基于全壽命周期的220kV主變壓器投資決策研究

溫偉 王正 谷志紅

摘要：220kV主變壓器作為變電系統的重要而普遍的電力設備，如何投資決策建設是變壓器的重中之重。本文主要分析220kV主變壓器在建設、運營、檢修、故障處理和退役處置各階段的費用關系，構建基于系統動力學的核算模型，同時引入熵權法—TOPSIS方法進行多方案比選，以供參考。

關鍵詞：全壽命周期；投資決策；220kV主變壓器；系統動力學；熵權法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240409

基金項目：國網山西經研院2023年群眾性創新項目

項目編號：520533230008

作為電力系統的核心變電設備，變電站主變壓器的作用顯而易見，其運行狀態對整個電力系統安全穩定地運行具有重要影響。在配電網建設的整體投資中，設備投資占比較高，電力企業一直將電力設備的選型投資決策作為關注的重點。隨著國家電網公司于2002年首次在上海市泰和變電站全面推行全壽命周期管理并取得了預期效果后，全壽命周期管理逐漸在國家電網公司內部推廣。

目前電力設備各項費用以LCC為最優目標的方法被廣泛使用。李濤等采用線性回歸分析法，對變電站成本因素分析并判斷各因素的相關關系，解決變電設備安全管理問題。郭基偉采用蒙特卡洛方法，模擬和分析設備在運行期間的故障情況，并提出設備全壽命周期內的維修方案。史京楠提出在整個系統的生命周期中，通過最小化LCC降低總體成本，為變電工程規劃提供修正建議。但目前還沒有出現追求電力設備LCC成本與其他各項指標為最優的投資決策研究。本文基于系統動力學對220kV主變壓器的LCC進行建模分析，得出220kV主變壓器的各個時期LCC的變化狀況，基于熵權法—TOPSIS追求該設備LCC及其他指標最優的投資決策方案。

一、全壽命周期成本影響因素分析

以系統的觀點來看，220kV主變壓器的全壽命周期成本由一個連續演變且完善的系統體系構成，由多方面因素構成，具體而言，可將220kV主變壓器全壽命周期成本劃分成前期投資成本、運行成本、檢修成本、故障成本、退役處置成本五部分。在220kV主變壓器的全生命周期中，發生在不同階段的因素會對總成本產生不同的影響。

第一，前期投資成本。220kV變壓器在科研、設計規劃、招投標等前期環節產生的成本即該變壓器的資產原值。

第二，運行成本。變壓器投運后，為確保正常運行需進行維護，該過程中產生的成本就是運行成本。

第三，檢修成本。主變壓器的維修費用通常分為定期發生的大型維修和小型維修的成本。主變壓器的大修成本涉及在停電時對變壓器本體和內部組件進行排油、拆卸和檢修的費用。主變壓器小修成本是指在停電狀態下對變壓器箱體及組部件進行的檢修所花費的費用。

第四，故障成本。故障成本主要包括故障損失費和故障檢修費兩部分，具體計算方法為：故障損失費用=年平均故障系數×故障平均修復時間×單位時間故障損失費用；故障檢修費用=年平均故障系數×故障平均修復時間×單位時間故障檢修費用。

第五，退役處置成本。主要關注凈殘值，包括廢舊設備的殘值、拆除和清理費用以及廢物處理等相關開支。

二、全壽命周期成本模型構建

在220kV主變全壽命周期成本影響因素分析基礎上，建立220kV主變全壽命周期成本模型，包括狀態變量、輔助變量和常量三類關鍵變量。確定系統因素及其內在聯系后，為在計算機上實現模擬，需構建一個系統流程圖，如圖1所示，滿足因果關系圖表達的模型運行條件，有效模擬220kV主變壓器在全生命周期中成本的動態演變。

對于220kV主變全壽命周期的費用成本，以某省220kV主變壓器的數據為基礎數據，將基礎數據和公式導入全壽命周期成本存量流量圖中后，該220kV主變壓器全壽命周期成本及變化率如圖2、圖3所示。

該設備全壽命周期成本的累加在第一年到第二年存在突增，后面為緩慢平滑增長的趨勢，這是由于在設備投入的第一年是資金、勞動最密集投入的時間節點，與實際相符。

從全壽命周期成本變化率曲線可以看到，除第一年有一個成本高點外，第10年、第20年、第26年均存在相對不明顯的高點，且第26年的高點顯著高于其余兩點，說明該點不同于其余兩點出現的事件。實際上，該三點對應的分別是第一次大修、第二次大修、報廢處置。與此同時，圖中還存在高點以外的波動，這是由于小修或其他費用產生的影響。

三、主變壓器投資決策模型及建議

結合前文對全壽命周期成本模型的構建，可以得出主變工程投資決策的部分經濟性指標，本文采取成本計算中的主要費用指標，即全壽命周期成本、設備及工器具購置費、安裝調試費、運行成本、檢修成本作為經濟性指標，采用供電可靠性、平均停電時間、電壓合格率、主變負載率作為技術性指標。

為充分量化各指標，得出客觀的投資決策建議，采用熵權法—TOPSIS相結合構建投資決策模型，為投資決策依據和理論支持。模型構建的具體步驟如下：

第一，指標矩體系的建立，設有n個方案，m個評價指標，構建矩陣Xij表示第i個方案的第i個評價指標。

第二，指標無量綱化。

第三，權重的分配。

通常情況下，在整體評估過程中，特定評價指標與其理想最值的差距越顯著，說明其所攜帶的信息量越少，指標的重要性更加突出。當不同評估對象在該指標的信息熵方面表現出顯著差異時，應當給予重點關注。以下是具體的計算方法：

第五，確定正負理想解。

正理想解的數值為該指標中的最優值，負理想解的數值為該指標中的最劣值，確定各方案與正負理想解方案的歐氏距離。設正理想解為：，負理想解為：

第六，計算歐式距離。

為驗證方法的合理性，本文選取某地為優化當地的主變壓器建設而擬考慮的四種決定投資規劃方案，運用基于熵權法—TOPSIS法對四個方案進行投資決策分析。指標A－I分別為供電可靠性（%）、平均停電時間（h）、電壓合格率（%）、主變負載率（%）、全壽命周期成本（萬元）、設備及工器具購置費（萬元）、安裝調試費（萬元）、運行費用（萬元）、檢修費用（萬元）。原始數據如表1所示。

四、結語

綜上所述，本文分析了220kV主變壓器的建設、運營、檢修、故障處理、退役處置各階段的費用關系，構建了基于系統動力學的核算模型，以更好地計算變壓器全生命周期內的成本。利用該模型，比選了不同廠家、不同方案的建設、運營、檢修、故障處理和退役處置等多方面的方案，為決策者提供了更為準確和全面的建議。同時，引入熵權法—TOPSIS法進行多方案比選，綜合考慮技術性能、經濟效益、環境影響等指標，得出更為合理和全面的方案。總之，通過全生命周期分析和核算以及多方案比選，有助于確保設備的合理建設和科學運營，提高變壓器的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]阮羚，謝齊家，高勝友，等.人工神經網絡和信息融合技

術在變壓器狀態評估中的應用[J].高電壓技術，2014，40

（03）：822-828.

[2]李存斌，慶格夫，陸龔曙，等.基于全生命周期成本的配電網變壓器選型系統動力學模型[J].現代電力，2014，31（03）：86-90.

[3]馬駿，韓天祥，姚明，等.泰和變電站220kV GIS設備改造LCC計算后評估研究[J].華東電力，2005（12）：15-19.

[4]李濤，馬薇，黃曉蓓.基于全壽命周期成本理論的變電設備管理[J].電網技術，2008，32（11）：50-53.

[5]郭基偉，謝敬東，唐國慶.電力設備管理中的壽命周期費用分析[J].高電壓技術，2003，29（04）：13-15+37.

[6]史京楠，韓紅麗，徐濤.全壽命周期成本分析在變電工程規劃設計中的應用[J].電網技術，2009，33（09）：63-66.