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摘要:随着国民经济和城市建设的高速发展,城市电网建设已经成为当前电力建设的重要内容。本文从电气主接线、配电装置和综合自动化等方面,分析220 kV 城市终端站的设计。
关键词:电气主接线；配电装置；综合自动化；
一、设计原则
在城市电网建设中,首先应当解决的是城市变电站的建设问题,建设城市变电站应当遵循的基本原则是:
1．足够的变电容量以满足供电区域内中长期规划预测的负荷要求;
2．可靠灵活的主接线方式;
3．结构紧凑,设备体积小,占地面积小;
4．主设备技术性能优越,可靠性高,检修频率低,噪声低;
5．自动化程度高,通信误码率低,可靠性高。
根据以上原则,选择220 kV 作为城市电源点,可以充分发挥容量大、通道省、占地少、投资相对经济的优点。因此,220 kV城市终端站是解决城市供电矛盾的一个有效措施,同时也将是今后城市电力系统发展的一个方向。
二、电气主接线
在变电站设计中,尤其是重要的变电站设计,为了保证其供电可靠性和灵活性,往往采用较复杂的主接线。完善的主接线虽然保证了供电可靠性,但缺点是接线方式复杂,运行操作繁琐,检修维护量大,投资大,占地面积多。
随着电网建设的不断完善,电气设备可靠性的不断提高,变电站主接线将向简化方向发展。简化主接线后不但不会降低变电站的可靠性和灵活性,在某种程度上反而能够提高可靠性和灵活性。简化主接线还具有如下优点:减少设备数量、减少占地面积、减少建设投资和降低运行维护费用。电气主接线的选择通常与变电容量的需求有较为密切的关系,这里介绍带断路器的线路变压器组的设计方案
220 kV 城市终端站电气主接线一般分3 个电压等级,由3组带断路器的线路变压器组构成。
220 kV 设置线路闸刀、电流互感器、断路器、氧化锌避雷器、电缆头及主变,共同构成线路变压器组。
110 kV 为单母线分段,各段母线各与1 台主变相连,各带多路出线。
35 kV 为单母线分段,各段母线带多路出线,每台主变分别通过2 台35 kV 断路器接于两段35 kV 母线上。有3 台分段断路器。优点在于任何一台主变停用,相应两段母线分别由另2台主变供电,从而达到均衡负荷的目的。
三、配电装置
1．220 kV 配电装置及主变
220 kV 配电装置选择室内布置,采用传统的独立电器,相间距离3. 5 m , 依次为电缆头、单侧带接地刀的线路闸刀、单断口六氟化硫断路器、氧化锌避雷器,最后接主变。断路器与线路闸刀之间留作通道,作为检修运输通道。
主变压器的选择对城市变电站来说又有着特殊的要求。体积小、噪音低、阻燃性好、可靠性高,就应是选择变压器要突出考虑的性能。220 kV 配电装置与主变共处一室,主要是防噪声。变压器可采用低噪声强油风冷,散热器分体安装于室外。
2．110 kV 配电装置
110 kV 配电装置采用三相共箱式结构的全封闭六氟化硫绝缘的组合电器,选择GIS 户内布置,这是在国内城市变电站设备选型中常用的做法。GIS 的结构为紧凑型三相共箱式,三相导体共面布置,所有开关设备均采用了弹簧P电动操动机构,由1台机构操作,三相联动。由于无需压缩空气供给系统,从而实现了无油化、无气化。断路器采用了自能熄弧研究的最新成果—气吹压力与开断电流自适应熄弧原理。开断额定断路电流所需的能量大部分取自电弧本身,大幅度减少了对操作能量的需求,操作功约为同等开断容量压气式断路器的20 %～25 %。断路器配置了低操作功、无维护或少维护、高可靠性的弹簧操动机构。此外,提供多种主接线方案,配置方式灵活。
3．35 kV 配电装置
35 kV 配电装置采用进口全封闭六氟化硫绝缘的组合电器,双列布置,头尾相接,容易处理单母线分段的接线型式。每个间隔宽度为0. 6～0. 8 m ,双列布置。
四、电气平面布置
变电站主要设备分布在综合楼及220 kV 配电装置楼。
1．综合楼
综合楼底层布置35 kV 配电装置及3 台所变,35 kV GIS 采用背靠背双列布置。由于两列装置之间有土建结构桩头,因此,对于背后有接线的GIS 需适当拉开距离,以便施工检修。
第2 层为电缆层,主要敷设110 kV 电缆出线,110 kV GIS 及35 kV GIS 绝缘母线与主变的接口等。
第3 层布置110 kV 配电装置GIS。除110 kV GIS 外,还设有配套的压缩机房。
第4 层为控制层,设有控制室及继电保护室。控制室下面不设电缆层,控制电缆经竖井上来后,经过控制室架空地板进入各相应设备。
综合楼地下层为箱形基础,箱形基础同时作为110、35 kV电力电缆通道。箱形基础靠围墙一侧,设有4 只竖井及2 只工作井,电缆通过两井与排管连接,上面通过竖井到电缆层及控制室。
2．220 kV 配电装置楼
配电装置楼共有3 个单元,每个单元布置1 组线路变压器组,每个单元间隔宽度为14 m ,单元之间设敞开式5 m 通道,作为主变散热器安装位置及接地变压器位置,接地变压器采用过街楼式安排,以利主变散热器通风散热。
五、系统保护
1．220 kV 线路保护
220 kV 线路与主变保护屏、直流屏、所用配电屏等布置在继电保护室。主变高压侧装设断路器,主变故障时不需传送远方跳闸命令。为了简化保护配置,拟采用相间电流和零序电流速断作为220 kV 线路主保护,并在送电端配置以下保护: ① 相间电流速断保护,瞬间跳闸; ②定时限过流保护,延时跳闸; ③零序电流速断保护,瞬时跳闸; ④零序过流保护,延时跳闸; ⑤断路器失灵保护。
以上保护除断路器失灵保护外,均配置2 套,实现与主变双重保护。送电站的1 套重合闸装置在线路单相故障时,断路器跳三相,然后进行三相重合;相间故障时,断路器跳三相,不进行重合。
2．主变保护
电力变压器是电力系统中十分重要的供电设备,它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响,同时大容量的电力变压器也是非常贵重的设备。因此,必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。针对变压器故障类型和不正常运行状态,对主变可采用以下保护: ①瓦斯保护; ②谐波制动纵差保护; ③变压器220 kV侧过流保护; ④变压器35 kV 侧过流保护; ⑤220 kV 零序过流保护; ⑥110 kV 2 段方向零序过流保护; ⑦35 kV 侧零序过流保护; ⑧220 kV 和35 kV 侧过负荷保护。
3．110 kV 线路保护
采用微機控制,包括电流速断、过电流两阶段;零序电流速断和零序过流2 段保护。
4．35 kV 线路保护
采用电流速断、过电流和零序过电流保护。
5．母线保护
110 kV 母线为单母线分段接线方式,每段母线配置1 套三相式母线差动保护,母差保护动作瞬时切除主变110 kV 进线断路器、分段断路器及母线上联络线断路器,母差动作时闭锁分段自切。
35 kV 母线为单母线分段接线方式,每段母线配置1 套三相式母线差动保护,母差保护动作瞬时切除主变35 kV 进线断路器、分段断路器,母差动作时闭锁分段自切并切除35 kV 母线上
联络线断路器。
6．自动装置
35 kV 和110 kV 母线分别装设备用电源自动切换装置。每回35 kV 线路均装设按周减载装置。
六、变电站综合自动化
所谓变电站综合自动化,就是广泛采用微机保护和微机远动技术,分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号,经过功能的重新组合,按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程,从而实现数据共享和资源共享,提高变电站自动化的整体效益。
1．基本功能
系统采用先进的计算机技术,将变电站中所需要的控制、保护、测量、中央信号、各类自动化装置、管理监测、报表打印、事故记录、故障滤波、通讯调度等功能集中于一个微机网络系统中,可实现变电站的无人值守。该系统以其技术先进、结构简单、安全可靠、功能齐全、具备无人值班的技术条件等方面的优势,在电力系统内得到了较为广泛的应用。其基本功能和技术如下:
(1) 保护功能。对所内的所有电气设备进行保护,并对被保护设备进行故障显示和记录,存储多套定值并能进行修改和显示等。
(2) 测量及数据采集功能。包括状态数据、模拟数据和脉冲数据。
(3) 自动装置功能。包括电压和无功的就地控制、同期检测和同期合闸及故障滤波测距等。
(4) 控制和操作闭锁。可通过CRT 屏幕对断路器、隔离开關、变压器分接头和电容器组投切等进行远方操作。
(5) 对所及监控、监视与工程师工作功能实现人机联系。
(6) 系统的自诊断功能。系统内各插件应具有自诊断功能,并把数据送往后台机和远方调度中心。此外,还有远方控制中心的通信与防火、保安功能及措施。
2．主要特点
变电所综合自动化是利用计算机的技术综合、统一进行处理,促进各环节的功能协调,其主要特点是:
(1) 微机系统和保护信息串行通信采用交流采样,大大提高了信息总量,能够根据事件优先级迅速远传变电信息。
(2) 系统采用微机采样,微机变送器输入由CT、PT 提供,直接输入计算机编码与数据采集微机通信,可传送多种计算量,速度较快、精度较高,是目前数据采集的最佳选择。
(3) 微机保护与监控部分通信可在调度端查看和修改保护整定值。微机保护与监控部分串行通信不仅可传送保护信息,而且还可以传送保护整定值和测量值,并可由调度端远方修改和下发保护定值。
(4) 变电所综合自动化具有对装置本身实时自检功能,方便维护与维修,可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查,能快速发现装置内部的故障及缺陷,并给出提示,指出故障位置,解决了各环节在技术上保持相对独立而造成的各行其是,重复投资甚至影响运行可靠性的弊端。
(5) 抗干扰能力强,可扩展性好。
(6) 实现综合自动化后的无人值班变电所占地面积小,取
消模拟屏、控制台和单独的小电流接地系统与无功电压自动调节装置等,既减少了征地,也减小了主控室面积,大大减少了投
资。
3．系统结构
3．1系统配置
为了提高变电站综合自动化系统的可靠性和性能价格比,在设计时就应采用分布式的变电站综合自动化系统配置模式。分层分布式一体化全微机结构,包括变压器保护、线路保护、母线保护、电容器保护、电动机保护、备用电源自投、无功电压综合控制、故障滤波器、微机防误闭锁装置和小电流接地选线装置等监控保护和安全自动单元。
该系统可以将变电所内各回路的数据采集单元、控制单元和保护单元分别集中安装在变电所的控制室内的数据采集柜、控制柜和保护柜中,相互间通过现场总线与控制主机相连。这种分布集中组屏的结构,便于扩充和维护,而且其中一个环节出现故障时,不会影响其它部分的正常运行。
由于采用了分散安装技术,大大节省了控制室面积以及大量电缆和安装费用,降低系统造价,提高系统可靠性,使分布式变电站综合自动化系统的优点明显地体现出来: ①不同电气设备均单独安装对应的前置机,其任一装置出现故障,均不影响系统其它部分正常运行; ②系统内装置间信息的传送均为数字信号,所以系统抗干扰能力增强; ③分布式系统为多CPU 工作方式,各装置均有一定的数据处理能力,从而大大减轻了主位计算机的负担; ④系统扩充灵活、方便。
3．2通信系统
通信系统是将整个变电站综合自动化系统采集的数据乃至该变电站相应的配电线路上自动化系统采集的数据传输给变电集控中心和配电自动化集控中心,站内通信采用光纤以太网,保证在站内毋需中断其他设备。站外通讯采用光缆与中心站相连接(双通道) ,由中心站进行遥控和监视。
3．3软件配置
主机软件包括对系统的管理、图形显示、技术统计、数据库管理、打印报表、通讯及自诊断软件、智能专家系统的故障分析和操作票自动生成等。
就地站软件包括数据采集、数字式故障滤波、事件顺序记录、控制输出、通讯及自诊断等软件。离线软件有就地站调试软件、交互式作图软件、数据库生成,维护及报警语音生成等多种软件。
结语
实践证明,220 kV 城市终端站是解决当前城市供电矛盾的一个有效途径,随着变电站综合自动化技术的提高和硬件、软件环境的改善,它也将是今后城市电力系统发展的方向。
关键词:电气主接线；配电装置；综合自动化；
一、设计原则
在城市电网建设中,首先应当解决的是城市变电站的建设问题,建设城市变电站应当遵循的基本原则是:
1．足够的变电容量以满足供电区域内中长期规划预测的负荷要求;
2．可靠灵活的主接线方式;
3．结构紧凑,设备体积小,占地面积小;
4．主设备技术性能优越,可靠性高,检修频率低,噪声低;
5．自动化程度高,通信误码率低,可靠性高。
根据以上原则,选择220 kV 作为城市电源点,可以充分发挥容量大、通道省、占地少、投资相对经济的优点。因此,220 kV城市终端站是解决城市供电矛盾的一个有效措施,同时也将是今后城市电力系统发展的一个方向。
二、电气主接线
在变电站设计中,尤其是重要的变电站设计,为了保证其供电可靠性和灵活性,往往采用较复杂的主接线。完善的主接线虽然保证了供电可靠性,但缺点是接线方式复杂,运行操作繁琐,检修维护量大,投资大,占地面积多。
随着电网建设的不断完善,电气设备可靠性的不断提高,变电站主接线将向简化方向发展。简化主接线后不但不会降低变电站的可靠性和灵活性,在某种程度上反而能够提高可靠性和灵活性。简化主接线还具有如下优点:减少设备数量、减少占地面积、减少建设投资和降低运行维护费用。电气主接线的选择通常与变电容量的需求有较为密切的关系,这里介绍带断路器的线路变压器组的设计方案
220 kV 城市终端站电气主接线一般分3 个电压等级,由3组带断路器的线路变压器组构成。
220 kV 设置线路闸刀、电流互感器、断路器、氧化锌避雷器、电缆头及主变,共同构成线路变压器组。
110 kV 为单母线分段,各段母线各与1 台主变相连,各带多路出线。
35 kV 为单母线分段,各段母线带多路出线,每台主变分别通过2 台35 kV 断路器接于两段35 kV 母线上。有3 台分段断路器。优点在于任何一台主变停用,相应两段母线分别由另2台主变供电,从而达到均衡负荷的目的。
三、配电装置
1．220 kV 配电装置及主变
220 kV 配电装置选择室内布置,采用传统的独立电器,相间距离3. 5 m , 依次为电缆头、单侧带接地刀的线路闸刀、单断口六氟化硫断路器、氧化锌避雷器,最后接主变。断路器与线路闸刀之间留作通道,作为检修运输通道。
主变压器的选择对城市变电站来说又有着特殊的要求。体积小、噪音低、阻燃性好、可靠性高,就应是选择变压器要突出考虑的性能。220 kV 配电装置与主变共处一室,主要是防噪声。变压器可采用低噪声强油风冷,散热器分体安装于室外。
2．110 kV 配电装置
110 kV 配电装置采用三相共箱式结构的全封闭六氟化硫绝缘的组合电器,选择GIS 户内布置,这是在国内城市变电站设备选型中常用的做法。GIS 的结构为紧凑型三相共箱式,三相导体共面布置,所有开关设备均采用了弹簧P电动操动机构,由1台机构操作,三相联动。由于无需压缩空气供给系统,从而实现了无油化、无气化。断路器采用了自能熄弧研究的最新成果—气吹压力与开断电流自适应熄弧原理。开断额定断路电流所需的能量大部分取自电弧本身,大幅度减少了对操作能量的需求,操作功约为同等开断容量压气式断路器的20 %～25 %。断路器配置了低操作功、无维护或少维护、高可靠性的弹簧操动机构。此外,提供多种主接线方案,配置方式灵活。
3．35 kV 配电装置
35 kV 配电装置采用进口全封闭六氟化硫绝缘的组合电器,双列布置,头尾相接,容易处理单母线分段的接线型式。每个间隔宽度为0. 6～0. 8 m ,双列布置。
四、电气平面布置
变电站主要设备分布在综合楼及220 kV 配电装置楼。
1．综合楼
综合楼底层布置35 kV 配电装置及3 台所变,35 kV GIS 采用背靠背双列布置。由于两列装置之间有土建结构桩头,因此,对于背后有接线的GIS 需适当拉开距离,以便施工检修。
第2 层为电缆层,主要敷设110 kV 电缆出线,110 kV GIS 及35 kV GIS 绝缘母线与主变的接口等。
第3 层布置110 kV 配电装置GIS。除110 kV GIS 外,还设有配套的压缩机房。
第4 层为控制层,设有控制室及继电保护室。控制室下面不设电缆层,控制电缆经竖井上来后,经过控制室架空地板进入各相应设备。
综合楼地下层为箱形基础,箱形基础同时作为110、35 kV电力电缆通道。箱形基础靠围墙一侧,设有4 只竖井及2 只工作井,电缆通过两井与排管连接,上面通过竖井到电缆层及控制室。
2．220 kV 配电装置楼
配电装置楼共有3 个单元,每个单元布置1 组线路变压器组,每个单元间隔宽度为14 m ,单元之间设敞开式5 m 通道,作为主变散热器安装位置及接地变压器位置,接地变压器采用过街楼式安排,以利主变散热器通风散热。
五、系统保护
1．220 kV 线路保护
220 kV 线路与主变保护屏、直流屏、所用配电屏等布置在继电保护室。主变高压侧装设断路器,主变故障时不需传送远方跳闸命令。为了简化保护配置,拟采用相间电流和零序电流速断作为220 kV 线路主保护,并在送电端配置以下保护: ① 相间电流速断保护,瞬间跳闸; ②定时限过流保护,延时跳闸; ③零序电流速断保护,瞬时跳闸; ④零序过流保护,延时跳闸; ⑤断路器失灵保护。
以上保护除断路器失灵保护外,均配置2 套,实现与主变双重保护。送电站的1 套重合闸装置在线路单相故障时,断路器跳三相,然后进行三相重合;相间故障时,断路器跳三相,不进行重合。
2．主变保护
电力变压器是电力系统中十分重要的供电设备,它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响,同时大容量的电力变压器也是非常贵重的设备。因此,必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。针对变压器故障类型和不正常运行状态,对主变可采用以下保护: ①瓦斯保护; ②谐波制动纵差保护; ③变压器220 kV侧过流保护; ④变压器35 kV 侧过流保护; ⑤220 kV 零序过流保护; ⑥110 kV 2 段方向零序过流保护; ⑦35 kV 侧零序过流保护; ⑧220 kV 和35 kV 侧过负荷保护。
3．110 kV 线路保护
采用微機控制,包括电流速断、过电流两阶段;零序电流速断和零序过流2 段保护。
4．35 kV 线路保护
采用电流速断、过电流和零序过电流保护。
5．母线保护
110 kV 母线为单母线分段接线方式,每段母线配置1 套三相式母线差动保护,母差保护动作瞬时切除主变110 kV 进线断路器、分段断路器及母线上联络线断路器,母差动作时闭锁分段自切。
35 kV 母线为单母线分段接线方式,每段母线配置1 套三相式母线差动保护,母差保护动作瞬时切除主变35 kV 进线断路器、分段断路器,母差动作时闭锁分段自切并切除35 kV 母线上
联络线断路器。
6．自动装置
35 kV 和110 kV 母线分别装设备用电源自动切换装置。每回35 kV 线路均装设按周减载装置。
六、变电站综合自动化
所谓变电站综合自动化,就是广泛采用微机保护和微机远动技术,分别采集变电站的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号,经过功能的重新组合,按照预定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程,从而实现数据共享和资源共享,提高变电站自动化的整体效益。
1．基本功能
系统采用先进的计算机技术,将变电站中所需要的控制、保护、测量、中央信号、各类自动化装置、管理监测、报表打印、事故记录、故障滤波、通讯调度等功能集中于一个微机网络系统中,可实现变电站的无人值守。该系统以其技术先进、结构简单、安全可靠、功能齐全、具备无人值班的技术条件等方面的优势,在电力系统内得到了较为广泛的应用。其基本功能和技术如下:
(1) 保护功能。对所内的所有电气设备进行保护,并对被保护设备进行故障显示和记录,存储多套定值并能进行修改和显示等。
(2) 测量及数据采集功能。包括状态数据、模拟数据和脉冲数据。
(3) 自动装置功能。包括电压和无功的就地控制、同期检测和同期合闸及故障滤波测距等。
(4) 控制和操作闭锁。可通过CRT 屏幕对断路器、隔离开關、变压器分接头和电容器组投切等进行远方操作。
(5) 对所及监控、监视与工程师工作功能实现人机联系。
(6) 系统的自诊断功能。系统内各插件应具有自诊断功能,并把数据送往后台机和远方调度中心。此外,还有远方控制中心的通信与防火、保安功能及措施。
2．主要特点
变电所综合自动化是利用计算机的技术综合、统一进行处理,促进各环节的功能协调,其主要特点是:
(1) 微机系统和保护信息串行通信采用交流采样,大大提高了信息总量,能够根据事件优先级迅速远传变电信息。
(2) 系统采用微机采样,微机变送器输入由CT、PT 提供,直接输入计算机编码与数据采集微机通信,可传送多种计算量,速度较快、精度较高,是目前数据采集的最佳选择。
(3) 微机保护与监控部分通信可在调度端查看和修改保护整定值。微机保护与监控部分串行通信不仅可传送保护信息,而且还可以传送保护整定值和测量值,并可由调度端远方修改和下发保护定值。
(4) 变电所综合自动化具有对装置本身实时自检功能,方便维护与维修,可对其各部分采用查询标准输入检测等方法实时检查,能快速发现装置内部的故障及缺陷,并给出提示,指出故障位置,解决了各环节在技术上保持相对独立而造成的各行其是,重复投资甚至影响运行可靠性的弊端。
(5) 抗干扰能力强,可扩展性好。
(6) 实现综合自动化后的无人值班变电所占地面积小,取
消模拟屏、控制台和单独的小电流接地系统与无功电压自动调节装置等,既减少了征地,也减小了主控室面积,大大减少了投
资。
3．系统结构
3．1系统配置
为了提高变电站综合自动化系统的可靠性和性能价格比,在设计时就应采用分布式的变电站综合自动化系统配置模式。分层分布式一体化全微机结构,包括变压器保护、线路保护、母线保护、电容器保护、电动机保护、备用电源自投、无功电压综合控制、故障滤波器、微机防误闭锁装置和小电流接地选线装置等监控保护和安全自动单元。
该系统可以将变电所内各回路的数据采集单元、控制单元和保护单元分别集中安装在变电所的控制室内的数据采集柜、控制柜和保护柜中,相互间通过现场总线与控制主机相连。这种分布集中组屏的结构,便于扩充和维护,而且其中一个环节出现故障时,不会影响其它部分的正常运行。
由于采用了分散安装技术,大大节省了控制室面积以及大量电缆和安装费用,降低系统造价,提高系统可靠性,使分布式变电站综合自动化系统的优点明显地体现出来: ①不同电气设备均单独安装对应的前置机,其任一装置出现故障,均不影响系统其它部分正常运行; ②系统内装置间信息的传送均为数字信号,所以系统抗干扰能力增强; ③分布式系统为多CPU 工作方式,各装置均有一定的数据处理能力,从而大大减轻了主位计算机的负担; ④系统扩充灵活、方便。
3．2通信系统
通信系统是将整个变电站综合自动化系统采集的数据乃至该变电站相应的配电线路上自动化系统采集的数据传输给变电集控中心和配电自动化集控中心,站内通信采用光纤以太网,保证在站内毋需中断其他设备。站外通讯采用光缆与中心站相连接(双通道) ,由中心站进行遥控和监视。
3．3软件配置
主机软件包括对系统的管理、图形显示、技术统计、数据库管理、打印报表、通讯及自诊断软件、智能专家系统的故障分析和操作票自动生成等。
就地站软件包括数据采集、数字式故障滤波、事件顺序记录、控制输出、通讯及自诊断等软件。离线软件有就地站调试软件、交互式作图软件、数据库生成,维护及报警语音生成等多种软件。
结语
实践证明,220 kV 城市终端站是解决当前城市供电矛盾的一个有效途径,随着变电站综合自动化技术的提高和硬件、软件环境的改善,它也将是今后城市电力系统发展的方向。