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3.1 公共电网供电及可靠性

3.1.1 公共电网供电现状

我国在2002年12月成立了国家电网公司和中国南方电网公司两家公共电网服务公司,它们以建设和运营电网为核心业务,承担着保障更安全、更经济、更清洁、可持续的电力供应的基本使命。国家电网经营区覆盖全国26个省(自治区、直辖市),覆盖国土面积的88%,供电人口超过11亿人;南方电网经营区覆盖广东、广西、云南、贵州和海南5个省(区),供电人口超过2.5亿人。

根据中国电力企业联合会发布的数据,截至2020年年底,全国全口径发电装机容量约22亿kW。在新能源装机高增速的带动下,2020年全国新增装机容量实现了近2亿kW的大幅增长,并保持连续八年新增装机容量过亿kW。在全国全口径各类能源发电装机容量中,火电装机容量12.5亿kW;水电装机容量3.7亿kW;核电装机容量4989万kW;并网风电装机容量2.8亿kW;并网太阳能发电装机容量2.5亿kW;生物质发电装机容量2952万kW。

2020年年底全国全口径发电装机容量结构数据分析如图3-1所示。

图3-1 2020年年底全国全口径发电装机容量结构数据分析

2020年,全国发电量约为79119亿kW·h,同比增长3.7%。根据国家统计局及中国电力企业联合会的数据统计显示,2020年全国水电发电量13552.1亿kW·h,同比增长3.9%;火电发电量53302.5亿kW·h,同比增长2.1%;核电发电量3662.5亿kW·h,同比增长5.1%;风电发电量4665亿kW·h,同比增长15.1%;太阳能发电量2611亿kW·h,同比增长16.6%;生物质发电量1326亿kW·h,同比增长19.4%。

2020年年底全国全口径各类能源发电量数据分析如图3-2所示。

图3-2 2020年年底全国全口径各类能源发电量数据分析

根据GB/T 156—2017《标准电压》的规定,目前我国交流市电标称电压共分为四档,共18个电压等级,见表3-1。

表3-1 交流标准电压

表3-1中第一档标准电压为用户使用电压等级,第二档为用户引入电压等级,第三档为城市区域供电电压等级,第四档为长距离输配电电压等级。

截至2018年年底,全国电网35kV及以上输电线路回路长度为189万km,比上年增长3.7%。其中,220kV及以上输电线路回路长度为73万km,比上年增长7.0%。其主要输电型式均为远距离、大容量、超高压输电,输电型式为交直流混合运行方式。长距离输电线路的电压等级以±1100kV特高压直流、±800kV特高压直流、±500kV高压直流、750kV高压交流和500kV高压交流为主。

我国1000kV输电电压等级的长治—荆门线于2008年12月30日投入运行,它是当时我国最高等级的交流输电电压。

我国现阶段最高直流电压等级的输电线路为±1000kV(新疆昌吉—安徽宣城),另外还有±500kV(葛洲坝—上海南桥线、天生桥—广州线、贵州—广东线、三峡—广东线),南方电网公司已建成±800kV特高压直流输电线——云广特高压直流输电线路,国家电网公司已建成两条±800kV特高压直流线路,分别为向家坝—上海的±800kV特高压直流线路及锦屏—苏南的±800kV特高压直流线路。

目前,我国常用的电压等级有380V(220V)、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV,由于历史原因,66kV电压等级仅在我国东北部分地区存在。在电力供配电线路中,通常将35kV以上的电压线路称为送电线路;将35kV及其以下的电压线路称为配电线路。

我国城市电网电压等级分为500kV、330kV、220kV、110kV(66kV)、35kV、10kV(20kV)、380V/220V七个等级。其中大、中城市的城市电网电压等级宜为4~5级、四个变压层次;小城市宜为3~4级、三个变压层次。

500kV作为城市电网最高一级电压等级,其电网容量是根据城市电网的远期规划负荷量和地区电力系统的连接方式确定,并附建一定数量的500kV公共变电站。环网结构(环型结构和网格型结构)为500kV电网普遍采用的结构型式,它的特点是环网上的500kV变电站间相互支援能力强,当其中一个变电站发生故障时,便于从多个方向调动电力资源。每个500kV变电站下端设有几个220kV变电站,并分为不同电压等级向用户电压等级逐级变电。最常见的四次变压为由500kV变220kV—220kV变110kV(66kV)—110kV(66kV)变10kV(35kV、20kV),最终为用户提供10kV(35kV、20kV)可用的市电电源,除此之外,也有220kV变10kV和35kV变10kV的变电站,如图3-3所示。

图3-3 大、中城市市电变压层次图

在电力系统中,对于交流电压等级,通常将1kV及以下称为低压,1kV以上、35kV及以下称为中压,110kV及以上、330kV以下称为高压,330kV及以上、1000kV以下称为超高压,1000kV及以上称为特高压。对于直流电压等级,±800kV以下称为高压,±800kV及以上称为特高压。

在通信行业供配电设计中,通常把市电电压等级分为低压和高压,将380V/220V称为低压,将10kV、20kV、35kV及以上统称为高压。

3.1.2 公共电网供电可靠性

电网供电可靠性是指供电系统持续供电的能力,是考核供电系统电能质量的重要指标,反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度,已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一。

反映供电可靠性最重要的一个指标 是供电可靠率,供电可靠率RS 是在统计期间内,对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数的比值。

RS-1:考虑所有因素时,电网的供电可靠率,即RS;

RS-2:不考虑一切外部影响因素时,电网的供电可靠率;

RS-3:不考虑系统电源容量不足限电的影响。

当电网可靠性水平达到一定程度时,供电需求达到平衡,或供电网络容量大于需求量时,且没有发生不可抗拒外力,系统发生外部影响而停电的事件可能性极低,供电系统也不会发生限电,这时,RS-2、RS-3和RS-1相近或相等。

我国的供电可靠率指标,可靠率达99.7%为达标标准;可靠率达99.96%为一流标准;若供电可靠率达到99.99%为国际一流标准。我国城市高压用户供电可靠率指标见表3-2。

表3-2 我国城市高压用户供电可靠率指标

注:1.RS-3是指按不计系统电源不足限电引起停电的供电可靠率;

2.工业园区形成初期可按郊区对待,成熟以后可按一般城区对待。

电力体制改革后全国主要电力企业成立以来,我国电力可靠性水平总体上不断进步,各类主要设施和系统的等效可用系数逐步提高,非计划停运次数持续下降,10kV用户平均供电可靠率显著提高。

2011年,全国城市(市中心+市区)10kV用户平均供电可靠率RS-1为99.945%,同比上升了0.003%,相当于同级用户年平均停电时间由2010年的5.07h下降到4.79h。2011年全国农村10kV用户供电可靠率为99.7897%,同比提高了0.757%,相当于我国农村用户的年平均停电时间由25.06h减少到18.43h。

2012年,全国城区(市中心+市区)用户平均供电可靠率RS-1为99.968%。2012年全国农村用户平均供电可靠率RS-1为99.839%。

2013年,全国城市用户平均供电可靠率RS-1为99.958%,同比上升了0.009%,相当于我国城市用户年平均停电时间由2012年的4.53h/户下降到3.68h/户;全国城区(市中心+市区)用户平均供电可靠率RS-1为99.969%,同比上升了0.001%,相当于用户年平均停电时间由2012年的2.86h/户下降到2.72h/户。

2013年全国农村用户平均供电可靠率RS-1为99.905%,第一次突破了三个9,同比上升了0.066%,相当于我国农村用户年平均停电时间由2012年的14.16h/户下降到8.3h/户。

2013年以来,全国城市用户的供电可靠性保持平稳,供电可靠率在99.95%左右,用户平均停电时间在4~5h,用户平均停电频率低于2次,基本满足了经济社会对电力安全可靠供应的需求。与城市相比,农村用户的供电可靠性起伏较大,平均停电时间在20h左右,平均停电频率超过了4次。

2013年以来全国供电系统供电可靠率和用户平均停电频率变化图分别如图3-4和图3-5所示。

图3-4 2013年以来全国供电系统供电可靠率变化图

图3-5 2013年以来全国供电系统用户平均停电频率变化图

根据GB 51194—2016《通信电源设备安装工程设计规范》对市电类别的规定,一类市电的供电可靠率不低于99.9315%,年平均停电时间不超过6h;二类市电的供电可靠率不低于97.1233%,年平均停电时间不超过252h。

从上述可以看出,2013年以来全国城市用户平均供电可靠率RS-1指标已经高于现行规范规定的一类市电供电可靠率99.9315%的要求,也就是说2013年以来全国城市用户平均停电时间远低于6h,降为4.38h左右,而且,上述数据只是全国城市用户供电系统可靠率的平均值,而全国各类数据中心的供电系统基本采用的是一类市电,其供电可靠率的平均值应远高于上述数据。

3.1.3 数据中心的电压等级

GB 50613—2010《城市配电网规划设计规范》2.01条规定,城市配电网通常是指110kV及以下的电网。其中35kV、66kV、110kV电压为高压配电网,10kV、20kV电压为中压配电网,0.38kV电压为低压配电网。

GB 26860—2011《电力安全工作规程 发电厂和变电站电气部分》3.6条和3.7条规定,用于配电交流系统中1000V及其以下的电压等级为低压(Low Voltage,LV);超过低压的电压等级为高压(High Voltage,HV)。

因GB 50613—2010中的电压等级的规定通常应用于供电部门,数据中心供配电中所涉及的供电电压等级应按GB 26860—2011中的规定,0.38kV及以下为低压,10kV及以上统称为高压。

3.1.4 市电电源分类

根据GB 51194—2016《通信电源设备安装工程设计规范》的相关条款,通信局站的市电电源可分为四个类别:

一类市电应从两个稳定可靠的独立电源各引一路供电线路。两路供电线路的市电电源不应同时出现检修停电,平均每月停电次数不应大于1次,平均每次故障时间不应大于0.5h,两路市电电源宜配置备用市电电源自动投入装置。一类市电又可称为双重市电。

二类市电为由两个以上独立电源构成稳定可靠的环形网上引入一路供电线路或由一个稳定可靠的独立电源或从稳定可靠的输电线路引入一路供电线路。二类市电供电线路可有计划检修停电,平均每月停电次数不应大于3.5次,平均每次故障时间不应大于6h。

三类市电为从一个电源引入一路供电线路。

四类市电为由一个电源引入一路供电线路,经常昼夜停电,供电无保证,达不到第三类市电要求或有季节性长时间停电。

数据中心引入的市电电源类别为一类市电或二类市电。

因目前我国城市公共市电网络的供电质量已经达到很高水平,一般情况下,从两个稳定可靠的独立电源各引一路供电线路的两路电源即可称为一类市电;两个以上独立电源构成稳定可靠的环形网上引入一路供电线路,或从一个稳定可靠的独立电源引入一路供电线路,或从稳定可靠的输电线路引入一路供电线路,均可称为二类市电。 1IRjP/khgmJcKhFr79z2D0yr4F9M2arsvJRfoF8s9UAEwRTYcI6BlUesZk1eOGlb

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