110kV變電站主變容量階梯式實施方案的適用性分析

唐勇俊，沈 閱，袁智強

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2.國網上海市電力公司，上海 200122）

0 引言

上海作為一個國際化大都市，其土地資源變得越來越稀缺，而且隨著社會的發展，人們對于居住地周圍環境的要求以及政府各部門對于城市建設的要求越來越高，電網建設的外部環境也日益嚴峻。面對土地等資源的日益稀缺、社會法制意識的不斷增強、政府宏觀政策的密集出臺、“環境友好型、資源節約型的”剛性制約，電網建設阻力重重，站址落地愈加困難，嚴重制約了電網發展。因此，合理利用有限的站址和通道資源，建設可持續發展電網顯得尤為重要。

未來的上海電網將大量建設110kV變電站（3×80MVA），在相同供電能力的狀況下，能夠大幅度減少新建的變電站座數，從而節省城市變電站的用地，實現資源節約型、環境友好型變電站建設。但是，由于地區發展的不平衡，上海地區既存在負荷密度大，負荷增長日益趨緩的中心城區；也存在現狀負荷密度小，負荷仍保持快速發展的廣大郊區；在各郊縣也存在負荷相對集中的城鎮區、工業區等。若不研究具體狀況，而一次建成3×80MVA大容量主變，有可能造成部分區域容載比過高，新建110kV變電站長時間輕負載低效率運行，造成資產的閑置和浪費。為此，有必要對110kV主變容量的階梯式實施進行分析，從全壽命周期成本（LCC）最低的角度出發，研究主變容量階梯式實施的適用性。

1 LCC模型

根據LCC的原理，LCC等于建設成本和使用成本之和。考慮到110kV主變容量的階梯式實施，因此在建設成本中包括初期投入費用與擴建投入費用。另外，考慮到擴建更換下的老舊主變未到壽命年限，可以移至其他變電站繼續使用，因此還需在成本中減去老舊設備殘值。若老舊設備被閑置或淘汰退役，則可不考慮設備殘值。使用成本主要考慮運行過程中主變所產生的線損費用。計算所采用的LCC模型如圖1所示。

圖1 LCC構成模型圖

LCC凈現值的計算公式為：

式中：CI為本期變電站的建設費用；CEx為變電站擴建的投資；n為擴建發生的年份；CO為主變年線損費用；SV為變電站擴建當年更換下來的老舊主變的設備殘值；r0為折現率；全壽命周期為30年。

1）主變年線損費用計算式：

式中：α為電能綜合電價；ΔPl為主變最大負荷損耗；τ為最大負荷損耗小時數。

2）設備殘值計算式：

式中：OV為更換下的老舊主變的設備原值；DC為設備年折舊額。

2 LCC計算分析

以3個典型方案為例，對110kV主變容量階梯式實施的LCC進行計算和分析。

方案一：一次建成3×80MVA主變，10kV出線48回。

方案二：本期建設3×50MVA主變，10kV出線42回；待負荷發展到一定階段增容為3×80MVA主變，新增10kV出線6回。

方案三：本期建設3×40MVA主變，10kV出線36回；待負荷發展到一定階段增容為3×80MVA主變，新增10kV出線12回。

按全壽命周期為30年，區域初期負荷約50MW，平均負荷增長率取6%，主變擴容暫安排在第5年考慮，各方案LCC的比較如表1所示。

表1 主變容量階梯式實施LCC比較

由表1可見，若計提老舊設備殘值，則方案二和方案三LCC要小于方案一，即可認為此狀況下主變容量階梯式實施的方案具備技術經濟上的優勢；若不計提老舊設備殘值，則方案二和方案三LCC要大于方案一，即可認為此狀況下主變容量階梯式實施的方案不具備技術經濟上的優勢。

從現實邏輯角度分析，計提老舊設備殘值，即之前投資的小容量主變的價值在更換大容量主變后仍得以延續，而由于階梯式利用主變容量的方案初期投資成本較小，使得資金的時間價值得以體現，再加上網損的降低，因此階梯式實施方案的LCC具備天然優勢；但是若不計提老舊設備殘值，則初期投資的小容量主變的價值存在一定的浪費，此時，當主變擴建的年份越靠后，階梯式主變實施方案才有可能體現出優勢。

考慮不計及老舊設備殘值，仍采用上述計算條件計算主變擴建安排在不同年份時的LCC值，并作出了LCC曲線，如圖2所示。

由圖2可見，隨著主變擴建年份的推遲，主變容量階梯式實施方案的LCC逐漸下降。先期實施50MVA主變的方案，當主變擴建安排在第8年及以后時，LCC開始具備優勢；先期實施40MVA主變的方案，當主變擴建安排在第7年及以后時，LCC開始具備優勢。

圖2 3方案LCC值與主變擴建年份的變化曲線

3 影響階梯實施方案適用性的因素

由以上分析可知，若考慮繼續使用更換下來的小容量主變，則主變容量階梯實施方案的LCC具備天然優勢；若考慮將更換下的小容量主變閑置或退役，則主變容量階梯實施方案是否具備優勢，主要取決于主變擴建的年份。即，初期先建小容量主變，投運不久主變再增容，這時階梯式實施方案不具備優勢；當需要進行主變增容的年份推遲足夠久時，階梯式實施方案才逐漸顯現出優勢。而決定1個地區先投運1座110kV變電站，經過若干年主變再增容，主要影響因素是地區現狀負荷密度、110kV變電站的供電半徑以及地區的負荷增長率。

地區現狀的負荷密度和110kV變電站的供電半徑決定了變電站供電的存量負荷，而存量負荷與地區負荷增長率一并決定了變電站供電的增量負荷。110kV變電站的供電半徑以及負荷增長率，在不同區域一般變化幅度不會太大，而不同地區的負荷密度的差異卻比較明顯。例如2012年，上海A＋類地區（內環以內）平均負荷密度為32.7MW／km2，A類地區（內外環間）平均負荷密度為11.5MW／km2，而B類（外環以外）和C類（崇明三島）地區平均負荷密度均僅為2.4MW／km2和0.3MW／km2。一個地區擁有較大負荷密度，意味著該地區有著較高的存量負荷，在負荷增長率相當的狀況下也意味著更多的增量負荷，主變階梯式實施方案中主變增容的年份會越提前；反之亦然。因此，地區的負荷密度是上述3個影響因素中的關鍵因素。

若110kV供電半徑取2km，地區負荷增長率取8%，對不同負荷密度地區主變階梯式實施方案的LCC進行計算，如圖3所示。

由圖3可見，隨著地區負荷密度的增加，主變容量階梯式實施方案由優勢逐漸轉化為劣勢。

圖3 負荷密度對階梯式實施方案LCC的影響曲線

對比上海地區現狀負荷密度，初步可考慮在A＋和A類地區，110kV變電站主變容量按遠景規模一次實施到位。B類區域現狀比較接近階梯式實施方案優劣分化的臨界點，考慮到區域內部發展的不平衡性，采取何種方案需視具體狀況而定，建議區內發展較成熟、負荷相對集中的城鎮中心區、大型工業園區可采用一次實施到位的方案，仍處于欠發展、負荷相對分散的區域可考慮階梯式實施方案。C類區域由于現狀負荷密度很小，導致存量負荷較小，即使地區負荷增長率較高，變電站供電半徑較大，也仍然不適宜一次性建成3×80MVA主變，建議在該地區可采用主變容量階梯式實施的方案。

4 結論

1）影響主變容量階梯式實施方案適應性的主要因素，包括地區現狀負荷密度、變電站供電半徑和地區負荷增長率。其中，地區現狀負荷密度為相對關鍵的因素。

2）由于上海城市建設發展的不平衡性，不同區域之間在負荷密度、變電站供電半徑以及負荷增長率方面均存在一定差異，應視具體狀況采取不同的110kV變電站主變容量實施方案。

3）A＋和A類地區由于負荷密度較大，一般可采用主變容量按遠景規模3×80MVA一次實施到位的方案；B類區域現狀比較接近階梯式實施方案優劣分化的臨界點，考慮到區域內部發展的不平衡性，采取何種方案需視具體狀況而定；C類區域由于現狀負荷密度很小，導致存量負荷較小，不適宜一次性建成3×80MVA主變，建議在該地區可采用主變容量階梯式實施的方案。