基于全壽命周期成本的電力變壓器選型方法研究

華丁劍，劉建華，楊麗嬌

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

隨著我國電網(wǎng)的迅速發(fā)展，對(duì)供電量的需求不斷擴(kuò)大，需新建更多的變電站來滿足日益增長(zhǎng)的用電需求。在巨大的投資面前，需要合理分配以求一種更科學(xué)的造價(jià)管理方法，使得投資具有針對(duì)性和長(zhǎng)期性，這樣才能獲得最大效益。電力變壓器是變電站的重要電力設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)供電安全的重要保障。目前，大家習(xí)慣于重視電力變壓器的購置費(fèi)用而忽略其運(yùn)行費(fèi)用，通常是節(jié)約了購置費(fèi)用，而后期的運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用成本卻大大提高［1，2］。因此，電力變壓器全壽命周期成本管理不容輕視。

電力變壓器全壽命周期成本LCC，既包括電力變壓器選型、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、營銷的費(fèi)用所構(gòu)成的制造成本，又包括運(yùn)行、維護(hù)、能耗、保險(xiǎn)、檢修、報(bào)廢的費(fèi)用所構(gòu)成的運(yùn)行成本［3］。本文應(yīng)用LCC理論對(duì)電力變壓器的制造和運(yùn)行成本進(jìn)行拆分，按照IEC60300－3－3標(biāo)準(zhǔn)，建立了電力變壓器的LCC分析計(jì)算模型，并通過實(shí)際算例的分析，得出了在電力變壓器選型中引入LCC分析是必要和可行的。

2 全壽命周期成本

2.1 定義

全壽命周期成本是從設(shè)備、項(xiàng)目的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備、項(xiàng)目或系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購置、安裝、運(yùn)行、維修改造、更新，直至報(bào)廢的全過程中，一共所支出的費(fèi)用總和。LCC分析方法科學(xué)的劃分了設(shè)備在壽命周期內(nèi)的一切費(fèi)用項(xiàng)目，又利用統(tǒng)計(jì)資料和方法建立費(fèi)用估算關(guān)系式和費(fèi)用模型，從而可按不同需要相當(dāng)準(zhǔn)確地估算出設(shè)備壽命周期費(fèi)用，供決策和管理之需。其核心內(nèi)容是對(duì)設(shè)備、項(xiàng)目或系統(tǒng)的LCC進(jìn)行分析，并進(jìn)行決策。

根據(jù)IEC60300－3－3標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備全壽命周期成本可分為三部分，表示為［4］:

購買費(fèi)用是基本明確的，在購買決定前就可以容易的估算出來;擁有費(fèi)用，在許多項(xiàng)目中通常是LCC中比重最大的一部分，它超過購買費(fèi)用并且不容易明確;報(bào)廢處理費(fèi)用，是整個(gè)LCC中重要的部分。大部分項(xiàng)目在其報(bào)廢階段通常要根據(jù)法律規(guī)定對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行處理，例如，核電站在此階段就涉及很大的費(fèi)用。

在設(shè)備的全壽命周期費(fèi)用中，購置成本所占的比例隨時(shí)間遞增而下降，而運(yùn)行維護(hù)成本所占的比例隨時(shí)間遞增而上升，而且在很多情況下，后者的費(fèi)用高于前者，因此在考慮設(shè)備選型，不能只考慮設(shè)備的初始價(jià)格，而應(yīng)該考慮其整個(gè)壽命周期的費(fèi)用。

2.2 分析步驟

根據(jù)對(duì)LCC相關(guān)研究及應(yīng)用的歸納，針對(duì)不同的系統(tǒng)，LCC分析步驟有所不同，但一些基本的分析過程是相似的，可分為六個(gè)分析步驟，如圖1所示。

圖1 LCC分析的六個(gè)步驟

一般來說，LCC分析起源于計(jì)劃的建立，用于確定分析的目標(biāo)和范圍，在具有足夠信息，考慮充分因素的前提下建立LCC模型，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，并計(jì)算模型各部分的費(fèi)用，形成分析報(bào)告。需要的注意的是，保持LCC分析的最近性是非常必要的，所以需要根據(jù)信息源的變化及時(shí)更新分析結(jié)果。此外，要實(shí)現(xiàn)全壽命周期成本的準(zhǔn)確估計(jì)，還必須考慮通貨膨脹率、利息率、匯率和稅率的影響。

3 電力變壓器選型

3.1 電力變壓器的特點(diǎn)

(1)技術(shù)柔性比例高。電力變壓器制造過程大部分是手工操作，柔性技術(shù)占較大比例。一般來說，電力變壓器制造成本大，則安全裕度大、運(yùn)行成本低;而制造成本小，則安全裕度小、運(yùn)行成本高。

(2)能耗高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電力變壓器的總損耗占系統(tǒng)發(fā)電總量的3%～5%，這使得我國電力利用率降低，造成巨大的電力浪費(fèi)。

(3)噪聲高。從環(huán)保的角度出發(fā)，變電站對(duì)外界的影響主要來自電力變壓器噪聲。隨著社會(huì)文明的進(jìn)步，變電站受到環(huán)保制約程度越來越大，投入的環(huán)保成本也將越來越大。

(4)運(yùn)行成本高。通常一臺(tái)電力變壓器檢修維護(hù)費(fèi)約占原值的2%，而能耗約占原值的18%，噪聲治理、技術(shù)反措、改造等額外費(fèi)用約占1% ～2%，總計(jì)21%～22%。電力變壓器在有效周期壽命期30年內(nèi)的運(yùn)行成本高達(dá)制造成本的6～7倍［3］。

(5)殘值高。電力變壓器是材料密集型產(chǎn)品，其價(jià)值主要取決于硅鋼片、銅材和電力變壓器油等消耗主材的價(jià)值。因此，電力變壓器報(bào)廢后的殘值是非常高的，一般是現(xiàn)值的30% ～40%。

3.2 電力變壓器的全壽命周期特性

一般來說，在沒有附加先進(jìn)技術(shù)的更新?lián)Q代產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)，電力變壓器全壽命周期成本的最低點(diǎn)就是其價(jià)值的最高點(diǎn)。這說明提高價(jià)值不是單純的提高產(chǎn)品的功能品質(zhì)，而是在功能品質(zhì)允許的情況下，把全壽命周期成本降到最低。

因此分析電力變壓器全壽命周期成本時(shí)，要充分考慮電力變壓器的特點(diǎn)，找到影響電力變壓器全壽命周期成本的關(guān)鍵因素，以最高的價(jià)值為目標(biāo)，追求真正意義上的物美價(jià)廉。

4 電力變壓器的全壽命周期成本模型

根據(jù)IEC60300－3－3標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電力變壓器的LCC模型的主要構(gòu)成要素進(jìn)行具體的分析，電力變壓器從購置投入運(yùn)行到報(bào)廢退役，整個(gè)全壽命周期過程的總成本可以分為四大成本之和，即一次投資成本、運(yùn)行成本、中斷供電損失成本以及報(bào)廢成本，因此電力變壓器的LCC模型可定義為:

其中:LCCT為電力變壓器的全壽命周期成本;CI為電力變壓器的一次投資成本(Investment Costs);CO為電力變壓器的運(yùn)行成本(Operation Costs);CF為電力變壓器的中斷供電損失成本(Failure Costs);CD為電力變壓器的報(bào)廢成本(Discard Costs)。

4.1 一次投資成本

電力變壓器的一次投資成本，是指在變電站建設(shè)和調(diào)試期間內(nèi)，在變電站正式投入運(yùn)行以前，所付出的一次性成本。主要包括電力變壓器的購置成本、安裝試驗(yàn)成本(包含人員培訓(xùn)成本)，可表示如下:

其中:CI為電力變壓器的一次投資成本;Cp為電力變壓器的購置成本(Purchase Costs);Cie為電力變壓器的安裝試驗(yàn)成本(Installation and Experimentation Costs)。

4.2 運(yùn)行成本

電力變壓器的運(yùn)行成本主要包括損耗成本、維護(hù)成本、環(huán)保成本、人工費(fèi)用及其他成本，定義如下:

其中:CO為電力變壓器的運(yùn)行成本;Cel為電力變壓器的運(yùn)行損耗成本(Energy Loss Costs);Cm為電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)成本(Maintenance Costs);Cep為電力變壓器的運(yùn)行環(huán)保成本(Environmental Protection Costs);Cmo為人工費(fèi)用及其他成本(Man and Other Costs);包括負(fù)責(zé)和管理運(yùn)行的人員的工資，所有與電力變壓器運(yùn)行相關(guān)的雜費(fèi)。

4.3 中斷供電損失成本

電力變壓器的中斷供電損失成本是指在故障發(fā)生后，中斷供電造成的損失，可用下式進(jìn)行估算［5］:

其中:CF為中斷供電損失成本;α·W·T為斷電(懲罰)成本;λ·RC·MTTR為修復(fù)成本;λ為設(shè)備年平均故障數(shù);T為設(shè)備年平均故障中斷供電時(shí)間;W為設(shè)備平均故障中斷供電功率;RC為設(shè)備平均故障修復(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。

4.4 報(bào)廢成本

在產(chǎn)品報(bào)廢的過程中，既需要消耗一定的人力、物力、財(cái)力，又有可能產(chǎn)生一定的收入，所以，應(yīng)該認(rèn)真進(jìn)行核算。電力變壓器的報(bào)廢成本主要包括處理成本和殘值。處理成本是指電力變壓器退役后的拆除費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、環(huán)保費(fèi)，殘值是指電力變壓器報(bào)廢后的可回收費(fèi)用。因此電力變壓器的報(bào)廢成本可表示為:

其中:CD為報(bào)廢成本;Ct為處理成本(Treatment Costs);Crv為殘值(Residual Value)。

5 電力變壓器LCC模型在電力變壓器選型中的應(yīng)用分析

5.1 工程介紹

某220kV變電站建成后，需要新建一臺(tái)300MVA的電力變壓器，現(xiàn)有兩種備選方案:

方案A:不對(duì)電力變壓器做任何處理，普通的常規(guī)應(yīng)用;方案B:增加額外的初始費(fèi)用投資，用于提高電力變壓器的零部件壽命(如密封件、吸濕器、真空膠囊儲(chǔ)油柜等)和優(yōu)化電力變壓器的性能參數(shù)(如空載損耗、負(fù)載損耗、噪聲等)，并將此類費(fèi)用歸算至購置成本中。

兩種方案的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 兩種方案的參數(shù)表

在分析時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行習(xí)慣做如下假設(shè):

(1)電力變壓器壽命周期按30年計(jì)算。

(2)電力變壓器每年的維護(hù)、檢修費(fèi)用按電力變壓器購置成本的2%計(jì)算。

(3)電力變壓器每年的運(yùn)行環(huán)保費(fèi)按電力變壓器購置成本的0.25%計(jì)算。

(4)當(dāng)電力變壓器達(dá)到使用年限時(shí)，殘值按電力變壓器購置成本的30%計(jì)算。

(5)電價(jià)按0.59元/kW·h計(jì)算。

(6)除一次投資成本的所有費(fèi)用折算到現(xiàn)值，貼現(xiàn)率按6%計(jì)算。

5.2 LCC計(jì)算

5.2.1 一次投資成本

電力變壓器的一次投資成本Cl主要包括電力變壓器的購置成本、安裝試驗(yàn)成本(包含人員培訓(xùn)成本)，如表2所示。

表2 兩種方案的一次投資成本

5.2.2 運(yùn)行成本CO

電力變壓器的運(yùn)行成本CO忽略掉人工費(fèi)用及其他成本，主要包括損耗成本、維護(hù)成本、環(huán)保成本。

因此電力變壓器的運(yùn)行成本C0如表3所示。

表3 兩種方案的運(yùn)行成本

5.3.3 中斷供電損失成本CF

電力變壓器的中斷供電損失成本CF包括斷電損失成本以及修復(fù)成本，可將表1的參數(shù)數(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 兩種方案的中斷供電損失成本

5.4.4 報(bào)廢成本

電力變壓器的報(bào)廢成本主要包括處理成本和殘值，如表5所示。

表5 兩種方案的報(bào)廢成本

5.4.5 兩種方案的LCC比較

兩種方案的LCC比較結(jié)果如表6所示。

表6 兩種方案的LCC比較結(jié)果

通過表6的LCC比較可以看出，除了一次投資成本外，方案B在運(yùn)行成本、中斷供電損失成本、報(bào)廢成本三方面均優(yōu)于方案A，而且LCC總費(fèi)用比方案A少投入360萬元左右，故推薦采用方案B。

5.4.6 LCC結(jié)果分析

通過對(duì)表6的數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出:

(1)方案A和方案B的一次投資成本在各自LCC中的比例分別為30.47%和34.42%，所占比例都較小。

(2)方案A和方案B的運(yùn)行成本在各自LCC中的比例分別為62.94%和59.73%，所占比例都在60%左右。

(3)方案A和方案B的中斷供電損失成本在各自LCC中的比例分別為8.5%和7.56%，所占比列都很小。

所以，在電力變壓器的LCC組成中，運(yùn)行成本的改變對(duì)LCC的大小影響程度很大，正因?yàn)槿绱耍桨窧在初始投入時(shí)增加的6%左右的額外投資用于改善電力變壓器性能，并起到了產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。例如降低了負(fù)載損耗，節(jié)約了運(yùn)行損耗成本;改善了零部件性能，延長(zhǎng)了檢修周期。雖然從短期效益看，方案B是多花錢了的，但是從長(zhǎng)期考慮，可明顯降低電力變壓器的全壽命周期成本。

6 結(jié)論

電力變壓器的全壽命周期成本分析不僅可以應(yīng)用在選型方面，而且在更新改造方面也可以作為經(jīng)濟(jì)性分析的重要方法，是今后對(duì)不同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的發(fā)展趨勢(shì)。

本文介紹了電力變壓器的LCC模型，并通過工程計(jì)算和結(jié)果分析，得出了降低電力變壓器LCC費(fèi)用的可行性方法:

(1)在初始投入時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾油顿Y，改善電力變壓器的性能，如選擇節(jié)能型電力變壓器，可較大幅度減小運(yùn)行損耗成本，從而降低電力變壓器的LCC。

(2)狀態(tài)檢修能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的設(shè)備維護(hù)管理，以狀態(tài)檢修代替常規(guī)的計(jì)劃?rùn)z修，可減小設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，從而降低電力變壓器的LCC。

［1］Jun H K，Kim J H.Life Cycle Cost Modeling for Railway Vehicle［J］.IEE，2007.

［2］夫蘭克林A C，夫蘭克林D P.電力變壓器全書［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［3］姜益民.電力變壓器的全壽命周期成本分析［J］.上海電力，2004(3):188－191.

［4］International Electrotechnical Commission，Life Cycle Costing［Z］.International Standard 60300 －3 －3，2004.

［5］張俊.基于全壽命周期成本(LCC)的變電站建設(shè)的決策分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［6］李濤，馬薇，黃曉蓓.基于全壽命周期成本理論的變電設(shè)備管理［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12):50 －53.

［7］郭基偉，謝敬東，唐國慶.電力設(shè)備管理中的壽命周期費(fèi)用分析［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(4):13 －15.

［8］姚明，陳紅兵，李莉華，等.全壽命周期成本(LCC)方法在500 kV地下變站 GIS采購中的應(yīng)用［J］.中國電力，2008，41(8):32－34.

［9］騰樂天，陳紅兵，王怡風(fēng).LCC在設(shè)備采購中的應(yīng)用實(shí)踐［J］.華東電力，2007，35(10):27 －29.

［10］騰樂天，李力，韓天祥.以LCC理念進(jìn)行可靠性管理的探討與實(shí)踐［J］.上海電力，2005，18(1):65 －67.