基于全寿命周期管理的变电站工程资产分析

孙洪波，李建杰

(国网山东省电力公司 滨州供电分公司，山东 滨州256610)

0 引言

我国电网资产存量大，增速快，设备年轻，但电网企业“分段式”的职能管理模式并未有根本性的改变，已造成设备使用效率低、设备寿命短、维护成本高。并制约着电网资产运营水平的进一步提高［1～3］。

近年来，我国电网企业在提高电网技术、装备水流程优化和资产经营收益等方面也开展了相关研究，并取得了一定的成果。但与国外先进水平相比，仍有一定差距，主要集中在变电站主要设备的使用寿命和综合管理水平上。例如，我国电网中的110 kV 变压器、断路器、输电线路的平均运行寿命分别只有18．1 年、13．7 年和29．0 年，与国外先进设备平均40 年以上的使用寿命相比，具有相当大的提升空间［4～7］。

全寿命周期管理是一种追求全寿命周期成本最低的管理方法及理念，该理念在满足效能、效益和安全的前提下全面考虑了从变电站规划设计到采购建设直到运行报废的整个过程［8］。资产全寿命周期管理注重资产效能、周期成本及资产安全这三者的关系，在当前形势下，这是提高变电站设备技术装备水平和资产经营效益的最佳途径。因此，我国电网应着重开展针对变电站主要设备的资产全生命周期管理，实现资产的实物流、信息流、价值流的高度集约，提高变电站设备的管理水平。近年来，全寿命周期管理在我国的电力企业中逐步得到应用，并在2009 年后在国家电网公司和南方电网公司进行全网推广应用，其中部分电力企业已经通过这种管理的应用，提高了其设备综合管理水平［9，10］。然而我国全寿命周期理论起步较晚，其理论研究和实际应用仍不成熟，不同电力生产企业对产品全寿命周期的管理水平参差不齐，因此亟需建立适合、实用地针对电力企业本身的全生命周期的评价方法，以提高电力企业的设备综合管理水平。

本文从全生命周期角度对变电站的主要设备进行优化管理，通过提出延长电气一次设备使用寿命的具体措施，实现了变电站资产全寿命周期成本最优化的目标，有效提高了变电站设备的综合管理水平。

1 全寿命周期管理的目标描述

1.1 全寿命周期管理的理念及分析模型

全寿命周期管理作为一种先进的管理理念和方法，它通过对设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新，直至报废的全过程所消耗的一切资源和主要影响因素的考虑。

对于新建变电站选择最低的初次投资是不科学的，这是由于在今后运行、维护及设备故障等可能引起的附加费用往往是初次购买成本的数倍。因此，正确的财务选择应该是综合整个设备寿命周期的费用，运用失效机理及概率分析，用净值来计算寿命周期成本，使之最小。因此，电力系统的全寿命周期成本管理是在可靠性的基础上使设备或系统的全寿命周期成本最低的管理。在设备采购中，不仅需要考虑设备的购买价格，而更要考虑设备在整个全寿命周期内的支持成本，包括安装、运行、维修、改造、更新直至报废的全过程，其核心内容是对设备或系统的全寿命周期成本管理(Life Cycle Cost，LCC)进行分析计算，以量化值进行决策，其基本构成如图1 所示。

图1 全寿命周期成本分析构成图

图中，LCC 为全寿命周期成本(Life Cycle Cost);CI 为投入成本，包括采购成本及建设成本(Investment Costs);CO 为运行成本(Operation Costs);CM 为维护成本(Maintenance Costs);CF为故障成本，亦称惩罚成本(Outage or Failure Costs);CD 为废弃成本(Disposal Costs)。

在变电站LCC 实际管理过程中，一次投资成本的估算对LCC 管理尤为重要，其一次设备的总投资为各设备投资总和，即:

式中:CIi为变电站一次性投资的各组成部分。针对设备的维护成本，主要包括变压器、断路器、隔离开关等主要设备的维护费用，也包括寿命周期内的部件更换费用，其计算如公式(2)所示［4］:

式中:NHm为每年维修所需的工时;Ch为工时成本;Cspare为备品备件的材料成本。

另外，变电站由于运行过程中故障引起的供电损失，也会增加相应的供电惩罚成本，其也是LCC管理中需要考虑的，估算模型如公式(3)所示［4］:

式中:α 为用户平均中断电量价值;W 为设备故障中断供电功率;T 为设备故障中断供电时间;λ为设备平均故障数;RC 设备故障平均修复成本;MTTR 为设备平均修复时间。

变电站报废时，部分设备还具有残值，可以冲销有关的费用，即残值收入作为报废成本的减项，故报废成本的估算模型为［4］:

式中:CDi为变电站报废成本的各组成部分;S 为设备残值。

综上可以看出，LCC 打破了部门界限，将规划、设计、基建、运行等不同阶段统筹考虑，以项目总体效益为出发点，寻求最佳方案。通过全寿命周期管理的应用，可以有效地提高工程设计和管理的效率，使项目的决策方案、设计方案、施工方案、运行方案更加合理，提高工程中的设备利用水平，并促进资源节约，实现建设项目良好的社会效益。LCC 管理可用于许多领域，但其重点是设计和基建阶段，这是由于在这两个阶段中90%以上的LCC 可以确定。在设备采购阶段，应全面考虑设备在整个全寿命周期内的支持成本，而在设计阶段需重点预测对LCC 影响最大的检修费用及与可靠性有关的故障损失［11］。

1.2 变电站专业管理的指标体系及目标值

变电站专业管理的指标体系是指专业管理的过程控制指标，针对变电站工程的全寿命周期设计建设，对电气设备进行资产全寿命周期设计综合评价，分析其在满足资产全寿命周期设计建设目标的程度，对设计方案的不足之处进行调整和优化，变电站专业管理的指标体系如图2 所示。

图2 变电站专业管理指标体系示意图

2 变电站主要设备专业管理的主要措施

目前变电站内主要一次电气设备有变压器、开关类设备(断路器、隔离开关、GIS、开关柜等)、电容器、电抗器、导体导线等。提高变电站设计使用寿命，首先需要提高变电站内主要一次电气设备的使用寿命［12～14］。

2.1 主变压器的寿命管理

随着电网的迅速发展，单台高电压、大容量的变压器越来越多地投入电网运行，因而主变压器的故障严重地威胁着整个电力系统的运行。油浸电力变压器的运行寿命主要由其绝缘系统的寿命所决定，其绝缘油可以在变压器使用寿命期间进行再生或更换，其设计寿命通常为20～40 年。在维护良好的情况下，变压器运行寿命可以达到40 年。

2.2 开关类设备的寿命管理

高低压开关电器广泛应用于电力系统中，是发电、输电、变电、配电系统的重要控制和保护设备。因此可靠地分合电路既是电器产品本身最重要的性能指标，也是保证电力系统可靠运行的基础。

影响开关使用寿命的因素主要有绝缘水平、电寿命、机械寿命等。可以通过以下措施提高开关设备的生命周期:(1)提高开关电寿命;(2)提高设备机械寿命;(3)提高绝缘件寿命;(4)减小环境影响;(5)实施设备的状态监测和状态检修;(6)根据元件寿命特性在适当的时机进行更换;结合目前国内元件的寿命，将设备寿命提高至40 年，建议按照表1 所示周期更换元件。

表1 需定期更换的元件及周期

续表

2.3 提高电线电缆耐久性

变电站内电缆敷设在电缆沟、电缆竖井内，或埋管、或直埋地中。变电站现用的常规电缆的寿命与建构筑、一次设备、电缆设施的寿命和功能无法匹配，成为变电站运行的短板环节。因此，提高电线电缆的设计寿命，对提高变电站设备的整体运行水平至关重要［15］。

2.4 变电站设备召回

产品召回机制在我国的食品、医药以及汽车领域已有运用，电力设备质量要求高、投资金额大，因此也可以借鉴产品召回机制提高变电站的设备管理水平。

设备发生故障后召回情况如图3 所示。

图3 故障后召回情况流程示意图

由图3 可以看出，当设备由于自身缺陷故障时，生产厂召回设备进行故障检查、维修或更换部件，使设备得到再次利用。同时，建立设备身份证档案，将设备有关信息全部体现于身份证中，方便查询。将身份档案结合ERP 管理系统，在设备产生故障时由换流站后台自动生成系统及设备等情况，并判断故障原因供现场厂家等相关人员参考。由于设备身份证的采用，可以便捷、迅速地查找与缺陷故障设备同型号、同批次的设备，以便在第一时间召回设备，从而使得由于设备故障造成的停电损失达到最小。

3 变电站全寿命周期管理的综合评价

变电站工程系统的资产全寿命周期设计方案综合评价按照资产全寿命周期的8 个目标，即可靠性与安全性、易维护性、易施工性、可扩展性、节约环保性、可回收性、防灾与突发事件处理以及资产全寿命周期成本最优化开展工作。针对不同方案电气一次专业对目标结构进行分解，资产全寿命周期成本最优措施如表2 所示。

表2 资产全寿命周期成本最优措施

续表

从表2 中可以看出，变电站电气一次专业对目标结构主要从电气主接线、电气设备的选择、总平面布置、无功补偿装置、过电压保护和接地、辅助设施等评价对象提出资产全寿命周期成本最优化措施。通过变电站资产全寿命周期最优化措施，实现了变电站设备各阶段资源的优化配置和寿命周期内成本的降低、效能和安全的提高。

4 结论

本文围绕全寿命周期建设管理的设备安全可靠性、可维护性、可施工性、可扩展性、节约环保性、可回收性、防灾与突发事件处理等方面，对变电站的全寿命周期设计建设管理进行了全面地分析与优化。通过提出延长电气一次设备使用寿命的具体措施，达到主要一次设备使用寿命40年的目标，并在编制变电站设备技术规范过程中，建立了产品的“召回”制度，进一步提高了变电站的设备管理水平。

［1］卜虎正，刘志斌，汪觉恒，等．变电工程全寿命周期设计辅助决策系统的研发［J］．电力系统及其自动化学报，2011，23(5):554-559．

［2］于树彬，樊千，孙慧玲．资产管理与评估［M］．北京:经济科学出版社，2008．

［3］张俊．基于全寿命周期成本(LCC)的变电站建设的决策分析［D］．重庆:重庆大学，2007．

［4］焦敏．供电企业固定资产全寿命周期管理研究——以山东电力集团公司为例［D］．济南:山东大学，2013．

［5］Wang L，Morison K．Implementation of online security assessment［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2006，4(5):47-59．

［6］余立军．电网企业推进资产全寿命周期管理的二个难点及对策［J］．能源技术经济，2010，22(1):55-59．

［7］王备．关于设备资产全寿命周期的思考［J］．电力信息化，2007，5(2):20-22．

［8］樊娇，刘金朋，刘冰旖，等．电网企业资产全寿命周期管理研究综述［J］．陕西电力，2014，42(4):29-32．

［9］Nilsson J，Bertling L．Maintenance management of wind power systems using condition monitoring systems life cycle cost analysis for two case studies［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1):223-229．

［10］孙艺新．英国国家电网公司资产全寿命周期管理实践与启示［J］．价格月刊，2011，11(22):91-94．

［11］李涛，马薇，黄晓蓓．基于全寿命周期成本理论的变电设备管理［J］．电网技术，2008，32(21):50-53．

［12］黄良宝，马则良，张建平，等．考虑LCC 管理的电网规划方案评价研究［J］．华东电力，2009，37(5):691-694．

［13］冯亚民，蒋跃强，齐晓曼，等．基于LCC 的输变电资产的集成运维管理探讨［J］．华东电力，2009，37(6):1015-1018．

［14］滕乐天，陈红兵，王怡风．LCC 在设备采购中的应用实践［J］．华东电力，2007，35(10):27-29．

［15］韩天祥，李莉华，余颖辉．用LCC 方法对500 kV 变电站改造的经济性评价［J］．华东电力，2007，35(8):7-11．