變電站全壽命周期成本管理

俞 勝

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 211100）

0 引 言

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡稱LCC）管理是在可靠性的基礎(chǔ)上，使工程和系統(tǒng)壽命擁有成本為最低的管理。對于電力系統(tǒng)新建工程而言，選擇初次投資最低的方案通常是不科學的，因為電力工程后期的運行、維護及設(shè)備故障等的維護成本往往是初次購買成本的幾倍[1]。因此，實際工程中，需要結(jié)合電力工程的特點，結(jié)合工程全壽命周期管理的理念，對多種因素反復權(quán)衡，控制好全壽命周期費用和預(yù)期效能，以達到質(zhì)量、費用等最佳目標點的契合，確保建成的項目達到全壽命管理的目標。

1 工程全壽命周期管理的思路與意義

1.1 工程全壽命周期成本管理的思路

工程全壽命周期管理是基于設(shè)備或系統(tǒng)的可研論證，包括采購、安裝、運行、檢修、報廢回收、人工及環(huán)保等整個價值鏈的全壽命周期管理，是一種按照系統(tǒng)工程的觀點分配費用的決策技術(shù)，目的是實現(xiàn)在不損失項目功能的情況下實現(xiàn)全壽命成本費用的最小化。將全壽命周期管理應(yīng)用于變電站工程項目中，即對變電站工程項目全壽命周期內(nèi)不同環(huán)節(jié)、活動等給予全方位、全過程的管理。變電站全壽命周期成本主要有運行成本、投入成本、故障成本、維護成本與廢棄成本六項。

變電工程因有其固有特征，其LCC計算模型可簡化為：

式中：LCC為全壽命周期成本；CI為投入成本，包括采購成本和建設(shè)成本；CO為運行成本；CM為維護成本；CF為故障成本，亦稱懲罰成本；CD為廢棄成本。

變電站工程LCC計算可采用終值法、等額年金法與現(xiàn)值法等實現(xiàn)成本對比，而本報告建議應(yīng)用現(xiàn)值法展開分析。

1.2 工程全壽命周期管理的意義

在變電站工程建設(shè)過程中，應(yīng)當嚴格執(zhí)行全壽命周期管理。按照全壽命周期成本最小化和效能最大化原則，選擇最佳的設(shè)計方案，從而更加科學地設(shè)計和選擇配套設(shè)備，以便在確保設(shè)計質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)工程項目壽命周期成本相對最小化的目標，同時實現(xiàn)工程項目建設(shè)的最大經(jīng)濟效能與最大社會效益[2]。只有這樣才能使建成后的變電站工程運營可靠、安全，全壽命周期成本低、資源節(jié)約、效率高以及對環(huán)境影響小，并最終對社會和歷史負責，共同建設(shè)和諧電網(wǎng)，構(gòu)造和諧企業(yè)，服務(wù)和諧社會。

2 220 kV變電站全壽命周期成本最優(yōu)設(shè)計

2.1 實現(xiàn)經(jīng)濟效益的方案

2.1.1 優(yōu)化主接線方式

優(yōu)化電氣接線方式。結(jié)合地區(qū)220 kV網(wǎng)架現(xiàn)狀和變電站終期規(guī)模，調(diào)研110kV對側(cè)變電站電源點規(guī)劃，對110kV母線接線的靈活性和可靠性進行定性分析和定量計算；結(jié)合配電網(wǎng)規(guī)劃和開關(guān)柜設(shè)備選型，對10kV母線接線的靈活性和經(jīng)濟性進行對比，選擇最優(yōu)主接線方案。

2.1.2 總平面布置優(yōu)化

電氣平面布置力求緊湊合理，出線方便，減少占地面積，節(jié)省投資，并滿足城市規(guī)劃用地要求。

（1）配電裝置布置“車間化”，戶內(nèi)變電站建筑物“單層化”

基于“大車間”布置理念，220 kV、110kV GIS一列布置，與10kV開關(guān)柜對列布置，3個電壓等級配電裝置共用安裝、檢修、運維通道，節(jié)省建筑空間，實現(xiàn)配電裝置布置單層化、車間化和集成化。

（2）向空間要平面，實現(xiàn)土地資源利用集約化

主變本體與散熱器錯層布置，散熱器下方布置無功補償室，電抗器和電容器組布置于無功補償室內(nèi)，合理利用空間。綜合考慮設(shè)備安裝、擴建及運維檢修等因素，合理降低建筑物高度。例如，配電裝置室凈高降至6.5 m，減小建筑體積；事故油池、消防水池地下布置，壓縮場區(qū)占地。

2.1.3 主變壓器選擇

結(jié)合短路電流水平和無功補償配置，選用高阻抗自冷三相自耦有載調(diào)壓變壓器，全壽命周期費用最優(yōu)。

2.1.4 主變進線選擇及優(yōu)化布置

結(jié)合站區(qū)平面布置，以全壽命周期理念，從設(shè)備投資、施工難度和檢修調(diào)試工作量等方面對高中壓側(cè)電纜進線、GIL（SF6套管）進線、低壓側(cè)電纜進線、銅排進線以及全絕緣銅管母線進線等方面分別進行分析比較，論證220 kV側(cè)電纜進線、110kV側(cè)電纜進線以及10kV側(cè)全絕緣銅管母線方案的技術(shù)和經(jīng)濟合理性。

2.1.5 二次設(shè)備集成優(yōu)化

結(jié)合220 kV變電站的配電裝置型式和模塊化二次設(shè)備布置特點，以國家電網(wǎng)公司調(diào)自[2013]185號《國調(diào)中心關(guān)于印發(fā)變電站二次系統(tǒng)和設(shè)備有關(guān)技術(shù)研討會紀要的通知》文件中規(guī)定的設(shè)備應(yīng)具有的功能為原則，結(jié)合已經(jīng)投運的智能變電站運行經(jīng)驗，對二次設(shè)備集成優(yōu)化設(shè)計進行探討，并提出符合工程實際、節(jié)省投資的設(shè)備集成優(yōu)化方案。站內(nèi)一體化業(yè)務(wù)平臺的搭建，應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)分作3個層次，即站控層、結(jié)構(gòu)層和過程層。

（1）站控層設(shè)備優(yōu)化整合

監(jiān)控主機兼操作員站2臺。專門進行站內(nèi)各類數(shù)據(jù)的采集處理，對站內(nèi)所用設(shè)備進行操作控制、監(jiān)控管理、信息全面分析與智能告警等。監(jiān)控主機是站內(nèi)運行監(jiān)控的主要人機界面，監(jiān)控全站一、二次設(shè)備運行情況，進行設(shè)備的遠程操作控制，還能實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)與參數(shù)的查詢。不設(shè)獨立的工程師工作站，功能集成在主機兼操作員站中，實現(xiàn)變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的配置、維護和管理；不設(shè)獨立的計劃管理終端，功能集成在監(jiān)控主機中，實現(xiàn)調(diào)度計劃、檢修工作票、保護定值單的管理等功能；不設(shè)獨立的數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器功能整合在監(jiān)控主機中，變電站全景數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，以便為站控層設(shè)備與應(yīng)用供給更多的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

綜合應(yīng)用服務(wù)器1臺。接收站內(nèi)一次設(shè)備在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)、設(shè)備基礎(chǔ)信息等，且結(jié)合實際情況對其展開集中分析與處理。不設(shè)獨立的III/IV區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機，軟件功能部署在綜合應(yīng)用服務(wù)器，實現(xiàn)與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等其他主站系統(tǒng)的信息傳輸。

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機2臺。依靠雙重化配置方案進行站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)專用通道將實時信息傳送至調(diào)度（調(diào)控）中心，進而完成調(diào)度（調(diào)控）中心操作與控制命令的接收。設(shè)備則根據(jù)無硬盤、無風扇要求進行設(shè)計。

一體化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主機、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機等設(shè)備都體現(xiàn)了整合優(yōu)化的概念。

（2）間隔層設(shè)備優(yōu)化整合

220 kV采用測控、計量、合并單元、智能終端多合一裝置；110kV采用保護、測控、合并單元、智能終端、計量等功能多合一裝置，并下放布置于現(xiàn)場的GIS預(yù)制式智能控制柜中，簡化了光口、光纜和二次接線。

（3）過程層設(shè)備優(yōu)化整合

整合智能終端與一次設(shè)備機構(gòu)冗余的電氣回路，取消跨間隔間的電氣閉鎖，減少電纜用量；合并單元與智能終端整合，共用采集、通信、電源接口；過程層網(wǎng)絡(luò)間隔內(nèi)不組網(wǎng)，間隔間通過相應(yīng)的過程層中心交換機實現(xiàn)互聯(lián)。220 kV過程層采用新型“三層兩網(wǎng)”，間隔內(nèi)點對點+跨間隔組網(wǎng)方案；110kV側(cè)采用“GOOSE+SV+MMS三網(wǎng)合一”方案，在不影響系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，有效節(jié)約了工程投資。

2.2 實現(xiàn)社會效益的方案

2.2.1 變電站建筑物優(yōu)化

本文變電站建筑根據(jù)無人值守智能變電站的性質(zhì)和工藝要求進行布置，采用鋼結(jié)構(gòu)裝配結(jié)構(gòu)體系，具有抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高、外形美觀、綠色和環(huán)保等一系列優(yōu)點，利于圍護，拆卸方便，建筑結(jié)構(gòu)預(yù)制率達95%。綜合對比抗震設(shè)防烈度為6°～8°時，推薦采用無支撐鋼框架結(jié)構(gòu)。在用鋼量基本相當?shù)那闆r下，保證較大的室內(nèi)空間，方便設(shè)備管線布置，減少構(gòu)件數(shù)量，施工更加快捷。建筑物優(yōu)先采用H型鋼柱。屋面采用新型鋼筋桁架樓承板（M型）組合樓板，壓型鋼板底模采用直肋設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)采用翼緣焊接，腹板采用10.9級高強度螺栓栓接的連接形式，現(xiàn)場安裝快捷、高效，結(jié)構(gòu)抗震性能好。

2.2.2 全站構(gòu)筑物選擇

裝配式變電站體現(xiàn)了國網(wǎng)公司“兩型三新一化”的變電站設(shè)計建設(shè)要求和全壽命周期理論的應(yīng)用。

（1）變電站圍墻采用鋼柱+水泥基擠塑空心板。采用工廠預(yù)制成品型鋼柱，橫裝水泥基擠塑空心板。圍墻頂部采用條紋板。板材兩端鑲嵌在立柱槽內(nèi)，板材縫隙用專業(yè)膠嵌縫。

（2）采用預(yù)制式水工構(gòu)筑物。利用預(yù)制式玻璃鋼事故油池、成品污水一體化、成品排水泵池取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。雨水回收系統(tǒng)亦符合國網(wǎng)“工廠化生產(chǎn)、模塊化、裝配式”的要求，并可節(jié)省大量水資源，具有明顯的經(jīng)濟、環(huán)境及社會效益。

2.2.3 一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

實施狀態(tài)檢修的必要性主要包括以下幾個方面：市場經(jīng)濟運營的要求，設(shè)備技術(shù)進步的要求，檢修管理科學性的要求，提高供電可靠性的要求，電力體制改革和減人增效的要求，檢修技術(shù)合理性的要求。結(jié)合變電站運行需求與設(shè)備全壽命周期管理理念，確定狀態(tài)監(jiān)測的范圍和參量，達到設(shè)備可用性、維修合理性和經(jīng)濟性的最佳平衡。

2.2.4 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

近年來，電力事業(yè)得到了大力發(fā)展，電力系統(tǒng)建設(shè)被提上日程，使保護測控裝置數(shù)量不斷增多，加重了二次舍爾比檢驗任務(wù)，定檢方式程序繁雜，耗時長，勞動力缺乏。對二次設(shè)備和二次回路采用在線監(jiān)測，能夠降低維護人員的工作強度，提高二次系統(tǒng)的可靠性。二次回路狀態(tài)監(jiān)測的重點即二次回路傳輸信息的準確性，重點針對智能變電站的網(wǎng)絡(luò)化特征。依照《新一代智能變電站典型設(shè)計》《2014年新一代智能變電站擴大示范工程技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定，明確保護控制設(shè)備（如多合一裝置、保護裝置、合并單元等）、交直流一體化電源系統(tǒng)、交換機的標準化自檢及自診斷狀態(tài)監(jiān)測信息流。

2.2.5 預(yù)制式二次組合設(shè)備的運輸、安裝方案

在基礎(chǔ)框架上方屏柜外側(cè)安裝可拆卸的輔助框架，使基礎(chǔ)框架與屏柜之間形成鋼性連接，防止運輸?shù)跹b過程中的沖擊、振動對模塊化二次組合設(shè)備產(chǎn)生不良影響。輔助框架安裝完成后，覆蓋定制的防雨罩，將模塊化二次組合設(shè)備整體吊裝至運輸車輛上。為保證運輸?shù)目煽啃?，可在基礎(chǔ)框架四角安裝標準集裝箱安裝角件將設(shè)備固定在車輛上。固定完成后，將模塊化二次組合設(shè)備模塊整體運輸至現(xiàn)場安裝[3]。設(shè)備送至吊裝平臺后，通過滾動摩擦，利用固定在建筑內(nèi)的拉力設(shè)備（如電葫蘆）或位于吊裝平臺上的推動設(shè)備（如千斤頂），將組合式二次設(shè)備拉或推至二次設(shè)備室內(nèi)就位。

2.2.6 變電站模塊化配置方案

對220 kV變電站的二次設(shè)備模塊化設(shè)備進行劃分，主要集中體現(xiàn)在二次設(shè)備室內(nèi)預(yù)制式二次組合設(shè)備和就地布置的預(yù)制式智能控制柜。二次設(shè)備進行模塊化生產(chǎn)，使得90%以上的設(shè)備都可以在廠家內(nèi)部集成和調(diào)試安裝，布置方式靈活，可以適應(yīng)各種地形條件，同時可以結(jié)合總平面的布置任意調(diào)整。相較于規(guī)模相同的智能變電站，它節(jié)省了人力物力的，控制了占地面積，在規(guī)定工期內(nèi)完成了施工，有利于設(shè)備的后期維護。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合220 kV變電站的工程特點及布置方案，分別從主接線、總平面布置優(yōu)化、二次設(shè)備集成、裝配式構(gòu)建物等角度進行比較分析，提出了實現(xiàn)最佳經(jīng)濟、社會效益目標?？梢?，應(yīng)用全壽命周期成本（LCC）管理理念和方法，可以更好地突出全壽命周期成本的設(shè)計理念。