基于全壽命周期的220kV主變壓器投資決策研究

溫偉 王正 谷志紅

摘要：220kV主變壓器作為變電系統(tǒng)的重要而普遍的電力設(shè)備，如何投資決策建設(shè)是變壓器的重中之重。本文主要分析220kV主變壓器在建設(shè)、運(yùn)營、檢修、故障處理和退役處置各階段的費(fèi)用關(guān)系，構(gòu)建基于系統(tǒng)動力學(xué)的核算模型，同時引入熵權(quán)法—TOPSIS方法進(jìn)行多方案比選，以供參考。

關(guān)鍵詞：全壽命周期；投資決策；220kV主變壓器；系統(tǒng)動力學(xué)；熵權(quán)法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240409

基金項目：國網(wǎng)山西經(jīng)研院2023年群眾性創(chuàng)新項目

項目編號：520533230008

作為電力系統(tǒng)的核心變電設(shè)備，變電站主變壓器的作用顯而易見，其運(yùn)行狀態(tài)對整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有重要影響。在配電網(wǎng)建設(shè)的整體投資中，設(shè)備投資占比較高，電力企業(yè)一直將電力設(shè)備的選型投資決策作為關(guān)注的重點(diǎn)。隨著國家電網(wǎng)公司于2002年首次在上海市泰和變電站全面推行全壽命周期管理并取得了預(yù)期效果后，全壽命周期管理逐漸在國家電網(wǎng)公司內(nèi)部推廣。

目前電力設(shè)備各項費(fèi)用以LCC為最優(yōu)目標(biāo)的方法被廣泛使用。李濤等采用線性回歸分析法，對變電站成本因素分析并判斷各因素的相關(guān)關(guān)系，解決變電設(shè)備安全管理問題。郭基偉采用蒙特卡洛方法，模擬和分析設(shè)備在運(yùn)行期間的故障情況，并提出設(shè)備全壽命周期內(nèi)的維修方案。史京楠提出在整個系統(tǒng)的生命周期中，通過最小化LCC降低總體成本，為變電工程規(guī)劃提供修正建議。但目前還沒有出現(xiàn)追求電力設(shè)備LCC成本與其他各項指標(biāo)為最優(yōu)的投資決策研究。本文基于系統(tǒng)動力學(xué)對220kV主變壓器的LCC進(jìn)行建模分析，得出220kV主變壓器的各個時期LCC的變化狀況，基于熵權(quán)法—TOPSIS追求該設(shè)備LCC及其他指標(biāo)最優(yōu)的投資決策方案。

一、全壽命周期成本影響因素分析

以系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，220kV主變壓器的全壽命周期成本由一個連續(xù)演變且完善的系統(tǒng)體系構(gòu)成，由多方面因素構(gòu)成，具體而言，可將220kV主變壓器全壽命周期成本劃分成前期投資成本、運(yùn)行成本、檢修成本、故障成本、退役處置成本五部分。在220kV主變壓器的全生命周期中，發(fā)生在不同階段的因素會對總成本產(chǎn)生不同的影響。

第一，前期投資成本。220kV變壓器在科研、設(shè)計規(guī)劃、招投標(biāo)等前期環(huán)節(jié)產(chǎn)生的成本即該變壓器的資產(chǎn)原值。

第二，運(yùn)行成本。變壓器投運(yùn)后，為確保正常運(yùn)行需進(jìn)行維護(hù)，該過程中產(chǎn)生的成本就是運(yùn)行成本。

第三，檢修成本。主變壓器的維修費(fèi)用通常分為定期發(fā)生的大型維修和小型維修的成本。主變壓器的大修成本涉及在停電時對變壓器本體和內(nèi)部組件進(jìn)行排油、拆卸和檢修的費(fèi)用。主變壓器小修成本是指在停電狀態(tài)下對變壓器箱體及組部件進(jìn)行的檢修所花費(fèi)的費(fèi)用。

第四，故障成本。故障成本主要包括故障損失費(fèi)和故障檢修費(fèi)兩部分，具體計算方法為：故障損失費(fèi)用=年平均故障系數(shù)×故障平均修復(fù)時間×單位時間故障損失費(fèi)用；故障檢修費(fèi)用=年平均故障系數(shù)×故障平均修復(fù)時間×單位時間故障檢修費(fèi)用。

第五，退役處置成本。主要關(guān)注凈殘值，包括廢舊設(shè)備的殘值、拆除和清理費(fèi)用以及廢物處理等相關(guān)開支。

二、全壽命周期成本模型構(gòu)建

在220kV主變?nèi)珘勖芷诔杀居绊懸蛩胤治龌A(chǔ)上，建立220kV主變?nèi)珘勖芷诔杀灸Ｐ?，包括狀態(tài)變量、輔助變量和常量三類關(guān)鍵變量。確定系統(tǒng)因素及其內(nèi)在聯(lián)系后，為在計算機(jī)上實現(xiàn)模擬，需構(gòu)建一個系統(tǒng)流程圖，如圖1所示，滿足因果關(guān)系圖表達(dá)的模型運(yùn)行條件，有效模擬220kV主變壓器在全生命周期中成本的動態(tài)演變。

對于220kV主變?nèi)珘勖芷诘馁M(fèi)用成本，以某省220kV主變壓器的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和公式導(dǎo)入全壽命周期成本存量流量圖中后，該220kV主變壓器全壽命周期成本及變化率如圖2、圖3所示。

該設(shè)備全壽命周期成本的累加在第一年到第二年存在突增，后面為緩慢平滑增長的趨勢，這是由于在設(shè)備投入的第一年是資金、勞動最密集投入的時間節(jié)點(diǎn)，與實際相符。

從全壽命周期成本變化率曲線可以看到，除第一年有一個成本高點(diǎn)外，第10年、第20年、第26年均存在相對不明顯的高點(diǎn)，且第26年的高點(diǎn)顯著高于其余兩點(diǎn)，說明該點(diǎn)不同于其余兩點(diǎn)出現(xiàn)的事件。實際上，該三點(diǎn)對應(yīng)的分別是第一次大修、第二次大修、報廢處置。與此同時，圖中還存在高點(diǎn)以外的波動，這是由于小修或其他費(fèi)用產(chǎn)生的影響。

三、主變壓器投資決策模型及建議

結(jié)合前文對全壽命周期成本模型的構(gòu)建，可以得出主變工程投資決策的部分經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，本文采取成本計算中的主要費(fèi)用指標(biāo)，即全壽命周期成本、設(shè)備及工器具購置費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)、運(yùn)行成本、檢修成本作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，采用供電可靠性、平均停電時間、電壓合格率、主變負(fù)載率作為技術(shù)性指標(biāo)。

為充分量化各指標(biāo)，得出客觀的投資決策建議，采用熵權(quán)法—TOPSIS相結(jié)合構(gòu)建投資決策模型，為投資決策依據(jù)和理論支持。模型構(gòu)建的具體步驟如下：

第一，指標(biāo)矩體系的建立，設(shè)有n個方案，m個評價指標(biāo)，構(gòu)建矩陣Xij表示第i個方案的第i個評價指標(biāo)。

第二，指標(biāo)無量綱化。

第三，權(quán)重的分配。

通常情況下，在整體評估過程中，特定評價指標(biāo)與其理想最值的差距越顯著，說明其所攜帶的信息量越少，指標(biāo)的重要性更加突出。當(dāng)不同評估對象在該指標(biāo)的信息熵方面表現(xiàn)出顯著差異時，應(yīng)當(dāng)給予重點(diǎn)關(guān)注。以下是具體的計算方法：

第五，確定正負(fù)理想解。

正理想解的數(shù)值為該指標(biāo)中的最優(yōu)值，負(fù)理想解的數(shù)值為該指標(biāo)中的最劣值，確定各方案與正負(fù)理想解方案的歐氏距離。設(shè)正理想解為：，負(fù)理想解為：

第六，計算歐式距離。

為驗證方法的合理性，本文選取某地為優(yōu)化當(dāng)?shù)氐闹髯儔浩鹘ㄔO(shè)而擬考慮的四種決定投資規(guī)劃方案，運(yùn)用基于熵權(quán)法—TOPSIS法對四個方案進(jìn)行投資決策分析。指標(biāo)A－I分別為供電可靠性（%）、平均停電時間（h）、電壓合格率（%）、主變負(fù)載率（%）、全壽命周期成本（萬元）、設(shè)備及工器具購置費(fèi)（萬元）、安裝調(diào)試費(fèi)（萬元）、運(yùn)行費(fèi)用（萬元）、檢修費(fèi)用（萬元）。原始數(shù)據(jù)如表1所示。

四、結(jié)語

綜上所述，本文分析了220kV主變壓器的建設(shè)、運(yùn)營、檢修、故障處理、退役處置各階段的費(fèi)用關(guān)系，構(gòu)建了基于系統(tǒng)動力學(xué)的核算模型，以更好地計算變壓器全生命周期內(nèi)的成本。利用該模型，比選了不同廠家、不同方案的建設(shè)、運(yùn)營、檢修、故障處理和退役處置等多方面的方案，為決策者提供了更為準(zhǔn)確和全面的建議。同時，引入熵權(quán)法—TOPSIS法進(jìn)行多方案比選，綜合考慮技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響等指標(biāo)，得出更為合理和全面的方案。總之，通過全生命周期分析和核算以及多方案比選，有助于確保設(shè)備的合理建設(shè)和科學(xué)運(yùn)營，提高變壓器的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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