电负荷5624兆瓦，负荷密度为7.95 兆瓦/平方千米，人均供电负荷为1127W/人。
2.1.2 巴黎
巴黎是法国的和最大城市，也是法国的政治文化中心。四大世界级城市之一，属于法兰西岛大区。其市区供电区域105平方千米，市区人口为250万人。
2002年巴黎中心城区负荷为3010兆瓦，负荷密度为28.7兆瓦/平方千米，人均负荷为1204W/人。
2.1.3 东京
东京电力公司供电区域面积为39494平方公里，占全国总面积的10.6％。2010年区域内供电人口有4473万人口，2010年东京电力公
司日最高负荷为58110兆瓦，人均供电负荷为1299W/人。东京人口变化较小，自1980年至2010年30年中人口年均增长率为0.98%。
东京历史负荷增长曲线如图1-1所示。东京历史人口增长曲线如图1-2所示。
图1 东京历史负荷增长曲线
图2 东京历史人口增长曲线
从东京历史负荷增长可以将东京负荷发展大致分为四个阶段，即：经历成长、调整、转型和成熟四个阶段。项目组通过对东京电力60年(1951-2011)年负荷增长数据的分析，解读各发展阶段的特点。
图3 电力公司发展阶段
1．成长期（1951-1975）：负荷、电量、投资规模快速增长
随着日本战后经济复苏和快速发展，1975年以前日本关东地区，特别是东京及周边区域的GDP呈现快速增长势头(1975年GDP是1952年7倍)。由于钢铁、冶金、化工等重工业的恢复性增长，东京电力的最高负荷和销售电量保持快速增长（1975年比1952增长了10倍）。
2．调整期（1975-1995）：负荷水平较低、资产规模较低、客户数量较少、客户电气化水平较低。
1975年以后，受两次石油危机和环境保护运动影响，东京地区GDP增速开始减缓（1995年的GDP是1952年的12倍）。但是，经济发展模式发生转变，用电结构发生重大变化：工业用电的比重从52.4%下降到34%左右，商业用电的比重从7.6%增加到30%左右。
用电结构的变化既拉动了东京电力销售电量和最高负荷的快速增长（1995年销售收入和负荷是1952年34倍），改变了东京电力的负荷特性，商业用电的快速增加带动夏季负荷快速增长，夏季负荷超过冬季负荷。
3．转型期（1995-2003）：电量、负荷增长稳定，投资规模快速
下降
1995年以后，一方面，随着日本经济泡沫的破灭，东京开始陷入经济衰退；另一方面，随着经济转型的结束，东京地区的GDP增速停滞、结构趋于稳定。东京电力的销售电量增长缓慢，最高负荷的增长呈现波动(时高时低)。在负荷特性上，夜间负荷快速增长，日最高负荷和最低负荷的峰谷差由上世纪80年代的56%降低到2000年的53%。这些变化迫使东京电力调整公司的总体经营和服务策略：一方面，加大对负荷的管理和控制力度，另一方面努力扩大电力销售。东京电力进入了转型期。
4．成熟期（2003—今）：最高负荷、电量增长停滞，电网投资规模稳定。
东京电力在2002年完成对公司发展战略、运营模式和组织架构等的一系列调整，提出了2010发展愿景规划，强调投资规模控制，优化控制成本，控制负荷增长，维持公司的稳定增长。由于GDP、电量和负荷的增长停滞，结构稳定，东京电力各项指标的波动趋于平稳，实现了客户和电网和平衡发展。
此外，2011年日本受“3·11”地震的影响，东京负荷有明显下降暂不考虑。
2.1.4 北京
2010年北京市电力公司供电最大负荷为16661兆瓦，电厂发电出力约为4145兆瓦，仅能满足地区负荷需要的近26.26%，其余12285兆瓦负荷需要外网送入予以平衡, 受电比例约为73.74%。
根据“北京市电力公司“十二五”电网发展规划“预计北京2015年北京市最大负荷为27000兆瓦，最大负荷利用小时数为4815h。饱
和年全市最大电力负荷50000兆瓦。2015年供电人口将达到2200万
人，饱和年供电人口将达到3000万人。
北京市电力公司电源建设规模如表1所示。
表1 北京市电力公司电源建设规模
2.1.5 与世界城市电网发展水平对比分析
北京市电力公司与世界城市电网发展水平对比情况如表2、图4
所示。
表2 北京市电力公司与世界城市电网发展水平对比情况
图4 北京市电力公司与世界城市电网发展水平对比情况从人均负荷指标看，北京市电力公司2010年电网相当于东京80
年代初期电网水平，据世界城市目前电网水平相差较大。
北京市电力公司2015年电网相当于东京90年代初期电网水平。
至饱和年要超过目前世界城市负荷水平，跻身世界领先行列。2.2配电网电压等级
2.2.1 新加坡配电网
新加坡配电网标准电压等级系列有22kV，6.6kV，400/230V。
其中，配电网以22kV网络为主，6.6kV网络的发展已经受到限制。
2.2.2 巴黎配电网
巴黎过去市区电网比较复杂，经过20年的梳理改造，简化了电压等级序列。其配电网络包括高中压变电站的主变225/20(15)kV、90/20(15)kV、63/20(15)kV及以下设施、20kV及以下电网。
2.2.3 东京配电网
随着地区负荷的增长和网络规模的扩展，东京电力配网电压等级经过如下演变形成如今的标准序列，中压配电从原来的3kV升压到了6.6kV，高压配电从原来的22kV升压到了66kV；而在市区保留22kV，是将其作为中压配电电压等级来考虑的，为实现并列运行等高可靠性网络连接提供了很好的基础。
2.2.4 北京配电网
北京电网的发展经历了一个漫长的过程，在这个过程中，为了适应社会的发展，北京电网的电压等级不断提高，结构同趋合理。北京
电网发展过程中，为提高供电能力，扩大供电范围，满足负荷需求，逐步提高了电压等级。北京配电网标准电压等级为高压配电网110kV，35kV，中压配电网10kV，以及0.4kV。其中，35kV电压等级主要在各城近郊区和远郊区县存在应用。
2.2.5 与世界城市配电网电压等级对比分析
巴黎、新加坡配电网以20kV/22kV电压等级为主，与北京中压配电网10kV电压等级相比，具备以下特点：在具备相同载流容量的情况下，20kV电缆承载着两倍于10kV电缆的电能。因此，20kV系统不仅能够节省安装空间，还能在大多时候降低电缆温度，从而有效的解决了电缆过热的问题并且增长了原件的使用寿命。
2.3配电网规模
2.3.1 新加坡配电网
新能源电网公司电网共有22kV变电站4190座，变压器6290台，变电容量12834MVA，平均每座变电站变电容量为3.06MVA，22kV电缆长度5279千米；6.6kV变电站5300座，变压器6984台，变电容量6907MVA，平均每座变电站变电容量为1.30MVA，6.6kV电缆长度3788千米。
从绝缘介质的类型来看，22kV系统中SF6气体绝缘设备和空气绝缘设备各占72%和28%。从电缆选用类型来看，22/6.6kV系统基本采用三芯交联电缆，尚有部分6.6kV三芯油纸电缆。22/6.6kV系统中，80%的变压器和90%的开关为投运20年以内的设备。
表3 各电压等级下配电设备投运情况
2.3.2 巴黎配电网
巴黎市区有35个225kV/20kV变电站，容量4165MVA；2008年历史最大负荷为3010兆瓦，负荷密度为28.7兆瓦/平方千米；有29条225kV电缆进市区，变电站低压侧采用单母线分段方式；有20kV电缆800条，5432千米，电缆化率为100%，单回馈线最大负荷能力为20MVA，负载率约50%；400V低压线路5000千米；7000多台20kV/400V 配变；电缆化率100%，自动化率100%。
2.3.3 东京配电网
至1998年3月底止，东京电力公司有66kV及以下变电站1256座，线路建设规模如下表所示。
表4 1998东京电力公司线路建设规模
2.3.4 北京配电网
1. 110kV电网现状
截至到2010年底，北京市110kV公用变电站265座，主变651
台，总配变容量30750.5MVA；专用变电站52座，主变113台，总容量3799.5MVA，110kV电网容载比为2.18。
北京电网110kV主变单台主变容量以31.5MVA和50MVA为主，城市中心区部分变电站采用高容量主变，如北太平庄站采用了63MVA主变；郊区县存在部分变电站采用低容量主变，总体分析设备选型相对标准。
北京地区110kV公用线路共884条，总长度4257公里，其中电缆线路长910公里，架空线路长3347公里，电缆化率21.38%。110kV 架空线路截面主要为LGJ-240和LGJ-400，分别占线路总长度的接近60%和10%，另外就是在近几年中得到应用的耐热导线，随着度夏工程或导线更换工作的实施将得到更多的应用。现运行电缆截面主要集中在800mm2、630mm2以及400mm2三种截面。
2. 35kV电网现状
截至2010年底，北京电网共有35kV地区变电站95座，变压器180台，变电容量1920.25MVA；35kV用户变电站149座，变电容量1253.67MVA。35kV架空线路总长度约为1988公里；电缆线路总长度约为128公里。35kV变电站及线路主要集中在各郊区县，市区范围内比例很小。
3.电网装备运行年限
通过电网工程建设和改造，设备健康水平大幅提升。110kV及以上输变电设备运行年限超过21年的变压器比率不足1%，线路为12%。北京电网10kV及以下设备运行年限超过21年的线路比率9%，配变比率4.8%。
2.3.5 与世界城市配电网规模对比分析
1.电网规模
国内外电网建设规模如表5所示。
表5 国内外配电网装备运行年限
2.电网装备情况
国内外配电网装备运行年限对比如表6所示。
表6 国内外电网装备运行年限
加坡2005年的设备水平。
2.4配电网网架结构
2.4.1 新加坡配电网
1．22kV配电网络
80年代中期，新加坡22kV配电网络采用环网连接、开环运行模式。当时外力破坏严重，电缆接头施工工艺差，电缆故障频繁，加之
新加坡正处于经济增长期，电子行业迅速崛起对电能质量提出了很高的要求。迫于社会的呼声和政府的压力，新加坡开始实施22kV电网改造，具体原则为：花瓣型网络的电缆截面均按300mm2考虑，以增强网络的拓展性和可适应性，并为今后的改造、割接创造条件；每个花瓣型网络引入第三个电源点，供电可靠性大大增加；每个花瓣的容量按50%考虑，确保了网络的健康运行水平；网络改造从对供电可靠性要求特别高的区域开始进行且成片实施，确保“花瓣”的一次建成。22kV配电网络改造自80年代中期开始实施，至90年代初期完成。
新加坡新型22kV配电网络采用环网连接、并列运行的模式。具体而言，在城市各分区内的同一个双电源变压器并列运行的66kV/22kV变电站中，由每两回22kV馈线构成环网，形成花瓣结构。这种结构称之为梅花状供电模型，其典型供电模型如图5所示。
图5 新加坡梅花状典型供电模型
其中引自不同分区变电站的每两个环网中间又相互联络，开环运行，形成花瓣式相切的形式。其网络连接方式如图6所示。其网络接线实际上是由变电站间单联络和变电站内单联络组合而成。站间联络部分开环运行，站内联络部分闭环运行。通常两个环网之间的联络处为该环网最重要的负荷。
图6 新加坡22kV配电网络接线图
在此配电系统中，每个66/22kV 75MVA变压器必须并列且配对运行，两个变压器所承载的最大负荷不能超过75MVA。构成环网的每两回馈线的选择考虑N-1运行原则，按照正常运行时50%负荷设计，馈线一律采用22kV，300mm2铜导体XLPE电缆，线路开关全部采用断路器。每个环网的设计容量为15MVA，其最大负载电流不能超过400A。
因此，每两个并列运行的变压器最多连接5个环网。其中，当22kV 母线上的变压器台数在三台及以下时，采用单母线不分段接线。当变压器台数大于三台时，采用单母线分断接线。配网的中性点采用经小电阻接地方式，接地电阻为6.5欧姆，短路电流限制在25kA、3秒。
为了确保在一条母线故障或检修期间供电的连续性，形成环网始端和终端的馈电线路端点必须在同一变电站的不同母线上。每个环接入的配电室最好不要超过8个，并且环中的总负荷不能超过环网的设计容量，即15MVA。
由上可见，一个变电站的一段母线引出的一条出线环接多个配电站后，再回到本站的另一条母线，便构成一个“花瓣”。多条出线便可构成多个“花瓣”，多“花瓣”构成以变电站为中心的一朵“花”，每个变电站就是一朵“梅花”。原则上不会跨区供电，通过“花瓣”相切的方式满足故障时的负荷转供，从而构成多朵“梅花”供电的城市整体网架，如图五所示。由此，此网架可以实现单一线路事故时系统不停电；母线事故或同一环两条线故障时，瞬时停电，且通过线路联络开关恢复供电；并显示了良好的可扩展性。
图7 新加坡城市电网扩展图
在新加坡22kV配电系统的主干网中，采用导引线差动保护，过电流及接地后备保护，并配备SCADA系统；至客户或变压器的支路采用过流和接地保护，网络可靠灵活、简单清晰。
2．6.6kV配电网络
6.6kV配电网络采用环网连接、开环运行模式（Mesh），每个环网
的两路或三路电源来自不同的22kV上级电源点；每个环网的供应负荷控制应在4.5MVA以内（环网的始端电缆为铜芯电缆）或3.5MVA（环网的始端电缆为铝芯电缆）；每个环网中串接的配电站数量应控制在8个以内。
图7 新加坡6.6kV配电网络网架结构
新加坡6.6kV电网为逐步淘汰的电网。6.6kV配电网络采用环网连接、开环运行模式。每个环网的两路或三路电源来自不同的22kV 上级电源点，环网上配置环网开关，采用过流及接地故障后备保护。新加坡计划在发展新客户时，逐步将6.6kV配电网改造为22KV配电网。
2.4.2 巴黎配电网
巴黎电网有三层环状电网结构，外围由400kV输电网和225kV输电网形成两层环状网架结构，市区由20kV配电网形成环状网架结构为低压用户供电。其配电网由36座225/20kV变电站提供电源，并呈辐射状深入负荷中心。巴黎电网环状网架结构如图8所示。
图8巴黎电网环状网架结构
巴黎在20世纪60年代开始20kV电网升压改造，90年代初完成。巴黎20kV配电网环状电网结构示意如图9所示。
图9 巴黎20kV配电网环状电网结构示意
巴黎20kV配电网中主干线网架使用4×6=24条20kV电缆与一个变电站相连，因此，可以确保225kV变电站在停电时的供电可靠性。每个20/0.4kV低压变电站都有2回20kV进线，在进线故障的时候自动切换。每条20kV馈线可由两个225kV变电站供电，20kV馈线出现
故障，在自动切换装置动作时客户会有1秒的停电；若225kV变电站故障，在1～2分钟内远方手动切换恢复供电。因此电网在不采取复杂保护或自动化设备的情况下也可以提高供电可靠性。
巴黎城市配网这种供电网结构首末两端都带电源，双路电源供电运行，中间配置可远方控制的分段开关，中/低压负荷从两条并行供电线路同时取电，通过自动切换装置实现备用电源切换。这种供电方式供电可靠性SAIDI指标可以做到小于15分/户.年。
图10 巴黎20kV双环网示意图
在巴黎城区新建和改造的中压配电网则采用三环网结构。这种结构是由两座变电站三射线电缆构成三环网，开环运行。每座配电室两路电源分别T接自三回路中两回不同电缆，其中一路为主供，一路为热备用，其接线方式如图11所示。
图11 巴黎20kV三环网示意图
2.4.3 东京配电网
东京配电网供电模式的特点是：配电网中97%为6.6kV不接地电网，3%为20kV小电阻接地电网。6.6kV架空网供电方式采用3分段4联络、6分段3联络的方式，6.6kV电缆网供电方式采用环网的方式；负荷密集区采用20kV电缆网供电方式。
1．66kV配电网络
东京电力认为环网具有可靠性较高的优点，但潮流控制困难，短路电流大；而放射性网络潮流控制容易，短路电流小。因此，东京电力在供电系统中多采用环网结构、放射状运行（即“手拉手”网络结构）。
变电站
图12东京电力的“手拉手”网络结构
2．22kV配电网络
（1）主备线路系统
在东京，主备接线是最为常见的22kV网络接线方式。虽然与SNW （Spot Network）系统相比，其变压器容量较小，但是无论从空间还是花费上考量都更为经济，因此应用广泛。主备线路系统接线方式如图所示。
正常方式下，按预定的常用主线路进行供电。当主线路停电时，在非用户内部事故，备用线路有电压的情况下，通过自动或者手动切换刀闸或断路器，可以在瞬时停电后恢复供电。
图12 单线路连接配电系统原理图
（a）主备线路系统（b）SNW系统
（2）SNW和RNW系统
SNW系统是在城市和其他高电力需求地区最为常见的系统。其接线形式如图12（b）所示。SNW系统是由两个或者更多变压器的二次侧组成。各条配电线路全部以Ｔ接方式引入支线，经过断路器接入变压器。其低压侧并列连接，构成网络母线。
因为采用该方式的低压侧母线一般限定于同一座大楼内，所以称为Spot Network（定点网络）方式。当任一条馈线停电时，通过剩下的变压器过负荷运行以提供所需的最大电量。因此，在选择变压器
容量时要按这个原则进行，其过负荷耐量一般为普通变压器的130%。此系统具备较高的可靠性，可维护性和可操作性，而且高压侧设备简单。
SNW系统一般应用于低电压等级，即变压器二次侧低电压供电；也可以应用于变压器二次侧为6.6kV的情况，为单一建筑提供有效供电。
RNW（Regular System）系统是通过多个SNW系统低压侧的相互连接构成。因此，可以在其中任意系统故障或停电检修的情况下，维持持续供电。RNW系统一般应用于繁华购物区，如东京银座，新宿等。这种系统并没有被广泛应用。其主要原因是用户对6.6kV供电仍然有大量需求以及此系统在可维护性，可操作性和可扩展性上存在不足。
（3）22kV/6.6kV供电系统
此种配电系统是先由22kV配电网传输至靠近用户侧，再由当地微型变电站降压至6.6kV。其接线方式如图13所示。目前这种系统已经被应用于工业区以及人口稀疏的地区，同时正在被考虑引入人口密集住宅区。
这种系统不仅可以为22kV用户供电，还可以为现有6.6kV用户供电。这种系统作为过渡系统在推动22kV配电系统的同时，还可以大力推进微型变电站的普及。
图13 微型变电站单线路接线原理图
（变压器最大容量为10MVA）
3. 6.6kV网络
东京6.6kV电缆网接线方式以4分段2并网为主。采用此方式的典型地下配电系统如图14所示。
此系统以一路进线，多路出线的单回路开关箱形成类似单环网的
运行方式。不同开关箱间的线路设有联络开关，开关为常开方式，用户进线采取环网方式。
图14 4分段2并网地下配电系统
东京6.6kV架空配电网系统多采用6分段3并网的方式。此系统结构如图15所示。
图15 6分段3并网架空配电线系统
东京采取的这种电网接线，可以将线路的负载率由三分段三联络时的75%提高到85%左右。在故障时通过网络的重构，可以提高线路的互倒互带能力。
2.4.4 北京配电网
1．高压配电网网架结构
220kV电网枢纽变电站与500kV电网形成电磁环网，分成五个供电区域运行；59座地区220kV变电站和256座地区110kV变电站呈放射状网络运行，共同形成地区主网架供电结构。
2．中压配电网网架结构
目前北京中压配电网网架结构较为复杂，接线方式也较多，具体分为架空线接线模式和电缆线接线模式分别介绍。
（1）架空线路结构
架空线路主要应用在D类区域，以及无电缆线路要求的C类区域。
中压架空线路的接线方式一般采用环网接线开环运行方式和单放射方式。环网接线的架空线路运行电流一般应控制在长期允许载流量的2/3以下，预留转移负荷裕度。
架空线路采用环网接线开环运行方式，线路多分段、适度联络，分段与联络数量根据用户数量、负荷性质、线路长度和环境等因素确定。每一分段的负荷容量可控制在70～120A，联络一般设置3个以内。优先采取线路尾端联络，逐步实现对线路大支线的联络。中压架空网典型接线如图16所示：
图16 架空线路多分段多联络接线模式
架空线路单放射方式仅适用于负荷密度较低的、缺少变电站电源点的地区，但同站线路之间应进行联络。
（2）电缆线路结构
电缆线路主要适用于A类、B类区域，C类区域优先选用。另外，繁华地区、重要地段、主要道路、高层建筑区等及城市规划中有特殊要求的地区，以及狭窄街道和架空线路走廊难以解决的地区采用电缆线路供电。
根据用户负荷性质、容量、路径等情况，中压电缆线路的接线方式一般为双射接线、单环接线和双环接线方式等。
A类、B类地区由电缆双射网逐步发展为电缆双环网供电，进一步提高供电可靠性；A类地区和部分B类地区在“十二五”规划期内实现配网自动化。
1）双放射接线方式
两路电源一般来自不同的变电站（开闭站）或者同一座变电站（开闭站）不同母线，线路负载率不宜超过50%，见图17所示。
（a）双回电源来自同一变电站（开闭站）
（b）双回电源来自不同变电站（开闭站）
图17 电缆线路双放射接线方式
2）单环网接线方式