(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

開關(guān)站是將高壓電力分別向周圍的幾個(gè)用電單位供電的電力設(shè)施，位于電力系統(tǒng)中變電站的下一級(jí)，其電源進(jìn)線側(cè)和出線側(cè)的電壓相同。隨著城市負(fù)荷密度的增大，城市配電網(wǎng)中投資建設(shè)了越來越多的電壓開關(guān)站。

開關(guān)站宜建于城市主要道路的路口附近、負(fù)荷中心區(qū)和兩座高壓變電所之間，起分配電源的作用，其最大的好處就是節(jié)省變電站出線間隔及出線走廊。

針對(duì)中壓配電網(wǎng)中開關(guān)站的投資建設(shè)決策問題，國內(nèi)一些專家學(xué)者進(jìn)行了研究與分析。文獻(xiàn)[1]論述了城市中壓配電網(wǎng)多種接線方式下開關(guān)站的配置和銜接方法。文獻(xiàn)[2] 以負(fù)載率為主線，推導(dǎo)出用負(fù)荷密度和負(fù)載率表示的費(fèi)用公式，對(duì)已建成變電站區(qū)域又有新增負(fù)荷點(diǎn)的情況，根據(jù)負(fù)載率的大小考慮是否增設(shè)開關(guān)站。文獻(xiàn)[3] 提出網(wǎng)架規(guī)劃的綜合賦權(quán)法,主要針對(duì)10kV配電網(wǎng)典型網(wǎng)架模式，將綜合賦權(quán)法應(yīng)用于10kV配電網(wǎng)模型規(guī)劃，從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、可行性、可發(fā)展性4個(gè)方面對(duì)網(wǎng)架模式進(jìn)行優(yōu)選，文中的網(wǎng)架模式包括開關(guān)站輻射型接線和環(huán)網(wǎng)單元環(huán)型接線兩種方式。

上述文獻(xiàn)從接線模式、負(fù)載率等角度對(duì)開關(guān)站在中低壓配電網(wǎng)中的配置進(jìn)行了研究并取得了一定的研究成果,但是對(duì)于在中壓配電網(wǎng)中投資建設(shè)開關(guān)站的決策問題沒有進(jìn)行研究,尤其沒有考慮到負(fù)荷飽和前后最優(yōu)的供電方案是否應(yīng)當(dāng)有所變化。本文首先運(yùn)用負(fù)荷密度法進(jìn)行空間負(fù)荷預(yù)測(cè),在可行性的基礎(chǔ)上,建立經(jīng)濟(jì)性和可靠性模型,對(duì)投資建設(shè)開關(guān)站與變電站直配兩種方式在用地、線路及設(shè)備投資、網(wǎng)損等方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,將可靠性指標(biāo)中的失電損失轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)綜合計(jì)算,計(jì)及資金的時(shí)間價(jià)值,對(duì)負(fù)荷飽和前后的最優(yōu)方案進(jìn)行對(duì)比分析,考慮長期投資效果,最終往往選取負(fù)荷飽和后的最優(yōu)供電方案實(shí)施。

2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

2.1 負(fù)荷密度法

區(qū)域負(fù)荷預(yù)測(cè)是進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ),較為準(zhǔn)確地對(duì)規(guī)劃區(qū)域的負(fù)荷增長情況進(jìn)行預(yù)測(cè),才能對(duì)開關(guān)站是否投資建設(shè)這一問題進(jìn)行準(zhǔn)確決策分析。

按照規(guī)劃區(qū)域的用地和用電特性不同分成若干類，稱為用地類型。不同規(guī)劃區(qū)域在負(fù)荷特性和用地要求上有很大的不同。每一用地類型的用電特性可由典型負(fù)荷密度曲線得出，典型負(fù)荷密度曲線的變化由終端負(fù)荷預(yù)測(cè)方法來預(yù)測(cè)。因此，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)可以轉(zhuǎn)化成土地分布預(yù)測(cè)，只要預(yù)測(cè)出了各用地類型的用地空間分布，簡(jiǎn)單的負(fù)荷疊加運(yùn)算就可以求出負(fù)荷的空間分布。因此把求解用地空間分布過程稱為用地仿真過程[4-6]。

2.2 用地類型劃分

在空間負(fù)荷預(yù)測(cè)中,需要根據(jù)不同的用電和用地特性將電力用戶分成若干類型。一般分為4～20類，表1是一種比較通用的用地分類。

表1 用地分類表

3 可行性分析

可行性分析在中壓配電網(wǎng)規(guī)劃中是一項(xiàng)重要工作，所有的改造實(shí)施計(jì)劃都是基于可行性分析的基礎(chǔ)上研究完成的。開關(guān)站投資建設(shè)策略主要包括兩個(gè)方面：開關(guān)站占地、線路走廊、總體規(guī)劃等指標(biāo)的可行性分析；在規(guī)劃區(qū)域附近是否有空的開關(guān)站出線間隔可以滿足供電需求。

本文模型分析中只選主要的可行性指標(biāo)分析，如：是否滿足市政要求(占地面積)；是否滿足與其他組織的合作(線路走廊問題)。若滿足上述兩點(diǎn)，則認(rèn)為具備開關(guān)站投資建設(shè)的基本條件；反之，則不具備開關(guān)站投資建設(shè)的基本條件。

若對(duì)規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷預(yù)測(cè)后，顯示新增負(fù)荷很小，規(guī)劃區(qū)域附近的開關(guān)站又有空的出線間隔滿足新增負(fù)荷的需要，那么建開關(guān)站是不經(jīng)濟(jì)的。換言之，此種情況下投資建設(shè)開關(guān)站的可行性為零，即不需要投資建設(shè)開關(guān)站。

4 開關(guān)站投資建設(shè)決策模型建立

4.1 方案線路成本

4.1.1 開關(guān)站投資建設(shè)方案估算

中壓配電網(wǎng)規(guī)劃中，各個(gè)建設(shè)項(xiàng)目均要對(duì)其進(jìn)行投資估算，并檢驗(yàn)其經(jīng)濟(jì)性。開關(guān)站的投資建設(shè)方案也需要對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析計(jì)算。開關(guān)站建設(shè)的投資包括土建投資、線路投資及變電投資。

開關(guān)站變電投資根據(jù)開關(guān)站的規(guī)模和設(shè)備不同有不同的投資估算值,也會(huì)根據(jù)開關(guān)站設(shè)備的品牌不同而差別明顯,甚至價(jià)格會(huì)翻好幾倍?；诤?jiǎn)化考慮,在分析中可取典型的開關(guān)站設(shè)備的投資值。

開關(guān)站投資建設(shè)需要從鄰近的變電站出兩回10kV線路,根據(jù)負(fù)荷大小不同出線的型號(hào)會(huì)有所不同。本文為了簡(jiǎn)化起見,均使用YJV22-3×240型電纜,單價(jià)取此型號(hào)電纜的購價(jià)并計(jì)及電纜溝的費(fèi)用。計(jì)算公式：

A1=(a+b)×l1×2

式中：a為YJV22-3×240型電纜的購買價(jià)格，萬元/km；b為電纜溝單價(jià)，萬元/km；l1為鄰近變電站至開關(guān)站的距離，km。

開關(guān)站的占地投資因規(guī)劃區(qū)域所在的不同城市、不同地理位置有較大差異。開關(guān)站占用地的現(xiàn)值是衡量這塊用地的主要標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)值也稱在用價(jià)值,是指對(duì)未來現(xiàn)金流量以恰當(dāng)?shù)恼郜F(xiàn)率進(jìn)行折現(xiàn)后的價(jià)值 。指資產(chǎn)按照預(yù)計(jì)從其持續(xù)使用和最終處置中所產(chǎn)生的未來凈現(xiàn)金流入量折現(xiàn)的金額,負(fù)債按照預(yù)計(jì)期限內(nèi)需要償還的未來凈現(xiàn)金流出量折現(xiàn)的金額。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析,土地利潤現(xiàn)值是考慮資金時(shí)間價(jià)值下的綜合值。

對(duì)于開關(guān)站建設(shè)用地,不同的投資決策會(huì)帶來不同的收益,而且會(huì)差異很大。針對(duì)不同的規(guī)劃區(qū)域內(nèi)用地的性質(zhì)、周邊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、近幾年的城市規(guī)劃總體布局情況,相同面積的開關(guān)站占地帶來的收益會(huì)有很大差別,所以本文運(yùn)用專家評(píng)分的方法來確定其取值。專家評(píng)分法是一種定性描述方法,它首先根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的具體要求選定若干個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目,再根據(jù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目制訂出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),聘請(qǐng)若干代表性專家憑借自己的經(jīng)驗(yàn)按此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出各項(xiàng)目的評(píng)價(jià)分值,然后計(jì)算最終值。

本文針對(duì)土地的地理位置先對(duì)其周邊性質(zhì)相近的土地收益進(jìn)行調(diào)研分析,得到收益的一個(gè)參考值,運(yùn)用專家評(píng)分制對(duì)此土地從用地的性質(zhì)、周邊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、近幾年的城市規(guī)劃總體布局情況這3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分,進(jìn)而對(duì)參考值進(jìn)行修正,每年的收益按資金的時(shí)間價(jià)值進(jìn)行遞增。

4.1.2 變電站直接供電方案估算

變電站直接配出方案是從變電站直接新出10kV 線路對(duì)電力用戶進(jìn)行供電,對(duì)于負(fù)荷較大或者負(fù)荷發(fā)展空間比較大的區(qū)域,此種方式會(huì)占用變電站較多出線間隔,造成變電站出線間隔緊張、線路走廊不足等問題。其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要是YJV22-3×240型號(hào)電纜及電纜溝投資,以及變電站的間隔及線路走廊費(fèi)用。變電站直接配出方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析主要有3個(gè)方面：

(1)YJV22-3×240型號(hào)電纜及電纜溝投資。

變電站直接配出方案需要從鄰近的變電站出n回10kV線路，n主要根據(jù)負(fù)荷大小需要的10kV線路條數(shù)來定。電纜型號(hào)根據(jù)負(fù)荷大小不同出線的型號(hào)會(huì)有所不同，本文為了簡(jiǎn)化起見，均使用YJV22-3×240型電纜，單價(jià)取此型號(hào)電纜的購價(jià)并計(jì)及電纜溝的費(fèi)用。計(jì)算公式：

A2=(a+b)×l2×n

式中：a為YJV22-3×240型電纜的購買價(jià)格，萬元/km；b為電纜溝單價(jià)，萬元/km；l1為鄰近變電站至負(fù)荷中心的距離，km，n為變電站出線回路數(shù)。

(2) 配電線路損耗。線損率是供電企業(yè)的一項(xiàng)重要綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 。變電站直接配出方案出線數(shù)根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷狀況確定，開關(guān)站需要變電站新出兩回線路。理論線損計(jì)算公式：

式中：PLoss為理論線損；P為負(fù)荷；U為線路電壓；r為單位長度電纜電阻值，取0.08Ω/km；l3為線路長度，單位km；n為線路回路數(shù)。

(3) 變電站出線間隔及線路走廊使用綜合值。此值需要專家根據(jù)變電站的造價(jià)及相關(guān)線路走廊使用情況定出。

4.2 可靠性評(píng)估分析

可靠性作為電力供應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)不同級(jí)別的用戶均有重要意義。本文的區(qū)域供電方案優(yōu)選中，可靠性指標(biāo)主要以失電損失作為目標(biāo)函數(shù)：

f4=p×H

式中：f4為一年中停電造成的經(jīng)濟(jì)損失值，單位萬元；p為規(guī)劃區(qū)域單位時(shí)間的停電損失值，萬元/小時(shí)；H為方案是實(shí)施后規(guī)劃區(qū)域內(nèi)年停電小時(shí)數(shù)，單位小時(shí)。

4.3 方案土地成本

資金時(shí)間價(jià)值是指資金在生產(chǎn)和流通過程中隨著時(shí)間推移而產(chǎn)生的增值。資金的價(jià)值隨時(shí)間的變化而變化，是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的推移而發(fā)生價(jià)值的變化，變化的那部分價(jià)值就是原有的資金時(shí)間價(jià)值。資金時(shí)間價(jià)值產(chǎn)生的兩個(gè)前提條件：經(jīng)歷一定的時(shí)間；參與社會(huì)再生產(chǎn)過程的周轉(zhuǎn)。

資金的時(shí)間價(jià)值計(jì)算包括單利法和復(fù)利法。本文運(yùn)用復(fù)利法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

f5=p本×(1+i)n-1

式中：f5為資金在第n年的資金限制；P本為土地本金；i為利率。

4.4 投資建設(shè)決策模型

電力設(shè)備在使用過程中會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，一般電力設(shè)備的壽命取30年。在本模型中，因?yàn)樨?fù)荷的飽和期均小于30年，故假設(shè)飽和期內(nèi)供電方案的設(shè)備仍無報(bào)廢現(xiàn)象發(fā)生。

在可行性滿足的條件下，通過失電損失將可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，再將方案投入的各項(xiàng)資金計(jì)入，得到最終的方案實(shí)施成本。針對(duì)不同規(guī)劃區(qū)域的負(fù)荷大小不同，需將方案實(shí)施成本轉(zhuǎn)化為單位負(fù)荷的方案實(shí)施成本：

式中：f為單位負(fù)荷方案的實(shí)施成本；f1為方案線路的實(shí)施成本，由式(1)、(2)得到；f2為方案設(shè)備成本；f3為方案線損折算值，由式(3)可得；f4為方案失電成本，由式(4)計(jì)算；f5為方案所占土地成本，由式(5)求得；P為規(guī)劃區(qū)域內(nèi)負(fù)荷。

通過比較候選方案的f值,f值最小的方案為最優(yōu)方案。

本次中壓開關(guān)站投資建設(shè)決策綜合模型流程圖如圖1所示。

5 算例分析

以新疆烏魯木齊某地區(qū)新建小區(qū)WS的開關(guān)站投資建設(shè)決策為例，采用本文提出的開關(guān)站投資建設(shè)決策綜合模型進(jìn)行評(píng)估分析。

圖1 中壓開關(guān)站投資建設(shè)決策綜合模型流程圖

小區(qū)WS的面積為1000m2，人口為3500人。目前負(fù)荷總量為1000kW，鄰近變電站距離此規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷中心的距離為3km，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)土地當(dāng)年收益大約10萬元，年利率為2.52%，變電站出現(xiàn)間隔及線路走廊費(fèi)用需要8萬元/間隔，YJV22-3×240型電纜單價(jià)為106.98萬元/km，電纜溝單價(jià)為252.45萬元/km。

5.1 負(fù)荷密度法進(jìn)行空間負(fù)荷預(yù)測(cè)

在GIS地里信息系統(tǒng)中進(jìn)行用地性質(zhì)分析及預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果為5年后，此規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷將達(dá)到飽和，飽和滯后負(fù)荷水平為14000kW。飽和前規(guī)劃小區(qū)投資建設(shè)開關(guān)站方案需要兩條10kV進(jìn)線，因此10kV出現(xiàn)間隔2個(gè)，全年停電小時(shí)數(shù)為72小時(shí)，單位停電損失為3000元/小時(shí)，飽和后全年停電小時(shí)數(shù)為60小時(shí)，單位停電損失為7000元/小時(shí)；變電站直接配出方案需要變電站10kV出現(xiàn)間隔1個(gè)；變電站直接配出方案飽和前全年停電小時(shí)數(shù)為40小時(shí)，飽和后停電小時(shí)數(shù)為36小時(shí)。根據(jù)電力規(guī)范該種型號(hào)導(dǎo)線每條10kV線路可帶負(fù)載1400kW，變電站直接配出方案需要變電站10kV出現(xiàn)間隔10個(gè)。

5.2 可行性分析

針對(duì)規(guī)劃區(qū)域新建小區(qū)的具體情況進(jìn)行分析，要求具備投資建設(shè)開關(guān)站方案用地要求，鄰近開關(guān)站沒有空余的10kV 開關(guān)站出線間隔。

5.3 兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

負(fù)荷飽和前后計(jì)算結(jié)果如表2、3 所示，從表中可以得出，就目前規(guī)劃區(qū)域內(nèi)負(fù)荷比較小的情況下，變電站直配方案的經(jīng)濟(jì)性比投資建設(shè)開關(guān)站方案的經(jīng)濟(jì)性好；5年后負(fù)荷飽和之后，開關(guān)站方案的經(jīng)濟(jì)性要比變電站直配方案經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)越。基于長期規(guī)劃考慮，應(yīng)該實(shí)施開關(guān)站投資建設(shè)方案。

表2 負(fù)荷飽和前方案對(duì)比分析表 單位：年、萬元，萬元/kW

表3 負(fù)荷飽和后方案對(duì)比分析表 單位：年、萬元，萬元/kW

6 結(jié)論

本文建立了中壓開關(guān)站投資建設(shè)決策綜合模型：基于GIS地理信息系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷運(yùn)用負(fù)荷密度法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，得到負(fù)荷飽和情況下的負(fù)荷大小；對(duì)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)開關(guān)站投資建設(shè)方案的可行性進(jìn)行分析在投資建設(shè)開關(guān)站方案具有可行性條件下，將投資建設(shè)開關(guān)站方案與變電站直接配出兩種供電方式從經(jīng)濟(jì)性和可靠性兩方面進(jìn)行分析，包括：線路投資、線路走廊及出現(xiàn)間隔費(fèi)用、土地費(fèi)用、線損費(fèi)用、停電損失幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，并計(jì)及資金的時(shí)間價(jià)值。

從上述分析，最終得到負(fù)荷飽和前的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的供電方案，負(fù)荷飽和后的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的供電方案?；陂L期規(guī)劃需求的考慮，選擇負(fù)荷飽和后的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)供電方案為最終規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的供電方案。

結(jié)果表明對(duì)于新增負(fù)荷，要充分考慮其發(fā)展的趨勢(shì)，通過掌握其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)投資建設(shè)開關(guān)站方案進(jìn)行綜合評(píng)估分析，從而得到科學(xué)合理的中壓配電網(wǎng)開關(guān)站投資建設(shè)決策。

[1] 張大立.城市中壓配電網(wǎng)接線與開閉所的位置[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(7)：83-86.

[2] 盧志剛，陳金陽.基于負(fù)載率的配電網(wǎng)變電站與開閉所規(guī)劃[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(6)：62-66.

[3] 鄭賀偉，俞集輝，孫渝江,等.10kV配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模式優(yōu)選的綜合賦權(quán)法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(7)：41-45.

[4] Kennedy J，Eberhart R.Particle swarm optimization[C].Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks，1995(4)：1942-1948.

[5] 王天華，王平洋，袁欽成.空間負(fù)荷預(yù)測(cè)中不確定因素的處理方[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(1)：22-25.

[6] Willis H L.Electric spatial load forecasting [M].M arcel Dekker，Inc,1995.