宋宛凈， 姚建剛， 汪覺恒， 許成卓， 孫文艷

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 長(zhǎng)沙 410007)

全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應(yīng)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(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 長(zhǎng)沙 410007)

目前在變電工程領(lǐng)域運(yùn)用全壽命周期成本LCC(life cycle cost)理論對(duì)主變壓器選擇進(jìn)行研究分析已有了部分成果，但未能提出完整的、系統(tǒng)的應(yīng)用方法。本文簡(jiǎn)要介紹LCC理論及在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景，以全壽命周期成本理論為基礎(chǔ), 建立變電設(shè)備全壽命周期成本模型，并將其應(yīng)用到主變壓器容量和臺(tái)數(shù)選擇中來(lái)，創(chuàng)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(yīng)用方法，通過實(shí)例分析證明其可行性，并進(jìn)一步得到降低變電設(shè)備成本的有效措施，以期達(dá)到在保證電力系統(tǒng)安全可靠性的基礎(chǔ)上，減少投資成本，節(jié)約能耗，優(yōu)化設(shè)備選擇過程的目標(biāo)。

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

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家加快了電力設(shè)施建設(shè)，根據(jù)科學(xué)發(fā)展觀的要求，電力建設(shè)不僅要考慮項(xiàng)目的初始建設(shè)成本，還要綜合考慮運(yùn)行維護(hù)成本，在保證供電安全可靠性的基礎(chǔ)上，最大限度地減少投資成本。我國(guó)自引進(jìn)全壽命周期成本理論以來(lái)，電力工作員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并取得了顯著的成績(jī)。文獻(xiàn)[1～10]概括介紹了LCC理論并在工程規(guī)劃、設(shè)備維護(hù)管理、招標(biāo)采購(gòu)等領(lǐng)域進(jìn)行的深入研究；文獻(xiàn)[11～13]提出了主變壓器選擇的新創(chuàng)方法，有的也將LCC理論應(yīng)用到其中，但都未形成完整的、行之有效的應(yīng)用方法。在上述背景下，本文借鑒以前研究的理論成果，結(jié)合我國(guó)的實(shí)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(yīng)用方法，并通過實(shí)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(wǎng)中的應(yīng)用前景

全壽命周期成本LCC(life cycle cost)管理是從整個(gè)項(xiàng)目壽命周期出發(fā)，側(cè)重對(duì)項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)等各階段造價(jià)進(jìn)行控制，使LCC最小的一種管理方法。

LCC管理具有全系統(tǒng)、全費(fèi)用和全過程三大特點(diǎn)。其中，全系統(tǒng)是指將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、基建、運(yùn)行等不同階段的成本統(tǒng)籌考慮，以總體效益為出發(fā)點(diǎn)，尋求最佳方案；全費(fèi)用是考慮所有會(huì)產(chǎn)生的費(fèi)用，在合適的可用率和全費(fèi)用之間尋求平衡；全過程是考慮從規(guī)劃設(shè)計(jì)到報(bào)廢的整個(gè)壽命周期，要求從制度上來(lái)保證LCC方法的應(yīng)用[2]。

目前，能源存在大規(guī)模并網(wǎng)問題，現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行安全和電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，各國(guó)都積極地發(fā)展了智能電網(wǎng)領(lǐng)域的研究與規(guī)劃。而LCC研究是智能電網(wǎng)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。智能電網(wǎng)的發(fā)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(huán)保新能源的利用，并通過智能輸配電網(wǎng)輸送能源到用戶終端。

然而如何更為有效地、經(jīng)濟(jì)地利用各類能源，如何確定煤、水、風(fēng)、太陽(yáng)能等各類能源的配置比例等問題，可運(yùn)用LCC理論來(lái)解決。

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

用戶通過儲(chǔ)能設(shè)備在滿足自身電力需求的情況下，如何確定何時(shí)向電網(wǎng)買電、何時(shí)將剩余電量向電網(wǎng)輸送，電力部門又將如何有效利用這部分剩余電量，調(diào)整原有的發(fā)電計(jì)劃，這些問題均可通過LCC分析給出明確的結(jié)論。

2 變電設(shè)備全壽命周期成本模型

變電設(shè)備全壽命周期成本管理是在可靠性及壽命管理的基礎(chǔ)上，將設(shè)備整個(gè)壽命周期內(nèi)的全部費(fèi)用即設(shè)備從采購(gòu)、安裝、運(yùn)行、檢修直至報(bào)廢停止使用全過程中的總費(fèi)用最終歸納為財(cái)務(wù)成本及產(chǎn)出的管理方法[6]，其目標(biāo)是在保證可靠性的基礎(chǔ)上使設(shè)備的全壽命周期成本最低，其核心內(nèi)容是對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算，以量化值為基礎(chǔ)進(jìn)行決策[3]。變電設(shè)備在整個(gè)經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)，所支付的總費(fèi)用，由以下幾部分組成：投資成本IC(investment cost)；運(yùn)營(yíng)成本OC(operation cost)；設(shè)備的報(bào)廢成本DC(discard cost)。因此變電設(shè)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(yīng)用

3.1 建立主變壓器容量和臺(tái)數(shù)選擇流程

以往在選擇主變壓器容量和臺(tái)數(shù)時(shí)主要是依據(jù)待建變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)情況和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，本文在保證運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上結(jié)合全壽命周期成本理論，提出一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇方法，其步驟如下。

(1)預(yù)測(cè)供電地區(qū)遠(yuǎn)期負(fù)荷，確定變電站遠(yuǎn)期主變總?cè)萘浚?/p>

S=P0(1+γ(t))T/ρcosφ

(2)

式中：T為變電站的使用年限；P0為基礎(chǔ)負(fù)荷；γ(t)為平均負(fù)荷增長(zhǎng)率；ρ為變壓器負(fù)載率；cosφ為功率因數(shù)。

(2)確定滿足負(fù)荷需求的主變?nèi)萘亢团_(tái)數(shù)的組合方案。所有方案應(yīng)滿足

Sa×n≥S

(3)

且

Sa×(n-1)≤S

(4)

其中：Sa為主變單臺(tái)容量；n為主變臺(tái)數(shù)且不大于4。

(3)對(duì)所有滿足要求的方案進(jìn)行LCC分析，考慮各方案投資成本、運(yùn)行成本、報(bào)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(shí)間價(jià)值，通過運(yùn)行年限、折現(xiàn)率的修正，將LCC折算為初始投資年限的資金現(xiàn)值，最小者即minf(LCC )為最優(yōu)方案。

根據(jù)上述步驟，流程圖如圖1所示。

圖1 確定主變壓器容量及臺(tái)數(shù)流程圖

3.2 變壓器LCC模型及計(jì)算式

按照設(shè)備壽命周期的運(yùn)行規(guī)律，以標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)及關(guān)鍵控制點(diǎn)作為全過程管理的重點(diǎn)，依據(jù)LCC理論并根據(jù)變電設(shè)備的相關(guān)費(fèi)用支出情況可構(gòu)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(shè)備在全壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用；IC為初次投入費(fèi)用；OC為運(yùn)行費(fèi)用；MC為維護(hù)、檢修費(fèi)用；FC為故障費(fèi)用；DC為設(shè)備報(bào)廢處理費(fèi)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(fèi)用IC包括購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等費(fèi)用。變電站遠(yuǎn)期規(guī)模中往往要增加主變壓器臺(tái)數(shù)，需將其投資值折現(xiàn)累加，即：

(7)

式中：i為折現(xiàn)率，電力系統(tǒng)折現(xiàn)率統(tǒng)一為7.5%；Tn為第n臺(tái)主變擴(kuò)建年份。

(2)運(yùn)行費(fèi)用OC包括設(shè)備能耗費(fèi)用、狀態(tài)檢測(cè)費(fèi)用及人工成本等。

變壓器的損耗費(fèi)主要考慮是電能損耗。設(shè)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(yùn)行小時(shí)數(shù)，取8760 h；ρ為變壓器負(fù)載率；τ為年平均最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)；n為變壓器臺(tái)數(shù)。

電能損耗費(fèi)用：

WP=W0×ΔPT×10-1

(9)

式中，W0為電度成本費(fèi)，元/(kW·h)。

變壓器在壽命周期中發(fā)生的運(yùn)行費(fèi)用折現(xiàn)后如下式：

(10)

(3)維護(hù)、檢修費(fèi)用MC包括日常設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、計(jì)劃?rùn)z修費(fèi)用及人員培訓(xùn)費(fèi)用等。據(jù)統(tǒng)計(jì)每年變壓器的維護(hù)費(fèi)用大約占設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的3.6%。

(4)故障費(fèi)用FC包括停電損失費(fèi)、故障檢修費(fèi)及懲罰成本等。

故障停電費(fèi)用，是在運(yùn)行過程中，變電設(shè)備發(fā)生故障造成停電，由此帶來(lái)的修理費(fèi)、電費(fèi)損耗等。其故障費(fèi)用估算具體表示如下：

FC=α×W×T+λ×RC×MTTR

(11)

其中：λ為設(shè)備年平均故障數(shù)；T為設(shè)備年故障中斷供電時(shí)間；W為設(shè)備故障中斷供電功率；RC為設(shè)備故障平均修復(fù)成本；MTTR為設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間；α為相關(guān)用戶平均中斷供電電量的價(jià)值，它隨用戶的性質(zhì)、用戶所在地區(qū)的不同而變化；α×W×T為斷電成本；λ×RC×MTTR為修復(fù)成本。

(5)報(bào)廢處理費(fèi)用DC包括設(shè)備退役處理費(fèi)和設(shè)備殘值。

設(shè)備報(bào)廢處置費(fèi)用成本較低可忽略不計(jì)，報(bào)廢成本可只計(jì)算設(shè)備殘值。根據(jù)設(shè)備處理價(jià)值等于原值減各年的設(shè)備折舊額，設(shè)備的折舊率d，按折舊計(jì)算中的定率法計(jì)算，公式為：

(12)

式中：d為設(shè)備的固定折舊率；T為設(shè)備的折舊年限；K0為設(shè)備的原始價(jià)值；KL為設(shè)備第T年末的殘值。

將各值代入計(jì)算出d，則設(shè)備第n年殘值：

KL=K0(1-d)n

(13)

4 應(yīng)用實(shí)例

規(guī)劃建設(shè)1座220 kV變電站，安全運(yùn)行壽命為30年，基礎(chǔ)負(fù)荷為45 MW，年負(fù)荷增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)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(yōu)化的主變?nèi)萘考芭_(tái)數(shù)。

4.1 可行方案的擬定

根據(jù)負(fù)荷增長(zhǎng)曲線(圖3)可得，變電站遠(yuǎn)期負(fù)荷為340 MW，按負(fù)載率ρ為80%，功率因數(shù)cos 為0.9計(jì)算，所需主變?nèi)萘繛?73 MVA。則可選擇方案有方案1：?jiǎn)闻_(tái)主變?nèi)萘繛?20 MVA，臺(tái)數(shù)為4臺(tái)；方案2：?jiǎn)闻_(tái)主變?nèi)萘繛?80 MVA，臺(tái)數(shù)為3臺(tái)；方案3：?jiǎn)闻_(tái)主變?nèi)萘繛?40 MVA，臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。如圖3所示。

圖3 預(yù)測(cè)負(fù)荷增長(zhǎng)曲線和各擴(kuò)容方案

4.2 全壽命周期成本分析

(1)投資成本IC

表1 費(fèi)用單價(jià)

①方案1，單臺(tái)主變?nèi)萘繛?20 MVA，需在第7年末、第16年末和第23年末各增加1臺(tái)主變。

②方案2，單臺(tái)主變?nèi)萘繛?80 MVA，需要在第12年末和第23年末，各增加1臺(tái)主變。

③方案3，單臺(tái)主變?nèi)萘繛?40 MVA，需要在第15年末增加1臺(tái)主變。

表2 投資費(fèi)用

(2)運(yùn)營(yíng)成本OC

1)運(yùn)行能耗費(fèi)

表3 220 kV主變壓器損耗參數(shù)

表4 運(yùn)行能耗費(fèi)用

其中年平均最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)按3200 h計(jì)，每度電為0.5元，30年運(yùn)行能耗費(fèi)用現(xiàn)值如表4。

2)維護(hù)成本費(fèi)

表5 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

3)故障停電成本費(fèi)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)220 kV及以上電壓等級(jí)變電站非計(jì)劃全站停電的平均時(shí)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(fù)成本RC為12.22元/(MVA·h)，對(duì)綜合負(fù)荷的斷供成本按平均電價(jià)的50倍計(jì)算，懲罰電價(jià)取5元/度計(jì)算，變壓器全壽命周期內(nèi)故障停電成本費(fèi)如表6。

表6 故障停電費(fèi)用

(3)報(bào)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(tái)主變。30年末設(shè)備殘值按5%，第2臺(tái)設(shè)備的殘值為10.07%，第3臺(tái)為24.72%，第4臺(tái)為49.72%。

②方案2需要在第12年末和第23年末，各增加1臺(tái)主變。第1臺(tái)設(shè)備殘值為5%，第2臺(tái)設(shè)備的殘值為16.58%，第3臺(tái)為49.72%。

③方案3需要在第15年末增加1臺(tái)主變。第1臺(tái)設(shè)備殘值按5%，第2臺(tái)設(shè)備的殘值為22.37%。

表7 報(bào)廢成本

4.3 結(jié)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(gòu)比較

由表8的結(jié)果可以看出：

(1)方案3明顯優(yōu)于方案1，后者全壽命總成本比前者高出200多萬(wàn)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(gè)方案的安全性。主變臺(tái)數(shù)多的變電站單臺(tái)故障停電，對(duì)負(fù)荷影響小，損失費(fèi)用低，安全可靠性比主變臺(tái)數(shù)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(wàn)元和450萬(wàn)元，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來(lái)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(bào)廢成本中的設(shè)備殘值折現(xiàn)后計(jì)入投資成本的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)中，如表9所示?？梢钥吹皆O(shè)備購(gòu)置費(fèi)用約占30年內(nèi)總費(fèi)用的30%，故障成本占14%，維護(hù)成本占11%，運(yùn)行成本排在第1位約占50%，因此建議在變壓器設(shè)備招標(biāo)時(shí)應(yīng)要求廠家提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備報(bào)價(jià)、空載損耗(kW)、負(fù)載損耗(kW)、故障率(次/(百臺(tái)年))、設(shè)備檢修維護(hù)周期等，尤其是與運(yùn)行維護(hù)相關(guān)的數(shù)據(jù)應(yīng)重點(diǎn)考慮；為減少維護(hù)成本和故障成本可采用在線監(jiān)測(cè)裝置，以事前消除隱患制度代替目前實(shí)施的計(jì)劃?rùn)z修制度；提高工作人員專業(yè)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(gòu)比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了全壽命周期成本理論在主變壓器選擇中的應(yīng)用方法，在保證供電可靠性的基礎(chǔ)上將工程問題最終轉(zhuǎn)化為財(cái)務(wù)問題，通過實(shí)例證明該方法不僅具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也有效地簡(jiǎn)化了變壓器的選擇過程。

在運(yùn)用全壽命周期成本理論選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡可能充分考慮設(shè)備在整個(gè)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的所有費(fèi)用，這就需要掌握大量的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備報(bào)價(jià)、運(yùn)行能耗、故障率、故障維修費(fèi)用、設(shè)備報(bào)廢處理情況等，以保證研究所得的結(jié)論更加準(zhǔn)確可靠。因此相關(guān)部門應(yīng)重視數(shù)據(jù)收集工作，為全壽命周期成本理論在電力系統(tǒng)中的全面應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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宋宛凈(1986-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃。Email:songwanjing@126.com

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

汪覺恒(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究工作。Email:wangjh@hepdi.com

關(guān)于論文題名和作者信息

1.題名

1)題名應(yīng)以簡(jiǎn)明、確切的詞語(yǔ)反映文章中最重要的特定內(nèi)容，并有助于選定關(guān)鍵詞。

2)中文題名一般不宜超過20個(gè)字，必要時(shí)可加副題名。

3)英文題名應(yīng)與中文題名含義一致。

4)題名應(yīng)避免使用非公知公用的縮寫詞、字符、代號(hào)，盡量不出現(xiàn)數(shù)學(xué)式和化學(xué)式。

2.作者署名和工作單位

1)作者姓名署于題名下方，團(tuán)體作者的執(zhí)筆人也可標(biāo)注于篇首地腳或文末。

2)標(biāo)明作者的工作單位全稱、所在城市名及郵政編碼。在作者簡(jiǎn)介中，標(biāo)注作者年齡、性別、職稱及專業(yè)方向。

摘編于《中國(guó)高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)編排規(guī)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