全寿命周期设计理念在智能变电站设计中的应用

曹程杰

0 引言

全寿命周期成本［1］(Life Cycle Cost，简称LCC)概念最早起源于瑞典的铁路系统。20 世纪60 年代美国军方把LCC 理念应用于武器系统，70年代LCC 理念被很多国家应用在交通运输、能源工程、航天科技等领域。

在LCC 中，所谓工程的“成本” (Cost)是指工程消耗的资源(人、财、物和时间)总和，通常用货币度量。工程的“全寿命周期成本”则是在预期的工程寿命周期内，为工程的论证、设计、生产、使用与保障、退出使用所付出的一切费用之和。LCC 理念更注重于工程完整使用周期内的成本控制，因此对于建设使用周期长、投入成本大的工程有着重要的建设指导意义。

电网企业是典型的大工程建设密集型企业。随着我国电网的快速持续发展，其企业的资产规模和设备数量越来越大。为了实现国家电网公司提出的“转变电网发展方式、建设世界一流电网”的目标，在电网工程项目管理中运用先进的管理理念和管理思想显得尤为重要。LCC 管理理念将有助于提高设备的健康水平，进而提升电网企业的发展质量、经济效益和安全水平，为电网企业取得巨大的成本节约。

本文以华东某220 kV 智能变电站工程设计为实例，主要就二次系统设计中电源系统及自动化系统的不同设计方案利用LCC 的设计理念进行比选，以此说明LCC 在智能变电站设计中的作用。

1 全寿命周期成本设计理念在变电站设计中的应用

根据以往的工程数据统计表明，在整个工程项目全寿命周期中，早期设计阶段是节约投资的最佳阶段;随着项目进展，投资节约的可能性也逐渐减小。投资节约可能性与投资累计曲线如图1 所示。

图1 投资节约可能性与投资累计曲线

由此可以看出，工程设计是工程建设的灵魂，是工程寿命周期的起点。将全寿命周期管理理念引入设计环节，能有效地避免设计阶段可能发生的短期行为，使设计人员从一开始就立足于工程项目的全寿命，提出多种技术方案进行比较，从中选出技术可靠、经济合理的最佳方案，从而实现项目整个寿命周期内的效益最大化［2］。

变电站全寿命周期成本设计的目标是在保证变电站可靠运行的基础上，使变电站全寿命周期成本最低，而全寿命周期成本需综合考虑变电站建设费用及运行、维护、改造、更新，直至报废的全过程费用［3］。因此变电站的LCC 包括初期建设投资、运行和维护、故障损失成本。其LCC 的表达式为

式中:CI 为最初建设投资成本，包括购买设备和安装、调试费;CO，CM，CF，CE 分别是从变电站系统调试后算起，整个经济运行期间所支付的运行成本(含定期巡视、检修等)、维修成本和故障引起中断供电的损失成本及扩建成本;CD 是工程的残值，即报废成本。工程项目的最初建设费用往往得到重视而工程项目的使用费用及故障损失成本容易被忽视。实际上，许多变电站工程项目的使用成本大于制造成本。在资产使用过程中，因发生故障进行修理而不能正常使用所造成的损失 (如美加大停电的损失超过了400 亿美元)，也要计入全寿命周期费用之中。

考虑初始成本时间和未来成本时间的时间周期是不同的，即初始成本发生在工程寿命周期的基年，未来成本可能在基年至工程寿命周期末之间的任何一个时间发生。因此在工程项目的LCC比较中，考虑资金的时间价值，通常以净现值(NPV)来表示LCC 分析的结果。项目全寿命周期的净现值计算公式为

式中:PVSUn=为按年度重复投资费用折算现值的系数;PV =为一次性投资费用折算现值系数;N 为工程项目全寿命周期;M为一次性投资的年份;r 为年利率，项目寿命周期在30 年以内的，r 可取7%。

保证产品质量，提升其可靠性是变电站设计的重中之重。基于全寿命周期成本设计理念的智能变电站设计目标是优化各项成本:一方面尽量控制必须增加的成本(如大量采用新设备面临的成本增加);另一方面充分利用智能变电站因提高系统整体的集成度、实现状态检修等而降低的成本，使工程的LCC 最小，使整体经济效益最优［4］。

2 常规电源系统与一体化电源系统的LCC比较

常规站用电源系统分为交流系统、直流系统、UPS (不间断供电系统)、通信电源系统等。各子系统采用分散设计、独立组屏。设备由不同的供应商生产、安装、调试。供电系统也分别由不同的专业人员进行管理，直流系统、UPS 系统和通信电源系统分别配置独立的蓄电池。

智能一体化电源系统将“UPS 蓄电池+操作蓄电池组+通信蓄电池组”合并为一体进行配置，采用模块化设计;可监测开关位置、事故跳闸告警、负荷电流、泄漏电流等设备参数;并且建立了统一站用电源管理平台，采用IEC61850 通信规约实现了与变电站自动化系统的接口。

两种方案的LCC 比较如表1 所示。

传统电源系统使用年限根据运维部门提供数据，按12 年考虑。一体化电源系统根据国家电网相关文件要求，须达到20 年。其他相关条件如下:

(1)初始投资CI 依据初设概算费用计算。

(2)两种方案的设备检修，在准备工作充分、相关备品备件充足的条件下，均能在计划时间内恢复送电。由于电源系统损坏而带来的直接或间接经济损失目前很难获得相关数据，因此本计算不考虑故障停电费用(CF)。

(3)两种方案的设备主体部分均在变电站新建时一次建成，后期扩建时仅考虑扩建相关间隔时的电力电缆。两种方案的扩建成本基本相同，扩建时间按工程寿命周期的1/3 时扩建一次，2/3时扩建至最终规模。一体化电源和常规电源屏柜剩余残值一样，本次计算也不予考虑，只考虑蓄电池组的处理成本。

表1 常规电源系统与智能一体化电源系统LCC 比较

(4)经市场调研，对于旧站改造淘汰下来的废旧铅酸蓄电池，其回收处理成本为2 000 元/t左右。采用一体化电源技术可减少2 组通信蓄电池组和1 组UPS 蓄电池组重复使用量，可增加CD残值约2 万元。

综上所述，交、直流电源整合优化后，除一次性投资增加约37.85 万元，运行维护成本及技改报废处理成本均显著减少;由于传统电源系统与交直流一体化电源系统设计使用年限不同，因此折算成平均现值比较，如表2 所示。可看出采用交直流一体化的电源系统较传统电源系统可节约成本42%左右，具有很高的直接经济效益。

表2 变电站电源系统设计方案LCC 分析比较表

3 常规自动化系统与智能自动化系统的LCC比较

常规自动化系统在设计理念上不是面向整个变电站，而是将每一种功能都设计成面向间隔和元件，因此设备数量较多，功能单一且重叠，并占用了较多的柜体及空间。例如，针对低频低压减载功能，一般配置专门的低频低压减载主机，当检测到系统频率降低到整定门槛以下、在满足动作条件时，切除设定出线，减少系统负荷，以期满足系统功率平衡，维持系统频率稳定;而“五防”功能则由“五防”主机实现，在每个间隔配置相应的“五防”锁具。常规系统与LCC 比较如表3 所示。

智能变电站自动化系统可以实现顺序控制、智能告警、故障信息综合分析决策、设备状态可视化、站域控制等高级功能。网络化间隔层“五防”功能完全依据底层网络信息共享和互操作，消除了专用“五防”系统与综合自动化系统之间繁杂的信息校验。由站控层主机实现的低频低压减载功能减少了信息的重复采集和定值的分散重复整定，使动作逻辑更加简洁，进一步减轻了整定校验工作量。后期扩建时五防系统及低频低压减载系统均只需在后台数据库建立相应数据即可。

表3 常规自动化系统与智能自动化系统LCC 比较表

传统自动化系统使用年限根据运维部门提供数据，按12 年考虑。智能变电站自动化系统根据国家电网相关文件要求，须达到20 年。其他相关条件如下:

(1)初始投资CI 依据初设概算费用计算。

(2)两种方案的设备检修，在准备工作充分、相关备品备件充足的条件下，均能在计划时间内恢复送电。由于自动化系统故障而带来的直接或间接经济损失目前很难获得相关数据，因此本次计算不考虑故障停电费用(CF)。

(3)两种方案的设备主体部分均在变电站新建时一次建成，后期扩建时则需考虑扩建相关间隔时的电力电缆及相关配件，扩建时间按工程寿命周期的1/3 时扩建一次，2/3 时扩建至最终规模。

(4)常规自动化系统年巡检次数(含倒闸操作、事故恢复等)为每年计100 次，每次成本考虑车辆及人工成本按500 元计算。智能变电站可利用顺序控制、智能告警、故障信息综合分析决策、设备状态可视化等高级应用功能实现相关功能，因此可明显降低年巡检次数。

(5)变电站二次设备达到使用年限报废后，除控制电缆中的铜芯外基本没有回收的价值。但是根据运行部门保护更换改造经验，更换控制电缆时，首先需要雇外来人员在专业人员指导下进行旧电缆的拆除，然后再从电缆中剥出铜芯。扣除电缆拆除和剥铜芯的人工费，旧电缆的残值已经所剩无几，因此，有关部门也没有把更换下来的旧电缆纳入相应的报废成本。因此自动化设备的报废成本计0。

可以看出，采用智能变电站自动化系统后，初始投资与传统自动化系统相差无几，但运行维护成本及技改扩建成本均显著减少;由于智能变电站自动化系统与传统自动化系统设计使用年限不同，因此折算成平均现值比较，如表4 所示。可看出，采用智能变电站自动化系统较传统自动化系统可节约57%左右，具有很高的直接经济效益，其安全与智能的设计所带来的隐性节约与社会效益，更是难以量化计算。

表4 变电站自动化系统设计方案LCC 分析比较表

参考以往的变电站建设经验，二次设备在前5 年处于引入期，第5 ～10 年为推广期，10 ～25年为成熟期，25 年后将逐渐衰退。推广期的价格与成熟期的价格相比，几近相差40%。据此，智能变电站的自动化设备，在推广期内产品价格约为引入期的80%，在成熟期内产品价格约为引入期的60%。

目前，采用智能设备的全寿命投资已经比采用常规设备的全寿命投资要少，因此在进入今后的推广期和成熟期时，由于相关设备的价格下降，采用智能设备的全寿命周期成本将会更少。

4 结论

全寿命周期成本管理既是一种先进的管理理念，也是一种科学的管理方法，它可以有效推进电网企业的成本节约和效益提升［5］。本文以全寿命周期成本设计理念对华东某220 kV 试点智能变电站二次系统进行了不同设计方案的比选;可以看出，以工程全寿命周期的角度讨论新工艺新技术，而不是以设备初始投资作为主要评判标准，可以更全面地衡量设计方案的优劣，同时也更有利于智能变电站的推广应用。

［1］鲁国起，张焰，祝达康．全寿命周期成本及其在电网规划中的应用［J］．现代电力，2009，26 (6):77-81．

［2］纪伟．全寿命周期设计理念在输电线路工程设计中的应用［J］．江苏电机工程，2009，28 (6):43-44．

［3］杨凌辉，薛玉兰，高凯．变电站数字化进程中的资产全寿命周期管理思考［J］．华东电力，2008，36 (11):8-11．

［4］易永辉，王坤，王震学，等．基于全寿命周期管理的智能变电站应用方案研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38 (13):99-103．

［5］曹鑫，项力恒．全寿命周期变电站设计方案探讨［J］．电力勘测设计，2011，(4):56-59．

［6］胡晓娟，柯方超．智能变电站全寿命周期管理应用方案［J］．湖北电力，2012，36 (4):24-25，31．

［7］雷宇，李涛．变电站综合自动化系统可靠性的定量评估［J］．电力科学与工程，2009，25 (6):37-40．

［8］梅秀良．35 kV 变电站一次和二次设备的技术改造措施［J］．电力科学与工程，2009，25 (10):63-65．