變電站全壽命周期成本管理

俞 勝

（國網電力科學研究院，江蘇 南京 211100）

0 引 言

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡稱LCC）管理是在可靠性的基礎上，使工程和系統壽命擁有成本為最低的管理。對于電力系統新建工程而言，選擇初次投資最低的方案通常是不科學的，因為電力工程后期的運行、維護及設備故障等的維護成本往往是初次購買成本的幾倍[1]。因此，實際工程中，需要結合電力工程的特點，結合工程全壽命周期管理的理念，對多種因素反復權衡，控制好全壽命周期費用和預期效能，以達到質量、費用等最佳目標點的契合，確保建成的項目達到全壽命管理的目標。

1 工程全壽命周期管理的思路與意義

1.1 工程全壽命周期成本管理的思路

工程全壽命周期管理是基于設備或系統的可研論證，包括采購、安裝、運行、檢修、報廢回收、人工及環保等整個價值鏈的全壽命周期管理，是一種按照系統工程的觀點分配費用的決策技術，目的是實現在不損失項目功能的情況下實現全壽命成本費用的最小化。將全壽命周期管理應用于變電站工程項目中，即對變電站工程項目全壽命周期內不同環節、活動等給予全方位、全過程的管理。變電站全壽命周期成本主要有運行成本、投入成本、故障成本、維護成本與廢棄成本六項。

變電工程因有其固有特征，其LCC計算模型可簡化為：

式中：LCC為全壽命周期成本；CI為投入成本，包括采購成本和建設成本；CO為運行成本；CM為維護成本；CF為故障成本，亦稱懲罰成本；CD為廢棄成本。

變電站工程LCC計算可采用終值法、等額年金法與現值法等實現成本對比，而本報告建議應用現值法展開分析。

1.2 工程全壽命周期管理的意義

在變電站工程建設過程中，應當嚴格執行全壽命周期管理。按照全壽命周期成本最小化和效能最大化原則，選擇最佳的設計方案，從而更加科學地設計和選擇配套設備，以便在確保設計質量的前提下，實現工程項目壽命周期成本相對最小化的目標，同時實現工程項目建設的最大經濟效能與最大社會效益[2]。只有這樣才能使建成后的變電站工程運營可靠、安全，全壽命周期成本低、資源節約、效率高以及對環境影響小，并最終對社會和歷史負責，共同建設和諧電網，構造和諧企業，服務和諧社會。

2 220 kV變電站全壽命周期成本最優設計

2.1 實現經濟效益的方案

2.1.1 優化主接線方式

優化電氣接線方式。結合地區220 kV網架現狀和變電站終期規模，調研110kV對側變電站電源點規劃，對110kV母線接線的靈活性和可靠性進行定性分析和定量計算；結合配電網規劃和開關柜設備選型，對10kV母線接線的靈活性和經濟性進行對比，選擇最優主接線方案。

2.1.2 總平面布置優化

電氣平面布置力求緊湊合理，出線方便，減少占地面積，節省投資，并滿足城市規劃用地要求。

（1）配電裝置布置“車間化”，戶內變電站建筑物“單層化”

基于“大車間”布置理念，220 kV、110kV GIS一列布置，與10kV開關柜對列布置，3個電壓等級配電裝置共用安裝、檢修、運維通道，節省建筑空間，實現配電裝置布置單層化、車間化和集成化。

（2）向空間要平面，實現土地資源利用集約化

主變本體與散熱器錯層布置，散熱器下方布置無功補償室，電抗器和電容器組布置于無功補償室內，合理利用空間。綜合考慮設備安裝、擴建及運維檢修等因素，合理降低建筑物高度。例如，配電裝置室凈高降至6.5 m，減小建筑體積；事故油池、消防水池地下布置，壓縮場區占地。

2.1.3 主變壓器選擇

結合短路電流水平和無功補償配置，選用高阻抗自冷三相自耦有載調壓變壓器，全壽命周期費用最優。

2.1.4 主變進線選擇及優化布置

結合站區平面布置，以全壽命周期理念，從設備投資、施工難度和檢修調試工作量等方面對高中壓側電纜進線、GIL（SF6套管）進線、低壓側電纜進線、銅排進線以及全絕緣銅管母線進線等方面分別進行分析比較，論證220 kV側電纜進線、110kV側電纜進線以及10kV側全絕緣銅管母線方案的技術和經濟合理性。

2.1.5 二次設備集成優化

結合220 kV變電站的配電裝置型式和模塊化二次設備布置特點，以國家電網公司調自[2013]185號《國調中心關于印發變電站二次系統和設備有關技術研討會紀要的通知》文件中規定的設備應具有的功能為原則，結合已經投運的智能變電站運行經驗，對二次設備集成優化設計進行探討，并提出符合工程實際、節省投資的設備集成優化方案。站內一體化業務平臺的搭建，應用功能結構分作3個層次，即站控層、結構層和過程層。

（1）站控層設備優化整合

監控主機兼操作員站2臺。專門進行站內各類數據的采集處理，對站內所用設備進行操作控制、監控管理、信息全面分析與智能告警等。監控主機是站內運行監控的主要人機界面，監控全站一、二次設備運行情況，進行設備的遠程操作控制，還能實現設備狀態與參數的查詢。不設獨立的工程師工作站，功能集成在主機兼操作員站中，實現變電站一體化監控系統的配置、維護和管理；不設獨立的計劃管理終端，功能集成在監控主機中，實現調度計劃、檢修工作票、保護定值單的管理等功能；不設獨立的數據服務器，數據服務器功能整合在監控主機中，變電站全景數據統一存儲，以便為站控層設備與應用供給更多的數據訪問服務。

綜合應用服務器1臺。接收站內一次設備在線監測的數據、設備基礎信息等，且結合實際情況對其展開集中分析與處理。不設獨立的III/IV區數據通信網關機，軟件功能部署在綜合應用服務器，實現與生產管理信息系統（PMS）、輸變電設備狀態監測等其他主站系統的信息傳輸。

數據通信網關機2臺。依靠雙重化配置方案進行站內數據的采集，經專用通道將實時信息傳送至調度（調控）中心，進而完成調度（調控）中心操作與控制命令的接收。設備則根據無硬盤、無風扇要求進行設計。

一體化監控系統的監控主機、綜合應用服務器、數據通信網關機等設備都體現了整合優化的概念。

（2）間隔層設備優化整合

220 kV采用測控、計量、合并單元、智能終端多合一裝置；110kV采用保護、測控、合并單元、智能終端、計量等功能多合一裝置，并下放布置于現場的GIS預制式智能控制柜中，簡化了光口、光纜和二次接線。

（3）過程層設備優化整合

整合智能終端與一次設備機構冗余的電氣回路，取消跨間隔間的電氣閉鎖，減少電纜用量；合并單元與智能終端整合，共用采集、通信、電源接口；過程層網絡間隔內不組網，間隔間通過相應的過程層中心交換機實現互聯。220 kV過程層采用新型“三層兩網”，間隔內點對點+跨間隔組網方案；110kV側采用“GOOSE+SV+MMS三網合一”方案，在不影響系統可靠性的基礎上，有效節約了工程投資。

2.2 實現社會效益的方案

2.2.1 變電站建筑物優化

本文變電站建筑根據無人值守智能變電站的性質和工藝要求進行布置，采用鋼結構裝配結構體系，具有抗震性能好、施工速度快、工業化程度高、外形美觀、綠色和環保等一系列優點，利于圍護，拆卸方便，建筑結構預制率達95%。綜合對比抗震設防烈度為6°～8°時，推薦采用無支撐鋼框架結構。在用鋼量基本相當的情況下，保證較大的室內空間，方便設備管線布置，減少構件數量，施工更加快捷。建筑物優先采用H型鋼柱。屋面采用新型鋼筋桁架樓承板（M型）組合樓板，壓型鋼板底模采用直肋設計，鋼結構采用翼緣焊接，腹板采用10.9級高強度螺栓栓接的連接形式，現場安裝快捷、高效，結構抗震性能好。

2.2.2 全站構筑物選擇

裝配式變電站體現了國網公司“兩型三新一化”的變電站設計建設要求和全壽命周期理論的應用。

（1）變電站圍墻采用鋼柱+水泥基擠塑空心板。采用工廠預制成品型鋼柱，橫裝水泥基擠塑空心板。圍墻頂部采用條紋板。板材兩端鑲嵌在立柱槽內，板材縫隙用專業膠嵌縫。

（2）采用預制式水工構筑物。利用預制式玻璃鋼事故油池、成品污水一體化、成品排水泵池取代傳統的鋼筋混凝土結構。雨水回收系統亦符合國網“工廠化生產、模塊化、裝配式”的要求，并可節省大量水資源，具有明顯的經濟、環境及社會效益。

2.2.3 一次設備狀態監測技術的應用

實施狀態檢修的必要性主要包括以下幾個方面：市場經濟運營的要求，設備技術進步的要求，檢修管理科學性的要求，提高供電可靠性的要求，電力體制改革和減人增效的要求，檢修技術合理性的要求。結合變電站運行需求與設備全壽命周期管理理念，確定狀態監測的范圍和參量，達到設備可用性、維修合理性和經濟性的最佳平衡。

2.2.4 二次設備狀態監測系統的應用

近年來，電力事業得到了大力發展，電力系統建設被提上日程，使保護測控裝置數量不斷增多，加重了二次舍爾比檢驗任務，定檢方式程序繁雜，耗時長，勞動力缺乏。對二次設備和二次回路采用在線監測，能夠降低維護人員的工作強度，提高二次系統的可靠性。二次回路狀態監測的重點即二次回路傳輸信息的準確性，重點針對智能變電站的網絡化特征。依照《新一代智能變電站典型設計》《2014年新一代智能變電站擴大示范工程技術要求》中的相關規定，明確保護控制設備（如多合一裝置、保護裝置、合并單元等）、交直流一體化電源系統、交換機的標準化自檢及自診斷狀態監測信息流。

2.2.5 預制式二次組合設備的運輸、安裝方案

在基礎框架上方屏柜外側安裝可拆卸的輔助框架，使基礎框架與屏柜之間形成鋼性連接，防止運輸吊裝過程中的沖擊、振動對模塊化二次組合設備產生不良影響。輔助框架安裝完成后，覆蓋定制的防雨罩，將模塊化二次組合設備整體吊裝至運輸車輛上。為保證運輸的可靠性，可在基礎框架四角安裝標準集裝箱安裝角件將設備固定在車輛上。固定完成后，將模塊化二次組合設備模塊整體運輸至現場安裝[3]。設備送至吊裝平臺后，通過滾動摩擦，利用固定在建筑內的拉力設備（如電葫蘆）或位于吊裝平臺上的推動設備（如千斤頂），將組合式二次設備拉或推至二次設備室內就位。

2.2.6 變電站模塊化配置方案

對220 kV變電站的二次設備模塊化設備進行劃分，主要集中體現在二次設備室內預制式二次組合設備和就地布置的預制式智能控制柜。二次設備進行模塊化生產，使得90%以上的設備都可以在廠家內部集成和調試安裝，布置方式靈活，可以適應各種地形條件，同時可以結合總平面的布置任意調整。相較于規模相同的智能變電站，它節省了人力物力的，控制了占地面積，在規定工期內完成了施工，有利于設備的后期維護。

3 結 論

本文結合220 kV變電站的工程特點及布置方案，分別從主接線、總平面布置優化、二次設備集成、裝配式構建物等角度進行比較分析，提出了實現最佳經濟、社會效益目標。可見，應用全壽命周期成本（LCC）管理理念和方法，可以更好地突出全壽命周期成本的設計理念。