基于全壽命周期成本的變電站設計方案比選方法研究

梁金正， 梁九齡， 熊振冬， 郝俊聰， 孫超， 李希喆

(1. 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學， 湖北 宜昌 443002；3. 國網湖南省電力有限公司湘潭供電分公司， 湖南 湘潭 411200)

0 引言

隨著電力體制改革的縱深推進， 電網設備作為企業重要核心管理對象， 成本核算精細化、 價值管理精益化面臨更高要求[1－2]。 為了保障電力系統規劃與運行的經濟利益， 電網企業必須在今后的工作中不斷突破創新， 用更加客觀、 有效、 準確的措施來進行電網基礎設備的建設和維護升級。 隨著電力配套投資不斷加大， 精準投資程度需不斷加深， 需要在項目可研及初設階段做好投資立項的審查和決策， 在設備選型和采購上做好前期工作。

目前， 在傳統的電網變電站的規劃方案比選中， 應用較多的是基于全壽命周期成本(life cycle cost， LCC)[3－5]的評估方法。 文獻[6] 基于GA優化最小二乘支持向量機， 構建了相應的變電站LCC 預測模型， 但是模型預測結果與其基礎算例參數設定的關系較為緊密， 具有較大的預測不確定性。 文獻[7] 通過神經網絡， 選取可以反應變電站全壽命周期指標的顯著特征為依據， 進行多次訓練， 解決了預測準確度差、 客觀性低的問題。 文獻[8－10] 基于LCC 理論衍生出一種考慮綜合效益最優的變電站選址定容的規劃方法。 文獻[11]基于LCC 理論， 構建了配電網停電成本的理論模型， 運行成本模型反映了停電頻率、 停電持續時間及停電電量對停電成本的綜合影響。 對于以上研究， 指標值往往只能在電網基礎設備建成之后的運行過程中統計獲得， 在電網規劃建設階段很難準確預測， 難以反映經濟的客觀性。

LCC 建模劃分越來越精細、 計算量增加， 耗費人力物力增大， 成本劃分也受到人為主觀的影響， LCC 數學模型的客觀性降低。 本文基于LCC理論， 構建更加全面、 精細化的變電站全壽命周期成本的數學模型， 指標構建不再傾向地依據未來預測所得數據， 能夠準確、 客觀地估算出變電站的LCC 模型， 進而提高LCC 估算的實用性。 以設備全壽命周期的成本管理理念服務于設備選型， 降低后期維護和更換設備成本， 在設計選型上為電力體制改革的推進及電網精準投資提供參考。

1 資產全壽命周期管理指標評價體系

依據投入資金的使用用途[12－14]， 將設備成本分為初始投資成本、 運行成本、 檢修維護成本、 故障成本和報廢成本。 用全壽命周期理念作指導， 得出LCC 設備選型方案比選模型。

1.1 全壽命周期成本構成

以全壽命周期成本作為成本指標， 設備全壽命周期成本各個子指標構成如圖1 所示， 全壽命周期成本公式為:

圖1 設備全壽命周期成本各個子指標構成

式中，C為周期規劃內的全壽命周期成本等年值；CI、CO、CM、CF、CD為規劃周期內的初始投資成本等年值、 運行成本等年值、 檢修維護成本等年值、 故障成本等年值、 退役成本等年值。

1.2 全壽命周期成本各子指標歸算模型

1.2.1 初始投資成本CI

初始投資成本CI指在建設、 改造和調試期間內， 在項目正式投入運行前所要支付的一次性成本， 傳統理論的初始投資成本主要包括購置費、 安裝調試費和其他費用。

式中，c表示戶內或戶外站的初始投資成本；α1為設備處置費；α2為安裝調試費和其他費用；γ為折現率，γ＝0.07；T為全壽命周期規劃年限。

1.2.2 運行成本CO

運行成本CO指設備在壽命周期運行期間所產生的一切費用的總和， 主要包括設備能耗費、 日常運行維護費用， 具體公式如下:

式中，m2為設備能耗費， 包括設備本體和輔助設備的能耗費用；m3為日常運行維護費用， 包括日常巡視檢查需要的巡視設備、 材料費用； ΔPmax為最大負荷時所產生的功率損耗；Tmax為最大負荷損耗時間；η為運行主供率；M為平均配電價。

1.2.3 檢修維護成本CM

檢修維護成本主要為周期性維護成本。 周期性維護費用包括周期性維護時需要的人工、 材料費用。 變電站按小修、 大修不同時間周期計算。 設備級的檢修維護成本CM主要包括單個設備故障的校正維護成本p1?x和單個設備的預防維護成本p2?y， 具體公式如下:

式中，p1為設備校正維修的頻率；x為設備每次校正維修成本；p2為設備預防維修的頻率；y為設備每次預防維修成本。

1.2.4 故障成本CF

設備級故障成本CF是電網運行過程中單個電力設備出現故障斷電而引起的故障恢復成本和故障損失成本。

式中，S為配電變壓器的最大容量；Kd為電價折算系數，Kd＝15；tg為事故停電時間；ψ為設備負載率；ε為設備事故率；Cjx為最大故障檢修所產生的費用， 取設備購置費的3%；cosφ為線路功率因素。

1.2.5 報廢成本CD

報廢成本CD指設備基建投入形成的資產在設備壽命周期到限時， 進行拆除、 處置所引起的各項費用， 該成本與初始投資成本相關。

式中，e為殘值率；b為報廢資產管理費用占比系數。

2 規劃方案的比選研究

以資產全壽命周期管理評價模型為基礎， 對模型中全壽命周期相關成本參數進行分解， 得到評價模型需要收集的基礎數據， 對設備的初始投資成本、 運維檢修及故障處置成本、 報廢處置成本等進行量化， 得到單一設備全壽命周期成本指標。

以GIS 設備為切入點[15－20]， 選擇通用設計方案不同但建設成效相同的變電站為典型數據， 研究GIS 設備戶內、 戶外建設對全壽命周期成本的影響， 得出優選建設結論， 然后進一步擴展研究影響設備全壽命周期成本因素的維度， 確定出一整套通用的基于設備LCC 的計算、 設計、 比對選擇應用的方案， 建設比選方案具體流程如圖2 所示。

圖2 建設比選方案

與常規LCC 模型不同的是， 本文的運行、 檢修維護與故障成本數據均來自各個變電站所歸集到的數據。 為保證研究的可靠準確性， 直接選取投運時間為40 年及以上的GIS 戶內、 戶外建設的典型變電站作為統計、 分析樣本數據， 追溯自投運以來的GIS 設備每年實際的運維檢修故障成本， 通過多組樣本數據分析趨勢得出GIS 戶內、 戶外建設以來的LCC 成本， 最終得出最優建設方案。

3 算例分析

3.1 實際算例分析

對225 座110 kV 戶內、 戶外GIS 站進行統計分析， 基本情況如下: 建設容量為2×50 MV?A，110 kV 出線為4 回， 10 kV出線為24 回， 均為1981年投運， 投運時間超過40 年。

3.2 結果分析

3.2.1 初始投資成本對比分析

戶內、 戶外站初始投資成本對比如圖3 所示。

圖3 戶內、 戶外站初始投資成本對比

從圖3 可以看出， 戶外變電站與戶內變電站初始投資成本等年值， 兩者差距為150 萬元； 在第6年戶外變電站與戶內變電站初始投資成本等年值分別為205.50 萬元和237.95 萬元， 兩者差距縮小至32.45 萬元； 在第40 年戶外變電站與戶內變電站初始投資成本等年值分別為79.67 萬元和92.25 萬元， 兩者差距最小， 為12.58 萬元。 由圖3 可知，隨著變電站壽命周期的增長， 兩個變電站的初始投資成本的等年值都在不斷下降， 原因是初始投資成本不變， 隨著年限的增長， 分攤到每一年的費用會變少， 經濟效益更加明顯； 其次， 還可以看出戶內變電站的初始投資成本的等年值一直高于戶外變電站， 原因是戶內變電站的初始投資成本現值比戶外變電站的高， 在壽命周期相同的情況下， 年金現值系數不變， 戶內變電站的投資成本的等年值會一直高于戶外變電站。

3.2.2 運行成本對比分析

戶內戶外站運行成本對比如圖4 所示。

圖4 戶內、 戶外站運行成本對比

從圖4 可以看出， 戶外變電站運行成本等年值一直高于戶內變電站運行成本等年值， 第1 年兩者差距為3.570 4 萬元， 第40 年兩者差距為6.604 6萬元。 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的運行等年值成本呈上漲趨勢， 這是由于運行成本主要包括設備能耗費、 日常運行維護費用， 隨著使用壽命周期的增長， 費用會逐漸增大。

3.2.3 檢修成本對比分析

戶內、 戶外站檢修成本對比如圖5 所示。

圖5 戶內、 戶外站檢修成本對比

從圖5 中可以看出， 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的檢修等年值成本都呈上漲趨勢， 原因是隨著使用壽命周期的增大， 設備出現故障的頻次增加， 檢修成本逐漸上升； 其次戶外變電站上漲趨勢比戶內變電站更加明顯， 原因是戶外變電站出現故障的概率比戶內變電站更大。

3.2.4 故障成本對比分析

戶內、 戶外站故障成本對比如圖6 所示。

圖6 戶內、 戶外站故障成本對比

從圖6 中可以看出戶外變電站故障成本等年值有4 次明顯的上漲趨勢， 在第7 年故障成本等年值增加至2.711 7 萬元， 在第8 年故障成本等年值增加至4.397 9 萬元， 在第10 年故障成本增加至9.807 2 萬元， 在第17 年故障成本增加11.038 3 萬元。 對于戶內變電站故障成本等年值有3 次上漲趨勢， 在第10 年故障成本等年值增加至6.043 6 萬元； 在第20 年故障成本等年值增加至5.185 9 萬元； 在第26 年戶外變電站進行故障大修， 故障成本增加至5.404 5 萬元。 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的故障等年值成本都呈上漲趨勢， 原因是隨著使用壽命周期的增大， 設備出現故障的次數隨之增加， 因故障導致斷電產生的損失費用也隨之增加； 其次戶外變電站上漲趨勢比戶內變電站更加明顯， 原因是隨著使用壽命的增加， 戶外變電站出現故障的概率更大。

3.2.5 報廢處置成本對比分析

戶內、 戶外站報廢處置成本對比如圖7 所示。

圖7 戶內、 戶外站報廢處置成本對比

從圖7 可以看出， 戶外變電站與戶內變電站報廢成本等年值的趨勢與初始投資成本一致， 且在第40 年兩者差距最小， 為0.628 9 萬元。

3.2.6 全壽命周期成本對比分析

戶內、 戶外站全壽命周期成本對比如圖8所示。

圖8 戶內、 戶外站全壽命周期成本對比

根據圖8 可以看出， 戶內站和戶外站的投運時間越長， 全壽命周期等年值成本越低， 越具有經濟意義。 并且前22 年戶內變電站的全壽命周期等年值成本一直高于戶外變電站， 但差距在逐漸變小。在第22 年， 戶內變電站的總成本等年值和戶外變電站總成本等年值的差距最小， 為0.011 4 萬元。在第23 年， 戶外變電站的總成本等年值高于戶內變電站的， 且差距為0.012 4 萬元。 在23 年之后戶外變電站的全壽命周期成本一直高于戶內變電站的全壽命周期成本。 根據圖8 可以看出， 在第22年至23 年之間， 戶內變電站的全壽命周期成本和戶外變電站的全壽命周期成本兩條曲線相交； 在第40 年， 兩者差距為2.356 3 萬元。

根據圖9 可以看出， 戶內變電站的總成本高于戶外變電站總成本， 總成本初始差距為137.633 9萬元。 在第40 年， 戶外變電站的周期成本高于戶內變電站總成本， 全壽命周期成本差距為94.251 0萬元。

圖9 戶內、 戶外站成本差異對比

4 結論

本文從工程實際的角度出發， 構建了一種更加全面、 精細的變電站全壽命周期成本的數學模型，結合實際算例選取110 kV 戶外和110 kV 戶內變電站進行仿真驗證， 得到以下結論:

1) 經過算例分析可知， 戶外站在初始建設時期， 成本的經濟效益更優， 但是隨著規劃年限的拉長， 戶內、 戶外站初始投資成本之間的差異開始縮小， 而運行、 檢修、 維護成本的差異開始逐漸擴大。

2) 本文模型從成本最優角度出發， 優化物資采購策略， 提高入網設備質量， 降低因設備質量而帶來的運維檢修工作量增加及運檢成本消耗， 切實提升資產經營管理效益， 滿足提質增效要求。