基于全生命周期成本理论的变电站决策选型研究

王乙斐，刘 怡

(长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

经济成本最小化始终是企业追求的最终目标，如何合理、经济地选择配电装置类型，对变电站的投资有着至关重要的影响[1-2]。本文在AIS和GIS两种不同类型变电站的选型过程中引入了全寿命周期理论，对其全周期成本进行计算和比较，实现了各阶段成本费用的可视性，为变电站在决策选型阶段提供了一定的理论指导，实现了配电装置的经济性选择。

1 AIS与GIS变电站优劣性比较

1.1 AIS相对于GIS的构件可视性

作为传统的敞开式配电装置，AIS变电站十分成熟。采用瓷套作为绝缘材料大大降低了成本，设备之间相对独立与主接线一一对应，布局清晰可观，利于操作。GIS属于全封闭设备，发生故障时需要进行解体检修，检修工作长且对工艺要求极其严格。

1.2 AIS相对于GIS的价格优势性

AIS设备发展成熟，国内外制造厂商多已大规模批量化生产，价格极具竞争性。而GIS设备价格昂贵，增加前期投资，业主可接受程度相对较低。

1.3 GIS相对于AIS的安装便捷性

AIS配电装置采用户外布置，采用空气距离作为绝缘要求，占地面积较大，不利于节约集约用地政策。每个户外设备都有独立的基础，对土建工程要求高。而GIS选择SF6作为绝缘介质，结构紧凑、占地面积小，其模块在工厂中将事先预制和测试，现场安装调试无过多接口协调问题，建设周期短。

1.4 GIS相对于AIS的运行可靠性

AIS设备的绝缘材料裸露在外，空气中的水分易附着于表面，可能引起绝缘电阻降低、泄漏电流增加、绝缘层被击穿，从而导致设备故障。而GIS元件封装在金属壳体，可屏蔽静电和电磁干扰，且不存在接触性故障，属于高可靠性、免(少)维护的开关设备。

2 变电站的LCC模型

变电站LCC模型是指变电站经济寿命周期内的全过程成本，包含了一次性成本(investment cost，IC)[3-5]，行维护成本(operation and maintenance cost，OMC),故障引起的中断供电损失成本(failure cost，FC)，报废成本(discard cost，DC)。在输变电工程管理中应用LCC方法的基本模型可表达为：

2.1 一次性成本

一次性成本是指变电站在正式运行之前，所需付出的成本，涉及到了规划、涉及、采购、建设、征地等多方面费用。同时，还需考虑到安装和调试各设备期间的所有材料费、人工费和机械费。通常，在完成变电站的详细设计后，对于上述的一次性投资成本，可采用工程法，采用工程预算中的参考定额和费用，对各项所需成本费用进行估算，然后叠加即可。

2.2 运行维护成本

运行维护成本包含了运行成本和维护修理成本。其中，变电站的运行成本是指在变电站运行期间所花费的一切费用总和，包括能耗费、人工费、环境费用以及其他费用。维护修理成本是指主要电气设备，如变压器、断路器、隔离开关、避雷器等主要设备的周期性检修和非周期性检修费用。

2.3 中断供电损失成本

中断供电损失成本是指在变电站运行中由于故障或事故引起中断供电而发生的成本。供电中断将减少电力企业供电量和售电收入，对用户造成经济损失。因此，电力企业将事故引发的中断供电损失作为自己的成本是符合实际的。在传统的生产成本造价管理中，中断供电引起的成本损失常被忽略，但却是全生命周期管理过程中重要组成部分。

故障引起的中断供电损失成本由多个因素决定，可由下述模型进行估算：

式中：α·P·T为断电成本，万元；λ·RC·MTTR为修复成本，万元；P为设备故障中断供电功率，kW；T为设备年故障中断供电时间，h；λ为设备年平均故障数；RC为设备故障平均修复成本，万元/ h；MTTR为设备平均修复时间，h；α为平均中断供电电量价值，万元/ kWh。

2.4 报废成本

报废成本是指变电站退役时处理费(如拆除、运输、销毁等费用)减去设备退役时的残值(如可回收费用)。由于配电装置设计的金属设备较多，因此其残值可按照配电装置费用的5%～10%考虑。报废成本可由下述模型进行估算：

式中：Cf变为电站的退役处理费，万元；S为变电站的残值，万元。

3 LCC模型在变电站选型中的应用分析

工程项目建设最终应取决于其综合技术经济效果，不仅包含建设成本，还应考虑到变电站运营和维护成本的管理。仅考虑直观的设备造价是片面的，总投资应以全寿命周期成本最小为指导，从初始投资成本、运行维护成本、供电可靠性等各方面进行综合管理，才能实现工程项目的经济最优化。本章基于LCC模型对AIS和GIS两种方案下的某变电站造价进行研究分析。

3.1 变电站工程概况

该变电站为230 kV新建站，占地规模不超过200 m×200 m(长×宽)，规划220 kV主变2台，本期2台，容量2×90 MVA；220 kV出线本期4回，双母线接线方式。230 kV配电装置主接线如图1所示。

图1 某变电站230 kV配电装置接线图

3.2 两种方案的LCC估算

本节着重以运行全生命周期管理方法对该230 kV变电站采用合资AIS(方案A)和合资GIS(方案B)两种方案进行计算、分析、评估和决策。规定在LCC成本计算过程中，设备故障率、故障修复时间将参考我国相关检修部门处理的经验值；设备故障中断供电功率按照该230 kV变电站平均负荷的75%考虑，约为10 MW；配电装置全生命周期按30 a计；每小时停电损失成本以项目业主方提供的1.5美元/ kWh计(已考虑相关社会效益，换算人民币为0.001万元/kWh)。

3.2.1 一次性成本计算

参考近年来AIS与GIS设备的采购市场价格及国内大量类似已建工程的成本决算，主要经济性能指标比例见表1所列。

表1 AIS与GIS主要经济指标比较

本项目向某国际知名电气品牌就GIS设备进行了询价，综合运杂费、安装费并结合表1中的比例，两种方案的一次性成本见表2所列。

表2 两种方案的一次性成本对比万元

3.2.2 运行维护成本计算

参考国内某电力企业标准，输变电设备的检修可分为A、B、C、D、E五级。其中，A级检修指整体性检查、维修、更换和试验；B级检修指局部性检修，部件的解体检查、维修、更换和试验；C级检修是对设备进行常规性检查、维护和试验；D级检修指设备在不停电状态下进行的带电测试、外观检查和维修；E级检修指设备带电情况下的带电检修、维护或者更换。通过与项目国电力运维部门沟通，上述五种检修分类基本可用于本项目的实际建设情况[6-9]。参考国家电网检修定额标准及设备厂方指导价格(包含了人工费用，考虑当地人力成本)，表3和表4列出了各类检修所发生的费用，表5预计了在全生命周期内两种方案的维修方式及费用。

表3 A级检修成本

表4 B、C、D级检修成本万元

表5 两种方案在30 a内的维修类型及费用情况

此外，考虑到当地的人力资源成本，假定两种方案平均运行维护成本按2万元/a计，环境维护成本按0.5万元/a计。

3.2.3 中断成本计算

中断供电损失成本的估算着重对两个方案因故障或事故引起停电时断电成本进行估算。统计表明，GIS设备事故率通常为常规设备的16.6%～40%。根据国家电网72.5 kV及其以上输变电设备5 a内的可靠性统计资料，220 kV开关设备的可靠性计算参数和中断供电成本见表6所列。

表6 两种方案的中断供电成本计算

3.2.4 报废成本计算

根据项目运维部门的经验及其对相关固定资产处置办法，AIS与GIS变电站设备运行至30年后，设备残值可等同于金属物品处置价格可分别按设配电装置费用的5%和10%进行考虑，退役处理费均按照Cf取10万元。

3.2.5 两种方案的LCC计算结果

根据式(2)，两种方案的LCC估算成本，见表7所列。

表7 LCC估算成本明细

比较两种方案全生命周期LCC成本可知，GIS方案要比AIS方案在设备采购和安装的一次性成本阶段投入比重多23%，但由于GIS变电站具有较低的故障率和维护的方便性，随着运行时间的增加，GIS的优势开始逐渐体现，在运行维护和中断供电阶段成本投入占比比AIS方案低18.3%，综合最终的报废成本，GIS方案的总投入相反更低。考虑到GIS装备技术的先进性和运行的可靠性，故优先推荐GIS方案。

4 结语

本文提出了基于全生命周期成本理论的AIS与GIS变电站选型决策研究理论，计算了变电站在设备采购与安装调试、运行维护、中断供电及设备报废的各阶段费用。将全生命周期成本作为变电站选型的经济指标，在规划阶段充分考虑全过程的可能费用，避免了仅关注初期直接投资而造成后期间接费用过大的情况，从源头提高设备和系统的可靠性，实现最优方案选择的科学合理化。