110kV变电站主变容量阶梯式实施方案的适用性分析

唐勇俊，沈 阅，袁智强

（1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2.国网上海市电力公司，上海 200122）

0 引言

上海作为一个国际化大都市，其土地资源变得越来越稀缺，而且随着社会的发展，人们对于居住地周围环境的要求以及政府各部门对于城市建设的要求越来越高，电网建设的外部环境也日益严峻。面对土地等资源的日益稀缺、社会法制意识的不断增强、政府宏观政策的密集出台、“环境友好型、资源节约型的”刚性制约，电网建设阻力重重，站址落地愈加困难，严重制约了电网发展。因此，合理利用有限的站址和通道资源，建设可持续发展电网显得尤为重要。

未来的上海电网将大量建设110kV变电站（3×80MVA），在相同供电能力的状况下，能够大幅度减少新建的变电站座数，从而节省城市变电站的用地，实现资源节约型、环境友好型变电站建设。但是，由于地区发展的不平衡，上海地区既存在负荷密度大，负荷增长日益趋缓的中心城区；也存在现状负荷密度小，负荷仍保持快速发展的广大郊区；在各郊县也存在负荷相对集中的城镇区、工业区等。若不研究具体状况，而一次建成3×80MVA大容量主变，有可能造成部分区域容载比过高，新建110kV变电站长时间轻负载低效率运行，造成资产的闲置和浪费。为此，有必要对110kV主变容量的阶梯式实施进行分析，从全寿命周期成本（LCC）最低的角度出发，研究主变容量阶梯式实施的适用性。

1 LCC模型

根据LCC的原理，LCC等于建设成本和使用成本之和。考虑到110kV主变容量的阶梯式实施，因此在建设成本中包括初期投入费用与扩建投入费用。另外，考虑到扩建更换下的老旧主变未到寿命年限，可以移至其他变电站继续使用，因此还需在成本中减去老旧设备残值。若老旧设备被闲置或淘汰退役，则可不考虑设备残值。使用成本主要考虑运行过程中主变所产生的线损费用。计算所采用的LCC模型如图1所示。

图1 LCC构成模型图

LCC净现值的计算公式为：

式中：CI为本期变电站的建设费用；CEx为变电站扩建的投资；n为扩建发生的年份；CO为主变年线损费用；SV为变电站扩建当年更换下来的老旧主变的设备残值；r0为折现率；全寿命周期为30年。

1）主变年线损费用计算式：

式中：α为电能综合电价；ΔPl为主变最大负荷损耗；τ为最大负荷损耗小时数。

2）设备残值计算式：

式中：OV为更换下的老旧主变的设备原值；DC为设备年折旧额。

2 LCC计算分析

以3个典型方案为例，对110kV主变容量阶梯式实施的LCC进行计算和分析。

方案一：一次建成3×80MVA主变，10kV出线48回。

方案二：本期建设3×50MVA主变，10kV出线42回；待负荷发展到一定阶段增容为3×80MVA主变，新增10kV出线6回。

方案三：本期建设3×40MVA主变，10kV出线36回；待负荷发展到一定阶段增容为3×80MVA主变，新增10kV出线12回。

按全寿命周期为30年，区域初期负荷约50MW，平均负荷增长率取6%，主变扩容暂安排在第5年考虑，各方案LCC的比较如表1所示。

表1 主变容量阶梯式实施LCC比较

由表1可见，若计提老旧设备残值，则方案二和方案三LCC要小于方案一，即可认为此状况下主变容量阶梯式实施的方案具备技术经济上的优势；若不计提老旧设备残值，则方案二和方案三LCC要大于方案一，即可认为此状况下主变容量阶梯式实施的方案不具备技术经济上的优势。

从现实逻辑角度分析，计提老旧设备残值，即之前投资的小容量主变的价值在更换大容量主变后仍得以延续，而由于阶梯式利用主变容量的方案初期投资成本较小，使得资金的时间价值得以体现，再加上网损的降低，因此阶梯式实施方案的LCC具备天然优势；但是若不计提老旧设备残值，则初期投资的小容量主变的价值存在一定的浪费，此时，当主变扩建的年份越靠后，阶梯式主变实施方案才有可能体现出优势。

考虑不计及老旧设备残值，仍采用上述计算条件计算主变扩建安排在不同年份时的LCC值，并作出了LCC曲线，如图2所示。

由图2可见，随着主变扩建年份的推迟，主变容量阶梯式实施方案的LCC逐渐下降。先期实施50MVA主变的方案，当主变扩建安排在第8年及以后时，LCC开始具备优势；先期实施40MVA主变的方案，当主变扩建安排在第7年及以后时，LCC开始具备优势。

图2 3方案LCC值与主变扩建年份的变化曲线

3 影响阶梯实施方案适用性的因素

由以上分析可知，若考虑继续使用更换下来的小容量主变，则主变容量阶梯实施方案的LCC具备天然优势；若考虑将更换下的小容量主变闲置或退役，则主变容量阶梯实施方案是否具备优势，主要取决于主变扩建的年份。即，初期先建小容量主变，投运不久主变再增容，这时阶梯式实施方案不具备优势；当需要进行主变增容的年份推迟足够久时，阶梯式实施方案才逐渐显现出优势。而决定1个地区先投运1座110kV变电站，经过若干年主变再增容，主要影响因素是地区现状负荷密度、110kV变电站的供电半径以及地区的负荷增长率。

地区现状的负荷密度和110kV变电站的供电半径决定了变电站供电的存量负荷，而存量负荷与地区负荷增长率一并决定了变电站供电的增量负荷。110kV变电站的供电半径以及负荷增长率，在不同区域一般变化幅度不会太大，而不同地区的负荷密度的差异却比较明显。例如2012年，上海A＋类地区（内环以内）平均负荷密度为32.7MW／km2，A类地区（内外环间）平均负荷密度为11.5MW／km2，而B类（外环以外）和C类（崇明三岛）地区平均负荷密度均仅为2.4MW／km2和0.3MW／km2。一个地区拥有较大负荷密度，意味着该地区有着较高的存量负荷，在负荷增长率相当的状况下也意味着更多的增量负荷，主变阶梯式实施方案中主变增容的年份会越提前；反之亦然。因此，地区的负荷密度是上述3个影响因素中的关键因素。

若110kV供电半径取2km，地区负荷增长率取8%，对不同负荷密度地区主变阶梯式实施方案的LCC进行计算，如图3所示。

由图3可见，随着地区负荷密度的增加，主变容量阶梯式实施方案由优势逐渐转化为劣势。

图3 负荷密度对阶梯式实施方案LCC的影响曲线

对比上海地区现状负荷密度，初步可考虑在A＋和A类地区，110kV变电站主变容量按远景规模一次实施到位。B类区域现状比较接近阶梯式实施方案优劣分化的临界点，考虑到区域内部发展的不平衡性，采取何种方案需视具体状况而定，建议区内发展较成熟、负荷相对集中的城镇中心区、大型工业园区可采用一次实施到位的方案，仍处于欠发展、负荷相对分散的区域可考虑阶梯式实施方案。C类区域由于现状负荷密度很小，导致存量负荷较小，即使地区负荷增长率较高，变电站供电半径较大，也仍然不适宜一次性建成3×80MVA主变，建议在该地区可采用主变容量阶梯式实施的方案。

4 结论

1）影响主变容量阶梯式实施方案适应性的主要因素，包括地区现状负荷密度、变电站供电半径和地区负荷增长率。其中，地区现状负荷密度为相对关键的因素。

2）由于上海城市建设发展的不平衡性，不同区域之间在负荷密度、变电站供电半径以及负荷增长率方面均存在一定差异，应视具体状况采取不同的110kV变电站主变容量实施方案。

3）A＋和A类地区由于负荷密度较大，一般可采用主变容量按远景规模3×80MVA一次实施到位的方案；B类区域现状比较接近阶梯式实施方案优劣分化的临界点，考虑到区域内部发展的不平衡性，采取何种方案需视具体状况而定；C类区域由于现状负荷密度很小，导致存量负荷较小，不适宜一次性建成3×80MVA主变，建议在该地区可采用主变容量阶梯式实施的方案。