基于全壽命周期管理的變電站工程資產分析

孫洪波，李建杰

(國網山東省電力公司 濱州供電分公司，山東 濱州256610)

0 引言

我國電網資產存量大，增速快，設備年輕，但電網企業“分段式”的職能管理模式并未有根本性的改變，已造成設備使用效率低、設備壽命短、維護成本高。并制約著電網資產運營水平的進一步提高［1～3］。

近年來，我國電網企業在提高電網技術、裝備水流程優化和資產經營收益等方面也開展了相關研究，并取得了一定的成果。但與國外先進水平相比，仍有一定差距，主要集中在變電站主要設備的使用壽命和綜合管理水平上。例如，我國電網中的110 kV 變壓器、斷路器、輸電線路的平均運行壽命分別只有18．1 年、13．7 年和29．0 年，與國外先進設備平均40 年以上的使用壽命相比，具有相當大的提升空間［4～7］。

全壽命周期管理是一種追求全壽命周期成本最低的管理方法及理念，該理念在滿足效能、效益和安全的前提下全面考慮了從變電站規劃設計到采購建設直到運行報廢的整個過程［8］。資產全壽命周期管理注重資產效能、周期成本及資產安全這三者的關系，在當前形勢下，這是提高變電站設備技術裝備水平和資產經營效益的最佳途徑。因此，我國電網應著重開展針對變電站主要設備的資產全生命周期管理，實現資產的實物流、信息流、價值流的高度集約，提高變電站設備的管理水平。近年來，全壽命周期管理在我國的電力企業中逐步得到應用，并在2009 年后在國家電網公司和南方電網公司進行全網推廣應用，其中部分電力企業已經通過這種管理的應用，提高了其設備綜合管理水平［9，10］。然而我國全壽命周期理論起步較晚，其理論研究和實際應用仍不成熟，不同電力生產企業對產品全壽命周期的管理水平參差不齊，因此亟需建立適合、實用地針對電力企業本身的全生命周期的評價方法，以提高電力企業的設備綜合管理水平。

本文從全生命周期角度對變電站的主要設備進行優化管理，通過提出延長電氣一次設備使用壽命的具體措施，實現了變電站資產全壽命周期成本最優化的目標，有效提高了變電站設備的綜合管理水平。

1 全壽命周期管理的目標描述

1.1 全壽命周期管理的理念及分析模型

全壽命周期管理作為一種先進的管理理念和方法，它通過對設備、項目或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新，直至報廢的全過程所消耗的一切資源和主要影響因素的考慮。

對于新建變電站選擇最低的初次投資是不科學的，這是由于在今后運行、維護及設備故障等可能引起的附加費用往往是初次購買成本的數倍。因此，正確的財務選擇應該是綜合整個設備壽命周期的費用，運用失效機理及概率分析，用凈值來計算壽命周期成本，使之最小。因此，電力系統的全壽命周期成本管理是在可靠性的基礎上使設備或系統的全壽命周期成本最低的管理。在設備采購中，不僅需要考慮設備的購買價格，而更要考慮設備在整個全壽命周期內的支持成本，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全壽命周期成本管理(Life Cycle Cost，LCC)進行分析計算，以量化值進行決策，其基本構成如圖1 所示。

圖1 全壽命周期成本分析構成圖

圖中，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)。

在變電站LCC 實際管理過程中，一次投資成本的估算對LCC 管理尤為重要，其一次設備的總投資為各設備投資總和，即:

式中:CIi為變電站一次性投資的各組成部分。針對設備的維護成本，主要包括變壓器、斷路器、隔離開關等主要設備的維護費用，也包括壽命周期內的部件更換費用，其計算如公式(2)所示［4］:

式中:NHm為每年維修所需的工時;Ch為工時成本;Cspare為備品備件的材料成本。

另外，變電站由于運行過程中故障引起的供電損失，也會增加相應的供電懲罰成本，其也是LCC管理中需要考慮的，估算模型如公式(3)所示［4］:

式中:α 為用戶平均中斷電量價值;W 為設備故障中斷供電功率;T 為設備故障中斷供電時間;λ為設備平均故障數;RC 設備故障平均修復成本;MTTR 為設備平均修復時間。

變電站報廢時，部分設備還具有殘值，可以沖銷有關的費用，即殘值收入作為報廢成本的減項，故報廢成本的估算模型為［4］:

式中:CDi為變電站報廢成本的各組成部分;S 為設備殘值。

綜上可以看出，LCC 打破了部門界限，將規劃、設計、基建、運行等不同階段統籌考慮，以項目總體效益為出發點，尋求最佳方案。通過全壽命周期管理的應用，可以有效地提高工程設計和管理的效率，使項目的決策方案、設計方案、施工方案、運行方案更加合理，提高工程中的設備利用水平，并促進資源節約，實現建設項目良好的社會效益。LCC 管理可用于許多領域，但其重點是設計和基建階段，這是由于在這兩個階段中90%以上的LCC 可以確定。在設備采購階段，應全面考慮設備在整個全壽命周期內的支持成本，而在設計階段需重點預測對LCC 影響最大的檢修費用及與可靠性有關的故障損失［11］。

1.2 變電站專業管理的指標體系及目標值

變電站專業管理的指標體系是指專業管理的過程控制指標，針對變電站工程的全壽命周期設計建設，對電氣設備進行資產全壽命周期設計綜合評價，分析其在滿足資產全壽命周期設計建設目標的程度，對設計方案的不足之處進行調整和優化，變電站專業管理的指標體系如圖2 所示。

圖2 變電站專業管理指標體系示意圖

2 變電站主要設備專業管理的主要措施

目前變電站內主要一次電氣設備有變壓器、開關類設備(斷路器、隔離開關、GIS、開關柜等)、電容器、電抗器、導體導線等。提高變電站設計使用壽命，首先需要提高變電站內主要一次電氣設備的使用壽命［12～14］。

2.1 主變壓器的壽命管理

隨著電網的迅速發展，單臺高電壓、大容量的變壓器越來越多地投入電網運行，因而主變壓器的故障嚴重地威脅著整個電力系統的運行。油浸電力變壓器的運行壽命主要由其絕緣系統的壽命所決定，其絕緣油可以在變壓器使用壽命期間進行再生或更換，其設計壽命通常為20～40 年。在維護良好的情況下，變壓器運行壽命可以達到40 年。

2.2 開關類設備的壽命管理

高低壓開關電器廣泛應用于電力系統中，是發電、輸電、變電、配電系統的重要控制和保護設備。因此可靠地分合電路既是電器產品本身最重要的性能指標，也是保證電力系統可靠運行的基礎。

影響開關使用壽命的因素主要有絕緣水平、電壽命、機械壽命等。可以通過以下措施提高開關設備的生命周期:(1)提高開關電壽命;(2)提高設備機械壽命;(3)提高絕緣件壽命;(4)減小環境影響;(5)實施設備的狀態監測和狀態檢修;(6)根據元件壽命特性在適當的時機進行更換;結合目前國內元件的壽命，將設備壽命提高至40 年，建議按照表1 所示周期更換元件。

表1 需定期更換的元件及周期

續表

2.3 提高電線電纜耐久性

變電站內電纜敷設在電纜溝、電纜豎井內，或埋管、或直埋地中。變電站現用的常規電纜的壽命與建構筑、一次設備、電纜設施的壽命和功能無法匹配，成為變電站運行的短板環節。因此，提高電線電纜的設計壽命，對提高變電站設備的整體運行水平至關重要［15］。

2.4 變電站設備召回

產品召回機制在我國的食品、醫藥以及汽車領域已有運用，電力設備質量要求高、投資金額大，因此也可以借鑒產品召回機制提高變電站的設備管理水平。

設備發生故障后召回情況如圖3 所示。

圖3 故障后召回情況流程示意圖

由圖3 可以看出，當設備由于自身缺陷故障時，生產廠召回設備進行故障檢查、維修或更換部件，使設備得到再次利用。同時，建立設備身份證檔案，將設備有關信息全部體現于身份證中，方便查詢。將身份檔案結合ERP 管理系統，在設備產生故障時由換流站后臺自動生成系統及設備等情況，并判斷故障原因供現場廠家等相關人員參考。由于設備身份證的采用，可以便捷、迅速地查找與缺陷故障設備同型號、同批次的設備，以便在第一時間召回設備，從而使得由于設備故障造成的停電損失達到最小。

3 變電站全壽命周期管理的綜合評價

變電站工程系統的資產全壽命周期設計方案綜合評價按照資產全壽命周期的8 個目標，即可靠性與安全性、易維護性、易施工性、可擴展性、節約環保性、可回收性、防災與突發事件處理以及資產全壽命周期成本最優化開展工作。針對不同方案電氣一次專業對目標結構進行分解，資產全壽命周期成本最優措施如表2 所示。

表2 資產全壽命周期成本最優措施

續表

從表2 中可以看出，變電站電氣一次專業對目標結構主要從電氣主接線、電氣設備的選擇、總平面布置、無功補償裝置、過電壓保護和接地、輔助設施等評價對象提出資產全壽命周期成本最優化措施。通過變電站資產全壽命周期最優化措施，實現了變電站設備各階段資源的優化配置和壽命周期內成本的降低、效能和安全的提高。

4 結論

本文圍繞全壽命周期建設管理的設備安全可靠性、可維護性、可施工性、可擴展性、節約環保性、可回收性、防災與突發事件處理等方面，對變電站的全壽命周期設計建設管理進行了全面地分析與優化。通過提出延長電氣一次設備使用壽命的具體措施，達到主要一次設備使用壽命40年的目標，并在編制變電站設備技術規范過程中，建立了產品的“召回”制度，進一步提高了變電站的設備管理水平。

［1］卜虎正，劉志斌，汪覺恒，等．變電工程全壽命周期設計輔助決策系統的研發［J］．電力系統及其自動化學報，2011，23(5):554-559．

［2］于樹彬，樊千，孫慧玲．資產管理與評估［M］．北京:經濟科學出版社，2008．

［3］張俊．基于全壽命周期成本(LCC)的變電站建設的決策分析［D］．重慶:重慶大學，2007．

［4］焦敏．供電企業固定資產全壽命周期管理研究——以山東電力集團公司為例［D］．濟南:山東大學，2013．

［5］Wang L，Morison K．Implementation of online security assessment［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2006，4(5):47-59．

［6］余立軍．電網企業推進資產全壽命周期管理的二個難點及對策［J］．能源技術經濟，2010，22(1):55-59．

［7］王備．關于設備資產全壽命周期的思考［J］．電力信息化，2007，5(2):20-22．

［8］樊嬌，劉金朋，劉冰旖，等．電網企業資產全壽命周期管理研究綜述［J］．陜西電力，2014，42(4):29-32．

［9］Nilsson J，Bertling L．Maintenance management of wind power systems using condition monitoring systems life cycle cost analysis for two case studies［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1):223-229．

［10］孫藝新．英國國家電網公司資產全壽命周期管理實踐與啟示［J］．價格月刊，2011，11(22):91-94．

［11］李濤，馬薇，黃曉蓓．基于全壽命周期成本理論的變電設備管理［J］．電網技術，2008，32(21):50-53．

［12］黃良寶，馬則良，張建平，等．考慮LCC 管理的電網規劃方案評價研究［J］．華東電力，2009，37(5):691-694．

［13］馮亞民，蔣躍強，齊曉曼，等．基于LCC 的輸變電資產的集成運維管理探討［J］．華東電力，2009，37(6):1015-1018．

［14］滕樂天，陳紅兵，王怡風．LCC 在設備采購中的應用實踐［J］．華東電力，2007，35(10):27-29．

［15］韓天祥，李莉華，余穎輝．用LCC 方法對500 kV 變電站改造的經濟性評價［J］．華東電力，2007，35(8):7-11．