全壽命周期成本在中壓配電網(wǎng)接線方案中的應(yīng)用研究

李甜甜+王江波+劉軍會(huì)+鄧方釗+楊萌

【摘 要】 將全壽命周期成本（LCC）理念應(yīng)用到中壓配電網(wǎng)規(guī)劃接線方案的比選工作中，從設(shè)備的全壽命周期角度評(píng)估方案的經(jīng)濟(jì)效益，使配電網(wǎng)的投資決策方案更為科學(xué)合理。本文通過(guò)對(duì)10kV電纜網(wǎng)和架空網(wǎng)的幾種典型接線模式進(jìn)行全壽命周期成本計(jì)算，分析不同接線模式在不同負(fù)荷密度地區(qū)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，為配電網(wǎng)規(guī)劃差異化制定中壓目標(biāo)網(wǎng)架提供科學(xué)合理的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 全壽命周期成本 中壓配電網(wǎng) 接線模式 可靠性成本

引 言

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CC）是從設(shè)備/項(xiàng)目的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備/項(xiàng)目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購(gòu)置、安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新、直至報(bào)廢的全過(guò)程中所發(fā)生的成本[1]。全壽命周期成本評(píng)估方法為資產(chǎn)生命周期的各個(gè)決策環(huán)節(jié)提供了一種實(shí)用的決策方法。在電網(wǎng)規(guī)劃中全壽命周期成本的應(yīng)用主要是進(jìn)行規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)比選，如輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案選擇、導(dǎo)線截面選取等，以全壽命周期成本最低原則選擇經(jīng)濟(jì)的決策方案。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)放在輸電網(wǎng)上，LCC在輸電網(wǎng)規(guī)劃方案比選中得到了較好的應(yīng)用，如變電站選址、定容，網(wǎng)架規(guī)劃、設(shè)備選擇等[2～5]。配電網(wǎng)規(guī)劃由于起步晚、基礎(chǔ)弱，缺乏科學(xué)的管理及規(guī)劃手段。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃一般從初始建設(shè)投資出發(fā)，對(duì)電網(wǎng)建成后的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本幾乎不考慮，然而隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量及供電可靠性要求越來(lái)越高，設(shè)備在壽命期內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)和停電損失成本可能會(huì)高于初始投資成本，導(dǎo)致初始投資低的方案從全壽命周期的角度來(lái)看并一定是最優(yōu)方案。在配電網(wǎng)規(guī)劃中引入LCC理念，應(yīng)用全壽命周期成本評(píng)價(jià)方法對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)選，從而在保證供電可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)效益的最大化，節(jié)省配電網(wǎng)建設(shè)投資。

1 全壽命周期成本評(píng)價(jià)方法

1.1 配電網(wǎng)全壽命周期成本構(gòu)成

配電網(wǎng)的全壽命周期成本是指系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到退役的整個(gè)期間所發(fā)生的費(fèi)用總和。根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃的特點(diǎn)，LCC在配電網(wǎng)規(guī)劃中構(gòu)成可劃分為設(shè)備層和系統(tǒng)層兩個(gè)層面[6]，設(shè)備層主要考慮設(shè)備從設(shè)計(jì)到退役整個(gè)期間的費(fèi)用總和，包括設(shè)備初始投資（CI）、運(yùn)行維護(hù)成本（CO）和設(shè)備報(bào)廢成本（CD）；系統(tǒng)層從整體角度分析，考慮規(guī)劃方案對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)和用戶產(chǎn)生影響而發(fā)生的成本，包括故障停電損失成本（CF）和運(yùn)行損耗成本（CL）。

LCC=CI+CO+CD+CF+CL

（1）初始投資（CI）：包括主要設(shè)備的購(gòu)置、安裝、調(diào)試的支出成本及一次征地成本等。

（2）運(yùn)行維護(hù)成本（CO）：設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)支出等，如設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能耗費(fèi)、日常巡檢費(fèi)、環(huán)保費(fèi)用，以及檢修維護(hù)成本等。

（3）報(bào)廢成本（CD）：包括設(shè)備退役后回收殘值以及設(shè)備拆除和清理費(fèi)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(wǎng)企業(yè)和用戶帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，包括社會(huì)停電損失成本和電網(wǎng)企業(yè)停電損失成本。其中社會(huì)停電損失成本參考國(guó)外的常規(guī)做法，采用“每千瓦時(shí)電能的平均產(chǎn)值（產(chǎn)電比）”來(lái)估算；電網(wǎng)企業(yè)停電損失成本則根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)缺供電量和購(gòu)售電差價(jià)來(lái)估算。

（5）損耗成本（CL）：主要是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中電能損耗所發(fā)生的成本費(fèi)用。

1.2 全壽命周期成本計(jì)算方法

在成本經(jīng)濟(jì)分析中所遇到的費(fèi)用分為一次性費(fèi)用和年費(fèi)用兩種，這兩種不同費(fèi)用之間必須進(jìn)行折算后才能進(jìn)行比較。而且對(duì)于同一費(fèi)用，發(fā)生年份不同，評(píng)價(jià)時(shí)的價(jià)值體現(xiàn)也會(huì)有所差異。在經(jīng)濟(jì)分析中一般以折現(xiàn)率來(lái)進(jìn)行費(fèi)用的轉(zhuǎn)換，其中現(xiàn)值與等年值的計(jì)算公式[7]如式（1）、（2）所示。

式中：P表示現(xiàn)值，I表示當(dāng)前年支出，i表示折現(xiàn)率，n2表示當(dāng)前年，n1表示起始年，AC表示等年值，n表示計(jì)算期。

結(jié)合當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)際，借鑒傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法，在進(jìn)行規(guī)劃方案比選時(shí)，對(duì)全壽命周期成本的計(jì)算比較采取等年值法，通過(guò)對(duì)各備選方案全壽命周期成本進(jìn)行逐一分解計(jì)算后，得到各方案的全壽命周期成本，并折算為現(xiàn)值。在計(jì)算全壽命周期成本時(shí)，不必覆蓋壽命周期內(nèi)的所有細(xì)節(jié)成本。根據(jù)有無(wú)對(duì)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(wǎng)接線方案比選原則

本文遵循配電網(wǎng)差異化規(guī)劃的原則，分別在不同負(fù)荷密度區(qū)域選取典型中壓網(wǎng)絡(luò)接線模式，借助全壽命周期成本方法進(jìn)行比較分析，綜合可靠性、經(jīng)濟(jì)性效益的平衡，研究在不同負(fù)荷密度區(qū)域各種接線模式的適用性，為配電網(wǎng)規(guī)劃差異化制定中壓目標(biāo)網(wǎng)架提供科學(xué)、合理的依據(jù)。

在實(shí)際配電網(wǎng)絡(luò)，特別是城市配電網(wǎng)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(jìn)行研究的方法，這樣也在研究某一特定區(qū)域內(nèi)的10kV配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)也不失一般性[8]。

根據(jù)目前我國(guó)配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，中壓配電網(wǎng)絡(luò)接線模式[9-11]電纜網(wǎng)主要有單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)和單射接線，架空網(wǎng)主要有輻射式和多分段適度聯(lián)絡(luò)接線，各種接線模式如下所示。

1）電纜網(wǎng)接線模式

單射接線比較簡(jiǎn)單，建設(shè)投資少，但故障負(fù)荷無(wú)法轉(zhuǎn)供，停電時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大，供電可靠性較差。單環(huán)網(wǎng)通過(guò)末端環(huán)網(wǎng)單元連接兩回單射線路，實(shí)行環(huán)網(wǎng)接線、開(kāi)環(huán)運(yùn)行，故障時(shí)可通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，提高供電可靠性，且新增用戶接入時(shí)可就近接入，通過(guò)變化聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置容易實(shí)現(xiàn)線路負(fù)荷的平衡，但建設(shè)投資有所增加。雙環(huán)網(wǎng)是單環(huán)網(wǎng)的組合，本質(zhì)上是兩個(gè)獨(dú)立的單環(huán)網(wǎng)，接線完善，提供雙電源、供電可靠性更高，但投資比單環(huán)網(wǎng)增加一倍。

2）架空網(wǎng)接線模式

輻射式接線簡(jiǎn)單清晰、運(yùn)行方便、建設(shè)投資低，線路可滿載運(yùn)行、設(shè)備利用效率高，但故障停電時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍較大、供電可靠性較差。多分段適度聯(lián)絡(luò)接線通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將來(lái)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(lái)，故障情況下可通過(guò)聯(lián)絡(luò)線路轉(zhuǎn)移負(fù)荷，滿足配電網(wǎng)N-1準(zhǔn)則，供電可靠性較高，但建設(shè)投資有所增加，且為滿足故障時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，線路正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率受限，單聯(lián)絡(luò)接線線路最大負(fù)載率50%，兩聯(lián)絡(luò)接線線路最大負(fù)載率66.7%。endprint

3 算例分析

3.1電纜網(wǎng)接線方案比選分析

電纜線路主要分布在城市中心區(qū)等負(fù)荷密度高、供電可靠性要求高的地區(qū)，計(jì)算電纜線路接線方案的故障停電損失成本時(shí)，產(chǎn)電比選取高負(fù)荷密度地區(qū)的產(chǎn)電比值，并按配置配電自動(dòng)化考慮。根據(jù)電纜線路在福州地區(qū)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，按1次/年考慮線路首端發(fā)生短路故障，若采用單環(huán)網(wǎng)接線，則通過(guò)配電自動(dòng)化在5分鐘內(nèi)可將故障線路段負(fù)荷轉(zhuǎn)移至對(duì)側(cè)線路；若采用單射接線，則故障線路段負(fù)荷無(wú)法轉(zhuǎn)供，損失負(fù)荷只能在線路修復(fù)后才能恢復(fù)供電。

計(jì)算兩種接線方案的LCC成本時(shí)，正常運(yùn)行方式下單環(huán)網(wǎng)接線開(kāi)環(huán)運(yùn)行，供電同一區(qū)域的單環(huán)網(wǎng)和單射接線損耗幾乎一致，因此不計(jì)損耗成本。其他成本費(fèi)用中單環(huán)網(wǎng)接線初始建設(shè)投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本高于單射接線，報(bào)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(fù)時(shí)間長(zhǎng)，停電損失成本大，而單環(huán)網(wǎng)接線借助配電自動(dòng)化可以快速恢復(fù)非故障段負(fù)荷，大大減少停電損失效益。根據(jù)計(jì)算，故障停電損失費(fèi)用隨著損失負(fù)荷的增加而不斷增加。當(dāng)故障損失負(fù)荷小于3.58MW時(shí)，單射接線故障停電損失成本較小，單環(huán)網(wǎng)接線由于建設(shè)、運(yùn)維成本較大，導(dǎo)致LCC成本高于單射接線；當(dāng)故障損失負(fù)荷大于3.58MW后，單射接線故障停電損失成本超過(guò)單環(huán)網(wǎng)接線的建設(shè)、運(yùn)維等成本值，導(dǎo)致LCC成本高于單環(huán)網(wǎng)接線。

從技術(shù)因素方面考慮，一般高負(fù)荷密度區(qū)域的用戶對(duì)供電可靠性的要求較高。因此，在負(fù)荷密度較低、單環(huán)網(wǎng)供電負(fù)荷較小時(shí)，10kV電纜網(wǎng)可以選取供電可靠性較差的單射接線，總體經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)；在負(fù)荷密度較高、環(huán)網(wǎng)供電負(fù)荷較大時(shí)，10kV電纜網(wǎng)應(yīng)選擇供電可靠性較高的單環(huán)網(wǎng)接線，既能滿足用戶供電需求又能得到較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，特別在負(fù)荷密度很大、用戶供電可靠性要求很高時(shí)可選擇雙環(huán)網(wǎng)接線來(lái)滿足高可靠性供電需求。

3.2 架空網(wǎng)接線方案比選分析

在城市市中心區(qū)等高負(fù)荷密度地區(qū)，架空線路故障率較低，根據(jù)福州地區(qū)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，按1次/年考慮線路首端發(fā)生故障，采用聯(lián)絡(luò)接線可通過(guò)配電自動(dòng)化在5分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)移故障線路負(fù)荷至對(duì)側(cè)線路，采用輻射接線方案則只能在線路修復(fù)后恢復(fù)供電。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等低負(fù)荷密度地區(qū)，由于受風(fēng)、雷害影響嚴(yán)重，按2次/年考慮線路首段發(fā)生短路故障，采用聯(lián)絡(luò)接線通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)倒閘操作轉(zhuǎn)移故障線路負(fù)荷至對(duì)側(cè)線路，約1.5小時(shí)；同樣采用輻射接線只能在故障線路修復(fù)后恢復(fù)供電。

計(jì)算兩種接線方案的LCC成本時(shí)，同電纜網(wǎng)類似，兩種接線方案的故障停電損失成本隨著損失負(fù)荷的增加而增加，其他成本費(fèi)用是固定的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)故障損失負(fù)荷小于4.6MW時(shí)，單幅射接線故障停電損失成本小于聯(lián)絡(luò)接線的建設(shè)、運(yùn)維等成本，LCC成本值較低；當(dāng)故障損失負(fù)荷大于4.6MW時(shí)，單幅射接線故障停電損失成本超過(guò)聯(lián)絡(luò)接線的建設(shè)、運(yùn)維等成本，LCC成本值較高。因此，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等負(fù)荷密度較低的地區(qū)，10kV架空網(wǎng)選取供電可靠性較差的單幅射接線總體經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)；在城市市中心區(qū)等負(fù)荷密度較高的地區(qū)，10kV架空網(wǎng)應(yīng)選擇供電可靠性較高的聯(lián)絡(luò)接線，以滿足較高的供電可靠性需求，同時(shí)獲取最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié) 論

本文將全壽命周期成本理念應(yīng)用到配電網(wǎng)規(guī)劃方案比選中，分別對(duì)10kV電纜網(wǎng)和架空網(wǎng)的常用的幾種接線模型進(jìn)行全壽命周期成本計(jì)算，分析不同接線方案在損失負(fù)荷不同時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，為不同負(fù)荷密度區(qū)域的10kV電網(wǎng)接線方案的選取提供理論依據(jù)，指導(dǎo)配電網(wǎng)規(guī)劃差異化制定中壓目標(biāo)網(wǎng)架。經(jīng)電網(wǎng)實(shí)際算例驗(yàn)證，在高負(fù)荷密度地區(qū)，10kV電纜網(wǎng)優(yōu)先選擇環(huán)網(wǎng)接線、架空網(wǎng)優(yōu)先選擇聯(lián)絡(luò)接線方案的總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)；而在低負(fù)荷密度地區(qū)，10kV電纜網(wǎng)選擇單射接線、架空網(wǎng)選擇輻射接線方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。

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