变电工程LCC 设计评价及其系统开发

赵军毅，姚建刚，许成卓，刘志斌，邹 涛，邓道福，毛 田

（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；3.湖南省电力公司长沙电力局，长沙410000）

在国民经济快速发展的带动下，电网发展不断加快，资产规模迅速扩大，新设计的变电工程项目随之增多。而国内的变电工程设计主要考虑初期投入成本，忽视设备的后期运行维护成本，造成了工程周期总成本过大和社会资源浪费。

近年来国内外各个工程领域已对全寿命周期成本LCC（life cycle cost）理念进行了深入研究[1，2]，并取得很好的效果。它是从全寿命的角度管理好资金的流向，进而节约工程周期总成本。同时在一些研究中已把LCC 理念引入到变电工程的设计管理之中，文献[3]对变电工程项目进行了工程结构分解和成本分解，在此基础上建立了变电工程项目的全寿命周期成本映射模型；文献[4]从变电设备全寿命周期成本动因的角度出发，借助实证分析方法，建立了成本动因与安全运行之间的内在联系模型；文献[5]对变电站的主变压器和断路器分别作了LCC 比较，并应用到具体实例中；文献[6]分析了现有变电站数据管理现状，就变电站LCC信息系统的集成提出了工作内容和策略。

本文借鉴先前研究的成果，提出一种适用于变电工程LCC 的设计、评价和决策方法，并根据该方法开发出系统，为电力设计部门提供科学、定量的变电工程LCC 数据，结合技术分析，从经济和技术两个角度权衡最终结果。

1 LCC 模型及设计评价

1.1 变电工程LCC 模型构建

变电工程是一个耗资巨大、结构复杂的系统，为了研究变电工程LCC 模型，首先必须确定变电工程各组成要素，再在此基础上构建各构成物的LCC 模型，由于变电工程运行年限较长，经济计算时必须考虑到资金的时间价值。

（1）变电工程构成物分解。变电工程构成物非常多，在对整个变电工程进行分析时，很难直接对每种构成物的LCC 进行分析处理，只能选定重要的构成物进行分析[7]，其重要构成物分解如图1 所示。

图1 变电工程重要构成物分解Fig.1 Disassembling of important components of power transformation engineering

（2）变电设备费用分解。变电设备LCC 指的是变电设备经济寿命周期内，所支付的总费用，包括：投资成本IC（investment cost）、运行成本OC（operation cost）、维护成本MC（maintenance cost）、故障成本FC（failure cost）、退役成本DC（discard cost），如图2 所示。

（3）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为

式中：P 为现值；F 为终值；i 为折现率；n 为运行年限。综以上（1）、（2）、（3）所述，变电工程LCC 模型为

式中：LCC 为变电工程设计年限内全寿命周期费用总和；Z 为不同的变电设备，其中包括：主变压器、配电装置、无功补偿装置、二次设备、构支架等；ICk为设备投资成本；OCkj为设备运行成本；MCkj为设备维护成本；FCkj为设备故障成本；DCk为设备退役成本；N 为变电工程设计年限；i 为折现率。

图2 变电设备LCC 分解Fig.2 Power transformation engineering equipment LCC disassembling

1.2 设计评价

随着现代化进程的加快，对电力系统的可靠性要求越来越高。变电站典型设计又是变电工程设计中重要的依据，因此在评价流程中要予以考虑。结合变电工程LCC 模型，提出一种适于变电工程LCC 的设计、评价和决策方法，步骤如下。

（1）基于可靠性及负载率的单位LCC 优化。变电工程的可靠性、负载率及其单位LCC 3 个因子相互影响，同负载率下，当变电工程设计可靠性越高，则单位LCC 越大；同可靠性下，单位LCC 随着变电工程负载率的增长先下降，到达最优值后再升高，即存在最优负载率范围。根据以上理论，在变电工程设计之初对该供电区域进行长期负荷预测，保证所设计变电站容量在整个寿命周期内都能满足最优负载率范围，从而确定主变经济容量和初终期台数及扩建年份。

（2）基于LCC 的变电站类型优化。采集变电工程项目整个寿命周期内与配电装置类型相关的成本因素，建立配电装置LCC 比较模型，通过模型计算值确定最优的变电站类型建设方案。成本因素主要包含征地费用、高压气体绝缘开关装置GIS（gas insulated switchgear）和空气绝缘开关装置AIS（air insulated switchgear）的相关参数等。

（3）基于可靠性和LCC 的变电站建设成本和运营成本优化。运营成本包括运行成本、维护成本和故障成本。变电站的建设成本、运营成本与可靠性存在一定的关系：随着可靠性的增加，每增加单位可靠度，所需要的建设成本越高，相应能降低的运营成本越少；存在着可靠度λi使得建设费用与运营费用之和最小的优化点。典型设计是变电站设计的标准，每种方案都是经过实际运行验证过的最优设计方式，具有较高的可靠性。因此在变电工程设计流程中必须考虑到典型设计并加以应用。

（4）基于可靠性和LCC 的变电设备投资成本和运营成本优化。运营成本包括运行成本、维护成本和故障成本。变电设备投资成本、运营成本与可靠性存在一定的关系，投资成本随着可靠性的增加而增加，运营成本随着可靠性的增加而减少；存在着可靠度λi使得变电设备的投资成本与运营成本之和最小的规律。对主变压器、开关类设备、无功补偿装置、二次控制保护系统等分别进行LCC分析比较。

（5）基于LCC 的变电设备寿命匹配优化。变电工程所有设备都有各自的寿命周期，应用水桶效应，以变电站的寿命为匹配标准，充分利用设备寿命，列出可行的寿命匹配组合方案，对其进行LCC分析。通过灵敏度分析，包括设备价格变化、利率变化，验证寿命匹配效果。

根据以上评价步骤，其流程如图3 所示。

图3 变电工程LCC 设计评价流程Fig.3 Flow chart of power transformation engineering LCC design evaluation

2 系统设计

系统采用Browser/Server 模式，以Java 和Oracle 作为开发工具和数据库。根据变电工程LCC设计评价的特点、思路和方法，整个系统主要包括5 个功能模块：系统管理、数据管理、信息查询、数据分析、LCC 评价。这些模块的设计采用面向对象的技术，各个模块之间有信息传递，构成了一个闭环反馈系统，使后续变电工程LCC 设计评价更加准确合理，系统构架如图4 所示。

2.1 系统管理

系统管理模块是系统正常运行的基础组成部分，记录了用户的所有基本信息和系统运行状态日志。它包括用户管理和日志管理两个子模块。

图4 系统构架Fig.4 System structure

1）用户管理。用户管理子模块可以删除用户、修改用户密码，同时管理员可以对各用户设定使用权限。

2）日志管理。日志管理子模块可以查询用户登录及退出系统的时间，监视系统的运行状态，监视重要模块的操作时间及步骤。每天在指定时段自动生成报表并储存，方便用户查询。

2.2 数据管理

变电工程全寿命周期成本设计评价需要大量的基础数据，而各部分信息来自电网公司不同部门，采集的难度比较大，因此本系统设计了数据管理模块，用户可以通过页面灵活管理数据库信息，它包括3 个子模块：变电站信息管理、新设备信息管理和典型设计管理。

（1）变电站信息管理。变电站信息管理子模块可以输入所建变电站相关LCC 信息，包括：变电站规模、变电设备LCC 参数、变电设备每年运行的可靠性指标。同时也可以对该变电站信息进行更新。

（2）新设备信息管理。得益于科技的发展，目前变电设备更新速度很快，此模块就是方便用户对新生产出的变电设备数据进行管理，它包含变电设备与LCC 计算相关的数据。

（3）典型设计管理。典型设计是变电工程设计的参考，此子模块可实现变电工程典型设计的查询、增加和修改。

2.3 信息查询

信息查询模块方便用户查询变电站规模、重要变电设备LCC 参数、变电站典型设计和已设计变电站LCC 评价信息。从不同角度对系统数据进行查询，运用各种图形进行直观显示。

2.4 数据分析

系统中存储了各变电站设备购置安装成本、运行维护成本等信息，该模块是对已经投运的变电站进行LCC 分析，计算出变电站各组成部分的成本，用量化的数据和可视化的图形展示在用户面前，使设计人员直观地了解以往设计变电站的运行效果，增强其设计经验。该模块总共包括3 个部分：建成变电站LCC 分析、同类型变电站LCC比较、变电设备经济寿命分析。

（1）建成变电站LCC 分析。对已运行多年的变电站进行LCC 分析，计算整个变电站在设计寿命年限内，投资成本、运行成本、维护成本、故障成本、退役成本5 部分的费用，并用饼形图显示该变电站各成本费用的比例。

（2）同类型变电站LCC 比较。同类型变电站指的是变电站规模相同，配电装置类型相同（常规/GIS）。此子模块可分析出哪种变电站设计方式更加合理，运行起来更加经济。

（3）变电设备经济寿命分析。此子模块可根据设备每年的运行维护数据，对其进行经济寿命分析。可视化图形上显示3 条曲线，分别为：购置安装成本递减曲线、运行维护成本递增曲线和设备全寿命周期总成本曲线。其中设备全寿命周期总成本为前两者之和，出现最小值的年份即为该设备的经济寿命。

2.5 LCC 评价

LCC 评价模块是该系统的核心部分，各子模块的流程如图5 所示。决策页面显示重要变电设备选型的不同方案，通过LCC 费用比较，确定最终的设计方案，给用户设计提供量化依据。

图5 LCC 评价模块流程Fig.5 Flow chart of LCC evaluation module

1）基础数据分析

此子模块是进行变电站基础数据分析，设计人员需要输入的信息有：变电站名称、设计之初的基础负荷、供电区域的平均负荷增长率、土地价格、折算电价、负载率、变电站设计寿命和变电站最低可靠性指标等。通过软件分析可自动显示负荷的增长曲线图，初步选定该地区主变压器容量与台数，以及确定变电站近期、远期规模和大概扩建年份。基于可靠性及负载率的单位LCC 优化功能可在此模块中实现，具体通过改变负载率和可靠性指标，得到不同负载率和可靠性指标下的单位LCC，以达到优化功能。

2）户内户外评价

此子模块是根据LCC 理论完成变电站配电装置类型的比较分析。要求用户输入同电压等级AIS和GIS 的信息，其中包括：购置安装费、维护难度、运行损耗、设计寿命、回收率、可用率、非计划停运时间和单间隔占地面积等。基于LCC 的变电站类型优化可在此模块中实现，相同主变容量和台数下，通过计算采用不同类型配电装置的变电工程LCC，以达到变电站类型的选优功能。

3）典型设计选优

通过前两个模块分析出该变电站建议的主变容量、台数及配电装置类型3 种信息，即可从变电站典型设计库中选定相对应的典型设计。设计人员可根据实际情况灵活地修改各电压等级的间隔数和主变台数，确定设计变电站的最终规模，其中各子模块造价的经济数据已经从典型设计中给出。基于可靠性和LCC 的变电站建设成本和运营成本优化可在此模块中实现，在已知主变容量、台数及配电装置类型的条件下，选择具有不同可靠性、不同接线方式的典型设计，以达到优化功能。

4）主变压器LCC 分析

确定变电站最终设计规模之后，此子模块是为了完成主变压器的最佳选型。通过LCC 评价，计算出各种型号主变压器购置安装费、运行费用、维护费用、退役费用及全寿命周期费用。用表格、饼形图、曲线图3 种形式显示。

5）配电装置LCC 分析

根据模块2）确定的配电装置类型，此子模块会自动显示AIS 或GIS。若是AIS，系统会对断路器、隔离开关、电流互感器和电压互感器等配电装置进行LCC 评价；若是GIS，系统将单独对不同型号的GIS 设备进行LCC 评价。并进行寿命匹配分析，计算出变电站设计寿命年限内该种设备总的投入成本和运行维护成本，选定最优型号。

6）二次设备LCC 分析

该子模块是完成变电站一些重要的二次设备LCC 评价，其中包括：控制系统、保护系统等，选定最优型号。基于可靠性和LCC 的变电设备投资成本和运营成本优化和基于LCC 的变电设备寿命匹配优化可在模块4）、5）、6）中实现，选用可靠性和寿命不同的设备，计算其LCC，再以设备价格、利率等作灵敏度分析，以达到设备LCC 优化和寿命匹配优化功能。

7）变电站总体决策显示

此子模块显示变电工程LCC 评价的总体流程图，用不同的颜色区分各子模块是否完成分析，只有全部完成，系统才会自动生成该变电工程LCC设计决策表。表中显示两种不同的重要设备选型方案及各部分的经济数据，进而确定最终选型方案，同时也可把决策表信息导出到Excel 文档，完成整个变电工程LCC 评价流程。

3 系统特点

本文设计的软件系统除了一般的功能之外还具有如下的特点。

（1）可视化：系统运用曲线图、饼形图、柱形图等图形对抽象的数据进行显示，设计人员可通过图形直观地判断已设计变电站运行效果。

（2）便捷性：系统设置查询模块，可对变电站经济数据进行不同方式地查询，同时变电站LCC评价流程固定，设计人员只需按照提示的路径自动对新设计变电站进行LCC 评价。

（3）安全性：该系统能满足严格的安全性能检测要求，可分别在身份鉴别、访问控制、安全审计、软件容错、资源控制等方面进行设置。

4 结语

本文提出了一种适用于变电工程LCC 的设计、评价和决策方法，按照该方法开发了变电工程LCC 设计评价系统。该系统提供了科学、定量的变电工程LCC 分析数据，向设计人员直观显示LCC评价结果，为设计带来了极大的便利，同时也具有明显的社会经济效益，帮助电网企业在保证电网可靠性的同时减少了全寿命周期总成本，对全国其他地区将要设计的变电工程项目具有较好的借鉴意义。

[1]殷显焕，贾岩（Yin Xianhuan，Jia Yan）.基于建设项目全寿命周期的风险管理集成系统的设计研究（Research on the design of the integrated risk management system based on the life cycle of engineering project）[J]. 建筑管理现代化（Construction Management Modernization），2008，（4）：86-90.

[2]de Vasconcellos N M Jr，Yoshimura M. Life cycle cost model for acquisition of automated systems[J].International Journal of Production Research，1999，37（9）：2059-2076.

[3]陈礼仪，蒋铮鹤（Chen Liyi，Jiang Zhenghe）.变电站项目的全生命周期成本映射模型及其应用（The life cycle costs mapping model of substation project and application）[J].项目管理技术（Project Management Technology），2009，7（9）：38-41.

[4]李涛，马薇，黄晓蓓（Li Tao，Ma Wei，Huang Xiaobei）.基于全寿命周期成本理论的变电设备管理（Power transformation equipment management based on life cycle cost theory）[J].电网技术（Power System Technology），2008，32（11）：50-53.

[5]张俊（Zhang Jun）.基于全寿命周期成本（LCC）的变电站建设的决策分析（Decision-making Analyse of Electric Substation’s Construction Based on Life Cycle Costs）[D].重庆：重庆大学电气工程学院（Chongqing：College of Electrical Engineering，Chongqing University），2007.

[6]蒋跃强，袁伯英，韩天祥（Jiang Yueqiang，Yuan Boying，Han Tianxiang）.变电站LCM 和信息系统集成（Integrated information system for life cycle management of substation）[J].华东电力（East China Electric Power），2009，37（9）：1584-1587.

[7]金家善，邵立周（Jin Jiashan，Shao Lizhou）.LCC 分析的简化方法（The simplified method of LCC analysis）[J]. 中国设备工程（China Plant Engineering），2003（9）：6-8.

[8]陈奇志，王序，林建泉，等（Chen Qizhi，Wang Xu，Lin Jianquan，et al）. 基于J2EE 平台的CSADA 系统实现（SCADA system based on J2EE platform）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（6）：103-108.

[9]夏明超，吴俊勇，吴命利（Xia Mingchao，Wu Junyong，Wu Mingli）.基于角色访问控制在电力监控系统中的应用（Application of role based access control in power supervisory control system）[J]. 电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：46-50.

[10]卜虎正，刘志斌，汪觉恒，等（Bu Huzheng，Liu Zhibin，Wang Jueheng，et al）.变电工程全寿命周期设计辅助决策系统的研发（Design and development of decision support system for substation project design based on life cycle cost theory）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（5）：94-98.