LCC分析的變電站防汛能力提升可行性評估

崔洪波，王 暉，李科文，徐奮強

（1.國網經濟技術研究院有限公司，北京市 102209；2.江蘇省南京工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

隨著氣候變化全球洪澇災害頻發，以變電站為代表的電力設施在日益頻發的汛情下屢遭破壞[1-2]，這不僅會帶來巨大的經濟損失，還會帶來極大的不良社會影響。

根據我國多地報告的變電站受災情況分析資料來看，造成變電站損壞癱瘓的主因在于站址位置設置不利以及防守力度低下，易遭洪水入侵，此外還有洪水侵入后排放能力不足導致長時間內澇從而造成電力設施的損壞。目前，國內已有較多針對洪澇災害中變電站防汛能力的提升研究。在“防”和“排”這兩大方面的防災研究中，主要有工程建設氣候和地理環境分析選擇[3-5]、防洪標準和防洪力度的討論與升級[6-7]。劉自發等[8]提出一種基于地理信息的自適應小生境微分進化算法來解決變電站及相關配電網的規劃問題，通過改造后的微分算法能夠有效尋找變電站的最優化選址及配電路徑。王成山等[9]提出了針對變電站選址的兩階段優化規劃方法，此類研究都將目標集中于優化選址來規避和防御洪水侵害。魯永紅等[10]致力于對變電站高程進行工程控制來實現對水文地質災害的規避。吳龍生等[11]以提供輸變電工程的地基基礎優化方法，來實現維持變電站的基礎穩定。鄒宇等[12]在城市變電站防澇排水方面給出建議，為變電站電纜溝等可能發生倒灌的管網通道建設上給出了可行方案。

從以上研究可以看出，現有的提升變電站防汛能力的研究主要致力于洪澇災害下如何“防”和“排”的具體技術的研究，這些方法大部分在實際案例中被證明有效，但其成本、能效比缺少較為系統的評估方法。本文從工程經濟學角度出發，運用全壽命周期成本（LCC）對變電站防汛差異化提升措施進行量化，通過建立全壽命周期成本分析模型來討論差異化提升方案的過程和最終結論的方法，按照成本最小化和效能最大化的原則，實現更為科學的設計，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。

1 全壽命周期模型構建

1.1 LCC理論

全壽命周期成本（LCC）是指一種貫穿工程項目全壽命周期，包括工程項目前期、建設期、使用期和翻新與拆除期等階段，總造價最小化的方法。它既可以被看作工程項目投資決策的一種分析工具，或一種用來選擇決策備選方案的數學方法，也可以被作為計算工程項目整個壽命期的所有成本（直接、間接、社會和環境成本等）、確定設計方案的一種技術方法。在部分洪澇災害頻發地區，防汛是貫穿變電站壽命周期的剛需。全壽命周期成本理論一方面可以明確變電站各階段的防汛重點，另一方面能對其成本和效果進行評估，是一種合適的可行性評價方法。

1.2 變電站防汛成本組成

變電站的防汛單元可以看作一個單獨的全壽命過程，其計算公式見式（1）：

式中：IC（Investment Costs）為防汛時的一次性投資成本；OC（Operation Costs）為保證防汛結構、設備正常運行的成本；FC（Failure Costs）為洪澇災害引起的中斷供電損失成本；DC（Discard Costs）為防汛結構、設備的報廢成本。各項成本在計算、分析時均根據有關規程規定并結合運行經驗和習慣等進行。

1.3 成本效益分析

如僅考慮成本構成，只對計算得到的LCC進行比較，仍不全面。防汛投資雖然不是以盈利為目的，但其初衷也是獲得一定的效益，分析付出的成本和獲得的效益之間的關系，以及他們之間的平衡，這樣更能直接有效地對防汛投資效果進行評判。

費用效益分析法是常用的LCC評估方法，其計算模型見式（2）：

式中：CE指防汛投入成本獲得的效率；SE指系統效益，表示在投入壽命周期成本后所取得的效果或者說明任務完成到什么程度的指標，通常為經濟效益、價值、效果；LCC表示全壽命周期費用。可見，CE即為單位費用的效益輸出值，該值越大越好。要達到這個目標，就需要在各個涉及因素之間，進行有效的權衡分析，獲得費用與效益之間的最佳平衡，既保證了設備系統的任務要求和性能指標，又可使有限的人、財、物等資源得到充分利用。

2 一次性防汛投資成本（IC）

設計階段和建設階段是變電站提升改造最為關鍵的階段，考慮到防汛需求，該階段最主要的成本變化為一次性投資成本（IC）的增加，工程上在此階段需要完成95%的方案進度和優化[13]。IC的主要構成分為各類防汛結構的建設和設備的購置。其中防汛結構主要包括：排水管網、防洪墻和建筑防水工程；防護設備主要包括：照明設備、水位監控設備和常規防汛物資。

2.1 防汛結構

2.1.1 排水管網

站內防汛主要為防止內澇。變電站防汛排水管網的基本要求是通暢、及時地排出站內雨水。在設計站內排水管網時，主要的內容為：

（1）管道定線，確定排出方式；

（2）劃分并計算各設計管段的匯水面積；

（3）確定各雨水排水區域的平均徑流系數值；

（4）確定設計重現期、地面集水時間；

（5）求單位面積徑流量；

（6）列表進行防汛排水管網干管的設計流量和水力計算，以求得各管段的設計流量，及確定各管段的管徑、坡度、流速、管底標高和管道埋深值等（計算時需先定管道起點的埋深或管底標高）；

（7）結合管道水力計算結果及接受水體的水位情況，合理設置雨水泵站；

（8）繪制防汛排水管網平面圖。

其中，較為重要的步驟為雨量分析，主要為確定暴雨強度公式中各參數值；確定管網設計流量，雨水設計流量是確定防汛排水管網斷面尺寸的重要依據；確定徑流系數，不過由于影響因素很多，要精確地求定其值是很困難的，目前在防汛排水管網設計中，徑流系數通常采用按地面覆蓋種類確定的經驗數值。

2.1.2 防洪墻

一般情況下，變電站防洪可采取三類措施：圍墻堵水、填土提升地面標高、電器設備基礎高于最高洪水位。由于填土提高地形標高的方式涉及買土、運輸、填方施工等環節，填土較高時導致建設成本較高，尤其是城市變電站買土困難，該方式通常不可行；而多數采用圍墻堵水和電器設備高基礎的方式，其中圍墻堵水防洪技術更為普遍采用。

按照當地水文資料確定防洪墻的高度，一般墻頂高于最高洪水位0.5 m，依據洪水的發生頻率和洪水位高度，選取實體磚砌墻、混凝土結構防洪墻等不同的堵水方式。

2.1.3 建筑防水工程

為保證變電站結構避免水的侵襲、防止內部空間受水的危害，需要實施防水工程。變電站防水工程在變電站工程中占有重要的地位。變電站防水工程涉及地下電纜層、墻地面、墻身、屋頂等多個部位，其功能就是要使變電站建筑物或構筑物在設計耐久年限內，防止雨水及生產、生活用水的滲漏和地下水的侵蝕，是保證變電站安全運行的一項必要措施。

2.2 防汛設備

2.2.1 照明設備

對場地照明安裝位置較低且防水能力不足的站場，應提升照明系統安裝高度，提升防水等級，采用LED光源。同時，可考慮接入變電站智能輔助平臺，實現遠程開啟功能，并與視頻系統聯動，為夜間巡視及搶修提供充足照明，也可通過提升照明支架高度，確保照明供電不受汛情影響。采用LED光源，功率較小，能夠有效降低電源線及空開等元器件的使用壓力，燈具選用為IP65以上的防水等級，確保照明系統在暴雨期間也能夠正常使用。

2.2.2 水位監控設備

為保證場區內水位實現實時監測，在場區電纜溝或排水溝中設置水位監測裝置。同時，為防止水位監測控制裝置浸水失效，應提高水位監測控制箱的高度，確保運行時不會進水。

2.2.3 常規防汛物資

常規防汛物資包括救生衣等個人防護用品、水泵等排水物資、沙袋等擋水物資、皮艇等交通工具及移動照明工具等。

以上各部分的費用隨著設備規格、種類等不同而有所不同。另外，對以上費用的考慮要包括安裝和調試各設備期間所有的人工費、材料費以及機械費，要做到全面的估計。IC的計算公式如下：

式中：z為咨詢費用，這部分成本用于在具體的建設環境下，減少不必要的和確保必要的防汛投入；fi為各防汛結構建設費用和防汛設備的購置費用。

3 防汛能力維持成本（OC）

變電站運營期的防汛能力維持成本指變電站在運營期保證防汛結構和設備能正常運行所投入的成本，即OC。OC的主要構成為維護保養費，即對防汛結構、設備進行檢修、保養，以及在不中斷供電的情況下對設備的測試和維修。受災期OC主要構成為防汛常用物資的消耗成本。

式中：Cj為每項防汛結構、設備的維護成本，Dk為每項防汛物資的耗能和補充成本。

4 中斷供電損失成本（FC）

中斷供電損失成本（FC）是指災情來臨時，災害引起的中斷供電損失成本，供電中斷使電力企業減少供電量和售電收入，對用戶造成一定的經濟損失。因此，在電力系統規劃和運行中，電力企業把變電站故障（事故）引起中斷供電損失（FC）作為自己的成本是符合實際的，能較好地與供電可靠性聯系起來，盡管相關用戶停電損失還不用補償。中斷供電損失成本可按照式（5）進行估算。

式中：α為相關用戶平均中斷供電電量的價值；W為中斷供電功率；T為故障中斷供電時間；R為修復成本。

5 報廢成本（DC）

報廢成本（DC）指產品壽命周期結束后，清理、銷毀該產品所需支付的費用。對于防汛結構和設備，即排水管網、防洪墻和建筑防水工程等來說，其壽命周期一般與變電站本身的設計壽命周期相同，因此不參與報廢成本的計算。但是對于受災淘汰下的電力設備，在折舊計算時必須要加以考慮。本文給出折舊攤銷公式[14]如下:

式中：Ep為變電站第P項設備/設施的拆除成本；Gl為變電站第l項設備/設施的投資成本；εl為殘值率；t為設備/設施的使用年限。

不同類型、用途的產品報廢成本是不一樣的，有些可以產生一定數量的殘值收入，用以與有關的費用相抵，這種情況下就不會產生報廢成本，如設備的正常報廢；而有些不僅不能產生任何殘值收入，還需要花費大量的資金用于其報廢和清理。

6 算例及評價

按照全壽命周期折現計算模型，結合具體的案例將全面防汛提升前后的成本做出比對，用數據分析的結果來證明防汛差異化提升的科學性和必要性，實現以經濟效益來證明項目的合理性的最終目的。

6.1 工程概況

某110 kV變電站地處縣城郊區，受地理位置和水文氣象條件影響，該站發生臺風影響的暴雨洪澇災害的可能性較大；受上游來水泄洪影響，該站有遭受洪水的可能；由于城市建設，該站周邊道路高于站內地坪，當發生短時強降水或持續性降水時，該站遭受城市內澇影響的可能性大。

按照《變電站巖土工程勘測技術規程》（DL/T 5170—2015）之有關規定，本工程為中等復雜場地，安全等級為二級，勘測等級為乙級。考核變電站建設的工程和水文條件，可以在設定站址上按照新標準直接進行工程建設予以提升防汛強度。

6.2 成本分析

6.2.1 LCC計算

在該案例中，一次性防汛成本（IC）投入的主要構成包括咨詢費、防汛結構投入成本和防汛設備投入成本三大部分。

（1）咨詢費：咨詢專業人員，對原變電站的防汛結構、設備等短板提出改造提升方案。

（2）防汛結構投入成本：增加基礎標高至新洪水峰值水位以上0.5 m，設防根據《變電站總平面布置設計技術規程》（DL/T 5056—2007）中要求，采用50 a一遇洪水水位。對基礎采用全填土方案，改原條形基礎為樁基礎，主變電力設備高位布置；改普通圍墻為防洪圍墻，增加防洪設防高度，洪水侵襲方向增加結構抗洪強度，防洪墻材料采用C30混凝土HRB335級鋼筋；增加變電站內部排澇設施投入，在站內增建集水井，擬增加排水泵和排水管，還要酌情增加部分備用電力設備，對原有排水管進行疏通和維護。

（3）防汛設備投入成本：燈具選用IP65以上的防水等級，設置專用防汛專供電源，抬高照明設備基礎，需要采用更粗線徑的電源線，確保供電安全；增加水位監測、排水監測傳感器，在防汛重點部位增設監視攝像頭；按照站內常駐人數的1.5倍配置個人防護用品，購置沙袋、沖鋒舟等物資。

依據防汛提升模塊分析、各專項工程工程量清單和計價表、各項投資總額、全壽命周期計算模型，一次性投資成本（IC）見表1。

表1 一次性投資成本（IC）核算

根據一次性防汛投資成本計算公式計算：

在本案例中，防汛能力維持成本見表2。

表2 防汛能力維持成本（OC）核算

對于投入了一次性防汛成本和防汛能力維持成本的變電站，在20 a一遇的洪澇災害來臨時，其中斷供電損失成本將大大降低，但仍不排除在防汛工作完備的情況下發生意外導致供電中斷。在計算時，一般根據洪澇災害的等級和IC與OC的投入程度，對受災損失進行折減。表3為該站未投入IC和OC情況下需要付出的中斷供電成本（FC）。

表3 中斷供電成本（FC）核算

在未進行IC和OC投入時，災害造成的中斷供電成本為：

在投入了IC和OC后，中斷供電成本可乘以經驗折減系數β，β∈（0，1），該工程IC和OC的投入完全可以應對20 a一遇的洪澇災害，因此β的取值取0.1。因此該工程中的中斷供電成本為：

最后是報廢成本（DC），報廢成本不包括變壓器等站內的變電設備，僅考慮IC和OC中產生的需要進行報廢的項目。對于防汛結構來說，其報廢成本即拆除成本，在帶入計算公式時，其殘值率ε按照0.1考慮，在該工程中，報廢成本具體見表4。

表4 報廢成本（DC）核算

因此，該變電站進行防汛改造后的全壽命周期成本為：

6.2.2 成本效益計算

從表5可以看出，變電站費用效益的計算實際上主要看防汛投入在變電站受災時幫助其規避了多少損失。

表5 變電站防汛單元全壽命周期成本匯總 單位：萬元

因此，在該變電站的防汛改造中系統效益SE為：

成本效益CE為：

結果顯示，改造后的成本效益達到了0.601，從具體數值來看，防汛成本提高了122萬元，減少了283.6萬元的中斷供電損失成本。成本效益的計算主要用于比選不同的方案，最終可以將CE值很低（即相比其他方案經濟性差）的方案篩選掉，選出最佳方案。

7 結 論

本文構建了一種基于全壽命周期成本分析的變電站防汛差異化提升的可行性評估方法，綜合考慮變電站在不同環境下的防汛形勢，給出提升方法以降低洪澇災害侵襲損失，并通過案例成本分析評價驗證可行性。主要采用的方法和獲得的結果如下：

（1）防汛差異化提升成本主要包括一次性防汛投資成本、防汛能力維持成本、中斷供電成本和報廢成本。其中，一次性防汛投資成本為主要的構成部分，在整個變電站防汛全壽命周期成本中占比為80%，而在一次性防汛成本投資中防汛結構投資成本為主要構成。

（2）變電站防汛提升效果主要受到一次性防汛投資成本的影響，功能完備的防汛結構會減小防汛壓力，提高一次性防汛投資成本可以大幅度降低中斷供電成本。

（3）在全壽命周期成本分析后，通過成本效益計算可以對不同的防汛提升方案進行比選，由于最終采用了唯一的對比指標，因此該評估方法的可操作性較強。