110 kV变电站全寿命周期成本分析

许子涛，李风兰，赵 琳，陈 婧

（潍坊供电公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

随着电网建设的快速发展，作为资本密集型产业的电力行业，对电力工程造价进行有效控制，提高资金利用效率，不仅关系到项目个体的经济利益，也关系到电力工程建设的健康发展。

当前工程造价管理已经在电力基建项目的全过程得到了充分的重视，从早期简单的对施工阶段进行预算控制，到目前对前期策划、设计阶段、施工阶段进行全过程管理，工程造价管理在理论和实践上都取得了重大进步。然而，目前的工程造价管理模式还只是从项目前期到项目竣工移交为止，并不包括对项目使用期的运行和维护成本管理，没有形成一个闭环控制过程。随着经济社会持续快速发展，我国电网建设将长期保持快速增长。传统的资产管理方式暴露出一些问题，如设备寿命短、使用效率低、维护成本高、一线人员短缺等。在此形势下，必须转变管理理念，创新管理方法，引入科学决策，优化管理策略，积极推进资产全寿命周期管理。将全寿命周期成本（LCC）分析引入资产全寿命周期管理，有利于基建管理理念和方法创新，有利于提高工程整体水平，有利于电网安全可靠运行。它将控制工程造价覆盖工程项目的整个寿命周期，贯穿于工程的项目决策、设计、施工、运行维护等各阶段。

110 kV乐川变电站是国家电网公司全寿命周期设计建设试点工程。潍坊供电公司按照国网公司“三通一标”、“两型一化”、“两型三新”要求，在电网建设中实行包含全寿命周期成本分析和管理的全寿命周期造价管理，实现控制与节省全寿命周期成本的目标。

1 概述

1.1 实施全寿命周期设计建设的必要性

工程项目全寿命周期造价管理是指一种贯穿工程项目全寿命周期，包括项目前期、建设期、使用期和翻新及拆除期等各阶段总造价最优化的方法。全寿命周期造价管理是一种可审计跟踪的工程成本管理系统，管理的范围包括决策阶段、设计阶段、实施阶段、竣工验收阶段和运营维护阶段。全寿命周期造价管理有全寿命周期成本分析和全寿命周期管理两大核心内容。全寿命周期成本分析用来计算建设项目的全寿命周期成本，在计算时通常采用折现技术，即把未来的成本折合成现在的费用。其主要作用是为管理的各个阶段提供决策依据，是方案选择的主要工具。全寿命周期成本管理是在建设项目整个寿命周期的各个阶段对全寿命周期成本加以控制，以达到全寿命周期成本最优的目标。

1.2 全寿命周期成本定义及计算模型

全寿命周期成本是从设备/系统或项目的长期经济效益出发，全面考虑设备/系统或项目的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新、直至报废的全过程，即从整个项目寿命周期出发进行思考，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最优的一种管理理念和方法。

在项目初期，不仅要考虑设备的购买价格，更要考虑设备在整个全寿命周期内的支持费用，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LCC进行分析计算，以量化值进行决策。主要应用以下计算模型：

式中：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）。

1.3 110 kV乐川站全寿命周期成本分析研究内容

从制造厂、电网运行两个方面对变电站重要电气设备和建筑调研数据收集、分析，基于“寿命协调、功能匹配”原则，确定变电站整体寿命30年和影响检修周期的关键部件寿命期限。

研究制定变电站全寿命周期成本计算方法，包括全寿命周期成本（LCC）的组成、统计方法、不确定因素和敏感性分析方法和各阶段全寿命周期成本计算。

根据设备短板、零部件检修更换周期，并结合预防性试验要求，优化变电站检修周期年限，并进行30年寿命期内的技术经济比较定量分析。

进行效能/成本的权衡研究，确定最佳的可靠性、可维护性等级，获得最优的全寿命周期成本，研究全寿命周期成本评价法。

从功能、技术、经济和环境多方面考虑，在站址选择、配电装置及设备选型、绝缘配置、接地装置、地基处理、基础设计、总平面布置等各个方面都要进行设计优化。

2 确定变电站设备寿命周期、优化检修周期

2.1 设备寿命及短板分析

潍坊供电公司多次邀请有代表性的设备制造厂开展技术交流，得出结论：各主要设备经济寿命均≥30年；优化（采用新技术、新材料、新工艺）后多数零部件短板寿命为15年（如变压器密封垫等），部分零部件须在第8年更换；二次及通信类设备经济寿命为15年，部分零部件（如电源插件）须在第8年更换；开关类设备（GIS、开关柜）30年经济寿命期内无需解体大修。

2.2 分析潍坊电网运行设备

为综合评定设备寿命周期，从设计和检修两个环节综合验证确定设备短板。在对潍坊电网从2000年至今的设备缺陷进行分类统计后，总结出设备运行期内暴露出的共性问题，并对问题产生的根源进行分析。对查找出的设备缺陷及共性问题在技术规范书中要求设备制造厂家有针对性地进行整改，如采用新材料，提高加工工艺，选用高品质零部件，确保设备满足预期经济寿命及检修周期。以主变压器为例：密封垫材质采用丙烯酸酯取代丁晴橡胶，防老化性能显著增强；油箱箱壁采用定制钢板以减少焊缝，其他采用埋弧自动焊工艺；变压器安装由厂家指导安装改为厂家主导安装等。

2.3 设备检修试验周期优化

目前，电网企业多以3年为周期开展设备定期检修，主要工作为预防性试验。定期检修在保证设备正常工作中起到了直接防止或延迟故障的作用；然而随着技术进步，设备质量、可靠性大大提高，目前这种不根据当前电气设备的实际状况，单纯延续3年时间间隔对设备进行相当程度解体的维修方法，不可避免地会产生“过剩维修”，不但造成设备有效利用时间的损失和人力、物力、财力的浪费，甚至会引发维修故障。

依据设备寿命、短板分析及零部件检修更换周期，参考《山东电力集团公司电力设备交接和预防性试验规程》，结合现运行设备缺陷统计分析、制造厂产品使用说明、运行及检修单位多年实际经验，优化主要电气设备的停电试验项目和周期：变电站检修周期为“8小、15大”，即小修周期定为8年，大修周期定为15年。小修主要工作为设备整体检查、进行预防性试验项目；大修主要工作为主变压器整体大修、其余设备更换寿命到期零部件以及进行全部大修试验项目。

优化目前变电站设备检修周期将带来直接效益：1）节省大量维修费用；2）延长设备使用寿命；3）增加供电能力；4）确保供电可靠性；5）降低检修成本、减少检修风险。

3 110 kV乐川站全寿命周期成本

110kV乐川变电站工程规模：建设2台50MVA变压器，2回110 kV出线，24回10 kV出线，建设10 kV并联电容器组2×6 Mvar。

在电力系统应用全寿命周期成本管理有其自己鲜明特点，对系统的可靠性和部件失效的分析，以及失效引起的损失的评定，是开展该项工作必不可少的步骤[1]。以新建一个变电站为例，全寿命周期成本管理主要包含以下工作：根据技术要求，确定不同的布局，以多个备选方案作比较；不同方案下的LCC；不同方案下的可用率；不同方案下的风险；确定预期的各种变电站扩展计划或更新计划；在满意的可用率和可接受的成本之间，找到最佳平衡点。

在全寿命周期成本各项组成成本中，故障成本（CF）的计算比较困难，与设备的可靠性和运行方式有关。可采用故障成本系数来分析故障成本与LCC的关系。研究表明：在考虑不同开关类型、不同故障率及各种参考因素的情况下，采用优化算法计算不同故障成本系数下变电站设备LCC，故障成本系数决定了系统的可靠性程度。高故障成本系数下，变电站设备的LCC受故障成本影响很大，此时需要更加可靠的变电站技术；低故障成本系数下，设备的可靠性升高，变电站设备LCC的故障成本将降低。在确定了各项成本的基础上，通过LCC计算模型可较准确地比较各种条件下的LCC。如不同制造厂设备产品的可靠性不尽相同，同时可靠性的程度与产品的价格成正比。即可靠性越高，相应设备的价格也越高，因此在考虑设备的采购时，可以通过LCC计算，对可靠性和投资水平的最佳平衡点作出客观的评价和决策。

1）110 kV乐川变电站工程推荐方案建设投入成本（CI）为3 747万元，其中设备购置费2 548万元（所占比例68%），建筑工程费449万元（所占比例12%），安装工程费265万元（所占比例7%），其他费用485万元（所占比例13%）。

2）110 kV乐川变电站全寿命周期成本：经计算，基于8年小修、15年大修的检修策略，变电站30年寿命期内全寿命周期成本（LCC）为5 204万元，其中建设投入成本（CI）为3 747万元（所占比例 72%），运行成本（CO）为 467万元（所占比例9%），维护成本（CM）为 519万元（所占比例10%），故障成本（CF）为364万元（所占比例7%），废弃成本（CD）为107万元（所占比例2%）。各项组成成本占全寿命周期成本（LCC）的比例如图1所示。

图1 各组成成本占全寿命周期成本（LCC）的比例

3）110 kV乐川变电站全寿命周期成本（LCC）中，电气一次设备LCC成本为3422万元（所占比例65.8%），电气二次设备LCC成本为463万元（所占比例8.9%），电气辅助设备LCC成本为203万元（所占比例3.9%），列入变电站本体的通讯设备LCC成本为14万元（所占比例0.3%），土建成本为617万元（所占比例11.8%），其他成本为485万元（所占比例 9.3%）。

4 效益分析

4.1 优化检修周期、提高设备性能产生的效益

优化检修试验周期，降低维护成本（CM）及故障成本（CF）。变电站设备检修优化为“8年小修、15年大修”后，与“3年小修、6年大修”的检修方式相比，在30年寿命期内，设备检修次数减少，一线人员维护、检修工作量大大降低，故障次数显著减少，经计算乐川站30年维护成本（CM）、故障成本（CF）可节省160万元。

提出合理技术改进要求，降低运行成本（CO）。以主变压器性能优化为例，通过增加初始投资2万元，噪声水平可由65 dB降至56 dB，带来的环境效益、社会效益显著。通过增加初始投资15万元，空载损耗可由41.5 kW降至26 kW、负载损耗可由215kW降至183kW，在30年寿命期内，运行成本（CO）中的能耗成本节省274万元；通过选用真空有载调压开关，与全油式调压开关相比无需增加初始投资，30年维护成本（CM）节省65万元。

4.2 优化设计产生的效益

优化工程设计，节约土地资源。注重节约土地，经过优化合并，以安全可靠、方便运行维护为前提，现110 kV全户内变电站对比同规模国网典设B-1方案，变电站围墙内占地减少188.1 m2，节约用地12%；电气综合楼总建筑面积仅为854.4 m2，建筑利用率达到81%，对比国网典设B-1方案减少7%。优化设计投入成本（CI）节省37万元。

4.3 变电站整体寿命延长产生的效益

经调研，变电站寿命延长至40年技术可行、效益显著。乐川站通过提高设备质量，优化检修周期等设计管理手段，30年经济寿命到期后，变电站整体寿命延长10年需增加投资约271万元（主要用于更换寿命到期的设备零部件，如变压器油、密封件、风机，GIS开关设备的触头、带电显示闭锁装置、避雷器在线监视器、二次元件，35 kV开关柜的避雷器，加热器等），变电站延长10年寿命带来的收益与增加投资费用相比收益显著。

5 结语

从资产角度而言，引入全寿命周期成本管理可以有效地提高电网企业的运营效率，一方面，在资产运行过程中给予全寿命周期管理理念采用的各种管理方法，有助于运行管理水平的提高；另一方面，运行阶段的要求在资产形成前期决策过程中得到了充分考虑，大大降低了规划、设计、招投标和建设等前期阶段造成资产健康隐患的可能性[2]。在电网资产全寿命周期成本中，故障引起的损失占较大比重，全寿命周期管理在设备或系统的规划设计和招投标时就充分考虑可靠性因素，将故障成本作为一种惩罚性成本折算进全寿命周期成本，全面分析可靠性对全寿命周期成本的影响，有助于从源头上提高设备和系统的可靠性，从而提升变电设备资产的质量并且延长其使用寿命。通过在规划、立项、设计和设备招投标等决策环节将基建和生产两个阶段进行通盘考虑，树立基建为生产服务的理念，以实现资产全寿命周期成本最优为目标，寻找一次投入与运行维护费用二者之间的最佳结合点，使两个阶段工作具有良好的持续性，从而改变割裂二者关系、片面追求一次投资最低的做法，有效实现资产全寿命各个阶段的衔接。通过资产全寿命周期管理，能够真正达到资产质量的优良和运行维护成本的优化，从而非常显著地降低资产全寿命周期的总体成本，提高资产的运营效率，有力推动变电设备管理绩效的提升。