全壽命周期設計理念在智能變電站設計中的應用

曹程杰

0 引言

全壽命周期成本［1］(Life Cycle Cost，簡稱LCC)概念最早起源于瑞典的鐵路系統。20 世紀60 年代美國軍方把LCC 理念應用于武器系統，70年代LCC 理念被很多國家應用在交通運輸、能源工程、航天科技等領域。

在LCC 中，所謂工程的“成本” (Cost)是指工程消耗的資源(人、財、物和時間)總和，通常用貨幣度量。工程的“全壽命周期成本”則是在預期的工程壽命周期內，為工程的論證、設計、生產、使用與保障、退出使用所付出的一切費用之和。LCC 理念更注重于工程完整使用周期內的成本控制，因此對于建設使用周期長、投入成本大的工程有著重要的建設指導意義。

電網企業是典型的大工程建設密集型企業。隨著我國電網的快速持續發展，其企業的資產規模和設備數量越來越大。為了實現國家電網公司提出的“轉變電網發展方式、建設世界一流電網”的目標，在電網工程項目管理中運用先進的管理理念和管理思想顯得尤為重要。LCC 管理理念將有助于提高設備的健康水平，進而提升電網企業的發展質量、經濟效益和安全水平，為電網企業取得巨大的成本節約。

本文以華東某220 kV 智能變電站工程設計為實例，主要就二次系統設計中電源系統及自動化系統的不同設計方案利用LCC 的設計理念進行比選，以此說明LCC 在智能變電站設計中的作用。

1 全壽命周期成本設計理念在變電站設計中的應用

根據以往的工程數據統計表明，在整個工程項目全壽命周期中，早期設計階段是節約投資的最佳階段;隨著項目進展，投資節約的可能性也逐漸減小。投資節約可能性與投資累計曲線如圖1 所示。

圖1 投資節約可能性與投資累計曲線

由此可以看出，工程設計是工程建設的靈魂，是工程壽命周期的起點。將全壽命周期管理理念引入設計環節，能有效地避免設計階段可能發生的短期行為，使設計人員從一開始就立足于工程項目的全壽命，提出多種技術方案進行比較，從中選出技術可靠、經濟合理的最佳方案，從而實現項目整個壽命周期內的效益最大化［2］。

變電站全壽命周期成本設計的目標是在保證變電站可靠運行的基礎上，使變電站全壽命周期成本最低，而全壽命周期成本需綜合考慮變電站建設費用及運行、維護、改造、更新，直至報廢的全過程費用［3］。因此變電站的LCC 包括初期建設投資、運行和維護、故障損失成本。其LCC 的表達式為

式中:CI 為最初建設投資成本，包括購買設備和安裝、調試費;CO，CM，CF，CE 分別是從變電站系統調試后算起，整個經濟運行期間所支付的運行成本(含定期巡視、檢修等)、維修成本和故障引起中斷供電的損失成本及擴建成本;CD 是工程的殘值，即報廢成本。工程項目的最初建設費用往往得到重視而工程項目的使用費用及故障損失成本容易被忽視。實際上，許多變電站工程項目的使用成本大于制造成本。在資產使用過程中，因發生故障進行修理而不能正常使用所造成的損失 (如美加大停電的損失超過了400 億美元)，也要計入全壽命周期費用之中。

考慮初始成本時間和未來成本時間的時間周期是不同的，即初始成本發生在工程壽命周期的基年，未來成本可能在基年至工程壽命周期末之間的任何一個時間發生。因此在工程項目的LCC比較中，考慮資金的時間價值，通常以凈現值(NPV)來表示LCC 分析的結果。項目全壽命周期的凈現值計算公式為

式中:PVSUn=為按年度重復投資費用折算現值的系數;PV =為一次性投資費用折算現值系數;N 為工程項目全壽命周期;M為一次性投資的年份;r 為年利率，項目壽命周期在30 年以內的，r 可取7%。

保證產品質量，提升其可靠性是變電站設計的重中之重。基于全壽命周期成本設計理念的智能變電站設計目標是優化各項成本:一方面盡量控制必須增加的成本(如大量采用新設備面臨的成本增加);另一方面充分利用智能變電站因提高系統整體的集成度、實現狀態檢修等而降低的成本，使工程的LCC 最小，使整體經濟效益最優［4］。

2 常規電源系統與一體化電源系統的LCC比較

常規站用電源系統分為交流系統、直流系統、UPS (不間斷供電系統)、通信電源系統等。各子系統采用分散設計、獨立組屏。設備由不同的供應商生產、安裝、調試。供電系統也分別由不同的專業人員進行管理，直流系統、UPS 系統和通信電源系統分別配置獨立的蓄電池。

智能一體化電源系統將“UPS 蓄電池+操作蓄電池組+通信蓄電池組”合并為一體進行配置，采用模塊化設計;可監測開關位置、事故跳閘告警、負荷電流、泄漏電流等設備參數;并且建立了統一站用電源管理平臺，采用IEC61850 通信規約實現了與變電站自動化系統的接口。

兩種方案的LCC 比較如表1 所示。

傳統電源系統使用年限根據運維部門提供數據，按12 年考慮。一體化電源系統根據國家電網相關文件要求，須達到20 年。其他相關條件如下:

(1)初始投資CI 依據初設概算費用計算。

(2)兩種方案的設備檢修，在準備工作充分、相關備品備件充足的條件下，均能在計劃時間內恢復送電。由于電源系統損壞而帶來的直接或間接經濟損失目前很難獲得相關數據，因此本計算不考慮故障停電費用(CF)。

(3)兩種方案的設備主體部分均在變電站新建時一次建成，后期擴建時僅考慮擴建相關間隔時的電力電纜。兩種方案的擴建成本基本相同，擴建時間按工程壽命周期的1/3 時擴建一次，2/3時擴建至最終規模。一體化電源和常規電源屏柜剩余殘值一樣，本次計算也不予考慮，只考慮蓄電池組的處理成本。

表1 常規電源系統與智能一體化電源系統LCC 比較

(4)經市場調研，對于舊站改造淘汰下來的廢舊鉛酸蓄電池，其回收處理成本為2 000 元/t左右。采用一體化電源技術可減少2 組通信蓄電池組和1 組UPS 蓄電池組重復使用量，可增加CD殘值約2 萬元。

綜上所述，交、直流電源整合優化后，除一次性投資增加約37.85 萬元，運行維護成本及技改報廢處理成本均顯著減少;由于傳統電源系統與交直流一體化電源系統設計使用年限不同，因此折算成平均現值比較，如表2 所示。可看出采用交直流一體化的電源系統較傳統電源系統可節約成本42%左右，具有很高的直接經濟效益。

表2 變電站電源系統設計方案LCC 分析比較表

3 常規自動化系統與智能自動化系統的LCC比較

常規自動化系統在設計理念上不是面向整個變電站，而是將每一種功能都設計成面向間隔和元件，因此設備數量較多，功能單一且重疊，并占用了較多的柜體及空間。例如，針對低頻低壓減載功能，一般配置專門的低頻低壓減載主機，當檢測到系統頻率降低到整定門檻以下、在滿足動作條件時，切除設定出線，減少系統負荷，以期滿足系統功率平衡，維持系統頻率穩定;而“五防”功能則由“五防”主機實現，在每個間隔配置相應的“五防”鎖具。常規系統與LCC 比較如表3 所示。

智能變電站自動化系統可以實現順序控制、智能告警、故障信息綜合分析決策、設備狀態可視化、站域控制等高級功能。網絡化間隔層“五防”功能完全依據底層網絡信息共享和互操作，消除了專用“五防”系統與綜合自動化系統之間繁雜的信息校驗。由站控層主機實現的低頻低壓減載功能減少了信息的重復采集和定值的分散重復整定，使動作邏輯更加簡潔，進一步減輕了整定校驗工作量。后期擴建時五防系統及低頻低壓減載系統均只需在后臺數據庫建立相應數據即可。

表3 常規自動化系統與智能自動化系統LCC 比較表

傳統自動化系統使用年限根據運維部門提供數據，按12 年考慮。智能變電站自動化系統根據國家電網相關文件要求，須達到20 年。其他相關條件如下:

(1)初始投資CI 依據初設概算費用計算。

(2)兩種方案的設備檢修，在準備工作充分、相關備品備件充足的條件下，均能在計劃時間內恢復送電。由于自動化系統故障而帶來的直接或間接經濟損失目前很難獲得相關數據，因此本次計算不考慮故障停電費用(CF)。

(3)兩種方案的設備主體部分均在變電站新建時一次建成，后期擴建時則需考慮擴建相關間隔時的電力電纜及相關配件，擴建時間按工程壽命周期的1/3 時擴建一次，2/3 時擴建至最終規模。

(4)常規自動化系統年巡檢次數(含倒閘操作、事故恢復等)為每年計100 次，每次成本考慮車輛及人工成本按500 元計算。智能變電站可利用順序控制、智能告警、故障信息綜合分析決策、設備狀態可視化等高級應用功能實現相關功能，因此可明顯降低年巡檢次數。

(5)變電站二次設備達到使用年限報廢后，除控制電纜中的銅芯外基本沒有回收的價值。但是根據運行部門保護更換改造經驗，更換控制電纜時，首先需要雇外來人員在專業人員指導下進行舊電纜的拆除，然后再從電纜中剝出銅芯。扣除電纜拆除和剝銅芯的人工費，舊電纜的殘值已經所剩無幾，因此，有關部門也沒有把更換下來的舊電纜納入相應的報廢成本。因此自動化設備的報廢成本計0。

可以看出，采用智能變電站自動化系統后，初始投資與傳統自動化系統相差無幾，但運行維護成本及技改擴建成本均顯著減少;由于智能變電站自動化系統與傳統自動化系統設計使用年限不同，因此折算成平均現值比較，如表4 所示。可看出，采用智能變電站自動化系統較傳統自動化系統可節約57%左右，具有很高的直接經濟效益，其安全與智能的設計所帶來的隱性節約與社會效益，更是難以量化計算。

表4 變電站自動化系統設計方案LCC 分析比較表

參考以往的變電站建設經驗，二次設備在前5 年處于引入期，第5 ～10 年為推廣期，10 ～25年為成熟期，25 年后將逐漸衰退。推廣期的價格與成熟期的價格相比，幾近相差40%。據此，智能變電站的自動化設備，在推廣期內產品價格約為引入期的80%，在成熟期內產品價格約為引入期的60%。

目前，采用智能設備的全壽命投資已經比采用常規設備的全壽命投資要少，因此在進入今后的推廣期和成熟期時，由于相關設備的價格下降，采用智能設備的全壽命周期成本將會更少。

4 結論

全壽命周期成本管理既是一種先進的管理理念，也是一種科學的管理方法，它可以有效推進電網企業的成本節約和效益提升［5］。本文以全壽命周期成本設計理念對華東某220 kV 試點智能變電站二次系統進行了不同設計方案的比選;可以看出，以工程全壽命周期的角度討論新工藝新技術，而不是以設備初始投資作為主要評判標準，可以更全面地衡量設計方案的優劣，同時也更有利于智能變電站的推廣應用。

［1］魯國起，張焰，祝達康．全壽命周期成本及其在電網規劃中的應用［J］．現代電力，2009，26 (6):77-81．

［2］紀偉．全壽命周期設計理念在輸電線路工程設計中的應用［J］．江蘇電機工程，2009，28 (6):43-44．

［3］楊凌輝，薛玉蘭，高凱．變電站數字化進程中的資產全壽命周期管理思考［J］．華東電力，2008，36 (11):8-11．

［4］易永輝，王坤，王震學，等．基于全壽命周期管理的智能變電站應用方案研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38 (13):99-103．

［5］曹鑫，項力恒．全壽命周期變電站設計方案探討［J］．電力勘測設計，2011，(4):56-59．

［6］胡曉娟，柯方超．智能變電站全壽命周期管理應用方案［J］．湖北電力，2012，36 (4):24-25，31．

［7］雷宇，李濤．變電站綜合自動化系統可靠性的定量評估［J］．電力科學與工程，2009，25 (6):37-40．

［8］梅秀良．35 kV 變電站一次和二次設備的技術改造措施［J］．電力科學與工程，2009，25 (10):63-65．