输电线路全寿命周期成本设计

郭峰，文凯，李广福

（福建省电力勘测设计院，福州市，350003）

0 引言

全寿命周期成本（life cycle costs，LCC）管理，是指从设备、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，即从整个项目生命周期出发进行考虑，侧重于从项目决策、设计、施工、运行维护等各阶段全部造价的确定与控制，使LCC最小的一种管理理念和方法[1-2]。LCC管理核心内容是对设备、项目或系统的LCC进行分析，并进行决策[3]。

LCC最早起源于瑞典的铁路系统（1904年）[4]，在1947年美国创立的价值分析法才将LCC的概念用于技术经济分析[5]。1987年LCC技术传入我国，并建立了LCC委员会。

随着我国对LCC工作的不断重视，LCC也渐渐地应用到了中国的电力系统当中。国家电网公司提出了“资源节约型、环境友好型”，以及“建设工程全寿命周期管理”的先进理念。上海市电力系统举办LCC学习培训班，开展了泰和站GIS装备LCC模型与计算[6]。采用LCC分析方法优化输电线路的投资和运行维护费用，具有重大的经济价值。这是对以前我国电力行业普遍采用的全过程工程造价管理流程（只把从工程项目开始到竣工决算完成为止的过程纳入造价管理[7]）的重大改革，避免了工程项目的建设和运营与维护相割裂的局面，将形成一个闭环的成本控制过程。

1 输电线路LCC的计算方法

1.1 费用现值比较法

费用现值（CP）比较法实际上是净现值法的1个特例。净现值是指把项目计算期内各年的净现金流量，按照1个指定的折现率折算到建设初期（即项目计算期第1年年初）的现值之和。费用现值的含义是指利用此方法计算出的净现值只包括费用（即支出）部分（各方案收益视为相同）。对各备选方案的CP进行对比，以CP较低的方案为最佳。其计算表达式为

式中：Cp为费用现值；F为终值，其含义是指初期投入或产出的资金转换为计算期末的期终值，即期末本利和的价值；t为计息次数，即寿命期；P为现值，表示建设初期的投资额或折算到建设初期的金额；Ct为寿命期（包括建设期及运行期）内各年度的费用支出；ic为折现率[8]。

1.2 年费用比较法

年费用比较法是指通过资金时间价值的计算，将项目的净现值换算为项目计算期内各备选方案各年的等额年费用Ca，并进行比较，以年费用较低的方案为最佳方案的一种方法。其表达式[8]为

2 输电线路LCC的组成

（1）一次投资成本（investment costs，IC）。IC指在输电线路正式投入运行以前，所付出的一次性成本，包括：导线、地线、绝缘子、杆塔、基础、房屋拆迁、工厂、采石场、各种企业等补偿成本、林木砍伐成本、人工费和运输成本以及其他辅助设备成本等。

（2）运行成本（operation costs，OC）。OC指输电线路运行期间所花费的一切费用的总和，包括：能耗费、人工费、环境费用、维护保养费以及其他费用。

（3）故障引起的中断供电损失成本（failure costs，FC）。FC指在故障发生后中断供电造成的损失。

（4）工期变化引起的时间成本（time costs，TC）。一般方案LCC分析中对TC作简化处理，认为各比选方案的TC相同，即TC不影响最终的比选结果，故在LCC分析中将其省略，但在实际LCC成本中应该计及TC费用。

（5）报废成本（discard costs，DC）。DC指工程寿命周期结束后，清理、销毁该工程所需支付的费用。部分设备还具有残值，可以冲销有关的费用，这种报废成本应为负值。

因此输电线路寿命周期成本为：

由于成本发生在不同的年份，式（3）中的费用都需要用费用现值或年费用法折算后才能比较。

3 输电线路LCC计算步骤

从输电线路LCC组成看，LCC的计算方法需大量详细、真实、可靠的数据支持，为此必须掌握有关设备、维护、检修等费用的历史数据。由于输电线路LCC研究还处于起步、探讨阶段，相关数据的收集、整理有待生产、管理中总结、深化和完善。

在缺乏部分数据的现状下，输电线路LCC的计算可作以下的简化处理：允许不考虑共同拥有的费用。尽管LCC是产品一生费用的总和，但LCC技术的目标并不是全面、完整、准确地计算费用，而是通过计算各方案间LCC的差别，为选择最佳方案提供决策依据，即LCC技术更重要的作用是方案优选。借用LCC技术对“已支费用”的解释，通过不考虑“各方案所共同拥有的费用”来简化优选的过程。

输电线路方案的全寿命周期评估的步骤如下：

（1）收资，确定待选的可行性方案。

（2）导、地线LCC估算比较，选择导、地线型号。

（3）绝缘子LCC估算比较，选择绝缘子及组装型式方案。

（4）杆塔、基础LCC估算比较，选择杆塔、基础方案型式。

（5）路径方案LCC估算比较，选择路径方案。

……

（N）工程的总体评价。

4 工程设计方案的LCC计算分析

4.1 计算条件

以某500 kV交流输电线路工程为例，具体进行输电线路各设计方案的LCC计算分析。本工程为500 kV双回交流输电线路，线路长约115 km，基本风速Vmax=28.5m/s，覆冰厚度C=10mm。全线海拔高程150～600m，导线采用4×400mm2，分裂间距450mm。本工程在设计方案LCC计算分析时，参考了当地运行线路的相关经验数据，输电线路主要部件（铁塔、基础、绝缘子、导线、金具等）经济寿命的经验数值如表1所示。如无特殊说明，计算中线路主要部件均采用如上寿命期。本工程的寿命期按40年考虑。

表1 经济寿命期Tab.1 Economic life period a

4.2 导线LCC计算分析

导线的选择[9-10]是线路设计的重要环节。据统计，在高压输电线路中，由于采用分裂导线，使得导线的投资在整个线路建设中的本体中占有约30％的比例，因此，合理的导线选型可以减少工程造价。

4.2.1 导线LCC计算

经过电气和机械性能的校验，得到满足本工程设计条件的导线型号有3种：LGJ-400/35钢芯铝绞线、JL/LB20A-400/35钢芯铝包钢绞线、ACSS-400/50节能软铝导线，导线参数如表2所示。

导线运行参数[11-14]如表3所示，单位电晕损耗值按双回路逆相序排列计算，单位电阻损耗的计算条件为：环温20℃，功率因数0.95，线路最大负荷利用小时数6 500 h，对应损耗小时数为5 000 h。3种导线在不同输送功率下的LCC以及各导线的LCC差值列于表4中（以ACSS-400/50为比较基准）。

表2 备选导线参数Tab.2 Alternative wire parameters

表3 备选导线运行参数Tab.3 Alternative wire operating parameters

表4 LCC年费用比较Tab.4 Comparison of annual LCC 万元//（km·a）

以上计算中考虑各种导线的故障费用基本相同，对各种导线的LCC费用比较不起关键作用，故全部设为零值。各种导线的环境效益也未列入上述计算。

4.2.2 导线LCC分析

（1）随着输送容量的增加，各种导线的运行费用明显增加，各种导线的LCC费用也明显增加。

（2）导线的LCC成本中运行费用占很大比例，约为90％，而一次投资成本和回收成本所占的比例都很小，这说明在导线的选型中不能将一次投资成本作为主要选型依据，而应该将运行成本作为导线选型的关键。

（3）导线ACSS-400/50的LCC成本最低，以输送功率2×1 150MW时为例，导线ACSS-400/50的LCC成本仅为66.32万元/（km·a），而导线4×LGJ-400/35、4×JL/LB20A-400/35的LCC成本比导线ACSS-400/50分别高出3.44、2.27万元/（km·a）。在导线经济寿命期内，ACSS-400/50导线比LGJ-400/35导线的LCC成本节省1.180 8亿元。

软铝导线在国内已有110～500 kV线路工程应用的实例，目前价格约为同规格普通钢芯铝绞线的1.4倍，随着推广应用，价格必将逐步降低，其LCC成本节省更加显著。

4.3 绝缘子LCC计算分析

与绝缘子选型关系最密切的是污闪事故率及跳闸率。从瓷、玻璃及复合绝缘子的电气性能及事故类型来看，当3种材质的绝缘子串长度相等（或基本相等）时，三者的雷害及鸟害事故并无明显差异，但三者发生污闪事故和影响的程度却有显著不同。

4.3.1 绝缘子LCC计算

故障停电损失费：瓷或玻璃绝缘子故障率按GB/T 16434—1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》附录B推荐的500 kV线路污闪事故率0.021 7次/（100 km·a）考虑，停电时间按10 h计，电力损失按1 100MW计，电价按0.5元/（kW·h）计。计划内清扫、检测不计停电损失费。

清扫、检测费：瓷绝缘子清扫、检测费按2万元/（100 km·a）计，更换零值瓷绝缘子按2万元/（100 km·a）计，玻璃绝缘子清扫费按2 000元/（100 km·a）计，更换自爆玻璃绝缘子按1.5万元/（100 km·a）计，复合绝缘子在运行期内不需清扫、检测，故无清扫、检测费。

本工程的污区划分如表5所示。

表5 污区划分Tab.5 Pollution classifica ation

（1）II级污秽区悬垂绝缘子LCC比较。由表5可知本工程II级污秽区直线塔共171基，以下计算中玻璃绝缘子采用单联31片160 kN级FC160P/155耐污型；瓷绝缘子采用单联31片160 kN级XWP3-160双伞型；复合绝缘子采用单联210 kN级FXBW 1-500/ 210型复合绝缘子。II级污秽区悬垂绝缘子的LCC比较如表6所示。

（2）III级污秽区悬垂绝缘子LCC比较。由表5可知本工程III级污秽区直线塔共56基，以下计算中玻璃绝缘子采用单联36片160 kN级FC160P/155耐污型；瓷绝缘子采用单联30片160 kN级XSP2-160三伞型；复合绝缘子采用单联210 kN级FXBW 4-500/ 210型复合绝缘子。III级污秽区悬垂绝缘子的LCC比较如表7。

（3）双回路耐张塔的不同污区耐张绝缘子LCC费用比较如表8所示。由表5可知本工程II级污秽区耐张塔共12基，III级污秽区耐张塔共13基。

考虑耐张绝缘子张力偏大，可能加速复合绝缘子芯棒老化，同时结合目前国内500 kV耐张绝缘子的实际运行经验，均采用玻璃绝缘子和瓷绝缘子，而不倾向于复合绝缘子，所以比选方案中没有将复合绝缘子列入比选。II级污秽区玻璃绝缘子采用双联28片FC300/195普通型，瓷绝缘子采用双联28片XP-300普通型；III级污秽区玻璃绝缘子采用双联28片FC300P/195耐污型，瓷绝缘子采用双联30片XP-300普通型。

表6 Ⅱ级污秽区悬垂绝缘子的LCC比较Tab.6 LCC comparison of insulator string in II polluted area 万元/a

表7 Ⅲ级污秽区悬垂绝缘子的LCC比较Tab.7 LCC comparison of insulator string in III polluted area万元/a

表8 耐张绝缘子LCC比较Tab.8 LCC comparison of strain insulator 万元/a

4.3.2 绝缘子LCC分析

（1）由表6可以看出，本工程II级污秽区悬垂绝缘子LCC中，瓷绝缘子仅为59.15万元/a，而复合绝缘子和玻璃绝缘子的LCC分别比瓷绝缘子高出14.24、64.08万元/a。在本工程寿命期内，II级污秽区悬垂绝缘子采用瓷绝缘子将比复合绝缘子和玻璃绝缘子分别节省569.6、2 563.2万元。故本工程II级污秽区悬垂绝缘子推荐采用瓷绝缘子。

（2）由表7可以看出，本工程III级污秽区悬垂绝缘子LCC成本中，复合绝缘子仅为21.84万元/a，而瓷绝缘子和玻璃绝缘子的LCC分别比复合绝缘子高出3.38、25.95万元/a。在本工程寿命期内，III级污秽区悬垂绝缘子采用复合绝缘子将比采用瓷绝缘子和玻璃绝缘子分别节省135.2、1 038万元。故本工程III级污秽区悬垂绝缘子推荐采用复合绝缘子。

（3）由表8可以看出，本工程II、III级污秽区耐张绝缘子LCC成本中，瓷绝缘子仅为22.27、26.21万元/a，而玻璃绝缘子的LCC比瓷绝缘子分别高出19.77、22.48万元/a。在本工程寿命期内，II、III级污秽区耐张绝缘子采用瓷绝缘子将比采用玻璃绝缘子分别节省790.8、899.2万元。故本工程II、III级污秽区耐张绝缘子推荐采用瓷绝缘子。

4.4 直线塔LCC计算分析

在覆冰地区，目前国内双回路直线塔大致有2种常见型式：I-I-I鼓型塔，V-V-V鼓型塔。根据本工程气象条件和规程规定的覆冰条件下导地线布置特点，新设计了V-I-V鼓型塔和I-V-I腰型塔。不同杆塔型式导致了绝缘子串组装型式的不同，而不同绝缘子串组装型式不但在风偏摇摆、缘子串受压、电压分布、均压屏蔽、故障概率、运行维护等方面存在一定的差异，还会直接在铁塔塔头布置、走廊宽度、线路拆迁、林木砍伐、土地占用、企业补偿范围等方面产生不同的影响，因而直接影响到工程本体造价。

4.4.1 直线塔LCC计算

4种双回路直线塔相关计算指标如表9所示。表9中的参数中杆塔单基质量取各系列塔型中的II型塔参数（绘图质量），走廊宽度按相应塔型强制拆迁范围考虑，即边线宽加上5m，塔材均采用Q345镀锌钢作为主材。采用II级污秽区绝缘子相关配置，杆塔数量取2.2基/km，走廊补偿成本按150元/m2计。4种双回路直线塔的LCC计算结果如表10所示。绝缘子运行维护费用按表6中II级污秽区悬垂绝缘子中瓷绝缘子的费用总值折合成相应每公里费用值。由于绝缘子采用相同型号，其污闪事故率大致相同（即0.16）。上述直线杆塔型式的走廊补偿成本均按表9的走廊宽度计算相应费用（折成年值）。

表9 塔型相关参数Tab.9 Tower type parameters

表10 杆塔型式的LCC比较Tab.10 LCC comparison of tower type万元//（km·a）

4.4.2 直线塔LCC分析

（1）由表10可以看出，双回路直线塔采用I-V-I腰型塔时LCC年费用仅为38.95万元/（km·a），而I-I-I鼓形塔、V-V-V鼓形塔、V-I-V鼓形塔的LCC比I-V-I腰型塔的LCC年费用分别高出3.8、1.79、1.53万元/（km·a）。在杆塔经济寿命期内，采用I-V-I腰型塔比采用I-I-I鼓形塔、V-V-V鼓形塔、V-I-V鼓形塔分别节省2.173 9、1.024、0.875 3亿元。故本工程双回路直线塔推荐采用I-V-I腰型塔，相应的绝缘子串组合型式为I-V-I组装型式。

（2）LCC年费用计算过程中，走廊补偿成本充分结合相似线路的补偿成本，同时详细考虑了工程沿线的补偿项目及标准，但由于涉及补偿和青赔部分的不确定性，其LCC补偿费用应该略有出入。

（3）对比4种塔型的LCC年费用组成可以看出，各种塔型的LCC费用中走廊补偿成本都占较大比例，杆塔费用也占一定的比例。

4.5 基础LCC计算分析

基础作为输电线路的重要组成部分，其设计的优劣直接影响整个线路工程的造价、工期和劳动消耗量。选择合理的杆塔基础型式，优化杆塔基础设计，不仅可以降低工程投资，而且对环境保护和水土保持有很大好处，对今后的安全运行及维护也是至关重要的。基础的一次投资成本包括混凝土、钢材、土石方费用等本体造价以及基础的环保措施费用。

4.5.1 基础LCC计算

本工程非冻胀区约87.98 km，其可行基础型式及每公里的指标参数如表11所示，基础按2.2基/km计。上述各种基础的LCC费用计算结果如表12所示。

表11 基础指标表Tab.11 Foundation indicators

表12 基础型式LCC比较Tab.12 LCC comparison of foundation type 万元//（k k m m·a a）

4.5.2 基础LCC分析

（1）从基础型式LCC计算结果表12可知，采用斜掏挖基础的LCC费用最低，仅为1.55万元/（km·a），其次为全掏挖直柱基础和人工挖孔桩基础，分别为1.78、1.81万元/（km·a），斜柱板式和直柱板式基础的LCC费用较高，分别为2.13、2.93万元/（km·a），在本工程寿命期内，基础型式采用斜陶挖基础比采用斜柱板式基础节省2 551.42万元。故本工程非冻胀区基础型式推荐采用斜掏挖基础，其次采用全掏挖直柱基础和人工挖孔桩基础。通过相同的方法比较，本工程冻胀区推荐采用梯形斜面基础、灌注桩基础。

（2）基础的环保措施费用在一次投资成本中占有一定的比例。土石方开挖及弃土处理、基面排水及生态植被护坡体现了绿色设计和绿色施工，美化与改善环境的功能十分显著。因此在LCC计算时，将该部分列为不可或缺的部分。

4.6 路径方案LCC计算分析

4.6.1 路径方案LCC计算

本工程利用海拉瓦技术，进行局部路径调整，其优化原则是：在满足地形地貌、走廊宽度基本要求或建筑物动迁不大的前提下，进一步对线路跨越河流、铁路、高速公路等重要交叉跨越的跨越方案及塔位分布进行优化，以便于运行维护，并降低工程造价。经过现场踏勘及海拉瓦选线结果，对原路径方案中的局部路径进行了调整。路径的相关对比参数如表13所示。

表13 路径优化参数Tab.13 Optimized parameters of path

表14 路径方案LCC比较Tab.14 LCC comparison of path 万元/a

本工程原路径和优化路径的LCC比较如表14所示。其中中断供电损失成本包括故障检修费用及强迫、非计划停电损失费用，暂未考虑；人文社会环境未量化考虑；报废成本仅考虑导线和塔材；系统输送容量2×1 150MW，损耗小时数5 000 h，电价取0.5元/（kW·h），正常运行维修费用按1.8万元/（km·a）。

表14中，一次投资成本包括各种设备的购买及安装费用，由于原路径比优化路径长了约0.584 km，且多采用8基铁塔（其中2基转角塔），直接导致了可研路径方案建设成本高于优化路径方案。

其次，一次投资成本中还包括向沿线各级政府、居民及企事业单位等购买所需的土地和支付相应的拆迁、补偿及森林砍伐成本。

再者，由于优化路径方案长度变短了0.584 km，使得线路的运行成本得到了较大的降低，这是导致原路径和优化路径LCC费用差异的主要原因。

4.6.2 路径方案LCC分析结论

由路径方案LCC计算结果可见，优化路径方案不仅仅在初期的一次投资成本上要小于招标方案，而且包含运行费用及报废费用在内的全寿命周期费用也更小。采用优化路径通道建设本工程，其全寿命周期费用将比可研路径减少了292.6万元/a。在寿命期内，采用优化路径将比可研路径节省1.170 4亿元。同时路径优化后线路长度变短，线路曲折系数降低，交通条件基本不变，铁塔采用数量减少，档距分布合理，塔位地形、地质条件得到改善，且交叉跨越、民房拆迁减少。所以，本工程推荐采用优化路径方案。

5 结语

本文输电线路LCC计算分析中只是对输电线路主要部件进行了分析计算，其他的部件（如地线、金具、跳线串、塔材、防雷保护角等）也应以相似的方法进行LCC比选，从而从可行的方案中选出既安全可靠又经济合理的指标。输电线路贯彻全寿命周期理念是一种趋势，虽然在设计中考虑了各个因素对输电线路全寿命周期的影响，提出很多有效的措施，但这还远远不够，还需在建设、运行全过程、全面、全方位贯彻全寿命理念。

[1]陈玉波，张柳，曲长征.产品LCC估算模型研究及仿真分析[J].计算机仿真，2005，22（9）：73-75.

[2]安书明，梁工谦.用LCC方法实施对维修费用的控制[J].设备管理与维修，2000（5）：12-13.

[3]International Standard IEC 300-3-3 Life cycle costing[S].

[4]金家善，史秀健，吴奕亮.LCC技术应用中的问题分析及建议[J].上海电力，2004，17（4）：280-283.

[5]帅军庆.全寿命周期成本管理是公司可持续发展的重要举措[J].上海电力，2004，17（3）：177-178.

[6]腾乐天，凌平，黄玉，等.泰和变电站220 kV GIS设备LCC模型和计算[J].中国设备工程，2005（6）：5-7.

[7]刘伊生.工程造价管理基础理论与相关法规[M].北京：中国计划出版社，2003：30.

[8]邵长利，乔光林.±500 kV直流输电线路绝缘设计方案全寿命费用决策[J].吉林电力，2006，34（2）：5-7.

[9]茹洁，温灵长.全寿命分析在输电线路导线选型中的应用[J].陕西电力，2007，35（12）：49-54.

[10]郭青.输电线路建设工程全寿命周期管理的探讨[J].山西电力，2007（12）：88-92.

[11]东北电力设计院.工程高压送点线路设计手册[M].2版.北京：电力工业出版社，1999.

[12]GB 3096—1993城市区域环境噪声标准[S].

[13]DL/T 691—1999高压架空送点线路无线电干扰计算方法[S].

[14]DL/T 5040—2006输电线路对无线电台影响防护设计规程[S].