基于全壽命周期的配電裝置選型研究

南京電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 呂夢(mèng)婕 張 彪

變電站全壽命周期成本管理（Life Cycle Cost，LCC），是指在滿足可靠性的前提下全面考慮其壽命周期（包括從項(xiàng)目前期、工程建設(shè)直至退運(yùn)在內(nèi)的全部程）綜合利益的一種管理理念。從工程項(xiàng)目的整體性出發(fā)，反映項(xiàng)目全壽命周期的要求，不僅包括建設(shè)期的目標(biāo)，更注重項(xiàng)目的運(yùn)行階段，突出項(xiàng)目管理的整體效率和效益，有助于提高工程建設(shè)質(zhì)量和效率。全壽命周期管理通過統(tǒng)籌規(guī)劃、建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)行、退役等各環(huán)節(jié)，在確保工程規(guī)劃合理、工程優(yōu)質(zhì)、生產(chǎn)安全、運(yùn)行可靠的前提下，將整體成本最優(yōu)作為管控目標(biāo)。變電站配電裝置型式多種多樣，目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市中心區(qū)域的110kV和220kV變電站已多采用全戶內(nèi)布置形式，而城市郊區(qū)或土地供應(yīng)充足地區(qū)的變電站仍采用戶外布置形式，可選配電裝置型式較多。

1 配電裝置選型方案

某220kV變電站終期規(guī)模為2×120MVA主變，220/66/10kV電壓等級(jí)。220kV出線規(guī)模：終期8回出線，本期3回出線，采用雙母線接線形式，架空出線；66kV出線規(guī)模：終期20回出線，本期12回出線，終期及本期均采用單母線分段接線，架空出線；10kV用于布置無功補(bǔ)償裝置及站用變。

該220kV變電站位于西北某嚴(yán)寒地區(qū)，除10kV開關(guān)柜采用戶內(nèi)布置方案外，其余配電裝置均采用戶外布置形式。站址地形平坦四周空曠，變電站總平面布置可不受地形限制。綜合考慮各方面因素，提出了三種設(shè)備選型方案：220kV和66kV配電裝置采用戶外敞開式設(shè)備（AIS），220kV和66kV母線采用架空管母線；220kV和66kV配電裝置采用戶外HGIS設(shè)備，220kV和66kV母線采用架空管母線；220kV和66kV配電裝置采用戶外敞開式設(shè)備（AIS），220kV和66kV母線采用氣體絕緣封閉母線（GIB）。

方案一設(shè)備造價(jià)低但占地面積大，受環(huán)境條件影響嚴(yán)重，故障率高；方案二設(shè)備造價(jià)高但占地面積小，安裝維護(hù)方便，抗震能力強(qiáng)；方案三設(shè)備造價(jià)居中，占地面積與方案二相近，主要優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)建過程中相對(duì)于敞開式母線停電時(shí)間短，但沒有克服AIS設(shè)備故障率高的缺點(diǎn)[1]。

2 全壽命周期成本管理LCC

2.1 應(yīng)用LCC成本最優(yōu)法進(jìn)行比選的原則

該220kV變電站三個(gè)方案的本期投資差異可通過常規(guī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算得出，但在安裝施工周期、設(shè)備適用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、易操作性等方面的差異則需要應(yīng)用LCC的方法加以論證，最終將各項(xiàng)成本與殘值相加綜合，給出各方案的全壽命周期成本。所有方案均按照最終規(guī)模進(jìn)行LCC成本分析，考慮到三個(gè)方案的10kV配電裝置規(guī)模一致、在全壽命周期成本分析中不再考慮，僅考慮220kV、66kV配電裝置的全壽命周期成本。

2.2 LCC成本最優(yōu)法介紹

變電站全壽命周期成本LCC計(jì)算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CD，式中LCC為全壽命周期成本；CI為初始投資成本，包括設(shè)計(jì)成本、設(shè)備采購成本、施工安裝成本；CO為運(yùn)行成本，包括設(shè)備損耗、運(yùn)行人員培訓(xùn)成本等；CM為檢修維護(hù)成本；CF為故障成本，包括停電損失、社會(huì)影響損失等；CD為廢棄成本[2]。

初始投資成本。變電站的初始投資指的是從工程設(shè)備采購開始到工程竣工驗(yàn)收為止工程建設(shè)的所有費(fèi)用[3]：CI=Cbuy+Cinstall+Ctrans，式中Cbuy為購置費(fèi)用，Cinstall為安裝費(fèi)用，Ctrans為運(yùn)輸費(fèi)用，根據(jù)國(guó)網(wǎng)電力建設(shè)工程概算定額，取購置費(fèi)用的7%。

運(yùn)行成本。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要包括變電站投運(yùn)后設(shè)備的能耗費(fèi)用：，式中Co&m（t）為年維護(hù)費(fèi)用，根據(jù)年國(guó)網(wǎng)電力建設(shè)工程概算定額，對(duì)于HGIS取購置費(fèi)用的1.5%，對(duì)于AIS取購置費(fèi)用的4.2%，對(duì)于AIS+GIB方案，參考AIS方案取購置費(fèi)的2.5%較為合理。壽命期限（T）HGIS取40年，AIS取30年。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委規(guī)定，折現(xiàn)率λ取9%。

檢修維護(hù)成本。檢修維護(hù)可分為周期性檢修和狀態(tài)檢修，其中狀態(tài)檢修主要是通過對(duì)電氣設(shè)備的測(cè)試、分析和判斷、診斷發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常及缺陷[4]，在故障成本中將會(huì)考慮到。檢修維護(hù)成本主要計(jì)算周期性的檢修費(fèi)用：CM=Cdm+Cgenm+Cinspm，式中Cdm為解體檢修費(fèi)用，Cgenm為定期預(yù)防性檢修費(fèi)用，Cinspm為日常巡視檢查費(fèi)用。

故障成本。又可稱為中斷供電損失成本，分可修復(fù)故障和不可修復(fù)故障兩類，對(duì)于不可修復(fù)故障本期暫不做考慮。對(duì)于可修復(fù)故障，設(shè)備每次故障維修后一般都不能完全恢復(fù)狀態(tài)，壽命分布參數(shù)可能發(fā)生改變。故障成本可表示為CF=?WT+λ×CR×MTTR，式中?WT為斷電成本，λ×CR×MTTR為修復(fù)成本，其中λ為設(shè)備平均故障率，CR為設(shè)備平均修復(fù)成本，MTTR為設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間。

報(bào)廢成本。也即設(shè)備的退役處置成本，這里只考慮設(shè)備的殘值，其計(jì)算可表示為，式中Cdisp為設(shè)備退役殘值，取購置費(fèi)的5%。

3 全壽命周期成本比較

3.1 各方案設(shè)備材料統(tǒng)計(jì)

通過主接線優(yōu)化，取消了220kV、66kV出線側(cè)和主變側(cè)隔離開關(guān)，保留接地開關(guān)。當(dāng)采用罐式斷路器時(shí)，間隔內(nèi)電流互感器采用套管CT。分別對(duì)AIS方案、HGIS方案、AIS+GIB方案所需的主要設(shè)備材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下。

AIS方案。220kV設(shè)備所需材料：11臺(tái)SF6罐式斷路器(附安裝支架)、2組隔離開關(guān)（雙柱水平旋轉(zhuǎn)式，雙接地、附安裝支架）、12組隔離開關(guān)（單臂垂直伸縮式，單接地、附安裝支架）、10組隔離開關(guān)（單臂垂直伸縮式，不接地、附安裝支架）、8臺(tái)單相電容式電壓互感器（線路型）、6臺(tái)單相電容式電壓互感器（母線型）、6臺(tái)單相金屬氧化物避雷器、10臺(tái)帶電顯示器、10臺(tái)接地開關(guān)、3.7噸鋁鎂硅管母線及固定金具；66kV設(shè)備所需材料：23臺(tái)SF6罐式斷路器(附安裝支架)、2組隔離開關(guān)（雙柱水平旋轉(zhuǎn)式，雙接地、附安裝支架）、24組隔離開關(guān)（單臂垂直伸縮式，單接地、附安裝支架）、6臺(tái)單相電容式電壓互感器（母線型）、6臺(tái)單相金屬氧化物避雷器、22臺(tái)帶電顯示器、22臺(tái)接地開關(guān)、1.9噸鋁鎂硅管母線及固定金具。

HGIS方案。220kV設(shè)備所需材料：8套架空出線間隔、2套母線設(shè)備間隔（無斷路器）、2套主變進(jìn)線間隔、1套母聯(lián)間隔、3.7噸鋁鎂硅管母線及固定金具；66kV設(shè)備所需材料：20套架空出線間隔、2套母線設(shè)備間隔（無斷路器）、2套主變進(jìn)線間隔、1套母聯(lián)間隔、1.9噸鋁鎂硅管母線及固定金具。

AIS+GIB方案。220kV設(shè)備所需材料：11套SF6罐式斷路器（附安裝支架）、2組母線PT間隔（采用GIS）、10組接地開關(guān)、8臺(tái)電容式電壓互感器（單相、出線）、10臺(tái)帶電顯示器、6個(gè)間隔的氣體封閉母線單元；66kV設(shè)備所需的材料：23套SF6罐式斷路器（附安裝支架）、2組母線PT間隔（采用GIS）、22組接地開關(guān)、22臺(tái)帶電顯示器、13個(gè)間隔的氣體封閉母線單元。

3.2 全壽命周期成本LCC計(jì)算參數(shù)

220kV HGIS、220k管 母、66kV HGIS和66k管母的使用壽命均為40年、運(yùn)行費(fèi)率均為0.015；220kV AIS和66kV AIS的使用壽命均為30年、運(yùn)行費(fèi)率均為0.042，220kV AIS+GIB和66kV AIS+GIB的使用壽命均為30年、運(yùn)行費(fèi)率均為0.025。各方案設(shè)備價(jià)格參考如下，設(shè)備殘值取CI的5%。

220kV各設(shè)備CI（萬元）、安裝費(fèi)（萬元）分別為：HGIS1114/20.8、管母1.47/0.01，66kV分別為846.2/23.75、1.47/0.01；220kV AIS各 設(shè) 備CI（萬元）、安裝費(fèi)（萬元）分別為：罐式斷路器530.2/7.92、隔離開關(guān)14.4/0.62、隔離開關(guān)68.4/3.72、隔離開關(guān)49/3.1、線路電壓互感器13.6/0.84、母線電壓互感器10.2/3.36、金屬氧化物避雷器4.2/1.44、帶電顯示器6/0.5、接地開關(guān)36/3.1、鋁鎂硅管母線及固定金具1.47/0.01，66kV AIS分別為506/10.12、64.8/3.84、6.6/0.32、28.6/3.52、9.6/0.462、1.86/0.78、13.2/1.1、0.76/0.01；220kV AIS+GIB各 設(shè)備CI（萬元）、安裝費(fèi)（萬元）分別為：罐式斷路器530.2/7.92、220kV母線PT92/3.2、接地開關(guān)50/3.1、電容式PT13.6/1.12、帶電顯示器6/0.5、氣體絕緣封閉母線420/9.6，66kV AIS+GIB分別為391/10.12、68/1.9、13.2/1.1、66/3.52、299/ 12.35。

3.3 全壽命周期成本計(jì)算

3.3.1 初始投資CI計(jì)算

HGIS方案CI=（1115.47+20.81+1115.47×7%）+（847.67+23.76+847.67×7%）=2145.13（萬元），AIS方案CI=（733.47+24.61+733.47×7%）+（631.42 +20.152+631.42×7%）=1505.19（萬元），AIS+GIB方案CI=（1111.8+25.44+1111.8×7%）+（837.2+28.99+837.2×7%）=2139.86（萬元）。由計(jì)算結(jié)果可知，HGIS設(shè)備購置費(fèi)用高于兩外兩種方案。考慮到近年來國(guó)網(wǎng)公司設(shè)備集中采購，嚴(yán)控設(shè)備招標(biāo)管理及設(shè)備價(jià)格普遍下降等綜合因素，目前HGIS設(shè)備和AIS設(shè)備的購置費(fèi)用差距已明顯減小。以本工程而言，HGIS在設(shè)備購置費(fèi)上高出AIS設(shè)備27.8%，但占地面積較AIS方案明顯減小，輔助生產(chǎn)工程等費(fèi)用相應(yīng)減小。

3.3.2 運(yùn)行費(fèi)用CO

3.3.3 檢修維護(hù)成本CM

根據(jù)資料搜集，同類變電設(shè)備的檢修周期在一個(gè)合理的時(shí)間區(qū)間內(nèi)。各設(shè)備檢修費(fèi)用如下。

220kV設(shè)備的解體檢修費(fèi)用：HGIS為4萬元/間隔，AIS斷路器為2萬元/臺(tái)，AIS隔離開關(guān)為0.8萬元/臺(tái)，AIS電壓互感器和電流互感器均為1.2萬元/臺(tái)，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為4萬元/間隔；66kV設(shè)備的解體檢修費(fèi)用：HGIS為2.2萬元/間隔，AIS斷路器為1萬元/臺(tái)，AIS隔離開關(guān)為0.5萬元/臺(tái)，AIS電壓互感器和電流互感器均為1萬元/臺(tái)，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為2.2萬元/間隔。

220kV設(shè)備的定期體檢修費(fèi)用：HGIS為0.6萬元/間隔，鋁鎂硅管母為0.05萬元，AIS斷路器為0.6萬元/臺(tái)，AIS隔離開關(guān)為0.3萬元/臺(tái)，AIS電壓互感器和電流互感器均為0.2萬元/臺(tái)，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為0.6萬元/間隔；66kV設(shè)備的定期體檢修費(fèi)用：HGIS為0.4萬元/間隔，鋁鎂硅管母為0.05萬元，AIS斷路器為0.4萬元/臺(tái)，AIS隔離開關(guān)、電壓互感器和電流互感器均為0.2萬元/臺(tái)，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為0.4萬元/間隔。

經(jīng)計(jì)算，各方案檢修維護(hù)成本如表1。可知HGIS設(shè)備檢修維護(hù)成本最低，AIS設(shè)備最高，AIS+GIB方案由于采用GIB母線，減少了主母線的停電時(shí)間，也減少了停電帶來的檢修維護(hù)成本。

表1 檢修維護(hù)成本（折算至全壽命周期）

3.3.4 故障成本CF

據(jù)搜集到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，HGIS設(shè)備故障率只有AIS設(shè)備的10～40%，但HGIS設(shè)備故障后的平均檢修時(shí)間較長(zhǎng)。不同種類設(shè)備5年平均設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)分別為：三種方案的平均修復(fù)成本均為2萬元/小時(shí)；HGIS設(shè)備的LCC為40年，平均故障率為1.8（220kV）和1（66kV）次/百間隔年，平均修復(fù)時(shí)間為6.5（220kV）和5（66kV）小時(shí)；AIS設(shè)備的LCC為30年，平均故障率為6.6（220kV）和5（66kV）次/百間隔年，平均修復(fù)時(shí)間為14（220kV）和8（66kV）小時(shí)；AIS+GIB設(shè)備的LCC為30年，平均故障率為2.34（220kV）和1.3（66kV）次/百間隔年，平均修復(fù)時(shí)間為8（220kV）和6（66kV）小時(shí)。將上述數(shù)據(jù)代入公式，得到HGIS年平均故障檢修費(fèi)用為5.54萬元，AIS年平均故障檢修費(fèi)用40.02萬元，AIS+GIB年平均故障檢修費(fèi)用為8.77萬元。將費(fèi)用折算成現(xiàn)值，則分別為59.61萬元、411.01萬元和90.07萬元。

針對(duì)斷電成本?WT，綜合間隔故障率和平均修復(fù)時(shí)間數(shù)據(jù)，三種方案的年平均中斷供電負(fù)荷W取1500MVA，電費(fèi)平均收益?取9.0元/kWh（為全國(guó)平均每度電創(chuàng)造GDP），年平均斷電小時(shí)數(shù)T分別取0.001h和0.005h（由于GIB母線故障率低，因此僅考慮AIS設(shè)備故障停電，AIS方案和AIS+GIB方案近似相等），則HGIS方案斷電成本為1.35萬元，AIS和AIS+GIB方案斷電成本為6.75萬元。折算至現(xiàn)值則分別為14.53萬元和69.32萬元。綜上所述，三種方案的故障成本分別為74.14萬元、480.33萬元和159.39萬元。

3.3.5 報(bào)廢成本

HGIS方 案CD=-2145.13×0.05/1.0940=-3.41（萬 元），AIS方 案CD=-1505.19×0.05/1.0930=-5.67（萬元），AIS+GIB方案CD=-2139.86×0.05/1.0930=-8.06（萬元）。

3.3.6 其他成本

除上述計(jì)算的各項(xiàng)成本外，變電站全壽命周期成本內(nèi)還應(yīng)該包括土地成本、土建費(fèi)用等。配電裝置占地面積：HGIS方案為3254㎡，AIS方案為6120㎡，AIS+GIB方案為3069㎡；構(gòu)支架購置費(fèi)及其基礎(chǔ)費(fèi)用：HGIS方案為152.5萬元，AIS方案為288.9萬元，AIS+GIB方案為103.2萬元；設(shè)備支架及其基礎(chǔ)費(fèi)用：HGIS方案為26萬元，AIS方案為122萬元，AIS+GIB方案為81萬元；場(chǎng)地費(fèi)用：HGIS方案為181萬元，AIS方案為340萬元，AIS+GIB方案為99萬元。

3.3.7 全壽命周期成本

綜上所述，三種方案的全壽命周期初始投資成本、運(yùn)行成本、檢修維護(hù)成本、故障成本、報(bào)廢成本、土建成本、LCC分別為：HGIS2145.13/346.22/127.2/74.14/-3.41/359.5/3048.78；AIS1505.19/649.25/392.8/480.33/-5.67/750.9/3772.8；AIS+GIB2139.86/549.61/225.59/ 159.39/-8.06/283.2/3349.59。可知HGIS方案40年全壽命周期成本為3048.78萬元，AIS方案30年全壽命周期成本為3772.8萬元，AIS+GIB方案30年全壽命周期成本為3349.59萬元，即HGIS方案使用壽命比其他兩種方案多10年，全壽命周期成本最低，比其他兩種方案的全壽命周期成本分別少724.02萬元和300.81萬元，分別占HGIS全壽命周期成本的23.7%和9.9%。

從各分項(xiàng)看，HGIS與AIS+GIB方案初始投資基本相同，比AIS方案高出639.94萬元，設(shè)備購置費(fèi)較高。但HGIS運(yùn)行成本、檢修維護(hù)成本均較低，特別是故障成本只有AIS方案15.4%和AIS+GIB方案46.5%，這是由于AIS設(shè)備受風(fēng)吹雨淋等惡劣環(huán)境影響很大，故障率和檢修成本均很高。在土建費(fèi)用方面，HGIS方案占地面積小、設(shè)備支架少、基礎(chǔ)制作簡(jiǎn)單，費(fèi)用也相對(duì)AIS方案低。

綜上，變電站配電裝置型式的選擇應(yīng)綜合考慮地理環(huán)境條件、施工安裝、運(yùn)行和檢修的需求等因素，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較合理選擇。HGIS方案全壽命周期成本最低，適用于土地成本和人力成本較高、供電可靠性要求高、自然環(huán)境惡劣地區(qū)；AIS方案全壽命周期成本最高但初始投資低，適用于投資資金相對(duì)較少、土地成本和人力成本較低、自然環(huán)境相對(duì)較好的地區(qū)，若受站址條件所限或有其他特殊要求，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較后也可采用AIS+GIB方案。