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)果直接影響整個配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性。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，沒有從運維費用、故障損失等方面全面評估規(guī)劃方案的經(jīng)濟性。針對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)時序不同引起的初始投資差異、運維費用、線損及資金的時間效益等，尋求給定供電可靠性下的經(jīng)濟性最優(yōu)方法。使用該方法對某區(qū)域高壓配電網(wǎng)規(guī)劃進行方案比選，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，對規(guī)劃方案制訂具有較強的指導(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;運行費用

中圖分類號：TM714 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0183-03

全壽命周期成本（Life-Cycle Cost，簡稱LCC）指的是從設(shè)備、系統(tǒng)或項目的長期經(jīng)濟效益出發(fā)，全面考慮其在規(guī)劃、設(shè)計、制造、購置、安裝、運行、維修、更新，直至報廢的整個壽命周期全過程中，一共需要支付的總費用。傳統(tǒng)的管理方法沒有從設(shè)備或系統(tǒng)的整個周期考慮，得出的成本可能是階段性最優(yōu)，但從長遠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)劃中對規(guī)劃方案進行技術(shù)經(jīng)濟分析主要是通過計算各項指標(biāo)（如容載比、N-1通過率、供電可靠性、綜合電壓合格率等）進行技術(shù)分析;通過單位投資增供負荷和增供電量研判電網(wǎng)投資效率，并對電網(wǎng)投資進行財務(wù)分析。配電網(wǎng)規(guī)劃項目僅注重工程的建設(shè)過程，重點控制項目建設(shè)階段的造價，而弱化了項目未來的運行成本、可靠性及報廢成本等。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壽命周期內(nèi)的成本花費更合理，因此獲得的經(jīng)濟效益更高。[4-7]

文獻將應(yīng)用LCC理念，結(jié)合當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟性、可靠性指標(biāo)分析，建立全面的LCC分析模型，重點考慮規(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，因此本文針對高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的特點，給出較為實用的配電網(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)備的購置費、安裝調(diào)試費和其他費用，包括110（35）千伏變電站和線路投資及對應(yīng)10千伏配出投資。

運行成本（CO）年運行費用包括線路損耗費用、線路檢修維護費用。線損功率包括110千伏與35千伏變壓器損耗與線路損耗。線損費用計算公式為：

（2）

式中：為線損功率，τ為最大損耗小時數(shù)，J為成本電價，元/kWh。

按線路損耗公式為：

（3）

式中：PL為線路負荷;U為額定電壓;ρ為電阻率;l為線路長度;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)濟損失。退役處置成本（CD）包括退役處置費和設(shè)備回收殘值費。

2.高壓配電網(wǎng)規(guī)劃LCC成本分析基本思路

進行LCC成本分析時可根據(jù)有無對比原則，相同或是非常相近的成本予以忽略，占LCC計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)實際情況對高壓配電網(wǎng)規(guī)劃的全壽命周期成本過程進行適度簡化，為LCC的實用型推廣提供借鑒。

在對涵蓋110千伏/35千伏的區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案進行全壽命周期成本分析時，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)注的不是單個設(shè)備的行為，而是設(shè)備總體對全網(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)劃的研究費用和設(shè)計費用。

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

（3）故障成本。主要指停電損失費用，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)和重新投運及維修工人的工資、電量損失，還包括用戶的賠償費用等。間接損失指的是事故發(fā)生呆在的用戶和社會停電損失，如大面積停電事故給社會再次的經(jīng)濟損失和社會影響等。

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

（1）可比選方案的前提條件。對配電網(wǎng)規(guī)劃而言，技術(shù)經(jīng)濟分析需確定供電可靠性和全壽命周期內(nèi)投資費用的最佳組合，一般有兩種評估方法：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行LCC分析，即對技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)?shù)姆桨高M行經(jīng)濟性分析。

因此，對不同高壓配電網(wǎng)規(guī)劃方案進行比選時，需要對110（35）千伏電壓等級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，必要時還需進行潮流、短路計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，并進行供電可靠性計算或估算。

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

（3）運行費用CO。運行費用主要包括損耗（線路及主變）及運維檢修費用。規(guī)劃方案不同，對應(yīng)的年運行費用可能存在較大差異。

根據(jù)式（2）、（3）計算得到的線路、主變年損耗電量及上網(wǎng)電價，即可得到線路及主變年損耗費用。但區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃方案涉及的電網(wǎng)項目較多，對規(guī)劃年的電網(wǎng)運行情況也難以精確預(yù)測，因此對主變年損耗電量可根據(jù)型式主變的空載損耗、負載損耗及主變負載率進行估算，主變年電能損耗估算公式如式（4）所示。

（4）

式中：為空載損耗，為負載損耗，k為最大負載率，τ為最大負荷利用小時數(shù)。

線路有功損耗主要與電流、線路長度及線路電阻有關(guān)。可根據(jù)線路單位長度電阻、額定載流量、線路最大負載率及最大負荷利用小時對年線路損耗進行估算。

運維檢修費用進行精確核算比較困難，可根據(jù)電網(wǎng)檢修運維和運營管理成本標(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行簡化。

3.敏感性分析

LCC成本分析結(jié)果與評估周期、折現(xiàn)率、設(shè)備造價、運維費用等參數(shù)密切相關(guān)，評估周內(nèi)這些因素的變化會影響到分析結(jié)果，同時這些因素又難以精確預(yù)測，因此應(yīng)對與LCC成本分析密切相關(guān)的因素進行敏感性分析，對各方案評估結(jié)果進行校核。

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行方案比選分析。該區(qū)域目前通過110/35/10千伏電壓等級供電，根據(jù)區(qū)域負荷發(fā)展情況，該區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展有面臨兩個發(fā)展方向：110千伏、35千伏、10千伏電壓等級共同發(fā)展;限制35千伏電壓等級，發(fā)展110千伏、10千伏電壓等級。對應(yīng)的方案如下：

方案一：適度發(fā)展35千伏電壓等級，滿足負荷增長。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)域擴建35千伏元村站，新建35千伏邵莊站;2016～2020年期間擴建35千伏邵莊站，新建110千伏樂北站。

方案二：根據(jù)遠景負荷發(fā)展方向，提前建設(shè)110千伏變電站并增加布點，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35千伏電壓等級的思路，不再新擴建35千伏變電站，在2015年新建110千伏樂北站，對110千伏樂南變進行增容改造，2018年新建110千伏元村變。

根據(jù)電力平衡結(jié)果，兩個方案均能滿足近期及遠期負荷需求和供電可靠性需求，因此主要從經(jīng)濟性方面進行方案比選。在進行LCC分析時評估周期為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，擴建2座，建設(shè)投資如表1所示（含對應(yīng)的10千伏配出費用）。

表1 方案一初始投資表 （單位：萬元）

年份 2014 2015 2016 2017 2024

建設(shè)項目 35千伏元

村擴 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 4841

將各年度費用折算至2014年后，初始投資現(xiàn)值為4841萬元。

（2）運行費用CO。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)檢修運維和運營管理成本標(biāo)準(zhǔn)》，110千伏每座變壓器運行成本為11.42萬元/站，35千伏每座變壓器運行成本取7.46萬元/站，110千伏及以下配電網(wǎng)單位檢修及運行費用如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，負載損耗156千瓦;35千伏主變空載損耗為7千瓦，負載損耗為39千瓦。按該區(qū)域2012年最大負荷利用小時數(shù)及平均上網(wǎng)電價，按主變最大負載率60%進行測算，可得各年度主變損耗費用。取110千伏線路單位長度電阻為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，線路最大負載率按50%進行測算，根據(jù)最大負荷利用小時數(shù)及平均上網(wǎng)電價進行測算到線路損耗。運行費用根據(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年年運行費用如表3所示。

表3 方案一年運行維護費用表 （單位：萬元）

年份 2014 2015 2016 2017-2023 2024-2034

年運行費用 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，擴建1座，不再新擴建35千伏變電站。建設(shè)投資如表4所示（含對應(yīng)的10千伏配出費用），將各年度費用折算至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，樂南變增容改造 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 5174

方案二年運行費用如表6所示，運行費用計算方法同方案一。

表5 方案二年運行維護費用表 （單位：萬元）

年份 2014 2015-2017 2018-2034

運行費用 225 242 254

現(xiàn)值 2360

經(jīng)過計算，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比 （單位：萬元）

方案一 方案二

初始投資CI 4841 5194

運行費用CO 2940 2360

合計 7781 7553

3.敏感性分析

取評估周期為25年、30年時，對方案一及方案二進行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)電價下調(diào)、上調(diào)10%時，方案二較方案一分別節(jié)省投資11萬元、43萬元?？梢?，貼現(xiàn)率、LCC周期及上網(wǎng)電價改變時，方案二投資均低于較方案一;規(guī)劃方案的LCC周期成本對貼現(xiàn)率靈敏度最高，上網(wǎng)電價次之，評估周期最低。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)時序不同引起的初始投資差異、運維、線損及資金的時間效益等，提出了采用LCC成本分析進行區(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成本分析方案對不同方案進行比選，并針對高壓配電網(wǎng)的特點及電網(wǎng)運營實際情況，給出了較為簡單實用的計算方法。

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（責(zé)任編輯：袁予熙）