全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用

宋宛净， 姚建刚， 汪觉恒， 许成卓， 孙文艳

(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)

全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用

宋宛净1， 姚建刚1， 汪觉恒2， 许成卓1， 孙文艳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)

目前在变电工程领域运用全寿命周期成本LCC(life cycle cost)理论对主变压器选择进行研究分析已有了部分成果，但未能提出完整的、系统的应用方法。本文简要介绍LCC理论及在智能电网中的应用前景，以全寿命周期成本理论为基础, 建立变电设备全寿命周期成本模型，并将其应用到主变压器容量和台数选择中来，创新性地提出了全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用方法，通过实例分析证明其可行性，并进一步得到降低变电设备成本的有效措施，以期达到在保证电力系统安全可靠性的基础上，减少投资成本，节约能耗，优化设备选择过程的目标。

全寿命周期成本； 智能电网； 全寿命周期成本模型； 主变压器选择； 减少成本

近年来，随着国家经济的快速发展，国家加快了电力设施建设，根据科学发展观的要求，电力建设不仅要考虑项目的初始建设成本，还要综合考虑运行维护成本，在保证供电安全可靠性的基础上，最大限度地减少投资成本。我国自引进全寿命周期成本理论以来，电力工作员对此进行了大量的研究，并取得了显著的成绩。文献[1～10]概括介绍了LCC理论并在工程规划、设备维护管理、招标采购等领域进行的深入研究；文献[11～13]提出了主变压器选择的新创方法，有的也将LCC理论应用到其中，但都未形成完整的、行之有效的应用方法。在上述背景下，本文借鉴以前研究的理论成果，结合我国的实际情况，期望提出完整的全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用方法，并通过实例分析证明其可行性。

1 全寿命周期成本管理理论及在智能电网中的应用前景

全寿命周期成本LCC(life cycle cost)管理是从整个项目寿命周期出发，侧重对项目决策、设计、施工、运行维护等各阶段造价进行控制，使LCC最小的一种管理方法。

LCC管理具有全系统、全费用和全过程三大特点。其中，全系统是指将规划、设计、基建、运行等不同阶段的成本统筹考虑，以总体效益为出发点，寻求最佳方案；全费用是考虑所有会产生的费用，在合适的可用率和全费用之间寻求平衡；全过程是考虑从规划设计到报废的整个寿命周期，要求从制度上来保证LCC方法的应用[2]。

目前，能源存在大规模并网问题，现有电网运行安全和电力系统运营模式面临严峻的挑战，因此，各国都积极地发展了智能电网领域的研究与规划。而LCC研究是智能电网发展的一项重要内容。智能电网的发展和新能源的广泛使用，将大大减少化石类能源的开采和消耗，增加环保新能源的利用，并通过智能输配电网输送能源到用户终端。

然而如何更为有效地、经济地利用各类能源，如何确定煤、水、风、太阳能等各类能源的配置比例等问题，可运用LCC理论来解决。

智能电网采用集成“双向通信”和“双向电力传送”技术，从技术上解决了普通电力用户参与市场的问题[14]。

用户通过储能设备在满足自身电力需求的情况下，如何确定何时向电网买电、何时将剩余电量向电网输送，电力部门又将如何有效利用这部分剩余电量，调整原有的发电计划，这些问题均可通过LCC分析给出明确的结论。

2 变电设备全寿命周期成本模型

变电设备全寿命周期成本管理是在可靠性及寿命管理的基础上，将设备整个寿命周期内的全部费用即设备从采购、安装、运行、检修直至报废停止使用全过程中的总费用最终归纳为财务成本及产出的管理方法[6]，其目标是在保证可靠性的基础上使设备的全寿命周期成本最低，其核心内容是对变电设备进行分析计算，以量化值为基础进行决策[3]。变电设备在整个经济寿命周期内，所支付的总费用，由以下几部分组成：投资成本IC(investment cost)；运营成本OC(operation cost)；设备的报废成本DC(discard cost)。因此变电设备寿命周期成本可写成：

LCC=IC+OC+DC

(1)

3 LCC在变电站主变压器选择中的应用

3.1 建立主变压器容量和台数选择流程

以往在选择主变压器容量和台数时主要是依据待建变电站负荷预测情况和设计人员经验，本文在保证运行可靠性的基础上结合全寿命周期成本理论，提出一种较为经济的选择方法，其步骤如下。

(1)预测供电地区远期负荷，确定变电站远期主变总容量，即

S=P0(1+γ(t))T/ρcosφ

(2)

式中：T为变电站的使用年限；P0为基础负荷；γ(t)为平均负荷增长率；ρ为变压器负载率；cosφ为功率因数。

(2)确定满足负荷需求的主变容量和台数的组合方案。所有方案应满足

Sa×n≥S

(3)

且

Sa×(n-1)≤S

(4)

其中：Sa为主变单台容量；n为主变台数且不大于4。

(3)对所有满足要求的方案进行LCC分析，考虑各方案投资成本、运行成本、报废成本，即

f(LCC)=f(IC)+f(OC)+f(DC)

(5)

求得各方案总成本。

(4)考虑资金时间价值，通过运行年限、折现率的修正，将LCC折算为初始投资年限的资金现值，最小者即minf(LCC )为最优方案。

根据上述步骤，流程图如图1所示。

图1 确定主变压器容量及台数流程图

3.2 变压器LCC模型及计算式

按照设备寿命周期的运行规律，以标准运行状态及关键控制点作为全过程管理的重点，依据LCC理论并根据变电设备的相关费用支出情况可构建出变压器LCC模型[2，3]，即

LCC=IC+OC+MC+FC+DC

(6)

式中：LCC为变压器设备在全寿命周期内的总费用；IC为初次投入费用；OC为运行费用；MC为维护、检修费用；FC为故障费用；DC为设备报废处理费用。

变压器LCC模型分解图如图2。

图2 变压器LCC分解图

(1)初次投资费用IC包括购置费、安装费等费用。变电站远期规模中往往要增加主变压器台数，需将其投资值折现累加，即：

(7)

式中：i为折现率，电力系统折现率统一为7.5%；Tn为第n台主变扩建年份。

(2)运行费用OC包括设备能耗费用、状态检测费用及人工成本等。

变压器的损耗费主要考虑是电能损耗。设变压器电能损耗总值为ΔPT(MW·h)，则

ΔPT=n(ΔP0×T0+ΔP×ρ2×τ)

(8)

式中：ΔP0为变压器的空载有功损耗，MW；ΔP为变压器短路有功损耗；T0为变压器全年运行小时数，取8760 h；ρ为变压器负载率；τ为年平均最大负荷损耗小时数；n为变压器台数。

电能损耗费用：

WP=W0×ΔPT×10-1

(9)

式中，W0为电度成本费，元/(kW·h)。

变压器在寿命周期中发生的运行费用折现后如下式：

(10)

(3)维护、检修费用MC包括日常设备维护费用、计划检修费用及人员培训费用等。据统计每年变压器的维护费用大约占设备购置费的3.6%。

(4)故障费用FC包括停电损失费、故障检修费及惩罚成本等。

故障停电费用，是在运行过程中，变电设备发生故障造成停电，由此带来的修理费、电费损耗等。其故障费用估算具体表示如下：

FC=α×W×T+λ×RC×MTTR

(11)

其中：λ为设备年平均故障数；T为设备年故障中断供电时间；W为设备故障中断供电功率；RC为设备故障平均修复成本；MTTR为设备平均修复时间；α为相关用户平均中断供电电量的价值，它随用户的性质、用户所在地区的不同而变化；α×W×T为断电成本；λ×RC×MTTR为修复成本。

(5)报废处理费用DC包括设备退役处理费和设备残值。

设备报废处置费用成本较低可忽略不计，报废成本可只计算设备残值。根据设备处理价值等于原值减各年的设备折旧额，设备的折旧率d，按折旧计算中的定率法计算，公式为：

(12)

式中：d为设备的固定折旧率；T为设备的折旧年限；K0为设备的原始价值；KL为设备第T年末的残值。

将各值代入计算出d，则设备第n年残值：

KL=K0(1-d)n

(13)

4 应用实例

规划建设1座220 kV变电站，安全运行寿命为30年，基础负荷为45 MW，年负荷增长率预测为γ(t)(1～10年为0.1，11～20年为0.07，21～30年为0.05)，要求选择最优化的主变容量及台数。

4.1 可行方案的拟定

根据负荷增长曲线(图3)可得，变电站远期负荷为340 MW，按负载率ρ为80%，功率因数cos 为0.9计算，所需主变容量为473 MVA。则可选择方案有方案1：单台主变容量为120 MVA，台数为4台；方案2：单台主变容量为180 MVA，台数为3台；方案3：单台主变容量为240 MVA，台数为2台。如图3所示。

图3 预测负荷增长曲线和各扩容方案

4.2 全寿命周期成本分析

(1)投资成本IC

表1 费用单价

①方案1，单台主变容量为120 MVA，需在第7年末、第16年末和第23年末各增加1台主变。

②方案2，单台主变容量为180 MVA，需要在第12年末和第23年末，各增加1台主变。

③方案3，单台主变容量为240 MVA，需要在第15年末增加1台主变。

表2 投资费用

(2)运营成本OC

1)运行能耗费

表3 220 kV主变压器损耗参数

表4 运行能耗费用

其中年平均最大负荷损耗小时数按3200 h计，每度电为0.5元，30年运行能耗费用现值如表4。

2)维护成本费

表5 运行维护费用

3)故障停电成本费

根据统计全国220 kV及以上电压等级变电站非计划全站停电的平均时间为0.83 h/年。2008年220 kV变压器可用率θ为99.646%，故障平均修复成本RC为12.22元/(MVA·h)，对综合负荷的断供成本按平均电价的50倍计算，惩罚电价取5元/度计算，变压器全寿命周期内故障停电成本费如表6。

表6 故障停电费用

(3)报废成本DC

①方案1需要在第7年末、第16年末和第23年末，各增加1台主变。30年末设备残值按5%，第2台设备的残值为10.07%，第3台为24.72%，第4台为49.72%。

②方案2需要在第12年末和第23年末，各增加1台主变。第1台设备残值为5%，第2台设备的残值为16.58%，第3台为49.72%。

③方案3需要在第15年末增加1台主变。第1台设备残值按5%，第2台设备的残值为22.37%。

表7 报废成本

4.3 结果分析

主变压器各选择方案LCC成本如表8。

表8 主变压器选择方案LCC成本解构比较

由表8的结果可以看出：

(1)方案3明显优于方案1，后者全寿命总成本比前者高出200多万元；方案2与方案3，LCC成本相差较小，如果在不考虑成本的条件下，再比较两个方案的安全性。主变台数多的变电站单台故障停电，对负荷影响小，损失费用低，安全可靠性比主变台数少的变电站高。

(2)方案1和2的初期投资成本分别比方案3大约高出640万元和450万元，从经济学角度来看，尽管方案1和2在30年后残值较大，但前期投资过高，成本的回收速度又相同，这两种投资方案是不合理的。

(3)将报废成本中的设备残值折现后计入投资成本的设备购置费中，如表9所示。可以看到设备购置费用约占30年内总费用的30%，故障成本占14%，维护成本占11%，运行成本排在第1位约占50%，因此建议在变压器设备招标时应要求厂家提供相关的数据，包括设备报价、空载损耗(kW)、负载损耗(kW)、故障率(次/(百台年))、设备检修维护周期等，尤其是与运行维护相关的数据应重点考虑；为减少维护成本和故障成本可采用在线监测装置，以事前消除隐患制度代替目前实施的计划检修制度；提高工作人员专业技能，减少人工成本以减少总成本。

表9 主变压器选择方案LCC成本解构比较

5 结语

本文提出了全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用方法，在保证供电可靠性的基础上将工程问题最终转化为财务问题，通过实例证明该方法不仅具有明显的经济效益，同时也有效地简化了变压器的选择过程。

在运用全寿命周期成本理论选择设备时，应尽可能充分考虑设备在整个寿命周期内产生的所有费用，这就需要掌握大量的数据，包括设备报价、运行能耗、故障率、故障维修费用、设备报废处理情况等，以保证研究所得的结论更加准确可靠。因此相关部门应重视数据收集工作，为全寿命周期成本理论在电力系统中的全面应用奠定基础。

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宋宛净(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与规划。Email:songwanjing@126.com

姚建刚(1952-)，男，教授，博士生导师，主要从事电力市场、智能电网与高压外绝缘的教学与研究工作。Email:yaojiangang@126.com

汪觉恒(1964-)，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护和变电站自动化系统的设计及研究工作。Email:wangjh@hepdi.com

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摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》(修订版)

ApplicationofLifeCycleCostTheoryinMainTransformerSelection

SONG Wan-jing1， YAO Jian-gang1， WANG Jue-heng2， XU Cheng-zhuo1， SUN Wen-yan1

(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)

Currently, the life cycle cost (LCC) theory can solved the main transformer selection problem partially in power transformation projects, however, the complete and systematic practical methods have not been mentioned. This paper introduces the life cycle cost theory and its application of smart grid. A life cycle cost model based on the life cycle cost theory for substation equipment was established and applied to select the main transformer capacity and quantity. The life cycle cost theory was used in the selection of the main transformer method innovatively, and the feasibility was justified by a case. Moreover, it gets effective measures to reduce the cost of substation equipment and to achieve the reduction of investment costs, saving energy, optimizing selection process equipment based on ensuring the safety and reliability of power system.

life cycle cost(LCC)； smart gird； life cycle cost model； main transformer selection； reducing costs

TM715

A

1003-8930(2012)06-0111-06

2011-07-26；

2011-08-26