基于全壽命周期成本的電力變壓器選型方法研究

華丁劍，劉建華，楊麗嬌

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

1 引言

隨著我國電網的迅速發展，對供電量的需求不斷擴大，需新建更多的變電站來滿足日益增長的用電需求。在巨大的投資面前，需要合理分配以求一種更科學的造價管理方法，使得投資具有針對性和長期性，這樣才能獲得最大效益。電力變壓器是變電站的重要電力設備，其安全穩定運行是電力系統供電安全的重要保障。目前，大家習慣于重視電力變壓器的購置費用而忽略其運行費用，通常是節約了購置費用，而后期的運行及維護費用成本卻大大提高［1，2］。因此，電力變壓器全壽命周期成本管理不容輕視。

電力變壓器全壽命周期成本LCC，既包括電力變壓器選型、設計、制造、試驗、營銷的費用所構成的制造成本，又包括運行、維護、能耗、保險、檢修、報廢的費用所構成的運行成本［3］。本文應用LCC理論對電力變壓器的制造和運行成本進行拆分，按照IEC60300－3－3標準，建立了電力變壓器的LCC分析計算模型，并通過實際算例的分析，得出了在電力變壓器選型中引入LCC分析是必要和可行的。

2 全壽命周期成本

2.1 定義

全壽命周期成本是從設備、項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備、項目或系統的規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修改造、更新，直至報廢的全過程中，一共所支出的費用總和。LCC分析方法科學的劃分了設備在壽命周期內的一切費用項目，又利用統計資料和方法建立費用估算關系式和費用模型，從而可按不同需要相當準確地估算出設備壽命周期費用，供決策和管理之需。其核心內容是對設備、項目或系統的LCC進行分析，并進行決策。

根據IEC60300－3－3標準，設備全壽命周期成本可分為三部分，表示為［4］:

購買費用是基本明確的，在購買決定前就可以容易的估算出來;擁有費用，在許多項目中通常是LCC中比重最大的一部分，它超過購買費用并且不容易明確;報廢處理費用，是整個LCC中重要的部分。大部分項目在其報廢階段通常要根據法律規定對項目進行處理，例如，核電站在此階段就涉及很大的費用。

在設備的全壽命周期費用中，購置成本所占的比例隨時間遞增而下降，而運行維護成本所占的比例隨時間遞增而上升，而且在很多情況下，后者的費用高于前者，因此在考慮設備選型，不能只考慮設備的初始價格，而應該考慮其整個壽命周期的費用。

2.2 分析步驟

根據對LCC相關研究及應用的歸納，針對不同的系統，LCC分析步驟有所不同，但一些基本的分析過程是相似的，可分為六個分析步驟，如圖1所示。

圖1 LCC分析的六個步驟

一般來說，LCC分析起源于計劃的建立，用于確定分析的目標和范圍，在具有足夠信息，考慮充分因素的前提下建立LCC模型，進而對模型進行結構分解，并計算模型各部分的費用，形成分析報告。需要的注意的是，保持LCC分析的最近性是非常必要的，所以需要根據信息源的變化及時更新分析結果。此外，要實現全壽命周期成本的準確估計，還必須考慮通貨膨脹率、利息率、匯率和稅率的影響。

3 電力變壓器選型

3.1 電力變壓器的特點

(1)技術柔性比例高。電力變壓器制造過程大部分是手工操作，柔性技術占較大比例。一般來說，電力變壓器制造成本大，則安全裕度大、運行成本低;而制造成本小，則安全裕度小、運行成本高。

(2)能耗高。據統計，我國電力變壓器的總損耗占系統發電總量的3%～5%，這使得我國電力利用率降低，造成巨大的電力浪費。

(3)噪聲高。從環保的角度出發，變電站對外界的影響主要來自電力變壓器噪聲。隨著社會文明的進步，變電站受到環保制約程度越來越大，投入的環保成本也將越來越大。

(4)運行成本高。通常一臺電力變壓器檢修維護費約占原值的2%，而能耗約占原值的18%，噪聲治理、技術反措、改造等額外費用約占1% ～2%，總計21%～22%。電力變壓器在有效周期壽命期30年內的運行成本高達制造成本的6～7倍［3］。

(5)殘值高。電力變壓器是材料密集型產品，其價值主要取決于硅鋼片、銅材和電力變壓器油等消耗主材的價值。因此，電力變壓器報廢后的殘值是非常高的，一般是現值的30% ～40%。

3.2 電力變壓器的全壽命周期特性

一般來說，在沒有附加先進技術的更新換代產品出現時，電力變壓器全壽命周期成本的最低點就是其價值的最高點。這說明提高價值不是單純的提高產品的功能品質，而是在功能品質允許的情況下，把全壽命周期成本降到最低。

因此分析電力變壓器全壽命周期成本時，要充分考慮電力變壓器的特點，找到影響電力變壓器全壽命周期成本的關鍵因素，以最高的價值為目標，追求真正意義上的物美價廉。

4 電力變壓器的全壽命周期成本模型

根據IEC60300－3－3標準，對電力變壓器的LCC模型的主要構成要素進行具體的分析，電力變壓器從購置投入運行到報廢退役，整個全壽命周期過程的總成本可以分為四大成本之和，即一次投資成本、運行成本、中斷供電損失成本以及報廢成本，因此電力變壓器的LCC模型可定義為:

其中:LCCT為電力變壓器的全壽命周期成本;CI為電力變壓器的一次投資成本(Investment Costs);CO為電力變壓器的運行成本(Operation Costs);CF為電力變壓器的中斷供電損失成本(Failure Costs);CD為電力變壓器的報廢成本(Discard Costs)。

4.1 一次投資成本

電力變壓器的一次投資成本，是指在變電站建設和調試期間內，在變電站正式投入運行以前，所付出的一次性成本。主要包括電力變壓器的購置成本、安裝試驗成本(包含人員培訓成本)，可表示如下:

其中:CI為電力變壓器的一次投資成本;Cp為電力變壓器的購置成本(Purchase Costs);Cie為電力變壓器的安裝試驗成本(Installation and Experimentation Costs)。

4.2 運行成本

電力變壓器的運行成本主要包括損耗成本、維護成本、環保成本、人工費用及其他成本，定義如下:

其中:CO為電力變壓器的運行成本;Cel為電力變壓器的運行損耗成本(Energy Loss Costs);Cm為電力變壓器的運行維護成本(Maintenance Costs);Cep為電力變壓器的運行環保成本(Environmental Protection Costs);Cmo為人工費用及其他成本(Man and Other Costs);包括負責和管理運行的人員的工資，所有與電力變壓器運行相關的雜費。

4.3 中斷供電損失成本

電力變壓器的中斷供電損失成本是指在故障發生后，中斷供電造成的損失，可用下式進行估算［5］:

其中:CF為中斷供電損失成本;α·W·T為斷電(懲罰)成本;λ·RC·MTTR為修復成本;λ為設備年平均故障數;T為設備年平均故障中斷供電時間;W為設備平均故障中斷供電功率;RC為設備平均故障修復成本;MTTR為設備平均修復時間;α為相關用戶平均中斷供電電量的價值，它隨用戶的性質、用戶所在地區的不同而變化。

4.4 報廢成本

在產品報廢的過程中，既需要消耗一定的人力、物力、財力，又有可能產生一定的收入，所以，應該認真進行核算。電力變壓器的報廢成本主要包括處理成本和殘值。處理成本是指電力變壓器退役后的拆除費、運輸費、環保費，殘值是指電力變壓器報廢后的可回收費用。因此電力變壓器的報廢成本可表示為:

其中:CD為報廢成本;Ct為處理成本(Treatment Costs);Crv為殘值(Residual Value)。

5 電力變壓器LCC模型在電力變壓器選型中的應用分析

5.1 工程介紹

某220kV變電站建成后，需要新建一臺300MVA的電力變壓器，現有兩種備選方案:

方案A:不對電力變壓器做任何處理，普通的常規應用;方案B:增加額外的初始費用投資，用于提高電力變壓器的零部件壽命(如密封件、吸濕器、真空膠囊儲油柜等)和優化電力變壓器的性能參數(如空載損耗、負載損耗、噪聲等)，并將此類費用歸算至購置成本中。

兩種方案的詳細參數如表1所示。

表1 兩種方案的參數表

在分析時，根據經驗和運行習慣做如下假設:

(1)電力變壓器壽命周期按30年計算。

(2)電力變壓器每年的維護、檢修費用按電力變壓器購置成本的2%計算。

(3)電力變壓器每年的運行環保費按電力變壓器購置成本的0.25%計算。

(4)當電力變壓器達到使用年限時，殘值按電力變壓器購置成本的30%計算。

(5)電價按0.59元/kW·h計算。

(6)除一次投資成本的所有費用折算到現值，貼現率按6%計算。

5.2 LCC計算

5.2.1 一次投資成本

電力變壓器的一次投資成本Cl主要包括電力變壓器的購置成本、安裝試驗成本(包含人員培訓成本)，如表2所示。

表2 兩種方案的一次投資成本

5.2.2 運行成本CO

電力變壓器的運行成本CO忽略掉人工費用及其他成本，主要包括損耗成本、維護成本、環保成本。

因此電力變壓器的運行成本C0如表3所示。

表3 兩種方案的運行成本

5.3.3 中斷供電損失成本CF

電力變壓器的中斷供電損失成本CF包括斷電損失成本以及修復成本，可將表1的參數數據代入式(5)計算，計算結果如表4所示。

表4 兩種方案的中斷供電損失成本

5.4.4 報廢成本

電力變壓器的報廢成本主要包括處理成本和殘值，如表5所示。

表5 兩種方案的報廢成本

5.4.5 兩種方案的LCC比較

兩種方案的LCC比較結果如表6所示。

表6 兩種方案的LCC比較結果

通過表6的LCC比較可以看出，除了一次投資成本外，方案B在運行成本、中斷供電損失成本、報廢成本三方面均優于方案A，而且LCC總費用比方案A少投入360萬元左右，故推薦采用方案B。

5.4.6 LCC結果分析

通過對表6的數據對比可以得出:

(1)方案A和方案B的一次投資成本在各自LCC中的比例分別為30.47%和34.42%，所占比例都較小。

(2)方案A和方案B的運行成本在各自LCC中的比例分別為62.94%和59.73%，所占比例都在60%左右。

(3)方案A和方案B的中斷供電損失成本在各自LCC中的比例分別為8.5%和7.56%，所占比列都很小。

所以，在電力變壓器的LCC組成中，運行成本的改變對LCC的大小影響程度很大，正因為如此，方案B在初始投入時增加的6%左右的額外投資用于改善電力變壓器性能，并起到了產生很好的經濟效益。例如降低了負載損耗，節約了運行損耗成本;改善了零部件性能，延長了檢修周期。雖然從短期效益看，方案B是多花錢了的，但是從長期考慮，可明顯降低電力變壓器的全壽命周期成本。

6 結論

電力變壓器的全壽命周期成本分析不僅可以應用在選型方面，而且在更新改造方面也可以作為經濟性分析的重要方法，是今后對不同方案進行經濟性評估的發展趨勢。

本文介紹了電力變壓器的LCC模型，并通過工程計算和結果分析，得出了降低電力變壓器LCC費用的可行性方法:

(1)在初始投入時適當的增加投資，改善電力變壓器的性能，如選擇節能型電力變壓器，可較大幅度減小運行損耗成本，從而降低電力變壓器的LCC。

(2)狀態檢修能夠實現高效率的設備維護管理，以狀態檢修代替常規的計劃檢修，可減小設備的運行維護成本，從而降低電力變壓器的LCC。

［1］Jun H K，Kim J H.Life Cycle Cost Modeling for Railway Vehicle［J］.IEE，2007.

［2］夫蘭克林A C，夫蘭克林D P.電力變壓器全書［M］.北京:機械工業出版社，1990.

［3］姜益民.電力變壓器的全壽命周期成本分析［J］.上海電力，2004(3):188－191.

［4］International Electrotechnical Commission，Life Cycle Costing［Z］.International Standard 60300 －3 －3，2004.

［5］張俊.基于全壽命周期成本(LCC)的變電站建設的決策分析［D］.重慶:重慶大學，2007.

［6］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(12):50 －53.

［7］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(4):13 －15.

［8］姚明，陳紅兵，李莉華，等.全壽命周期成本(LCC)方法在500 kV地下變站 GIS采購中的應用［J］.中國電力，2008，41(8):32－34.

［9］騰樂天，陳紅兵，王怡風.LCC在設備采購中的應用實踐［J］.華東電力，2007，35(10):27 －29.

［10］騰樂天，李力，韓天祥.以LCC理念進行可靠性管理的探討與實踐［J］.上海電力，2005，18(1):65 －67.