田 浩，孟慶海，程 林，李慶生，趙慶明

（1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100144；2.電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084；3.貴州電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴陽550002）

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電負(fù)荷直線上升，導(dǎo)致各地區(qū)大范圍缺電的現(xiàn)象。為不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們正常生活，保證大型用戶安全穩(wěn)定的用電，各地大型用戶都紛紛開始自備電廠的建設(shè)[1]，從一定程度上緩解了電力系統(tǒng)的供電壓力。

一方面，為保證企業(yè)的正常生產(chǎn)活動(dòng)不受影響，自備電廠一般都依賴于電網(wǎng)向其提供輔助服務(wù)和備用容量，在自備電廠發(fā)生故障停機(jī)或者減少出力時(shí)，電力系統(tǒng)立即為企業(yè)提供缺額電力，這種情況下，企業(yè)出于自身供電安全性，在變電站建設(shè)時(shí)考慮了足夠的冗余，按照最大的容量選取變壓器，此時(shí)電力系統(tǒng)同樣需要提供等容量的備用。這就需要電力企業(yè)加大投資、增加備用容量的建設(shè)，保證在自備電廠出力變化時(shí)企業(yè)的安全可靠供電。

另一方面，隨著電力改革的深入，國家出臺(tái)了相關(guān)政策[2-3]，要求自備電廠企業(yè)向與其相聯(lián)接的電網(wǎng)支付相應(yīng)的備用容量費(fèi)用。按照這種方式自備電廠企業(yè)需要繳納高額的備用容量費(fèi)，又給自備電廠企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

目前有文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)備用費(fèi)的收取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，使備用容量費(fèi)收取盡量公平、公正。但還沒有從提高變電站利用率，從而減少電力系統(tǒng)等額備用容量角度進(jìn)行的研究。因此，本文提出了提高大型用戶設(shè)備利用率的變電站設(shè)計(jì)方法。該方法即可以提高變電站利用率、降低備用容量，又可以為企業(yè)節(jié)省備用容量費(fèi)。使電力企業(yè)與大型用戶達(dá)到“雙贏”的目標(biāo)。

1 提高利用率的用戶變電站設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 變電站過載能力分析

根據(jù)《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》[7]中規(guī)定的油浸式電力變壓器超銘牌額定值負(fù)載的限定條件選取變壓器的允許過載能力[8-10]。本文選取ON中型和大型電壓變壓器，在氣溫為20 ℃時(shí)為例進(jìn)行分析，該變壓器正常壽命損失下的負(fù)荷條件曲線如圖1 所示。其中：k1為變壓器初始負(fù)載系數(shù)（負(fù)載系數(shù)為負(fù)載電流/額定電流）；k2為峰值負(fù)載系數(shù)；θa為環(huán)境溫度；t 為時(shí)間。

圖1 變壓器正常壽命損失下的負(fù)荷條件Fig.1 Transformer loading ability under standard life span

由圖1 可以看出，變壓器允許過負(fù)荷能力與過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間和變壓器初始負(fù)載率有關(guān)。變壓器過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，峰值負(fù)載越低；變壓器初始負(fù)載越低，其在持續(xù)時(shí)間t 內(nèi)的峰值負(fù)載越高。

因此，可利用變壓器允許短時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)，在允許過負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)將過載負(fù)荷切換到備用主變運(yùn)行。

1.2 基于變壓器過載能力的容量選擇

考慮變壓器主變滿足N-1 需求，即一臺(tái)主變檢修或故障時(shí)，不造成其他主變過負(fù)荷，因此，變電站主變?nèi)萘窟x擇S1[11-12]方法為

式中：P 為最大用電負(fù)荷；β 為滿足N-1 時(shí)的變電站負(fù)載率。

考慮變壓器峰值負(fù)載時(shí)，即一臺(tái)主變檢修或故障時(shí)，備用主變4 h 內(nèi)運(yùn)行，則其他主變?cè)试S過負(fù)荷運(yùn)行4 h，此時(shí)變電站主變?nèi)萘縎2選擇為

式中，k2為峰值負(fù)載系數(shù)。則有

因此，在滿足變電站一臺(tái)主變檢修或故障時(shí)，允許其他主變過載k2倍，在4 h 內(nèi)切換到備用主變運(yùn)行，則變電站的利用率提高了k2倍。

則備用容量降低比率為

可以看出，變電站利用率和備用容量比例均與k2相關(guān)，大型用戶變壓器初始負(fù)載率越低，變壓器利用率提高比例越大，備用容量降低比例越大。

2 基于總擁有費(fèi)用的變電站設(shè)計(jì)方法

2.1 總擁有費(fèi)用法

對(duì)于大型用戶企業(yè)來說是以盈利為目標(biāo)的，按照慮變壓器允許短時(shí)過載運(yùn)行的特性選取變壓器容量，雖然提高了變壓器的利用率，但需要增加備用變壓器保證在時(shí)間t 內(nèi)將備用變壓器投入運(yùn)行，這就意味著加大了電網(wǎng)投資和運(yùn)行成本，但與此同時(shí)又降低了備用容量，可以通過減少容量費(fèi)來節(jié)約成本。

如何協(xié)調(diào)解決這一矛盾，需要通過成本/收益進(jìn)行分析，確定由提高設(shè)備利用率而減少的備用容量費(fèi)，帶來的何種效益才能進(jìn)行變電站設(shè)計(jì)，如圖2 所示，當(dāng)變電站投資成本與提高設(shè)備利用率帶來的效益（本文用減少的備用容量費(fèi)來衡量）邊際曲線形成的總成本最低時(shí)（圖中的點(diǎn)Tm），變電站設(shè)計(jì)最佳方案。

在可成本/效益分析的基礎(chǔ)上，文中采用總擁有費(fèi)用TOC（total owning cost）法[13]?？倱碛匈M(fèi)用是指初始投資和其在使用期內(nèi)產(chǎn)生的系統(tǒng)備用容量費(fèi)之和。按照總擁有費(fèi)用最低來確定變電站設(shè)計(jì)方案。

圖2 成本/效益分析曲線Fig.2 Cost/benefit curve

總擁有費(fèi)用包括工程建設(shè)成本費(fèi)用和備用容量費(fèi)兩部分構(gòu)成，成本費(fèi)用由建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成，備用容量費(fèi)指按照自備電廠用戶報(bào)裝容量繳納的費(fèi)用，如圖3 所示。

圖3 總擁有費(fèi)用結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of total life span cost

總擁有費(fèi)用評(píng)估公式為

式中：G 為最小年費(fèi)用[14-17]（總擁有費(fèi)用）；C 為變電站建設(shè)最小年費(fèi)用；CR為變電站年運(yùn)行費(fèi)；CT為年備用容量費(fèi)。

2.2 變電站建設(shè)最小年費(fèi)用C

式中：Ti為所得稅稅率；y 為年折舊費(fèi)；A 為投產(chǎn)還貸期的等年值。

銀行貸款實(shí)際年利率i，即

式中：i 為銀行貸款實(shí)際年利率；r 為名義利率；m為計(jì)息周期，次/a。

當(dāng)全部資金都采用銀行貸款時(shí)，資金預(yù)期回報(bào)率I 為

改造設(shè)備的年折舊費(fèi)y，即

式中：Nz為直線折舊法的折舊期；Y%為設(shè)備殘值。配電設(shè)備采用直線法折舊，即Nz年后保留殘值，其余折舊費(fèi)用在Nz年均攤。

投產(chǎn)還貸期的等年值A(chǔ)，即

式中：Cu為投產(chǎn)還貸期內(nèi)分?jǐn)偟馁Y金費(fèi)用；Nd為銀行的貸款年限；Nj為工程建設(shè)期；F 為資金C 在貸款期末的終值；D 為固定資產(chǎn)在投產(chǎn)還貸期末的帳面價(jià)值。

2.3 變電站年運(yùn)行費(fèi)CR

變電站年運(yùn)行費(fèi)用CR主要包括一年中站內(nèi)設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)及變壓器電能損耗費(fèi)用等。變電站的年運(yùn)行費(fèi)用基本都在其綜合投資的10%左右。

2.4 年備用容量費(fèi)CT

繼2004 年9 月，國家發(fā)改委、國家電監(jiān)會(huì)就進(jìn)一步落實(shí)差別電價(jià)及自備電廠收費(fèi)政策有關(guān)問題發(fā)出通知之后，各地方發(fā)改委及物價(jià)部門根據(jù)通知的精神相繼制定了向自備電廠企業(yè)收取備用容量費(fèi)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 部分地區(qū)備用容量費(fèi)征收情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of auxiliary cost

通過比較當(dāng)前各省市向自備電廠企業(yè)收取備用容量費(fèi)的政策和收費(fèi)辦法，可以發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)向企業(yè)收取備用容量費(fèi)的大多數(shù)省份中大部分以變壓器容量為依據(jù)計(jì)算企業(yè)所應(yīng)繳納的備用容量費(fèi)用。

因此，年備用容量費(fèi)用CT為

式中：f 為備用容量費(fèi)（元/（kVA·月））；Sa為報(bào)裝容量，MVA。

3 大型用戶變電站設(shè)計(jì)應(yīng)用

以待建的某石化企業(yè)為例，預(yù)計(jì)該企業(yè)的最大供電負(fù)荷為480 MW；有6 臺(tái)出力均為60 MW發(fā)電機(jī)組的自備電廠，正常方式下發(fā)電機(jī)最大出力300 MW，需系統(tǒng)供電負(fù)荷170 MW；N-1 方式下發(fā)電機(jī)最大出力260 MW，需系統(tǒng)供電負(fù)荷220 MW。該企業(yè)需要建設(shè)220 kV 變電站1 座。首先對(duì)變電站建設(shè)方案進(jìn)行選取，再利用總擁有費(fèi)用法對(duì)變電站進(jìn)行優(yōu)化，以確定最優(yōu)的變電站建設(shè)方案。

3.1 基于備用容量費(fèi)的變電站設(shè)計(jì)

文中選用ON 中型和大型電壓變壓器，氣溫按照20 ℃進(jìn)行分析。

1）220 kV 變電站規(guī)劃方案（方案1）

220 kV 變電站規(guī)劃方案1 如圖4 所示。

圖4 220 kV 變電站設(shè)計(jì)方案1Fig.4 220 kV substation design scheme 1

采取方案1 時(shí)當(dāng)變電站一臺(tái)主變檢修或故障，需要通過另一臺(tái)主變長(zhǎng)期帶負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)變電站過載能力如圖1 所示，t 為24 h、變壓器初始負(fù)載系數(shù)k1〈1 時(shí)峰值負(fù)載系數(shù)k2為1（即變電站負(fù)載率最高為100%，則變電站滿足N-1 時(shí)的負(fù)載率β 為50%）。

此時(shí)需系統(tǒng)供電負(fù)荷P 為220 MW，功率因數(shù)取0.95，代入式（1）可得S 為463 MVA，因此選取容量構(gòu)成為2×240 MVA 的變電站。此時(shí)同樣需要系統(tǒng)提供480 MVA 的備用容量。

2）220 kV 變電站規(guī)劃方案（方案2）

220 kV 變電站設(shè)計(jì)方案2 如圖5 所示。

方案2 提出采用3 臺(tái)主變、3 段母線的建設(shè)方案，其中兩臺(tái)主變運(yùn)行，一臺(tái)主變長(zhǎng)期備用，同時(shí)裝設(shè)在線監(jiān)測(cè)和閉鎖裝置，確保只有兩臺(tái)斷路器同時(shí)閉合。

采取方案2 當(dāng)一臺(tái)主變故障或檢修時(shí)備用主變?cè)? h 內(nèi)投入運(yùn)行，此時(shí)變電站過載能力如圖1所示，t 為4 h、變壓器初始負(fù)載系數(shù)k1〈0.7 時(shí)峰值負(fù)載系數(shù)1.3〈k2〈1.38。

圖5 220 kV 變電站設(shè)計(jì)方案2Fig.5 220 kV substation design scheme 2

此時(shí)需系統(tǒng)供電負(fù)荷P 為220 MW，功率因數(shù)取0.95，β 取k2/2，代入式（1）可得S 為463/k2MVA。

由于k1小于0.7 時(shí)k1在1.3～1.38 之間，則S的取值范圍在336～356 MVA 之間。因此選取3×180 MVA 的變電站，其中兩臺(tái)主變運(yùn)行，運(yùn)行容量為360 MW，一臺(tái)主變（3# 主變）長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，不參與用戶報(bào)裝，當(dāng)1#或2#主變故障或檢修時(shí)3#主變?cè)? h 內(nèi)投入運(yùn)行。此時(shí)需要系統(tǒng)提供360 MVA 的備用容量。

由式（4）可得，該方案與方案1 比較降低企業(yè)25%的備用容量需求。

3.2 基于備用容量費(fèi)的變電站設(shè)計(jì)

1）變電站設(shè)計(jì)條件

變電站綜合建設(shè)費(fèi)（包括土建、設(shè)備購置費(fèi)等綜合費(fèi)用）為560 元/kW；CR為總投資的10%；CT為23 元/（kW·月）；r 為6.21%；m 為按季度記息（每年4 次）；Nd為10 a；Nj為1 a；Y%為3%；Ti為33%；RC為總投資額的0.2%；IC為總投資額的0.13%；Nz為20 a。

2）變電站設(shè)計(jì)結(jié)果

兩種方案經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估結(jié)果如表2 所示。

表2 兩種方案經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估結(jié)果Tab.2 Cost Comparison of two configurations

可以看出，方案1 變電站建設(shè)最小年費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用都低于方案2，但綜合考慮年備用容量費(fèi)用，方案2 的最小年費(fèi)用低于方案1。經(jīng)計(jì)算：

①當(dāng)備用容量費(fèi)用〈4.88 元/（kW·月）時(shí)，方案1 最優(yōu)，其最小年費(fèi)用低于方案2；

②采取方案2 時(shí)變電站建設(shè)費(fèi)用比方案1 多3 360 萬元，變電站運(yùn)行費(fèi)用每年多336 萬元；但方案2 備用容量費(fèi)用每年將節(jié)省3 312 萬元。因此，采取方案2 的建設(shè)方案兩年就可收回多投資的成本。

4 結(jié)語

論文分析了變壓器短時(shí)允許過載能力，提出增加一臺(tái)冷備用主變壓器的大型用戶變電站設(shè)計(jì)方法，當(dāng)變電站一臺(tái)主變故障或檢修時(shí)，在持續(xù)時(shí)間t 內(nèi)將冷備用主變壓器投入運(yùn)行并帶負(fù)荷，另一臺(tái)主變?cè)诔掷m(xù)時(shí)間t 內(nèi)的峰值負(fù)載為允許負(fù)載的k2倍，則相應(yīng)的提高變電站利用率，降低變電站備用容量。并利用總擁有費(fèi)用法，綜合比較由增加備用變壓器所帶來的電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用與由設(shè)備利用率提高所降低備用容量費(fèi)用，提出最優(yōu)的變電站設(shè)計(jì)方案。

最后論文以某企業(yè)為案例進(jìn)行分析，在滿足供電安全約束的條件下，該企業(yè)采取3 臺(tái)主變、3段母線的建設(shè)方案，其中兩臺(tái)主變運(yùn)行，一臺(tái)主變長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，不參與用戶報(bào)裝，當(dāng)一臺(tái)主變故障或檢修時(shí)備用主變可以在4 h 內(nèi)投入運(yùn)行。與兩臺(tái)主變的供電方案相比該方案在發(fā)電機(jī)N-1 方式下變電站利用率由48.25%提高到64.33%；最小年費(fèi)用（G）節(jié)約2 609 萬元/a。

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