基于全生命周期成本理論的變電站決策選型研究

王乙斐，劉 怡

(長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

經(jīng)濟(jì)成本最小化始終是企業(yè)追求的最終目標(biāo)，如何合理、經(jīng)濟(jì)地選擇配電裝置類(lèi)型，對(duì)變電站的投資有著至關(guān)重要的影響[1-2]。本文在AIS和GIS兩種不同類(lèi)型變電站的選型過(guò)程中引入了全壽命周期理論，對(duì)其全周期成本進(jìn)行計(jì)算和比較，實(shí)現(xiàn)了各階段成本費(fèi)用的可視性，為變電站在決策選型階段提供了一定的理論指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了配電裝置的經(jīng)濟(jì)性選擇。

1 AIS與GIS變電站優(yōu)劣性比較

1.1 AIS相對(duì)于GIS的構(gòu)件可視性

作為傳統(tǒng)的敞開(kāi)式配電裝置，AIS變電站十分成熟。采用瓷套作為絕緣材料大大降低了成本，設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立與主接線一一對(duì)應(yīng)，布局清晰可觀，利于操作。GIS屬于全封閉設(shè)備，發(fā)生故障時(shí)需要進(jìn)行解體檢修，檢修工作長(zhǎng)且對(duì)工藝要求極其嚴(yán)格。

1.2 AIS相對(duì)于GIS的價(jià)格優(yōu)勢(shì)性

AIS設(shè)備發(fā)展成熟，國(guó)內(nèi)外制造廠商多已大規(guī)模批量化生產(chǎn)，價(jià)格極具競(jìng)爭(zhēng)性。而GIS設(shè)備價(jià)格昂貴，增加前期投資，業(yè)主可接受程度相對(duì)較低。

1.3 GIS相對(duì)于AIS的安裝便捷性

AIS配電裝置采用戶外布置，采用空氣距離作為絕緣要求，占地面積較大，不利于節(jié)約集約用地政策。每個(gè)戶外設(shè)備都有獨(dú)立的基礎(chǔ)，對(duì)土建工程要求高。而GIS選擇SF6作為絕緣介質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，其模塊在工廠中將事先預(yù)制和測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試無(wú)過(guò)多接口協(xié)調(diào)問(wèn)題，建設(shè)周期短。

1.4 GIS相對(duì)于AIS的運(yùn)行可靠性

AIS設(shè)備的絕緣材料裸露在外，空氣中的水分易附著于表面，可能引起絕緣電阻降低、泄漏電流增加、絕緣層被擊穿，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。而GIS元件封裝在金屬殼體，可屏蔽靜電和電磁干擾，且不存在接觸性故障，屬于高可靠性、免(少)維護(hù)的開(kāi)關(guān)設(shè)備。

2 變電站的LCC模型

變電站LCC模型是指變電站經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)的全過(guò)程成本，包含了一次性成本(investment cost，IC)[3-5]，行維護(hù)成本(operation and maintenance cost，OMC),故障引起的中斷供電損失成本(failure cost，F(xiàn)C)，報(bào)廢成本(discard cost，DC)。在輸變電工程管理中應(yīng)用LCC方法的基本模型可表達(dá)為：

2.1 一次性成本

一次性成本是指變電站在正式運(yùn)行之前，所需付出的成本，涉及到了規(guī)劃、涉及、采購(gòu)、建設(shè)、征地等多方面費(fèi)用。同時(shí)，還需考慮到安裝和調(diào)試各設(shè)備期間的所有材料費(fèi)、人工費(fèi)和機(jī)械費(fèi)。通常，在完成變電站的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，對(duì)于上述的一次性投資成本，可采用工程法，采用工程預(yù)算中的參考定額和費(fèi)用，對(duì)各項(xiàng)所需成本費(fèi)用進(jìn)行估算，然后疊加即可。

2.2 運(yùn)行維護(hù)成本

運(yùn)行維護(hù)成本包含了運(yùn)行成本和維護(hù)修理成本。其中，變電站的運(yùn)行成本是指在變電站運(yùn)行期間所花費(fèi)的一切費(fèi)用總和，包括能耗費(fèi)、人工費(fèi)、環(huán)境費(fèi)用以及其他費(fèi)用。維護(hù)修理成本是指主要電氣設(shè)備，如變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器等主要設(shè)備的周期性檢修和非周期性檢修費(fèi)用。

2.3 中斷供電損失成本

中斷供電損失成本是指在變電站運(yùn)行中由于故障或事故引起中斷供電而發(fā)生的成本。供電中斷將減少電力企業(yè)供電量和售電收入，對(duì)用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，電力企業(yè)將事故引發(fā)的中斷供電損失作為自己的成本是符合實(shí)際的。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)成本造價(jià)管理中，中斷供電引起的成本損失常被忽略，但卻是全生命周期管理過(guò)程中重要組成部分。

故障引起的中斷供電損失成本由多個(gè)因素決定，可由下述模型進(jìn)行估算：

式中：α·P·T為斷電成本，萬(wàn)元；λ·RC·MTTR為修復(fù)成本，萬(wàn)元；P為設(shè)備故障中斷供電功率，kW；T為設(shè)備年故障中斷供電時(shí)間，h；λ為設(shè)備年平均故障數(shù)；RC為設(shè)備故障平均修復(fù)成本，萬(wàn)元/ h；MTTR為設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間，h；α為平均中斷供電電量?jī)r(jià)值，萬(wàn)元/ kWh。

2.4 報(bào)廢成本

報(bào)廢成本是指變電站退役時(shí)處理費(fèi)(如拆除、運(yùn)輸、銷(xiāo)毀等費(fèi)用)減去設(shè)備退役時(shí)的殘值(如可回收費(fèi)用)。由于配電裝置設(shè)計(jì)的金屬設(shè)備較多，因此其殘值可按照配電裝置費(fèi)用的5%～10%考慮。報(bào)廢成本可由下述模型進(jìn)行估算：

式中：Cf變?yōu)殡娬镜耐艘厶幚碣M(fèi)，萬(wàn)元；S為變電站的殘值，萬(wàn)元。

3 LCC模型在變電站選型中的應(yīng)用分析

工程項(xiàng)目建設(shè)最終應(yīng)取決于其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，不僅包含建設(shè)成本，還應(yīng)考慮到變電站運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本的管理。僅考慮直觀的設(shè)備造價(jià)是片面的，總投資應(yīng)以全壽命周期成本最小為指導(dǎo)，從初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、供電可靠性等各方面進(jìn)行綜合管理，才能實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。本章基于LCC模型對(duì)AIS和GIS兩種方案下的某變電站造價(jià)進(jìn)行研究分析。

3.1 變電站工程概況

該變電站為230 kV新建站，占地規(guī)模不超過(guò)200 m×200 m(長(zhǎng)×寬)，規(guī)劃220 kV主變2臺(tái)，本期2臺(tái)，容量2×90 MVA；220 kV出線本期4回，雙母線接線方式。230 kV配電裝置主接線如圖1所示。

圖1 某變電站230 kV配電裝置接線圖

3.2 兩種方案的LCC估算

本節(jié)著重以運(yùn)行全生命周期管理方法對(duì)該230 kV變電站采用合資AIS(方案A)和合資GIS(方案B)兩種方案進(jìn)行計(jì)算、分析、評(píng)估和決策。規(guī)定在LCC成本計(jì)算過(guò)程中，設(shè)備故障率、故障修復(fù)時(shí)間將參考我國(guó)相關(guān)檢修部門(mén)處理的經(jīng)驗(yàn)值；設(shè)備故障中斷供電功率按照該230 kV變電站平均負(fù)荷的75%考慮，約為10 MW；配電裝置全生命周期按30 a計(jì)；每小時(shí)停電損失成本以項(xiàng)目業(yè)主方提供的1.5美元/ kWh計(jì)(已考慮相關(guān)社會(huì)效益，換算人民幣為0.001萬(wàn)元/kWh)。

3.2.1 一次性成本計(jì)算

參考近年來(lái)AIS與GIS設(shè)備的采購(gòu)市場(chǎng)價(jià)格及國(guó)內(nèi)大量類(lèi)似已建工程的成本決算，主要經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)比例見(jiàn)表1所列。

表1 AIS與GIS主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

本項(xiàng)目向某國(guó)際知名電氣品牌就GIS設(shè)備進(jìn)行了詢價(jià)，綜合運(yùn)雜費(fèi)、安裝費(fèi)并結(jié)合表1中的比例，兩種方案的一次性成本見(jiàn)表2所列。

表2 兩種方案的一次性成本對(duì)比萬(wàn)元

3.2.2 運(yùn)行維護(hù)成本計(jì)算

參考國(guó)內(nèi)某電力企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輸變電設(shè)備的檢修可分為A、B、C、D、E五級(jí)。其中，A級(jí)檢修指整體性檢查、維修、更換和試驗(yàn)；B級(jí)檢修指局部性檢修，部件的解體檢查、維修、更換和試驗(yàn)；C級(jí)檢修是對(duì)設(shè)備進(jìn)行常規(guī)性檢查、維護(hù)和試驗(yàn)；D級(jí)檢修指設(shè)備在不停電狀態(tài)下進(jìn)行的帶電測(cè)試、外觀檢查和維修；E級(jí)檢修指設(shè)備帶電情況下的帶電檢修、維護(hù)或者更換。通過(guò)與項(xiàng)目國(guó)電力運(yùn)維部門(mén)溝通，上述五種檢修分類(lèi)基本可用于本項(xiàng)目的實(shí)際建設(shè)情況[6-9]。參考國(guó)家電網(wǎng)檢修定額標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備廠方指導(dǎo)價(jià)格(包含了人工費(fèi)用，考慮當(dāng)?shù)厝肆Τ杀?，表3和表4列出了各類(lèi)檢修所發(fā)生的費(fèi)用，表5預(yù)計(jì)了在全生命周期內(nèi)兩種方案的維修方式及費(fèi)用。

表3 A級(jí)檢修成本

表4 B、C、D級(jí)檢修成本萬(wàn)元

表5 兩種方案在30 a內(nèi)的維修類(lèi)型及費(fèi)用情況

此外，考慮到當(dāng)?shù)氐娜肆Y源成本，假定兩種方案平均運(yùn)行維護(hù)成本按2萬(wàn)元/a計(jì)，環(huán)境維護(hù)成本按0.5萬(wàn)元/a計(jì)。

3.2.3 中斷成本計(jì)算

中斷供電損失成本的估算著重對(duì)兩個(gè)方案因故障或事故引起停電時(shí)斷電成本進(jìn)行估算。統(tǒng)計(jì)表明，GIS設(shè)備事故率通常為常規(guī)設(shè)備的16.6%～40%。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)72.5 kV及其以上輸變電設(shè)備5 a內(nèi)的可靠性統(tǒng)計(jì)資料，220 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性計(jì)算參數(shù)和中斷供電成本見(jiàn)表6所列。

表6 兩種方案的中斷供電成本計(jì)算

3.2.4 報(bào)廢成本計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)維部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)及其對(duì)相關(guān)固定資產(chǎn)處置辦法，AIS與GIS變電站設(shè)備運(yùn)行至30年后，設(shè)備殘值可等同于金屬物品處置價(jià)格可分別按設(shè)配電裝置費(fèi)用的5%和10%進(jìn)行考慮，退役處理費(fèi)均按照Cf取10萬(wàn)元。

3.2.5 兩種方案的LCC計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(2)，兩種方案的LCC估算成本，見(jiàn)表7所列。

表7 LCC估算成本明細(xì)

比較兩種方案全生命周期LCC成本可知，GIS方案要比AIS方案在設(shè)備采購(gòu)和安裝的一次性成本階段投入比重多23%，但由于GIS變電站具有較低的故障率和維護(hù)的方便性，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，GIS的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始逐漸體現(xiàn)，在運(yùn)行維護(hù)和中斷供電階段成本投入占比比AIS方案低18.3%，綜合最終的報(bào)廢成本，GIS方案的總投入相反更低?？紤]到GIS裝備技術(shù)的先進(jìn)性和運(yùn)行的可靠性，故優(yōu)先推薦GIS方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于全生命周期成本理論的AIS與GIS變電站選型決策研究理論，計(jì)算了變電站在設(shè)備采購(gòu)與安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、中斷供電及設(shè)備報(bào)廢的各階段費(fèi)用。將全生命周期成本作為變電站選型的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在規(guī)劃階段充分考慮全過(guò)程的可能費(fèi)用，避免了僅關(guān)注初期直接投資而造成后期間接費(fèi)用過(guò)大的情況，從源頭提高設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案選擇的科學(xué)合理化。