曾澤虎

（成都恒華電力科技咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

0 引言

在電網(wǎng)規(guī)劃中，變電站選址、變電站和輸電線路的經(jīng)濟(jì)性和規(guī)范性變得越來越重要。電網(wǎng)規(guī)劃是電力系統(tǒng)規(guī)劃中的一種，是整個社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。合理的電網(wǎng)規(guī)劃能促進(jìn)公司資產(chǎn)管理等相關(guān)方面的綜合平衡和有機(jī)統(tǒng)一，提高公司的綜合管理水平。

在美國和瑞典，全壽命周期成本LCC（life cycle cost）理論已經(jīng)成功地在電力系統(tǒng)的分析和管理中得到了應(yīng)用[1-2]。在電力系統(tǒng)長期規(guī)劃中，考慮到隨著運(yùn)行年份的增加，操作費(fèi)用和維修費(fèi)用也隨之成比例增加，在對輸電線路規(guī)劃方案進(jìn)行選擇時，要優(yōu)化調(diào)整時間，使得成本達(dá)到最優(yōu)?？紤]到電網(wǎng)規(guī)劃的運(yùn)行周期，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行年限不同，得出相應(yīng)的全壽命周期成本[3]?；谌珘勖芷?，計算增供電量、可靠性及降損等效益，通過比較收益成本指標(biāo)來確定最優(yōu)規(guī)劃方案[4]。本文通過對變電站位置選取進(jìn)行建模，比較變電站和輸電線路不同運(yùn)行年限的年費(fèi)用[5]，并結(jié)合可靠性以及與后期電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展的適應(yīng)性確定最優(yōu)的規(guī)劃方案。

1 變電站選址方法

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃整體流程

電網(wǎng)規(guī)劃的主要工作可以分為資料收集、數(shù)據(jù)處理、確定架構(gòu)以及成果分析4 個階段，包含邊界條件的確定、社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀分析、電力系統(tǒng)現(xiàn)狀分析、電力需求預(yù)測、電源建設(shè)、電力電量平衡、變電站選址定容、網(wǎng)絡(luò)方案論證、電氣計算、輸變電項目建設(shè)及投資估算等多個方面。

1.2 考慮全壽命周期的電網(wǎng)規(guī)劃分析

將LCC 理論應(yīng)用到電網(wǎng)規(guī)劃中，可以在保證可靠性[6]的前提下，使得電網(wǎng)得以獲得最優(yōu)化的收益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)整體收益的最大化[7]。在電網(wǎng)輸電規(guī)劃中，基于確定性的電力傳輸規(guī)劃（或冗余規(guī)劃），將其表示為最廣泛使用和滿足要求的N-X標(biāo)準(zhǔn)?；贜-X標(biāo)準(zhǔn)，很多文章都關(guān)注研究探索新的數(shù)學(xué)模型和算法，其中包括差分進(jìn)化算法和遺傳算法[8-9]。一般來說，概率法處理的是N-X準(zhǔn)則在評估經(jīng)濟(jì)效益和建設(shè)成本中出現(xiàn)無效的情況。然后，可以確定最優(yōu)方案，避免或推遲不必要的結(jié)構(gòu)?；谶@一理念的一些研究工作試圖建立新的經(jīng)濟(jì)模型，并應(yīng)用新的標(biāo)準(zhǔn)，如擴(kuò)展規(guī)劃優(yōu)化的供電量期望值EENS（expected energy not supplied）[10]。

在國內(nèi)的輸電線路規(guī)劃中，輸電規(guī)劃的基礎(chǔ)是確定變電站的選址及應(yīng)該構(gòu)造多少條線，結(jié)合當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)實(shí)情況規(guī)劃線路的走向，并在一系列約束條件下盡可能減少總建設(shè)成本。在本文中，電網(wǎng)的規(guī)劃成本是根據(jù)生命周期成本模型計算的，其中包括建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)營成本、維護(hù)費(fèi)用[11-13]等。一般來說，模型可以描述為

其中，CI為電網(wǎng)建設(shè)的初始費(fèi)用；CO為電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用；CF為電網(wǎng)故障損失費(fèi)用；CD為設(shè)備的退役處置成本。

1.3 變電站選址確定

在電網(wǎng)規(guī)劃中，主要基于城市格局、區(qū)域負(fù)荷大小和配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來對變電站進(jìn)行選址定容。根據(jù)該區(qū)域的負(fù)荷需求和輸電線路長度最短，確定變電站建設(shè)的最優(yōu)位置及其合理的供電范圍。

1.3.1 變電站位置選擇

某區(qū)域內(nèi)變電站建設(shè)時，在變電站容量允許的條件下，可選擇的變電站建設(shè)點(diǎn)有多個，則該區(qū)域的規(guī)劃線路由其最近變電站出線，由此將整個區(qū)域劃分為多個較小區(qū)域，而每個區(qū)域就是該變電站的負(fù)荷需求范圍[14-15]。

a）目標(biāo)函數(shù)。在變電站建設(shè)范圍內(nèi)，按要求建立優(yōu)化目標(biāo)為：各個小范圍內(nèi)建設(shè)的輸電線路到達(dá)變電站的加權(quán)總距離之和最小，目標(biāo)函數(shù)為

其中，minSLi，j為第i負(fù)荷區(qū)域到m個變電站距離最優(yōu)；Ai為第i個負(fù)荷區(qū)域需接入的線路數(shù)；m為變電站建設(shè)個數(shù)。

b）約束條件。約束條件有3 個，一是變電站位置建設(shè)約束，二是變電站容量約束，三是輸電線路建設(shè)約束。

第一，變電站位置建設(shè)約束。變電站選址一般選在靠近居民負(fù)荷集中的地方，故變電站建設(shè)的位置要在負(fù)荷集中的范圍內(nèi)，即變電站的建設(shè)位置約束為

其中，D為變電站可供建設(shè)區(qū)域。

第二，變電站容量約束。變電站容量約束為

其中，Wj為負(fù)荷點(diǎn)j的有功負(fù)荷；Si為第i座新建變電站容量；e（Si）為第i座新建變電站的負(fù)載率；cosφ為功率因數(shù)，并且任意的j∈Ji，而J1∪J2∪…=J。

第三，輸電線路建設(shè)約束。電網(wǎng)規(guī)劃中輸電線路的建設(shè)受到現(xiàn)有和規(guī)劃中的電纜管道及線桿位置約束。即輸電線路建設(shè)的位置約束為

其中，G（x，y）為輸電線路約束；A為現(xiàn)有及規(guī)劃中線路安置點(diǎn)集合；Li，j為輸電線路安置點(diǎn)指標(biāo)；Gj為第j安置點(diǎn)坐標(biāo)。

1.3.2 教學(xué)優(yōu)化算法

在本文中，希望電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)，因此要根據(jù)建立的目標(biāo)模型的特點(diǎn)，選取教學(xué)優(yōu)化算法TLBO（teaching learning based optimization）來進(jìn)行尋優(yōu)求解。該種算法通過“教”和“學(xué)”來尋求最優(yōu)解，類似于老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的過程。TLBO 算法具有計算精度高、運(yùn)算量小、收斂速度快、不受算法參數(shù)變化制約、對于非線性優(yōu)化全局收斂性好等特點(diǎn)，并且只需設(shè)置群體數(shù)量、算法結(jié)束條件，即可求解優(yōu)化問題[16-18]。本次優(yōu)化目標(biāo)為單目標(biāo)，要求收斂速度快，因此TLBO 算法較為適用。在本文中，將變電站規(guī)劃站點(diǎn)作為變量，尋求線路規(guī)劃總長最小為目標(biāo)。

1.3.3 考慮TLBO 算法的年費(fèi)用經(jīng)濟(jì)模型

在所供選擇的供電方案中，都必須滿足同樣的電力需求。在運(yùn)用全壽命周期對方案進(jìn)行選擇時，只需要計算各個方案的總經(jīng)濟(jì)成本，并且將費(fèi)用最少作為選擇的標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，運(yùn)用在TBLO 算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的年費(fèi)用法，最終根據(jù)年費(fèi)用判定其經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

年費(fèi)用的計算，其分解結(jié)構(gòu)模型不必涵蓋全壽命周期內(nèi)的全部費(fèi)用。此處，在CLCC計算較小并且難以精確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，但在輸電線路規(guī)劃中如果由于線路長度差異較大，所帶來的退役成本的影響不能忽略。

在本文中，我們假設(shè)設(shè)備是嚴(yán)格根據(jù)規(guī)劃設(shè)計年限退役，不會因?yàn)橥獠康囊蛩囟崆巴艘?。在這個假設(shè)下，一些設(shè)備可能會根據(jù)使用年限的變化調(diào)整投資成本的變化。例如，周期的計算是30 a，而設(shè)備的生命周期為15 a，20 a 和25 a。

通常，維護(hù)成本與建設(shè)成本成正比，并逐年增加。在本文中，兩個常量被用來表示維護(hù)成本和建設(shè)成本；體現(xiàn)其隨著建設(shè)成本增加而增加。此外，由于該方法是長期規(guī)劃，所以也要考慮到折現(xiàn)率，其模型為

其中，CI為建設(shè)成本；F（x）為線路總長度最優(yōu)值，km；C0為單位長度線路的投資，萬元/km；Cf為開關(guān)（負(fù)荷開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜）的投資；N為線路段數(shù)及線路相關(guān)聯(lián)絡(luò)數(shù)合計值；β為建設(shè)決策因數(shù)。

因此，我們可以把平均分布在n年的年總費(fèi)用數(shù)學(xué)模型設(shè)成

其中，CA為維護(hù)成本；CI為建設(shè)成本；PAI為每年折算率；CO為線路維護(hù)成本；CF為變電站損失費(fèi)用；n為經(jīng)濟(jì)使用年限；R0為折現(xiàn)率；CLLoss為線路損失費(fèi)用；CLW為線路維護(hù)費(fèi)用；CDLoss為直接損失費(fèi)用；CILoss為間接損失費(fèi)用。

2 負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)性

電網(wǎng)規(guī)劃不僅要使得規(guī)劃后的電網(wǎng)能滿足目前的負(fù)荷需求，還要考慮能否滿足n年后的負(fù)荷需求，所以在電網(wǎng)規(guī)劃中有必要考慮負(fù)荷的適應(yīng)性因素。負(fù)荷的適應(yīng)性包含負(fù)荷大小適應(yīng)性、負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)性和負(fù)荷波動適應(yīng)性，可用于電網(wǎng)規(guī)劃中對于規(guī)劃變電站和線路是否能與當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)發(fā)展相適應(yīng)。

負(fù)荷大小適應(yīng)性：用以判定該系統(tǒng)最大供電能力與城市負(fù)荷大小匹配度。假設(shè)年最大日負(fù)荷為Ldmax，正常日負(fù)荷為Ld，功率因數(shù)為cosφ，則有

其中，SN-1為城市負(fù)荷的大??；x1∈（100%，120%），x2∈（75%，85%）時表明系統(tǒng)供電能力與當(dāng)前負(fù)荷大小相匹配。

負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)性：用以判定該系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)n年不變的前提下，其供電能力是否與n年后負(fù)荷總量相適應(yīng)，這可用于電網(wǎng)規(guī)劃中所增加線路和變電站是否能適應(yīng)n年后的負(fù)荷發(fā)展需求。設(shè)定現(xiàn)有負(fù)荷數(shù)值為Ld，系統(tǒng)的功率因數(shù)為cosφ，負(fù)荷預(yù)測得出n年的負(fù)荷年增長率分別為ρ1，ρ2，…，ρn，則該系統(tǒng)裕度為SN-1-Ld/cosφ；則n年后負(fù)荷為Ld（1+ρ1）（1+ρ2）…（1+ρn）需滿足

取

式（16）中，對于x的取值，在合適的范圍內(nèi)時，如取x∈（95%，125%），則說明系統(tǒng)的發(fā)展適應(yīng)性合理，否則不合理。

負(fù)荷波動適應(yīng)性：主要分析系統(tǒng)是否適應(yīng)氣候氣溫等因素帶來的城市負(fù)荷波動變化。

3 算例分析

以某市開發(fā)區(qū)的電網(wǎng)規(guī)劃為例進(jìn)行分析。該城區(qū)處于規(guī)劃建設(shè)階段，通過收集電網(wǎng)公司的資料和現(xiàn)場勘查，我們做出了下面的分析。

3.1 負(fù)荷需求分析確定

通過對收集到的相關(guān)資料和國民經(jīng)濟(jì)有關(guān)部門的資料進(jìn)行整理分析，根據(jù)資料的直接相關(guān)性、可靠性和最新性等特點(diǎn)，挑選出有用的部分做出了該地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測，其結(jié)果如表1 所示。

表1 該地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果表

根據(jù)本文中所提出的方法對該地區(qū)的負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)性進(jìn)行分析，可以得出，負(fù)荷發(fā)展適應(yīng)因數(shù)x∈（90%，120%），電網(wǎng)供電能力能較好地適應(yīng)負(fù)荷發(fā)展水平。

3.2 變電站選址分析

在現(xiàn)有管廊和線桿等設(shè)施的基礎(chǔ)上，以輸電線路的總距離為目標(biāo)，利用TLBO 算法來確定變電站的最優(yōu)站址。根據(jù)實(shí)際情況得出，可規(guī)劃的變電站的數(shù)量為2~5 個，不同建設(shè)方案線路總長度如表2所示。

表2 不同建設(shè)方案線路總長度

由表2 可以得出，隨變電站建設(shè)數(shù)量的增加，輸電線路的最優(yōu)總長度隨之減少，在變電站建設(shè)4～5 個之間時，總長度減少比例相差較小。

3.3 規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性比較

考慮到電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性，引入電網(wǎng)全壽命周期理論比較各個規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性，具體情況如表3、表4 所示。

表3 該地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)投資表單位：萬元

表4 該地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)年費(fèi)用表單位：萬元

由表3、表4 可知，方案1 中在設(shè)備運(yùn)行年限為15 a、20 a、25 a 時相比方案3 的年費(fèi)用依次多504.6 萬元、473.6 萬元、436.7 萬元，可以得出方案3 的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于方案1；方案2 運(yùn)行年限為15 a、20 a、25 a 時相比方案3 的年費(fèi) 用依次多127.8 萬元、128.6 萬元、116 萬元，方案3 的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案2；方案4 運(yùn)行年限為15 a、20 a、25 a 時的年費(fèi)用相比方案3 依次多18.8 萬元、13.1 萬元、6.5 萬元，可以得出方案4 和方案3 的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)?？紤]到電網(wǎng)規(guī)劃的靈活性，方案4 在該地區(qū)與臨近城區(qū)處建立變電站，使得該城區(qū)在以后的發(fā)展規(guī)劃中更加靈活，能更好地適應(yīng)新城區(qū)的發(fā)展，所以綜合考慮選取方案4 作為最優(yōu)的規(guī)劃方案。

4 結(jié)束語

本文基于實(shí)際的電網(wǎng)規(guī)劃方案，結(jié)合全壽命周期模型，運(yùn)用TLBO 算法，以輸電線路的總長度最短為尋優(yōu)目標(biāo)，對變電站進(jìn)行選址，選出4 種規(guī)劃方案，通過對規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和發(fā)展適應(yīng)性的多方面綜合分析，確定了最優(yōu)方案。通過實(shí)際案例的分析，驗(yàn)證了在全壽命周期模型的基礎(chǔ)上，對年費(fèi)用改進(jìn)后算法的有效性，通過該方法確定的最優(yōu)方案是合理的，并且具有較高的效率及準(zhǔn)確性。全壽命周期成本分析的方法在電網(wǎng)成本管理中起著重要的作用，為電網(wǎng)管理工作提供了嶄新的思路和高效的手段，使得規(guī)劃后的電網(wǎng)能較大幅度地提高整體的效能，并促進(jìn)企業(yè)投資決策的定量化和精益化發(fā)展。