一种基于全寿命周期模型的配电网节能效益评测方法与流程

本发明涉及一种基于全寿命周期模型的配电网节能效益评测方法，属于电力系统监测、分析和控制技术领域。

技术背景

为应对日趋紧张的能源形势，节约能源，打造绿色生态环境，我国正积极开展各项配电网节能改造工作。配电网节能改造常采用增设无功补偿装置、更换节能输变电设备等措施，改造成本不仅包括更换配电变压器、导线、增设无功补偿装置等设备费用，还包括场地、人工费用，成本计算较为复杂，且实际配电网改造工程一般会受到资金的限制，而配电网改造项目往往更重视技术，对经济性分析研究重视程度不够。因此，需要对各项改造成本进行分析，为改造方案的决策提供依据。

针对配电网改造工程成本分析问题，目前已有一些研究。文献“基于改进层次分析法的配电网中压改造项目迫切度分析”针对配电网改造资金不足的问题，提出10kV馈线的改造迫切度概念，为科学有效安排改造项目优先次序提供依据，但只考虑了初始投资成本，而配电网改造项目投运时间长，相比与初始投资成本，在运行期间的费用一般会占有不可忽视的比重；文献“基于灰关联加权的配电网紧凑型节能改造投资规划”为充分利用改造资金,采用灰关联加权分析方法，建立改造投资分配的粗规划模型，但没有对各项改造措施成本进行具体分析，没有建立具体的配电网节能改造成本模型；文献“配电网节能改造优化建模研究”建立了导线更换和中低压无功配置协同优化的配电网节能改造优化模型，在成本计算中，计及了设备更换或增设的初始投资成本以及配电网的年网损费用，但是没有考虑改造后投入使用过程中产生的检修成本及最终的报废处置成本；文献“基于LCC的配电网电压偏差治理措施的优化”从全寿命周期的角度，考虑了配电网改造的各项成本，但是计算导线的运行损耗成本时，采用额定电流来估算损耗的方法，没有考虑负荷水平对运行成本的影响。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术所需解决的技术问题提供一种基于全寿命周期模型的配电网节能效益评测方法。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于全寿命周期模型的配电网节能效益评测方法，包括以下步骤：

1)引入设备购置安装成本、设备运行成本、设备检修成本、设备报废处置成本的概念，建立配电网改造的全寿命周期成本模型；

2)运用现金流量法，将每项成本都转化为现值计算，建立基于资金时间价值的配电网改造成本模型；

3)引入配电变压器运行损耗和配电线路运行损耗，并根据负荷的季节特性以及配电变压器、配电线路损耗的计算公式建立的配电变压器和配电线路年运行损耗数学模型；

4)引入改造措施的设备购置安装成本、设备运行成本、设备检修成本具体的计算模型，并将此三个模型代入配电网改造的全寿命周期成本模型，得到配电变压器改造、配电线路改造和增设无功补偿装置三种配电网改造措施的全寿命周期成本。

作为优化，所述步骤1)中：

配电网改造的全寿命周期成本费用包括设备购置安装成本、设备运行成本、设备检修成本、设备报废处置成本四个部分，综合考虑项目从规划设计、建设、运行直至报废的一系列费用，用式(1)表示；其中，设备购置安装成本包括设备购置费用和安装费用；设备运行成本为电能损耗费用；设备检修成本是检修人工费用和材料费用；设备报废处置成本为设备达到使用寿命时，除去设备残值的报废清理费用，由于配电设备的残值很大，设备报废处置成本往往为负值；

LCC＝C_I+C_O+C_M+C_D (1)

式中，LCC为配电网改造全寿命周期成本；C_I为配电网改造设备购置安装成本；C_O为配电网改造设备运行成本；C_M为配电网改造设备检修成本；C_D为配电网改造设备报废处置成本。

作为优化，所述步骤2)包括：

在实际配电网改造中，设备购置安装成本在改造初始时期产生，设备运行成本、设备检修成本发生在整个设备使用过程中，报废处置成本发生在设备寿命终止时；几项成本发生时间跨度较大，为方便分析比较不同时间产生的成本，运用 现金流量法，将每项成本都转化为现值计算；

基于资金时间价值的配电网改造全寿命周期成本为：

式中，C_I是设备购置安装成本，为现值；C_Oa是设备运行成本的等年值；C_Ma是设备检修成本等年值；C_Df是设备报废处置成本，为未来值；i为贴现率；n为设备使用寿命。

作为优化，所述步骤3)中：

配电变压器损耗由空载损耗和负载损耗两部分构成，受负荷水平影响的为负载损耗；配电线路有功损耗主要和线路电阻及负荷水平相关，线路电阻则由线路型号和线路长度决定；

配电变压器运行损耗的计算公式为：

式中，ΔP_T为配电变压器的运行损耗；P_f为配电变压器的空载损耗；ΔP_Cu为配电变压器的负载损耗；β为配电变压器的负载率；ΔP_CuN为配电变压器在额定电流下工作的铜损；

配电线路运行损耗的计算公式为：

式中，ΔP_L为配电线路的运行损耗；P为配电线路上的有功负荷；Q为配电线路上的无功负荷；U为线路电压；r为线路电阻；ρ为线路电阻率；L为线路长度；

依据负荷的季节特性以及配电变压器、配电线路损耗的计算公式，从四季中分别取一天的典型日负荷，首先计算每个季节典型日的配电变压器、配电线路的运行损耗，再根据四季在一年中占时，对计算结果进行加权求和，得出一年的运 行损耗，最后乘以上网电价，得出一年的运行损耗成本；

建立的配电变压器和配电线路年运行损耗数学模型为：

式中，ΔP_Ta，ΔP_La分别为配电变压器和配电线路的年运行损耗；i为四季的序号，1为春季，2为夏季，3为秋季，4为冬季；α_i为季节权重；ΔP_Ti，ΔP_Li分别为对应季节典型日的配电变压器和配电线路一天损耗；一年取为365天。

作为优化，所述步骤4)中：

配电变压器改造具体措施为更换损耗过大的配电变压器，配电线路改造的具体措施为扩大架空导线线径，增设无功补偿装置的具体措施为增设并联电容器，进行中压侧集中补偿；

配电变压器改造和导线改造的设备购置安装成本计算都是在购置成本的基础上，乘以相应的附件投资和施工费用的系数，而并联电容器设备购置安装成本则取为20元/kVar，具体如式(6)所示：

式中，C_TI、C_LI、C_QI分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的投资成本；C_TIP为配电变压器的购置成本；120％为计入附件投资和施工费用的系数；L为更换的导线长度，P_L为导线的单价；161％为计入附件投资和施工费用的系数；S_c为并联电容器容量；

配电变压器检修周期基本固定，且每次检修费用基本相近，采用年检修次数乘以平均每次的检修费用计算其年检修费用，与配电变压器的型号，检修难易程度相关；而10kV配电线路则采用年检修费用为3000元/km的经验模型，并联电容器的检修成本不单独计算，归到配电网其他元器件的检修成本中，具体如式(7)所示：

式中，C_TMa、C_LMa、C_QMa分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的检修成本；N_M为配电变压器每年的检修次数；C_a为平均每次的检修费用；

配电网改造的运行成本考虑负荷的时序特性，配电变压器改造和导线改造的年运行成本是在年运行损耗的基础上，乘以上网电价得到；而并联电容器在正常运行的情况下，损耗可以忽略不计，所以运行成本计为零，具体如式(8)所示：

式中，C_TOa、C_LOa、C_QOa分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的运行成本；C_PE上网电价；

设备的报废处置成本方面取为负值，为设备购置安装成本的5％。则式(2)可以改写为：

将式(6)、(7)、(8)代入式(9)即可得到配电变压器改造、配电线路改造和增设无功补偿装置三种配电网改造措施的全寿命周期成本。

有益效果：本发明与现有技术相比：

本发明从更换节能输变电设备和增设无功补偿装置角度，结合全寿命周期成本概念，综合考虑配电网改造各阶段成本，重点分析配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置这三项改造措施的全寿命周期成本；各项成本发生时间跨度大，运用现金流量法，将投资费用统一转化为设备寿命周期初期的现值；结合居民负荷的季节特点，提出依据负荷季节特性计算设备运行成本的方法，为 10kV中压配电网改造投资提供参考思路。

本发明针对配电网改造成本分析问题，建立了计及负荷时序特性的配电网节能改造全寿命周期成本模型，并分别归纳为配电变压器改造、配电线路改造和无功补偿改造全寿命周期成本模型，运用现金流量法，将成本转化为现值，得出以下结论：

1)相较于全寿命周期成本，配电网改造初期的设备购置安装成本占比较小，在配电网改造规划时，应该充分考虑整个改造和使用周期的成本；

2)随着时间的积累，计及/不计负荷季节特性运行损耗计算结果有较大差异，计及负荷季节特性的运行损耗计算更贴近实际情况。

附图说明

图1为四季典型日负荷曲线；

图2为某配电网线路的拓扑图；

图3为购置安装成本与全寿命周期成本关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和包含不限于此。

1考虑资金时间价值的配电网改造全寿命周期成本模型

1.1配电网改造的全寿命周期成本模型

配电网改造的全寿命周期成本费用包括设备购置安装成本、设备运行成本、设备检修成本、设备报废处置成本四个部分，综合考虑了项目从规划设计、建设、运行直至报废的一系列费用，用式(1)表示。其中，设备购置安装成本一般包括设备购置费用和安装费用；设备运行成本主要为电能损耗费用；设备检修成本主要是检修人工费用和材料费用；设备报废处置成本为设备达到使用寿命时，除去设备残值的报废清理费用，由于配电设备的残值很大，设备报废处置成本往往为负值。

LCC＝C_I+C_O+C_M+C_D (1)

式中，LCC为配电网改造全寿命周期成本；C_I为配电网改造设备购置安装成本；C_O为配电网改造设备运行成本；C_M为配电网改造设备检修成本；C_D为配电网改造设备报废处置成本。

1.2考虑资金时间价值的配电网改造成本模型

在实际配电网改造中，设备购置安装成本在改造初始时期产生，设备运行成本、设备检修成本发生在整个设备使用过程中，报废处置成本发生在设备寿命终止时。几项成本发生时间跨度较大，为方便分析比较不同时间产生的成本，本发明运用现金流量法，将每项成本都转化为现值计算。

考虑资金时间价值的配电网改造全寿命周期成本为：

式中，C_I是设备购置安装成本，为现值；C_Oa是设备运行成本的等年值；C_Ma是设备检修成本等年值；C_Df是设备报废处置成本，为未来值；i为贴现率；n为设备使用寿命(年)。

2计及负荷时序特性的配电网节能改造全寿命周期成本模型

在上述全寿命周期成本中，设备的运行成本C_Oa往往与负荷水平相关，以下着重分析负荷时许特性对配电变压器和配电线路运行成本的影响。

2.1负荷时序特性对配电网运行成本的影响分析

配电变压器损耗由空载损耗和负载损耗两部分构成，受负荷水平影响的为负载损耗。配电线路有功损耗主要和线路电阻及负荷水平相关，线路电阻则由线路型号和线路长度决定。

配电变压器运行损耗的计算公式为：

式中，ΔP_T为配电变压器的运行损耗(kW)；P_f为配电变压器的空载损耗(kW)；ΔP_Cu为配电变压器的负载损耗(kW)；β为配电变压器的负载率；ΔP_CuN为配电变压器在额定电流下工作的铜损(kW)。

配电线路运行损耗的计算公式为：

式中，ΔP_L为配电线路的运行损耗(kW)；P为配电线路上的有功负荷(kW)；Q为配电线路上的无功负荷(kVar)；U为线路电压(kV)；r为线路电阻(Ω)；ρ为线路电阻率(Ω/m)；L为线路长度(m)。

分析式(3)、(4)发现，ΔP_T，ΔP_L与负荷都成非线性关系，若用一个负荷断面来代替全年的负荷水平计算年运行损耗，将很难客观反映真实的运行情况，特别是从全寿命周期角度考虑，改造后的配电变压器和线路往往将长期投入使用，这样计算出的运行成本将产生较大误差。

以居民负荷为研究对象，典型的四季24点日负荷曲线如图所示。分析图1发现，夏季的负荷最高，春秋季的负荷较低，负荷随季节的变化明显。

依据负荷的季节特性以及配电变压器、配电线路损耗的计算公式，本发明从四季中分别取一天的典型日负荷，首先计算每个季节典型日的配电变压器、配电线路的运行损耗，再根据四季在一年中占时，对计算结果进行加权求和，得出一年的运行损耗，最后乘以上网电价，得出一年的运行损耗成本。

建立的配电变压器和配电线路年运行损耗数学模型为：

式中，ΔP_Ta，ΔP_La分别为配电变压器和配电线路的年运行损耗；i为四季的序号，1为春季，2为夏季，3为秋季，4为冬季；α_i为季节权重；ΔP_Ti，ΔP_Li分别为对应季节典型日的配电变压器和配电线路一天损耗；一年取为365天。

2.2配电设备节能改造全寿命周期成本模型

配电变压器，配电线路以及无功补偿装置三者的安装复杂程度、检修难易程度以及运行方式不尽相同，产生成本的计算方法也不一致。以下分别说明三项改 造措施的设备购置安装成本、设备运行成本、设备检修成本具体的计算模型。本发明研究的配电变压器改造具体措施为更换损耗过大的配电变压器，配电线路改造的具体措施为扩大架空导线线径，增设无功补偿装置的具体措施为增设并联电容器，进行中压侧集中补偿。

配电网改造的设备购置安装成本采用工程经验模型，配电变压器改造和导线改造的设备购置安装成本计算都是在购置成本的基础上，乘以相应的附件投资和施工费用的系数，而并联电容器设备购置安装成本则取为20元/kVar，具体如式(6)所示。

式中，C_TI、C_LI、C_QI分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的投资成本；C_TIP为配电变压器的购置成本；120％为计入附件投资和施工费用的系数；L为更换的导线长度(km)，P_L为导线的单价(元/km)；161％为计入附件投资和施工费用的系数；S_c为并联电容器容量。

设备检修成本方面也采用工程经验模型，其中配电变压器检修周期基本固定，且每次检修费用基本相近，采用年检修次数乘以平均每次的检修费用计算其年检修费用，与配电变压器的型号，检修难易程度相关；而10kV配电线路则采用年检修费用为3000元/km的经验模型，并联电容器的检修成本不单独计算，归到配电网其他元器件的检修成本中，具体如式(7)所示。

式中，C_TMa、C_LMa、C_QMa分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的检修成本；N_M为配电变压器每年的检修次数；C_a为平均每次的检修费用。

配电网改造的运行成本考虑负荷的时序特性，配电变压器改造和导线改造的年运行成本是在年运行损耗的基础上，乘以上网电价得到；而并联电容器在正常 运行的情况下，损耗可以忽略不计，所以运行成本计为零，具体如式(8)所示。

式中，C_TOa、C_LOa、C_QOa分别为配电变压器改造、配电线路改造、增设无功补偿装置的运行成本；C_PE上网电价(元/千瓦时)。

设备的报废处置成本方面依据工程经验取为负值，为设备购置安装成本的5％。则式(4)可以改写为：

将式(6)、(7)、(8)代入式(9)即可得到配电变压器改造、配电线路改造和增设无功补偿装置三种配电网改造措施的全寿命周期成本。

3算例分析

以某配电网改造为例，计算改造方案的全寿命周期成本和降损效果。线路的拓扑图如图2所示，配变、导线以及电缆的情况如表1、表2所示。

表1配电变压器信息

表2 10kV导线信息

表3改造后年运行成本

对此地区10kV配网进行损耗分析计算，对损耗大的部分进行改造。分析计算结果发现，此地区配电变压器型号老旧，容量过小，不能满足符合供电需求，部分配电线路线径过小，损耗过大，并且缺少无功补偿，线路末端电压过低。针 对以上情况，改造方案具体如下：将1号、2号配变增容至200kVA，将11号配变增容至100kVA。将导线0-1,2-3更换为LGJ-120，另外在高压侧增设300kVar的无功固定补偿。全寿命成本计算中，设备寿命取为20年，贴现率取为8％；南京地区的四季权重分别为：春季0.175，秋季0.169，夏季和冬季为0.329。

改造后的年运行成本如表3所示，每个季节的运行成本占比为：春季和秋季都为15％，夏季为40％，冬季为30％。改造前后各季节典型日损耗对比如表4所示。改造方案的全寿命周期成本如表5所示。购置安装成本与全寿命周期成本的关系如图3所示，购置安装成本占整个全寿命周期成本的15.54％。

表4改造前/后各季节典型日损耗对比

表5改造方案全寿命周期成本

表6计及/不计负荷季节特性运行成本对比

计及/不计负荷季节特性的运行成本对比如表6所示，其中，总运行成本折现差值为计及/不计负荷季节特性的总运行成本折现相减，这个差值与LCC折现成本相比，为LCC折现成本的7.57％。

分析表4发现，改造后配电网的损耗有所降低，其中，夏季降损效果最明显，依照夏季典型日负荷计算，对比改造前后计算结果，一天内降低损耗为44.76千瓦时。分析表3、表4发现，年运行损耗中，夏季和冬季的损耗较大，因为算例研究对象为居民负荷，夏季和冬季的空调负荷增加，使得损耗也相应增加。分析表5和图3发现，项目的初始投资成本即购置安装成本只占整个全寿命周期成 本的15.54％，若只关注项目的初始投资，忽略在全寿命周期中的运行成本、检修成本和报废处置成本，得到的改造方案不能保证在整个全寿命周期中经济性最优。分析表5和表6发现，若不计负荷的季节特性，仅用一个典型的负荷值去计算全年的运行成本，得出的结果与考虑负荷季节特性的运行成本有较大差异，虽然在一年之内的差异并不明显，但随着时间的推移，差异的积累，这个差值将占到整个LCC折现成本的7.57％。

4结语

本发明针对配电网改造成本分析问题，建立了计及负荷时序特性的配电网节能改造全寿命周期成本模型，并分别归纳为配电变压器改造、配电线路改造和无功补偿改造全寿命周期成本模型，运用现金流量法，将成本转化为现值，得出以下结论：

1)相较于全寿命周期成本，配电网改造初期的设备购置安装成本占比较小，在配电网改造规划时，应该充分考虑整个改造和使用周期的成本；

2)随着时间的积累，计及/不计负荷季节特性运行损耗计算结果有较大差异，计及负荷季节特性的运行损耗计算更贴近实际情况。