區(qū)域高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的全壽命周期成本分析方法研究

成樂 郭希梅

摘要：高壓配電網(wǎng)是連接輸電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，其規(guī)劃結(jié)果直接影響整個(gè)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。目前高壓配電網(wǎng)規(guī)劃普遍以滿足區(qū)域供電能力為目的，只考慮初始投資，沒有從運(yùn)維費(fèi)用、故障損失等方面全面評(píng)估規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)該問題首次提出了基于全壽命周期成本分析的區(qū)域高壓配電網(wǎng)規(guī)劃方法，全面考慮區(qū)域配電網(wǎng)建設(shè)時(shí)序不同引起的初始投資差異、運(yùn)維費(fèi)用、線損及資金的時(shí)間效益等，尋求給定供電可靠性下的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方法。使用該方法對(duì)某區(qū)域高壓配電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行方案比選，結(jié)果表明該方法給夠綜合反映規(guī)劃方案的全壽命周成本，對(duì)規(guī)劃方案制訂具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)規(guī)劃;全壽命周期成本（LCC）;初始投資;運(yùn)行費(fèi)用

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0183-03

全壽命周期成本（Life-Cycle Cost，簡(jiǎn)稱LCC）指的是從設(shè)備、系統(tǒng)或項(xiàng)目的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮其在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購(gòu)置、安裝、運(yùn)行、維修、更新，直至報(bào)廢的整個(gè)壽命周期全過程中，一共需要支付的總費(fèi)用。傳統(tǒng)的管理方法沒有從設(shè)備或系統(tǒng)的整個(gè)周期考慮，得出的成本可能是階段性最優(yōu)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看并不一定是最優(yōu)的。應(yīng)用基于LCC的管理方法可以使設(shè)備或系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本更合理，效益更高。相比于傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，LCC分析綜合考慮了傳統(tǒng)方法不能考慮的可靠性問題、設(shè)備成本回收的問題等，為電力企業(yè)的發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持。[1-3]2013年新頒布的《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》也要求“需確定供電可靠性和全壽命周期內(nèi)投資費(fèi)用的最佳組合”，因此在電網(wǎng)規(guī)劃中使用全壽命周期成本管理理念具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

一、LCC配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前配電網(wǎng)規(guī)劃中對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析主要是通過計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)（如容載比、N-1通過率、供電可靠性、綜合電壓合格率等）進(jìn)行技術(shù)分析;通過單位投資增供負(fù)荷和增供電量研判電網(wǎng)投資效率，并對(duì)電網(wǎng)投資進(jìn)行財(cái)務(wù)分析。配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)H注重工程的建設(shè)過程，重點(diǎn)控制項(xiàng)目建設(shè)階段的造價(jià)，而弱化了項(xiàng)目未來的運(yùn)行成本、可靠性及報(bào)廢成本等。但LCC的總和可能往往數(shù)倍于初期投資成本，所以在配電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)用基于LCC的管理方法可以使整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本花費(fèi)更合理，因此獲得的經(jīng)濟(jì)效益更高。[4-7]

文獻(xiàn)將應(yīng)用LCC理念，結(jié)合當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性、可靠性指標(biāo)分析，建立全面的LCC分析模型，重點(diǎn)考慮規(guī)劃方案的一次投資成本、缺電成本，從設(shè)備層和系統(tǒng)層兩個(gè)層面全面分析LCC成本分析在配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用方法。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)層故障損失等因素難以準(zhǔn)確衡量，因此本文針對(duì)高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的特點(diǎn)，給出較為實(shí)用的配電網(wǎng)規(guī)劃全壽命周期成本分析方法。

二、基于全壽命周期成本分析的高壓配電網(wǎng)規(guī)劃

1.LCC在配電規(guī)劃中的數(shù)學(xué)模型

全壽命周期成本在配電工程中的數(shù)學(xué)模型可用式（1）表示：

（1）

其中，CI指初始投資;CO指運(yùn)行成本;CF指故障損失成本;CD指設(shè)備退役處置成本。

初始投資（CI）主要包括設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)和其他費(fèi)用，包括110（35）千伏變電站和線路投資及對(duì)應(yīng)10千伏配出投資。

運(yùn)行成本（CO）年運(yùn)行費(fèi)用包括線路損耗費(fèi)用、線路檢修維護(hù)費(fèi)用。線損功率包括110千伏與35千伏變壓器損耗與線路損耗。線損費(fèi)用計(jì)算公式為：

（2）

式中：為線損功率，τ為最大損耗小時(shí)數(shù)，J為成本電價(jià)，元/kWh。

按線路損耗公式為：

（3）

式中：PL為線路負(fù)荷;U為額定電壓;ρ為電阻率;l為線路長(zhǎng)度;S為線路截面積，cosφ為功率因數(shù)。

故障損失成本（CF）主要是由于電網(wǎng)電力供給不足或中斷造成用戶缺電帶來的經(jīng)濟(jì)損失。退役處置成本（CD）包括退役處置費(fèi)和設(shè)備回收殘值費(fèi)。

2.高壓配電網(wǎng)規(guī)劃LCC成本分析基本思路

進(jìn)行LCC成本分析時(shí)可根據(jù)有無對(duì)比原則，相同或是非常相近的成本予以忽略，占LCC計(jì)算較小且難以精確量化的成本因素也予以忽略。以此為原則，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況對(duì)高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的全壽命周期成本過程進(jìn)行適度簡(jiǎn)化，為L(zhǎng)CC的實(shí)用型推廣提供借鑒。

在對(duì)涵蓋110千伏/35千伏的區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行全壽命周期成本分析時(shí)，除了考慮設(shè)備層的全壽命周期成本外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)層成本。系統(tǒng)層LCC模型主要考慮設(shè)備間的相互影響，從輸送電量、多重故障的角度考慮其成本的構(gòu)成，其關(guān)注的不是單個(gè)設(shè)備的行為，而是設(shè)備總體對(duì)全網(wǎng)的影響，主要由以下成本構(gòu)成：

（1）投資成本。系統(tǒng)層的投資成本主要指開展規(guī)劃的研究費(fèi)用和設(shè)計(jì)費(fèi)用。

（2）運(yùn)行成本及維護(hù)成本。系統(tǒng)層運(yùn)行成本主要指全網(wǎng)逐年運(yùn)行產(chǎn)生的線路損耗成本。系統(tǒng)層的維護(hù)成本為應(yīng)對(duì)較為主要的多重故障場(chǎng)景的校正維護(hù)成本及預(yù)防維護(hù)成本。對(duì)高壓配電網(wǎng)來說，這兩項(xiàng)成本可在設(shè)備層中考慮。

（3）故障成本。主要指停電損失費(fèi)用，包括直接損失和間接損失。直接損失包括設(shè)備引起的設(shè)備損壞、事故后的修復(fù)和重新投運(yùn)及維修工人的工資、電量損失，還包括用戶的賠償費(fèi)用等。間接損失指的是事故發(fā)生呆在的用戶和社會(huì)停電損失，如大面積停電事故給社會(huì)再次的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響等。

《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)各類供電區(qū)域的N-1通過率等運(yùn)行指標(biāo)作出了規(guī)定，可比的各項(xiàng)規(guī)劃方案必須首先滿足導(dǎo)則的技術(shù)要求，可以認(rèn)為各方案中設(shè)備故障造成的停電損失等。因此，可不考慮退役處置費(fèi)用，并將運(yùn)行費(fèi)用簡(jiǎn)化為線損費(fèi)用和線路維護(hù)檢修費(fèi)用。所以采用LCC成本分析法進(jìn)行高壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案比選時(shí)主要從初始投資和運(yùn)行費(fèi)用兩方面進(jìn)行。

（1）可比選方案的前提條件。對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃而言，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析需確定供電可靠性和全壽命周期內(nèi)投資費(fèi)用的最佳組合，一般有兩種評(píng)估方法：給定投資額定下選擇供電可靠性最高的方案;給定供電可靠性條件下選擇投資最小的方案。為了簡(jiǎn)化方案比選步驟，一般選用給定供電可靠性條件下選擇投資最小的方式進(jìn)行LCC分析，即對(duì)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)?shù)姆桨高M(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

因此，對(duì)不同高壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行比選時(shí)，需要對(duì)110（35）千伏電壓等級(jí)需要通過電力平衡等確保方案能夠滿足該區(qū)域用電需求，必要時(shí)還需進(jìn)行潮流、短路計(jì)算及供電安全水平分析;高壓變電站的10千伏配出線路應(yīng)考慮中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化，并進(jìn)行供電可靠性計(jì)算或估算。

（2）考慮建設(shè)時(shí)序的初始投資計(jì)算。資金的價(jià)值與時(shí)間有密切關(guān)系。電力設(shè)備的壽命及規(guī)劃周期一般比較長(zhǎng)，且不同配電網(wǎng)規(guī)劃方案中規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序也不盡相同。為了對(duì)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行正確評(píng)價(jià)，不能僅僅將各項(xiàng)成本直接相加，應(yīng)慮計(jì)算期內(nèi)規(guī)劃項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)序把不同時(shí)刻的金額折算為某一基準(zhǔn)時(shí)刻的金額，采用費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行分析比較，折現(xiàn)率一般取8%～10%（也可采用財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)）。采用費(fèi)用現(xiàn)值法的另一個(gè)理由是區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案中各個(gè)電網(wǎng)項(xiàng)目逐年建設(shè)，難以用單個(gè)設(shè)備的壽命周期來衡量，因此方案比選可與遠(yuǎn)景規(guī)劃相結(jié)合，評(píng)估遠(yuǎn)景規(guī)劃期內(nèi)所有項(xiàng)目費(fèi)用成本（一般取20年或25年）。

（3）運(yùn)行費(fèi)用CO。運(yùn)行費(fèi)用主要包括損耗（線路及主變）及運(yùn)維檢修費(fèi)用。規(guī)劃方案不同，對(duì)應(yīng)的年運(yùn)行費(fèi)用可能存在較大差異。

根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算得到的線路、主變年損耗電量及上網(wǎng)電價(jià)，即可得到線路及主變年損耗費(fèi)用。但區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案涉及的電網(wǎng)項(xiàng)目較多，對(duì)規(guī)劃年的電網(wǎng)運(yùn)行情況也難以精確預(yù)測(cè)，因此對(duì)主變年損耗電量可根據(jù)型式主變的空載損耗、負(fù)載損耗及主變負(fù)載率進(jìn)行估算，主變年電能損耗估算公式如式（4）所示。

（4）

式中：為空載損耗，為負(fù)載損耗，k為最大負(fù)載率，τ為最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。

線路有功損耗主要與電流、線路長(zhǎng)度及線路電阻有關(guān)?？筛鶕?jù)線路單位長(zhǎng)度電阻、額定載流量、線路最大負(fù)載率及最大負(fù)荷利用小時(shí)對(duì)年線路損耗進(jìn)行估算。

運(yùn)維檢修費(fèi)用進(jìn)行精確核算比較困難，可根據(jù)電網(wǎng)檢修運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)管理成本標(biāo)準(zhǔn)或當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)核算變電站及線路單位檢修成本進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3.敏感性分析

LCC成本分析結(jié)果與評(píng)估周期、折現(xiàn)率、設(shè)備造價(jià)、運(yùn)維費(fèi)用等參數(shù)密切相關(guān)，評(píng)估周內(nèi)這些因素的變化會(huì)影響到分析結(jié)果，同時(shí)這些因素又難以精確預(yù)測(cè)，因此應(yīng)對(duì)與LCC成本分析密切相關(guān)的因素進(jìn)行敏感性分析，對(duì)各方案評(píng)估結(jié)果進(jìn)行校核。

三、算例分析

選取某縣部分高壓配電網(wǎng)規(guī)劃為例，采用全壽命周期成本分析的方案進(jìn)行方案比選分析。該區(qū)域目前通過110/35/10千伏電壓等級(jí)供電，根據(jù)區(qū)域負(fù)荷發(fā)展情況，該區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展有面臨兩個(gè)發(fā)展方向：110千伏、35千伏、10千伏電壓等級(jí)共同發(fā)展;限制35千伏電壓等級(jí)，發(fā)展110千伏、10千伏電壓等級(jí)。對(duì)應(yīng)的方案如下：

方案一：適度發(fā)展35千伏電壓等級(jí)，滿足負(fù)荷增長(zhǎng)。根據(jù)綜合規(guī)劃水平年變電容量需求情況，結(jié)合現(xiàn)有變電站分布和供電范圍情況，擬在2013～2015年期間在該區(qū)域擴(kuò)建35千伏元村站，新建35千伏邵莊站;2016～2020年期間擴(kuò)建35千伏邵莊站，新建110千伏樂北站。

方案二：根據(jù)遠(yuǎn)景負(fù)荷發(fā)展方向，提前建設(shè)110千伏變電站并增加布點(diǎn)，限制35千伏電網(wǎng)發(fā)展。根據(jù)綜合規(guī)劃水平年變電容量需求情況，結(jié)合現(xiàn)有變電站分布和供電范圍情況，按照限制發(fā)展35千伏電壓等級(jí)的思路，不再新擴(kuò)建35千伏變電站，在2015年新建110千伏樂北站，對(duì)110千伏樂南變進(jìn)行增容改造，2018年新建110千伏元村變。

根據(jù)電力平衡結(jié)果，兩個(gè)方案均能滿足近期及遠(yuǎn)期負(fù)荷需求和供電可靠性需求，因此主要從經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行方案比選。在進(jìn)行LCC分析時(shí)評(píng)估周期為20年，折現(xiàn)率取10%。

1.方案一LCC成本分析

（1）初始投資CI。方案一需要新建110千伏兩座，增容1座，35千伏變電站新建1座，擴(kuò)建2座，建設(shè)投資如表1所示（含對(duì)應(yīng)的10千伏配出費(fèi)用）。

表1 方案一初始投資表 （單位：萬元）

年份 2014 2015 2016 2017 2024

建設(shè)項(xiàng)目 35千伏元

村擴(kuò) 35千伏邵莊及10千伏送出 110千伏樂北變及10千伏送出 35千伏邵莊擴(kuò)及10千伏配出 110千伏元村變及10千伏配出

工程投資 520 939 2501 325 3000

現(xiàn)值 520 854 2067 244 1157

現(xiàn)值合計(jì) 4841

將各年度費(fèi)用折算至2014年后，初始投資現(xiàn)值為4841萬元。

（2）運(yùn)行費(fèi)用CO。根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)檢修運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)管理成本標(biāo)準(zhǔn)》，110千伏每座變壓器運(yùn)行成本為11.42萬元/站，35千伏每座變壓器運(yùn)行成本取7.46萬元/站，110千伏及以下配電網(wǎng)單位檢修及運(yùn)行費(fèi)用如2表所示。

表2 變電站及線路單位檢修成本（單位：萬元/兆伏安，萬元/公里）

110千伏變電站 0.3195 110千伏架空線路 0.5227

35千伏變電站 0.7169 35千伏架空線路 0.4041

110千伏電纜 0.2685 35千伏電纜 0.1548

根據(jù)GB-T6451-2008《油式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》，110千伏主變空載損耗為40千瓦，負(fù)載損耗156千瓦;35千伏主變空載損耗為7千瓦，負(fù)載損耗為39千瓦。按該區(qū)域2012年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)及平均上網(wǎng)電價(jià)，按主變最大負(fù)載率60%進(jìn)行測(cè)算，可得各年度主變損耗費(fèi)用。取110千伏線路單位長(zhǎng)度電阻為0.001Ω/公里，額定載流量445A，35千伏線路0.0124Ω/公里，額定載流量373A，線路最大負(fù)載率按50%進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)及平均上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行測(cè)算到線路損耗。運(yùn)行費(fèi)用根據(jù)2014～2034年某縣西北區(qū)域110千伏及35千伏變電站及線路情況，得到方案一2014～2034年年運(yùn)行費(fèi)用如表3所示。

表3 方案一年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用表 （單位：萬元）

年份 2014 2015 2016 2017-2023 2024-2034

年運(yùn)行費(fèi)用 243 263 303 312 352

現(xiàn)值 2958

2.方案二LCC成本分析

（1）初始投資CI。方案二需新建110千伏變電站2座，擴(kuò)建1座，不再新擴(kuò)建35千伏變電站。建設(shè)投資如表4所示（含對(duì)應(yīng)的10千伏配出費(fèi)用），將各年度費(fèi)用折算至2014年后，初始投資現(xiàn)值為5194萬元。

表4 方案一初始投資表（單位：萬元）

年份 2014 2015 2018

建設(shè)項(xiàng)目 110千伏圣源變10千伏配出 110千伏樂北新建，及10千伏配出，樂南變?cè)鋈莞脑?新建110千伏元村變及10千伏配出

工程投資 424 3014 3000

折算為現(xiàn)值 424 2731 2049

現(xiàn)值合計(jì) 5174

方案二年運(yùn)行費(fèi)用如表6所示，運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算方法同方案一。

表5 方案二年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用表 （單位：萬元）

年份 2014 2015-2017 2018-2034

運(yùn)行費(fèi)用 225 242 254

現(xiàn)值 2360

經(jīng)過計(jì)算，雖然方案一初始投資低于方案二，但從全壽命周期成本來看，方案一全壽命周期成本為7781萬元，方案二全壽命周期成本為7553萬元，方案二較方案一節(jié)省投資228萬元。因此選擇方案一作為推薦方案。

表6 各方案全壽命周期成本對(duì)比 （單位：萬元）

方案一 方案二

初始投資CI 4841 5194

運(yùn)行費(fèi)用CO 2940 2360

合計(jì) 7781 7553

3.敏感性分析

取評(píng)估周期為25年、30年時(shí)，對(duì)方案一及方案二進(jìn)行LCC周期成本分析，方案二較方案一分別節(jié)省投資240萬元、228萬元;取貼現(xiàn)率8%、12%，方案二較方案一分別節(jié)省投資469萬、41萬;上網(wǎng)電價(jià)下調(diào)、上調(diào)10%時(shí)，方案二較方案一分別節(jié)省投資11萬元、43萬元。可見，貼現(xiàn)率、LCC周期及上網(wǎng)電價(jià)改變時(shí)，方案二投資均低于較方案一;規(guī)劃方案的LCC周期成本對(duì)貼現(xiàn)率靈敏度最高，上網(wǎng)電價(jià)次之，評(píng)估周期最低。因此，選取方案二作為推薦方案。

四、結(jié)論

研究了LCC成本分析方法在配電網(wǎng)規(guī)劃領(lǐng)域的現(xiàn)狀及存在的問題;全面考慮區(qū)域配電網(wǎng)建設(shè)時(shí)序不同引起的初始投資差異、運(yùn)維、線損及資金的時(shí)間效益等，提出了采用LCC成本分析進(jìn)行區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案比選的基本思路;以某區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃為例，采用LCC成本分析方案對(duì)不同方案進(jìn)行比選，并針對(duì)高壓配電網(wǎng)的特點(diǎn)及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，給出了較為簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算方法。

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（責(zé)任編輯：袁予熙）