基于全壽命周期的輸電線路設計

劉 亮 胡 松 唐 波 朱 磊

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

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

在18世紀初，瑞典的鐵路系統(tǒng)就開始應用LCC技術［2］，隨后，LCC理念被大量應用于交通運輸系統(tǒng)、航天、國防建設、能源工程等方面，且主要集中在美國、歐洲［3］.應用的范圍有發(fā)電機、大型變壓器、勵磁機及核電站等［4-5］.LCC技術自19世紀初期引入我國，由海軍起頭，空軍、二炮都積極推廣運用［6］，LCC技術也漸漸地被應用到了中國的電力系統(tǒng)當中，上海市電力系統(tǒng)開展了泰和站GIS裝備LCC模型與計算［7］.在輸電線路設計方面，文獻［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金具的設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［10］研究了LCC在直流輸電線路絕緣設計過程中的應用方法，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線選型的過程中應用了LCC技術，對5種不同的導線型號進行優(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技術在輸電線路設計中的應用已取得一定進展，但已有的研究中，大多是根據經驗進行分析，而缺少相關的計算理論和實踐指導.本文在采用LCC技術分析輸電線路設計方案選擇過程中，統(tǒng)籌兼顧工程全壽命周期內功能與費用的平衡，結合輸電線路設計建設的實際，從輸電線路LCC 7個屬性的要求出發(fā)，進行多方案比較，選出技術可靠、經濟合理、環(huán)保節(jié)約的最佳方案.

1 傳統(tǒng)輸電線路設計

傳統(tǒng)輸電線路根據規(guī)范進行設計，著重對線路路徑方案進行綜合技術經濟比較，取得有關協(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，認真選擇導線型號、桿塔型式及其基礎；合理進行通信保護設計；對于特殊大跨越設計等，要進行專題調查研究，提出專題報告.可以看出，傳統(tǒng)的輸電線路設計在電氣和機械性能方面考慮比較充分，而對經濟性方面沒有提出較高的要求.而在輸電線路設計中引入全壽命周期管理技術，則能有效優(yōu)化輸電線路設計、運行、維護及再回收利用等綜合成本，從而補充傳統(tǒng)輸電線路設計的不足之處.

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）與建設項目相結合而產生的.其基本思想是，在滿足可靠性要求的基礎上，使項目的初期想法到項目拆除的整個全壽命周期內擁有成本（Owning Cost）為最低的全過程管理.如圖1～2所示，建設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成本的外延擴大，要求人們從工程項目全壽命周期（包括建設前期、建設期、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成本、失效維修成本和回收殘值等.LCC技術一般認為包括LCC估算、LCC分析、LCC評價、LCC管理等內容.LCC計算是所有工作的基礎.從輸電線路工程建設的特點看，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 項目全壽命期內的現(xiàn)金流示意圖

其中，輸電線路LCC的檢測、日常維護、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；C＊（i）為第i次的成本；ti為項目建成后的年數.

失效成本CF（TL）的分析中，需要考慮結構的失效概率，即

式中，Cfi為第i類失效造成的所有直接及間接損失，Pfi為相應的失效概率.

項目殘值CD（TL）還應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、真實、可靠的數據支持，為此必須掌握有關輸電線路成本的歷史數據.目前，輸電線路LCC技術還未完善，相關的經驗和數據還不足.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，來篩選出合理經濟的優(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

全壽命周期建設管理目標是實現(xiàn)輸變電工程全壽命周期內功能匹配、壽命協(xié)調和費用平衡.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、可維護性、可擴展性、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正常運行的作用和影響；避免人身事故、電網事故、設備事故，注重功能匹配，提高整體安全可靠性；可維護性是指輸電線路走廊的選擇應方便導線及附件運行維護；可擴展性方面，將電網規(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、保護環(huán)境，與環(huán)境協(xié)調，節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材；不占或少占耕地和經濟效益高的土地；可實施性是指在工程建設全過程應用標準化建設成果，合理選擇設備（材料）型式和技術參數，方便采購，合理應用新技術、新工藝、新材料、新設備；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)調統(tǒng)一，最后篩選出經濟合理的優(yōu)化方案.

輸電線路全壽命周期設計過程較為復雜，在生命周期每一個階段中都有很多因素對全壽命周期設計產生影響，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，對于全壽命周期設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技術計算分析導線基本型式優(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，通過對國內外常用線路導線的分析，考慮采用工程中較為常見的300mm2導線.在導線選型時，選擇了LGJ-300／25、LGJ-300／40兩種鋼芯鋁絞線和LHBJ-300鋁合金導線等3種導線進行比較.

各導線組合的弧垂特性和荷載比較見表1.

表1 各種導線弧垂特性和荷載對比

對于導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，采用類比法.

在DL／T5092-1999《110～500kV架空送電線路設計技術規(guī)程》和IEC1597-1995《Overhead electrical conductors calcuation methods for stranded bare conductors》中，提出了導線載流量計算的公式，當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用.按照相關文件給定50MV·A的輸送容量和電網最大負荷利用小時數按5000h，3種導線方案的電阻損耗見表2.

表2 各導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年設計使用壽命，資金折現(xiàn)率取資產預期收益率為7.86%，導線的全壽命周期成本分析見表3.

表3 各導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.其中，全壽命周期成本最高的導線型號是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，根據上述分析，對各項屬性給予權重和評價，結果見表4.

表4 各導線方案的全壽命周期評價

從表4可以看出，LGJ-300／40導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，經綜合比選以后，推薦采用LGJ-300／40鋼芯鋁絞線方案.

4 結 語

1）對3種導線方案全壽命周期成本進行計算，成本最大的是LGJ-300／40型號導線，為562.13萬元；最低的是LHBJ-300型號導線，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重和評價，評價結果最優(yōu)的導線型號是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)的導線.

3）以上輸電線路LCC計算分析中僅展示了對導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行LCC優(yōu)化選擇，并取得了較為實用的結果.

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