110 kV變電站全壽命周期成本分析

許子濤，李風蘭，趙 琳，陳 婧

（濰坊供電公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著電網建設的快速發展，作為資本密集型產業的電力行業，對電力工程造價進行有效控制，提高資金利用效率，不僅關系到項目個體的經濟利益，也關系到電力工程建設的健康發展。

當前工程造價管理已經在電力基建項目的全過程得到了充分的重視，從早期簡單的對施工階段進行預算控制，到目前對前期策劃、設計階段、施工階段進行全過程管理，工程造價管理在理論和實踐上都取得了重大進步。然而，目前的工程造價管理模式還只是從項目前期到項目竣工移交為止，并不包括對項目使用期的運行和維護成本管理，沒有形成一個閉環控制過程。隨著經濟社會持續快速發展，我國電網建設將長期保持快速增長。傳統的資產管理方式暴露出一些問題，如設備壽命短、使用效率低、維護成本高、一線人員短缺等。在此形勢下，必須轉變管理理念，創新管理方法，引入科學決策，優化管理策略，積極推進資產全壽命周期管理。將全壽命周期成本（LCC）分析引入資產全壽命周期管理，有利于基建管理理念和方法創新，有利于提高工程整體水平，有利于電網安全可靠運行。它將控制工程造價覆蓋工程項目的整個壽命周期，貫穿于工程的項目決策、設計、施工、運行維護等各階段。

110 kV樂川變電站是國家電網公司全壽命周期設計建設試點工程。濰坊供電公司按照國網公司“三通一標”、“兩型一化”、“兩型三新”要求，在電網建設中實行包含全壽命周期成本分析和管理的全壽命周期造價管理，實現控制與節省全壽命周期成本的目標。

1 概述

1.1 實施全壽命周期設計建設的必要性

工程項目全壽命周期造價管理是指一種貫穿工程項目全壽命周期，包括項目前期、建設期、使用期和翻新及拆除期等各階段總造價最優化的方法。全壽命周期造價管理是一種可審計跟蹤的工程成本管理系統，管理的范圍包括決策階段、設計階段、實施階段、竣工驗收階段和運營維護階段。全壽命周期造價管理有全壽命周期成本分析和全壽命周期管理兩大核心內容。全壽命周期成本分析用來計算建設項目的全壽命周期成本，在計算時通常采用折現技術，即把未來的成本折合成現在的費用。其主要作用是為管理的各個階段提供決策依據，是方案選擇的主要工具。全壽命周期成本管理是在建設項目整個壽命周期的各個階段對全壽命周期成本加以控制，以達到全壽命周期成本最優的目標。

1.2 全壽命周期成本定義及計算模型

全壽命周期成本是從設備/系統或項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備/系統或項目的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新、直至報廢的全過程，即從整個項目壽命周期出發進行思考，側重于從項目決策、設計、施工、運行維護等各階段全部造價的確定與控制，使LCC最優的一種管理理念和方法。

在項目初期，不僅要考慮設備的購買價格，更要考慮設備在整個全壽命周期內的支持費用，包括安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程，其核心內容是對設備或系統的LCC進行分析計算，以量化值進行決策。主要應用以下計算模型：

式中：LCC為全壽命周期成本 （life cycle cost）；CI為投入成本，包括采購成本及建設成本（investment costs）；CO 為運行成本 （operation costs）；CM 為維護成本（maintenance costs）；CF 為故障成本，亦稱懲罰成本（outage or failure costs）；CD 為廢棄成本（disposal costs）。

1.3 110 kV樂川站全壽命周期成本分析研究內容

從制造廠、電網運行兩個方面對變電站重要電氣設備和建筑調研數據收集、分析，基于“壽命協調、功能匹配”原則，確定變電站整體壽命30年和影響檢修周期的關鍵部件壽命期限。

研究制定變電站全壽命周期成本計算方法，包括全壽命周期成本（LCC）的組成、統計方法、不確定因素和敏感性分析方法和各階段全壽命周期成本計算。

根據設備短板、零部件檢修更換周期，并結合預防性試驗要求，優化變電站檢修周期年限，并進行30年壽命期內的技術經濟比較定量分析。

進行效能/成本的權衡研究，確定最佳的可靠性、可維護性等級，獲得最優的全壽命周期成本，研究全壽命周期成本評價法。

從功能、技術、經濟和環境多方面考慮，在站址選擇、配電裝置及設備選型、絕緣配置、接地裝置、地基處理、基礎設計、總平面布置等各個方面都要進行設計優化。

2 確定變電站設備壽命周期、優化檢修周期

2.1 設備壽命及短板分析

濰坊供電公司多次邀請有代表性的設備制造廠開展技術交流，得出結論：各主要設備經濟壽命均≥30年；優化（采用新技術、新材料、新工藝）后多數零部件短板壽命為15年（如變壓器密封墊等），部分零部件須在第8年更換；二次及通信類設備經濟壽命為15年，部分零部件（如電源插件）須在第8年更換；開關類設備（GIS、開關柜）30年經濟壽命期內無需解體大修。

2.2 分析濰坊電網運行設備

為綜合評定設備壽命周期，從設計和檢修兩個環節綜合驗證確定設備短板。在對濰坊電網從2000年至今的設備缺陷進行分類統計后，總結出設備運行期內暴露出的共性問題，并對問題產生的根源進行分析。對查找出的設備缺陷及共性問題在技術規范書中要求設備制造廠家有針對性地進行整改，如采用新材料，提高加工工藝，選用高品質零部件，確保設備滿足預期經濟壽命及檢修周期。以主變壓器為例：密封墊材質采用丙烯酸酯取代丁晴橡膠，防老化性能顯著增強；油箱箱壁采用定制鋼板以減少焊縫，其他采用埋弧自動焊工藝；變壓器安裝由廠家指導安裝改為廠家主導安裝等。

2.3 設備檢修試驗周期優化

目前，電網企業多以3年為周期開展設備定期檢修，主要工作為預防性試驗。定期檢修在保證設備正常工作中起到了直接防止或延遲故障的作用；然而隨著技術進步，設備質量、可靠性大大提高，目前這種不根據當前電氣設備的實際狀況，單純延續3年時間間隔對設備進行相當程度解體的維修方法，不可避免地會產生“過剩維修”，不但造成設備有效利用時間的損失和人力、物力、財力的浪費，甚至會引發維修故障。

依據設備壽命、短板分析及零部件檢修更換周期，參考《山東電力集團公司電力設備交接和預防性試驗規程》，結合現運行設備缺陷統計分析、制造廠產品使用說明、運行及檢修單位多年實際經驗，優化主要電氣設備的停電試驗項目和周期：變電站檢修周期為“8小、15大”，即小修周期定為8年，大修周期定為15年。小修主要工作為設備整體檢查、進行預防性試驗項目；大修主要工作為主變壓器整體大修、其余設備更換壽命到期零部件以及進行全部大修試驗項目。

優化目前變電站設備檢修周期將帶來直接效益：1）節省大量維修費用；2）延長設備使用壽命；3）增加供電能力；4）確保供電可靠性；5）降低檢修成本、減少檢修風險。

3 110 kV樂川站全壽命周期成本

110kV樂川變電站工程規模：建設2臺50MVA變壓器，2回110 kV出線，24回10 kV出線，建設10 kV并聯電容器組2×6 Mvar。

在電力系統應用全壽命周期成本管理有其自己鮮明特點，對系統的可靠性和部件失效的分析，以及失效引起的損失的評定，是開展該項工作必不可少的步驟[1]。以新建一個變電站為例，全壽命周期成本管理主要包含以下工作：根據技術要求，確定不同的布局，以多個備選方案作比較；不同方案下的LCC；不同方案下的可用率；不同方案下的風險；確定預期的各種變電站擴展計劃或更新計劃；在滿意的可用率和可接受的成本之間，找到最佳平衡點。

在全壽命周期成本各項組成成本中，故障成本（CF）的計算比較困難，與設備的可靠性和運行方式有關。可采用故障成本系數來分析故障成本與LCC的關系。研究表明：在考慮不同開關類型、不同故障率及各種參考因素的情況下，采用優化算法計算不同故障成本系數下變電站設備LCC，故障成本系數決定了系統的可靠性程度。高故障成本系數下，變電站設備的LCC受故障成本影響很大，此時需要更加可靠的變電站技術；低故障成本系數下，設備的可靠性升高，變電站設備LCC的故障成本將降低。在確定了各項成本的基礎上，通過LCC計算模型可較準確地比較各種條件下的LCC。如不同制造廠設備產品的可靠性不盡相同，同時可靠性的程度與產品的價格成正比。即可靠性越高，相應設備的價格也越高，因此在考慮設備的采購時，可以通過LCC計算，對可靠性和投資水平的最佳平衡點作出客觀的評價和決策。

1）110 kV樂川變電站工程推薦方案建設投入成本（CI）為3 747萬元，其中設備購置費2 548萬元（所占比例68%），建筑工程費449萬元（所占比例12%），安裝工程費265萬元（所占比例7%），其他費用485萬元（所占比例13%）。

2）110 kV樂川變電站全壽命周期成本：經計算，基于8年小修、15年大修的檢修策略，變電站30年壽命期內全壽命周期成本（LCC）為5 204萬元，其中建設投入成本（CI）為3 747萬元（所占比例 72%），運行成本（CO）為 467萬元（所占比例9%），維護成本（CM）為 519萬元（所占比例10%），故障成本（CF）為364萬元（所占比例7%），廢棄成本（CD）為107萬元（所占比例2%）。各項組成成本占全壽命周期成本（LCC）的比例如圖1所示。

圖1 各組成成本占全壽命周期成本（LCC）的比例

3）110 kV樂川變電站全壽命周期成本（LCC）中，電氣一次設備LCC成本為3422萬元（所占比例65.8%），電氣二次設備LCC成本為463萬元（所占比例8.9%），電氣輔助設備LCC成本為203萬元（所占比例3.9%），列入變電站本體的通訊設備LCC成本為14萬元（所占比例0.3%），土建成本為617萬元（所占比例11.8%），其他成本為485萬元（所占比例 9.3%）。

4 效益分析

4.1 優化檢修周期、提高設備性能產生的效益

優化檢修試驗周期，降低維護成本（CM）及故障成本（CF）。變電站設備檢修優化為“8年小修、15年大修”后，與“3年小修、6年大修”的檢修方式相比，在30年壽命期內，設備檢修次數減少，一線人員維護、檢修工作量大大降低，故障次數顯著減少，經計算樂川站30年維護成本（CM）、故障成本（CF）可節省160萬元。

提出合理技術改進要求，降低運行成本（CO）。以主變壓器性能優化為例，通過增加初始投資2萬元，噪聲水平可由65 dB降至56 dB，帶來的環境效益、社會效益顯著。通過增加初始投資15萬元，空載損耗可由41.5 kW降至26 kW、負載損耗可由215kW降至183kW，在30年壽命期內，運行成本（CO）中的能耗成本節省274萬元；通過選用真空有載調壓開關，與全油式調壓開關相比無需增加初始投資，30年維護成本（CM）節省65萬元。

4.2 優化設計產生的效益

優化工程設計，節約土地資源。注重節約土地，經過優化合并，以安全可靠、方便運行維護為前提，現110 kV全戶內變電站對比同規模國網典設B-1方案，變電站圍墻內占地減少188.1 m2，節約用地12%；電氣綜合樓總建筑面積僅為854.4 m2，建筑利用率達到81%，對比國網典設B-1方案減少7%。優化設計投入成本（CI）節省37萬元。

4.3 變電站整體壽命延長產生的效益

經調研，變電站壽命延長至40年技術可行、效益顯著。樂川站通過提高設備質量，優化檢修周期等設計管理手段，30年經濟壽命到期后，變電站整體壽命延長10年需增加投資約271萬元（主要用于更換壽命到期的設備零部件，如變壓器油、密封件、風機，GIS開關設備的觸頭、帶電顯示閉鎖裝置、避雷器在線監視器、二次元件，35 kV開關柜的避雷器，加熱器等），變電站延長10年壽命帶來的收益與增加投資費用相比收益顯著。

5 結語

從資產角度而言，引入全壽命周期成本管理可以有效地提高電網企業的運營效率，一方面，在資產運行過程中給予全壽命周期管理理念采用的各種管理方法，有助于運行管理水平的提高；另一方面，運行階段的要求在資產形成前期決策過程中得到了充分考慮，大大降低了規劃、設計、招投標和建設等前期階段造成資產健康隱患的可能性[2]。在電網資產全壽命周期成本中，故障引起的損失占較大比重，全壽命周期管理在設備或系統的規劃設計和招投標時就充分考慮可靠性因素，將故障成本作為一種懲罰性成本折算進全壽命周期成本，全面分析可靠性對全壽命周期成本的影響，有助于從源頭上提高設備和系統的可靠性，從而提升變電設備資產的質量并且延長其使用壽命。通過在規劃、立項、設計和設備招投標等決策環節將基建和生產兩個階段進行通盤考慮，樹立基建為生產服務的理念，以實現資產全壽命周期成本最優為目標，尋找一次投入與運行維護費用二者之間的最佳結合點，使兩個階段工作具有良好的持續性，從而改變割裂二者關系、片面追求一次投資最低的做法，有效實現資產全壽命各個階段的銜接。通過資產全壽命周期管理，能夠真正達到資產質量的優良和運行維護成本的優化，從而非常顯著地降低資產全壽命周期的總體成本，提高資產的運營效率，有力推動變電設備管理績效的提升。