全壽命周期設(shè)計理念在智能變電站設(shè)計中的應用

曹程杰

0 引言

全壽命周期成本［1］(Life Cycle Cost，簡稱LCC)概念最早起源于瑞典的鐵路系統(tǒng)。20 世紀60 年代美國軍方把LCC 理念應用于武器系統(tǒng)，70年代LCC 理念被很多國家應用在交通運輸、能源工程、航天科技等領(lǐng)域。

在LCC 中，所謂工程的“成本” (Cost)是指工程消耗的資源(人、財、物和時間)總和，通常用貨幣度量。工程的“全壽命周期成本”則是在預期的工程壽命周期內(nèi)，為工程的論證、設(shè)計、生產(chǎn)、使用與保障、退出使用所付出的一切費用之和。LCC 理念更注重于工程完整使用周期內(nèi)的成本控制，因此對于建設(shè)使用周期長、投入成本大的工程有著重要的建設(shè)指導意義。

電網(wǎng)企業(yè)是典型的大工程建設(shè)密集型企業(yè)。隨著我國電網(wǎng)的快速持續(xù)發(fā)展，其企業(yè)的資產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備數(shù)量越來越大。為了實現(xiàn)國家電網(wǎng)公司提出的“轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式、建設(shè)世界一流電網(wǎng)”的目標，在電網(wǎng)工程項目管理中運用先進的管理理念和管理思想顯得尤為重要。LCC 管理理念將有助于提高設(shè)備的健康水平，進而提升電網(wǎng)企業(yè)的發(fā)展質(zhì)量、經(jīng)濟效益和安全水平，為電網(wǎng)企業(yè)取得巨大的成本節(jié)約。

本文以華東某220 kV 智能變電站工程設(shè)計為實例，主要就二次系統(tǒng)設(shè)計中電源系統(tǒng)及自動化系統(tǒng)的不同設(shè)計方案利用LCC 的設(shè)計理念進行比選，以此說明LCC 在智能變電站設(shè)計中的作用。

1 全壽命周期成本設(shè)計理念在變電站設(shè)計中的應用

根據(jù)以往的工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在整個工程項目全壽命周期中，早期設(shè)計階段是節(jié)約投資的最佳階段;隨著項目進展，投資節(jié)約的可能性也逐漸減小。投資節(jié)約可能性與投資累計曲線如圖1 所示。

圖1 投資節(jié)約可能性與投資累計曲線

由此可以看出，工程設(shè)計是工程建設(shè)的靈魂，是工程壽命周期的起點。將全壽命周期管理理念引入設(shè)計環(huán)節(jié)，能有效地避免設(shè)計階段可能發(fā)生的短期行為，使設(shè)計人員從一開始就立足于工程項目的全壽命，提出多種技術(shù)方案進行比較，從中選出技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理的最佳方案，從而實現(xiàn)項目整個壽命周期內(nèi)的效益最大化［2］。

變電站全壽命周期成本設(shè)計的目標是在保證變電站可靠運行的基礎(chǔ)上，使變電站全壽命周期成本最低，而全壽命周期成本需綜合考慮變電站建設(shè)費用及運行、維護、改造、更新，直至報廢的全過程費用［3］。因此變電站的LCC 包括初期建設(shè)投資、運行和維護、故障損失成本。其LCC 的表達式為

式中:CI 為最初建設(shè)投資成本，包括購買設(shè)備和安裝、調(diào)試費;CO，CM，CF，CE 分別是從變電站系統(tǒng)調(diào)試后算起，整個經(jīng)濟運行期間所支付的運行成本(含定期巡視、檢修等)、維修成本和故障引起中斷供電的損失成本及擴建成本;CD 是工程的殘值，即報廢成本。工程項目的最初建設(shè)費用往往得到重視而工程項目的使用費用及故障損失成本容易被忽視。實際上，許多變電站工程項目的使用成本大于制造成本。在資產(chǎn)使用過程中，因發(fā)生故障進行修理而不能正常使用所造成的損失 (如美加大停電的損失超過了400 億美元)，也要計入全壽命周期費用之中。

考慮初始成本時間和未來成本時間的時間周期是不同的，即初始成本發(fā)生在工程壽命周期的基年，未來成本可能在基年至工程壽命周期末之間的任何一個時間發(fā)生。因此在工程項目的LCC比較中，考慮資金的時間價值，通常以凈現(xiàn)值(NPV)來表示LCC 分析的結(jié)果。項目全壽命周期的凈現(xiàn)值計算公式為

式中:PVSUn=為按年度重復投資費用折算現(xiàn)值的系數(shù);PV =為一次性投資費用折算現(xiàn)值系數(shù);N 為工程項目全壽命周期;M為一次性投資的年份;r 為年利率，項目壽命周期在30 年以內(nèi)的，r 可取7%。

保證產(chǎn)品質(zhì)量，提升其可靠性是變電站設(shè)計的重中之重?；谌珘勖芷诔杀驹O(shè)計理念的智能變電站設(shè)計目標是優(yōu)化各項成本:一方面盡量控制必須增加的成本(如大量采用新設(shè)備面臨的成本增加);另一方面充分利用智能變電站因提高系統(tǒng)整體的集成度、實現(xiàn)狀態(tài)檢修等而降低的成本，使工程的LCC 最小，使整體經(jīng)濟效益最優(yōu)［4］。

2 常規(guī)電源系統(tǒng)與一體化電源系統(tǒng)的LCC比較

常規(guī)站用電源系統(tǒng)分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS (不間斷供電系統(tǒng))、通信電源系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)采用分散設(shè)計、獨立組屏。設(shè)備由不同的供應商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試。供電系統(tǒng)也分別由不同的專業(yè)人員進行管理，直流系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)分別配置獨立的蓄電池。

智能一體化電源系統(tǒng)將“UPS 蓄電池+操作蓄電池組+通信蓄電池組”合并為一體進行配置，采用模塊化設(shè)計;可監(jiān)測開關(guān)位置、事故跳閘告警、負荷電流、泄漏電流等設(shè)備參數(shù);并且建立了統(tǒng)一站用電源管理平臺，采用IEC61850 通信規(guī)約實現(xiàn)了與變電站自動化系統(tǒng)的接口。

兩種方案的LCC 比較如表1 所示。

傳統(tǒng)電源系統(tǒng)使用年限根據(jù)運維部門提供數(shù)據(jù)，按12 年考慮。一體化電源系統(tǒng)根據(jù)國家電網(wǎng)相關(guān)文件要求，須達到20 年。其他相關(guān)條件如下:

(1)初始投資CI 依據(jù)初設(shè)概算費用計算。

(2)兩種方案的設(shè)備檢修，在準備工作充分、相關(guān)備品備件充足的條件下，均能在計劃時間內(nèi)恢復送電。由于電源系統(tǒng)損壞而帶來的直接或間接經(jīng)濟損失目前很難獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，因此本計算不考慮故障停電費用(CF)。

(3)兩種方案的設(shè)備主體部分均在變電站新建時一次建成，后期擴建時僅考慮擴建相關(guān)間隔時的電力電纜。兩種方案的擴建成本基本相同，擴建時間按工程壽命周期的1/3 時擴建一次，2/3時擴建至最終規(guī)模。一體化電源和常規(guī)電源屏柜剩余殘值一樣，本次計算也不予考慮，只考慮蓄電池組的處理成本。

表1 常規(guī)電源系統(tǒng)與智能一體化電源系統(tǒng)LCC 比較

(4)經(jīng)市場調(diào)研，對于舊站改造淘汰下來的廢舊鉛酸蓄電池，其回收處理成本為2 000 元/t左右。采用一體化電源技術(shù)可減少2 組通信蓄電池組和1 組UPS 蓄電池組重復使用量，可增加CD殘值約2 萬元。

綜上所述，交、直流電源整合優(yōu)化后，除一次性投資增加約37.85 萬元，運行維護成本及技改報廢處理成本均顯著減少;由于傳統(tǒng)電源系統(tǒng)與交直流一體化電源系統(tǒng)設(shè)計使用年限不同，因此折算成平均現(xiàn)值比較，如表2 所示?？煽闯霾捎媒恢绷饕惑w化的電源系統(tǒng)較傳統(tǒng)電源系統(tǒng)可節(jié)約成本42%左右，具有很高的直接經(jīng)濟效益。

表2 變電站電源系統(tǒng)設(shè)計方案LCC 分析比較表

3 常規(guī)自動化系統(tǒng)與智能自動化系統(tǒng)的LCC比較

常規(guī)自動化系統(tǒng)在設(shè)計理念上不是面向整個變電站，而是將每一種功能都設(shè)計成面向間隔和元件，因此設(shè)備數(shù)量較多，功能單一且重疊，并占用了較多的柜體及空間。例如，針對低頻低壓減載功能，一般配置專門的低頻低壓減載主機，當檢測到系統(tǒng)頻率降低到整定門檻以下、在滿足動作條件時，切除設(shè)定出線，減少系統(tǒng)負荷，以期滿足系統(tǒng)功率平衡，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定;而“五防”功能則由“五防”主機實現(xiàn)，在每個間隔配置相應的“五防”鎖具。常規(guī)系統(tǒng)與LCC 比較如表3 所示。

智能變電站自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)順序控制、智能告警、故障信息綜合分析決策、設(shè)備狀態(tài)可視化、站域控制等高級功能。網(wǎng)絡(luò)化間隔層“五防”功能完全依據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)信息共享和互操作，消除了專用“五防”系統(tǒng)與綜合自動化系統(tǒng)之間繁雜的信息校驗。由站控層主機實現(xiàn)的低頻低壓減載功能減少了信息的重復采集和定值的分散重復整定，使動作邏輯更加簡潔，進一步減輕了整定校驗工作量。后期擴建時五防系統(tǒng)及低頻低壓減載系統(tǒng)均只需在后臺數(shù)據(jù)庫建立相應數(shù)據(jù)即可。

表3 常規(guī)自動化系統(tǒng)與智能自動化系統(tǒng)LCC 比較表

傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)使用年限根據(jù)運維部門提供數(shù)據(jù)，按12 年考慮。智能變電站自動化系統(tǒng)根據(jù)國家電網(wǎng)相關(guān)文件要求，須達到20 年。其他相關(guān)條件如下:

(1)初始投資CI 依據(jù)初設(shè)概算費用計算。

(2)兩種方案的設(shè)備檢修，在準備工作充分、相關(guān)備品備件充足的條件下，均能在計劃時間內(nèi)恢復送電。由于自動化系統(tǒng)故障而帶來的直接或間接經(jīng)濟損失目前很難獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，因此本次計算不考慮故障停電費用(CF)。

(3)兩種方案的設(shè)備主體部分均在變電站新建時一次建成，后期擴建時則需考慮擴建相關(guān)間隔時的電力電纜及相關(guān)配件，擴建時間按工程壽命周期的1/3 時擴建一次，2/3 時擴建至最終規(guī)模。

(4)常規(guī)自動化系統(tǒng)年巡檢次數(shù)(含倒閘操作、事故恢復等)為每年計100 次，每次成本考慮車輛及人工成本按500 元計算。智能變電站可利用順序控制、智能告警、故障信息綜合分析決策、設(shè)備狀態(tài)可視化等高級應用功能實現(xiàn)相關(guān)功能，因此可明顯降低年巡檢次數(shù)。

(5)變電站二次設(shè)備達到使用年限報廢后，除控制電纜中的銅芯外基本沒有回收的價值。但是根據(jù)運行部門保護更換改造經(jīng)驗，更換控制電纜時，首先需要雇外來人員在專業(yè)人員指導下進行舊電纜的拆除，然后再從電纜中剝出銅芯?？鄢娎|拆除和剝銅芯的人工費，舊電纜的殘值已經(jīng)所剩無幾，因此，有關(guān)部門也沒有把更換下來的舊電纜納入相應的報廢成本。因此自動化設(shè)備的報廢成本計0。

可以看出，采用智能變電站自動化系統(tǒng)后，初始投資與傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)相差無幾，但運行維護成本及技改擴建成本均顯著減少;由于智能變電站自動化系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)設(shè)計使用年限不同，因此折算成平均現(xiàn)值比較，如表4 所示?？煽闯?，采用智能變電站自動化系統(tǒng)較傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)可節(jié)約57%左右，具有很高的直接經(jīng)濟效益，其安全與智能的設(shè)計所帶來的隱性節(jié)約與社會效益，更是難以量化計算。

表4 變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計方案LCC 分析比較表

參考以往的變電站建設(shè)經(jīng)驗，二次設(shè)備在前5 年處于引入期，第5 ～10 年為推廣期，10 ～25年為成熟期，25 年后將逐漸衰退。推廣期的價格與成熟期的價格相比，幾近相差40%。據(jù)此，智能變電站的自動化設(shè)備，在推廣期內(nèi)產(chǎn)品價格約為引入期的80%，在成熟期內(nèi)產(chǎn)品價格約為引入期的60%。

目前，采用智能設(shè)備的全壽命投資已經(jīng)比采用常規(guī)設(shè)備的全壽命投資要少，因此在進入今后的推廣期和成熟期時，由于相關(guān)設(shè)備的價格下降，采用智能設(shè)備的全壽命周期成本將會更少。

4 結(jié)論

全壽命周期成本管理既是一種先進的管理理念，也是一種科學的管理方法，它可以有效推進電網(wǎng)企業(yè)的成本節(jié)約和效益提升［5］。本文以全壽命周期成本設(shè)計理念對華東某220 kV 試點智能變電站二次系統(tǒng)進行了不同設(shè)計方案的比選;可以看出，以工程全壽命周期的角度討論新工藝新技術(shù)，而不是以設(shè)備初始投資作為主要評判標準，可以更全面地衡量設(shè)計方案的優(yōu)劣，同時也更有利于智能變電站的推廣應用。

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