全寿命周期成本在中压配电网接线方案中的应用研究

李甜甜+王江波+刘军会+邓方钊+杨萌

【摘 要】 将全寿命周期成本（LCC）理念应用到中压配电网规划接线方案的比选工作中，从设备的全寿命周期角度评估方案的经济效益，使配电网的投资决策方案更为科学合理。本文通过对10kV电缆网和架空网的几种典型接线模式进行全寿命周期成本计算，分析不同接线模式在不同负荷密度地区的技术经济效益，为配电网规划差异化制定中压目标网架提供科学合理的依据。

【关键词】 全寿命周期成本 中压配电网 接线模式 可靠性成本

引 言

全寿命周期成本（Life Cycle Cost，简称为LCC）是从设备/项目的长期经济效益出发，全面考虑设备/项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新、直至报废的全过程中所发生的成本[1]。全寿命周期成本评估方法为资产生命周期的各个决策环节提供了一种实用的决策方法。在电网规划中全寿命周期成本的应用主要是进行规划方案的经济比选，如输电网络规划方案选择、导线截面选取等，以全寿命周期成本最低原则选择经济的决策方案。

长期以来，我国电网建设的重点放在输电网上，LCC在输电网规划方案比选中得到了较好的应用，如变电站选址、定容，网架规划、设备选择等[2～5]。配电网规划由于起步晚、基础弱，缺乏科学的管理及规划手段。传统的配电网规划一般从初始建设投资出发，对电网建成后的运营和维护成本几乎不考虑，然而随着用户对电能质量及供电可靠性要求越来越高，设备在寿命期内的运行维护和停电损失成本可能会高于初始投资成本，导致初始投资低的方案从全寿命周期的角度来看并一定是最优方案。在配电网规划中引入LCC理念，应用全寿命周期成本评价方法对规划方案进行优选，从而在保证供电可靠性的前提下实现规划方案经济效益的最大化，节省配电网建设投资。

1 全寿命周期成本评价方法

1.1 配电网全寿命周期成本构成

配电网的全寿命周期成本是指系统从设计到退役的整个期间所发生的费用总和。根据配电网规划的特点，LCC在配电网规划中构成可划分为设备层和系统层两个层面[6]，设备层主要考虑设备从设计到退役整个期间的费用总和，包括设备初始投资（CI）、运行维护成本（CO）和设备报废成本（CD）；系统层从整体角度分析，考虑规划方案对整个电力系统和用户产生影响而发生的成本，包括故障停电损失成本（CF）和运行损耗成本（CL）。

LCC=CI+CO+CD+CF+CL

（1）初始投资（CI）：包括主要设备的购置、安装、调试的支出成本及一次征地成本等。

（2）运行维护成本（CO）：设备的运行、维护支出等，如设备运行过程中的能耗费、日常巡检费、环保费用，以及检修维护成本等。

（3）报废成本（CD）：包括设备退役后回收残值以及设备拆除和清理费用。

（4）故障停电损失成本（CF）：主要是由于电力供给不足或中断给电网企业和用户带来的经济损失，包括社会停电损失成本和电网企业停电损失成本。其中社会停电损失成本参考国外的常规做法，采用“每千瓦时电能的平均产值（产电比）”来估算；电网企业停电损失成本则根据电网企业缺供电量和购售电差价来估算。

（5）损耗成本（CL）：主要是设备运行过程中电能损耗所发生的成本费用。

1.2 全寿命周期成本计算方法

在成本经济分析中所遇到的费用分为一次性费用和年费用两种，这两种不同费用之间必须进行折算后才能进行比较。而且对于同一费用，发生年份不同，评价时的价值体现也会有所差异。在经济分析中一般以折现率来进行费用的转换，其中现值与等年值的计算公式[7]如式（1）、（2）所示。

式中：P表示现值，I表示当前年支出，i表示折现率，n2表示当前年，n1表示起始年，AC表示等年值，n表示计算期。

结合当前配电网规划的实际，借鉴传统的技术经济比较方法，在进行规划方案比选时，对全寿命周期成本的計算比较采取等年值法，通过对各备选方案全寿命周期成本进行逐一分解计算后，得到各方案的全寿命周期成本，并折算为现值。在计算全寿命周期成本时，不必覆盖寿命周期内的所有细节成本。根据有无对比原则，不同方案之间相同或是非常相近的成本予以忽略，在全寿命周期成本中占比较小且难以精确量化的成本因素也予以忽略。

2 基于LCC的中压配电网接线方案比选原则

本文遵循配电网差异化规划的原则，分别在不同负荷密度区域选取典型中压网络接线模式，借助全寿命周期成本方法进行比较分析，综合可靠性、经济性效益的平衡，研究在不同负荷密度区域各种接线模式的适用性，为配电网规划差异化制定中压目标网架提供科学、合理的依据。

在实际配电网络，特别是城市配电网中，中压线路往往是由架空线路和电缆线路混合组成的。为便于分析比较，本文采取架空线路和电缆线路分别进行研究的方法，这样也在研究某一特定区域内的10kV配电网的网络结构时也不失一般性[8]。

根据目前我国配电网实际运行情况，中压配电网络接线模式[9-11]电缆网主要有单环网、双环网和单射接线，架空网主要有辐射式和多分段适度联络接线，各种接线模式如下所示。

1）电缆网接线模式

单射接线比较简单，建设投资少，但故障负荷无法转供，停电时间长、影响范围大，供电可靠性较差。单环网通过末端环网单元连接两回单射线路，实行环网接线、开环运行，故障时可通过联络开关转移负荷，提高供电可靠性，且新增用户接入时可就近接入，通过变化联络开关位置容易实现线路负荷的平衡，但建设投资有所增加。双环网是单环网的组合，本质上是两个独立的单环网，接线完善，提供双电源、供电可靠性更高，但投资比单环网增加一倍。

2）架空网接线模式

辐射式接线简单清晰、运行方便、建设投资低，线路可满载运行、设备利用效率高，但故障停电时间长、影响范围较大、供电可靠性较差。多分段适度联络接线通过联络开关，将来自不同变电站或相同变电站不同母线段的两条馈线连接起来，故障情况下可通过联络线路转移负荷，满足配电网N-1准则，供电可靠性较高，但建设投资有所增加，且为满足故障时负荷转移，线路正常运行时负载率受限，单联络接线线路最大负载率50%，两联络接线线路最大负载率66.7%。endprint

3 算例分析

3.1电缆网接线方案比选分析

电缆线路主要分布在城市中心区等负荷密度高、供电可靠性要求高的地区，计算电缆线路接线方案的故障停电损失成本时，产电比选取高负荷密度地区的产电比值，并按配置配电自动化考虑。根据电缆线路在福州地区实际运行经验，按1次/年考虑线路首端发生短路故障，若采用单环网接线，则通过配电自动化在5分钟内可将故障线路段负荷转移至对侧线路；若采用单射接线，则故障线路段负荷无法转供，损失负荷只能在线路修复后才能恢复供电。

计算两种接线方案的LCC成本时，正常运行方式下单环网接线开环运行，供电同一区域的单环网和单射接线损耗几乎一致，因此不计损耗成本。其他成本费用中单环网接线初始建设投资成本、运行维护成本高于单射接线，报废回收成本低于单射接线。可靠性成本方面由于电缆线路故障修复时间长，停电损失成本大，而单环网接线借助配电自动化可以快速恢复非故障段负荷，大大减少停电损失效益。根据计算，故障停电损失费用随着损失负荷的增加而不断增加。当故障损失负荷小于3.58MW时，单射接线故障停电损失成本较小，单环网接线由于建设、运维成本较大，导致LCC成本高于单射接线；当故障损失负荷大于3.58MW后，单射接线故障停电损失成本超过单环网接线的建设、运维等成本值，导致LCC成本高于单环网接线。

从技术因素方面考虑，一般高负荷密度区域的用户对供电可靠性的要求较高。因此，在负荷密度较低、单环网供电负荷较小时，10kV电缆网可以选取供电可靠性较差的单射接线，总体经济效益更优；在负荷密度较高、环网供电负荷较大时，10kV电缆网应选择供电可靠性较高的单环网接线，既能满足用户供电需求又能得到较优的经济效益，特别在负荷密度很大、用户供电可靠性要求很高时可选择双环网接线来满足高可靠性供电需求。

3.2 架空网接线方案比选分析

在城市市中心区等高负荷密度地区，架空线路故障率较低，根据福州地区实际运行经验，按1次/年考虑线路首端发生故障，采用联络接线可通过配电自动化在5分钟内转移故障线路负荷至对侧线路，采用辐射接线方案则只能在线路修复后恢复供电。在乡镇、农村等低负荷密度地区，由于受风、雷害影响严重，按2次/年考虑线路首段发生短路故障，采用联络接线通过现场手动倒闸操作转移故障线路负荷至对侧线路，约1.5小时；同样采用辐射接线只能在故障线路修复后恢复供电。

计算两种接线方案的LCC成本时，同电缆网类似，两种接线方案的故障停电损失成本随着损失负荷的增加而增加，其他成本费用是固定的。根据计算结果，当故障损失负荷小于4.6MW时，单幅射接线故障停电损失成本小于联络接线的建设、运维等成本，LCC成本值较低；当故障损失负荷大于4.6MW时，单幅射接线故障停电损失成本超过联络接线的建设、运维等成本，LCC成本值较高。因此，综合技术、经济因素，在乡镇、农村等负荷密度较低的地区，10kV架空网选取供电可靠性较差的单幅射接线总体经济效益更优；在城市市中心区等负荷密度较高的地区，10kV架空网应选择供电可靠性较高的联络接线，以满足较高的供电可靠性需求，同时获取最优的经济效益。

结 论

本文将全寿命周期成本理念应用到配电网规划方案比选中，分别对10kV电缆网和架空网的常用的几种接线模型进行全寿命周期成本计算，分析不同接线方案在损失负荷不同时的技术经济效益，为不同负荷密度区域的10kV电网接线方案的选取提供理论依据，指导配电网规划差异化制定中压目标网架。经电网实际算例验证，在高负荷密度地区，10kV电缆网优先选择环网接线、架空网优先选择联络接线方案的总体技术经济效益更优；而在低负荷密度地区，10kV电缆网选择单射接线、架空网选择辐射接线方案的技术经济效益更优。

【参考文献】

[1] 鲁国起，张焰，祝达康 . 全寿命周期成本及其在电网规划中的应用[J]. 现代电力， 2009， 26（6）： 77-81.

[2] 柳璐，王和杰，程浩忠 . 基于全寿命周期成本的电力系统经济性评估方法[J]. 电力系统自动化，2012，36（15）：45-50.

[3] Niwa M，Kato T，Suzuoki Y. Life-cycle-cost evaluation of degradation diagnosis for cables[C]. 2005 International Symposium on Electrical Insulating Materials. 2005（3）：737-740.

[4] 李倩玉，焦石 . 全寿命周期成本在配电网规划中的应用[J]. 电工电气，2013（2）：52-57.

[5] 张桦，侯兴哲，刘华勇 . 基于LCC的配电网可靠性成本/效益分析模型及应用[C]. 中国设备管理协会设备寿命周期费用委员会第八次年会，2008.

[6] 陈庭记，程浩忠，何明，等 . 城市中压配电网接线模式研究[J]. 電网技术，2000，24（9）：35-38.endprint