基于全寿命周期经济技术比较的农村电网台区配置研究

【摘要】农村配电网台区升级改造是目前电网企业的主要工程之一，如何经济合理的进行台区配变及低压配置非常关键。本文提出了应用全寿命周期技术经济比较理论进行台区升级方案比选的方法，比较农村配变配置时的几个重要的内容，为农村配电网的规划及设计提供参考。

【关键词】农网;台区;全寿命周期;配变;低压线路;经济

1.引言

配电网台区是电力系统的末端，是将电能转化为各种能量的最后环节。农村和城市地区发展差异大，配电网投资建设主体也不相同。城网配电台区建设依靠用户投资较多，台区的建设执行了较高的标准，农村建设欠账较多，配电台区的建设标准执行不到位，改造不彻底。近年来农村负荷增长迅速，低电压，重过载等现象尤为突出，农村配电网在建设水平和投入上相对滞后，未来的发展和改造具有较大空间。随着国家提出建设“坚强电网”的理念，电网需要向用户提供高质量和可靠性的供电。如何做到经济合理的解决当前问题，又要满足未来发展需要，是农村电网台区规划的重要课题。

2.全寿命周期的思想

全寿命周期方法指在配网规划阶段就考虑到设备在整个寿命周期内所有环节，包括规划设计、投入运营、运行维护和报废回收全过程的经济成本。工程在规划设计阶段的费用相对整个项目投资来说，占比一般不足20%，却决定了75%以上的全寿命周期经济成本（LCC）[全寿命周期管理在输电线路设计中的应用]。传统的经济性评价只针对工程的初始投资进行分析计算，对配网建设完成后的运营和维护成本考虑粗糙（比如按工程造价的百分比估算）。实际上因为配电网设备故障而引起的维护成本可能比较高，设备可靠性因素对全周期成本影响较大;而配电网设备运行年限一般比较长（约20年左右），其日常运行需要的总费用也较为庞大。配电网总运行和维护成本可能要高于其初始投资需要的成本。因此单从设备一次性投资来进行经济性分析，并不一定能得到最优方案[配电系统规划全寿命周期管理理论和方法研究]。

3.全寿命周期经济比较方法和计算模型

全寿命周期经济比较方法的原理如图3.1所示。工程人员在项目规划阶段筛选出可行的方案作为备选方案，通过模型计算其在初始投资、后续投资、运营维护和报废回收的全寿命周期成本，最终确定成本最优的方案作为最终方案。

图3.1 全寿命周期经济比较法

全寿命周期模型采用现值折算法实现。现值，又称折现值，是指将未来的投资和支出折算到现金流投入的基准年的值，即将来的投资和支出以目前的现金来计算时的价值。通常使用折现率i将资产存续期内未来现金流折算为当前的金额。其计算公式为：

（式2.1）

其中：P—现值;A—年金;I—年折现率，一般不低于同期银行贷款利率。

全寿命周期成本LCC包括设备初始投资、运行维护成本和报废回收收入三个部分。按照现值折算法其计算公式为：

（式2.2）

其中： CI（n）表示第n年投资成本;CO（n）表示第n年运行维护成本;CD（n）表示第n报废回收成本;

如果只需要考虑配变的经济性，可以使用更细化的变压器综合能效费用法来进行全周期经济成本分析。其计算公式为：

（式2.3）

其中：。

式中：TOC—变压器的总拥有费用，元;CI—变压器设备的初始费用，元;P0—变压器的额定空载损耗，W;Pk—变压器的额定负载损耗，W;E—该变压器用户的平均小时电价，元/kWh;n—变压器的经济使用年限，一般取20年;Kpv—折现率为i的连续n年费用现值系数;i—年折现率，不低于同年期银行贷款利率值;Hpy—变压器的年带电小时数;τ—年最大负载损耗小时数;β—变压器的初始负载系数。

4.农网台区户均容量和配变布点分析

相比于城网台区，农村电网台区用电波动范围较小、用电均衡程度偏低、最大负荷利用小时数较小、变压器配置系数较小、设备负荷同时率较高等特点，因此需要针对其进行优化配置。

（1）配变容量分析

以一个200户的中型农村为例。以村落内全部为中等条件家庭测算，其电器设备负荷为3.2*200=640kW，若考虑春节期间同时启动系数为0.60，最大负荷为640*0.60=384kW;以村落内全部为富裕条件家庭计算，其电气设备负荷约为1060kW，若考虑春节期间同时启动系数为0.50，最大负荷约为500kW;以村落终期达到城市标准，其电气设备负荷约为1900kW，若考虑春节期间同时启动系数为0.40，最大负荷约为760kW。

随着农村居民生活水平的提高，配变容量的需求也是逐渐提高，今后配变需求的发展可以总结为一般、较高、终期三个阶段。配变配置应满足最大负荷的要求，配变配置时考虑其负荷高峰时的满载和过载1.2倍能力，台区配变发展可经历（200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+315kVA）三个阶段，户均容量发展经过1.8kW/户、2.8kW/户、3.8kW/户三个阶段。

大型农村其家用电器的使用同时系数是略下降的，因此采用中型农村的研究结果依然适用。小型农村家用电器数量变少，使用同时系数变高，户均容量也是应提高的。将中型农村的配变配置方案拓展至中型农村和大型农村仍然合理。

（2）配变布点方式分析

农网台区应满足供电半径的要求，落点位置和数量同时考虑经济、安全。按照D类区域低压供电半径不易超过500米测算，如果配变落点位于村落中心位置，低压供电半径不超过7万平方米，如配变落点位于村落边缘位置，低压供电半径不超过3.5万平方米。由此，对与大型村落，应至少有2台配变，对于中型村落如配变不能放置在中心位置的，也应至少有2台配变。

对于一个100户的村落，按户均3kW等效成一个10X10的理想的方格模型。单台配变选择落在中央的位置，距离最近的村户等效电阻设为R，依次向周边发散为2R，3R，4R，5R，每户的电流均等效为1。如配置单一配变，落点在村落中央的位置，则台区线损为380R，如配置2台配变，落点分别在村落两端的位置，则台区线损为320R，如表3.1所示。

显然，两点布置比单点布置线损更低，按照理想模型，两点布置比单点布置减少线损约16%。利用上述理想模型对台区建设的两种方案造价进行比较。

（3）方案的全寿命周期成本比较

1）设备投资成本CI

设备投资成本包括配变、中低压线路的购置和建设成本。两种方案初始投资CI如表4.1所示。

表4.1 单配变和双配变方案初始投资CI比较

单台1*400（S11） 两台2*200（S11） 备注

配变 40300 2*22800

配变安装费 10000 12000

低压线路 150 1km*84000 单台配变按照干线150，支线120配置。两台配变按照干线120，支线70配置。接户线不比较。

120 1km*65000 1km*65000

70 1km*43000

总造价 199300 168300 差值31000元

2）运行损耗成本

单配变运行损耗：

CO（变压器）=（8760*0.570+1300*0.42*4.300+8320）*0.54=7672元;

CO（线损）=20800kW;

双配变运行损耗：

CO（双配变压器）=（8760*0.680+1300*0.42*5.460+6988）*0.54=7603元;

CO（线损）=17472kW;

单台配变和两台配变布置全寿命周期成本计算参数如表4.2。

3）报废成本

报废成本按设备残值率5%计。单台配变报废成本CD（单台）=-9465元;双配变报废成本CD

（单台）=-9930元。

4）全寿命周期成本

按式2.2计算单双配变方案现值折算后LCC结果如表4.3所示。由表可见，双配变布置比单配变布置的LCC低33909元，经济优势比较明显。

表4.2 单配变和双配变方案LCC计算参数

单台配变布置 两台配变布置 备注

配变及低压台区（元） 199300 168300 容量为400kVA，S11

配变经济寿命（年） 20 20

折现率（%） 8 8

空载损耗 570 680

负载损耗 4300 5460

初始负载系数 0.4 0.4

最大负荷利用小时数 1300 1300 按安徽农村区域考虑

低压线损 20800 17472 单台按台区统计数据低压线损5%计算400*80%*1300*5%

平均售电价（元/kWh） 0.54 0.54

表4.3 单台配变和两台配变全寿命周期成本现值计算

费用（元） 单台配变 两台配变

一次投资成本CI 199300 168300

运行成本CO 7672 7603

故障停电损失成本CF —— ——

报废成本CD -9465 -9930

LCC 263013 229104

从上述的分析可知，单配变和双配变的台区损耗基本相当，所以台区是采用单配变还是双配变主要取决于台区建设投资成本。因此，农村台区在满足低压供电半径和电压质量要求的前提下，在升级改造工程中，对于大容量换小容量或者新增变压器两种方式，只需比较总投资造价即可。投资比较的项目包括：配变购置费、低压台区干线改造费和中压线路建设费。

农村配变台区的10kV中压线路深入农村造价高、安全性差、同时配变落点困难，不易协调。因此，配变位置优先考虑位于沿村落主要道路、周边房屋较少，10kV中压线路易于敷射至的地点，不要求台区深入农村中心。

5.零星村落单相和三相变压器的选择

小容量的单相变压器（50、80、100）具有体积小、重量轻、损耗少的有点，是零星村落照明及单相用电的理想产品。下面通过对一个30户左右的典型零星村落进行单相台区和三相变台区的经济技术比较来分析其LCC的大小。按照上一节论述的标准，30户的村落需配置100kVA的配变。

（1）变压器的综合能效成本比较

我们先利用式综合能效成本法分析变压器的TOC。单相D11和S11型三相配变台区综合能效成本计算参数如表5.1所示。

表5.1 综合能效成本计算参数

单相变D11 S11型配变 备注

配变单价（元） 10500 22347 容量100kVA

配变寿命（年） 20 20

折现率（%） 8 8

空载损耗（W） 240 250

负载损耗（W） 1140 1500

年最大负荷利用小时数（小时） 1300 1300

初始负载系数 40% 40%

10kV及以下平均售电价（元/kWh） 0.54 0.54

得出结果为：TOC单相=22903元;TOC三相=35612元。显然，单从配变的角度来讲，单相变比三相变经济性更优。

（2）台区线损及低压线路造价比较

1）三相和单相的低压线损模型如图5-1：

图5-1 单相和三相低压线损模型

单相变线损为：PΔ=（I23R+I22R+I2R）*2

三相变线损为：PΔ=（I23R+I22R+I2R）+I2R+ I2R

在低压线路截面选择一致的条件下，三相变线损比单相变线损小。考虑三相台区和单相台区线路导线截面的经济选型，两种方式低压线损相当。

2）台区低压线路造价测算如表5.2：

表5.2 低压线路造价

导线

截面 单价 单相

（长度） 三相

（长度） 备注

主干线 150 11.09 2*400 供电半径按500米测算，主干线按400米测算，支线按400米测算

支线 70 7.5 2*400 4*400

支线 50 5.11 2*400 一般三相台区其支线部分考虑两线

接户线 25 4.20 30*10 30*10 户数按30户计算

单相总造价 16132元

三相总造价 17348元

附：此处未比较杆塔造价和施工造价，一般三相和单相台区，杆塔选型基本一致，铁附件三相台区稍高。

采用三相四线制供电的配电台区，台区内户数越少，越容易出现低压三相不平衡的情况。实践证明，一般情况下三相负荷不平衡可引起线损率升高2%-10%，三相负荷不平衡度若超过10%，则线损显著增加。三相不平衡运行会造成变压器零序电流过大，变压器磁滞损耗涡流损耗增大，容易引起事故。

综上所述，对于小型村落和零星村落，如无三相用电的必然需求，可采用单相变供电。单相配电变压器布点应遵循也三相平衡原则，按各相间轮流分布，尽可能消除中压三相系统不平衡。

6.非晶合金配变和S11配变全寿命周期成本比较

非晶合金变压器是一种新型变压器，于上世纪80年代末期在国外开始应用。与传统硅钢变压器相比，非晶合金变压器，具有损耗低、运行稳定、安全性能高等优点，但是设备造价高，前期投入较大。下面对非晶合金配变和传统S11型配变进行全寿命周期成本分析。

（1）200kVA容量非晶配变和S11配变LCC对比

选取容量为200kVA非晶合金配变和传统S11型配变进行对比，主要计算参数如表6.1。

表6.1 非晶合金配变和S11型配变全寿命周期成本计算参数（200kVA）

非晶合金配变 S11型配变 备注

配变单价（元） 33462 24700 容量为200kVA

配变经济寿命（年） 20 20

折现率（%） 8 8

空载损耗 120 340

负载损耗 2600 2730

初始负载系数 0.4 0.4

年利用小时数（小时） 1300 1300 按安徽农村区域考虑

平均售电价（元/kWh） 0.54 0.54

1）设备投资成本CI

非晶合金初始购置成本比S11配变高8762元

2）运行损耗成本

CO（非晶）=（8760*120+1300*0.42*2600）*0.54

=860元

CO（S11）=（8760*340+1300*0.42*2730）*0.54=1914元

非晶合金每年的运行损耗成本比S11节约1054元。

3）报废成本

按设备残值率5%计。非晶合金变压器退役残值比S11高438元。取使用周期20年，按照式2.2计算两种配变的LCC结果如表6.2所示。

由表6.2可知，在最大负荷利用小时数和设备平均负载率均相对偏低的情况下，非晶合金的全寿命周期成本比S11型配变现值少2508元，两者经济性差距不大。

表6.2 非晶合金配变和S11型配变全寿命周期成本现值计算（200kVA）

费用（元） 非晶合金配变 S11型配变

一次投资成本CI 33462 24700

运行成本CO 860 1914

故障停电损失成本CF —— ——

报废成本CD -1673 -1235

LCC 42222 44730

（2）400kVA容量非晶配变和S11配变LCC对比

选取容量为400kVA非晶合金配变和传统S11型配变进行全寿命周期成本分析对比，主要计算参数如表6.3

表6.3 非晶合金配变和S11型配变全寿命周期成本计算参数（400kVA）

非晶合金配变 S11型配变 备注

配变单价（元） 70200 58000 容量为400kVA

配变经济寿命（年） 12 12

折现率（%） 8 8

空载损耗差值（%） -65 0 以S11型配变为基准

年利用小时数（小时） 3500 3500 按B类区域供电居民生活负荷考虑

10kV及以下平均售电价 0.66 0.66

同上，取使用周期20年，两种配变的LCC计算结果如表6.4所示。

表6.4 非晶合金配变和S11型配变全寿命周期成本现值计算（400kVA）

费用（元） 非晶合金配变 S11型配变

一次投资成本CI 70200 58000

运行成本CO 9324 14360

故障停电损失成本CF —— ——

报废成本CD -3510 -2900

LCC 142837 177678

400kVA的非晶合金配变，在最大负荷利用小时数和设备平均负载率均相对较高的情况下，非晶合金的全寿命周期成本比S11型配变现值少34841元，其经济效益比较明显。

（3）S11和非晶合金配变损耗与成本的关系选择

由前文计算可知，对于200kVA的非晶合金配变，在农村地区其负荷利用小时数相对较低的、平均负载率较低、峰谷差较大的现实情况下，非晶合金变压器的经济优势并不明显，其仍受制于购置价格相对较高;对于315kVA及以上的配变，在台区负荷利用小时数较高的区域，选用非晶合金变压器能有效降低运行成本，其经济性较为明显。因此对于200kVA及以下的农村配变选型，推荐采用S11型配变，对于315kVA及以上的配变推荐采用非晶合金配变。

7.主要结论

1）农村台区配变配置数量主要取决于低压供电半径的要求。在满足低压供电半径的要求下，台区是采用单配变还是双配变主要取决于台区建设投资成本，升级改造时应综合比较配变购置费、低压台区干线改造费和中压线路建设费三项费用。农村配变台区的10kV中压配变位置优先考虑位于沿村落主要道路、周边房屋较少，线路易于敷射的地点，不要求深入农村中心，此时采用双配变经济性较好，可以避免造价高、安全性差和配变落点困难的弊端。

2）对于小型村落和零星村落，三相配变的综合能效成本比较高，而其在线损上的优势并不明显。如无三相用电的必然需求，可以采用单相变供电。单相配电变压器布点应遵循三相平衡原则，按各相间轮流分布，尽可能消除中压三相系统不平衡。

3）非晶合金变压器与S11变压器相比空载损耗较小，负载损耗相当。在最大负荷利用小时数和设备平均负载率均相对较高的情况下，使用非晶合金配变具有明显的经济优势。如果当前台区升级改造需求较为迫切的情况下，仍建议选择初期投资较小的S11变压器。

作者简介：王绪利（1984—），男，工程师，现供职于国网安徽省电力公司经济技术研究院，从事电网规划工作。