【摘要】農(nóng)村配電網(wǎng)臺區(qū)升級改造是目前電網(wǎng)企業(yè)的主要工程之一，如何經(jīng)濟(jì)合理的進(jìn)行臺區(qū)配變及低壓配置非常關(guān)鍵。本文提出了應(yīng)用全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較理論進(jìn)行臺區(qū)升級方案比選的方法，比較農(nóng)村配變配置時的幾個重要的內(nèi)容，為農(nóng)村配電網(wǎng)的規(guī)劃及設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)網(wǎng);臺區(qū);全壽命周期;配變;低壓線路;經(jīng)濟(jì)

1.引言

配電網(wǎng)臺區(qū)是電力系統(tǒng)的末端，是將電能轉(zhuǎn)化為各種能量的最后環(huán)節(jié)。農(nóng)村和城市地區(qū)發(fā)展差異大，配電網(wǎng)投資建設(shè)主體也不相同。城網(wǎng)配電臺區(qū)建設(shè)依靠用戶投資較多，臺區(qū)的建設(shè)執(zhí)行了較高的標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村建設(shè)欠賬較多，配電臺區(qū)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不到位，改造不徹底。近年來農(nóng)村負(fù)荷增長迅速，低電壓，重過載等現(xiàn)象尤為突出，農(nóng)村配電網(wǎng)在建設(shè)水平和投入上相對滯后，未來的發(fā)展和改造具有較大空間。隨著國家提出建設(shè)“堅強(qiáng)電網(wǎng)”的理念，電網(wǎng)需要向用戶提供高質(zhì)量和可靠性的供電。如何做到經(jīng)濟(jì)合理的解決當(dāng)前問題，又要滿足未來發(fā)展需要，是農(nóng)村電網(wǎng)臺區(qū)規(guī)劃的重要課題。

2.全壽命周期的思想

全壽命周期方法指在配網(wǎng)規(guī)劃階段就考慮到設(shè)備在整個壽命周期內(nèi)所有環(huán)節(jié)，包括規(guī)劃設(shè)計、投入運(yùn)營、運(yùn)行維護(hù)和報廢回收全過程的經(jīng)濟(jì)成本。工程在規(guī)劃設(shè)計階段的費(fèi)用相對整個項(xiàng)目投資來說，占比一般不足20%，卻決定了75%以上的全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本（LCC）[全壽命周期管理在輸電線路設(shè)計中的應(yīng)用]。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評價只針對工程的初始投資進(jìn)行分析計算，對配網(wǎng)建設(shè)完成后的運(yùn)營和維護(hù)成本考慮粗糙（比如按工程造價的百分比估算）。實(shí)際上因?yàn)榕潆娋W(wǎng)設(shè)備故障而引起的維護(hù)成本可能比較高，設(shè)備可靠性因素對全周期成本影響較大;而配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行年限一般比較長（約20年左右），其日常運(yùn)行需要的總費(fèi)用也較為龐大。配電網(wǎng)總運(yùn)行和維護(hù)成本可能要高于其初始投資需要的成本。因此單從設(shè)備一次性投資來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，并不一定能得到最優(yōu)方案[配電系統(tǒng)規(guī)劃全壽命周期管理理論和方法研究]。

3.全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較方法和計算模型

全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較方法的原理如圖3.1所示。工程人員在項(xiàng)目規(guī)劃階段篩選出可行的方案作為備選方案，通過模型計算其在初始投資、后續(xù)投資、運(yùn)營維護(hù)和報廢回收的全壽命周期成本，最終確定成本最優(yōu)的方案作為最終方案。

圖3.1 全壽命周期經(jīng)濟(jì)比較法

全壽命周期模型采用現(xiàn)值折算法實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)值，又稱折現(xiàn)值，是指將未來的投資和支出折算到現(xiàn)金流投入的基準(zhǔn)年的值，即將來的投資和支出以目前的現(xiàn)金來計算時的價值。通常使用折現(xiàn)率i將資產(chǎn)存續(xù)期內(nèi)未來現(xiàn)金流折算為當(dāng)前的金額。其計算公式為：

（式2.1）

其中：P—現(xiàn)值;A—年金;I—年折現(xiàn)率，一般不低于同期銀行貸款利率。

全壽命周期成本LCC包括設(shè)備初始投資、運(yùn)行維護(hù)成本和報廢回收收入三個部分。按照現(xiàn)值折算法其計算公式為：

（式2.2）

其中： CI（n）表示第n年投資成本;CO（n）表示第n年運(yùn)行維護(hù)成本;CD（n）表示第n報廢回收成本;

如果只需要考慮配變的經(jīng)濟(jì)性，可以使用更細(xì)化的變壓器綜合能效費(fèi)用法來進(jìn)行全周期經(jīng)濟(jì)成本分析。其計算公式為：

（式2.3）

其中：。

式中：TOC—變壓器的總擁有費(fèi)用，元;CI—變壓器設(shè)備的初始費(fèi)用，元;P0—變壓器的額定空載損耗，W;Pk—變壓器的額定負(fù)載損耗，W;E—該變壓器用戶的平均小時電價，元/kWh;n—變壓器的經(jīng)濟(jì)使用年限，一般取20年;Kpv—折現(xiàn)率為i的連續(xù)n年費(fèi)用現(xiàn)值系數(shù);i—年折現(xiàn)率，不低于同年期銀行貸款利率值;Hpy—變壓器的年帶電小時數(shù);τ—年最大負(fù)載損耗小時數(shù);β—變壓器的初始負(fù)載系數(shù)。

4.農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)戶均容量和配變布點(diǎn)分析

相比于城網(wǎng)臺區(qū)，農(nóng)村電網(wǎng)臺區(qū)用電波動范圍較小、用電均衡程度偏低、最大負(fù)荷利用小時數(shù)較小、變壓器配置系數(shù)較小、設(shè)備負(fù)荷同時率較高等特點(diǎn)，因此需要針對其進(jìn)行優(yōu)化配置。

（1）配變?nèi)萘糠治?/p>

以一個200戶的中型農(nóng)村為例。以村落內(nèi)全部為中等條件家庭測算，其電器設(shè)備負(fù)荷為3.2*200=640kW，若考慮春節(jié)期間同時啟動系數(shù)為0.60，最大負(fù)荷為640*0.60=384kW;以村落內(nèi)全部為富裕條件家庭計算，其電氣設(shè)備負(fù)荷約為1060kW，若考慮春節(jié)期間同時啟動系數(shù)為0.50，最大負(fù)荷約為500kW;以村落終期達(dá)到城市標(biāo)準(zhǔn)，其電氣設(shè)備負(fù)荷約為1900kW，若考慮春節(jié)期間同時啟動系數(shù)為0.40，最大負(fù)荷約為760kW。

隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，配變?nèi)萘康男枨笠彩侵饾u提高，今后配變需求的發(fā)展可以總結(jié)為一般、較高、終期三個階段。配變配置應(yīng)滿足最大負(fù)荷的要求，配變配置時考慮其負(fù)荷高峰時的滿載和過載1.2倍能力，臺區(qū)配變發(fā)展可經(jīng)歷（200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+160kVA）-（200kVA+200kVA+315kVA）三個階段，戶均容量發(fā)展經(jīng)過1.8kW/戶、2.8kW/戶、3.8kW/戶三個階段。

大型農(nóng)村其家用電器的使用同時系數(shù)是略下降的，因此采用中型農(nóng)村的研究結(jié)果依然適用。小型農(nóng)村家用電器數(shù)量變少，使用同時系數(shù)變高，戶均容量也是應(yīng)提高的。將中型農(nóng)村的配變配置方案拓展至中型農(nóng)村和大型農(nóng)村仍然合理。

（2）配變布點(diǎn)方式分析

農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)應(yīng)滿足供電半徑的要求，落點(diǎn)位置和數(shù)量同時考慮經(jīng)濟(jì)、安全。按照D類區(qū)域低壓供電半徑不易超過500米測算，如果配變落點(diǎn)位于村落中心位置，低壓供電半徑不超過7萬平方米，如配變落點(diǎn)位于村落邊緣位置，低壓供電半徑不超過3.5萬平方米。由此，對與大型村落，應(yīng)至少有2臺配變，對于中型村落如配變不能放置在中心位置的，也應(yīng)至少有2臺配變。

對于一個100戶的村落，按戶均3kW等效成一個10X10的理想的方格模型。單臺配變選擇落在中央的位置，距離最近的村戶等效電阻設(shè)為R，依次向周邊發(fā)散為2R，3R，4R，5R，每戶的電流均等效為1。如配置單一配變，落點(diǎn)在村落中央的位置，則臺區(qū)線損為380R，如配置2臺配變，落點(diǎn)分別在村落兩端的位置，則臺區(qū)線損為320R，如表3.1所示。

顯然，兩點(diǎn)布置比單點(diǎn)布置線損更低，按照理想模型，兩點(diǎn)布置比單點(diǎn)布置減少線損約16%。利用上述理想模型對臺區(qū)建設(shè)的兩種方案造價進(jìn)行比較。

（3）方案的全壽命周期成本比較

1）設(shè)備投資成本CI

設(shè)備投資成本包括配變、中低壓線路的購置和建設(shè)成本。兩種方案初始投資CI如表4.1所示。

表4.1 單配變和雙配變方案初始投資CI比較

單臺1*400（S11） 兩臺2*200（S11） 備注

配變 40300 2*22800

配變安裝費(fèi) 10000 12000

低壓線路 150 1km*84000 單臺配變按照干線150，支線120配置。兩臺配變按照干線120，支線70配置。接戶線不比較。

120 1km*65000 1km*65000

70 1km*43000

總造價 199300 168300 差值31000元

2）運(yùn)行損耗成本

單配變運(yùn)行損耗：

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

CO（線損）=20800kW;

雙配變運(yùn)行損耗：

CO（雙配變壓器）=（8760*0.680+1300*0.42*5.460+6988）*0.54=7603元;

CO（線損）=17472kW;

單臺配變和兩臺配變布置全壽命周期成本計算參數(shù)如表4.2。

3）報廢成本

報廢成本按設(shè)備殘值率5%計。單臺配變報廢成本CD（單臺）=-9465元;雙配變報廢成本CD

（單臺）=-9930元。

4）全壽命周期成本

按式2.2計算單雙配變方案現(xiàn)值折算后LCC結(jié)果如表4.3所示。由表可見，雙配變布置比單配變布置的LCC低33909元，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢比較明顯。

表4.2 單配變和雙配變方案LCC計算參數(shù)

單臺配變布置 兩臺配變布置 備注

配變及低壓臺區(qū)（元） 199300 168300 容量為400kVA，S11

配變經(jīng)濟(jì)壽命（年） 20 20

折現(xiàn)率（%） 8 8

空載損耗 570 680

負(fù)載損耗 4300 5460

初始負(fù)載系數(shù) 0.4 0.4

最大負(fù)荷利用小時數(shù) 1300 1300 按安徽農(nóng)村區(qū)域考慮

低壓線損 20800 17472 單臺按臺區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)低壓線損5%計算400*80%*1300*5%

平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

表4.3 單臺配變和兩臺配變?nèi)珘勖芷诔杀粳F(xiàn)值計算

費(fèi)用（元） 單臺配變 兩臺配變

一次投資成本CI 199300 168300

運(yùn)行成本CO 7672 7603

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -9465 -9930

LCC 263013 229104

從上述的分析可知，單配變和雙配變的臺區(qū)損耗基本相當(dāng)，所以臺區(qū)是采用單配變還是雙配變主要取決于臺區(qū)建設(shè)投資成本。因此，農(nóng)村臺區(qū)在滿足低壓供電半徑和電壓質(zhì)量要求的前提下，在升級改造工程中，對于大容量換小容量或者新增變壓器兩種方式，只需比較總投資造價即可。投資比較的項(xiàng)目包括：配變購置費(fèi)、低壓臺區(qū)干線改造費(fèi)和中壓線路建設(shè)費(fèi)。

農(nóng)村配變臺區(qū)的10kV中壓線路深入農(nóng)村造價高、安全性差、同時配變落點(diǎn)困難，不易協(xié)調(diào)。因此，配變位置優(yōu)先考慮位于沿村落主要道路、周邊房屋較少，10kV中壓線路易于敷射至的地點(diǎn)，不要求臺區(qū)深入農(nóng)村中心。

5.零星村落單相和三相變壓器的選擇

小容量的單相變壓器（50、80、100）具有體積小、重量輕、損耗少的有點(diǎn)，是零星村落照明及單相用電的理想產(chǎn)品。下面通過對一個30戶左右的典型零星村落進(jìn)行單相臺區(qū)和三相變臺區(qū)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較來分析其LCC的大小。按照上一節(jié)論述的標(biāo)準(zhǔn)，30戶的村落需配置100kVA的配變。

（1）變壓器的綜合能效成本比較

我們先利用式綜合能效成本法分析變壓器的TOC。單相D11和S11型三相配變臺區(qū)綜合能效成本計算參數(shù)如表5.1所示。

表5.1 綜合能效成本計算參數(shù)

單相變D11 S11型配變 備注

配變單價（元） 10500 22347 容量100kVA

配變壽命（年） 20 20

折現(xiàn)率（%） 8 8

空載損耗（W） 240 250

負(fù)載損耗（W） 1140 1500

年最大負(fù)荷利用小時數(shù)（小時） 1300 1300

初始負(fù)載系數(shù) 40% 40%

10kV及以下平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

得出結(jié)果為：TOC單相=22903元;TOC三相=35612元。顯然，單從配變的角度來講，單相變比三相變經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

（2）臺區(qū)線損及低壓線路造價比較

1）三相和單相的低壓線損模型如圖5-1：

圖5-1 單相和三相低壓線損模型

單相變線損為：PΔ=（I23R+I22R+I2R）*2

三相變線損為：PΔ=（I23R+I22R+I2R）+I2R+ I2R

在低壓線路截面選擇一致的條件下，三相變線損比單相變線損小?？紤]三相臺區(qū)和單相臺區(qū)線路導(dǎo)線截面的經(jīng)濟(jì)選型，兩種方式低壓線損相當(dāng)。

2）臺區(qū)低壓線路造價測算如表5.2：

表5.2 低壓線路造價

導(dǎo)線

截面 單價 單相

（長度） 三相

（長度） 備注

主干線 150 11.09 2*400 供電半徑按500米測算，主干線按400米測算，支線按400米測算

支線 70 7.5 2*400 4*400

支線 50 5.11 2*400 一般三相臺區(qū)其支線部分考慮兩線

接戶線 25 4.20 30*10 30*10 戶數(shù)按30戶計算

單相總造價 16132元

三相總造價 17348元

附：此處未比較桿塔造價和施工造價，一般三相和單相臺區(qū)，桿塔選型基本一致，鐵附件三相臺區(qū)稍高。

采用三相四線制供電的配電臺區(qū)，臺區(qū)內(nèi)戶數(shù)越少，越容易出現(xiàn)低壓三相不平衡的情況。實(shí)踐證明，一般情況下三相負(fù)荷不平衡可引起線損率升高2%-10%，三相負(fù)荷不平衡度若超過10%，則線損顯著增加。三相不平衡運(yùn)行會造成變壓器零序電流過大，變壓器磁滯損耗渦流損耗增大，容易引起事故。

綜上所述，對于小型村落和零星村落，如無三相用電的必然需求，可采用單相變供電。單相配電變壓器布點(diǎn)應(yīng)遵循也三相平衡原則，按各相間輪流分布，盡可能消除中壓三相系統(tǒng)不平衡。

6.非晶合金配變和S11配變?nèi)珘勖芷诔杀颈容^

非晶合金變壓器是一種新型變壓器，于上世紀(jì)80年代末期在國外開始應(yīng)用。與傳統(tǒng)硅鋼變壓器相比，非晶合金變壓器，具有損耗低、運(yùn)行穩(wěn)定、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備造價高，前期投入較大。下面對非晶合金配變和傳統(tǒng)S11型配變進(jìn)行全壽命周期成本分析。

（1）200kVA容量非晶配變和S11配變LCC對比

選取容量為200kVA非晶合金配變和傳統(tǒng)S11型配變進(jìn)行對比，主要計算參數(shù)如表6.1。

表6.1 非晶合金配變和S11型配變?nèi)珘勖芷诔杀居嬎銋?shù)（200kVA）

非晶合金配變 S11型配變 備注

配變單價（元） 33462 24700 容量為200kVA

配變經(jīng)濟(jì)壽命（年） 20 20

折現(xiàn)率（%） 8 8

空載損耗 120 340

負(fù)載損耗 2600 2730

初始負(fù)載系數(shù) 0.4 0.4

年利用小時數(shù)（小時） 1300 1300 按安徽農(nóng)村區(qū)域考慮

平均售電價（元/kWh） 0.54 0.54

1）設(shè)備投資成本CI

非晶合金初始購置成本比S11配變高8762元

2）運(yùn)行損耗成本

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

非晶合金每年的運(yùn)行損耗成本比S11節(jié)約1054元。

3）報廢成本

按設(shè)備殘值率5%計。非晶合金變壓器退役殘值比S11高438元。取使用周期20年，按照式2.2計算兩種配變的LCC結(jié)果如表6.2所示。

由表6.2可知，在最大負(fù)荷利用小時數(shù)和設(shè)備平均負(fù)載率均相對偏低的情況下，非晶合金的全壽命周期成本比S11型配變現(xiàn)值少2508元，兩者經(jīng)濟(jì)性差距不大。

表6.2 非晶合金配變和S11型配變?nèi)珘勖芷诔杀粳F(xiàn)值計算（200kVA）

費(fèi)用（元） 非晶合金配變 S11型配變

一次投資成本CI 33462 24700

運(yùn)行成本CO 860 1914

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -1673 -1235

LCC 42222 44730

（2）400kVA容量非晶配變和S11配變LCC對比

選取容量為400kVA非晶合金配變和傳統(tǒng)S11型配變進(jìn)行全壽命周期成本分析對比，主要計算參數(shù)如表6.3

表6.3 非晶合金配變和S11型配變?nèi)珘勖芷诔杀居嬎銋?shù)（400kVA）

非晶合金配變 S11型配變 備注

配變單價（元） 70200 58000 容量為400kVA

配變經(jīng)濟(jì)壽命（年） 12 12

折現(xiàn)率（%） 8 8

空載損耗差值（%） -65 0 以S11型配變?yōu)榛鶞?zhǔn)

年利用小時數(shù)（小時） 3500 3500 按B類區(qū)域供電居民生活負(fù)荷考慮

10kV及以下平均售電價 0.66 0.66

同上，取使用周期20年，兩種配變的LCC計算結(jié)果如表6.4所示。

表6.4 非晶合金配變和S11型配變?nèi)珘勖芷诔杀粳F(xiàn)值計算（400kVA）

費(fèi)用（元） 非晶合金配變 S11型配變

一次投資成本CI 70200 58000

運(yùn)行成本CO 9324 14360

故障停電損失成本CF —— ——

報廢成本CD -3510 -2900

LCC 142837 177678

400kVA的非晶合金配變，在最大負(fù)荷利用小時數(shù)和設(shè)備平均負(fù)載率均相對較高的情況下，非晶合金的全壽命周期成本比S11型配變現(xiàn)值少34841元，其經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。

（3）S11和非晶合金配變損耗與成本的關(guān)系選擇

由前文計算可知，對于200kVA的非晶合金配變，在農(nóng)村地區(qū)其負(fù)荷利用小時數(shù)相對較低的、平均負(fù)載率較低、峰谷差較大的現(xiàn)實(shí)情況下，非晶合金變壓器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢并不明顯，其仍受制于購置價格相對較高;對于315kVA及以上的配變，在臺區(qū)負(fù)荷利用小時數(shù)較高的區(qū)域，選用非晶合金變壓器能有效降低運(yùn)行成本，其經(jīng)濟(jì)性較為明顯。因此對于200kVA及以下的農(nóng)村配變選型，推薦采用S11型配變，對于315kVA及以上的配變推薦采用非晶合金配變。

7.主要結(jié)論

1）農(nóng)村臺區(qū)配變配置數(shù)量主要取決于低壓供電半徑的要求。在滿足低壓供電半徑的要求下，臺區(qū)是采用單配變還是雙配變主要取決于臺區(qū)建設(shè)投資成本，升級改造時應(yīng)綜合比較配變購置費(fèi)、低壓臺區(qū)干線改造費(fèi)和中壓線路建設(shè)費(fèi)三項(xiàng)費(fèi)用。農(nóng)村配變臺區(qū)的10kV中壓配變位置優(yōu)先考慮位于沿村落主要道路、周邊房屋較少，線路易于敷射的地點(diǎn)，不要求深入農(nóng)村中心，此時采用雙配變經(jīng)濟(jì)性較好，可以避免造價高、安全性差和配變落點(diǎn)困難的弊端。

2）對于小型村落和零星村落，三相配變的綜合能效成本比較高，而其在線損上的優(yōu)勢并不明顯。如無三相用電的必然需求，可以采用單相變供電。單相配電變壓器布點(diǎn)應(yīng)遵循三相平衡原則，按各相間輪流分布，盡可能消除中壓三相系統(tǒng)不平衡。

3）非晶合金變壓器與S11變壓器相比空載損耗較小，負(fù)載損耗相當(dāng)。在最大負(fù)荷利用小時數(shù)和設(shè)備平均負(fù)載率均相對較高的情況下，使用非晶合金配變具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如果當(dāng)前臺區(qū)升級改造需求較為迫切的情況下，仍建議選擇初期投資較小的S11變壓器。

作者簡介：王緒利（1984—），男，工程師，現(xiàn)供職于國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。