全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應用

宋宛凈， 姚建剛， 汪覺恒， 許成卓， 孫文艷

(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)

全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應用

宋宛凈1， 姚建剛1， 汪覺恒2， 許成卓1， 孫文艷1

(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)

目前在變電工程領域運用全壽命周期成本LCC(life cycle cost)理論對主變壓器選擇進行研究分析已有了部分成果，但未能提出完整的、系統的應用方法。本文簡要介紹LCC理論及在智能電網中的應用前景，以全壽命周期成本理論為基礎, 建立變電設備全壽命周期成本模型，并將其應用到主變壓器容量和臺數選擇中來，創新性地提出了全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應用方法，通過實例分析證明其可行性，并進一步得到降低變電設備成本的有效措施，以期達到在保證電力系統安全可靠性的基礎上，減少投資成本，節約能耗，優化設備選擇過程的目標。

全壽命周期成本； 智能電網； 全壽命周期成本模型； 主變壓器選擇； 減少成本

近年來，隨著國家經濟的快速發展，國家加快了電力設施建設，根據科學發展觀的要求，電力建設不僅要考慮項目的初始建設成本，還要綜合考慮運行維護成本，在保證供電安全可靠性的基礎上，最大限度地減少投資成本。我國自引進全壽命周期成本理論以來，電力工作員對此進行了大量的研究，并取得了顯著的成績。文獻[1～10]概括介紹了LCC理論并在工程規劃、設備維護管理、招標采購等領域進行的深入研究；文獻[11～13]提出了主變壓器選擇的新創方法，有的也將LCC理論應用到其中，但都未形成完整的、行之有效的應用方法。在上述背景下，本文借鑒以前研究的理論成果，結合我國的實際情況，期望提出完整的全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應用方法，并通過實例分析證明其可行性。

1 全壽命周期成本管理理論及在智能電網中的應用前景

全壽命周期成本LCC(life cycle cost)管理是從整個項目壽命周期出發，側重對項目決策、設計、施工、運行維護等各階段造價進行控制，使LCC最小的一種管理方法。

LCC管理具有全系統、全費用和全過程三大特點。其中，全系統是指將規劃、設計、基建、運行等不同階段的成本統籌考慮，以總體效益為出發點，尋求最佳方案；全費用是考慮所有會產生的費用，在合適的可用率和全費用之間尋求平衡；全過程是考慮從規劃設計到報廢的整個壽命周期，要求從制度上來保證LCC方法的應用[2]。

目前，能源存在大規模并網問題，現有電網運行安全和電力系統運營模式面臨嚴峻的挑戰，因此，各國都積極地發展了智能電網領域的研究與規劃。而LCC研究是智能電網發展的一項重要內容。智能電網的發展和新能源的廣泛使用，將大大減少化石類能源的開采和消耗，增加環保新能源的利用，并通過智能輸配電網輸送能源到用戶終端。

然而如何更為有效地、經濟地利用各類能源，如何確定煤、水、風、太陽能等各類能源的配置比例等問題，可運用LCC理論來解決。

智能電網采用集成“雙向通信”和“雙向電力傳送”技術，從技術上解決了普通電力用戶參與市場的問題[14]。

用戶通過儲能設備在滿足自身電力需求的情況下，如何確定何時向電網買電、何時將剩余電量向電網輸送，電力部門又將如何有效利用這部分剩余電量，調整原有的發電計劃，這些問題均可通過LCC分析給出明確的結論。

2 變電設備全壽命周期成本模型

變電設備全壽命周期成本管理是在可靠性及壽命管理的基礎上，將設備整個壽命周期內的全部費用即設備從采購、安裝、運行、檢修直至報廢停止使用全過程中的總費用最終歸納為財務成本及產出的管理方法[6]，其目標是在保證可靠性的基礎上使設備的全壽命周期成本最低，其核心內容是對變電設備進行分析計算，以量化值為基礎進行決策[3]。變電設備在整個經濟壽命周期內，所支付的總費用，由以下幾部分組成：投資成本IC(investment cost)；運營成本OC(operation cost)；設備的報廢成本DC(discard cost)。因此變電設備壽命周期成本可寫成：

LCC=IC+OC+DC

(1)

3 LCC在變電站主變壓器選擇中的應用

3.1 建立主變壓器容量和臺數選擇流程

以往在選擇主變壓器容量和臺數時主要是依據待建變電站負荷預測情況和設計人員經驗，本文在保證運行可靠性的基礎上結合全壽命周期成本理論，提出一種較為經濟的選擇方法，其步驟如下。

(1)預測供電地區遠期負荷，確定變電站遠期主變總容量，即

S=P0(1+γ(t))T/ρcosφ

(2)

式中：T為變電站的使用年限；P0為基礎負荷；γ(t)為平均負荷增長率；ρ為變壓器負載率；cosφ為功率因數。

(2)確定滿足負荷需求的主變容量和臺數的組合方案。所有方案應滿足

Sa×n≥S

(3)

且

Sa×(n-1)≤S

(4)

其中：Sa為主變單臺容量；n為主變臺數且不大于4。

(3)對所有滿足要求的方案進行LCC分析，考慮各方案投資成本、運行成本、報廢成本，即

f(LCC)=f(IC)+f(OC)+f(DC)

(5)

求得各方案總成本。

(4)考慮資金時間價值，通過運行年限、折現率的修正，將LCC折算為初始投資年限的資金現值，最小者即minf(LCC )為最優方案。

根據上述步驟，流程圖如圖1所示。

圖1 確定主變壓器容量及臺數流程圖

3.2 變壓器LCC模型及計算式

按照設備壽命周期的運行規律，以標準運行狀態及關鍵控制點作為全過程管理的重點，依據LCC理論并根據變電設備的相關費用支出情況可構建出變壓器LCC模型[2，3]，即

LCC=IC+OC+MC+FC+DC

(6)

式中：LCC為變壓器設備在全壽命周期內的總費用；IC為初次投入費用；OC為運行費用；MC為維護、檢修費用；FC為故障費用；DC為設備報廢處理費用。

變壓器LCC模型分解圖如圖2。

圖2 變壓器LCC分解圖

(1)初次投資費用IC包括購置費、安裝費等費用。變電站遠期規模中往往要增加主變壓器臺數，需將其投資值折現累加，即：

(7)

式中：i為折現率，電力系統折現率統一為7.5%；Tn為第n臺主變擴建年份。

(2)運行費用OC包括設備能耗費用、狀態檢測費用及人工成本等。

變壓器的損耗費主要考慮是電能損耗。設變壓器電能損耗總值為ΔPT(MW·h)，則

ΔPT=n(ΔP0×T0+ΔP×ρ2×τ)

(8)

式中：ΔP0為變壓器的空載有功損耗，MW；ΔP為變壓器短路有功損耗；T0為變壓器全年運行小時數，取8760 h；ρ為變壓器負載率；τ為年平均最大負荷損耗小時數；n為變壓器臺數。

電能損耗費用：

WP=W0×ΔPT×10-1

(9)

式中，W0為電度成本費，元/(kW·h)。

變壓器在壽命周期中發生的運行費用折現后如下式：

(10)

(3)維護、檢修費用MC包括日常設備維護費用、計劃檢修費用及人員培訓費用等。據統計每年變壓器的維護費用大約占設備購置費的3.6%。

(4)故障費用FC包括停電損失費、故障檢修費及懲罰成本等。

故障停電費用，是在運行過程中，變電設備發生故障造成停電，由此帶來的修理費、電費損耗等。其故障費用估算具體表示如下：

FC=α×W×T+λ×RC×MTTR

(11)

其中：λ為設備年平均故障數；T為設備年故障中斷供電時間；W為設備故障中斷供電功率；RC為設備故障平均修復成本；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；α×W×T為斷電成本；λ×RC×MTTR為修復成本。

(5)報廢處理費用DC包括設備退役處理費和設備殘值。

設備報廢處置費用成本較低可忽略不計，報廢成本可只計算設備殘值。根據設備處理價值等于原值減各年的設備折舊額，設備的折舊率d，按折舊計算中的定率法計算，公式為：

(12)

式中：d為設備的固定折舊率；T為設備的折舊年限；K0為設備的原始價值；KL為設備第T年末的殘值。

將各值代入計算出d，則設備第n年殘值：

KL=K0(1-d)n

(13)

4 應用實例

規劃建設1座220 kV變電站，安全運行壽命為30年，基礎負荷為45 MW，年負荷增長率預測為γ(t)(1～10年為0.1，11～20年為0.07，21～30年為0.05)，要求選擇最優化的主變容量及臺數。

4.1 可行方案的擬定

根據負荷增長曲線(圖3)可得，變電站遠期負荷為340 MW，按負載率ρ為80%，功率因數cos 為0.9計算，所需主變容量為473 MVA。則可選擇方案有方案1：單臺主變容量為120 MVA，臺數為4臺；方案2：單臺主變容量為180 MVA，臺數為3臺；方案3：單臺主變容量為240 MVA，臺數為2臺。如圖3所示。

圖3 預測負荷增長曲線和各擴容方案

4.2 全壽命周期成本分析

(1)投資成本IC

表1 費用單價

①方案1，單臺主變容量為120 MVA，需在第7年末、第16年末和第23年末各增加1臺主變。

②方案2，單臺主變容量為180 MVA，需要在第12年末和第23年末，各增加1臺主變。

③方案3，單臺主變容量為240 MVA，需要在第15年末增加1臺主變。

表2 投資費用

(2)運營成本OC

1)運行能耗費

表3 220 kV主變壓器損耗參數

表4 運行能耗費用

其中年平均最大負荷損耗小時數按3200 h計，每度電為0.5元，30年運行能耗費用現值如表4。

2)維護成本費

表5 運行維護費用

3)故障停電成本費

根據統計全國220 kV及以上電壓等級變電站非計劃全站停電的平均時間為0.83 h/年。2008年220 kV變壓器可用率θ為99.646%，故障平均修復成本RC為12.22元/(MVA·h)，對綜合負荷的斷供成本按平均電價的50倍計算，懲罰電價取5元/度計算，變壓器全壽命周期內故障停電成本費如表6。

表6 故障停電費用

(3)報廢成本DC

①方案1需要在第7年末、第16年末和第23年末，各增加1臺主變。30年末設備殘值按5%，第2臺設備的殘值為10.07%，第3臺為24.72%，第4臺為49.72%。

②方案2需要在第12年末和第23年末，各增加1臺主變。第1臺設備殘值為5%，第2臺設備的殘值為16.58%，第3臺為49.72%。

③方案3需要在第15年末增加1臺主變。第1臺設備殘值按5%，第2臺設備的殘值為22.37%。

表7 報廢成本

4.3 結果分析

主變壓器各選擇方案LCC成本如表8。

表8 主變壓器選擇方案LCC成本解構比較

由表8的結果可以看出：

(1)方案3明顯優于方案1，后者全壽命總成本比前者高出200多萬元；方案2與方案3，LCC成本相差較小，如果在不考慮成本的條件下，再比較兩個方案的安全性。主變臺數多的變電站單臺故障停電，對負荷影響小，損失費用低，安全可靠性比主變臺數少的變電站高。

(2)方案1和2的初期投資成本分別比方案3大約高出640萬元和450萬元，從經濟學角度來看，盡管方案1和2在30年后殘值較大，但前期投資過高，成本的回收速度又相同，這兩種投資方案是不合理的。

(3)將報廢成本中的設備殘值折現后計入投資成本的設備購置費中，如表9所示。可以看到設備購置費用約占30年內總費用的30%，故障成本占14%，維護成本占11%，運行成本排在第1位約占50%，因此建議在變壓器設備招標時應要求廠家提供相關的數據，包括設備報價、空載損耗(kW)、負載損耗(kW)、故障率(次/(百臺年))、設備檢修維護周期等，尤其是與運行維護相關的數據應重點考慮；為減少維護成本和故障成本可采用在線監測裝置，以事前消除隱患制度代替目前實施的計劃檢修制度；提高工作人員專業技能，減少人工成本以減少總成本。

表9 主變壓器選擇方案LCC成本解構比較

5 結語

本文提出了全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應用方法，在保證供電可靠性的基礎上將工程問題最終轉化為財務問題，通過實例證明該方法不僅具有明顯的經濟效益，同時也有效地簡化了變壓器的選擇過程。

在運用全壽命周期成本理論選擇設備時，應盡可能充分考慮設備在整個壽命周期內產生的所有費用，這就需要掌握大量的數據，包括設備報價、運行能耗、故障率、故障維修費用、設備報廢處理情況等，以保證研究所得的結論更加準確可靠。因此相關部門應重視數據收集工作，為全壽命周期成本理論在電力系統中的全面應用奠定基礎。

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宋宛凈(1986-)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與規劃。Email:songwanjing@126.com

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

汪覺恒(1964-)，男，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護和變電站自動化系統的設計及研究工作。Email:wangjh@hepdi.com

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摘編于《中國高等學校自然科學學報編排規范》(修訂版)

ApplicationofLifeCycleCostTheoryinMainTransformerSelection

SONG Wan-jing1， YAO Jian-gang1， WANG Jue-heng2， XU Cheng-zhuo1， SUN Wen-yan1

(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)

Currently, the life cycle cost (LCC) theory can solved the main transformer selection problem partially in power transformation projects, however, the complete and systematic practical methods have not been mentioned. This paper introduces the life cycle cost theory and its application of smart grid. A life cycle cost model based on the life cycle cost theory for substation equipment was established and applied to select the main transformer capacity and quantity. The life cycle cost theory was used in the selection of the main transformer method innovatively, and the feasibility was justified by a case. Moreover, it gets effective measures to reduce the cost of substation equipment and to achieve the reduction of investment costs, saving energy, optimizing selection process equipment based on ensuring the safety and reliability of power system.

life cycle cost(LCC)； smart gird； life cycle cost model； main transformer selection； reducing costs

TM715

A

1003-8930(2012)06-0111-06

2011-07-26；

2011-08-26