變電工程LCC 設計評價及其系統開發

趙軍毅，姚建剛，許成卓，劉志斌，鄒 濤，鄧道福，毛 田

（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.湖南省電力公司長沙電力局，長沙410000）

在國民經濟快速發展的帶動下，電網發展不斷加快，資產規模迅速擴大，新設計的變電工程項目隨之增多。而國內的變電工程設計主要考慮初期投入成本，忽視設備的后期運行維護成本，造成了工程周期總成本過大和社會資源浪費。

近年來國內外各個工程領域已對全壽命周期成本LCC（life cycle cost）理念進行了深入研究[1，2]，并取得很好的效果。它是從全壽命的角度管理好資金的流向，進而節約工程周期總成本。同時在一些研究中已把LCC 理念引入到變電工程的設計管理之中，文獻[3]對變電工程項目進行了工程結構分解和成本分解，在此基礎上建立了變電工程項目的全壽命周期成本映射模型；文獻[4]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[5]對變電站的主變壓器和斷路器分別作了LCC 比較，并應用到具體實例中；文獻[6]分析了現有變電站數據管理現狀，就變電站LCC信息系統的集成提出了工作內容和策略。

本文借鑒先前研究的成果，提出一種適用于變電工程LCC 的設計、評價和決策方法，并根據該方法開發出系統，為電力設計部門提供科學、定量的變電工程LCC 數據，結合技術分析，從經濟和技術兩個角度權衡最終結果。

1 LCC 模型及設計評價

1.1 變電工程LCC 模型構建

變電工程是一個耗資巨大、結構復雜的系統，為了研究變電工程LCC 模型，首先必須確定變電工程各組成要素，再在此基礎上構建各構成物的LCC 模型，由于變電工程運行年限較長，經濟計算時必須考慮到資金的時間價值。

（1）變電工程構成物分解。變電工程構成物非常多，在對整個變電工程進行分析時，很難直接對每種構成物的LCC 進行分析處理，只能選定重要的構成物進行分析[7]，其重要構成物分解如圖1 所示。

圖1 變電工程重要構成物分解Fig.1 Disassembling of important components of power transformation engineering

（2）變電設備費用分解。變電設備LCC 指的是變電設備經濟壽命周期內，所支付的總費用，包括：投資成本IC（investment cost）、運行成本OC（operation cost）、維護成本MC（maintenance cost）、故障成本FC（failure cost）、退役成本DC（discard cost），如圖2 所示。

（3）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為

式中：P 為現值；F 為終值；i 為折現率；n 為運行年限。綜以上（1）、（2）、（3）所述，變電工程LCC 模型為

式中：LCC 為變電工程設計年限內全壽命周期費用總和；Z 為不同的變電設備，其中包括：主變壓器、配電裝置、無功補償裝置、二次設備、構支架等；ICk為設備投資成本；OCkj為設備運行成本；MCkj為設備維護成本；FCkj為設備故障成本；DCk為設備退役成本；N 為變電工程設計年限；i 為折現率。

圖2 變電設備LCC 分解Fig.2 Power transformation engineering equipment LCC disassembling

1.2 設計評價

隨著現代化進程的加快，對電力系統的可靠性要求越來越高。變電站典型設計又是變電工程設計中重要的依據，因此在評價流程中要予以考慮。結合變電工程LCC 模型，提出一種適于變電工程LCC 的設計、評價和決策方法，步驟如下。

（1）基于可靠性及負載率的單位LCC 優化。變電工程的可靠性、負載率及其單位LCC 3 個因子相互影響，同負載率下，當變電工程設計可靠性越高，則單位LCC 越大；同可靠性下，單位LCC 隨著變電工程負載率的增長先下降，到達最優值后再升高，即存在最優負載率范圍。根據以上理論，在變電工程設計之初對該供電區域進行長期負荷預測，保證所設計變電站容量在整個壽命周期內都能滿足最優負載率范圍，從而確定主變經濟容量和初終期臺數及擴建年份。

（2）基于LCC 的變電站類型優化。采集變電工程項目整個壽命周期內與配電裝置類型相關的成本因素，建立配電裝置LCC 比較模型，通過模型計算值確定最優的變電站類型建設方案。成本因素主要包含征地費用、高壓氣體絕緣開關裝置GIS（gas insulated switchgear）和空氣絕緣開關裝置AIS（air insulated switchgear）的相關參數等。

（3）基于可靠性和LCC 的變電站建設成本和運營成本優化。運營成本包括運行成本、維護成本和故障成本。變電站的建設成本、運營成本與可靠性存在一定的關系：隨著可靠性的增加，每增加單位可靠度，所需要的建設成本越高，相應能降低的運營成本越少；存在著可靠度λi使得建設費用與運營費用之和最小的優化點。典型設計是變電站設計的標準，每種方案都是經過實際運行驗證過的最優設計方式，具有較高的可靠性。因此在變電工程設計流程中必須考慮到典型設計并加以應用。

（4）基于可靠性和LCC 的變電設備投資成本和運營成本優化。運營成本包括運行成本、維護成本和故障成本。變電設備投資成本、運營成本與可靠性存在一定的關系，投資成本隨著可靠性的增加而增加，運營成本隨著可靠性的增加而減少；存在著可靠度λi使得變電設備的投資成本與運營成本之和最小的規律。對主變壓器、開關類設備、無功補償裝置、二次控制保護系統等分別進行LCC分析比較。

（5）基于LCC 的變電設備壽命匹配優化。變電工程所有設備都有各自的壽命周期，應用水桶效應，以變電站的壽命為匹配標準，充分利用設備壽命，列出可行的壽命匹配組合方案，對其進行LCC分析。通過靈敏度分析，包括設備價格變化、利率變化，驗證壽命匹配效果。

根據以上評價步驟，其流程如圖3 所示。

圖3 變電工程LCC 設計評價流程Fig.3 Flow chart of power transformation engineering LCC design evaluation

2 系統設計

系統采用Browser/Server 模式，以Java 和Oracle 作為開發工具和數據庫。根據變電工程LCC設計評價的特點、思路和方法，整個系統主要包括5 個功能模塊：系統管理、數據管理、信息查詢、數據分析、LCC 評價。這些模塊的設計采用面向對象的技術，各個模塊之間有信息傳遞，構成了一個閉環反饋系統，使后續變電工程LCC 設計評價更加準確合理，系統構架如圖4 所示。

2.1 系統管理

系統管理模塊是系統正常運行的基礎組成部分，記錄了用戶的所有基本信息和系統運行狀態日志。它包括用戶管理和日志管理兩個子模塊。

圖4 系統構架Fig.4 System structure

1）用戶管理。用戶管理子模塊可以刪除用戶、修改用戶密碼，同時管理員可以對各用戶設定使用權限。

2）日志管理。日志管理子模塊可以查詢用戶登錄及退出系統的時間，監視系統的運行狀態，監視重要模塊的操作時間及步驟。每天在指定時段自動生成報表并儲存，方便用戶查詢。

2.2 數據管理

變電工程全壽命周期成本設計評價需要大量的基礎數據，而各部分信息來自電網公司不同部門，采集的難度比較大，因此本系統設計了數據管理模塊，用戶可以通過頁面靈活管理數據庫信息，它包括3 個子模塊：變電站信息管理、新設備信息管理和典型設計管理。

（1）變電站信息管理。變電站信息管理子模塊可以輸入所建變電站相關LCC 信息，包括：變電站規模、變電設備LCC 參數、變電設備每年運行的可靠性指標。同時也可以對該變電站信息進行更新。

（2）新設備信息管理。得益于科技的發展，目前變電設備更新速度很快，此模塊就是方便用戶對新生產出的變電設備數據進行管理，它包含變電設備與LCC 計算相關的數據。

（3）典型設計管理。典型設計是變電工程設計的參考，此子模塊可實現變電工程典型設計的查詢、增加和修改。

2.3 信息查詢

信息查詢模塊方便用戶查詢變電站規模、重要變電設備LCC 參數、變電站典型設計和已設計變電站LCC 評價信息。從不同角度對系統數據進行查詢，運用各種圖形進行直觀顯示。

2.4 數據分析

系統中存儲了各變電站設備購置安裝成本、運行維護成本等信息，該模塊是對已經投運的變電站進行LCC 分析，計算出變電站各組成部分的成本，用量化的數據和可視化的圖形展示在用戶面前，使設計人員直觀地了解以往設計變電站的運行效果，增強其設計經驗。該模塊總共包括3 個部分：建成變電站LCC 分析、同類型變電站LCC比較、變電設備經濟壽命分析。

（1）建成變電站LCC 分析。對已運行多年的變電站進行LCC 分析，計算整個變電站在設計壽命年限內，投資成本、運行成本、維護成本、故障成本、退役成本5 部分的費用，并用餅形圖顯示該變電站各成本費用的比例。

（2）同類型變電站LCC 比較。同類型變電站指的是變電站規模相同，配電裝置類型相同（常規/GIS）。此子模塊可分析出哪種變電站設計方式更加合理，運行起來更加經濟。

（3）變電設備經濟壽命分析。此子模塊可根據設備每年的運行維護數據，對其進行經濟壽命分析。可視化圖形上顯示3 條曲線，分別為：購置安裝成本遞減曲線、運行維護成本遞增曲線和設備全壽命周期總成本曲線。其中設備全壽命周期總成本為前兩者之和，出現最小值的年份即為該設備的經濟壽命。

2.5 LCC 評價

LCC 評價模塊是該系統的核心部分，各子模塊的流程如圖5 所示。決策頁面顯示重要變電設備選型的不同方案，通過LCC 費用比較，確定最終的設計方案，給用戶設計提供量化依據。

圖5 LCC 評價模塊流程Fig.5 Flow chart of LCC evaluation module

1）基礎數據分析

此子模塊是進行變電站基礎數據分析，設計人員需要輸入的信息有：變電站名稱、設計之初的基礎負荷、供電區域的平均負荷增長率、土地價格、折算電價、負載率、變電站設計壽命和變電站最低可靠性指標等。通過軟件分析可自動顯示負荷的增長曲線圖，初步選定該地區主變壓器容量與臺數，以及確定變電站近期、遠期規模和大概擴建年份。基于可靠性及負載率的單位LCC 優化功能可在此模塊中實現，具體通過改變負載率和可靠性指標，得到不同負載率和可靠性指標下的單位LCC，以達到優化功能。

2）戶內戶外評價

此子模塊是根據LCC 理論完成變電站配電裝置類型的比較分析。要求用戶輸入同電壓等級AIS和GIS 的信息，其中包括：購置安裝費、維護難度、運行損耗、設計壽命、回收率、可用率、非計劃停運時間和單間隔占地面積等。基于LCC 的變電站類型優化可在此模塊中實現，相同主變容量和臺數下，通過計算采用不同類型配電裝置的變電工程LCC，以達到變電站類型的選優功能。

3）典型設計選優

通過前兩個模塊分析出該變電站建議的主變容量、臺數及配電裝置類型3 種信息，即可從變電站典型設計庫中選定相對應的典型設計。設計人員可根據實際情況靈活地修改各電壓等級的間隔數和主變臺數，確定設計變電站的最終規模，其中各子模塊造價的經濟數據已經從典型設計中給出。基于可靠性和LCC 的變電站建設成本和運營成本優化可在此模塊中實現，在已知主變容量、臺數及配電裝置類型的條件下，選擇具有不同可靠性、不同接線方式的典型設計，以達到優化功能。

4）主變壓器LCC 分析

確定變電站最終設計規模之后，此子模塊是為了完成主變壓器的最佳選型。通過LCC 評價，計算出各種型號主變壓器購置安裝費、運行費用、維護費用、退役費用及全壽命周期費用。用表格、餅形圖、曲線圖3 種形式顯示。

5）配電裝置LCC 分析

根據模塊2）確定的配電裝置類型，此子模塊會自動顯示AIS 或GIS。若是AIS，系統會對斷路器、隔離開關、電流互感器和電壓互感器等配電裝置進行LCC 評價；若是GIS，系統將單獨對不同型號的GIS 設備進行LCC 評價。并進行壽命匹配分析，計算出變電站設計壽命年限內該種設備總的投入成本和運行維護成本，選定最優型號。

6）二次設備LCC 分析

該子模塊是完成變電站一些重要的二次設備LCC 評價，其中包括：控制系統、保護系統等，選定最優型號。基于可靠性和LCC 的變電設備投資成本和運營成本優化和基于LCC 的變電設備壽命匹配優化可在模塊4）、5）、6）中實現，選用可靠性和壽命不同的設備，計算其LCC，再以設備價格、利率等作靈敏度分析，以達到設備LCC 優化和壽命匹配優化功能。

7）變電站總體決策顯示

此子模塊顯示變電工程LCC 評價的總體流程圖，用不同的顏色區分各子模塊是否完成分析，只有全部完成，系統才會自動生成該變電工程LCC設計決策表。表中顯示兩種不同的重要設備選型方案及各部分的經濟數據，進而確定最終選型方案，同時也可把決策表信息導出到Excel 文檔，完成整個變電工程LCC 評價流程。

3 系統特點

本文設計的軟件系統除了一般的功能之外還具有如下的特點。

（1）可視化：系統運用曲線圖、餅形圖、柱形圖等圖形對抽象的數據進行顯示，設計人員可通過圖形直觀地判斷已設計變電站運行效果。

（2）便捷性：系統設置查詢模塊，可對變電站經濟數據進行不同方式地查詢，同時變電站LCC評價流程固定，設計人員只需按照提示的路徑自動對新設計變電站進行LCC 評價。

（3）安全性：該系統能滿足嚴格的安全性能檢測要求，可分別在身份鑒別、訪問控制、安全審計、軟件容錯、資源控制等方面進行設置。

4 結語

本文提出了一種適用于變電工程LCC 的設計、評價和決策方法，按照該方法開發了變電工程LCC 設計評價系統。該系統提供了科學、定量的變電工程LCC 分析數據，向設計人員直觀顯示LCC評價結果，為設計帶來了極大的便利，同時也具有明顯的社會經濟效益，幫助電網企業在保證電網可靠性的同時減少了全壽命周期總成本，對全國其他地區將要設計的變電工程項目具有較好的借鑒意義。

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