基于全壽命周期經濟技術比較的農村電網臺區配置研究

【摘要】農村配電網臺區升級改造是目前電網企業的主要工程之一，如何經濟合理的進行臺區配變及低壓配置非常關鍵。本文提出了應用全壽命周期技術經濟比較理論進行臺區升級方案比選的方法，比較農村配變配置時的幾個重要的內容，為農村配電網的規劃及設計提供參考。

【關鍵詞】農網;臺區;全壽命周期;配變;低壓線路;經濟

1.引言

配電網臺區是電力系統的末端，是將電能轉化為各種能量的最后環節。農村和城市地區發展差異大，配電網投資建設主體也不相同。城網配電臺區建設依靠用戶投資較多，臺區的建設執行了較高的標準，農村建設欠賬較多，配電臺區的建設標準執行不到位，改造不徹底。近年來農村負荷增長迅速，低電壓，重過載等現象尤為突出，農村配電網在建設水平和投入上相對滯后，未來的發展和改造具有較大空間。隨著國家提出建設“堅強電網”的理念，電網需要向用戶提供高質量和可靠性的供電。如何做到經濟合理的解決當前問題，又要滿足未來發展需要，是農村電網臺區規劃的重要課題。

2.全壽命周期的思想

全壽命周期方法指在配網規劃階段就考慮到設備在整個壽命周期內所有環節，包括規劃設計、投入運營、運行維護和報廢回收全過程的經濟成本。工程在規劃設計階段的費用相對整個項目投資來說，占比一般不足20%，卻決定了75%以上的全壽命周期經濟成本（LCC）[全壽命周期管理在輸電線路設計中的應用]。傳統的經濟性評價只針對工程的初始投資進行分析計算，對配網建設完成后的運營和維護成本考慮粗糙（比如按工程造價的百分比估算）。實際上因為配電網設備故障而引起的維護成本可能比較高，設備可靠性因素對全周期成本影響較大;而配電網設備運行年限一般比較長（約20年左右），其日常運行需要的總費用也較為龐大。配電網總運行和維護成本可能要高于其初始投資需要的成本。因此單從設備一次性投資來進行經濟性分析，并不一定能得到最優方案[配電系統規劃全壽命周期管理理論和方法研究]。

3.全壽命周期經濟比較方法和計算模型

全壽命周期經濟比較方法的原理如圖3.1所示。工程人員在項目規劃階段篩選出可行的方案作為備選方案，通過模型計算其在初始投資、后續投資、運營維護和報廢回收的全壽命周期成本，最終確定成本最優的方案作為最終方案。

圖3.1 全壽命周期經濟比較法

全壽命周期模型采用現值折算法實現。現值，又稱折現值，是指將未來的投資和支出折算到現金流投入的基準年的值，即將來的投資和支出以目前的現金來計算時的價值。通常使用折現率i將資產存續期內未來現金流折算為當前的金額。其計算公式為：

（式2.1）

其中：P—現值;A—年金;I—年折現率，一般不低于同期銀行貸款利率。

全壽命周期成本LCC包括設備初始投資、運行維護成本和報廢回收收入三個部分。按照現值折算法其計算公式為：

（式2.2）

其中： CI（n）表示第n年投資成本;CO（n）表示第n年運行維護成本;CD（n）表示第n報廢回收成本;

如果只需要考慮配變的經濟性，可以使用更細化的變壓器綜合能效費用法來進行全周期經濟成本分析。其計算公式為：

（式2.3）

其中：。

式中：TOC—變壓器的總擁有費用，元;CI—變壓器設備的初始費用，元;P0—變壓器的額定空載損耗，W;Pk—變壓器的額定負載損耗，W;E—該變壓器用戶的平均小時電價，元/kWh;n—變壓器的經濟使用年限，一般取20年;Kpv—折現率為i的連續n年費用現值系數;i—年折現率，不低于同年期銀行貸款利率值;Hpy—變壓器的年帶電小時數;τ—年最大負載損耗小時數;β—變壓器的初始負載系數。

4.農網臺區戶均容量和配變布點分析

相比于城網臺區，農村電網臺區用電波動范圍較小、用電均衡程度偏低、最大負荷利用小時數較小、變壓器配置系數較小、設備負荷同時率較高等特點，因此需要針對其進行優化配置。

（1）配變容量分析

以一個200戶的中型農村為例。以村落內全部為中等條件家庭測算，其電器設備負荷為3.2*200=640kW，若考慮春節期間同時啟動系數為0.60，最大負荷為640*0.60=384kW;以村落內全部為富裕條件家庭計算，其電氣設備負荷約為1060kW，若考慮春節期間同時啟動系數為0.50，最大負荷約為500kW;以村落終期達到城市標準，其電氣設備負荷約為1900kW，若考慮春節期間同時啟動系數為0.40，最大負荷約為760kW。

隨著農村居民生活水平的提高，配變容量的需求也是逐漸提高，今后配變需求的發展可以總結為一般、較高、終期三個階段。配變配置應滿足最大負荷的要求，配變配置時考慮其負荷高峰時的滿載和過載1.2倍能力，臺區配變發展可經歷（200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+315kVA）三個階段，戶均容量發展經過1.8kW/戶、2.8kW/戶、3.8kW/戶三個階段。

大型農村其家用電器的使用同時系數是略下降的，因此采用中型農村的研究結果依然適用。小型農村家用電器數量變少，使用同時系數變高，戶均容量也是應提高的。將中型農村的配變配置方案拓展至中型農村和大型農村仍然合理。

（2）配變布點方式分析

農網臺區應滿足供電半徑的要求，落點位置和數量同時考慮經濟、安全。按照D類區域低壓供電半徑不易超過500米測算，如果配變落點位于村落中心位置，低壓供電半徑不超過7萬平方米，如配變落點位于村落邊緣位置，低壓供電半徑不超過3.5萬平方米。由此，對與大型村落，應至少有2臺配變，對于中型村落如配變不能放置在中心位置的，也應至少有2臺配變。

對于一個100戶的村落，按戶均3kW等效成一個10X10的理想的方格模型。單臺配變選擇落在中央的位置，距離最近的村戶等效電阻設為R，依次向周邊發散為2R，3R，4R，5R，每戶的電流均等效為1。如配置單一配變，落點在村落中央的位置，則臺區線損為380R，如配置2臺配變，落點分別在村落兩端的位置，則臺區線損為320R，如表3.1所示。

顯然，兩點布置比單點布置線損更低，按照理想模型，兩點布置比單點布置減少線損約16%。利用上述理想模型對臺區建設的兩種方案造價進行比較。

（3）方案的全壽命周期成本比較

1）設備投資成本CI

設備投資成本包括配變、中低壓線路的購置和建設成本。兩種方案初始投資CI如表4.1所示。

表4.1 單配變和雙配變方案初始投資CI比較

單臺1*400（S11） 兩臺2*200（S11） 備注

配變 40300 2*22800

配變安裝費 10000 12000

低壓線路 150 1km*84000 單臺配變按照干線150，支線120配置。兩臺配變按照干線120，支線70配置。接戶線不比較。

120 1km*65000 1km*65000

70 1km*43000

總造價 199300 168300 差值31000元

2）運行損耗成本

單配變運行損耗：

CO（變壓器）=（8760*0.570+1300*0.42*4.300+8320）*0.54=7672元;

CO（線損）=20800kW;

雙配變運行損耗：

CO（雙配變壓器）=（8760*0.680+1300*0.42*5.460+6988）*0.54=7603元;

CO（線損）=17472kW;

單臺配變和兩臺配變布置全壽命周期成本計算參數如表4.2。

3）報廢成本

報廢成本按設備殘值率5%計。單臺配變報廢成本CD（單臺）=-9465元;雙配變報廢成本CD

（單臺）=-9930元。

4）全壽命周期成本

按式2.2計算單雙配變方案現值折算后LCC結果如表4.3所示。由表可見，雙配變布置比單配變布置的LCC低33909元，經濟優勢比較明顯。

表4.2 單配變和雙配變方案LCC計算參數

單臺配變布置 兩臺配變布置 備注

配變及低壓臺區（元） 199300 168300 容量為400kVA，S11

配變經濟壽命（年） 20 20

折現率（%） 8 8

空載損耗 570 680

負載損耗 4300 5460

初始負載系數 0.4 0.4

最大負荷利用小時數 1300 1300 按安徽農村區域考慮

低壓線損 20800 17472 單臺按臺區統計數據低壓線損5%計算400*80%*1300*5%

平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

表4.3 單臺配變和兩臺配變全壽命周期成本現值計算

費用（元） 單臺配變 兩臺配變

一次投資成本CI 199300 168300

運行成本CO 7672 7603

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -9465 -9930

LCC 263013 229104

從上述的分析可知，單配變和雙配變的臺區損耗基本相當，所以臺區是采用單配變還是雙配變主要取決于臺區建設投資成本。因此，農村臺區在滿足低壓供電半徑和電壓質量要求的前提下，在升級改造工程中，對于大容量換小容量或者新增變壓器兩種方式，只需比較總投資造價即可。投資比較的項目包括：配變購置費、低壓臺區干線改造費和中壓線路建設費。

農村配變臺區的10kV中壓線路深入農村造價高、安全性差、同時配變落點困難，不易協調。因此，配變位置優先考慮位于沿村落主要道路、周邊房屋較少，10kV中壓線路易于敷射至的地點，不要求臺區深入農村中心。

5.零星村落單相和三相變壓器的選擇

小容量的單相變壓器（50、80、100）具有體積小、重量輕、損耗少的有點，是零星村落照明及單相用電的理想產品。下面通過對一個30戶左右的典型零星村落進行單相臺區和三相變臺區的經濟技術比較來分析其LCC的大小。按照上一節論述的標準，30戶的村落需配置100kVA的配變。

（1）變壓器的綜合能效成本比較

我們先利用式綜合能效成本法分析變壓器的TOC。單相D11和S11型三相配變臺區綜合能效成本計算參數如表5.1所示。

表5.1 綜合能效成本計算參數

單相變D11 S11型配變 備注

配變單價（元） 10500 22347 容量100kVA

配變壽命（年） 20 20

折現率（%） 8 8

空載損耗（W） 240 250

負載損耗（W） 1140 1500

年最大負荷利用小時數（小時） 1300 1300

初始負載系數 40% 40%

10kV及以下平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

得出結果為：TOC單相=22903元;TOC三相=35612元。顯然，單從配變的角度來講，單相變比三相變經濟性更優。

（2）臺區線損及低壓線路造價比較

1）三相和單相的低壓線損模型如圖5-1：

圖5-1 單相和三相低壓線損模型

單相變線損為：PΔ=（I23R+I22R+I2R）*2

三相變線損為：PΔ=（I23R+I22R+I2R）+I2R+ I2R

在低壓線路截面選擇一致的條件下，三相變線損比單相變線損小。考慮三相臺區和單相臺區線路導線截面的經濟選型，兩種方式低壓線損相當。

2）臺區低壓線路造價測算如表5.2：

表5.2 低壓線路造價

導線

截面 單價 單相

（長度） 三相

（長度） 備注

主干線 150 11.09 2*400 供電半徑按500米測算，主干線按400米測算，支線按400米測算

支線 70 7.5 2*400 4*400

支線 50 5.11 2*400 一般三相臺區其支線部分考慮兩線

接戶線 25 4.20 30*10 30*10 戶數按30戶計算

單相總造價 16132元

三相總造價 17348元

附：此處未比較桿塔造價和施工造價，一般三相和單相臺區，桿塔選型基本一致，鐵附件三相臺區稍高。

采用三相四線制供電的配電臺區，臺區內戶數越少，越容易出現低壓三相不平衡的情況。實踐證明，一般情況下三相負荷不平衡可引起線損率升高2%-10%，三相負荷不平衡度若超過10%，則線損顯著增加。三相不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，變壓器磁滯損耗渦流損耗增大，容易引起事故。

綜上所述，對于小型村落和零星村落，如無三相用電的必然需求，可采用單相變供電。單相配電變壓器布點應遵循也三相平衡原則，按各相間輪流分布，盡可能消除中壓三相系統不平衡。

6.非晶合金配變和S11配變全壽命周期成本比較

非晶合金變壓器是一種新型變壓器，于上世紀80年代末期在國外開始應用。與傳統硅鋼變壓器相比，非晶合金變壓器，具有損耗低、運行穩定、安全性能高等優點，但是設備造價高，前期投入較大。下面對非晶合金配變和傳統S11型配變進行全壽命周期成本分析。

（1）200kVA容量非晶配變和S11配變LCC對比

選取容量為200kVA非晶合金配變和傳統S11型配變進行對比，主要計算參數如表6.1。

表6.1 非晶合金配變和S11型配變全壽命周期成本計算參數（200kVA）

非晶合金配變 S11型配變 備注

配變單價（元） 33462 24700 容量為200kVA

配變經濟壽命（年） 20 20

折現率（%） 8 8

空載損耗 120 340

負載損耗 2600 2730

初始負載系數 0.4 0.4

年利用小時數（小時） 1300 1300 按安徽農村區域考慮

平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

1）設備投資成本CI

非晶合金初始購置成本比S11配變高8762元

2）運行損耗成本

CO（非晶）=（8760*120+1300*0.42*2600）*0.54

=860元

CO（S11）=（8760*340+1300*0.42*2730）*0.54=1914元

非晶合金每年的運行損耗成本比S11節約1054元。

3）報廢成本

按設備殘值率5%計。非晶合金變壓器退役殘值比S11高438元。取使用周期20年，按照式2.2計算兩種配變的LCC結果如表6.2所示。

由表6.2可知，在最大負荷利用小時數和設備平均負載率均相對偏低的情況下，非晶合金的全壽命周期成本比S11型配變現值少2508元，兩者經濟性差距不大。

表6.2 非晶合金配變和S11型配變全壽命周期成本現值計算（200kVA）

費用（元） 非晶合金配變 S11型配變

一次投資成本CI 33462 24700

運行成本CO 860 1914

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -1673 -1235

LCC 42222 44730

（2）400kVA容量非晶配變和S11配變LCC對比

選取容量為400kVA非晶合金配變和傳統S11型配變進行全壽命周期成本分析對比，主要計算參數如表6.3

表6.3 非晶合金配變和S11型配變全壽命周期成本計算參數（400kVA）

非晶合金配變 S11型配變 備注

配變單價（元） 70200 58000 容量為400kVA

配變經濟壽命（年） 12 12

折現率（%） 8 8

空載損耗差值（%） -65 0 以S11型配變為基準

年利用小時數（小時） 3500 3500 按B類區域供電居民生活負荷考慮

10kV及以下平均售電價 0.66 0.66

同上，取使用周期20年，兩種配變的LCC計算結果如表6.4所示。

表6.4 非晶合金配變和S11型配變全壽命周期成本現值計算（400kVA）

費用（元） 非晶合金配變 S11型配變

一次投資成本CI 70200 58000

運行成本CO 9324 14360

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -3510 -2900

LCC 142837 177678

400kVA的非晶合金配變，在最大負荷利用小時數和設備平均負載率均相對較高的情況下，非晶合金的全壽命周期成本比S11型配變現值少34841元，其經濟效益比較明顯。

（3）S11和非晶合金配變損耗與成本的關系選擇

由前文計算可知，對于200kVA的非晶合金配變，在農村地區其負荷利用小時數相對較低的、平均負載率較低、峰谷差較大的現實情況下，非晶合金變壓器的經濟優勢并不明顯，其仍受制于購置價格相對較高;對于315kVA及以上的配變，在臺區負荷利用小時數較高的區域，選用非晶合金變壓器能有效降低運行成本，其經濟性較為明顯。因此對于200kVA及以下的農村配變選型，推薦采用S11型配變，對于315kVA及以上的配變推薦采用非晶合金配變。

7.主要結論

1）農村臺區配變配置數量主要取決于低壓供電半徑的要求。在滿足低壓供電半徑的要求下，臺區是采用單配變還是雙配變主要取決于臺區建設投資成本，升級改造時應綜合比較配變購置費、低壓臺區干線改造費和中壓線路建設費三項費用。農村配變臺區的10kV中壓配變位置優先考慮位于沿村落主要道路、周邊房屋較少，線路易于敷射的地點，不要求深入農村中心，此時采用雙配變經濟性較好，可以避免造價高、安全性差和配變落點困難的弊端。

2）對于小型村落和零星村落，三相配變的綜合能效成本比較高，而其在線損上的優勢并不明顯。如無三相用電的必然需求，可以采用單相變供電。單相配電變壓器布點應遵循三相平衡原則，按各相間輪流分布，盡可能消除中壓三相系統不平衡。

3）非晶合金變壓器與S11變壓器相比空載損耗較小，負載損耗相當。在最大負荷利用小時數和設備平均負載率均相對較高的情況下，使用非晶合金配變具有明顯的經濟優勢。如果當前臺區升級改造需求較為迫切的情況下，仍建議選擇初期投資較小的S11變壓器。

作者簡介：王緒利（1984—），男，工程師，現供職于國網安徽省電力公司經濟技術研究院，從事電網規劃工作。