基于全壽命周期的輸電線路設(shè)計

劉 亮 胡 松 唐 波 朱 磊

（1.國網(wǎng)浙江省桐廬縣供電公司，浙江 桐廬 311500；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要更多的輸電線路將能源輸送到全國各地，輸電線路設(shè)計是輸電線路工程建設(shè)必不可少的一個前提.傳統(tǒng)輸電線路的設(shè)計僅考慮其是否滿足電氣和機械性能，沒有充分考慮到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和再利用等性能［1］.因此，有必要進(jìn)行輸電線路全壽命周期（LCC）的計算分析，綜合考慮線路從設(shè)計到報廢整個周期中的各項性能，獲得優(yōu)化設(shè)計選型方案，使社會資源得以充分利用.

在18世紀(jì)初，瑞典的鐵路系統(tǒng)就開始應(yīng)用LCC技術(shù)［2］，隨后，LCC理念被大量應(yīng)用于交通運輸系統(tǒng)、航天、國防建設(shè)、能源工程等方面，且主要集中在美國、歐洲［3］.應(yīng)用的范圍有發(fā)電機、大型變壓器、勵磁機及核電站等［4-5］.LCC技術(shù)自19世紀(jì)初期引入我國，由海軍起頭，空軍、二炮都積極推廣運用［6］，LCC技術(shù)也漸漸地被應(yīng)用到了中國的電力系統(tǒng)當(dāng)中，上海市電力系統(tǒng)開展了泰和站GIS裝備LCC模型與計算［7］.在輸電線路設(shè)計方面，文獻(xiàn)［8-9］從理論上簡單論述了輸電線路全壽命管理方法，其對于普通的輸電線路及相關(guān)金具的設(shè)計壽命和匹配原則發(fā)表了一些觀點，統(tǒng)計了一些主要部件的參考值.文獻(xiàn)［10］研究了LCC在直流輸電線路絕緣設(shè)計過程中的應(yīng)用方法，但其只考慮了年費用.另外，劉漢生等人在特高壓直流輸電導(dǎo)線選型的過程中應(yīng)用了LCC技術(shù)，對5種不同的導(dǎo)線型號進(jìn)行優(yōu)化和篩選，獲得了實用性較強的優(yōu)化方案［11］.

從上述研究中發(fā)現(xiàn)，目前LCC技術(shù)在輸電線路設(shè)計中的應(yīng)用已取得一定進(jìn)展，但已有的研究中，大多是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行分析，而缺少相關(guān)的計算理論和實踐指導(dǎo).本文在采用LCC技術(shù)分析輸電線路設(shè)計方案選擇過程中，統(tǒng)籌兼顧工程全壽命周期內(nèi)功能與費用的平衡，結(jié)合輸電線路設(shè)計建設(shè)的實際，從輸電線路LCC 7個屬性的要求出發(fā)，進(jìn)行多方案比較，選出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)保節(jié)約的最佳方案.

1 傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計

傳統(tǒng)輸電線路根據(jù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，著重對線路路徑方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，取得有關(guān)協(xié)議，選擇最佳的路徑方案；通過電氣性能的計算，保證線路的絕緣安全；通過機械性能的計算，認(rèn)真選擇導(dǎo)線型號、桿塔型式及其基礎(chǔ)；合理進(jìn)行通信保護(hù)設(shè)計；對于特殊大跨越設(shè)計等，要進(jìn)行專題調(diào)查研究，提出專題報告.可以看出，傳統(tǒng)的輸電線路設(shè)計在電氣和機械性能方面考慮比較充分，而對經(jīng)濟(jì)性方面沒有提出較高的要求.而在輸電線路設(shè)計中引入全壽命周期管理技術(shù)，則能有效優(yōu)化輸電線路設(shè)計、運行、維護(hù)及再回收利用等綜合成本，從而補充傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計的不足之處.

全壽命周期管理是現(xiàn)代管理理論（系統(tǒng)論、控制論和信息論）與建設(shè)項目相結(jié)合而產(chǎn)生的.其基本思想是，在滿足可靠性要求的基礎(chǔ)上，使項目的初期想法到項目拆除的整個全壽命周期內(nèi)擁有成本（Owning Cost）為最低的全過程管理.如圖1～2所示，建設(shè)項目的全壽命周期包括項目的決策階段、實施階段和運營階段，其時間歷程從方案決策一直到重新再利用.

圖1 全壽命周期管理模式

圖2 全壽命周期的時間歷程

全壽命周期成本管理將一般工程建設(shè)成本的外延擴(kuò)大，要求人們從工程項目全壽命周期（包括建設(shè)前期、建設(shè)期、使用期、改造翻新期與拆除期等階段）出發(fā)去考慮成本問題，它覆蓋工程項目的整個壽命周期.

2 輸電線路LCC理論

2.1 計算方法

在全壽命周期管理分析時，除了要考慮初建成本的差異外，還要考慮今后運行維護(hù)成本、失效維修成本和回收殘值等.LCC技術(shù)一般認(rèn)為包括LCC估算、LCC分析、LCC評價、LCC管理等內(nèi)容.LCC計算是所有工作的基礎(chǔ).從輸電線路工程建設(shè)的特點看，比較適用的LCC計算方法為工程估算法.

工程估算法是從項目的基本費用單元開始，將各階段的費用從下到上進(jìn)行工程估算，最后依次疊加求得LCC費用.

輸電線路全壽命成本分析采用全壽命成本的現(xiàn)值來表示，即

由于成本發(fā)生在不同的年份，上式中的費用都需要用費用現(xiàn)值或年費用法折算后才能比較.

年費用也可表示為

式中，TL為項目的壽命值；CC為初建成本；CI（TL）為輸電線路的檢測成本；CM（TL）為輸電線路日常維護(hù)成本；CR（TL）為輸電線路的維修成本及損失；CF（TL）為失效成本；CD（TL）為項目殘值.其現(xiàn)金流示意圖如圖3所示.

圖3 項目全壽命期內(nèi)的現(xiàn)金流示意圖

其中，輸電線路LCC的檢測、日常維護(hù)、維修等管理措施的成本可表示為

式中，C＊（TL）表示總成本；n為輸電線路LCC措施實行的次數(shù)；C＊（i）為第i次的成本；ti為項目建成后的年數(shù).

失效成本CF（TL）的分析中，需要考慮結(jié)構(gòu)的失效概率，即

式中，Cfi為第i類失效造成的所有直接及間接損失，Pfi為相應(yīng)的失效概率.

項目殘值CD（TL）還應(yīng)考慮到項目的廢除概率，即

式中，CD為報廢所需要的成本，Pd為項目在TL時刻可能廢除的概率，對于輸電線路的全壽命成本，此值可能表現(xiàn)為負(fù)值，即輸電線路回收體現(xiàn)為效益.

從輸電線路LCC組成看，LCC的計算方法需大量詳細(xì)、真實、可靠的數(shù)據(jù)支持，為此必須掌握有關(guān)輸電線路成本的歷史數(shù)據(jù).目前，輸電線路LCC技術(shù)還未完善，相關(guān)的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)還不足.因此，輸電線路LCC的計算可作一些簡化處理，共有的費用可以忽略.通過計算和對比各方案間LCC的大小，來篩選出合理經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方案.簡單處理后的輸電線路LCC流程如圖4所示.

圖4 輸電線路LCC計算流程

2.2 屬性評價

全壽命周期建設(shè)管理目標(biāo)是實現(xiàn)輸變電工程全壽命周期內(nèi)功能匹配、壽命協(xié)調(diào)和費用平衡.不同的方案之間除了初建成本，其余各項成本可能受到政策、環(huán)境等不確定因素的影響而難以具體確定，但它們之間的相對關(guān)系是非常明確的.輸電線路LCC分析中需要考慮的7項屬性，分別為安全可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、節(jié)約環(huán)保性、可實施性、可回收性及全壽命周期成本最優(yōu).

安全可靠性是指綜合考慮輸變電工程對所在電網(wǎng)正常運行的作用和影響；避免人身事故、電網(wǎng)事故、設(shè)備事故，注重功能匹配，提高整體安全可靠性；可維護(hù)性是指輸電線路走廊的選擇應(yīng)方便導(dǎo)線及附件運行維護(hù)；可擴(kuò)展性方面，將電網(wǎng)規(guī)劃納入地區(qū)總體規(guī)劃，統(tǒng)籌規(guī)劃輸電線路走廊，提高利用率；節(jié)約環(huán)保是指采取措施節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，與環(huán)境協(xié)調(diào)，節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材；不占或少占耕地和經(jīng)濟(jì)效益高的土地；可實施性是指在工程建設(shè)全過程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果，合理選擇設(shè)備（材料）型式和技術(shù)參數(shù)，方便采購，合理應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備；可回收性是指以資源高效利用和循環(huán)利用為核心，充分考慮土地再利用和設(shè)備、材料回收；全壽命周期成本最優(yōu)方面，要統(tǒng)籌兼顧輸變電工程全壽命周期內(nèi)功能與費用的平衡，保證各方面的屬性與全壽命周期成本協(xié)調(diào)統(tǒng)一，最后篩選出經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化方案.

輸電線路全壽命周期設(shè)計過程較為復(fù)雜，在生命周期每一個階段中都有很多因素對全壽命周期設(shè)計產(chǎn)生影響，因此，對上述7項屬性的評價擬采用模糊綜合評價方法，建立模糊集合和隸屬度函數(shù)，對于全壽命周期設(shè)計評價針對不同屬性，分為5個等級，即很好（5分）、好（4分）、良（3分）、中（2分）及一般（1分），然后通過權(quán)重與評價的運算，得到最終評價.

3 具體算例分析

鑒于篇幅有限，僅展示LCC技術(shù)計算分析導(dǎo)線基本型式優(yōu)化篩選的過程，其他部件也采用相似的過程進(jìn)行LCC優(yōu)化選擇.

以慈溪-滸山110kV輸電線路工程為例，通過對國內(nèi)外常用線路導(dǎo)線的分析，考慮采用工程中較為常見的300mm2導(dǎo)線.在導(dǎo)線選型時，選擇了LGJ-300／25、LGJ-300／40兩種鋼芯鋁絞線和LHBJ-300鋁合金導(dǎo)線等3種導(dǎo)線進(jìn)行比較.

各導(dǎo)線組合的弧垂特性和荷載比較見表1.

表1 各種導(dǎo)線弧垂特性和荷載對比

對于導(dǎo)線的全壽命周期成本分析，由于其失效概率極低，因此主要考慮初建成本和運行階段的電能損失.在分析中，以LGJ-300／25為基準(zhǔn)，采用類比法.

在DL／T5092-1999《110～500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》和IEC1597-1995《Overhead electrical conductors calcuation methods for stranded bare conductors》中，提出了導(dǎo)線載流量計算的公式，當(dāng)中提出的電阻要求為交流電阻.

對于常規(guī)鋼芯鋁絞線，交流電阻的計算已經(jīng)有成熟的公式，并在工程中得到了驗證，鋁合金絞線也可以參照應(yīng)用.按照相關(guān)文件給定50MV·A的輸送容量和電網(wǎng)最大負(fù)荷利用小時數(shù)按5000h，3種導(dǎo)線方案的電阻損耗見表2.

表2 各導(dǎo)線方案的電阻損耗對比表

從表2中可以看出，在正常輸送電流262A時，3種導(dǎo)線的功率損耗和不同年損耗小時下電能損耗最大為 LHBJ-300，最小為 LGJ-300／25，中間為 LGJ-300／40.

架空線路徑長度10.27km，按照一般考慮的30年設(shè)計使用壽命，資金折現(xiàn)率取資產(chǎn)預(yù)期收益率為7.86%，導(dǎo)線的全壽命周期成本分析見表3.

表3 各導(dǎo)線方案的全壽命周期成本計算（每公里）

從表3可以看出，3種導(dǎo)線方案在初建成本上除LGJ-300／40方案略高外，其余方案基本相當(dāng).其中，全壽命周期成本最高的導(dǎo)線型號是LGJ-300／40，為562.13萬元；最低的是LHBJ-300，為554.58萬元；中間的是LGJ-300／25，為552.30萬元.

針對3種導(dǎo)線方案，從輸電線路全壽命周期的各項屬性出發(fā)，采用模糊綜合評價方法，根據(jù)上述分析，對各項屬性給予權(quán)重和評價，結(jié)果見表4.

表4 各導(dǎo)線方案的全壽命周期評價

從表4可以看出，LGJ-300／40導(dǎo)線方案全壽命周期評價最優(yōu)，分值為4.6；其次是LGJ-300／25，分值為4.5；最低的是LHBJ-300，分值為4.48.因此，經(jīng)綜合比選以后，推薦采用LGJ-300／40鋼芯鋁絞線方案.

4 結(jié) 語

1）對3種導(dǎo)線方案全壽命周期成本進(jìn)行計算，成本最大的是LGJ-300／40型號導(dǎo)線，為562.13萬元；最低的是LHBJ-300型號導(dǎo)線，為552.30萬元；中間的是LGJ-300／25，為554.59萬元.

2）考慮輸電線路全壽命周期的7項屬性，采用模糊綜合評價方法分別給予權(quán)重和評價，評價結(jié)果最優(yōu)的導(dǎo)線型號是LGJ-300／40，分值為4.6；其次是LGJ-300／25，分值為4.5；最低的是 LHBJ-300，分值為4.48，推薦采用最優(yōu)的導(dǎo)線.

3）以上輸電線路LCC計算分析中僅展示了對導(dǎo)線基本選型的分析計算過程，其他部件也采用相似的過程進(jìn)行LCC優(yōu)化選擇，并取得了較為實用的結(jié)果.

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