一种输电线路全寿命周期优化方法与流程

1.本发明涉及输电线路维护领域，尤其涉及一种输电线路全寿命周期优化方法。


背景技术：

2.目前随着工程项目管理理论的发展，越来越多的人注意到对工程项目进行全过程管理的重要性，并逐渐提出了工程项目全寿命管理理论，按照工程建设全寿命周期管理的理念，不但要重视工程的建设阶段，还须注重生产运行阶段，保证工程在寿命期内的安全运行。在工程项目规划和实施阶段，不仅要考虑一次性的投资成本，还需要思考未来经济寿命运行期间的运行、维修成本和可靠性成本。输电工程的经济性主要表现在输电成本上。在技术可行的前提下，输电工程方案选取的决定性因素便是成本，只有成本最小，输电工程投运后才会产生良好的经济效益。然而，在过去输电工程中，主要考虑的是建设成本，也就是一次性投资。按一次性投资的大小来评价输电工程的经济性。这种技术经济评价方法存在的缺点是：在规划和设计阶段，没有考虑到输电工程的运行、维护成本和可靠性成本。这样就可能会出现输电工程建设成本虽然较少，但运行、维护费用高，停运时间长、可靠性成本大，因而造成每年的输电成本高，导致项目整体的经济性和可靠性滞后。同时，目前的输电线路建设过程中，普遍存在着工期紧、任务重的状况，项目的管理、实施和运行三方又存在着制度和标准的差异，且缺乏沟通。常常会出现在设计阶段为了照顾运行方便，而增大了建设投资，或在设计阶段投入了新的设计理念和技术，却因与实际脱节，为后期运行带来了困难、增大了运行维护的成本。因此，如何将全寿命周期理论运用至输电线路的日常管理中成了亟需解决的问题。
3.中国专利文献cn106099923b公开了一种“输电线路优化方法和装置”。包括获取各区域的输电网络的相关数据、系统扩建系数和安全因数；所述相关数据包括节点信息和线路信息；所述线路信息包括直流线路的标准长度和交流线路的标准长度；根据所述节点信息和所述线路信息将直流线路的标准长度加到各交流线路的标准长度中，得到处理后交流线路长度；对所述直流线路进行等效处理，所述等效处理包括：将直流线路中的整流侧等效为负荷节点，将直流线路中的逆变侧等效为发电节点；采用潮流比较法，计算等效处理后的输电网络的各线路的第一潮流变化量；根据所述第一潮流变化量和所述处理后交流线路长度得到线路对应的节点的基本兆瓦公里；根据各节点的基本兆瓦公里计算得到区域边际兆瓦公里；根据所述系统扩建系数、安全因数和区域边际兆瓦公里计算得到输电成本；根据所述输电成本优化输电线路。但是该专利仅考虑了输电线路在搭建过程中成本的计算，未能考虑输电线路在运行过程中的成本管理。


技术实现要素：

4.本发明主要解决原有无法全时期管理输电线路成本的技术问题，提供一种输电线路全寿命周期优化方法，本专利基于全寿命周期理论除了需要计算输电线路建造时所需的投资成本和工程成本，同时还兼顾输电线路在运行过程中的检修成本和故障成本，根据全
部时期的成本计算来确认优化输电线路的基础设施与路径选择的优化措施，最终经过计算获得工程经济寿命来确认输电线路的优化方案。
5.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括s1计算输电线路成本；s2根据输电线路成本列举输电线路配置优化方案；s3根据输电线路工程经济寿命的数学模型确定输电线路优化方法。
6.在现有的情况下输电线路工程的建设通常面临环境复杂和线路建设及运行时间长的问题。在确定某一条输电线路建设前需要对其经济寿命进行分析。一般需要考虑建造时的各项成本。但是现如今在规划输电线路工程时，大多仅考虑输电线路的建造成本而忽略了运行费用、检修费用和故障费用的不确定性。因此为了便于建造时的快速完成，往往在建造时投入大量成本达到目的，但是这样使得输电线路在运行和后期检修维护时同样需要负担大量的成本，两种成本叠加在一起，使得每个输电线路工程的建立都会存在巨大的成本负担。为了缓解目前这一现状，减少输电线路工程不必要的成本浪费。按照全寿命周期成本管理理论，输电线路工程全寿命周期成本应该包括初设投资成本、输电线路运行成本、输电线路检修成本、输电线路故障成本。本专利基于全寿命周期管理理念，对输电线路工程的投资成本、运行成本、检修成本、故障成本等进行分析，考虑不确定性因素的影响，采用技术经济评价方法和区间法理论，构建输电线路工程经济寿命测算模型，并通过数学推导和区间优化理论对模型进行求解，根据输电线路各种成本计算并结合测算模型工作人员能够不断调整各个时期输电线路成本的影响因素，达到控制输电线路工程各个时期的成本，最终实现对输电线路工程从建设到运行整个时期的良性管控。
7.作为优选，所述步骤s1中输电线路成本需要计算工程投资成本，设定输电线路工程初始资本为t0，输电线路工程残值费用为v0，等额分付偿基金系数为工程投资成本为c1，故公式为：在输电线路工程筹划时期利用公式计算获得该工程初期的投资成本以及后续成本的增加值，这两项成本指标作为筹建者决定如何开展该工程或者是否开启该工程的一个衡量指标。
8.作为优选，所述步骤s1中输电线路成本包括工程运行成本，设定输电线路首年运行成本为s0，输电线路年运行成本增长值为w，输电线路年运行增长值的区间数为[w]，运行年份为j，工程运行成本为c2，故公式为：当输电线路工程完成建设后，除去建设所需要花费的建设成本，还需要考虑输电线路在运行过程中所需要的运行成本。通过工程运行成本公式能够将该成本通过数据的形式具象化地表现出来，根据
运行成本公式所得结果，可以清晰明确输电线路每年成本，便于后续运行过程中，调整输电线路相关配置，将运行成本维持在一个良性区间内。
[0009]
作为优选，所述步骤s1中输电线路成本还包括工程检修成本，设定首年检修成本为g0，每年检修成本的增加值为q，每年检修成增加值的区间数为[q]，工程检修成本为c3，故公式为：在输电线路日常运行过程中，必定会出现部件的损坏，因此维修成本是必须要考虑的一个重要方面。根据计算公式可以比较清楚明确得到每年的维修成本，根据维修成本的变动，工作人员可以根据维修成本的变化幅度，调换输电线路内相关器件，将维修成本维持在一个合理的范围内，控制输电线路的成本。
[0010]
作为优选，所述步骤s1中输电线路成本还需要考虑工程故障成本，设定首年故障概率为p0，每年故障增长率为α，每年故障增长率的增长区间为[α]，每年故障损失值为s1，故障成本为c4，所以故障成本计算公式为:输电线路在日常运行过程中，相关的器件均会出现故障，出现故障后需要更换故障的器件维持输电线路的日常运行，器件故障更换同样需要考虑将该成本计算入输电线路的成本之中。利用故障成本公式明确输电线路的故障成本，同时根据故障概率和故障增长率也能够判断器件是否适配于该输电线路。若某个器件的故障概率和故障增长率过高，说明该器件并不是适配于该输电线路，操作者可根据实际需求对部件进行更换，将故障成本维持在一个合理的范围内。
[0011]
作为优选，所述步骤s2中优化方案包括输电线路的路径选择，根据不同地区的地质状态以及电力系统总体规划设计的要求，同时结合地方城市规划及建设情况并考虑本工程各种制约因素，选择合适的输电线路路径。输电线路在建设过程总经过的实际地理状况不尽相同，如果仅考虑距离来建造输电线路，有很多实际的地理情况或者人文状况极大地增加了建造成本，因此需要综合多种实际影响因素，规划选择一个合理的自然的路径使得输电线路能够兼顾成本和建造难度。
[0012]
作为优选，所述步骤s2还包括输电导线优化，在优化输电导线前，首先选择若干种机械强度和截面满足要求的导线，然后根据影响因素对多种导线进行比选，剔除不合格的导线型号，最后再对剩余的导线进行综合的技术和经济层面上进行比较，在确保线路安和稳定运行的前提下，选择出型号最优的输电导线型号。输电导线时输电线路建设过程中最重要的一环，因此一个型号适配的输电导线不仅能够提高输电效率，同时也能够降低导线损坏率，缩减故障更换时的成本支出。选择导线时需要根据输电线路实际的工程需求进行多方面的实验测试才能够得到一个较为准确的实验结果，进而便于选择得到一个最合适型号的导线。
[0013]
作为优选，所述步骤s2中也包括铁塔的优化，输电铁塔通过空间析架系统来进行整体分析的，计算出铁塔的整体强度对于各构件的强度的依赖程度，分析不同部件成本投入对铁塔整体强度的提升度，从铁塔全寿命周期的费用和效益角度出发，全面考虑协调配置各部件的强度，使在同样的可靠度标准下得到铁塔最合理地分配材料资源。铁塔是输电线路中最主要的硬件设备，多个铁塔之间串游输电线路才能够构成基础的输电线路，若是铁塔小部件发生问题，会影响整个输电线路一段时间的正常运行，而若是铁塔根基部件产生问题，则会导致彻底输电线路发生瘫痪，会带来大范围的影响。因此在建设输电线路时，对于铁塔的强度的分析是不可或缺的一环。分析铁塔强度时，不仅需要考虑铁塔各个部件本身的强度，还需要考虑各个部件之间的配合强度，在兼顾塔件强度的同时，也需要考虑同种塔件不同型号的成本消耗，在成本和强度之间寻找一个折中点，合理的分配铁塔各部分的资源。
[0014]
作为优选，所述步骤s2中基础设施优化，基础设施不仅需要符合输电线路的强度要求还需要满足施工技术的前提，更重要的是还要注重环境保护，针对多种技术方案进行多方面的比较，配置最优的基础设施。除了铁塔和输电导线以外，输电线路的建造中还需要诸多基础设施。基础设施也是输电线路中不可或缺的一部分，因此兼顾基础设施基础强度和可持续环境的基础选定合适型号的基础设施。
[0015]
作为优选，所述步骤s3中先进行工程经济寿命测算，输电线路工程的总年费为：c0取最小值时，n
*
即为输电线路工程的经济寿命，因此输电线路工程经济寿命的数学模型为：根据输电线路工程经济寿命的数学模型替换不同的成本预算确认最佳的输电线
路优化方法。在总结计算出输电线路各个层面上的成本损耗之后，根据对不同成本的计算总结可获得一个输电线路工程经济寿命的数学模型，通过建立模型可以使得工作人员在打算建造输电线路时，便能够通过各项数据清晰地知道各种成本以及相应的影响因素。通过该数学模型，工作人员能够根据各项数据和影响因素调整输电线路中相应器件的型号，使得输电线路在较高的性价比的同时维持正常的运行。
[0016]
本发明的有益效果是：基于全周期寿命理论计算输电线路从开始建造至正常运行整个时间段的成本，分析输电线路可优化的措施，结合输电线路的成本计算公式建立输电线路工程经济寿命的数学模型，根据模型不断调整输电线路的影响因素，确保对输电线路全时期的成本进行控制，在控制输电线路成本的同时也能够尽可能的延长输电线路的工作寿命。
附图说明
[0017]
图1是本发明的一种输电线路全寿命周期优化方法的流程图。
具体实施方式
[0018]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0019]
实施例：本实施例的一种输电线路全寿命周期优化方法，如图1所示，包括s1计算输电线路成本；s2根据输电线路成本列举输电线路配置优化方案；s3根据输电线路工程经济寿命的数学模型确定输电线路优化方法。
[0020]
全寿命周期理念即是指种合理管控产品从生产至使用的全部过程，并对该过程中所涉及的所有生产环节进行资源的优化配置与管理，科学合理的生产设计方案以及质量性能较佳的原材料进行生产并运行，以此保证降低产品生产经过全寿命周期管理之后所需的成本。在现有输电线路建造过程中，大多仅考虑输电线路建造时的建造速度和输电线路本身的质量，大多时候为了加快建设速度，提高建设质量使得建造成本不断增加，同时高成本的建造完成后，后期输电线路在日常运行时的检修成本、维护成本也大大提高。为了解决这一现状，本实施例在输电线路设计时贯彻全寿命周期理念进行设计管理。输电线路的建造需要考虑多方面的因素，除了常规的结构、功能设计要求外，要进行线路规划、电网运行安全等方面的设计，此外设计期间要把握好环境保护和线路质量的要求，确保输电线路能够在该理念指导下实现全寿命周期的最优设计。因此本实施例首先需要计算获得输电线路从建造至运行过程中的投资成本、工程运行成本、工程检修成本、工程故障成本，再根据成本计算罗列出能够影响输电线路的因素并得到优化方案，最后综合各项成本结果以及优化方案确定根据输电线路工程经济寿命的数学模型，根据数学模型调整输电线路各项影响因素，在确保输电线路本身运行安全的同时，使得输电线路的成本压缩在一个合理的范围内。
[0021]
步骤s1中输电线路成本需要计算工程投资成本、工程运行成本、工程检修成本、工程故障成本。工程投资成本计算时，设定输电线路工程初始资本为t0，输电线路工程残值费用为v0，等额分付偿基金系数为工程投资成本为c1，故公式为：
[0022]
工程运行成本计算时设定输电线路首年运行成本为s0，输电线路年运行成本增长值为w，输电线路年运行增长值的区间数为[w]，运行年份为j，工程运行成本为c2，故公式为：工程检修成本时，设定首年检修成本为g0，每年检修成本的增加值为q，每年检修成增加值的区间数为[q]，工程检修成本为c3，故公式为：工程故障成本时，设定首年故障概率为p0，每年故障增长率为α，每年故障增长率的增长区间为[α]，每年故障损失值为s1，故障成本为c4，所以故障成本计算公式为:工程投资成本计算时，公式内的初始投资成本是指项目投产前所产生的建筑工程费、安装工程费、设备购置费及其他费用等。输电线路工程经济寿命的计算时间应该在运行阶段，所以初始投资成本是已知的，采用等年值法将一次投资成本转化为净等年值。运行成本是指为了确保输电线路安全、可靠运行，对线路进行巡视、状态检测、通道维护、杆塔及基础维护、接地装置维护及附属设施维护所产生的费用。工程运行成本计算时，由于年运行成本与线路运行环境、气候条件、自然灾害等有关，存在一定的不确定性，因此年运行费用的增加值设定为区间数。输电线路的检修是指为确保输电线路安全稳定运行而进行周期性的停电清扫绝缘子、检查及处理缺陷等工作。检修成本会随着使用年限的增加而增加。计算工程故障成本时，其中故障成本是指输电线路设备发生故障后，需要尽快恢复到设备初始正常运行状态过程中发生的费用，既包括故障维护成本，又涵盖故障导致供电中断所带来的电量损失和用户停电损失。故障成本需要考虑其故障发生的概率和故障所带来的损失。随着时间的推移发生故障的概率逐渐增加。
[0023]
步骤s2中优化方案包括输电线路的路径选择、电导线优化、铁塔的优化、基础设施优化。路径选择时，根据不同地区的地质状态以及电力系统总体规划设计的要求，同时结合地方城市规划及建设情况并考虑本工程各种制约因素，选择合适的输电线路路径。输电导线优化时，在优化输电导线前，首先选择若干种机械强度和截面满足要求的导线，然后根据影响因素对多种导线进行比选，剔除不合格的导线型号，最后再对剩余的导线进行综合的技术和经济层面上进行比较，在确保线路安和稳定运行的前提下，选择出型号最优的输电导线型号。
[0024]
铁塔的优化时，输电铁塔通过空间析架系统来进行整体分析的，计算出铁塔的整体强度对于各构件的强度的依赖程度，分析不同部件成本投入对铁塔整体强度的提升度，从铁塔全寿命周期的费用和效益角度出发，全面考虑协调配置各部件的强度，使在同样的可靠度标准下得到铁塔最合理地分配材料资源。基础设施优化时，基础方案应在遵循技术合理性和满足施工技术的可行性的前提之下，还需要注重环境保护和可持续发展的要求，同时对多种技术方案进行经济性的比较，配置最优的基础设施。
[0025]
选择路径时应根据不同输电线路的规划要求，结合建造地的地方城市建设规划情况、军事设施和通信设施的布置情况、自然保护、文物保护情况、林业情况、矿产情况、水文及地质情况、沿线交通及污秽情况等，综合考虑工程的各种制约因素，统筹兼顾、相互协调，做到方案安全、可靠、经济合理。由于输电线路建造运行时所需耗费的成本较大，因此在统筹考虑线路路径方案时需要尽可能选择一条合理的路线，为后续的建造尽可能的提供便利。当选择输电线路的导线时，导线的优化选型是送电线路工程优化设计中非常重要的一个组成部分，合理的选型不仅可以节省导线部分的投资，更会直接影响到铁塔和基础部分的优化设计。当导线的截面确定之后，确定不同导线的配置方案。确定好输电导线的型号方案后，首先根据现有的基础标准，从工频电场强度、工频磁场强度、可听噪声和无线电干扰等各方面分析限值的要求，计算参选的导线是否在规定的经济电流密度之内，然后从电阻损耗、表面场强、电晕损失、无线电干扰值、可听噪声值和导线的机械特性等方面逐一对参选的导线方案进行详细的计算和比较，从中剔除不合格的方案。在确定了技术上可行的导线方案之后，就需要对合格导线方案进行经济比较。经济比较时采用“工程全寿命周期费用最小法”，工程全寿命周期最小法是按照导线的全寿命周期总费用折算到投运年进行经济比较的，导线的全寿命周期总费用越小，选择的导线越经济。铁塔结构优化设计的意义在于在给定的荷载条件下优化结构布置和材料配置，发挥出所选材料最佳的力学性能，从而达到节约材料消耗量以及降低造价的目的。输电线路的铁塔进行评判时需根据工程路径走径区段内冰区的划分情况以及导线的选型情况，对铁塔的头部布置、横担形式、塔身坡度、塔身断面、塔身节间长度、塔身斜材布置、铁塔传力路径、铁塔结构及腿部设计等进行相应的优化设计，对可供选择的各种方案进行详尽的计算和比较，在确保安全可靠地前提之下，选择出其中铁塔重量、制造工艺综合考虑最优的方案。基础设施的优化主要从线路与沿线环境为结合点触发，应最大限度减少对环境的扰动。在进行基础的优化设计时，首先要根据基础作用力和沿线的地质情况，选择适用于本程的数个基础方案，然后对可行的基础形式进行综合的经济技术比较。从混凝土耗用量、钢筋耗用量、土方量、施工难易程度及施工工程量多个方面对参选的基础方案进行详尽的计算和比较，若同一地段有多种基础方案可行，则选取对周边环境扰动最小，方量最小的方案，以最小的环境的代价实现工程目标。最终求得全寿命周期最优的基础方案。
[0026]
步骤s3中先进行工程经济寿命测算，输电线路工程的总年费为：
c0取最小值时，n
*
即为输电线路工程的经济寿命，因此输电线路工程经济寿命的数学模型为：根据输电线路工程经济寿命的数学模型替换不同的成本预算确认最佳的输电线路优化方法。现有的输电线路工程经济寿命计算均采取列表试算法，由于输电线路工程数量极其庞大，导致电线工程经济寿命的计算工作量巨大且难以对影响因素进行分析，本实施例通过建立输电线路工程经济寿命的数学模型模型，能够快捷地分辨出不同输电线路的成本与经济寿命，同时针对不同影响因素能够快速地计算出对应的结果，极大地提高了测算的效率。

技术特征：
1.一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，步骤包括s1计算输电线路成本；s2根据输电线路成本列举输电线路配置优化方案；s3根据输电线路工程经济寿命的数学模型确定输电线路优化方法。2.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s1中输电线路成本需要计算工程投资成本，设定输电线路工程初始资本为t0，输电线路工程残值费用为v0，等额分付偿基金系数为工程投资成本为c1，故公式为：3.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s1中输电线路成本包括工程运行成本，设定输电线路首年运行成本为s0，输电线路年运行成本增长值为w，输电线路年运行增长值的区间数为[w]，运行年份为j，工程运行成本为c2，故公式为：4.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s1中输电线路成本还包括工程检修成本，设定首年检修成本为g0，每年检修成本的增加值为q，每年检修成增加值的区间数为[q]，工程检修成本为c3，故公式为：5.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s1中输电线路成本还需要考虑工程故障成本，设定首年故障概率为p0，每年故障增长率为α，每年故障增长率的增长区间为[α]，每年故障损失值为s1，故障成本为c4，所以故障成本计算公式为:6.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s2中优化方案包括输电线路的路径选择，根据不同地区的地质状态以及电力系统总体规划设计的要求，同时结合地方城市规划及建设情况并考虑本工程各种制约因素，选择合适的输电线路路径。7.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s2还包括输电导线优化，在优化输电导线前，首先选择若干种机械强度和截面满足要求的导线，然后根据影响因素对多种导线进行比选，剔除不合格的导线型号，最后再对剩余的导线进行综合的技术和经济层面上进行比较，在确保线路安和稳定运行的前提下，选择出型号最优的输电导线型号。8.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s2中也包括铁塔的优化，输电铁塔通过空间析架系统来进行整体分析的，计算出铁塔的整体强度对于各构件的强度的依赖程度，分析不同部件成本投入对铁塔整体强度的提升度，从
铁塔全寿命周期的费用和效益角度出发，全面考虑协调配置各部件的强度，使在同样的可靠度标准下得到铁塔最合理地分配材料资源。9.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s2中基础设施优化，基础设施不仅需要符合输电线路的强度要求还需要满足施工技术的前提，更重要的是还要注重环境保护，针对多种技术方案进行多方面的比较，配置最优的基础设施。10.根据权利要求1所述的一种输电线路全寿命周期优化方法，其特征在于，所述步骤s3中先进行工程经济寿命测算，输电线路工程的总年费为：c0取最小值时，n
*
即为输电线路工程的经济寿命，因此输电线路工程经济寿命的数学模型为：根据输电线路工程经济寿命的数学模型替换不同的成本预算确认最佳的输电线路优化方法。

技术总结
本发明公开了一种输电线路全寿命周期优化方法，包括S1计算输电线路成本；S2根据输电线路成本列举输电线路配置优化方案；S3根据输电线路工程经济寿命的数学模型确定输电线路优化方法，本专利基于全周期寿命理论计算输电线路从开始建造至正常运行整个时间段的成本，分析输电线路可优化的措施，结合输电线路的成本计算公式建立输电线路工程经济寿命的数学模型，根据模型不断调整输电线路的影响因素，确保对输电线路全时期的成本进行控制，在控制输电线路成本的同时也能够尽可能的延长输电线路的工作寿命。线路的工作寿命。线路的工作寿命。


技术研发人员：殷志敏 季世超 吴松 李浩言 戴建华 陆利平
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司湖州供电公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/22