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摘要： 本研究依托黑龙江省通河200MMW风储一体化项目，基于全生命周期的概念，结合220kV变电站的实际情况，对220kV侧GIS、HGIS和AIS的技术经济进行了比较，分析了设备投产至退役30年期间的主要建设成本，并根据“折现率”计算了2019年至2049年的成本。最后，基于全生命周期成本目标函数，得到最优解，得到成本最低的分配设备选择方案。

关键词：全生命周期；配电设备选型；变电站；HGIS；GIS；AIS

Abstract： This study is based on the Tonghe 200MMW wind storage integration project in Heilongjiang Province. Based on the concept of life cycle and combined with the actual situation of 220kV stations， the technical and economic aspects of GIS， HGIS， and AIS on the 220kV side were compared. The main construction costs of the equipment from production to retirement for 30 years were analyzed， and the costs from 2049 to 2019 were calculated based on the discount rate. Based on the life cycle cost objective function， obtain the optimal solution and obtain the lowest cost allocation equipment selection scheme.

Keywords： life cycle， selection of distribution equipment， substation， HGIS， GIS， AIS

1. 引言

高压配电装置的设计一般应结合设备选型并从功能、技术、经济和环境等方面进行综合考虑。兼顾安全可靠、配置合理、节省投资、布置清晰、结构简单、运行方便、节约用地、便于扩建等诸多因素。

目前，220kV配电装置型式可分为两大类：一类是敞开型配电装置，母线外置，为空气绝缘（AIS）；一类是全封闭组合电器（以下简称GIS），SF6气体绝缘，母线封闭于金属外壳中，根据布置位置的不同可分为户内GIS和户外GIS。另外，近年来还出现了一种复合电器（以下简称HGIS），将一次设备组合在一个封闭的充满SF6绝缘气体的金属壳内，出线由绝缘套管引出，母线外置。

本研究依托黑龙江省通河200MMW风储一体化项目（项目号：N9561S）（安装容量为201.6MW，配套建设一座220kV升压站），拟基于生命周期的概念，结合220kV站的实际情况，对220kV侧GIS、HGIS和AIS的技术经济进行了比较，分析了设备投产至退役30年的主要建设成本，并根据折现率计算了2053年至2023年的成本。基于全生命周期成本目标函数，得到最优解，得到成本最低的分配设备选择方案。

2. 研究对象及方法

2.1 研究对象

本工程所涉及风电场内新建1座220 kV升压站，场区内规划8回集电线路进线，路径采用全场电缆直埋方案，升压站出1回220 kV出线采用架空线路与220 kV洪胜变电站连接，导线截面为300 mm2，长度约为19 km。升压站安装1台容量为200 MVA主变压器，220 kV侧采用线路变压器组接线，主变设2段35 kV母线，采用单母线接线，不设分段开关。

升压站位于黑龙江省哈尔滨市通河县境内，岔林乡附近。站址距离哈尔滨市直线距离约169 km，距通河县直线距离约4.5 km。风电场场址属于松花江洪积、冲积平原地区，地势相对平坦，平均海拔102 m～125 m。国道G102从风场东西穿过、省道S207从风场南北穿过，利用该现有混凝土道路，可直接到达升压站场区，交通较为方便。站址所处地类为水田和养殖场用地，地势开阔、地形较为平坦。

表1 220 kV典型配电装置参数如下：

2.2 研究方法

本课题运用生命周期的概念，结合站场条件，对220kV侧GIS、HGIS、AIS进行技术经济比较。分析从设备投产到退役的30年建设过程中的主要费用。从2053年起，退役费用按折扣率计算至2023年变电站投产。

全生命周期产生费用折现到设备投产年总费用计算公式如下：

式中，An为第n年的成本值，X为折现率，pn=1（1+X）n为第n年产生的费用折现到设备投产年的换算系数。

寿命周期成本的计算公式如下：

包括设备购置成本Cinvest、建筑工程成本Cjz、安装工程成本Caz、占用土地成本Czd、运行维护Cm和停电损失Co。

计算时间按设备30年使用周期计算。目前的贴现率为6.55%。从设备退役2053年起，按折现率计算至变电站投产当年的成本换算值。

3 结果与讨论

3.1 220 kV配电装置三种方案建筑面积比较

下面重点分析220kV变电站的220kV配电设备选型，220kV配电装置型式选择，要考虑国家的技术经济政策、节约用地、自然条件、运行和检修的要求。对存在海边盐雾和水泥厂等严重污染时，可采用屋内配电装置。在用地紧张时，也可以采用屋内配电装置；技术经济比较合理时，可以采用GIS。在确定配电装置型式时，必须考虑的因素如下：

a）节约用地；

b）运行安全、操作巡视方便；

c）便于检修和安装；

d）节约三材，降低造价；

e）电晕及无线电干扰；

f）绝缘配合；

g）进出线与配电装置的配合

h）污秽条件等

i）对沿海电厂还应考虑台风、潮湿及盐雾等对电气设备的影响

根据220kV商用变电站的长期建设规模和现有场址条件，考虑到建筑面积和工程造价的要求，对三种可能的高压开关柜方案进行了比较分析。

220 kV配电装置三种方案建筑面积比较：

AIS： 150m × 51m = 7650 m2 ；

GIS： 83.5 × 24 = 2004 m2；

HGIS： 75 × 33 = 2475 m2 ；

综上可见，GIS配电装置和HGIS配电装置能满足节约用地的要求。

3.2. 220kV配电设备全生命周期成本分析。

220kV GIS、HGIS和AIS的技术经济对比如图1所示，以全生命周期为概念，结合站址条件。图4中总成本为变电站当年发生的全部费用，全寿命周期成本为变电站投入运行当年的折算值。从图4可以看出：（1）在该阶段的建设中，HGIS方案的用地成本、建筑工程成本、安装工程成本明显优于AIS方案，设备购置成本明显优于GIS方案。

在长期建设过程中，考虑设备购置成本、维护成本和停电成本，HGIS在各扩容期的综合成本略高于AIS方案，但显著低于GIS方案。

HGIS方案设备30年全生命周期成本较AIS方案降低270万元;HGIS方案设备30年全生命周期成本较GIS方案降低155万元。

考虑到折现率，总成本更受近期停电损失成本的影响，因此HGIS设备相对于AIS设备具有更小的停电损失的经济性优势。考虑到地价的上涨趋势，HGIS设备在未来会有更多的优势。

4 结论

综上所述，GIS配电装置和HGIS配电装置可以满足节约土地的要求。从全寿命周期成本来看，220kV HGIS方案前期综合成本低于GIS方案和AIS方案;在设备30年全生命周期内，HGIS方案比AIS方案节约265万元，比GIS方案节约154万元，HGIS方案是最好的。

HGIS方案最大的优势是设备集成化程度高。单个HGIS设备集成了断路器、隔离器（本工程为2个母线隔离器）、电流互感器、电压互感器5个电气元件，方便实现一次设备的智能化，节省土地占用，土建量少。同时，SF6气体绝缘设备可靠性高，使用寿命长，对环境影响小。并可采用空气绝缘铝管母线，设备兼容性高，扩展简单灵活。HGIS具有GIS设备集成度高、可靠性高、AIS设备兼容性强、扩展灵活等优点。

综上所述，GIS设备的初投资与其他两种方案相比稍高，但运行费用、事故直接损失费用、事故间接损失费用及停电检修的电量损失，且GIS设备后期运行、检修工作量少，检修间隔时间长，从而减少了长期的运行费用，则GIS设备在整个寿命周期内经济性优于其他两种方案，所以推荐采用GIS设备。本阶段推荐选用户外GIS的布置型式。

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基金：项目：黑龙江省通河200MW风储一体化项目，N9561S

通讯作者：王法司 工程师，常用邮箱：wangfasi@nepdi.net，研究方向：清洁能源利用