基于全寿命周期的220kV主变压器投资决策研究

温伟 王正 谷志红

摘要：220kV主变压器作为变电系统的重要而普遍的电力设备，如何投资决策建设是变压器的重中之重。本文主要分析220kV主变压器在建设、运营、检修、故障处理和退役处置各阶段的费用关系，构建基于系统动力学的核算模型，同时引入熵权法—TOPSIS方法进行多方案比选，以供参考。

关键词：全寿命周期；投资决策；220kV主变压器；系统动力学；熵权法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240409

基金项目：国网山西经研院2023年群众性创新项目

项目编号：520533230008

作为电力系统的核心变电设备，变电站主变压器的作用显而易见，其运行状态对整个电力系统安全稳定地运行具有重要影响。在配电网建设的整体投资中，设备投资占比较高，电力企业一直将电力设备的选型投资决策作为关注的重点。随着国家电网公司于2002年首次在上海市泰和变电站全面推行全寿命周期管理并取得了预期效果后，全寿命周期管理逐渐在国家电网公司内部推广。

目前电力设备各项费用以LCC为最优目标的方法被广泛使用。李涛等采用线性回归分析法，对变电站成本因素分析并判断各因素的相关关系，解决变电设备安全管理问题。郭基伟采用蒙特卡洛方法，模拟和分析设备在运行期间的故障情况，并提出设备全寿命周期内的维修方案。史京楠提出在整个系统的生命周期中，通过最小化LCC降低总体成本，为变电工程规划提供修正建议。但目前还没有出现追求电力设备LCC成本与其他各项指标为最优的投资决策研究。本文基于系统动力学对220kV主变压器的LCC进行建模分析，得出220kV主变压器的各个时期LCC的变化状况，基于熵权法—TOPSIS追求该设备LCC及其他指标最优的投资决策方案。

一、全寿命周期成本影响因素分析

以系统的观点来看，220kV主变压器的全寿命周期成本由一个连续演变且完善的系统体系构成，由多方面因素构成，具体而言，可将220kV主变压器全寿命周期成本划分成前期投资成本、运行成本、检修成本、故障成本、退役处置成本五部分。在220kV主变压器的全生命周期中，发生在不同阶段的因素会对总成本产生不同的影响。

第一，前期投资成本。220kV变压器在科研、设计规划、招投标等前期环节产生的成本即该变压器的资产原值。

第二，运行成本。变压器投运后，为确保正常运行需进行维护，该过程中产生的成本就是运行成本。

第三，检修成本。主变压器的维修费用通常分为定期发生的大型维修和小型维修的成本。主变压器的大修成本涉及在停电时对变压器本体和内部组件进行排油、拆卸和检修的费用。主变压器小修成本是指在停电状态下对变压器箱体及组部件进行的检修所花费的费用。

第四，故障成本。故障成本主要包括故障损失费和故障检修费两部分，具体计算方法为：故障损失费用=年平均故障系数×故障平均修复时间×单位时间故障损失费用；故障检修费用=年平均故障系数×故障平均修复时间×单位时间故障检修费用。

第五，退役处置成本。主要关注净残值，包括废旧设备的残值、拆除和清理费用以及废物处理等相关开支。

二、全寿命周期成本模型构建

在220kV主变全寿命周期成本影响因素分析基础上，建立220kV主变全寿命周期成本模型，包括状态变量、辅助变量和常量三类关键变量。确定系统因素及其内在联系后，为在计算机上实现模拟，需构建一个系统流程图，如图1所示，满足因果关系图表达的模型运行条件，有效模拟220kV主变压器在全生命周期中成本的动态演变。

对于220kV主变全寿命周期的费用成本，以某省220kV主变压器的数据为基础数据，将基础数据和公式导入全寿命周期成本存量流量图中后，该220kV主变压器全寿命周期成本及变化率如图2、图3所示。

该设备全寿命周期成本的累加在第一年到第二年存在突增，后面为缓慢平滑增长的趋势，这是由于在设备投入的第一年是资金、劳动最密集投入的时间节点，与实际相符。

从全寿命周期成本变化率曲线可以看到，除第一年有一个成本高点外，第10年、第20年、第26年均存在相对不明显的高点，且第26年的高点显著高于其余两点，说明该点不同于其余两点出现的事件。实际上，该三点对应的分别是第一次大修、第二次大修、报废处置。与此同时，图中还存在高点以外的波动，这是由于小修或其他费用产生的影响。

三、主变压器投资决策模型及建议

结合前文对全寿命周期成本模型的构建，可以得出主变工程投资决策的部分经济性指标，本文采取成本计算中的主要费用指标，即全寿命周期成本、设备及工器具购置费、安装调试费、运行成本、检修成本作为经济性指标，采用供电可靠性、平均停电时间、电压合格率、主变负载率作为技术性指标。

为充分量化各指标，得出客观的投资决策建议，采用熵权法—TOPSIS相结合构建投资决策模型，为投资决策依据和理论支持。模型构建的具体步骤如下：

第一，指标矩体系的建立，设有n个方案，m个评价指标，构建矩阵Xij表示第i个方案的第i个评价指标。

第二，指标无量纲化。

第三，权重的分配。

通常情况下，在整体评估过程中，特定评价指标与其理想最值的差距越显著，说明其所携带的信息量越少，指标的重要性更加突出。当不同评估对象在该指标的信息熵方面表现出显著差异时，应当给予重点关注。以下是具体的计算方法：

第五，确定正负理想解。

正理想解的数值为该指标中的最优值，负理想解的数值为该指标中的最劣值，确定各方案与正负理想解方案的欧氏距离。设正理想解为：，负理想解为：

第六，计算欧式距离。

为验证方法的合理性，本文选取某地为优化当地的主变压器建设而拟考虑的四种决定投资规划方案，运用基于熵权法—TOPSIS法对四个方案进行投资决策分析。指标A－I分别为供电可靠性（%）、平均停电时间（h）、电压合格率（%）、主变负载率（%）、全寿命周期成本（万元）、设备及工器具购置费（万元）、安装调试费（万元）、运行费用（万元）、检修费用（万元）。原始数据如表1所示。

四、结语

综上所述，本文分析了220kV主变压器的建设、运营、检修、故障处理、退役处置各阶段的费用关系，构建了基于系统动力学的核算模型，以更好地计算变压器全生命周期内的成本。利用该模型，比选了不同厂家、不同方案的建设、运营、检修、故障处理和退役处置等多方面的方案，为决策者提供了更为准确和全面的建议。同时，引入熵权法—TOPSIS法进行多方案比选，综合考虑技术性能、经济效益、环境影响等指标，得出更为合理和全面的方案。总之，通过全生命周期分析和核算以及多方案比选，有助于确保设备的合理建设和科学运营，提高变压器的经济效益和社会效益。

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