基于全壽命周期成本的高壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)選擇方法

基于全壽命周期成本的高壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)選擇方法

國(guó)網(wǎng)江西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 熊寧 王潔 朱文廣 鐘士元

本文提出一種農(nóng)村地區(qū)電壓等級(jí)選擇經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法，該法首先利用線(xiàn)路曲折系數(shù)與電源數(shù)量成反比的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，估算出規(guī)劃目標(biāo)年變電站的供電半徑；然后提出一種電網(wǎng)設(shè)備建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算方法，使其可充分考慮規(guī)劃年負(fù)荷和供電半徑的變化影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓等級(jí)方案更精確地經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

電壓等級(jí)；負(fù)荷密度；全壽命周期；經(jīng)濟(jì)評(píng)估

0 引言

電壓等級(jí)是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中最根本的問(wèn)題[1]。電壓等級(jí)選取不合理將引起網(wǎng)損增加，電壓合格率低，供電安全可靠性差，以及建設(shè)維修費(fèi)用增加等一系列不良后果[2][3]。目前，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)主要采用35/10kV和110/10kV兩種電壓等級(jí)。在線(xiàn)路負(fù)載率低、絕緣費(fèi)用高的條件下，采用35/10kV的方案是適宜的。但是隨著城鄉(xiāng)負(fù)荷的增長(zhǎng)，該方案將出現(xiàn)供電能力不足、電壓質(zhì)量差和線(xiàn)損電量高等問(wèn)題[4]。為解決上述問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，特別是縣城中心區(qū)已取消了35kV，采用110/10kV電壓等級(jí)供電[5]。取消35kV電壓等級(jí)優(yōu)勢(shì)包括[6][7]：（1）減少了35kV電壓等級(jí)的能量損耗；（2）節(jié)省35kV電壓等級(jí)的設(shè)備投資；（3）減少35kV電壓等級(jí)運(yùn)行環(huán)節(jié)，提高供電的可靠性。

電壓等級(jí)組合的選擇與地區(qū)負(fù)荷水平、供電區(qū)面積及該電壓等級(jí)輸變電設(shè)備的建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用有關(guān)，選擇何種電壓等級(jí)的組合能為供電企業(yè)帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益，需通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較才能確定[8]。負(fù)荷密度是目前電壓等級(jí)組合選擇的主要評(píng)判指標(biāo)[9]-[14]。在地區(qū)變電站平均供電范圍已知的條件下，該指標(biāo)可求出每座變電站平均下送的負(fù)荷量，進(jìn)而通過(guò)不同方案下運(yùn)行、建設(shè)費(fèi)用的比較，確定適合采用的電壓等級(jí)。在負(fù)荷密度法中，變電站供電半徑的確定至關(guān)重要[15]，因?yàn)樗粌H決定變電站電源線(xiàn)路的長(zhǎng)度，而且也決定著變電站下送的負(fù)荷量。但是，目前大多數(shù)文獻(xiàn)在供電半徑的設(shè)定時(shí)通常采用固定的經(jīng)驗(yàn)值，沒(méi)有考慮該參數(shù)在規(guī)劃期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過(guò)于粗略。文章提出一種新的電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法，該法首先利用線(xiàn)路曲折系數(shù)與電源數(shù)量成反比的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，估算出規(guī)劃目標(biāo)年變電站的供電半徑；然后提出一種電網(wǎng)設(shè)備建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算方法，使其可充分考慮規(guī)劃年負(fù)荷和供電半徑的變化影響，實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)更精確地經(jīng)濟(jì)評(píng)估。最后，將所提方法應(yīng)用到江西農(nóng)村地區(qū)，并通過(guò)靈敏度分析，給出了取消35kV電壓等級(jí)的最佳時(shí)機(jī)。

1 電壓等級(jí)組合選擇

主要探討農(nóng)村地區(qū)電壓等級(jí)的選取方法，故只以110/10kV(方案一)和35/10kV(方案二)作為比較對(duì)象。根據(jù)《農(nóng)村電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DL/T5118-2000)，110kV和35kV變電站均應(yīng)配有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，故其低壓側(cè)10kV母線(xiàn)可作為電壓恒定的電源處理，因此可假設(shè)110kV和35kV變電站10kV線(xiàn)路具有相同的供電半徑和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。在上述假設(shè)成立的條件下，所提方法主要步驟如下：（1）確定規(guī)劃目標(biāo)年變電站供電半徑；（2）計(jì)算供電半徑內(nèi)的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；（3）經(jīng)濟(jì)評(píng)估，方案決策。

1.1 變電站供電半徑求解

對(duì)于一個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，10kV線(xiàn)路的曲折系數(shù)與向其供電的變電站電源數(shù)量成反比關(guān)系。因此，在當(dāng)前年電源數(shù)、線(xiàn)路曲折系數(shù)和規(guī)劃目標(biāo)年線(xiàn)路供電半徑(最遠(yuǎn)負(fù)荷點(diǎn)到電源點(diǎn)之間10kV線(xiàn)路長(zhǎng)度)已知的條件下，目標(biāo)年變電站供電半徑可由以下方程確定：

式中：下標(biāo)f和c分別代表負(fù)荷規(guī)劃目標(biāo)年和當(dāng)前年；R為變電站供電半徑(電源點(diǎn)到其供電最遠(yuǎn)負(fù)荷點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離)；k為10kV線(xiàn)路曲折系數(shù)；l為10kV線(xiàn)路供電半徑；m為10kV電源數(shù)，即35kV和110kV變電站的個(gè)數(shù)；S為供電區(qū)面積。

式(1)中，lf是已知的規(guī)劃目標(biāo)值；kf、mf和Rf為三個(gè)未知量，而等式方程也有三個(gè)，故可確定目標(biāo)年供電半徑的唯一解。

1.2 計(jì)算生命周期內(nèi)變電站建設(shè)費(fèi)用

變電站建設(shè)費(fèi)用主要包括變電和線(xiàn)路設(shè)備的建設(shè)費(fèi)用，一般作為固定值考慮。但從一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的時(shí)間周期來(lái)看，由于新建變電站的不斷π入，電源線(xiàn)路的年建設(shè)費(fèi)用會(huì)隨著供電半徑的降低而降低。因此，電源線(xiàn)路建設(shè)費(fèi)用不僅由其當(dāng)初的建設(shè)長(zhǎng)度決定，也取決于規(guī)劃目標(biāo)年變電站供電半徑。

假設(shè)某地區(qū)需y年到達(dá)負(fù)荷飽和年，則供電半徑年均下降率可表示為：

式中：下標(biāo)f和c分別代表飽和負(fù)荷年和當(dāng)前年；dr為變電站供電半徑年均下降率。

假設(shè)農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷飽和年大于設(shè)備折舊年，在計(jì)及供電半徑變化條件下，提出一種變電站建設(shè)費(fèi)用計(jì)算方法，表達(dá)式如下式所示，推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄。

式中：Wc為變電站建設(shè)費(fèi)用將來(lái)值；Xt和Xl分別為當(dāng)前年變電站變電設(shè)備和單位長(zhǎng)度電源線(xiàn)路的建設(shè)費(fèi)用；Lc為當(dāng)前年110(35)kV線(xiàn)路長(zhǎng)度；i為銀行年利率；n為折舊期限。

1.3 運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用主要考慮網(wǎng)絡(luò)損耗費(fèi)用，包括電源線(xiàn)路損耗和變壓器損耗兩部分。由于35kV和110kV變電站10kV建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相同，在方案比較時(shí)不考慮10kV因素的影響。在計(jì)及負(fù)荷年均增長(zhǎng)率、供電變壓器損耗費(fèi)用將來(lái)值分別如式(4)和式(5)所示。

式中，Wl和Wt分別為電源線(xiàn)路和變壓器的損耗費(fèi)用；x為積分變量；ρ為地區(qū)的負(fù)荷密度；第x年的供電半徑；t為負(fù)荷的年增長(zhǎng)率；為第x年的有功負(fù)荷；φ為功率因數(shù)角；V為變電站主變高壓側(cè)電壓；r0為電源線(xiàn)路的單位長(zhǎng)度電阻；L為正常運(yùn)行方式下變電站的受電線(xiàn)路長(zhǎng)度；為第x年變電站受電線(xiàn)路長(zhǎng)度；為第x年最大負(fù)荷日電源線(xiàn)路上的損耗功率；Tmax為地區(qū)最大負(fù)荷網(wǎng)損小時(shí)數(shù)；c為電價(jià)；rt為變壓器的短路電阻；為第x年最大負(fù)荷日變壓器損耗功率。

1.4 方案決策

用將來(lái)值對(duì)電壓等級(jí)選擇方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估。若式(6)成立，則表明該地區(qū)110kV/10kV的供電方式要優(yōu)于35kV/10kV電壓等級(jí)組合。

式中：下標(biāo)1和2分別代表方案1和2；Wc、Wp、Wm和We分別為變電站建設(shè)成本、運(yùn)行成本（即損耗費(fèi)用）、維護(hù)成本和退役成本。

2 算例分析

2.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

2010年，江西省農(nóng)村地區(qū)面積為S=15.53萬(wàn)平方公里，用電最大負(fù)荷Pc=4000MW，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax=3000h，10kV電源mc=881個(gè)。其中，110kV變電站110座，35kV變電站771座，變電站受電線(xiàn)路平均長(zhǎng)度Ls=24km，功率因素cosφ=0.95，10kV線(xiàn)路平均長(zhǎng)度為lc=30km，農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷達(dá)到飽和后的年數(shù)y=30；變電和線(xiàn)路設(shè)備的折舊期n=25年。

根據(jù)計(jì)算參數(shù)的設(shè)置可知，江西2010年農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷密度ρc=Pc/S=25.76kw/km2；供電半徑10kV線(xiàn)路曲折系數(shù)kc=lc/Rc=4。

根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》中的規(guī)定，農(nóng)村(D類(lèi))地區(qū)線(xiàn)路供電半徑lf≤15km，此處取15km。由式(1)計(jì)算可知，飽和年的供電半徑Rf=5.95km，變電站座數(shù)mf=1398座。將其帶入式(2)，可知供電半徑的年均下降率dr=0.9923，受電線(xiàn)路平均長(zhǎng)度Lsf=19km。

根據(jù)《江西省規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施細(xì)則》，規(guī)劃年110kV和35kV變電站主要采用單鏈結(jié)構(gòu)接線(xiàn)方式。假設(shè)110kV和35kV變電站供電范圍為圓，半徑為R，如圖1所示。

由圖可知，備用電源線(xiàn)路長(zhǎng)度Lb=0.5Ls=12，則新建110(35)kV線(xiàn)路總長(zhǎng)度Lc=Lb+Ls=36km。

設(shè)定銀行年利率i=0.1；電價(jià)c=0.6元/kWh；主變和線(xiàn)路參數(shù)如表1所示，單位造價(jià)如表2所示。

圖1 變電站接線(xiàn)方式示意圖

表1 主變和線(xiàn)路參數(shù)設(shè)置

表2 項(xiàng)目單位造價(jià)

年度維護(hù)成本一般取投資額現(xiàn)值的1%；退役成本主要為殘值，以負(fù)值加入到LCC成本中，一般取投資額現(xiàn)值的10%。為便于計(jì)算，假設(shè)兩個(gè)方案的年維護(hù)成本和退役成本一致，不納入計(jì)算中。

2.2 實(shí)例計(jì)算

在傳輸同樣電力條件下，電壓等級(jí)越低，線(xiàn)路損耗費(fèi)用越大。因此隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)，35/10kV電壓等級(jí)組合必然將向110/10kV過(guò)渡。假設(shè)折舊期內(nèi)江西農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷年均增長(zhǎng)率t=8%，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷密度情況，兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較如下：

（1）方案一

根據(jù)式(3)～(5)，可得折舊期末電源線(xiàn)路損耗費(fèi)用Wl1=376(萬(wàn)元)；變壓器損耗費(fèi)用Wt1=157(萬(wàn)元)，總損耗費(fèi)用Wp1=533(萬(wàn)元)；變電站建設(shè)費(fèi)用Wc1=45810(萬(wàn)元)。

（2）方案二

考慮到供電能力，35kV變電站配置了兩臺(tái)主變。假設(shè)兩臺(tái)主變同時(shí)運(yùn)行，根據(jù)式(3)～(5)，折舊期末電源線(xiàn)路損耗費(fèi)用Wl2=4819(萬(wàn)元)；變壓器損耗費(fèi)用Wt2=384(萬(wàn)元)；總損耗費(fèi)用Wp2=5203(萬(wàn)元)；建設(shè)費(fèi)用Wc2=26796(萬(wàn)元)。

（3）方案比較

由計(jì)算結(jié)果可知，方案一的總費(fèi)用為5 3 3+44191=44724萬(wàn)元；方案二的總費(fèi)用為5203+25871=31074萬(wàn)元。因此，就江西電網(wǎng)目前的負(fù)荷密度而言，適合采取35/10kV的電壓等級(jí)組合。

圖2 總費(fèi)用對(duì)負(fù)荷的靈敏度關(guān)系Fig.2 The sensitivity of total fees to load change

2.3 靈敏度分析

（1）負(fù)荷密度靈敏度分析

為分析負(fù)荷密度變化對(duì)總費(fèi)用的影響，將負(fù)荷密度ρ以1kw/km2為步長(zhǎng)，從25kw/km2增加到60kw/km2，總費(fèi)用隨之變化曲線(xiàn)如圖2所示。

由圖可知，當(dāng)負(fù)荷密度≥51.97kW/km2時(shí)，方案二的費(fèi)用將超過(guò)方案一，表明此時(shí)取消35kV電壓等級(jí)是較為經(jīng)濟(jì)的；否則只有當(dāng)35kV變電站供電能力不足時(shí)，才適合采用110/10kV的電壓等級(jí)組合。換句話(huà)說(shuō)，按負(fù)荷年均8%的增長(zhǎng)率計(jì)算，2020年江西農(nóng)村地區(qū)可取消35kV電壓等級(jí)。

（2）取消35kV臨界曲線(xiàn)

為分析在不同負(fù)荷密度和負(fù)荷增長(zhǎng)率下取消35kV的條件，圖3給出了35kV電壓等級(jí)應(yīng)用的臨界曲線(xiàn)。

由圖可知，若地區(qū)負(fù)荷密度和負(fù)荷年均增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)落在曲線(xiàn)下方，則表明該地區(qū)仍適合采用35kV電壓等級(jí)；否則，采用110/10kV電壓等級(jí)組合供電更為經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

文章提出一種農(nóng)村地區(qū)電壓等級(jí)選擇的經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法，主要結(jié)論如下：

（1）利用線(xiàn)路曲折系數(shù)與電源數(shù)量成反比的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，提出一種規(guī)劃目標(biāo)年變電站供電半徑的求解方法。

（2）提出一種電網(wǎng)設(shè)備建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算方法，使其可充分考慮規(guī)劃年負(fù)荷和供電半徑的變化影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓等級(jí)更精確地經(jīng)濟(jì)評(píng)估

（3）給出了35kV電壓等級(jí)適用臨界曲線(xiàn)，為地區(qū)電壓等級(jí)選擇提供了決策依據(jù)。

圖3 35kV電壓等級(jí)應(yīng)用臨界曲線(xiàn)Fig.3 The critical curve for the application of 35kV voltage level

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