Study on Submarine Cable Selection Considering Loss Reduction Potential and Economy
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摘要:
随着以新能源为主体的新型电力系统的建设推进，海岛区域凭借其丰富的风光资源有望成为重点发展区域。海缆敷设的规模将大幅增加，海岛区域配电网降损随之受到更多重视。本文从海缆选型的角度出发，在考虑减少海缆自身损耗的同时，构建海缆的全寿命周期成本模型。最后通过对比分析不同的海缆损耗和经济性，为日后的海缆选型提供参考。
Abstract:With the promotion of the construction of a new power system with new energy as the main body, the island area is expected to become a key development area with its rich scenery resources. The scale of submarine cable laying will be greatly increased. More attention has been paid to the loss reduction of distribution network in island areas. In this paper, from the perspective of submarine cable selection, the life cycle cost model of submarine cable is constructed while considering reducing the loss of submarine cable itself. Finally, through the comparison and analysis of different submarine cable losses and economy, it provides a reference for future submarine cable selection.
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Keywords:
- island area /
- submarine cable /
- life cycle cost
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近年来, 在我国经济快速发展的推动下, 电网发展迅速, 配电设备的分布范围不断扩大, 高线损问题逐渐严重。配电网损耗在电网损耗中的占比很大, 造成了较大的经济损失。因此, 节能降损受到企业和政府的高度重视。随着以新能源为主体的新型电力系统的建设推进, 风电、光伏等分布式能源接入配电网的规模不断增长, 海岛区域将凭借其丰富资源成为重点发展区域, 海缆敷设的规模将会大幅增加, 海岛区域配电网降损随之受到更多重视。通过选择合适的海缆型号来降低损耗是有效地措施, 但是海缆的寿命一般长达25年至30年, 期间海缆的运行、维护等工作必不可少。因此, 构建海缆的全寿命周期成本模型, 对于海缆选型有着重要的经济价值。
目前, 从海缆的角度出发以降低电网损耗的研究已有不少, 许多学者从无功优化方面开展相关研究。海缆的接入会使得电网的充电功率大大增加, 从而增加电网的损耗, 针对该类问题, 文献[1]针对海缆电容问题, 通过算例验证了相对电容系数和无功补偿容量之间的关系, 比较了不同无功补偿方式的补偿效果。文献[2]针对海缆存在的无功问题, 结合补偿装置接入下不同节点处的电压波动情况来确定最佳补偿方案。文献[3]提出利用小容量电容器和电抗器结合的方法来控制系统的无功功率以保证系统的安全稳定运行。文献[4-6]针对海上风电场的海缆长度增加时容性无功也会相应增加的问题, 通过并联电抗器进行补偿。此外, 针对海缆自身的损耗问题, 也有大量学者对其进行了研究, 文献[7-8]验证了铠装会影响电缆损耗并通过铅包铠装回路串联电阻以降低海缆损耗。文献[9]建立了金属护套接地的等效模型并进行了3种接地方式的仿真实验, 发现金属护套接地方式对海缆损耗影响不大。
综上所述, 目前基于海缆的海岛区域降损措施研究多是从无功优化的角度出发的, 很少涉及到海缆的选型。因此, 本文将从海底电缆的选型出发, 以降低网损为目标, 并在海缆选型时充分考虑其经济性, 为解决海岛区域的配电网损耗问题提供合适的方案, 为日后海缆工程的海缆选型奠定基础。
1. 海缆全寿命周期成本模型
海缆的选型决定了海缆的损耗, 海缆的损耗不仅和周围的海域环境有关, 还和自身的结构特征有关。降损潜力最好的海缆, 其安装成本不一定最优。虽然本文主要针对的是降低损耗, 但在实际的工程应用中, 海缆存在着运行、维护等工作, 因此仅考虑电缆所减少的损耗及其带来的效益并不全面, 应同时考虑海缆的全寿命周期成本以达到海缆选型经济性最优。
全寿命周期成本(life cycle cost, LCC), 也被称为全寿命周期费用, 是指从产品的问世到其退役期间, 所有与产品相关的成本, 包括产品论证成本、设计成本、生产成本、购买成本、运行成本、维修保养成本、退役后处理该产品的成本等。基于海缆敷设环境的特殊性且具有较大的损耗的特点, 海缆的全寿命周期成本模型与传统的电气设备的模型不同, 海缆的全寿命周期成本模型如式(1)所示:
LHL=CGM+CFS+CSH+CWH+CHS。 (1) 式中: LHL为海缆全寿命周期成本; CGM为海缆购置成本; CFS为海缆敷设成本; CSH为海缆损耗成本; CWH为海缆运行维护成本; CHS为海缆回收净投资成本。上述所提成本均为对应的折算后的现值, 即基准年末的当年值。
海缆LCC等额年值如式(2)所示:
CAVE=LHL×θ×(1+θ)i[(1+θ)−1]。 (2) 式中: i为海缆运行的年限; θ为贴现率。
海缆全寿命周期成本由5部分构成, 下面将对各部分成本逐一介绍。
1.1 海缆购置成本
海缆的购置费用包括电缆本体及附件的购置费、安装调试费等。由于海缆生产工艺复杂, CGM的取值很大, 占据海缆LCC的绝大部分, 与导体、绝缘系统、阻水护套、铠装、外被层等息息相关。一般情况下, 初期投资的计算方式如下:
CGM=N×SJL×PGM。 (3) 式中: N为海缆的敷设总数; SJL为海缆的敷设长度; PGM为包含保险费、税费等多种费用在内折合后的单根单位长度海缆的投资费用。
1.2 海缆敷设成本
海缆的敷设成本包括海缆的实际敷设费用、目标敷设地域地质检测费用、海缆试验费用等。
CFS=N×SJL×PFSO。 (4) 式中: PFS为基于各种敷设方法、敷设难度而定的敷设费用折合后的敷设单位长度海缆所需的费用。
1.3 海缆损耗成本
海缆的复杂的运行环境给海缆损耗成本带来了难度, 海缆损耗值可根据相关的计算公式进行计算, 总的海缆损耗成本如下所示:
{PSH=ΔP×PDJ,CSH=N×SJL×PSH×[1−(1+θ)−i]/θ。 (5) 式中: PSH为单位长度海缆的损耗费用; ΔP为海缆损耗; PDJ为当前电价。
1.4 海缆维护成本
为了确保海缆传输电能的稳定性, 如是否存在局部放电的现象, 往往须要对其进行运行维护, 但鉴于其购置成本高昂, 维护成本就显得很小, 具体成本可用式(6)进行估算:
CWH=PWH×[1−(1+θ)−θ]/i。 (6) 式中: PWH为每年投入的维护成本。
1.5 海缆回收成本
海缆回收包括人工设备投入费用、后续环境处理费用等, 海缆回收时能回收一些海缆的残值作为补偿。海缆的回收工作较为复杂, 国内的研究也较少, 因此对任意海缆运行寿命末回收净投资成本取购置成本的-5%进行计算, 计算公式如下:
{PSH=CGM×(−5%),CSH=PSH×[1/(1+θ)−i]。 (7) 式中: PSH为海缆运行寿命末回收成本。
2. 算例分析
以浙江某地海岛区域为例, 该区域电网的电压等级为110 kV, 采用的海缆型号为HYJQ41-64/110-1×630, 即铜芯交联聚乙烯绝缘铅套防水层粗钢丝铠装聚丙烯纤维外被层海底电力电缆, 铠装材料为粗钢丝, 是目前应用范围最广的铠装材料, 海缆的横截面积为630 mm2。为了比较不同海底电缆的损耗及其相应的经济性, 现假定这4种铠装方式的电缆均为单芯海缆, 其工作海域、环境相同, 敷设方式相同且间隔40 mm, 电压等级均为110 kV且运行在额定电压下, 其护套和铠装均互联接地。
2.1 海缆损耗对比分析
铠装材料有铜、钢、不锈钢, 这3种材料对应的电阻率大不相同。其中, 铜的电阻率1.75×10-8, 钢的电阻率为9.78×10-8, 不锈钢的电阻率7×10-7。铜、钢、不锈钢等铠装材料的电阻率逐渐增大且不锈钢电阻率是铜电阻率的近40倍。3种铠装方式构成的4种海缆的结构尺寸如表 1所示。
表 1 110 kV海缆结构尺寸mm 型式 样式 厚度 外径 一 单层扁铜线铠装 2.53 130.70 二 单层钢丝铠装 8.00 141.90 三 单层钢丝加回流铜丝铠装 8.00 141.90 四 单层不锈钢丝铠装 8.00 141.90 不同海缆的损耗如图 1所示, 负荷电流相同的情况下, 损耗由低到高的海缆型式为型式一、型式三、型式二、型式四, 即铜丝铠装损耗最低, 不锈钢丝铠装损耗最高。
从某地海缆的现实分布出发, 该地110 kV的海缆总长600 km, 海缆的铠装均为钢丝铠装。在达到海缆寿命周期的情况下, 若将其换成铜丝铠装的海缆, 改变铠装方式所降低的损耗达到18.9 W/m, 则该地区可降低的总损耗约为11340 kW, 若将所有电压等级的钢丝铠装海缆线路换成铜丝铠装, 降低的损耗量将非常可观。
2.2 海缆经济性对比分析
根据海缆全寿命周期成本(LCC)模型, 选取4种海缆型式进行计算, 海缆寿命一般为30年, 贴现率按5%考虑。根据上述某地区海岛区域的现状, 假定2500 h为线路最大负荷运行小时数, 该地110 kV的海缆总长600 km, 选取某段线路为例进行计算, 该段线路长为48.1 km。海岛区域的电价一般较内陆地区昂贵, 本文取0.83元/kWh。参考该地电网、该地权威机构以及查阅相关资料得到的海缆参数如表 2所示。
表 2 不同铠装类型海缆成本参数参数 型式一 型式二 型式三 型式四 海缆线芯数 1 1 1 1 PGM/(万元·m-1) 0.596 0.208 0.226 0.352 PSH/(W·m-1) 39.3 58.2 45.6 78.1 PFS/(万元·m-1) 0.035 0.035 0.035 0.035 运行年限/a 30 30 30 30 PWH/(万元·a-1) 20 10 11 10 PHS/万元 -3406.1 -1188.7 -1897.3 -2011.6 4类不同铠装方式下的海缆全寿命周期成本计算结果如表 3所示。铜丝铠装材料价格比钢丝铠装和不锈钢铠装昂贵, 因此制造成本较高, 购置成本也随之增大; 假设目标敷设海域相同且海缆均为单芯单回路海缆, 因此其敷设成本相同; 依据海岛区域的现有电价, 与海缆损耗进行折算, 损耗成本相差并不小; 铠装层的存在能够让海缆适当承受住各种机械碰撞和损伤, 对于海缆维护成本来说, 在其他外部条件相同的情况下, 不同铠装层能承受的机械碰撞能力不同, 铜丝的机械强度低于钢丝, 因此, 铜丝铠装海缆的维护成本更高。
表 3 4种海缆LCC计算结果万元 模型成本参数 型式一 型式二 型式三 型式四 CTZ 8.60×104 3.00×104 3.25×104 5.08×104 CFS 4.0×103 4.0×103 4.0×103 4.0×103 CSH 7.23×103 10.72×103 8.40×103 1.69×104 CWH 308 154 169 154 CHS -788.1 -275.1 -439.0 -465.5 LHL 9.67×104 4.46×104 4.42×104 7.14×104 CAVE 6.289×103 2.902×103 2.886×103 7.136×103 为了更直观地看出各种海缆型式的损耗及经济性, 现将2个因素放入一张图内, 如图 2所示。
从图 2可以看出, 铜丝铠装海缆的单位长度电缆损耗虽然最小, 有较强的降损潜力能够满足降损的需求, 但是从工程应用方面来看, 该型式海缆并不具备经济性。型式二和型式三这两种海缆的全寿命周期等额年值的差值虽然看起来微乎其微, 但是型式三海缆的等额年值略低且其降损潜力高于型式二海缆。型式四海缆既不具备降损潜力又不具备经济性。因此, 综合海缆的降损潜力和经济性, 单层钢丝加回流铜丝铠装电缆最适合在实际工程中应用。在某地海岛区域的海缆不处于寿命使用周期, 须要更换时, 可参考本文的计算结果。
3. 结束语
本文从设备选型角度出发, 基于海缆敷设范围广, 损耗量大这一事实, 以海缆的降损潜力为主, 海缆的经济性为辅, 综合考虑了海缆工程中的最佳海缆选型。在研究了海缆的损耗构成的基础上, 构建了海缆的全寿命周期成本模型, 从铠装损耗出发, 以某地海岛区域的部分海缆为例, 对比分析不同的铠装方式带来的损耗, 并研究相应的全寿命周期等额年值, 选取兼顾低损耗与经济性的最优海缆铠装型式, 为日后的海缆选型提供参考。
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表 1 110 kV海缆结构尺寸
mm 型式 样式 厚度 外径 一 单层扁铜线铠装 2.53 130.70 二 单层钢丝铠装 8.00 141.90 三 单层钢丝加回流铜丝铠装 8.00 141.90 四 单层不锈钢丝铠装 8.00 141.90 
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表 2 不同铠装类型海缆成本参数
参数 型式一 型式二 型式三 型式四 海缆线芯数 1 1 1 1 PGM/(万元·m-1) 0.596 0.208 0.226 0.352 PSH/(W·m-1) 39.3 58.2 45.6 78.1 PFS/(万元·m-1) 0.035 0.035 0.035 0.035 运行年限/a 30 30 30 30 PWH/(万元·a-1) 20 10 11 10 PHS/万元 -3406.1 -1188.7 -1897.3 -2011.6
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表 3 4种海缆LCC计算结果
万元 模型成本参数 型式一 型式二 型式三 型式四 CTZ 8.60×104 3.00×104 3.25×104 5.08×104 CFS 4.0×103 4.0×103 4.0×103 4.0×103 CSH 7.23×103 10.72×103 8.40×103 1.69×104 CWH 308 154 169 154 CHS -788.1 -275.1 -439.0 -465.5 LHL 9.67×104 4.46×104 4.42×104 7.14×104 CAVE 6.289×103 2.902×103 2.886×103 7.136×103
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