梁金正， 梁九齡， 熊振冬， 郝俊聰， 孫超， 李希喆

(1. 梯級水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué)， 湖北 宜昌 443002；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司湘潭供電分公司， 湖南 湘潭 411200)

0 引言

隨著電力體制改革的縱深推進(jìn)， 電網(wǎng)設(shè)備作為企業(yè)重要核心管理對象， 成本核算精細(xì)化、 價值管理精益化面臨更高要求[1－2]。 為了保障電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)利益， 電網(wǎng)企業(yè)必須在今后的工作中不斷突破創(chuàng)新， 用更加客觀、 有效、 準(zhǔn)確的措施來進(jìn)行電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的建設(shè)和維護(hù)升級。 隨著電力配套投資不斷加大， 精準(zhǔn)投資程度需不斷加深， 需要在項(xiàng)目可研及初設(shè)階段做好投資立項(xiàng)的審查和決策， 在設(shè)備選型和采購上做好前期工作。

目前， 在傳統(tǒng)的電網(wǎng)變電站的規(guī)劃方案比選中， 應(yīng)用較多的是基于全壽命周期成本(life cycle cost， LCC)[3－5]的評估方法。 文獻(xiàn)[6] 基于GA優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)， 構(gòu)建了相應(yīng)的變電站LCC 預(yù)測模型， 但是模型預(yù)測結(jié)果與其基礎(chǔ)算例參數(shù)設(shè)定的關(guān)系較為緊密， 具有較大的預(yù)測不確定性。 文獻(xiàn)[7] 通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 選取可以反應(yīng)變電站全壽命周期指標(biāo)的顯著特征為依據(jù)， 進(jìn)行多次訓(xùn)練， 解決了預(yù)測準(zhǔn)確度差、 客觀性低的問題。 文獻(xiàn)[8－10] 基于LCC 理論衍生出一種考慮綜合效益最優(yōu)的變電站選址定容的規(guī)劃方法。 文獻(xiàn)[11]基于LCC 理論， 構(gòu)建了配電網(wǎng)停電成本的理論模型， 運(yùn)行成本模型反映了停電頻率、 停電持續(xù)時間及停電電量對停電成本的綜合影響。 對于以上研究， 指標(biāo)值往往只能在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備建成之后的運(yùn)行過程中統(tǒng)計(jì)獲得， 在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)階段很難準(zhǔn)確預(yù)測， 難以反映經(jīng)濟(jì)的客觀性。

LCC 建模劃分越來越精細(xì)、 計(jì)算量增加， 耗費(fèi)人力物力增大， 成本劃分也受到人為主觀的影響， LCC 數(shù)學(xué)模型的客觀性降低。 本文基于LCC理論， 構(gòu)建更加全面、 精細(xì)化的變電站全壽命周期成本的數(shù)學(xué)模型， 指標(biāo)構(gòu)建不再傾向地依據(jù)未來預(yù)測所得數(shù)據(jù)， 能夠準(zhǔn)確、 客觀地估算出變電站的LCC 模型， 進(jìn)而提高LCC 估算的實(shí)用性。 以設(shè)備全壽命周期的成本管理理念服務(wù)于設(shè)備選型， 降低后期維護(hù)和更換設(shè)備成本， 在設(shè)計(jì)選型上為電力體制改革的推進(jìn)及電網(wǎng)精準(zhǔn)投資提供參考。

1 資產(chǎn)全壽命周期管理指標(biāo)評價體系

依據(jù)投入資金的使用用途[12－14]， 將設(shè)備成本分為初始投資成本、 運(yùn)行成本、 檢修維護(hù)成本、 故障成本和報廢成本。 用全壽命周期理念作指導(dǎo)， 得出LCC 設(shè)備選型方案比選模型。

1.1 全壽命周期成本構(gòu)成

以全壽命周期成本作為成本指標(biāo)， 設(shè)備全壽命周期成本各個子指標(biāo)構(gòu)成如圖1 所示， 全壽命周期成本公式為:

圖1 設(shè)備全壽命周期成本各個子指標(biāo)構(gòu)成

式中，C為周期規(guī)劃內(nèi)的全壽命周期成本等年值；CI、CO、CM、CF、CD為規(guī)劃周期內(nèi)的初始投資成本等年值、 運(yùn)行成本等年值、 檢修維護(hù)成本等年值、 故障成本等年值、 退役成本等年值。

1.2 全壽命周期成本各子指標(biāo)歸算模型

1.2.1 初始投資成本CI

初始投資成本CI指在建設(shè)、 改造和調(diào)試期間內(nèi)， 在項(xiàng)目正式投入運(yùn)行前所要支付的一次性成本， 傳統(tǒng)理論的初始投資成本主要包括購置費(fèi)、 安裝調(diào)試費(fèi)和其他費(fèi)用。

式中，c表示戶內(nèi)或戶外站的初始投資成本；α1為設(shè)備處置費(fèi)；α2為安裝調(diào)試費(fèi)和其他費(fèi)用；γ為折現(xiàn)率，γ＝0.07；T為全壽命周期規(guī)劃年限。

1.2.2 運(yùn)行成本CO

運(yùn)行成本CO指設(shè)備在壽命周期運(yùn)行期間所產(chǎn)生的一切費(fèi)用的總和， 主要包括設(shè)備能耗費(fèi)、 日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用， 具體公式如下:

式中，m2為設(shè)備能耗費(fèi)， 包括設(shè)備本體和輔助設(shè)備的能耗費(fèi)用；m3為日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用， 包括日常巡視檢查需要的巡視設(shè)備、 材料費(fèi)用； ΔPmax為最大負(fù)荷時所產(chǎn)生的功率損耗；Tmax為最大負(fù)荷損耗時間；η為運(yùn)行主供率；M為平均配電價。

1.2.3 檢修維護(hù)成本CM

檢修維護(hù)成本主要為周期性維護(hù)成本。 周期性維護(hù)費(fèi)用包括周期性維護(hù)時需要的人工、 材料費(fèi)用。 變電站按小修、 大修不同時間周期計(jì)算。 設(shè)備級的檢修維護(hù)成本CM主要包括單個設(shè)備故障的校正維護(hù)成本p1?x和單個設(shè)備的預(yù)防維護(hù)成本p2?y， 具體公式如下:

式中，p1為設(shè)備校正維修的頻率；x為設(shè)備每次校正維修成本；p2為設(shè)備預(yù)防維修的頻率；y為設(shè)備每次預(yù)防維修成本。

1.2.4 故障成本CF

設(shè)備級故障成本CF是電網(wǎng)運(yùn)行過程中單個電力設(shè)備出現(xiàn)故障斷電而引起的故障恢復(fù)成本和故障損失成本。

式中，S為配電變壓器的最大容量；Kd為電價折算系數(shù)，Kd＝15；tg為事故停電時間；ψ為設(shè)備負(fù)載率；ε為設(shè)備事故率；Cjx為最大故障檢修所產(chǎn)生的費(fèi)用， 取設(shè)備購置費(fèi)的3%；cosφ為線路功率因素。

1.2.5 報廢成本CD

報廢成本CD指設(shè)備基建投入形成的資產(chǎn)在設(shè)備壽命周期到限時， 進(jìn)行拆除、 處置所引起的各項(xiàng)費(fèi)用， 該成本與初始投資成本相關(guān)。

式中，e為殘值率；b為報廢資產(chǎn)管理費(fèi)用占比系數(shù)。

2 規(guī)劃方案的比選研究

以資產(chǎn)全壽命周期管理評價模型為基礎(chǔ)， 對模型中全壽命周期相關(guān)成本參數(shù)進(jìn)行分解， 得到評價模型需要收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 對設(shè)備的初始投資成本、 運(yùn)維檢修及故障處置成本、 報廢處置成本等進(jìn)行量化， 得到單一設(shè)備全壽命周期成本指標(biāo)。

以GIS 設(shè)備為切入點(diǎn)[15－20]， 選擇通用設(shè)計(jì)方案不同但建設(shè)成效相同的變電站為典型數(shù)據(jù)， 研究GIS 設(shè)備戶內(nèi)、 戶外建設(shè)對全壽命周期成本的影響， 得出優(yōu)選建設(shè)結(jié)論， 然后進(jìn)一步擴(kuò)展研究影響設(shè)備全壽命周期成本因素的維度， 確定出一整套通用的基于設(shè)備LCC 的計(jì)算、 設(shè)計(jì)、 比對選擇應(yīng)用的方案， 建設(shè)比選方案具體流程如圖2 所示。

圖2 建設(shè)比選方案

與常規(guī)LCC 模型不同的是， 本文的運(yùn)行、 檢修維護(hù)與故障成本數(shù)據(jù)均來自各個變電站所歸集到的數(shù)據(jù)。 為保證研究的可靠準(zhǔn)確性， 直接選取投運(yùn)時間為40 年及以上的GIS 戶內(nèi)、 戶外建設(shè)的典型變電站作為統(tǒng)計(jì)、 分析樣本數(shù)據(jù)， 追溯自投運(yùn)以來的GIS 設(shè)備每年實(shí)際的運(yùn)維檢修故障成本， 通過多組樣本數(shù)據(jù)分析趨勢得出GIS 戶內(nèi)、 戶外建設(shè)以來的LCC 成本， 最終得出最優(yōu)建設(shè)方案。

3 算例分析

3.1 實(shí)際算例分析

對225 座110 kV 戶內(nèi)、 戶外GIS 站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 基本情況如下: 建設(shè)容量為2×50 MV?A，110 kV 出線為4 回， 10 kV出線為24 回， 均為1981年投運(yùn)， 投運(yùn)時間超過40 年。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 初始投資成本對比分析

戶內(nèi)、 戶外站初始投資成本對比如圖3 所示。

圖3 戶內(nèi)、 戶外站初始投資成本對比

從圖3 可以看出， 戶外變電站與戶內(nèi)變電站初始投資成本等年值， 兩者差距為150 萬元； 在第6年戶外變電站與戶內(nèi)變電站初始投資成本等年值分別為205.50 萬元和237.95 萬元， 兩者差距縮小至32.45 萬元； 在第40 年戶外變電站與戶內(nèi)變電站初始投資成本等年值分別為79.67 萬元和92.25 萬元， 兩者差距最小， 為12.58 萬元。 由圖3 可知，隨著變電站壽命周期的增長， 兩個變電站的初始投資成本的等年值都在不斷下降， 原因是初始投資成本不變， 隨著年限的增長， 分?jǐn)偟矫恳荒甑馁M(fèi)用會變少， 經(jīng)濟(jì)效益更加明顯； 其次， 還可以看出戶內(nèi)變電站的初始投資成本的等年值一直高于戶外變電站， 原因是戶內(nèi)變電站的初始投資成本現(xiàn)值比戶外變電站的高， 在壽命周期相同的情況下， 年金現(xiàn)值系數(shù)不變， 戶內(nèi)變電站的投資成本的等年值會一直高于戶外變電站。

3.2.2 運(yùn)行成本對比分析

戶內(nèi)戶外站運(yùn)行成本對比如圖4 所示。

圖4 戶內(nèi)、 戶外站運(yùn)行成本對比

從圖4 可以看出， 戶外變電站運(yùn)行成本等年值一直高于戶內(nèi)變電站運(yùn)行成本等年值， 第1 年兩者差距為3.570 4 萬元， 第40 年兩者差距為6.604 6萬元。 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的運(yùn)行等年值成本呈上漲趨勢， 這是由于運(yùn)行成本主要包括設(shè)備能耗費(fèi)、 日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用， 隨著使用壽命周期的增長， 費(fèi)用會逐漸增大。

3.2.3 檢修成本對比分析

戶內(nèi)、 戶外站檢修成本對比如圖5 所示。

圖5 戶內(nèi)、 戶外站檢修成本對比

從圖5 中可以看出， 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的檢修等年值成本都呈上漲趨勢， 原因是隨著使用壽命周期的增大， 設(shè)備出現(xiàn)故障的頻次增加， 檢修成本逐漸上升； 其次戶外變電站上漲趨勢比戶內(nèi)變電站更加明顯， 原因是戶外變電站出現(xiàn)故障的概率比戶內(nèi)變電站更大。

3.2.4 故障成本對比分析

戶內(nèi)、 戶外站故障成本對比如圖6 所示。

圖6 戶內(nèi)、 戶外站故障成本對比

從圖6 中可以看出戶外變電站故障成本等年值有4 次明顯的上漲趨勢， 在第7 年故障成本等年值增加至2.711 7 萬元， 在第8 年故障成本等年值增加至4.397 9 萬元， 在第10 年故障成本增加至9.807 2 萬元， 在第17 年故障成本增加11.038 3 萬元。 對于戶內(nèi)變電站故障成本等年值有3 次上漲趨勢， 在第10 年故障成本等年值增加至6.043 6 萬元； 在第20 年故障成本等年值增加至5.185 9 萬元； 在第26 年戶外變電站進(jìn)行故障大修， 故障成本增加至5.404 5 萬元。 隨著壽命周期的增長， 兩個變電站的故障等年值成本都呈上漲趨勢， 原因是隨著使用壽命周期的增大， 設(shè)備出現(xiàn)故障的次數(shù)隨之增加， 因故障導(dǎo)致斷電產(chǎn)生的損失費(fèi)用也隨之增加； 其次戶外變電站上漲趨勢比戶內(nèi)變電站更加明顯， 原因是隨著使用壽命的增加， 戶外變電站出現(xiàn)故障的概率更大。

3.2.5 報廢處置成本對比分析

戶內(nèi)、 戶外站報廢處置成本對比如圖7 所示。

圖7 戶內(nèi)、 戶外站報廢處置成本對比

從圖7 可以看出， 戶外變電站與戶內(nèi)變電站報廢成本等年值的趨勢與初始投資成本一致， 且在第40 年兩者差距最小， 為0.628 9 萬元。

3.2.6 全壽命周期成本對比分析

戶內(nèi)、 戶外站全壽命周期成本對比如圖8所示。

圖8 戶內(nèi)、 戶外站全壽命周期成本對比

根據(jù)圖8 可以看出， 戶內(nèi)站和戶外站的投運(yùn)時間越長， 全壽命周期等年值成本越低， 越具有經(jīng)濟(jì)意義。 并且前22 年戶內(nèi)變電站的全壽命周期等年值成本一直高于戶外變電站， 但差距在逐漸變小。在第22 年， 戶內(nèi)變電站的總成本等年值和戶外變電站總成本等年值的差距最小， 為0.011 4 萬元。在第23 年， 戶外變電站的總成本等年值高于戶內(nèi)變電站的， 且差距為0.012 4 萬元。 在23 年之后戶外變電站的全壽命周期成本一直高于戶內(nèi)變電站的全壽命周期成本。 根據(jù)圖8 可以看出， 在第22年至23 年之間， 戶內(nèi)變電站的全壽命周期成本和戶外變電站的全壽命周期成本兩條曲線相交； 在第40 年， 兩者差距為2.356 3 萬元。

根據(jù)圖9 可以看出， 戶內(nèi)變電站的總成本高于戶外變電站總成本， 總成本初始差距為137.633 9萬元。 在第40 年， 戶外變電站的周期成本高于戶內(nèi)變電站總成本， 全壽命周期成本差距為94.251 0萬元。

圖9 戶內(nèi)、 戶外站成本差異對比

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)際的角度出發(fā)， 構(gòu)建了一種更加全面、 精細(xì)的變電站全壽命周期成本的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際算例選取110 kV 戶外和110 kV 戶內(nèi)變電站進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 得到以下結(jié)論:

1) 經(jīng)過算例分析可知， 戶外站在初始建設(shè)時期， 成本的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)， 但是隨著規(guī)劃年限的拉長， 戶內(nèi)、 戶外站初始投資成本之間的差異開始縮小， 而運(yùn)行、 檢修、 維護(hù)成本的差異開始逐漸擴(kuò)大。

2) 本文模型從成本最優(yōu)角度出發(fā)， 優(yōu)化物資采購策略， 提高入網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量， 降低因設(shè)備質(zhì)量而帶來的運(yùn)維檢修工作量增加及運(yùn)檢成本消耗， 切實(shí)提升資產(chǎn)經(jīng)營管理效益， 滿足提質(zhì)增效要求。