(新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

開關站是將高壓電力分別向周圍的幾個用電單位供電的電力設施，位于電力系統中變電站的下一級，其電源進線側和出線側的電壓相同。隨著城市負荷密度的增大，城市配電網中投資建設了越來越多的電壓開關站。

開關站宜建于城市主要道路的路口附近、負荷中心區(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。

針對中壓配電網中開關站的投資建設決策問題，國內一些專家學者進行了研究與分析。文獻[1]論述了城市中壓配電網多種接線方式下開關站的配置和銜接方法。文獻[2] 以負載率為主線，推導出用負荷密度和負載率表示的費用公式，對已建成變電站區(qū)域又有新增負荷點的情況，根據負載率的大小考慮是否增設開關站。文獻[3] 提出網架規(guī)劃的綜合賦權法,主要針對10kV配電網典型網架模式，將綜合賦權法應用于10kV配電網模型規(guī)劃，從技術性、經濟性、可行性、可發(fā)展性4個方面對網架模式進行優(yōu)選，文中的網架模式包括開關站輻射型接線和環(huán)網單元環(huán)型接線兩種方式。

上述文獻從接線模式、負載率等角度對開關站在中低壓配電網中的配置進行了研究并取得了一定的研究成果,但是對于在中壓配電網中投資建設開關站的決策問題沒有進行研究,尤其沒有考慮到負荷飽和前后最優(yōu)的供電方案是否應當有所變化。本文首先運用負荷密度法進行空間負荷預測,在可行性的基礎上,建立經濟性和可靠性模型,對投資建設開關站與變電站直配兩種方式在用地、線路及設備投資、網損等方面進行經濟性分析,將可靠性指標中的失電損失轉化為經濟性指標綜合計算,計及資金的時間價值,對負荷飽和前后的最優(yōu)方案進行對比分析,考慮長期投資效果,最終往往選取負荷飽和后的最優(yōu)供電方案實施。

2 負荷預測

2.1 負荷密度法

區(qū)域負荷預測是進行配電網規(guī)劃的基礎,較為準確地對規(guī)劃區(qū)域的負荷增長情況進行預測,才能對開關站是否投資建設這一問題進行準確決策分析。

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荷密度曲線得出，典型負荷密度曲線的變化由終端負荷預測方法來預測。因此，空間負荷預測可以轉化成土地分布預測，只要預測出了各用地類型的用地空間分布，簡單的負荷疊加運算就可以求出負荷的空間分布。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

在空間負荷預測中,需要根據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規(guī)劃中是一項重要工作，所有的改造實施計劃都是基于可行性分析的基礎上研究完成的。開關站投資建設策略主要包括兩個方面：開關站占地、線路走廊、總體規(guī)劃等指標的可行性分析；在規(guī)劃區(qū)域附近是否有空的開關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，則認為具備開關站投資建設的基本條件；反之，則不具備開關站投資建設的基本條件。

若對規(guī)劃區(qū)域負荷預測后，顯示新增負荷很小，規(guī)劃區(qū)域附近的開關站又有空的出線間隔滿足新增負荷的需要，那么建開關站是不經濟的。換言之，此種情況下投資建設開關站的可行性為零，即不需要投資建設開關站。

4 開關站投資建設決策模型建立

4.1 方案線路成本

4.1.1 開關站投資建設方案估算

中壓配電網規(guī)劃中，各個建設項目均要對其進行投資估算，并檢驗其經濟性。開關站的投資建設方案也需要對其經濟性進行分析計算。開關站建設的投資包括土建投資、線路投資及變電投資。

開關站變電投資根據開關站的規(guī)模和設備不同有不同的投資估算值,也會根據開關站設備的品牌不同而差別明顯,甚至價格會翻好幾倍。基于簡化考慮,在分析中可取典型的開關站設備的投資值。

開關站投資建設需要從鄰近的變電站出兩回10kV線路,根據負荷大小不同出線的型號會有所不同。本文為了簡化起見,均使用YJV22-3×240型電纜,單價取此型號電纜的購價并計及電纜溝的費用。計算公式：

A1=(a+b)×l1×2

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

開關站的占地投資因規(guī)劃區(qū)域所在的不同城市、不同地理位置有較大差異。開關站占用地的現值是衡量這塊用地的主要標準，現值也稱在用價值,是指對未來現金流量以恰當的折現率進行折現后的價值 。指資產按照預計從其持續(xù)使用和最終處置中所產生的未來凈現金流入量折現的金額,負債按照預計期限內需要償還的未來凈現金流出量折現的金額。根據經濟學原理分析,土地利潤現值是考慮資金時間價值下的綜合值。

對于開關站建設用地,不同的投資決策會帶來不同的收益,而且會差異很大。針對不同的規(guī)劃區(qū)域內用地的性質、周邊的經濟發(fā)展狀況、近幾年的城市規(guī)劃總體布局情況,相同面積的開關站占地帶來的收益會有很大差別,所以本文運用專家評分的方法來確定其取值。專家評分法是一種定性描述方法,它首先根據評價對象的具體要求選定若干個評價項目,再根據評價項目制訂出評價標準,聘請若干代表性專家憑借自己的經驗按此評價標準給出各項目的評價分值,然后計算最終值。

本文針對土地的地理位置先對其周邊性質相近的土地收益進行調研分析,得到收益的一個參考值,運用專家評分制對此土地從用地的性質、周邊的經濟發(fā)展狀況、近幾年的城市規(guī)劃總體布局情況這3個方面進行評分,進而對參考值進行修正,每年的收益按資金的時間價值進行遞增。

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 線路對電力用戶進行供電,對于負荷較大或者負荷發(fā)展空間比較大的區(qū)域,此種方式會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。其經濟性指標主要是YJV22-3×240型號電纜及電纜溝投資,以及變電站的間隔及線路走廊費用。變電站直接配出方案經濟性指標分析主要有3個方面：

(1)YJV22-3×240型號電纜及電纜溝投資。

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主要根據負荷大小需要的10kV線路條數來定。電纜型號根據負荷大小不同出線的型號會有所不同，本文為了簡化起見，均使用YJV22-3×240型電纜，單價取此型號電纜的購價并計及電纜溝的費用。計算公式：

A2=(a+b)×l2×n

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

(2) 配電線路損耗。線損率是供電企業(yè)的一項重要綜合經濟指標 。變電站直接配出方案出線數根據實際的負荷狀況確定，開關站需要變電站新出兩回線路。理論線損計算公式：

式中：PLoss為理論線損；P為負荷；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。

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

4.2 可靠性評估分析

可靠性作為電力供應的一個重要指標，對不同級別的用戶均有重要意義。本文的區(qū)域供電方案優(yōu)選中，可靠性指標主要以失電損失作為目標函數：

f4=p×H

式中：f4為一年中停電造成的經濟損失值，單位萬元；p為規(guī)劃區(qū)域單位時間的停電損失值，萬元/小時；H為方案是實施后規(guī)劃區(qū)域內年停電小時數，單位小時。

4.3 方案土地成本

資金時間價值是指資金在生產和流通過程中隨著時間推移而產生的增值。資金的價值隨時間的變化而變化，是時間的函數，隨時間的推移而發(fā)生價值的變化，變化的那部分價值就是原有的資金時間價值。資金時間價值產生的兩個前提條件：經歷一定的時間；參與社會再生產過程的周轉。

資金的時間價值計算包括單利法和復利法。本文運用復利法進行計算，計算公式為

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 投資建設決策模型

電力設備在使用過程中會發(fā)生老化現象，一般電力設備的壽命取30年。在本模型中，因為負荷的飽和期均小于30年，故假設飽和期內供電方案的設備仍無報廢現象發(fā)生。

在可行性滿足的條件下，通過失電損失將可靠性指標轉化為經濟性指標，再將方案投入的各項資金計入，得到最終的方案實施成本。針對不同規(guī)劃區(qū)域的負荷大小不同，需將方案實施成本轉化為單位負荷的方案實施成本：

式中：f為單位負荷方案的實施成本；f1為方案線路的實施成本，由式(1)、(2)得到；f2為方案設備成本；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)域內負荷。

通過比較候選方案的f值,f值最小的方案為最優(yōu)方案。

本次中壓開關站投資建設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的開關站投資建設決策為例，采用本文提出的開關站投資建設決策綜合模型進行評估分析。

圖1 中壓開關站投資建設決策綜合模型流程圖

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

5.1 負荷密度法進行空間負荷預測

在GIS地里信息系統中進行用地性質分析及預測，預測結果為5年后，此規(guī)劃區(qū)域內的負荷將達到飽和，飽和滯后負荷水平為14000kW。飽和前規(guī)劃小區(qū)投資建設開關站方案需要兩條10kV進線，因此10kV出現間隔2個，全年停電小時數為72小時，單位停電損失為3000元/小時，飽和后全年停電小時數為60小時，單位停電損失為7000元/小時；變電站直接配出方案需要變電站10kV出現間隔1個；變電站直接配出方案飽和前全年停電小時數為40小時，飽和后停電小時數為36小時。根據電力規(guī)范該種型號導線每條10kV線路可帶負載1400kW，變電站直接配出方案需要變電站10kV出現間隔10個。

5.2 可行性分析

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

5.3 兩種方案經濟性對比分析

負荷飽和前后計算結果如表2、3 所示，從表中可以得出，就目前規(guī)劃區(qū)域內負荷比較小的情況下，變電站直配方案的經濟性比投資建設開關站方案的經濟性好；5年后負荷飽和之后，開關站方案的經濟性要比變電站直配方案經濟性更優(yōu)越?；陂L期規(guī)劃考慮，應該實施開關站投資建設方案。

表2 負荷飽和前方案對比分析表 單位：年、萬元，萬元/kW

表3 負荷飽和后方案對比分析表 單位：年、萬元，萬元/kW

6 結論

本文建立了中壓開關站投資建設決策綜合模型：基于GIS地理信息系統平臺對規(guī)劃區(qū)域內的負荷運用負荷密度法進行負荷預測，得到負荷飽和情況下的負荷大??；對規(guī)劃區(qū)域內開關站投資建設方案的可行性進行分析在投資建設開關站方案具有可行性條件下，將投資建設開關站方案與變電站直接配出兩種供電方式從經濟性和可靠性兩方面進行分析，包括：線路投資、線路走廊及出現間隔費用、土地費用、線損費用、停電損失幾個方面進行綜合分析，并計及資金的時間價值。

從上述分析，最終得到負荷飽和前的經濟性最優(yōu)的供電方案，負荷飽和后的經濟性最優(yōu)的供電方案。基于長期規(guī)劃需求的考慮，選擇負荷飽和后的經濟性最優(yōu)供電方案為最終規(guī)劃區(qū)域內的供電方案。

結果表明對于新增負荷，要充分考慮其發(fā)展的趨勢，通過掌握其發(fā)展趨勢對投資建設開關站方案進行綜合評估分析，從而得到科學合理的中壓配電網開關站投資建設決策。

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