考虑全寿命周期的变电站选址方法

曾泽虎

（成都恒华电力科技咨询有限责任公司，四川成都 610000）

0 引言

在电网规划中，变电站选址、变电站和输电线路的经济性和规范性变得越来越重要。电网规划是电力系统规划中的一种，是整个社会经济发展的重要组成部分。合理的电网规划能促进公司资产管理等相关方面的综合平衡和有机统一，提高公司的综合管理水平。

在美国和瑞典，全寿命周期成本LCC（life cycle cost）理论已经成功地在电力系统的分析和管理中得到了应用[1-2]。在电力系统长期规划中，考虑到随着运行年份的增加，操作费用和维修费用也随之成比例增加，在对输电线路规划方案进行选择时，要优化调整时间，使得成本达到最优。考虑到电网规划的运行周期，根据设备运行年限不同，得出相应的全寿命周期成本[3]。基于全寿命周期，计算增供电量、可靠性及降损等效益，通过比较收益成本指标来确定最优规划方案[4]。本文通过对变电站位置选取进行建模，比较变电站和输电线路不同运行年限的年费用[5]，并结合可靠性以及与后期电网规划发展的适应性确定最优的规划方案。

1 变电站选址方法

1.1 电网规划整体流程

电网规划的主要工作可以分为资料收集、数据处理、确定架构以及成果分析4 个阶段，包含边界条件的确定、社会经济现状分析、电力系统现状分析、电力需求预测、电源建设、电力电量平衡、变电站选址定容、网络方案论证、电气计算、输变电项目建设及投资估算等多个方面。

1.2 考虑全寿命周期的电网规划分析

将LCC 理论应用到电网规划中，可以在保证可靠性[6]的前提下，使得电网得以获得最优化的收益，实现企业资产整体收益的最大化[7]。在电网输电规划中，基于确定性的电力传输规划（或冗余规划），将其表示为最广泛使用和满足要求的N-X标准。基于N-X标准，很多文章都关注研究探索新的数学模型和算法，其中包括差分进化算法和遗传算法[8-9]。一般来说，概率法处理的是N-X准则在评估经济效益和建设成本中出现无效的情况。然后，可以确定最优方案，避免或推迟不必要的结构。基于这一理念的一些研究工作试图建立新的经济模型，并应用新的标准，如扩展规划优化的供电量期望值EENS（expected energy not supplied）[10]。

在国内的输电线路规划中，输电规划的基础是确定变电站的选址及应该构造多少条线，结合当地的现实情况规划线路的走向，并在一系列约束条件下尽可能减少总建设成本。在本文中，电网的规划成本是根据生命周期成本模型计算的，其中包括建设费用、运营成本、维护费用[11-13]等。一般来说，模型可以描述为

其中，CI为电网建设的初始费用；CO为电网运行费用；CF为电网故障损失费用；CD为设备的退役处置成本。

1.3 变电站选址确定

在电网规划中，主要基于城市格局、区域负荷大小和配电网结构来对变电站进行选址定容。根据该区域的负荷需求和输电线路长度最短，确定变电站建设的最优位置及其合理的供电范围。

1.3.1 变电站位置选择

某区域内变电站建设时，在变电站容量允许的条件下，可选择的变电站建设点有多个，则该区域的规划线路由其最近变电站出线，由此将整个区域划分为多个较小区域，而每个区域就是该变电站的负荷需求范围[14-15]。

a）目标函数。在变电站建设范围内，按要求建立优化目标为：各个小范围内建设的输电线路到达变电站的加权总距离之和最小，目标函数为

其中，minSLi，j为第i负荷区域到m个变电站距离最优；Ai为第i个负荷区域需接入的线路数；m为变电站建设个数。

b）约束条件。约束条件有3 个，一是变电站位置建设约束，二是变电站容量约束，三是输电线路建设约束。

第一，变电站位置建设约束。变电站选址一般选在靠近居民负荷集中的地方，故变电站建设的位置要在负荷集中的范围内，即变电站的建设位置约束为

其中，D为变电站可供建设区域。

第二，变电站容量约束。变电站容量约束为

其中，Wj为负荷点j的有功负荷；Si为第i座新建变电站容量；e（Si）为第i座新建变电站的负载率；cosφ为功率因数，并且任意的j∈Ji，而J1∪J2∪…=J。

第三，输电线路建设约束。电网规划中输电线路的建设受到现有和规划中的电缆管道及线杆位置约束。即输电线路建设的位置约束为

其中，G（x，y）为输电线路约束；A为现有及规划中线路安置点集合；Li，j为输电线路安置点指标；Gj为第j安置点坐标。

1.3.2 教学优化算法

在本文中，希望电网规划的经济性达到最优，因此要根据建立的目标模型的特点，选取教学优化算法TLBO（teaching learning based optimization）来进行寻优求解。该种算法通过“教”和“学”来寻求最优解，类似于老师教学和学生学习的过程。TLBO 算法具有计算精度高、运算量小、收敛速度快、不受算法参数变化制约、对于非线性优化全局收敛性好等特点，并且只需设置群体数量、算法结束条件，即可求解优化问题[16-18]。本次优化目标为单目标，要求收敛速度快，因此TLBO 算法较为适用。在本文中，将变电站规划站点作为变量，寻求线路规划总长最小为目标。

1.3.3 考虑TLBO 算法的年费用经济模型

在所供选择的供电方案中，都必须满足同样的电力需求。在运用全寿命周期对方案进行选择时，只需要计算各个方案的总经济成本，并且将费用最少作为选择的标准。在本文中，运用在TBLO 算法基础上改进的年费用法，最终根据年费用判定其经济最优。

年费用的计算，其分解结构模型不必涵盖全寿命周期内的全部费用。此处，在CLCC计算较小并且难以精确化的成本因素予以忽略，改造前后相同或是非常相近的成本也予以忽略，但在输电线路规划中如果由于线路长度差异较大，所带来的退役成本的影响不能忽略。

在本文中，我们假设设备是严格根据规划设计年限退役，不会因为外部的因素而提前退役。在这个假设下，一些设备可能会根据使用年限的变化调整投资成本的变化。例如，周期的计算是30 a，而设备的生命周期为15 a，20 a 和25 a。

通常，维护成本与建设成本成正比，并逐年增加。在本文中，两个常量被用来表示维护成本和建设成本；体现其随着建设成本增加而增加。此外，由于该方法是长期规划，所以也要考虑到折现率，其模型为

其中，CI为建设成本；F（x）为线路总长度最优值，km；C0为单位长度线路的投资，万元/km；Cf为开关（负荷开关或环网柜）的投资；N为线路段数及线路相关联络数合计值；β为建设决策因数。

因此，我们可以把平均分布在n年的年总费用数学模型设成

其中，CA为维护成本；CI为建设成本；PAI为每年折算率；CO为线路维护成本；CF为变电站损失费用；n为经济使用年限；R0为折现率；CLLoss为线路损失费用；CLW为线路维护费用；CDLoss为直接损失费用；CILoss为间接损失费用。

2 负荷发展适应性

电网规划不仅要使得规划后的电网能满足目前的负荷需求，还要考虑能否满足n年后的负荷需求，所以在电网规划中有必要考虑负荷的适应性因素。负荷的适应性包含负荷大小适应性、负荷发展适应性和负荷波动适应性，可用于电网规划中对于规划变电站和线路是否能与当地的电网发展相适应。

负荷大小适应性：用以判定该系统最大供电能力与城市负荷大小匹配度。假设年最大日负荷为Ldmax，正常日负荷为Ld，功率因数为cosφ，则有

其中，SN-1为城市负荷的大小；x1∈（100%，120%），x2∈（75%，85%）时表明系统供电能力与当前负荷大小相匹配。

负荷发展适应性：用以判定该系统网架结构n年不变的前提下，其供电能力是否与n年后负荷总量相适应，这可用于电网规划中所增加线路和变电站是否能适应n年后的负荷发展需求。设定现有负荷数值为Ld，系统的功率因数为cosφ，负荷预测得出n年的负荷年增长率分别为ρ1，ρ2，…，ρn，则该系统裕度为SN-1-Ld/cosφ；则n年后负荷为Ld（1+ρ1）（1+ρ2）…（1+ρn）需满足

取

式（16）中，对于x的取值，在合适的范围内时，如取x∈（95%，125%），则说明系统的发展适应性合理，否则不合理。

负荷波动适应性：主要分析系统是否适应气候气温等因素带来的城市负荷波动变化。

3 算例分析

以某市开发区的电网规划为例进行分析。该城区处于规划建设阶段，通过收集电网公司的资料和现场勘查，我们做出了下面的分析。

3.1 负荷需求分析确定

通过对收集到的相关资料和国民经济有关部门的资料进行整理分析，根据资料的直接相关性、可靠性和最新性等特点，挑选出有用的部分做出了该地区的电网负荷预测，其结果如表1 所示。

表1 该地区电网负荷预测结果表

根据本文中所提出的方法对该地区的负荷发展适应性进行分析，可以得出，负荷发展适应因数x∈（90%，120%），电网供电能力能较好地适应负荷发展水平。

3.2 变电站选址分析

在现有管廊和线杆等设施的基础上，以输电线路的总距离为目标，利用TLBO 算法来确定变电站的最优站址。根据实际情况得出，可规划的变电站的数量为2~5 个，不同建设方案线路总长度如表2所示。

表2 不同建设方案线路总长度

由表2 可以得出，随变电站建设数量的增加，输电线路的最优总长度随之减少，在变电站建设4～5 个之间时，总长度减少比例相差较小。

3.3 规划方案经济性比较

考虑到电网规划的经济性，引入电网全寿命周期理论比较各个规划方案的经济性，具体情况如表3、表4 所示。

表3 该地区电网建设投资表单位：万元

表4 该地区电网建设年费用表单位：万元

由表3、表4 可知，方案1 中在设备运行年限为15 a、20 a、25 a 时相比方案3 的年费用依次多504.6 万元、473.6 万元、436.7 万元，可以得出方案3 的经济性明显优于方案1；方案2 运行年限为15 a、20 a、25 a 时相比方案3 的年费 用依次多127.8 万元、128.6 万元、116 万元，方案3 的经济性优于方案2；方案4 运行年限为15 a、20 a、25 a 时的年费用相比方案3 依次多18.8 万元、13.1 万元、6.5 万元，可以得出方案4 和方案3 的经济性相当。考虑到电网规划的灵活性，方案4 在该地区与临近城区处建立变电站，使得该城区在以后的发展规划中更加灵活，能更好地适应新城区的发展，所以综合考虑选取方案4 作为最优的规划方案。

4 结束语

本文基于实际的电网规划方案，结合全寿命周期模型，运用TLBO 算法，以输电线路的总长度最短为寻优目标，对变电站进行选址，选出4 种规划方案，通过对规划方案的经济性、灵活性和发展适应性的多方面综合分析，确定了最优方案。通过实际案例的分析，验证了在全寿命周期模型的基础上，对年费用改进后算法的有效性，通过该方法确定的最优方案是合理的，并且具有较高的效率及准确性。全寿命周期成本分析的方法在电网成本管理中起着重要的作用，为电网管理工作提供了崭新的思路和高效的手段，使得规划后的电网能较大幅度地提高整体的效能，并促进企业投资决策的定量化和精益化发展。