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+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估方案的經(jīng)濟效益，使配電網(wǎng)的投資決策方案更為科學(xué)合理。本文通過對10kV電纜網(wǎng)和架空網(wǎng)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(qū)的技術(shù)經(jīng)濟效益，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，簡稱為LCC）是從設(shè)備/項目的長期經(jīng)濟效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備/項目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)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(fā)生的成本[1]。全壽命周期成本評估方法為資產(chǎn)生命周期的各個決策環(huán)節(jié)提供了一種實用的決策方法。在電網(wǎng)規(guī)劃中全壽命周期成本的應(yīng)用主要是進行規(guī)劃方案的經(jīng)濟比選，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)濟的決策方案。

長期以來，我國電網(wǎng)建設(shè)的重點放在輸電網(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)，對電網(wǎng)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(zhì)量及供電可靠性要求越來越高，設(shè)備在壽命期內(nèi)的運行維護和停電損失成本可能會高于初始投資成本，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價方法對規(guī)劃方案進行優(yōu)選，從而在保證供電可靠性的前提下實現(xiàn)規(guī)劃方案經(jīng)濟效益的最大化，節(jié)省配電網(wǎng)建設(shè)投資。

1 全壽命周期成本評價方法

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)計到退役的整個期間所發(fā)生的費用總和。根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃的特點，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)層兩個層面[6]，設(shè)備層主要考慮設(shè)備從設(shè)計到退役整個期間的費用總和，包括設(shè)備初始投資（CI）、運行維護成本（CO）和設(shè)備報廢成本（CD）；系統(tǒng)層從整體角度分析，考慮規(guī)劃方案對整個電力系統(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)備的購置、安裝、調(diào)試的支出成本及一次征地成本等。

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

（3）報廢成本（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)和用戶帶來的經(jīng)濟損失，包括社會停電損失成本和電網(wǎng)企業(yè)停電損失成本。其中社會停電損失成本參考國外的常規(guī)做法，采用“每千瓦時電能的平均產(chǎn)值（產(chǎn)電比）”來估算；電網(wǎng)企業(yè)停電損失成本則根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)缺供電量和購售電差價來估算。

（5）損耗成本（CL）：主要是設(shè)備運行過程中電能損耗所發(fā)生的成本費用。

1.2 全壽命周期成本計算方法

在成本經(jīng)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(fā)生年份不同，評價時的價值體現(xiàn)也會有所差異。在經(jīng)濟分析中一般以折現(xiàn)率來進行費用的轉(zhuǎn)換，其中現(xiàn)值與等年值的計算公式[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表示計算期。

結(jié)合當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃的實際，借鑒傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟比較方法，在進行規(guī)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(xiàn)值。在計算全壽命周期成本時，不必覆蓋壽命周期內(nèi)的所有細節(jié)成本。根據(jù)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(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行比較分析，綜合可靠性、經(jīng)濟性效益的平衡，研究在不同負荷密度區(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)時也不失一般性[8]。

根據(jù)目前我國配電網(wǎng)實際運行情況，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

單射接線比較簡單，建設(shè)投資少，但故障負荷無法轉(zhuǎn)供，停電時間長、影響范圍大，供電可靠性較差。單環(huán)網(wǎng)通過末端環(huán)網(wǎng)單元連接兩回單射線路，實行環(huán)網(wǎng)接線、開環(huán)運行，故障時可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)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(lián)絡(luò)開關(guān)位置容易實現(xiàn)線路負荷的平衡，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)上是兩個獨立的單環(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

輻射式接線簡單清晰、運行方便、建設(shè)投資低，線路可滿載運行、設(shè)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(lián)絡(luò)接線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)，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(lián)絡(luò)線路轉(zhuǎn)移負荷，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，且為滿足故障時負荷轉(zhuǎn)移，線路正常運行時負載率受限，單聯(lián)絡(luò)接線線路最大負載率50%，兩聯(lián)絡(luò)接線線路最大負載率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)等負荷密度高、供電可靠性要求高的地區(qū)，計算電纜線路接線方案的故障停電損失成本時，產(chǎn)電比選取高負荷密度地區(qū)的產(chǎn)電比值，并按配置配電自動化考慮。根據(jù)電纜線路在福州地區(qū)實際運行經(jīng)驗，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，則通過配電自動化在5分鐘內(nèi)可將故障線路段負荷轉(zhuǎn)移至對側(cè)線路；若采用單射接線，則故障線路段負荷無法轉(zhuǎn)供，損失負荷只能在線路修復(fù)后才能恢復(fù)供電。

計算兩種接線方案的LCC成本時，正常運行方式下單環(huán)網(wǎng)接線開環(huán)運行，供電同一區(qū)域的單環(huán)網(wǎng)和單射接線損耗幾乎一致，因此不計損耗成本。其他成本費用中單環(huán)網(wǎng)接線初始建設(shè)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?？煽啃猿杀痉矫嬗捎陔娎|線路故障修復(fù)時間長，停電損失成本大，而單環(huán)網(wǎng)接線借助配電自動化可以快速恢復(fù)非故障段負荷，大大減少停電損失效益。根據(jù)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(dāng)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(huán)網(wǎng)接線由于建設(shè)、運維成本較大，導(dǎo)致LCC成本高于單射接線；當(dāng)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(huán)網(wǎng)接線的建設(shè)、運維等成本值，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，一般高負荷密度區(qū)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(huán)網(wǎng)供電負荷較小時，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)濟效益更優(yōu)；在負荷密度較高、環(huán)網(wǎng)供電負荷較大時，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(huán)網(wǎng)接線來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)等高負荷密度地區(qū)，架空線路故障率較低，根據(jù)福州地區(qū)實際運行經(jīng)驗，按1次/年考慮線路首端發(fā)生故障，采用聯(lián)絡(luò)接線可通過配電自動化在5分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)移故障線路負荷至對側(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)接線通過現(xiàn)場手動倒閘操作轉(zhuǎn)移故障線路負荷至對側(cè)線路，約1.5小時；同樣采用輻射接線只能在故障線路修復(fù)后恢復(fù)供電。

計算兩種接線方案的LCC成本時，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荷的增加而增加，其他成本費用是固定的。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)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(lián)絡(luò)接線的建設(shè)、運維等成本，LCC成本值較低；當(dāng)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(lián)絡(luò)接線的建設(shè)、運維等成本，LCC成本值較高。因此，綜合技術(shù)、經(jīng)濟因素，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等負荷密度較低的地區(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)濟效益更優(yōu)；在城市市中心區(qū)等負荷密度較高的地區(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，同時獲取最優(yōu)的經(jīng)濟效益。

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10kV電纜網(wǎng)和架空網(wǎng)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(shù)經(jīng)濟效益，為不同負荷密度區(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)實際算例驗證，在高負荷密度地區(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)濟效益更優(yōu)；而在低負荷密度地區(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)濟效益更優(yōu)。

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