基于全壽命理論的220 kV變電站配電選型

許成卓， 姚建剛， 劉志斌， 趙軍毅， 鄧道福， 宋宛凈

(1.湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082； 2.湖南省電力勘測設計院， 長沙 410007；3.湖南湖大華龍電氣與信息技術有限公司， 長沙 410082)

基于全壽命理論的220kV變電站配電選型

許成卓1， 姚建剛1， 劉志斌2， 趙軍毅3， 鄧道福3， 宋宛凈3

(1.湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082； 2.湖南省電力勘測設計院， 長沙 410007；3.湖南湖大華龍電氣與信息技術有限公司， 長沙 410082)

目前在國內變電工程領域當中開展了全壽命周期成本(LCC)研究，已對多種變電設備進行了LCC分析，但并沒有涉及到配電選型方面，因為配電裝置組合特性，運用單一設備LCC比較并不夠全面，基于此提出了220 kV變電工程配電選型LCC評價思路；根據變電工程各設備的特色分別建立了配電裝置和土建部分等兩個部分的LCC評價模型；給出了某一新建220 kV變電站配電選型實例。通過分析新設計的變電站數據，驗證了該模型的正確性和實用性，為設計人員在配電選型方面提供了定量分析思路。

220 kV變電站； 配電選型； 全壽命周期成本模型； 評價； 土地價格

變電工程設計中，配電選型是一項重要內容，選擇常規裝置AIS(air insulated switchgear)、組合電器GIS(gas insulated switchgear)、裝置戶內還是戶外對整個變電工程的設計結果將會產生重大影響。而以往配電選型，設計人員是根據經驗，對照變電站典型設計，定性地分析出配電類型，缺乏數據支撐。

電力資產全壽命周期成本管理LCM(life cycle management)是智能電網發展的一項重要內容，而變電設備作為電網重要資產，更需要進行LCM。近年來，一些研究成果已經把LCC理念引入到變電設備的分析之中：文獻[1]從變電設備全壽命周期成本動因的角度出發，借助實證分析方法，建立了成本動因與安全運行之間的內在聯系模型；文獻[2]在變電工程規劃決策中，采用LCC最小方法對變電工程最主要的主變臺數、規模、建設時序進行了分析，追求全壽命周期內系統成本最低；文獻[3～6]研究了變電工程LCC模型，并對變電站的主變壓器和斷路器做了LCC研究，應用到工程設計。

這些研究成果已經涉及到變電設備LCC分析的眾多方面，但是沒有包括配電選型，因為配電裝置是多設備組合體，具有其特殊性，如果再按照原有單個設備LCC比較將不再合適。因此本文從變電工程的宏觀角度出發，結合220 kV變電工程典型設計，建立配電選型LCC評價模型，為變電工程中配電選型尋找新途徑，運用算例分析把選型的過程量化。

1 配電選型LCC評價模型的建立

1.1 假設和約定

目前電力資產LCM處于初期，設備數據采集不全，于是本文研究中做了如下假設和約定。

1)變電站設計壽命一般以主變壽命(30年)為標準，因此在計算所有設備LCC時以30年為標準。

2)計算的所有費用為動態，即需要費用折現，因此變電站擴建年份不同，最終結果也不同，所以在LCC計算之初需確定變電站擴建年份。

3)變電設備LCC分析一般會考慮停電損失成本，但220 kV變電站是環網運行且滿足N-1準則，某回路發生故障時可及時轉供避免停電，因此在分析220 kV變電站LCC過程中可忽略停電損失成本。

4)變電工程LCC模型的建立過程中，應該包括主變、二次設備等其他設備的LCC模型，但配電選型的各種方案中，這些設備的LCC值變化不大，根據LCC簡化原則[7]，可以省略相同部分比較。

5)同種設備放在戶內和戶外可用率有差別，且戶外設備可用率相對較低，即維護費用高。本文假定同種設備戶外比戶內的可用率低0.005。

1.2 配電選型LCC評價流程

以往變電設備LCC分析，都是從單一設備的角度去進行優化，考慮的范圍比較狹小，而配電裝置的組合特性，此種LCC模型將不再適用。本文從變電工程全局的角度，運用全壽命的思想來進行配電選型，考慮因素將更加全面，評價步驟如下。

1)輸入變電站規模：變電所在設計變電站之初會獲得系統所提供的一組變電站規模數據。該組數據包括：主變容量、供電區域基礎負荷、平均負荷增長率、主變初終期臺數、土地價格、各電壓等級初終期出線回路數及相應接線形式等。共中前四個因素可確定變電站的擴建年份；后兩個因素可確定各種變電設備所需要裝配臺數。

2)選配電裝置比較方案：設計人員選定適合該變電工程配電裝置比較方案。其中配電類型包括：全戶外AIS、全戶外GIS、半戶內GIS、全戶內GIS(主變外)、全戶內GIS(主變內)等。

3)變電站典型設計分析：通過已輸入的變電站初終期規模和配電裝置類型選定對應的220 kV變電站典型設計[8]。其中典型設計內容包括：土地面積、主控樓、配電裝置安裝、構支架、電纜購置及安裝等費用和各對應子模塊的費用。

4)分模型比較：通過以上三步分析出來的結果，可以對選定的每種方案進行配電裝置、土建兩部分的LCC評價，估算出各部分LCC。因以上兩部分LCC評價模型不同，本文將在下一節介紹。

5)各方案總LCC比較：計算出每種方案LCC，即配電裝置、土建兩部分LCC之和。

配電選型LCC評價流程圖如圖1所示。

圖1 變電工程配電選型LCC評價流程

2 各部分LCC模型的建立

根據變電工程的特征，各變電設備LCC費用組成都可以分解為：①一次投資成本IC (investment cost)，指變電設備在正式投運之前，所付出的一次成本；②運營成本OC(operation cost)，指變電設備的運行人工成本及故障后所需要的維護成本；③報廢成本DC(disposal costs)，指變電設備在運行到使用壽命年限后，設備殘值及清理。因此變電設備通用的LCC模型為

LCC=IC+OC+DC

(1)

而配電裝置、土建部分計算LCC都有其特殊性，本文分別建立了兩種不同的模型。

2.1 配電裝置LCC模型

配電裝置分為AIS和GIS兩種類型，其中AIS又可以分為斷路器、隔離開關、互感器等設備。因它們的性質基本相同，在全壽命分析的過程中可以作為同一個模型進行考慮。

1)一次投資成本ICD

配電設備的使用壽命往往要低于變電站設計壽命，因此在全壽命周期中，設備需要更換多次，需進行壽命匹配，其數學模型為

(2)

式中：IC為單臺設備一次投入成本，包括購買、安裝、調試等費用；n為變電站中設備初期投入臺數；m為變電站中設備終期投入臺數；λ為折現率；k為變電站擴建年份；Z為30年內該設備需要更換的次數；N為(30-k)年內該設備需要更換的次數；j為設備的使用壽命。

2)運營成本OCD

配電裝置的運營成本主要包括運行費用和維護費用兩個方面。由于設備運行費用數據采集難度較大，往往只能統計出多臺設備平均費用，為了建立LCC模型，配電設備年運行費用的模型簡化為

LCD=IC×α

(3)

式中：α為設備年運行費用比。

配電設備可用率很高，假定每年的維護費用基本相同，可根據式(4)估算：

MCD=(1-θ)×8760×b

(4)

式中：θ為設備的可用率；b為設備的維護難度，即維護某種設備每小時所需費用。

綜合式(3)、(4)，配電設備在壽命周期內發生的費用如式(5)：

(5)

3)報廢成本DCD

配電設備待運行了使用壽命年限后，報廢將獲得殘值，如式(6)所示：

(6)

式中：γ為設備回收率。

2.2 土建LCC模型

變電站土建成本主要包括土地購置及平整費用、主控樓費用、構支架費用及施工費用等。土建部分設備材料的使用壽命都將超過30年，所以在土建全壽命分析的過程中不考慮材料更換。

1)一次投資成本ICC

變電站土建一次投資費用主要包括土地成本ICL、主控樓成本ICB、構支架成本ICS三部分，如式(7)所示：

ICC=ICL+ICB+ICS

(7)

2)運營成本OCC

如不發生極端的天氣情況，土建部分的維護成本可以忽略，但主控樓年運行成本OCB較高，可根據式(8)估算得出：

OCB=ICB×β

(8)

式中：β為主控樓運行成本率。

則土建部分運營成本簡化模型為

(9)

3)報廢成本DCC

主控樓在使用完壽命年限后將進行拆除，需要支出費用，其值為正，回收率為20%。構支架因是鋼架結構，具有高殘值，回收率為30%，模型如下：

(10)

綜上所述，配電選型LCC模型為

LCC=LCCD+LCCC

(11)

3 算例

湖南省某地區需新建220 kV變電站，經系統專業分析，確定該變電站選用180 MVA的主變，并測得供電區域的基礎負荷為80 MVA，平均負荷增長率為10%，土地價格為1000元/m2，折現率為10%。變電站的設計規模如表1所示。

表1 變電站設計規模1

通過以上數據分析確定該變電站初次擴建年份是第8年。技經專業和超高壓部門對配電設備參數的統計如表2所示，其中各設備的維護難度是根據設備每年維護費用折算分析得出；設備可用率是根據2009年全國輸變電設備可靠性統計表，結合湖南電網實際情況統計出；使用壽命是根據某類設備A類檢修更換年限近似統計。

表2 配電裝置LCC參數

3.1 配電裝置選型方案比較

現選定三種配電裝置比較方案，分別為：全戶外AIS、全戶外GIS、全戶內GIS，對應的典型設計信息如表3所示。

表3 各方案對應典型設計

通過變電工程兩部分LCC模型的分析，配電選型三種方案全壽命周期內各部分發生費用如表4所示。

表4 各方案LCC比較

由表4可知：3種方案中，方案1的一次投入成本最小，方案3的運營成本最小，但權衡3種方案LCC，結果顯示方案2的配電選型更優。原因：方案1中AIS設備造價相對GIS較低，但是運營成本過高，造成全壽命周期費用偏高；方案3中，因變電設備都在戶內，造成主控樓造價高，從而推高了一次投入成本，但是后期運營成本和方案2比起來并不占優，也造成了全壽命周期成本偏高。3種方案中報廢成本都不高，是因為費用折現，相對于LCC來說可以忽略，其中方案3出現正值，是因為方案三主控樓造價高，拆除成本過高。

3.2 土地價格影響分析

當前農村、城郊、市中心土地價格有明顯的區別，對變電站配電選型決策有很大影響，本文在選定的3種方案中，改變其土地價格，其他參數不變，比較各方案LCC，如表5所示。

由表5可知：當土地價格為500元/m2時，選方案1合適；當土地價格為1000元/m2時，方案2最低；當土地價格為2500元/m2時，選方案3最合理。原因：AIS變電站比GIS的占地面積大很多，從全壽命周期費用來看，建設變電站時購置土地費用占有一定的比例，不可忽視。隨著土地價格的增高，占地小的變電站將有更大的優勢。

由此也可以描繪出3種方案LCC隨著土地價格變化的趨勢圖，如圖2所示。

表5 變動土地價格各方案LCC比較

圖2 各方案LCC隨土地價格變化圖

4 結論

1)在變電工程設計決策中，配電選型可以用LCC最小法進行分析。但并不是從單一設備進行LCC比較，而是從變電工程整體LCC來進行決策。

2)配電選型不能盲目追求低價格設備或高價格設備，應該綜合權衡一次投資成本和運營成本，使LCC最低，這樣決策將更加合理。

3)隨著土地價格的變化，變電工程配電選型結果也改變。土地價格低宜選用AIS；土地價格高宜選用戶內GIS；土地價格適中，宜選用戶外GIS。

[1] 李濤,馬薇,黃曉蓓(Li Tao, Ma Wei,Huang Xiao bei).基于全壽命周期成本理論的變電設備管理(Power transformation equipment management based on life cycle cost theory)[J].電網技術(Power System Technology)，2008,32(11):50-53.

[2] 史京楠，韓紅麗，徐濤(Shi Jingnan,Han Hongli,Xu Tao).全壽命周期成本分析在變電工程規劃設計中的應用(Application of life cycle costs analysis in planning design of power transformation projects)[J].電網技術(Power System Technology)，2009,33(9):63-66.

[3] 于繼來， 王成福， 張博，等(Yu Jilai,Wang Chengfu,Zhang Bo,etal).在役電力變壓器經濟壽命評估(Economic life evaluation of power transformer in service)[J].電力系統及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2010,22(3):86-90.

[4] Gandhare W Z, Bhagwatikar G R. Power pollution due to grid connected wind electric converter[C]∥IEEE International Conference on Control Applications, Anchorage, USA: 2000.

[5] 張俊(Zhang Jun). 基于全壽命周期成本(LCC)的變電站建設的決策分析(Decision-making Analyse of Electric Substation s Construction Based on Life Cycle Costs)[D].重慶:重慶大學電氣工程學院(Chongqing: College of Electrical Engineering of Chongqing University),2007.

[6] 帥軍慶,賀錫強,張懷宇.電力企業資產全壽命周期管理[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7] 金家善,邵立周(Jin Jiashan,Shao Lizhou).LCC分析的簡化方法(The simplified method of LCC analysis)[J].中國設備工程(China Plant Engineering)，2003, 22(9): 6-8.

[8] 國家電網.220(110)kV變電站典型設計實施方案編制和推廣應用手冊[M].北京:中國電力音像電子出版社,2006.

許成卓(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為電力資產全壽命管理。Email:47899266@qq.com

姚建剛(1952-)，男，教授，博士生導師，主要從事智能電網與高壓外絕緣的教學與研究工作。Email:yaojiangang@126.com

劉志斌(1954-)，男，教授級高級工程師，主要從事電力系統相關分析、設計及研究工作。Email:liuzb@hepdi.com

SelectionofPowerDistributionEquipmentofa220kVSubstationBasedonIdeaofLifeCycle

XU Cheng-zhuo1， YAO Jian-gang1， LIU Zhi-bin2， ZHAO Jun-yi3，DENG Dao-fu3， SONG Wan-jing3

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University,Changsha 410082, China;2.Electric Power Survey amp; Design Institute of Hunan Province, Changsha 410007, China;3.Hunan HDWL Electric amp; Information Tech CO.,Ltd., Changsha 410082, China)

Currently, the life cycle cost (LCC)research has been coducted in domestic power transformation projects, which carries out on LCC analysis to a variety of power transformation equipment, but actually fails to take distribution model selection into consideration since the single-equipment LCC can't make comparisons in a comprehensive manner due to the composite characteristics of the distribution apparatus. Based on this, the paper proposes the the LCC evaluation idea of the distribution model selection of the 220 kV power transformation project, establishes two LCC evaluation models of the power distribution equipment and the civil engineering according to the characteristics of the equipment, and presents the case of the distribution model selection in a certain 220 kV substation. Through the analysis on the data of a newly-designed substation, the correctness and practicability of the model is verified, which provides designers with the quantitative analysis on the distribution model selection.

220 kV substation； distribution model selection； the life cycle cost model(LCC)； evaluation； land price

TM715

A

1003-8930(2012)06-0090-05

2011-07-04；

2011-07-29