基于全寿命理论的220 kV变电站配电选型

许成卓， 姚建刚， 刘志斌， 赵军毅， 邓道福， 宋宛净

(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.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司， 长沙 410082)

基于全寿命理论的220kV变电站配电选型

许成卓1， 姚建刚1， 刘志斌2， 赵军毅3， 邓道福3， 宋宛净3

(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.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司， 长沙 410082)

目前在国内变电工程领域当中开展了全寿命周期成本(LCC)研究，已对多种变电设备进行了LCC分析，但并没有涉及到配电选型方面，因为配电装置组合特性，运用单一设备LCC比较并不够全面，基于此提出了220 kV变电工程配电选型LCC评价思路；根据变电工程各设备的特色分别建立了配电装置和土建部分等两个部分的LCC评价模型；给出了某一新建220 kV变电站配电选型实例。通过分析新设计的变电站数据，验证了该模型的正确性和实用性，为设计人员在配电选型方面提供了定量分析思路。

220 kV变电站； 配电选型； 全寿命周期成本模型； 评价； 土地价格

变电工程设计中，配电选型是一项重要内容，选择常规装置AIS(air insulated switchgear)、组合电器GIS(gas insulated switchgear)、装置户内还是户外对整个变电工程的设计结果将会产生重大影响。而以往配电选型，设计人员是根据经验，对照变电站典型设计，定性地分析出配电类型，缺乏数据支撑。

电力资产全寿命周期成本管理LCM(life cycle management)是智能电网发展的一项重要内容，而变电设备作为电网重要资产，更需要进行LCM。近年来，一些研究成果已经把LCC理念引入到变电设备的分析之中：文献[1]从变电设备全寿命周期成本动因的角度出发，借助实证分析方法，建立了成本动因与安全运行之间的内在联系模型；文献[2]在变电工程规划决策中，采用LCC最小方法对变电工程最主要的主变台数、规模、建设时序进行了分析，追求全寿命周期内系统成本最低；文献[3～6]研究了变电工程LCC模型，并对变电站的主变压器和断路器做了LCC研究，应用到工程设计。

这些研究成果已经涉及到变电设备LCC分析的众多方面，但是没有包括配电选型，因为配电装置是多设备组合体，具有其特殊性，如果再按照原有单个设备LCC比较将不再合适。因此本文从变电工程的宏观角度出发，结合220 kV变电工程典型设计，建立配电选型LCC评价模型，为变电工程中配电选型寻找新途径，运用算例分析把选型的过程量化。

1 配电选型LCC评价模型的建立

1.1 假设和约定

目前电力资产LCM处于初期，设备数据采集不全，于是本文研究中做了如下假设和约定。

1)变电站设计寿命一般以主变寿命(30年)为标准，因此在计算所有设备LCC时以30年为标准。

2)计算的所有费用为动态，即需要费用折现，因此变电站扩建年份不同，最终结果也不同，所以在LCC计算之初需确定变电站扩建年份。

3)变电设备LCC分析一般会考虑停电损失成本，但220 kV变电站是环网运行且满足N-1准则，某回路发生故障时可及时转供避免停电，因此在分析220 kV变电站LCC过程中可忽略停电损失成本。

4)变电工程LCC模型的建立过程中，应该包括主变、二次设备等其他设备的LCC模型，但配电选型的各种方案中，这些设备的LCC值变化不大，根据LCC简化原则[7]，可以省略相同部分比较。

5)同种设备放在户内和户外可用率有差别，且户外设备可用率相对较低，即维护费用高。本文假定同种设备户外比户内的可用率低0.005。

1.2 配电选型LCC评价流程

以往变电设备LCC分析，都是从单一设备的角度去进行优化，考虑的范围比较狭小，而配电装置的组合特性，此种LCC模型将不再适用。本文从变电工程全局的角度，运用全寿命的思想来进行配电选型，考虑因素将更加全面，评价步骤如下。

1)输入变电站规模：变电所在设计变电站之初会获得系统所提供的一组变电站规模数据。该组数据包括：主变容量、供电区域基础负荷、平均负荷增长率、主变初终期台数、土地价格、各电压等级初终期出线回路数及相应接线形式等。共中前四个因素可确定变电站的扩建年份；后两个因素可确定各种变电设备所需要装配台数。

2)选配电装置比较方案：设计人员选定适合该变电工程配电装置比较方案。其中配电类型包括：全户外AIS、全户外GIS、半户内GIS、全户内GIS(主变外)、全户内GIS(主变内)等。

3)变电站典型设计分析：通过已输入的变电站初终期规模和配电装置类型选定对应的220 kV变电站典型设计[8]。其中典型设计内容包括：土地面积、主控楼、配电装置安装、构支架、电缆购置及安装等费用和各对应子模块的费用。

4)分模型比较：通过以上三步分析出来的结果，可以对选定的每种方案进行配电装置、土建两部分的LCC评价，估算出各部分LCC。因以上两部分LCC评价模型不同，本文将在下一节介绍。

5)各方案总LCC比较：计算出每种方案LCC，即配电装置、土建两部分LCC之和。

配电选型LCC评价流程图如图1所示。

图1 变电工程配电选型LCC评价流程

2 各部分LCC模型的建立

根据变电工程的特征，各变电设备LCC费用组成都可以分解为：①一次投资成本IC (investment cost)，指变电设备在正式投运之前，所付出的一次成本；②运营成本OC(operation cost)，指变电设备的运行人工成本及故障后所需要的维护成本；③报废成本DC(disposal costs)，指变电设备在运行到使用寿命年限后，设备残值及清理。因此变电设备通用的LCC模型为

LCC=IC+OC+DC

(1)

而配电装置、土建部分计算LCC都有其特殊性，本文分别建立了两种不同的模型。

2.1 配电装置LCC模型

配电装置分为AIS和GIS两种类型，其中AIS又可以分为断路器、隔离开关、互感器等设备。因它们的性质基本相同，在全寿命分析的过程中可以作为同一个模型进行考虑。

1)一次投资成本ICD

配电设备的使用寿命往往要低于变电站设计寿命，因此在全寿命周期中，设备需要更换多次，需进行寿命匹配，其数学模型为

(2)

式中：IC为单台设备一次投入成本，包括购买、安装、调试等费用；n为变电站中设备初期投入台数；m为变电站中设备终期投入台数；λ为折现率；k为变电站扩建年份；Z为30年内该设备需要更换的次数；N为(30-k)年内该设备需要更换的次数；j为设备的使用寿命。

2)运营成本OCD

配电装置的运营成本主要包括运行费用和维护费用两个方面。由于设备运行费用数据采集难度较大，往往只能统计出多台设备平均费用，为了建立LCC模型，配电设备年运行费用的模型简化为

LCD=IC×α

(3)

式中：α为设备年运行费用比。

配电设备可用率很高，假定每年的维护费用基本相同，可根据式(4)估算：

MCD=(1-θ)×8760×b

(4)

式中：θ为设备的可用率；b为设备的维护难度，即维护某种设备每小时所需费用。

综合式(3)、(4)，配电设备在寿命周期内发生的费用如式(5)：

(5)

3)报废成本DCD

配电设备待运行了使用寿命年限后，报废将获得残值，如式(6)所示：

(6)

式中：γ为设备回收率。

2.2 土建LCC模型

变电站土建成本主要包括土地购置及平整费用、主控楼费用、构支架费用及施工费用等。土建部分设备材料的使用寿命都将超过30年，所以在土建全寿命分析的过程中不考虑材料更换。

1)一次投资成本ICC

变电站土建一次投资费用主要包括土地成本ICL、主控楼成本ICB、构支架成本ICS三部分，如式(7)所示：

ICC=ICL+ICB+ICS

(7)

2)运营成本OCC

如不发生极端的天气情况，土建部分的维护成本可以忽略，但主控楼年运行成本OCB较高，可根据式(8)估算得出：

OCB=ICB×β

(8)

式中：β为主控楼运行成本率。

则土建部分运营成本简化模型为

(9)

3)报废成本DCC

主控楼在使用完寿命年限后将进行拆除，需要支出费用，其值为正，回收率为20%。构支架因是钢架结构，具有高残值，回收率为30%，模型如下：

(10)

综上所述，配电选型LCC模型为

LCC=LCCD+LCCC

(11)

3 算例

湖南省某地区需新建220 kV变电站，经系统专业分析，确定该变电站选用180 MVA的主变，并测得供电区域的基础负荷为80 MVA，平均负荷增长率为10%，土地价格为1000元/m2，折现率为10%。变电站的设计规模如表1所示。

表1 变电站设计规模1

通过以上数据分析确定该变电站初次扩建年份是第8年。技经专业和超高压部门对配电设备参数的统计如表2所示，其中各设备的维护难度是根据设备每年维护费用折算分析得出；设备可用率是根据2009年全国输变电设备可靠性统计表，结合湖南电网实际情况统计出；使用寿命是根据某类设备A类检修更换年限近似统计。

表2 配电装置LCC参数

3.1 配电装置选型方案比较

现选定三种配电装置比较方案，分别为：全户外AIS、全户外GIS、全户内GIS，对应的典型设计信息如表3所示。

表3 各方案对应典型设计

通过变电工程两部分LCC模型的分析，配电选型三种方案全寿命周期内各部分发生费用如表4所示。

表4 各方案LCC比较

由表4可知：3种方案中，方案1的一次投入成本最小，方案3的运营成本最小，但权衡3种方案LCC，结果显示方案2的配电选型更优。原因：方案1中AIS设备造价相对GIS较低，但是运营成本过高，造成全寿命周期费用偏高；方案3中，因变电设备都在户内，造成主控楼造价高，从而推高了一次投入成本，但是后期运营成本和方案2比起来并不占优，也造成了全寿命周期成本偏高。3种方案中报废成本都不高，是因为费用折现，相对于LCC来说可以忽略，其中方案3出现正值，是因为方案三主控楼造价高，拆除成本过高。

3.2 土地价格影响分析

当前农村、城郊、市中心土地价格有明显的区别，对变电站配电选型决策有很大影响，本文在选定的3种方案中，改变其土地价格，其他参数不变，比较各方案LCC，如表5所示。

由表5可知：当土地价格为500元/m2时，选方案1合适；当土地价格为1000元/m2时，方案2最低；当土地价格为2500元/m2时，选方案3最合理。原因：AIS变电站比GIS的占地面积大很多，从全寿命周期费用来看，建设变电站时购置土地费用占有一定的比例，不可忽视。随着土地价格的增高，占地小的变电站将有更大的优势。

由此也可以描绘出3种方案LCC随着土地价格变化的趋势图，如图2所示。

表5 变动土地价格各方案LCC比较

图2 各方案LCC随土地价格变化图

4 结论

1)在变电工程设计决策中，配电选型可以用LCC最小法进行分析。但并不是从单一设备进行LCC比较，而是从变电工程整体LCC来进行决策。

2)配电选型不能盲目追求低价格设备或高价格设备，应该综合权衡一次投资成本和运营成本，使LCC最低，这样决策将更加合理。

3)随着土地价格的变化，变电工程配电选型结果也改变。土地价格低宜选用AIS；土地价格高宜选用户内GIS；土地价格适中，宜选用户外GIS。

[1] 李涛,马薇,黄晓蓓(Li Tao, Ma Wei,Huang Xiao bei).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.

[2] 史京楠，韩红丽，徐涛(Shi Jingnan,Han Hongli,Xu Tao).全寿命周期成本分析在变电工程规划设计中的应用(Application of life cycle costs analysis in planning design of power transformation projects)[J].电网技术(Power System Technology)，2009,33(9):63-66.

[3] 于继来， 王成福， 张博，等(Yu Jilai,Wang Chengfu,Zhang Bo,etal).在役电力变压器经济寿命评估(Economic life evaluation of power transformer in service)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2010,22(3):86-90.

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许成卓(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为电力资产全寿命管理。Email:47899266@qq.com

姚建刚(1952-)，男，教授，博士生导师，主要从事智能电网与高压外绝缘的教学与研究工作。Email:yaojiangang@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

SelectionofPowerDistributionEquipmentofa220kVSubstationBasedonIdeaofLifeCycle

XU Cheng-zhuo1， YAO Jian-gang1， LIU Zhi-bin2， ZHAO Jun-yi3，DENG Dao-fu3， SONG Wan-jing3

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University,Changsha 410082, China;2.Electric Power Survey amp; Design Institute of Hunan Province, Changsha 410007, China;3.Hunan HDWL Electric amp; Information Tech CO.,Ltd., Changsha 410082, China)

Currently, the life cycle cost (LCC)research has been coducted in domestic power transformation projects, which carries out on LCC analysis to a variety of power transformation equipment, but actually fails to take distribution model selection into consideration since the single-equipment LCC can't make comparisons in a comprehensive manner due to the composite characteristics of the distribution apparatus. Based on this, the paper proposes the the LCC evaluation idea of the distribution model selection of the 220 kV power transformation project, establishes two LCC evaluation models of the power distribution equipment and the civil engineering according to the characteristics of the equipment, and presents the case of the distribution model selection in a certain 220 kV substation. Through the analysis on the data of a newly-designed substation, the correctness and practicability of the model is verified, which provides designers with the quantitative analysis on the distribution model selection.

220 kV substation； distribution model selection； the life cycle cost model(LCC)； evaluation； land price

TM715

A

1003-8930(2012)06-0090-05

2011-07-04；

2011-07-29