全壽命周期成本管理在實際電力網絡規(guī)劃中的應用

王凱軍，孫飛飛，蘭洲，孫可

(1. 國網浙江省電力公司，杭州市 310007; 2. 國網浙江省電力公司經濟技術研究院，杭州市 310008)

全壽命周期成本管理在實際電力網絡規(guī)劃中的應用

王凱軍1，孫飛飛2，蘭洲2，孫可1

(1. 國網浙江省電力公司，杭州市 310007; 2. 國網浙江省電力公司經濟技術研究院，杭州市 310008)

全壽命周期成本管理在電網規(guī)劃階段的應用是電網企業(yè)管理體系中極為重要的一環(huán)。依據全壽命周期成本管理理論，以設備的壽命周期為規(guī)劃研究周期，提出了基于資產全壽命周期成本的輸電網規(guī)劃方案比選方法。通過分析規(guī)劃方案全壽命周期成本的構成，提出了涵蓋全過程、計及規(guī)劃階段成本顆粒度的分析模型，并運用該方法對浙江 500 kV目標網架規(guī)劃方案進行了比選。仿真結果表明，所提出的方法可以提高電網規(guī)劃的科學性，實現(xiàn)電網資產全壽命周期各環(huán)節(jié)工作的協(xié)調與統(tǒng)一。

電力網絡規(guī)劃；全壽命周期成本；方案比選；技術經濟評價

0 引 言

電網規(guī)劃工作是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及的不確定因素較多，在多年的實踐中已逐步形成一套完整的規(guī)劃設計體系和方法。隨著經濟與技術的發(fā)展、外部環(huán)境對電網要求的變化，電網已經基本擺脫了在有限資金條件下被動追趕經濟發(fā)展、通過犧牲局部來保障重點的發(fā)展困境。在當前形勢下, 電網發(fā)展力爭實現(xiàn)可靠性和經濟性的最優(yōu)結合，通過采用科學的決策方法節(jié)約社會資源，推進電網的可持續(xù)發(fā)展。特別是近年來，特高壓遠距離大容量輸電技術的發(fā)展突飛猛進，超高壓比重逐年增加，輸電電壓等級逐步提高，電網結構越來越復雜，這就對電網的規(guī)劃和設計提出了更高的要求。尤其是在電網規(guī)劃方案比選方面，傳統(tǒng)方法在方案評估上相對短視，偏重于項目前期資本投入，從而暴露出電網規(guī)劃環(huán)節(jié)與工程施工、項目運維、設備報廢處理等多個環(huán)節(jié)之間聯(lián)系薄弱的弊端。

針對這一問題，國內外近年來開展了相當多的研究工作。目前正逐步將資產全壽命周期管理理念引入到電網規(guī)劃，特別是在變電站主變、導線型號、檢修策略等的選擇方面都已有成功的應用經驗[1-7]。在電網規(guī)劃方案比選方面，全壽命周期成本理論也已有初步研究。文獻[4-6]對電網規(guī)劃中的全壽命周期費用按系統(tǒng)層、設備層進行分解，并以華東電網規(guī)劃方案為例做了分析。文獻[7]運用全壽命周期成本技術提出了風險、效能、費用的綜合評價模型，給出了較為全面的輸電網規(guī)劃決策方法。但這些方法在實際方案比選應用中往往面臨計算基準數據難以獲取、部分分解的成本在規(guī)劃階段還不明確或不具備分析的條件等問題。本文依據資產全壽命周期管理理論，結合電力系統(tǒng)的特點，提出基于資產全壽命周期成本的輸電網規(guī)劃方案比選方法，通過分析全壽命周期成本的構成，提出適用于規(guī)劃階段的各項成本計算方法，并運用該方法對浙江輸電網規(guī)劃方案進行比選。

1 電網規(guī)劃的一般流程

電網規(guī)劃的基本要求可以概括為安全性、經濟性、靈活性、充足性4個方面。傳統(tǒng)的電網規(guī)劃設計以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行為主要目標，重點突出規(guī)劃方案的技術可行性校核。在方案比選時，通常將技術評價和經濟評價割裂開來，首先進行技術可行性校驗，通過相關電氣計算分析各方案的技術特點和差異, 篩選得到可行的備選方案，再進行經濟性的比較。當前應用較普遍的電網規(guī)劃設計方案比選流程如圖1所示，主要可分為需求分析、方案設計、技術經濟評價這3個流程。

圖1 電網規(guī)劃的一般流程Fig.1 General procedure of power network planning

1.1 需求分析

需求分析主要是指對負荷增長、電源送出、網架完善、系統(tǒng)聯(lián)網等方面的需求研究，其中負荷增長需求預測是銜接經濟社會發(fā)展與電力系統(tǒng)的橋梁，也是電源和電網規(guī)劃以及電力系統(tǒng)運行的基礎。

1.2 方案設計

電網規(guī)劃方案設計主要包括確定輸電方式、電壓等級、網絡結構、站點布局、建設規(guī)模等。在電網規(guī)劃過程中，通常需要提出多個電網規(guī)劃方案以供比較，通過技術經濟評價選擇最優(yōu)的一個或幾個方案作為推薦方案。

1.3 技術經濟評價

由于電網規(guī)劃方法的限制，方案設計得到的規(guī)劃方案一般均為初步方案設想，需進一步進行技術經濟分析以確認方案的可行性，并從中發(fā)現(xiàn)方案的缺陷從而對方案進行修正。通常的做法是先由專家對規(guī)劃方案進行技術可行性校驗，之后再對技術上可行的方案進行經濟性評價，最后結合技術經濟結果選擇、修改方案。

(1) 技術可行性校驗。技術可行性校驗是指對方案進行多方面的分析計算，發(fā)現(xiàn)并修正其中存在的問題，從而確保規(guī)劃方案在實際運行中的技術性能。校驗的內容主要包括: 潮流計算、穩(wěn)定性計算、短路電流計算等。

(2) 經濟性評價。在技術上先進、可靠、適用的基礎上，進一步分析該方案在經濟上的合理性。一般采用年費用、電價競爭力、投資回報評估等方法進行比較，從而綜合確定最優(yōu)方案。

2 考慮全壽命周期成本的電網規(guī)劃方案比選

全壽命周期成本管理是從項目(設備)的長期經濟效益出發(fā)，全面考慮項目(設備)或系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、技改、直至報廢的全過程中所發(fā)生的成本。它與傳統(tǒng)的技術經濟分析的區(qū)別主要在于它著眼于長期的得失，而不是只關注于投資回收期的長短。全壽命周期成本的分解結構一般可表示為

CLCC=CCI+CCO+CCM+CCF+CCD

(1)

式中：CLCC表示全壽命周期成本；CCI表示初始投入成本；CCO表示運行成本；CCM表示維護成本；CCF表示停電損失成本，亦稱懲罰費用；CCD表示廢棄成本。

考慮全壽命周期成本的電網規(guī)劃方案比選方法如圖2所示。它是在技術指標可比的基礎上，綜合考慮設備選型、系統(tǒng)運行和經濟社會因素，通過計算設備全壽命周期內各項的分解成本，確定所擬定的擴展方案的動態(tài)總支出，并進一步折算到年費用作為方案比選的依據。其核心是通盤把握一次投資和后期支出，把電網規(guī)劃設計、建設、運行和退役各個階段納入統(tǒng)一管理，追求的目標是項目全壽命周期成本的整體最優(yōu)，從而實現(xiàn)最經濟的資源消耗。

圖2 電網規(guī)劃方案比選全壽命周期成本模型Fig.2 LCC model of network planning scheme comparison

由于電網項目成本分布在其整個壽命周期內，為了得到能正確評價方案的全壽命成本，需采用貼現(xiàn)法[8]對資金的時間價值量進行折算，把當前時刻成本的現(xiàn)值P、將來某一時刻等效成本的將來值F折算到基準時間值，而后再平均分布到項目運行期的各年，得到相應的年費用成本A?？紤]全壽命周期成本的電網規(guī)劃方案比選的準則即是認為年費用成本低的方案在經濟上較優(yōu)，其目標函數即可表示為

minALCC=ACI+ACO+ACM+ACF+ACD

(2)

假定某個建設周期為m年，運行壽命為n年的規(guī)劃方案的全壽命周期如表1所示。

表1 電網規(guī)劃項目全壽命周期
Table 1 Life cycle of network planning projects

則折算到項目投運年的年費用成本可表示為

Z(A/P,r0,n)+μ

(3)

式中：A表示年費用成本(平均分布在m+1到m+n期間的n年內)；Z表示折算后的工程總投資；r0表示電力工業(yè)投資回收率；n表示工程的設計使用年限；μ表示折算年運行費用。其中：

(4)

(5)

式中：m表示工程施工年數；Zt表示第t年的建設投資，考慮成本發(fā)生在當年年初；t0表示工程部分投產的年份；μt表示第t年運行費用，考慮成本發(fā)生在當年年末。

3 規(guī)劃方案的全壽命周期成本分解

為實現(xiàn)對規(guī)劃方案的全壽命周期成本比選，需要對電網規(guī)劃方案進行合理、可行的費用構成分解。按照文獻[1-3]的方法，將全壽命周期成本直接分解為設備級成本和系統(tǒng)級成本在實際編制規(guī)劃階段還較難實現(xiàn)，往往會碰到不具備分析條件或2個層級間成本重疊的問題。為此，本文根據電網規(guī)劃項目的特點，將設備級成本和系統(tǒng)級成本統(tǒng)籌考慮，把比選方案的全壽命周期成本按項目周期分為初始投資期成本CCI、運營期成本CCP(包括CCO、CCM、CCF)和期末退役處置期成本CCD這3個階段。

3.1 初始投資期成本

初始投資期成本指資產壽命周期內所發(fā)生的資本性投入，可分為規(guī)劃設計期成本和采購建設期成本。規(guī)劃設計期成本由可行性研究階段的費用、設計階段的費用等組成；采購建設期成本包括工程前期準備成本、設備購置投入、施工安裝費用、系統(tǒng)的調試費用以及與上述各項投入有關的管理費用。對于不需要進行細致估算的規(guī)劃比選方案，可將初始投資成本籠統(tǒng)分解為每年新增變電站的投資成本和每年新增輸電線路的投資成本，并采用類比估算的方法，依據單座變電站與單位長度線路的綜合造價估算整個規(guī)劃方案的造價。初始投資期成本可表示為：

(6)

CCIm=CCIm_p+CCIm_c=CCIm_s+CCIm_l

(7)

式中：CCI為所有參與比選分析的項目方案的投資總成本，該方案由N個項目組成；CCIm為項目m的初始投資成本；CCIm_p為項目m的規(guī)劃設計期成本；CCIm_c為項目m的采購建設期成本；CCIm_s為項目m的變電投資成本；CCIm_l為項目m的線路投資成本。

3.2 運營期成本

運營期成本需考慮不同方案之間由于初始投資期成本對應的技術和設備選擇的不同所導致的相應運營期成本之間的差異。總體上，運營期成本包括運行成本CCO、檢修運維成本CCM和停電損失成本CCF這3部分。其中，運行成本CCO主要包括運營期內支出的人工成本和網損成本等；檢修運維成本CCM主要包括檢修運維的工資及相關各種檢測設備、維修和保障設施、維修保障管理、培訓等方面發(fā)生的費用；故障成本CCF包括直接故障成本和間接故障成本，主要是系統(tǒng)的可靠性成本和懲罰成本。運營期成本CCP可以表示為

CCP=CCO+CCM+CCF

(8)

其中：

CCO=CCOsal+CCOloss

(9)

式中：CCOsal為人工成本；CCOloss為網損成本。

人工成本指在運行過程中發(fā)生的，不屬于檢修成本范圍的日常消耗性支出，主要列支范圍包括水處理系統(tǒng)維護、安全防盜設施維護、消防設施維護、道路維護、防汛器材維護、變電站房屋維護、辦公設備維護等費用。這項成本支出通常較小，一般在不同方案間的差異可忽略不計。

網損成本是由輸電網的能量損耗而造成的損失，一般情況下網損電量占全部電量的比例較小，但由于總用電量通常極其龐大，致使網損電量的價值占據了很大的成本。此外，由于預測的售電量是一個必須滿足的電能需求，其彈性通常都很小，而網損則是可以通過優(yōu)化網架及其運行方式減小，因此網損成本的分析就變得意義重大。在實際的運行中，網損成本一般隱含在一次網損電量之中。在方案比選過程中，由于不同方案間的建設期對應的技術和設備選擇的不同，會造成網絡結構和網損量的不一致，從而導致不同方案間有較大的差異。網損成本可以表示為

CCOloss=ηAloss

(10)

式中：Aloss為網損電量；η為單位電量網損成本。

當選取η為單位購電成本時，相當于電網公司實際支出的成本；當選取η為單位售電成本時，相當于電網公司流失的售電機會成本。

網損電量Aloss的計算可運用BPA等潮流計算軟件，根據電網結構、參數、負荷水平、發(fā)電出力等條件，得到最大運行方式下的網損功率，再乘以最大負荷損耗小時數τ計算得出。其中，最大負荷損耗小時數τ可由τ=f(Tmax,cosφ)曲線查表得到。

對于規(guī)劃階段，檢修運維所需計及的成本主要包括變電和線路2部分。目前，電力公司已出臺了相應的成本定額標準，對一些常見設備檢修作業(yè)成本定額、單位資產檢修運維成本定額和外包成本定額都進行了規(guī)定。因此，檢修運維成本可以表示為

CCM=CCMsub+CCMline=ksubS+klineL

(11)

式中：CCMsub為變電站的運維檢修成本；CCMline為線路的運維檢修成本；ksub為單位變電容量檢修成本；S為規(guī)劃方案新增變電容量；kline為單位線路檢修成本；L為規(guī)劃方案新增/改造線路長度。

停電損失成本由直接損失成本和間接損失成本2部分構成。直接損失成本是指因停電、限電而造成的公司少獲取的收益，這部分成本也可用達到相同供電可靠性所需的成本增加值來體現(xiàn)；間接損失成本是指因停電而造成的社會經濟產值損失，對于電力公司來說，這部分成本可在對用戶的賠償來體現(xiàn)。直接損失成本的計算公式可表示為

CCFz=(ps-pg)Afault

(12)

式中：Afault為停電電量；ps為平均售電電價；pg為平均購電電價。

在市場機制下的間接損失成本可由電力公司對用戶的賠付費用來表示，這部分成本一般會比較大，計算公式可表示為

(13)

式中：ki為影響權重系數或懲罰系數；kips為單位停電量向用戶i賠付的單價；Afault_i為用戶i的停電量；n為停電所影響的用戶數量。

由于我國現(xiàn)行市場機制還不完善，并不具備實行賠付機制的條件，且電力公司作為一個社會服務型企業(yè)，這部分間接損失成本可由造成的社會損失來衡量，計算公式可表示為

(14)

式中：αi為不同產業(yè)/用戶的影響權重系數；Afault_i為停電電量；Ri為不同產業(yè)/用戶的產值電量比。

需要指出，根據現(xiàn)行的電網規(guī)劃準則，輸電網任意元件N-1不會導致停電，而且浙江省已基本建成了堅強可靠的500 kV主網架結構，因此在應用全壽命周期成本方案比選時，可以按各方案的停電損失成本相同來考慮，不參與比較。

3.3 期末退役處置期成本

期末退役處置期成本是指項目的基建、技改等資本性投入形成的固定資產，在項目期末退役時期需要拆除、處置，所引起的報廢處置管理費用、報廢資產殘值回收收入以及資產未使用到期望壽命導致的提前報廢價值損失，可以表示為

CCD=CCDdis-CCDval+CCDlos

(15)

式中：CCDdis為報廢處置管理費用；CCDval為報廢資產殘值回收收入；CCDlos為資產未使用到期望壽命導致的提前報廢價值損失。

報廢處置管理費用指運行壽命結束的固定資產設備、設施等拆除、處理和處置所發(fā)生的各項費用(包括人工費、材料費、工器具費、運輸費以及環(huán)保等費用)，一般可取初始投資的一定比例來估算：

CCDdis_i=kdis_iCCIi

(16)

式中：kdis_i為項目i報廢處置費用占其初始投資成本的比例；CCIi為項目i的初始投資成本。

報廢資產殘值回收收入指處置項目相關設備取得的回收收入，同樣可以取初始投資的一定比例來估算：

CCDval_i=kval_iCCIi

(17)

式中：kval_i為項目i報廢資產殘值回收收入占其初始投資成本的比例；CCIi為項目i的初始投資成本。

當設備未能按照期望壽命而提前報廢，即會產生提前報廢價值損失CCDlos，也即是設備提前報廢的剩余價值與期望報廢殘值之差。

4 算例分析

4.1 比選方案

浙江500 kV電網將以西部特高壓站及東部沿海電源群為支撐，形成脈絡清晰的3個局部電網，即浙北區(qū)域由特高壓浙北站和嘉興沿海電源群支撐，浙中區(qū)域由特高壓浙中站、寧東直流和寧波沿海電源群支撐，浙南區(qū)域由特高壓浙南站、賓金直流和臺溫沿海電源群支撐。通過合理的通道組織與資源優(yōu)化，構建南北貫通、東西互供、交直流互備、水火電互濟的堅強主網架結構。

針對此目標網架，經電氣計算初步擬定2個比選方案。這2個方案除了在新/擴建的建設時序上不同外，在網架結構上的區(qū)別主要集中于天荒坪二期抽蓄電站送出、省內第三直流送出、烏沙山電廠接入、濱海變接入4個地方，詳情見圖3，比選方案逐年規(guī)模情況見表2。

4.2 技術經濟參數

參照現(xiàn)行的成本標準規(guī)定[9-11]，并統(tǒng)計浙江省某一年的平均銷售電價及綜合造價等參數，制定方案比選所用的技術經濟參數如表3所示。

圖3 2個規(guī)劃方案存在的主要差異Fig.3 Main differences between two planning schemes

表3 技術和經濟參數Table 3 Technical and economic parameters

4.3 全壽命周期成本比較

2個方案靜態(tài)投資總計分別為375.6億元和370.6億元。以2015年為基準年，取新建變電工程建設周期為3年，各年資金投資比例分別為20%，60%，20%；新建線路工程建設周期為2年，各年資金投資比例分別為40%、60%；擴建工程的建設周期為1年。計算得到2個方案初始投資期成本等年值見表4。

表4 初始投資期成本等年值
Table 4 Uniform annual value of initial investment cost 億元

運營期成本通過BPA計算各年度夏季大方式下網損功率并查表得到最大負荷損耗小時數3 760 h。以2015年為基準年，計算得到2個方案運營期成本等年值見表5。

表5 運營期成本等年值
Table 5 Uniform annual value of operation period cost 億元

以2015年為基準年，期末退役處置期成本等年值見表6。

表6 期末退役處置期成本等年值
Table 6 Uniform annual value of disposal period cost 億元

匯總得到2個方案的年費用情況見表7。

表7 比選方案年總費用表
Table 7 Total cost of compared schemes 億元

綜上可見，按照傳統(tǒng)的方案比選方法，方案一的總投資較方案二多5.0億元，方案二要優(yōu)于方案一；但以全壽命周期成本的思想比選這2個方案時，方案一的年費用較方案二要低0.47億元，方案一優(yōu)于方案二?？梢?，傳統(tǒng)的方案比選方法比全壽命周期成本比選方法少考慮了很多方面的成本，全壽命周期成本理論的引入，可以使技術經濟評價的內容更加豐富、眼光更加長遠，能夠給電網規(guī)劃提供更好的評價平臺。

5 結 語

本文針對傳統(tǒng)規(guī)劃方法在技術經濟比選方面存在的不足，提出了基于資產全壽命周期成本的輸電網規(guī)劃方案比選流程，建立了適用于規(guī)劃階段的各項成本計算方法，并采用浙江省規(guī)劃方案進行了驗證。結果表明，該方法在考慮了規(guī)劃方案壽命期內更多成本因素的基礎上，可能得出與傳統(tǒng)方法結論不一致的結果，印證了該方法的可行性和有效性。本文議題為電網企業(yè)進一步提升成本管理工作提供了新的思路和方法。

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(編輯 張媛媛)

Application of Life Cycle Cost Management in Network Planning of Actual Power System

WANG Kaijun1, SUN Feifei2, LAN Zhou2, SUN Ke1

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Economic Research Institute, Hangzhou 310008, China)

The application of life cycle cost (LCC) management in network planning is an important part of the management system in a power company. According to the LCC management theory, with taking the life cycle of equipment as planning research period, this presents a LCC-based method for comparing multiple network planning schemes in transmission network planning. Through the analysis on the LCC composition of planning scheme, this paper suggests a whole process analysis model in view of costs in different network planning stages. The proposed method is applied in the planning scheme selection of the 500 kV long-range network planning in Zhejiang. The simulation results show that this method can improve the scientific nature of power grid planning and implement the coordination and unification of each stage in the LCC process of power grid.

power network planning; life cycle cost; scheme comparison; techno-economic appraisal

國網浙江省電力公司科技項目(5211JY150008)

TM 734

A

1000-7229(2016)04-0043-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.007

2015-12-13

王凱軍(1966)，男，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃管理及研究工作；

孫飛飛(1987)，男，碩士，工程師，主要從事電網規(guī)劃方面的研究工作；

蘭洲(1980)，男，博士，高級工程師，本文通信作者，主要從事電網規(guī)劃方面的研究工作；

孫可(1980)，男，博士，高級工程師，主要從事電網規(guī)劃管理及研究工作。