全壽命周期成本在中壓配電網接線方案中的應用研究

李甜甜+王江波+劉軍會+鄧方釗+楊萌

【摘 要】 將全壽命周期成本（LCC）理念應用到中壓配電網規劃接線方案的比選工作中，從設備的全壽命周期角度評估方案的經濟效益，使配電網的投資決策方案更為科學合理。本文通過對10kV電纜網和架空網的幾種典型接線模式進行全壽命周期成本計算，分析不同接線模式在不同負荷密度地區的技術經濟效益，為配電網規劃差異化制定中壓目標網架提供科學合理的依據。

【關鍵詞】 全壽命周期成本 中壓配電網 接線模式 可靠性成本

引 言

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡稱為LCC）是從設備/項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備/項目或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新、直至報廢的全過程中所發生的成本[1]。全壽命周期成本評估方法為資產生命周期的各個決策環節提供了一種實用的決策方法。在電網規劃中全壽命周期成本的應用主要是進行規劃方案的經濟比選，如輸電網絡規劃方案選擇、導線截面選取等，以全壽命周期成本最低原則選擇經濟的決策方案。

長期以來，我國電網建設的重點放在輸電網上，LCC在輸電網規劃方案比選中得到了較好的應用，如變電站選址、定容，網架規劃、設備選擇等[2～5]。配電網規劃由于起步晚、基礎弱，缺乏科學的管理及規劃手段。傳統的配電網規劃一般從初始建設投資出發，對電網建成后的運營和維護成本幾乎不考慮，然而隨著用戶對電能質量及供電可靠性要求越來越高，設備在壽命期內的運行維護和停電損失成本可能會高于初始投資成本，導致初始投資低的方案從全壽命周期的角度來看并一定是最優方案。在配電網規劃中引入LCC理念，應用全壽命周期成本評價方法對規劃方案進行優選，從而在保證供電可靠性的前提下實現規劃方案經濟效益的最大化，節省配電網建設投資。

1 全壽命周期成本評價方法

1.1 配電網全壽命周期成本構成

配電網的全壽命周期成本是指系統從設計到退役的整個期間所發生的費用總和。根據配電網規劃的特點，LCC在配電網規劃中構成可劃分為設備層和系統層兩個層面[6]，設備層主要考慮設備從設計到退役整個期間的費用總和，包括設備初始投資（CI）、運行維護成本（CO）和設備報廢成本（CD）；系統層從整體角度分析，考慮規劃方案對整個電力系統和用戶產生影響而發生的成本，包括故障停電損失成本（CF）和運行損耗成本（CL）。

LCC=CI+CO+CD+CF+CL

（1）初始投資（CI）：包括主要設備的購置、安裝、調試的支出成本及一次征地成本等。

（2）運行維護成本（CO）：設備的運行、維護支出等，如設備運行過程中的能耗費、日常巡檢費、環保費用，以及檢修維護成本等。

（3）報廢成本（CD）：包括設備退役后回收殘值以及設備拆除和清理費用。

（4）故障停電損失成本（CF）：主要是由于電力供給不足或中斷給電網企業和用戶帶來的經濟損失，包括社會停電損失成本和電網企業停電損失成本。其中社會停電損失成本參考國外的常規做法，采用“每千瓦時電能的平均產值（產電比）”來估算；電網企業停電損失成本則根據電網企業缺供電量和購售電差價來估算。

（5）損耗成本（CL）：主要是設備運行過程中電能損耗所發生的成本費用。

1.2 全壽命周期成本計算方法

在成本經濟分析中所遇到的費用分為一次性費用和年費用兩種，這兩種不同費用之間必須進行折算后才能進行比較。而且對于同一費用，發生年份不同，評價時的價值體現也會有所差異。在經濟分析中一般以折現率來進行費用的轉換，其中現值與等年值的計算公式[7]如式（1）、（2）所示。

式中：P表示現值，I表示當前年支出，i表示折現率，n2表示當前年，n1表示起始年，AC表示等年值，n表示計算期。

結合當前配電網規劃的實際，借鑒傳統的技術經濟比較方法，在進行規劃方案比選時，對全壽命周期成本的計算比較采取等年值法，通過對各備選方案全壽命周期成本進行逐一分解計算后，得到各方案的全壽命周期成本，并折算為現值。在計算全壽命周期成本時，不必覆蓋壽命周期內的所有細節成本。根據有無對比原則，不同方案之間相同或是非常相近的成本予以忽略，在全壽命周期成本中占比較小且難以精確量化的成本因素也予以忽略。

2 基于LCC的中壓配電網接線方案比選原則

本文遵循配電網差異化規劃的原則，分別在不同負荷密度區域選取典型中壓網絡接線模式，借助全壽命周期成本方法進行比較分析，綜合可靠性、經濟性效益的平衡，研究在不同負荷密度區域各種接線模式的適用性，為配電網規劃差異化制定中壓目標網架提供科學、合理的依據。

在實際配電網絡，特別是城市配電網中，中壓線路往往是由架空線路和電纜線路混合組成的。為便于分析比較，本文采取架空線路和電纜線路分別進行研究的方法，這樣也在研究某一特定區域內的10kV配電網的網絡結構時也不失一般性[8]。

根據目前我國配電網實際運行情況，中壓配電網絡接線模式[9-11]電纜網主要有單環網、雙環網和單射接線，架空網主要有輻射式和多分段適度聯絡接線，各種接線模式如下所示。

1）電纜網接線模式

單射接線比較簡單，建設投資少，但故障負荷無法轉供，停電時間長、影響范圍大，供電可靠性較差。單環網通過末端環網單元連接兩回單射線路，實行環網接線、開環運行，故障時可通過聯絡開關轉移負荷，提高供電可靠性，且新增用戶接入時可就近接入，通過變化聯絡開關位置容易實現線路負荷的平衡，但建設投資有所增加。雙環網是單環網的組合，本質上是兩個獨立的單環網，接線完善，提供雙電源、供電可靠性更高，但投資比單環網增加一倍。

2）架空網接線模式

輻射式接線簡單清晰、運行方便、建設投資低，線路可滿載運行、設備利用效率高，但故障停電時間長、影響范圍較大、供電可靠性較差。多分段適度聯絡接線通過聯絡開關，將來自不同變電站或相同變電站不同母線段的兩條饋線連接起來，故障情況下可通過聯絡線路轉移負荷，滿足配電網N-1準則，供電可靠性較高，但建設投資有所增加，且為滿足故障時負荷轉移，線路正常運行時負載率受限，單聯絡接線線路最大負載率50%，兩聯絡接線線路最大負載率66.7%。endprint

3 算例分析

3.1電纜網接線方案比選分析

電纜線路主要分布在城市中心區等負荷密度高、供電可靠性要求高的地區，計算電纜線路接線方案的故障停電損失成本時，產電比選取高負荷密度地區的產電比值，并按配置配電自動化考慮。根據電纜線路在福州地區實際運行經驗，按1次/年考慮線路首端發生短路故障，若采用單環網接線，則通過配電自動化在5分鐘內可將故障線路段負荷轉移至對側線路；若采用單射接線，則故障線路段負荷無法轉供，損失負荷只能在線路修復后才能恢復供電。

計算兩種接線方案的LCC成本時，正常運行方式下單環網接線開環運行，供電同一區域的單環網和單射接線損耗幾乎一致，因此不計損耗成本。其他成本費用中單環網接線初始建設投資成本、運行維護成本高于單射接線，報廢回收成本低于單射接線。可靠性成本方面由于電纜線路故障修復時間長，停電損失成本大，而單環網接線借助配電自動化可以快速恢復非故障段負荷，大大減少停電損失效益。根據計算，故障停電損失費用隨著損失負荷的增加而不斷增加。當故障損失負荷小于3.58MW時，單射接線故障停電損失成本較小，單環網接線由于建設、運維成本較大，導致LCC成本高于單射接線；當故障損失負荷大于3.58MW后，單射接線故障停電損失成本超過單環網接線的建設、運維等成本值，導致LCC成本高于單環網接線。

從技術因素方面考慮，一般高負荷密度區域的用戶對供電可靠性的要求較高。因此，在負荷密度較低、單環網供電負荷較小時，10kV電纜網可以選取供電可靠性較差的單射接線，總體經濟效益更優；在負荷密度較高、環網供電負荷較大時，10kV電纜網應選擇供電可靠性較高的單環網接線，既能滿足用戶供電需求又能得到較優的經濟效益，特別在負荷密度很大、用戶供電可靠性要求很高時可選擇雙環網接線來滿足高可靠性供電需求。

3.2 架空網接線方案比選分析

在城市市中心區等高負荷密度地區，架空線路故障率較低，根據福州地區實際運行經驗，按1次/年考慮線路首端發生故障，采用聯絡接線可通過配電自動化在5分鐘內轉移故障線路負荷至對側線路，采用輻射接線方案則只能在線路修復后恢復供電。在鄉鎮、農村等低負荷密度地區，由于受風、雷害影響嚴重，按2次/年考慮線路首段發生短路故障，采用聯絡接線通過現場手動倒閘操作轉移故障線路負荷至對側線路，約1.5小時；同樣采用輻射接線只能在故障線路修復后恢復供電。

計算兩種接線方案的LCC成本時，同電纜網類似，兩種接線方案的故障停電損失成本隨著損失負荷的增加而增加，其他成本費用是固定的。根據計算結果，當故障損失負荷小于4.6MW時，單幅射接線故障停電損失成本小于聯絡接線的建設、運維等成本，LCC成本值較低；當故障損失負荷大于4.6MW時，單幅射接線故障停電損失成本超過聯絡接線的建設、運維等成本，LCC成本值較高。因此，綜合技術、經濟因素，在鄉鎮、農村等負荷密度較低的地區，10kV架空網選取供電可靠性較差的單幅射接線總體經濟效益更優；在城市市中心區等負荷密度較高的地區，10kV架空網應選擇供電可靠性較高的聯絡接線，以滿足較高的供電可靠性需求，同時獲取最優的經濟效益。

結 論

本文將全壽命周期成本理念應用到配電網規劃方案比選中，分別對10kV電纜網和架空網的常用的幾種接線模型進行全壽命周期成本計算，分析不同接線方案在損失負荷不同時的技術經濟效益，為不同負荷密度區域的10kV電網接線方案的選取提供理論依據，指導配電網規劃差異化制定中壓目標網架。經電網實際算例驗證，在高負荷密度地區，10kV電纜網優先選擇環網接線、架空網優先選擇聯絡接線方案的總體技術經濟效益更優；而在低負荷密度地區，10kV電纜網選擇單射接線、架空網選擇輻射接線方案的技術經濟效益更優。

【參考文獻】

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