变电工程全寿命周期设计辅助决策系统的研发

卜虎正， 刘志斌， 汪觉恒， 肖和卫， 张珑玲， 姚建刚

(1.湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082； 2.湖南省电力勘测设计院， 长沙 410007； 3.湖南省湘西电业局， 吉首 416000)

变电工程全寿命周期设计辅助决策系统的研发

卜虎正1， 刘志斌2， 汪觉恒2， 肖和卫3， 张珑玲3， 姚建刚1

(1.湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082； 2.湖南省电力勘测设计院， 长沙 410007； 3.湖南省湘西电业局， 吉首 416000)

针对变电项目现行造价管理的不足，结合全寿命理论和方法,研发了变电站项目全寿命设计决策系统，提出了适合我国国情的变电项目工程分解结构和费用分解结构，阐述了数据库设计、费用单元估算、全寿命费用评价实现的理论和方法。该系统可以合理确定和有效控制工程造价。

寿命周期成本； 变电工程； 决策系统； 费用估算； 费用评价

全寿命周期成本LCC(life cycle cost)是指设备在预期的寿命周期内，为其论证、研制、生产、使用与保障以及退役处置所支付的所有费用之和[1，2]。全寿命周期成本技术是从设备、项目的长期经济效益出发，全面考虑设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新，直至报废的全过程，使LCC最小的一种管理理念和方法[3]。此方法科学地划分设备在寿命周期内的一切费用项目，又利用统计资料和方法建立费用估算关系式和费用模型，从而可按不同需要相当准确地估算出设备寿命周期费用，供决策和管理之需。其核心内容是对设备、项目或系统的LCC进行分析，并进行决策。

目前，我国变电工程采用的工程造价管理模式是以定额为计价基础的全过程工程造价管理模式。这种模式表现出明显的不适应性：①工程造价管理的重点是实施阶段，没有把决策、设计阶段的造价管理放在突出的位置；②强调建设期建设成本，而对未来的运营和维护成本不予考虑或考虑很少，不能对全生命周期的工程造价进行有效控制与管理；③施行静态的工程造价管理方式，无法与工程造价要素市场价格同步，从而不能反映工程的真实价格，且与国外动态工程造价的管理不接轨。

文献[4]以全寿命周期成本理论为基础，对变电设备运行全过程的相关费用进行拆分，建立了变电设备的全寿命周期成本模型。文献[5]分析了变电站LCC各费用组成部分的内容和特点，确定了变电站LCC的费用估算关系式，提出了用计量经济学的方法求LCC费用关系式的方法；文献[6]通过将技术经济学中的寿命周期费用理论引入决策支持系统中，对形成的一种能适应现代化工程发展需要的决策支持系统进行了研究。

本文从研究变电站全生命周期(包括建设前期、建设期、使用期和翻新与拆除期等阶段)造价和成本问题出发，设计了变电工程全寿命设计辅助决策系统，为合理确定和有效控制工程造价，提高变电工程建设项目投资决策水平提供支持。

1 系统框架结构

变电工程全寿命设计决策系统采用最先进且成熟的多层体系Browser/Server(B/S)结构，从技术上保证系统灵活的扩展能力、良好的可再升级性能和快速移植的能力，其主要功能模块包括项目定义管理、费用估算、费用分析、LCC估算分析报告管理、用户管理、日志管理，系统框架见图1。

图1 变电项目全寿命设计决策系统框架

(1)项目定义管理。系统设计过程中，每次核算都是以项目为单位，一次核算作为一个项目来处理，这样可以便于管理、比较和核算。而每个项目可以由用户自行选择分解为若干费用节点，所有节点采用费用分解结构CBS(cost breakdown structure)来组织。

(2)费用估算。利用已完成项目的历史费用信息和工程属性信息，选择工程估算法、参数估算法、类比估算法或专家估算法对费用单元进行估算，然后得到项目的整体全寿命成本。

(3)费用分析。对历史费用进行管理同时对估算项目的全寿命费用进行经济评价，包括投资回收期分析、净年值分析、费用效用分析、灵敏度分析，为决策提供参考。

(4)LCC估算分析报告管理。该模块主要包括寿命周期费用估算分析报告的生成、加入、查看、编辑、删除等基本管理以及对寿命周期费用估算分析报告版本的管理。

(5)用户管理。采用用户分组方式进行管理，包括用户组管理、用户管理、用户组权限定义；

(6)日志管理。记录系统用户对系统的所有操作，并能按日期等分类查看；提供了对删除的历史进行查看或恢复的功能。

各模块中最核心的是全寿命费用估算和费用评价，这两个主要模块的实现又依赖于历史费用数据库的设计和费用估算方法的应用，下面将对系统实现的关键技术进行探讨。

2 历史费用数据库的建立

为了研究变电站的LCC，首先必须对变电站项目系统进行结构分解，确定变电站项目的各个组成要素，然后在此基础上分析各个要素的全寿命周期费用的构成。一般来说，变电站各组成要素的周期成本按阶段都可以分为初始成本、运行维修成本、报废成本，进而将各阶段成本更细的分解，直到可以独立核算的单元。这样便在变电项目各要素和阶段成本各要素之间建立起映射关系，形成一个二维的矩阵模型，按照此模型能建立起历史的项目费用数据库，作为项目全寿命周期成本估算和分析的基础。因此，数据库的建立关键依赖于合理地将变电站项目进行工程上的分解和费用上的分解。

2.1 变电工程项目分解

工程分解结构EBS(engineer breakdown structure)把项目要素按照系统原理和要求分解成互相独立、互相影响、互相联系的项目单元。按照变电站相关技术要求，本文将变电工程按专业系统进行分解成各个技术系统。变电站专业系统分解的结果如图2所示。本文的项目分解结构借鉴并结合了我国普遍使用的预算体系中变电工程的项目划分，可方便地从现有预算体系中获得费用数据。

图2 变电项目EBS

2.2 项目费用分解

变电站项目LCC的分解结构，是构建成本费用二维矩阵模型的前提，也是计算和管理项目LCC的依据。先按照过程分解的原则，可以将变电站LCC分为初始投资费用、运行维护费用、技改报废费用，然后按照要素分解原则，再将各部分进一步分解，变电站项目的CBS见图3。

图3 变电项目CBS

需要说明的是，变电工程EBS和CBS的分解详细程度有所不同，不能建立起完全的对应关系，例如安装工程费用不能分配到EBS每一个子系统，而只能分配到某几个子系统，同样，EBS的子系统也不一定包含CBS中所有的费用项目。

3 全寿命成本的计算模型及方法

历史项目数据库建立后，对项目进行分析计算时，可以对项目进行相应分解，结合历史变电项目的各属性信息，选择合适的数学模型对费用单元进行估算。寿命周期费用各费用单元的估算方法通常有工程估算法、参数估算法、类比法、以及专家估算法，通常这几种方法是交叉使用、相互补充的。

(1)工程估算法

该方法是按费用分解结构从基本费用单元起，自下而上逐项将整个工程在寿命周期内的所有费用单元累加起来得出寿命周期费用估算值。一般的，初始投资费用可以使用工程法。采用该方法进行估算时，当较低层次的费用单元尚无实际值时，可以使用参数估算法、类比估算法或专家估算法的估算值进行估算。其数学模型可表示为

(1)

式中：CF为上一级费用单元费用；n为费用单元数；Ci为第i项下级费用单元费用。

(2)专家估算法

专家估算法是由专家根据经验判断估算出寿命周期费用估计值。由多个专家分别独立估算，再加以综合，以提高估算精度。一般在数据不足或没有足够统计样本以及难以确定参数费用关系式时使用，或用于辅助其他估算方法。其数学模型为

(2)

式中：Ca为费用单元的专家估算值，是一个平均值；n为参与估算的专家数；Ci是第i个专家对该费用的估算值。

(3)类比估算法

类比估算法是参考相似工程的已知费用信息和其他数据资料，估算设各寿命周期费用的方法。运用此法时要考虑到相似工程之间参数的异同和不同时间、不同地域所造成的差别。该方法适用于工程建设的早期阶段，在不能采用参数估算方法和工程估算法时使用，也经常用于验证参数估算法的估算结果。其数学模型表示为

(3)

式中：C为待估算费用单元值；C′为相似工程费用单元费用；λ1、λ2、λ3为相关系数。

(4)参数估算法

参数估算法通过把寿命周期费用同各个因素联系起来，如体积、重量、性能参数、零部件个数等(一般不超过5个参数)，根据费用影响参数的数量及与费用的统计关系选择回归模型的形式，运用回归分析法建立参数费用估算关系式。

参数费用关系式的估算精度主要取决于同类工程的相似性，以及所选的影响费用的特征参数、关系式的形式及回归分析的统计样本数。该方法适用于可研论证早期。选择线性回归模型，单影响因素的选一元线性方程；多影响因素的选多元线性方程。若线性方程明显不成立或用相关性检验不满足线性统计关系时，采用非线性方程。设费用Y与费用影响参数X有稳定的线性关系

E(Y)=a+bX

(4)

通过n个试验数据，可以估计式中的a和b。

非线性方程可采用幂函数、指数函数和双曲线函数3种形式，即

(5)

幂函数y=axb

(6)

指数函数y=aebx

(7)

4 全寿命费用分析

(1)投资回收期分析

投资回收期是指以每年的净收益抵偿其全部投资(包括固定资产投资和流动资金)的时间。它反映一个项目偿还能力的重要指标。动态投资回收期计算考虑了投资的时间价值，其计算公式为

(8)

式中：CI表示现金流入；CO表示现金流出；(CI-CO)t表示第t年的现金流量；PD表示投资回收期。

(2)时间费用分析

净现值法是按照一定的折现率，将方案寿命周期内各年的净现金流量折算到计算年(通常是年初)的现值累加值。净现值的计算公式为

(9)

式中：i0为基准折现率；NPV为方案净现值；n为计算期。对于一个方案，若NPV≥0表示项目实施后收益率不小于基准收益率，方案可行；若NPV≤0则表示收益率未达到基准收益率，应拒绝方案。在多个方案比较时，应选择净现值最大的方案。

净年值法是将各个方案不同时点的净现金流量按基准收益率折算成与其等值的整个寿命周期内等额支付序列年值后再进行评价、比较的方法。净年值法的计算公式为

(A/P，i0，n)

(10)

(3)费用效用分析

全寿命费用评价中的费用效用公式为

(11)

系统效率是投入寿命周期成本后所取得的效果或者说明任务完成到什么程度的指标，对于变电站来说，系统效用主要体现在可靠性、先进性、维修性、环保性等。

若以故障的平均间隔时间MTBF衡量可靠性的大小，则

(12)

若以故障平均修理时间MTTR衡量维修度的大小，则

(13)

(4)灵敏度分析

一般地，利用参数法、类比法或者工程法进行费用估算时，估算关系式可以表示为

LCC=f(P1，P2，…，Pn)=a1P1+

a2P2+…+anPn

(14)

式中：P1，P2，…，Pn为影响费用各因素的具体数值，可以是数量、容量、单位价格、使用年限、平均故障间隔时间、平均修复时间等[7]；a1，a2，…，an为经线性或非线性变换后的费用系数，可以是一个常数，但在更多情况下可能是P1，P2，…，Pn的函数。则敏感性函数可以表示为

i=1，2，…，n

(15)

显然，如果ai的数值越大，则LCC对Pi的敏感性也越大。值得说明的是，敏感性函数仅仅说明LCC对某一参数的敏感程度，只有当此参数与敏感性函数的乘积占LCC的份额较大时，该参数对LCC才具有较大的影响，反之影响不大。

5 系统流程

该系统中，费用分解方案、费用估算、费用分析模块为系统核心功能，因此对寿命周期费用估算分析是该系统设计的关键所在。寿命周期费用估算分析流程如图4所示。

图4 系统流程

6 结语

本文针对变电项目现行造价管理的不足，结合全寿命理论,设计开发了具有较强适用性的变电站全寿命设计决策系统，提出了适合我国国情的变电项目工程分解结构和费用分解结构，阐述了从数据库设计、费用单元估算、全寿命费用评价实现的理论和方法。该系统的开发可以帮助研究人员了解变电工程项目的全寿命管理研究的范畴、技术及相关问题，也为变电工程全寿命周期设计决策提供支持。该系统的应用推进了全寿命周期成本技术在变电工程设计中的应用，有利于节能环保，有利于电网安全稳定，有利于实现成本最优，对实现变电工程寿命周期的功能匹配、寿命协调和费用平衡有着重要的实际应用价值。

[1] 陈玉波,张柳,曲长征(Chen Yubo, Zhang Liu, Qu Changzheng).产品LCC估算模型研究及仿真分析(Estimation model and simulation of product＇s life cycle cost) [J].计算机仿真(Computer Simulation)，2005, 22(9): 73-75，102.

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[3] Breidenbach D P．Life cycle cost analysis[C]∥National Aerospace and Electronics Conference, Dayton, USA: 1989．

[4] 李涛,马薇,黄晓蓓(Li Tao，Ma Wei， Huang Xiaobei).基于全寿命周期成本理论的变电设备管理(Power transformation equipment management based on life cycle cost theory) [J].电网技术(Power System Technology),2008,32(11):50-53.

[5] 张俊(Zhang Jun).基于全寿命周期成本(LCC)的变电站建设的决策分析(Decision Analysis on Substation Building Based on Full Life-Cycle Cost)[D].重庆：重庆大学电气工程学院(Chongqing: Institute of Electrical Engineering, Chongqing University)，2007.

[6] 何毅斌(He Yibin). 基于寿命周期费用理论的决策支持系统研究及软件设计(Study of the Decision Support System Based on the Life Cycle Cost Theory and It s Software)[D].武汉：武汉理工大学物流工程学院(Wuhan: School of Logistics Engineering，Wuhan University of Technology)，2004.

[7] 王超，徐政，高鹏,等(Wang Chao，Xu Zheng，Gao Peng ,etal). 大电网可靠性评估的指标体系探讨(Reliability index framework for reliability evaluation of bulk power system) [J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA) ,2007,19(1):42-48.

DesignandDevelopmentofDecisionSupportSystemforSubstationProjectDesignBasedonLifeCycleCostTheory

BU Hu-zheng1， LIU Zhi-bin1， WANG Jue-heng2， XIAO He-wei2， ZHANG Long-ling2， YAO Jian-gang1

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China； 2.Electric Power Survey & Design Institute of Hunan Province, Changsha 410007, China； 3.Xiangxi Electric Power Bureau, Jishou 416000, China)

The decision support system for substation project design based on theory of life cycle cost has been developed in connection with the inadequacy of existing substation project cost management. It puts forward a substation project breakdown structure and cost breakdown structure which satisfies China's national conditions, and expounds the theory and methods for achieving database design, unit cost estimates and life cycle cost evaluation. The system can be used to reasonably identify and effectively control the project cost, besides，the system designed should make life-cycle cost technology applicable to a wide range of substation projects.

life cycle cost； substation project； decision support system； cost estimating； cost evaluation

2010-03-24；

2010-04-21

TM715

A

1003-8930(2011)05-0094-05

卜虎正(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为电力市场及其技术支持系统、电网规划。Email:bhz215@126.com 刘志斌(1954-)，男，教授级高级工程师，主要从事电力系统相关分析、设计及研究工作。Email:liuzb@ hepdi.com 姚建刚(1952-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力市场、负荷预测、配电系统自动化、高压外绝缘等。Email:yaojiangang@126.com