崔洪波，王 暉，李科文，徐奮強(qiáng)

（1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209；2.江蘇省南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

隨著氣候變化全球洪澇災(zāi)害頻發(fā)，以變電站為代表的電力設(shè)施在日益頻發(fā)的汛情下屢遭破壞[1-2]，這不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會帶來極大的不良社會影響。

根據(jù)我國多地報(bào)告的變電站受災(zāi)情況分析資料來看，造成變電站損壞癱瘓的主因在于站址位置設(shè)置不利以及防守力度低下，易遭洪水入侵，此外還有洪水侵入后排放能力不足導(dǎo)致長時(shí)間內(nèi)澇從而造成電力設(shè)施的損壞。目前，國內(nèi)已有較多針對洪澇災(zāi)害中變電站防汛能力的提升研究。在“防”和“排”這兩大方面的防災(zāi)研究中，主要有工程建設(shè)氣候和地理環(huán)境分析選擇[3-5]、防洪標(biāo)準(zhǔn)和防洪力度的討論與升級[6-7]。劉自發(fā)等[8]提出一種基于地理信息的自適應(yīng)小生境微分進(jìn)化算法來解決變電站及相關(guān)配電網(wǎng)的規(guī)劃問題，通過改造后的微分算法能夠有效尋找變電站的最優(yōu)化選址及配電路徑。王成山等[9]提出了針對變電站選址的兩階段優(yōu)化規(guī)劃方法，此類研究都將目標(biāo)集中于優(yōu)化選址來規(guī)避和防御洪水侵害。魯永紅等[10]致力于對變電站高程進(jìn)行工程控制來實(shí)現(xiàn)對水文地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)避。吳龍生等[11]以提供輸變電工程的地基基礎(chǔ)優(yōu)化方法，來實(shí)現(xiàn)維持變電站的基礎(chǔ)穩(wěn)定。鄒宇等[12]在城市變電站防澇排水方面給出建議，為變電站電纜溝等可能發(fā)生倒灌的管網(wǎng)通道建設(shè)上給出了可行方案。

從以上研究可以看出，現(xiàn)有的提升變電站防汛能力的研究主要致力于洪澇災(zāi)害下如何“防”和“排”的具體技術(shù)的研究，這些方法大部分在實(shí)際案例中被證明有效，但其成本、能效比缺少較為系統(tǒng)的評估方法。本文從工程經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，運(yùn)用全壽命周期成本（LCC）對變電站防汛差異化提升措施進(jìn)行量化，通過建立全壽命周期成本分析模型來討論差異化提升方案的過程和最終結(jié)論的方法，按照成本最小化和效能最大化的原則，實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)的設(shè)計(jì)，以便在確保設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目壽命周期成本相對最小化的目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目建設(shè)的最大經(jīng)濟(jì)效能與最大社會效益。

1 全壽命周期模型構(gòu)建

1.1 LCC理論

全壽命周期成本（LCC）是指一種貫穿工程項(xiàng)目全壽命周期，包括工程項(xiàng)目前期、建設(shè)期、使用期和翻新與拆除期等階段，總造價(jià)最小化的方法。它既可以被看作工程項(xiàng)目投資決策的一種分析工具，或一種用來選擇決策備選方案的數(shù)學(xué)方法，也可以被作為計(jì)算工程項(xiàng)目整個(gè)壽命期的所有成本（直接、間接、社會和環(huán)境成本等）、確定設(shè)計(jì)方案的一種技術(shù)方法。在部分洪澇災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，防汛是貫穿變電站壽命周期的剛需。全壽命周期成本理論一方面可以明確變電站各階段的防汛重點(diǎn)，另一方面能對其成本和效果進(jìn)行評估，是一種合適的可行性評價(jià)方法。

1.2 變電站防汛成本組成

變電站的防汛單元可以看作一個(gè)單獨(dú)的全壽命過程，其計(jì)算公式見式（1）：

式中：IC（Investment Costs）為防汛時(shí)的一次性投資成本；OC（Operation Costs）為保證防汛結(jié)構(gòu)、設(shè)備正常運(yùn)行的成本；FC（Failure Costs）為洪澇災(zāi)害引起的中斷供電損失成本；DC（Discard Costs）為防汛結(jié)構(gòu)、設(shè)備的報(bào)廢成本。各項(xiàng)成本在計(jì)算、分析時(shí)均根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣等進(jìn)行。

1.3 成本效益分析

如僅考慮成本構(gòu)成，只對計(jì)算得到的LCC進(jìn)行比較，仍不全面。防汛投資雖然不是以盈利為目的，但其初衷也是獲得一定的效益，分析付出的成本和獲得的效益之間的關(guān)系，以及他們之間的平衡，這樣更能直接有效地對防汛投資效果進(jìn)行評判。

費(fèi)用效益分析法是常用的LCC評估方法，其計(jì)算模型見式（2）：

式中：CE指防汛投入成本獲得的效率；SE指系統(tǒng)效益，表示在投入壽命周期成本后所取得的效果或者說明任務(wù)完成到什么程度的指標(biāo)，通常為經(jīng)濟(jì)效益、價(jià)值、效果；LCC表示全壽命周期費(fèi)用?？梢?，CE即為單位費(fèi)用的效益輸出值，該值越大越好。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就需要在各個(gè)涉及因素之間，進(jìn)行有效的權(quán)衡分析，獲得費(fèi)用與效益之間的最佳平衡，既保證了設(shè)備系統(tǒng)的任務(wù)要求和性能指標(biāo)，又可使有限的人、財(cái)、物等資源得到充分利用。

2 一次性防汛投資成本（IC）

設(shè)計(jì)階段和建設(shè)階段是變電站提升改造最為關(guān)鍵的階段，考慮到防汛需求，該階段最主要的成本變化為一次性投資成本（IC）的增加，工程上在此階段需要完成95%的方案進(jìn)度和優(yōu)化[13]。IC的主要構(gòu)成分為各類防汛結(jié)構(gòu)的建設(shè)和設(shè)備的購置。其中防汛結(jié)構(gòu)主要包括：排水管網(wǎng)、防洪墻和建筑防水工程；防護(hù)設(shè)備主要包括：照明設(shè)備、水位監(jiān)控設(shè)備和常規(guī)防汛物資。

2.1 防汛結(jié)構(gòu)

2.1.1 排水管網(wǎng)

站內(nèi)防汛主要為防止內(nèi)澇。變電站防汛排水管網(wǎng)的基本要求是通暢、及時(shí)地排出站內(nèi)雨水。在設(shè)計(jì)站內(nèi)排水管網(wǎng)時(shí)，主要的內(nèi)容為：

（1）管道定線，確定排出方式；

（2）劃分并計(jì)算各設(shè)計(jì)管段的匯水面積；

（3）確定各雨水排水區(qū)域的平均徑流系數(shù)值；

（4）確定設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、地面集水時(shí)間；

（5）求單位面積徑流量；

（6）列表進(jìn)行防汛排水管網(wǎng)干管的設(shè)計(jì)流量和水力計(jì)算，以求得各管段的設(shè)計(jì)流量，及確定各管段的管徑、坡度、流速、管底標(biāo)高和管道埋深值等（計(jì)算時(shí)需先定管道起點(diǎn)的埋深或管底標(biāo)高）；

（7）結(jié)合管道水力計(jì)算結(jié)果及接受水體的水位情況，合理設(shè)置雨水泵站；

（8）繪制防汛排水管網(wǎng)平面圖。

其中，較為重要的步驟為雨量分析，主要為確定暴雨強(qiáng)度公式中各參數(shù)值；確定管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，雨水設(shè)計(jì)流量是確定防汛排水管網(wǎng)斷面尺寸的重要依據(jù)；確定徑流系數(shù)，不過由于影響因素很多，要精確地求定其值是很困難的，目前在防汛排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，徑流系數(shù)通常采用按地面覆蓋種類確定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

2.1.2 防洪墻

一般情況下，變電站防洪可采取三類措施：圍墻堵水、填土提升地面標(biāo)高、電器設(shè)備基礎(chǔ)高于最高洪水位。由于填土提高地形標(biāo)高的方式涉及買土、運(yùn)輸、填方施工等環(huán)節(jié)，填土較高時(shí)導(dǎo)致建設(shè)成本較高，尤其是城市變電站買土困難，該方式通常不可行；而多數(shù)采用圍墻堵水和電器設(shè)備高基礎(chǔ)的方式，其中圍墻堵水防洪技術(shù)更為普遍采用。

按照當(dāng)?shù)厮馁Y料確定防洪墻的高度，一般墻頂高于最高洪水位0.5 m，依據(jù)洪水的發(fā)生頻率和洪水位高度，選取實(shí)體磚砌墻、混凝土結(jié)構(gòu)防洪墻等不同的堵水方式。

2.1.3 建筑防水工程

為保證變電站結(jié)構(gòu)避免水的侵襲、防止內(nèi)部空間受水的危害，需要實(shí)施防水工程。變電站防水工程在變電站工程中占有重要的地位。變電站防水工程涉及地下電纜層、墻地面、墻身、屋頂?shù)榷鄠€(gè)部位，其功能就是要使變電站建筑物或構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)耐久年限內(nèi)，防止雨水及生產(chǎn)、生活用水的滲漏和地下水的侵蝕，是保證變電站安全運(yùn)行的一項(xiàng)必要措施。

2.2 防汛設(shè)備

2.2.1 照明設(shè)備

對場地照明安裝位置較低且防水能力不足的站場，應(yīng)提升照明系統(tǒng)安裝高度，提升防水等級，采用LED光源。同時(shí)，可考慮接入變電站智能輔助平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟功能，并與視頻系統(tǒng)聯(lián)動，為夜間巡視及搶修提供充足照明，也可通過提升照明支架高度，確保照明供電不受汛情影響。采用LED光源，功率較小，能夠有效降低電源線及空開等元器件的使用壓力，燈具選用為IP65以上的防水等級，確保照明系統(tǒng)在暴雨期間也能夠正常使用。

2.2.2 水位監(jiān)控設(shè)備

為保證場區(qū)內(nèi)水位實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，在場區(qū)電纜溝或排水溝中設(shè)置水位監(jiān)測裝置。同時(shí)，為防止水位監(jiān)測控制裝置浸水失效，應(yīng)提高水位監(jiān)測控制箱的高度，確保運(yùn)行時(shí)不會進(jìn)水。

2.2.3 常規(guī)防汛物資

常規(guī)防汛物資包括救生衣等個(gè)人防護(hù)用品、水泵等排水物資、沙袋等擋水物資、皮艇等交通工具及移動照明工具等。

以上各部分的費(fèi)用隨著設(shè)備規(guī)格、種類等不同而有所不同。另外，對以上費(fèi)用的考慮要包括安裝和調(diào)試各設(shè)備期間所有的人工費(fèi)、材料費(fèi)以及機(jī)械費(fèi)，要做到全面的估計(jì)。IC的計(jì)算公式如下：

式中：z為咨詢費(fèi)用，這部分成本用于在具體的建設(shè)環(huán)境下，減少不必要的和確保必要的防汛投入；fi為各防汛結(jié)構(gòu)建設(shè)費(fèi)用和防汛設(shè)備的購置費(fèi)用。

3 防汛能力維持成本（OC）

變電站運(yùn)營期的防汛能力維持成本指變電站在運(yùn)營期保證防汛結(jié)構(gòu)和設(shè)備能正常運(yùn)行所投入的成本，即OC。OC的主要構(gòu)成為維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)，即對防汛結(jié)構(gòu)、設(shè)備進(jìn)行檢修、保養(yǎng)，以及在不中斷供電的情況下對設(shè)備的測試和維修。受災(zāi)期OC主要構(gòu)成為防汛常用物資的消耗成本。

式中：Cj為每項(xiàng)防汛結(jié)構(gòu)、設(shè)備的維護(hù)成本，Dk為每項(xiàng)防汛物資的耗能和補(bǔ)充成本。

4 中斷供電損失成本（FC）

中斷供電損失成本（FC）是指災(zāi)情來臨時(shí)，災(zāi)害引起的中斷供電損失成本，供電中斷使電力企業(yè)減少供電量和售電收入，對用戶造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中，電力企業(yè)把變電站故障（事故）引起中斷供電損失（FC）作為自己的成本是符合實(shí)際的，能較好地與供電可靠性聯(lián)系起來，盡管相關(guān)用戶停電損失還不用補(bǔ)償。中斷供電損失成本可按照式（5）進(jìn)行估算。

式中：α為相關(guān)用戶平均中斷供電電量的價(jià)值；W為中斷供電功率；T為故障中斷供電時(shí)間；R為修復(fù)成本。

5 報(bào)廢成本（DC）

報(bào)廢成本（DC）指產(chǎn)品壽命周期結(jié)束后，清理、銷毀該產(chǎn)品所需支付的費(fèi)用。對于防汛結(jié)構(gòu)和設(shè)備，即排水管網(wǎng)、防洪墻和建筑防水工程等來說，其壽命周期一般與變電站本身的設(shè)計(jì)壽命周期相同，因此不參與報(bào)廢成本的計(jì)算。但是對于受災(zāi)淘汰下的電力設(shè)備，在折舊計(jì)算時(shí)必須要加以考慮。本文給出折舊攤銷公式[14]如下:

式中：Ep為變電站第P項(xiàng)設(shè)備/設(shè)施的拆除成本；Gl為變電站第l項(xiàng)設(shè)備/設(shè)施的投資成本；εl為殘值率；t為設(shè)備/設(shè)施的使用年限。

不同類型、用途的產(chǎn)品報(bào)廢成本是不一樣的，有些可以產(chǎn)生一定數(shù)量的殘值收入，用以與有關(guān)的費(fèi)用相抵，這種情況下就不會產(chǎn)生報(bào)廢成本，如設(shè)備的正常報(bào)廢；而有些不僅不能產(chǎn)生任何殘值收入，還需要花費(fèi)大量的資金用于其報(bào)廢和清理。

6 算例及評價(jià)

按照全壽命周期折現(xiàn)計(jì)算模型，結(jié)合具體的案例將全面防汛提升前后的成本做出比對，用數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來證明防汛差異化提升的科學(xué)性和必要性，實(shí)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)效益來證明項(xiàng)目的合理性的最終目的。

6.1 工程概況

某110 kV變電站地處縣城郊區(qū)，受地理位置和水文氣象條件影響，該站發(fā)生臺風(fēng)影響的暴雨洪澇災(zāi)害的可能性較大；受上游來水泄洪影響，該站有遭受洪水的可能；由于城市建設(shè)，該站周邊道路高于站內(nèi)地坪，當(dāng)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水或持續(xù)性降水時(shí)，該站遭受城市內(nèi)澇影響的可能性大。

按照《變電站巖土工程勘測技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5170—2015）之有關(guān)規(guī)定，本工程為中等復(fù)雜場地，安全等級為二級，勘測等級為乙級?？己俗冸娬窘ㄔO(shè)的工程和水文條件，可以在設(shè)定站址上按照新標(biāo)準(zhǔn)直接進(jìn)行工程建設(shè)予以提升防汛強(qiáng)度。

6.2 成本分析

6.2.1 LCC計(jì)算

在該案例中，一次性防汛成本（IC）投入的主要構(gòu)成包括咨詢費(fèi)、防汛結(jié)構(gòu)投入成本和防汛設(shè)備投入成本三大部分。

（1）咨詢費(fèi)：咨詢專業(yè)人員，對原變電站的防汛結(jié)構(gòu)、設(shè)備等短板提出改造提升方案。

（2）防汛結(jié)構(gòu)投入成本：增加基礎(chǔ)標(biāo)高至新洪水峰值水位以上0.5 m，設(shè)防根據(jù)《變電站總平面布置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5056—2007）中要求，采用50 a一遇洪水水位。對基礎(chǔ)采用全填土方案，改原條形基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，主變電力設(shè)備高位布置；改普通圍墻為防洪圍墻，增加防洪設(shè)防高度，洪水侵襲方向增加結(jié)構(gòu)抗洪強(qiáng)度，防洪墻材料采用C30混凝土HRB335級鋼筋；增加變電站內(nèi)部排澇設(shè)施投入，在站內(nèi)增建集水井，擬增加排水泵和排水管，還要酌情增加部分備用電力設(shè)備，對原有排水管進(jìn)行疏通和維護(hù)。

（3）防汛設(shè)備投入成本：燈具選用IP65以上的防水等級，設(shè)置專用防汛專供電源，抬高照明設(shè)備基礎(chǔ)，需要采用更粗線徑的電源線，確保供電安全；增加水位監(jiān)測、排水監(jiān)測傳感器，在防汛重點(diǎn)部位增設(shè)監(jiān)視攝像頭；按照站內(nèi)常駐人數(shù)的1.5倍配置個(gè)人防護(hù)用品，購置沙袋、沖鋒舟等物資。

依據(jù)防汛提升模塊分析、各專項(xiàng)工程工程量清單和計(jì)價(jià)表、各項(xiàng)投資總額、全壽命周期計(jì)算模型，一次性投資成本（IC）見表1。

表1 一次性投資成本（IC）核算

根據(jù)一次性防汛投資成本計(jì)算公式計(jì)算：

在本案例中，防汛能力維持成本見表2。

表2 防汛能力維持成本（OC）核算

對于投入了一次性防汛成本和防汛能力維持成本的變電站，在20 a一遇的洪澇災(zāi)害來臨時(shí)，其中斷供電損失成本將大大降低，但仍不排除在防汛工作完備的情況下發(fā)生意外導(dǎo)致供電中斷。在計(jì)算時(shí)，一般根據(jù)洪澇災(zāi)害的等級和IC與OC的投入程度，對受災(zāi)損失進(jìn)行折減。表3為該站未投入IC和OC情況下需要付出的中斷供電成本（FC）。

表3 中斷供電成本（FC）核算

在未進(jìn)行IC和OC投入時(shí)，災(zāi)害造成的中斷供電成本為：

在投入了IC和OC后，中斷供電成本可乘以經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)β，β∈（0，1），該工程IC和OC的投入完全可以應(yīng)對20 a一遇的洪澇災(zāi)害，因此β的取值取0.1。因此該工程中的中斷供電成本為：

最后是報(bào)廢成本（DC），報(bào)廢成本不包括變壓器等站內(nèi)的變電設(shè)備，僅考慮IC和OC中產(chǎn)生的需要進(jìn)行報(bào)廢的項(xiàng)目。對于防汛結(jié)構(gòu)來說，其報(bào)廢成本即拆除成本，在帶入計(jì)算公式時(shí)，其殘值率ε按照0.1考慮，在該工程中，報(bào)廢成本具體見表4。

表4 報(bào)廢成本（DC）核算

因此，該變電站進(jìn)行防汛改造后的全壽命周期成本為：

6.2.2 成本效益計(jì)算

從表5可以看出，變電站費(fèi)用效益的計(jì)算實(shí)際上主要看防汛投入在變電站受災(zāi)時(shí)幫助其規(guī)避了多少損失。

表5 變電站防汛單元全壽命周期成本匯總 單位：萬元

因此，在該變電站的防汛改造中系統(tǒng)效益SE為：

成本效益CE為：

結(jié)果顯示，改造后的成本效益達(dá)到了0.601，從具體數(shù)值來看，防汛成本提高了122萬元，減少了283.6萬元的中斷供電損失成本。成本效益的計(jì)算主要用于比選不同的方案，最終可以將CE值很低（即相比其他方案經(jīng)濟(jì)性差）的方案篩選掉，選出最佳方案。

7 結(jié) 論

本文構(gòu)建了一種基于全壽命周期成本分析的變電站防汛差異化提升的可行性評估方法，綜合考慮變電站在不同環(huán)境下的防汛形勢，給出提升方法以降低洪澇災(zāi)害侵襲損失，并通過案例成本分析評價(jià)驗(yàn)證可行性。主要采用的方法和獲得的結(jié)果如下：

（1）防汛差異化提升成本主要包括一次性防汛投資成本、防汛能力維持成本、中斷供電成本和報(bào)廢成本。其中，一次性防汛投資成本為主要的構(gòu)成部分，在整個(gè)變電站防汛全壽命周期成本中占比為80%，而在一次性防汛成本投資中防汛結(jié)構(gòu)投資成本為主要構(gòu)成。

（2）變電站防汛提升效果主要受到一次性防汛投資成本的影響，功能完備的防汛結(jié)構(gòu)會減小防汛壓力，提高一次性防汛投資成本可以大幅度降低中斷供電成本。

（3）在全壽命周期成本分析后，通過成本效益計(jì)算可以對不同的防汛提升方案進(jìn)行比選，由于最終采用了唯一的對比指標(biāo)，因此該評估方法的可操作性較強(qiáng)。