基于全生命周期成本理論的變電站決策選型研究

王乙斐，劉 怡

(長江設計集團有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

經濟成本最小化始終是企業追求的最終目標，如何合理、經濟地選擇配電裝置類型，對變電站的投資有著至關重要的影響[1-2]。本文在AIS和GIS兩種不同類型變電站的選型過程中引入了全壽命周期理論，對其全周期成本進行計算和比較，實現了各階段成本費用的可視性，為變電站在決策選型階段提供了一定的理論指導，實現了配電裝置的經濟性選擇。

1 AIS與GIS變電站優劣性比較

1.1 AIS相對于GIS的構件可視性

作為傳統的敞開式配電裝置，AIS變電站十分成熟。采用瓷套作為絕緣材料大大降低了成本，設備之間相對獨立與主接線一一對應，布局清晰可觀，利于操作。GIS屬于全封閉設備，發生故障時需要進行解體檢修，檢修工作長且對工藝要求極其嚴格。

1.2 AIS相對于GIS的價格優勢性

AIS設備發展成熟，國內外制造廠商多已大規模批量化生產，價格極具競爭性。而GIS設備價格昂貴，增加前期投資，業主可接受程度相對較低。

1.3 GIS相對于AIS的安裝便捷性

AIS配電裝置采用戶外布置，采用空氣距離作為絕緣要求，占地面積較大，不利于節約集約用地政策。每個戶外設備都有獨立的基礎，對土建工程要求高。而GIS選擇SF6作為絕緣介質，結構緊湊、占地面積小，其模塊在工廠中將事先預制和測試，現場安裝調試無過多接口協調問題，建設周期短。

1.4 GIS相對于AIS的運行可靠性

AIS設備的絕緣材料裸露在外，空氣中的水分易附著于表面，可能引起絕緣電阻降低、泄漏電流增加、絕緣層被擊穿，從而導致設備故障。而GIS元件封裝在金屬殼體，可屏蔽靜電和電磁干擾，且不存在接觸性故障，屬于高可靠性、免(少)維護的開關設備。

2 變電站的LCC模型

變電站LCC模型是指變電站經濟壽命周期內的全過程成本，包含了一次性成本(investment cost，IC)[3-5]，行維護成本(operation and maintenance cost，OMC),故障引起的中斷供電損失成本(failure cost，FC)，報廢成本(discard cost，DC)。在輸變電工程管理中應用LCC方法的基本模型可表達為：

2.1 一次性成本

一次性成本是指變電站在正式運行之前，所需付出的成本，涉及到了規劃、涉及、采購、建設、征地等多方面費用。同時，還需考慮到安裝和調試各設備期間的所有材料費、人工費和機械費。通常，在完成變電站的詳細設計后，對于上述的一次性投資成本，可采用工程法，采用工程預算中的參考定額和費用，對各項所需成本費用進行估算，然后疊加即可。

2.2 運行維護成本

運行維護成本包含了運行成本和維護修理成本。其中，變電站的運行成本是指在變電站運行期間所花費的一切費用總和，包括能耗費、人工費、環境費用以及其他費用。維護修理成本是指主要電氣設備，如變壓器、斷路器、隔離開關、避雷器等主要設備的周期性檢修和非周期性檢修費用。

2.3 中斷供電損失成本

中斷供電損失成本是指在變電站運行中由于故障或事故引起中斷供電而發生的成本。供電中斷將減少電力企業供電量和售電收入，對用戶造成經濟損失。因此，電力企業將事故引發的中斷供電損失作為自己的成本是符合實際的。在傳統的生產成本造價管理中，中斷供電引起的成本損失常被忽略，但卻是全生命周期管理過程中重要組成部分。

故障引起的中斷供電損失成本由多個因素決定，可由下述模型進行估算：

式中：α·P·T為斷電成本，萬元；λ·RC·MTTR為修復成本，萬元；P為設備故障中斷供電功率，kW；T為設備年故障中斷供電時間，h；λ為設備年平均故障數；RC為設備故障平均修復成本，萬元/ h；MTTR為設備平均修復時間，h；α為平均中斷供電電量價值，萬元/ kWh。

2.4 報廢成本

報廢成本是指變電站退役時處理費(如拆除、運輸、銷毀等費用)減去設備退役時的殘值(如可回收費用)。由于配電裝置設計的金屬設備較多，因此其殘值可按照配電裝置費用的5%～10%考慮。報廢成本可由下述模型進行估算：

式中：Cf變為電站的退役處理費，萬元；S為變電站的殘值，萬元。

3 LCC模型在變電站選型中的應用分析

工程項目建設最終應取決于其綜合技術經濟效果，不僅包含建設成本，還應考慮到變電站運營和維護成本的管理。僅考慮直觀的設備造價是片面的，總投資應以全壽命周期成本最小為指導，從初始投資成本、運行維護成本、供電可靠性等各方面進行綜合管理，才能實現工程項目的經濟最優化。本章基于LCC模型對AIS和GIS兩種方案下的某變電站造價進行研究分析。

3.1 變電站工程概況

該變電站為230 kV新建站，占地規模不超過200 m×200 m(長×寬)，規劃220 kV主變2臺，本期2臺，容量2×90 MVA；220 kV出線本期4回，雙母線接線方式。230 kV配電裝置主接線如圖1所示。

圖1 某變電站230 kV配電裝置接線圖

3.2 兩種方案的LCC估算

本節著重以運行全生命周期管理方法對該230 kV變電站采用合資AIS(方案A)和合資GIS(方案B)兩種方案進行計算、分析、評估和決策。規定在LCC成本計算過程中，設備故障率、故障修復時間將參考我國相關檢修部門處理的經驗值；設備故障中斷供電功率按照該230 kV變電站平均負荷的75%考慮，約為10 MW；配電裝置全生命周期按30 a計；每小時停電損失成本以項目業主方提供的1.5美元/ kWh計(已考慮相關社會效益，換算人民幣為0.001萬元/kWh)。

3.2.1 一次性成本計算

參考近年來AIS與GIS設備的采購市場價格及國內大量類似已建工程的成本決算，主要經濟性能指標比例見表1所列。

表1 AIS與GIS主要經濟指標比較

本項目向某國際知名電氣品牌就GIS設備進行了詢價，綜合運雜費、安裝費并結合表1中的比例，兩種方案的一次性成本見表2所列。

表2 兩種方案的一次性成本對比萬元

3.2.2 運行維護成本計算

參考國內某電力企業標準，輸變電設備的檢修可分為A、B、C、D、E五級。其中，A級檢修指整體性檢查、維修、更換和試驗；B級檢修指局部性檢修，部件的解體檢查、維修、更換和試驗；C級檢修是對設備進行常規性檢查、維護和試驗；D級檢修指設備在不停電狀態下進行的帶電測試、外觀檢查和維修；E級檢修指設備帶電情況下的帶電檢修、維護或者更換。通過與項目國電力運維部門溝通，上述五種檢修分類基本可用于本項目的實際建設情況[6-9]。參考國家電網檢修定額標準及設備廠方指導價格(包含了人工費用，考慮當地人力成本)，表3和表4列出了各類檢修所發生的費用，表5預計了在全生命周期內兩種方案的維修方式及費用。

表3 A級檢修成本

表4 B、C、D級檢修成本萬元

表5 兩種方案在30 a內的維修類型及費用情況

此外，考慮到當地的人力資源成本，假定兩種方案平均運行維護成本按2萬元/a計，環境維護成本按0.5萬元/a計。

3.2.3 中斷成本計算

中斷供電損失成本的估算著重對兩個方案因故障或事故引起停電時斷電成本進行估算。統計表明，GIS設備事故率通常為常規設備的16.6%～40%。根據國家電網72.5 kV及其以上輸變電設備5 a內的可靠性統計資料，220 kV開關設備的可靠性計算參數和中斷供電成本見表6所列。

表6 兩種方案的中斷供電成本計算

3.2.4 報廢成本計算

根據項目運維部門的經驗及其對相關固定資產處置辦法，AIS與GIS變電站設備運行至30年后，設備殘值可等同于金屬物品處置價格可分別按設配電裝置費用的5%和10%進行考慮，退役處理費均按照Cf取10萬元。

3.2.5 兩種方案的LCC計算結果

根據式(2)，兩種方案的LCC估算成本，見表7所列。

表7 LCC估算成本明細

比較兩種方案全生命周期LCC成本可知，GIS方案要比AIS方案在設備采購和安裝的一次性成本階段投入比重多23%，但由于GIS變電站具有較低的故障率和維護的方便性，隨著運行時間的增加，GIS的優勢開始逐漸體現，在運行維護和中斷供電階段成本投入占比比AIS方案低18.3%，綜合最終的報廢成本，GIS方案的總投入相反更低。考慮到GIS裝備技術的先進性和運行的可靠性，故優先推薦GIS方案。

4 結語

本文提出了基于全生命周期成本理論的AIS與GIS變電站選型決策研究理論，計算了變電站在設備采購與安裝調試、運行維護、中斷供電及設備報廢的各階段費用。將全生命周期成本作為變電站選型的經濟指標，在規劃階段充分考慮全過程的可能費用，避免了僅關注初期直接投資而造成后期間接費用過大的情況，從源頭提高設備和系統的可靠性，實現最優方案選擇的科學合理化。