文/竇金良 耿慶申 李仕明

1.引言

我國(guó)幅員遼闊，能源資源蘊(yùn)藏與電力需求呈逆向分布，其中三分之二的水資源在西南，三分之二的煤炭資源在西北，風(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源也主要分布在西部、北部，而三分之二以上的電力需求則來(lái)自資源相對(duì)匱乏的東部和中部地區(qū)。能源資源與電力需求分布的不平衡狀況，客觀上要求對(duì)能源進(jìn)行大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置[1-5]。

特高壓交流輸電和超高壓交流輸電是對(duì)能源進(jìn)行優(yōu)化配置，滿足電力需求的兩種重要方式。本文在交流輸電系統(tǒng)等值數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建出滿足同等輸電能力的特高壓和超高壓交流輸電方案[6-10]，計(jì)算出不同情境下各輸電方案的全壽命周期成本大小，并分析了額定輸送容量、輸送距離、負(fù)載率、建設(shè)投資等參數(shù)變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響，得出不同情境下的特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選結(jié)果。這對(duì)提高我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)性，推動(dòng)電力系統(tǒng)合理有序健康發(fā)展有積極意義。

2.同等輸電能力的特高壓和超高壓交流輸電方案

2.1 輸電能力計(jì)算

2.1.1 各輸電方案的自然功率

輸電線路自然功率計(jì)算公式如下，

式中:P0為輸電線路的自然功率，U0為線路額定電壓，Z0為線路波阻抗，L0為線路單位長(zhǎng)度電抗，C0為線路單位長(zhǎng)度電容。

L0、C0與電壓等級(jí)、導(dǎo)線分裂數(shù)和導(dǎo)線截面有關(guān)，參照當(dāng)前文獻(xiàn)的研究結(jié)果及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值，1000kV、500kV常規(guī)和500kV緊湊自然功率分別按5000MW、1000MW和1300MW取值[11-13]。

2.2 不同情景下的特高壓和超高壓輸電方案

按照特高壓和超高壓交流可能的輸送距離范圍，輸送距離選取200km、400km、600km、800km、1000km 5種情景；按照特高壓和超高壓交流常用的主變?nèi)萘恳?guī)格及容量限制，額定輸送容量選取2800MW、4000MW、5600MW、8000MW、8400MW 5種情景。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造出25種情境下的同等輸電能力輸電方案。

3.特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)全壽命周期成本分析及比較

3.1 輸電系統(tǒng)全壽命周期成本分析

3.1.1 全壽命周期成本

全壽命周期成本理念能夠系統(tǒng)全面統(tǒng)籌輸電系統(tǒng)各個(gè)階段的成本,有利于識(shí)別出最為經(jīng)濟(jì)的輸電方案。本文全壽命周期成本計(jì)算口徑基于單位到網(wǎng)電量年費(fèi)用，并單獨(dú)體現(xiàn)運(yùn)行成本中的損耗成本，未納入可靠性成本，得到全壽命周期成本公式（2）-（3）

式中：CI為年建設(shè)成本，COM為年運(yùn)維成本，CL為年損耗成本，EO為年到網(wǎng)電量。

式中：δ為年損耗率，η為年負(fù)載率（取60%），P0為額定輸送容量，t為年總小時(shí)數(shù)。

3.1.2 年建設(shè)成本分析

（1）輸電線路造價(jià)指標(biāo)

以《電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)（2013年）》造價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，按照氣象條件27m/s風(fēng)、10mm冰，丘陵50%、山地50%對(duì)造價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，得到1000kV、500kV常規(guī)和500kV緊湊三種輸電方式的單回路、雙回路造價(jià)指標(biāo)[14]。同時(shí)，顧及同等輸電能力下不同輸電方式通道數(shù)量差異導(dǎo)致的同等走廊資源下的走廊擁擠程度差異，按每增加一個(gè)通道數(shù)量相應(yīng)的增加的通道造價(jià)上浮10%進(jìn)行多回路造價(jià)指標(biāo)推演，上浮比例上限按40%。最終得到的輸電線路造價(jià)指標(biāo)如表1所示，其中，1000kV和500kV常規(guī)考慮單回和同塔雙回兩種架設(shè)方式，500kV緊湊型僅考慮單回架設(shè)。

（2）變電站及串補(bǔ)造價(jià)指標(biāo)

以《電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)（2013年）》造價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，按照GIS組合電器方案，得到1000kV和500kV變電站、開(kāi)關(guān)站和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑靸r(jià)指標(biāo)如表2所示[14]。其中，1000kV串聯(lián)補(bǔ)償造價(jià)指標(biāo)引自1000kV承德串補(bǔ)站概算指標(biāo)。

（3）年建設(shè)成本

將造價(jià)指標(biāo)代入各輸電方案，可以得到同等輸電能力下的特高壓與超高壓建設(shè)投資。根據(jù)資金時(shí)間價(jià)值理論，引入基準(zhǔn)收益率、運(yùn)行年限等參數(shù)，對(duì)建設(shè)投資折現(xiàn)為年建設(shè)成本。

表1 顧及走廊擁擠程度的輸電線路造價(jià)指標(biāo) 萬(wàn)元/km

表2 變電站工程造價(jià)指標(biāo)

式中，C0為建設(shè)投資，i為基準(zhǔn)收益率，按7.5%，n為運(yùn)行年限，按30年，則P(A/P，i，n)=0.08467。

3.1.3 年運(yùn)維成本分析

影響特高壓與超高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)維成本的因素較多，除受技術(shù)方案影響外，還受工程所在地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地域位置、地理特征、氣象條件等的影響。參照輸電工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)運(yùn)維成本的一般取值，1000kV特高壓運(yùn)維成本按建設(shè)投資的1.5%計(jì)列，500kV超高壓運(yùn)維成本按建設(shè)投資的2.0%計(jì)列。

式中：iom為運(yùn)維費(fèi)率。

3.1.4 年損耗成本分析

輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗是影響整個(gè)輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗主要包括變電站損耗和輸電線路損耗2部分，其中，變電損耗包括變壓器、電抗器、電容器等設(shè)備損耗及站用電等，其損耗主要隨輸送容量成比例變化；輸電線路損耗主要包括電阻損耗、電暈損耗和泄漏損耗，其中電阻損耗主要隨輸送容量成比例變化，電暈損耗主要與電壓等級(jí)、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和天氣情況有關(guān)，泄漏損耗可忽略不計(jì)。

式中: ΔPs為變電站、開(kāi)關(guān)站損耗，ΔPlr為輸電線路電阻損耗，ΔPlr為輸電線路電暈損耗，p為上網(wǎng)電價(jià)，取300元/MWh。

1000kV變電站、開(kāi)關(guān)站損耗率分別取額定輸送容量的0.10%、0.02%，500kV開(kāi)關(guān)站損耗率取額定輸送容量的0.03%。輸電線路電阻損耗參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算，輸電線路單回路年平均電暈損耗1000 kV按23.3 kW／km，500kV按6.3kW／km[15-16]。

3.2 特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)全壽命周期成本比較

3.2.1 全壽命周期成本比較

表3 特高壓與超高壓全壽命周期成本比較 元/MWh

根據(jù)前文設(shè)定的輸電方案，將造價(jià)指標(biāo)、運(yùn)維費(fèi)率、損耗指標(biāo)、負(fù)載率（基準(zhǔn)值60%）等參數(shù)代入公式（2）-（7），得出各輸電方案的全壽命周期成本情況如表3所示?？梢钥闯?，同等輸電能力下，三種輸電方式有各自的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和優(yōu)勢(shì)輸電范圍，其中，1000kV在遠(yuǎn)距離、大容量情景下具有成本優(yōu)勢(shì)，500kV常規(guī)和500kV緊湊在短距離、小容量情景下具有成本優(yōu)勢(shì)。在輸送距離400km、額定輸送容量5600MW，以及輸送距離600km、額定輸送容量4000MW情境下，三者全壽命周期成本基本持平。

表3 特高壓與超高壓全壽命周期成本比較 元/MWh

3.2.2 全壽命周期成本構(gòu)成

同等輸電能力下的特高壓和超高壓全壽命周期成本構(gòu)成中，1000kV、500kV常規(guī)和500kV緊湊年建設(shè)成本占比分別為74%～80%、62%～72%、51%～68%，年運(yùn)維成本和年線損成本占比分別為20%～26%、28%～38%、32%～49%?？梢钥闯觯?000kV前期投資較高，但后期經(jīng)濟(jì)效益良好。

4.主要參數(shù)變化對(duì)特高壓和超高壓輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

4.1 輸送距離變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

以額定輸送容量8000MW、負(fù)載率60%為基準(zhǔn)，分析了輸送距離變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響，可以看出，特高壓和超高壓全壽命周期成本均隨輸送距離的增大而增大，但特高壓隨輸送距離的增長(zhǎng)幅度明顯弱于超高壓。從經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的角度，輸送距離的增加，將使得特高壓優(yōu)勢(shì)更為顯著。

4.2 額定輸送容量變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

圖1 輸送距離變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

以輸送距離600km、負(fù)載率60%為基準(zhǔn)，分析了額定輸送容量變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響?？梢钥闯?，特高壓全壽命周期成本隨額定輸送容量的增大而減小，超高壓全壽命周期成本受額定輸送容量變化影響較弱。這主要是因?yàn)楫?dāng)額定輸送容量增加時(shí)，特高壓建設(shè)成本的增加幅度弱于到網(wǎng)電量的增加幅度，但超高壓建設(shè)成本和到網(wǎng)電量的增加幅度相當(dāng)，即容量增加時(shí)，特高壓閑置的輸電能力得以充分利用。從經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的角度，額定輸送容量的增加，將使得特高壓優(yōu)勢(shì)更為顯著。

圖2 額定輸送容量變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

4.3 負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

以額定輸送容量8000MW、輸送距離600km為基準(zhǔn)，分析了負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響，特高壓和超高壓全壽命周期成本均隨負(fù)載率的增大而減小，但特高壓隨負(fù)載率的下降幅度明顯強(qiáng)于超高壓，使得超高壓和特高壓全壽命周期成本的比值隨負(fù)載率的增大而增大。從經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的角度，負(fù)載率的增加，將使得特高壓優(yōu)勢(shì)更為顯著。

4.4 建設(shè)投資等變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

以額定輸送容量8000MW、輸送距離600km、負(fù)載率60%為基準(zhǔn)，分析了建設(shè)投資等變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響，可以得出，特高壓和超高壓全壽命周期成本均隨建設(shè)投資的增大而增大，建設(shè)投資同比例增加對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響不明顯，特高壓建設(shè)投資相對(duì)超高壓下降對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響顯著。同時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)收益率和上網(wǎng)電價(jià)影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，基準(zhǔn)收益率的下降及上網(wǎng)電價(jià)的上漲有利于特高壓。

5.結(jié)束語(yǔ)

（1）同等輸電能力下，特高壓和超高壓交流輸電有各自的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和優(yōu)勢(shì)輸電范圍，其中，特高壓在遠(yuǎn)距離、大容量、高負(fù)載率情景下具有成本優(yōu)勢(shì)，超高壓在短距離、小容量、低負(fù)載率情景下具有成本優(yōu)勢(shì)，在輸送距離400km、額定輸送容量5600MW，以及輸送距離600km、額定輸送容量4000MW情境下，兩者全壽命周期成本基本持平，隨著輸送距離、輸送容量的增大，特高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)。

圖3 負(fù)載率變化對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

（2）同等輸電能力下，特高壓和超高壓全壽命周期成本構(gòu)成中，年建設(shè)成本占比特高壓明顯高于超高壓，年運(yùn)維成本和年損耗成本占比特高壓明顯低于超高壓，表明特高壓前期投資較高，但后期經(jīng)濟(jì)效益良好。

圖4 投資變化對(duì)特高壓和超高壓經(jīng)濟(jì)優(yōu)選的影響

（3）可以為特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，特別是為確定各自適用的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和具有優(yōu)勢(shì)的輸電范圍提供支持。