基于全壽命周期的配電裝置選型研究

南京電力設計研究院有限公司 呂夢婕 張 彪

變電站全壽命周期成本管理（Life Cycle Cost，LCC），是指在滿足可靠性的前提下全面考慮其壽命周期（包括從項目前期、工程建設直至退運在內的全部程）綜合利益的一種管理理念。從工程項目的整體性出發(fā)，反映項目全壽命周期的要求，不僅包括建設期的目標，更注重項目的運行階段，突出項目管理的整體效率和效益，有助于提高工程建設質量和效率。全壽命周期管理通過統(tǒng)籌規(guī)劃、建設、生產(chǎn)、運行、退役等各環(huán)節(jié)，在確保工程規(guī)劃合理、工程優(yōu)質、生產(chǎn)安全、運行可靠的前提下，將整體成本最優(yōu)作為管控目標。變電站配電裝置型式多種多樣，目前經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)城市中心區(qū)域的110kV和220kV變電站已多采用全戶內布置形式，而城市郊區(qū)或土地供應充足地區(qū)的變電站仍采用戶外布置形式，可選配電裝置型式較多。

1 配電裝置選型方案

某220kV變電站終期規(guī)模為2×120MVA主變，220/66/10kV電壓等級。220kV出線規(guī)模：終期8回出線，本期3回出線，采用雙母線接線形式，架空出線；66kV出線規(guī)模：終期20回出線，本期12回出線，終期及本期均采用單母線分段接線，架空出線；10kV用于布置無功補償裝置及站用變。

該220kV變電站位于西北某嚴寒地區(qū)，除10kV開關柜采用戶內布置方案外，其余配電裝置均采用戶外布置形式。站址地形平坦四周空曠，變電站總平面布置可不受地形限制。綜合考慮各方面因素，提出了三種設備選型方案：220kV和66kV配電裝置采用戶外敞開式設備（AIS），220kV和66kV母線采用架空管母線；220kV和66kV配電裝置采用戶外HGIS設備，220kV和66kV母線采用架空管母線；220kV和66kV配電裝置采用戶外敞開式設備（AIS），220kV和66kV母線采用氣體絕緣封閉母線（GIB）。

方案一設備造價低但占地面積大，受環(huán)境條件影響嚴重，故障率高；方案二設備造價高但占地面積小，安裝維護方便，抗震能力強；方案三設備造價居中，占地面積與方案二相近，主要優(yōu)點是擴建過程中相對于敞開式母線停電時間短，但沒有克服AIS設備故障率高的缺點[1]。

2 全壽命周期成本管理LCC

2.1 應用LCC成本最優(yōu)法進行比選的原則

該220kV變電站三個方案的本期投資差異可通過常規(guī)技術經(jīng)濟計算得出，但在安裝施工周期、設備適用性、可維護性、可擴展性、易操作性等方面的差異則需要應用LCC的方法加以論證，最終將各項成本與殘值相加綜合，給出各方案的全壽命周期成本。所有方案均按照最終規(guī)模進行LCC成本分析，考慮到三個方案的10kV配電裝置規(guī)模一致、在全壽命周期成本分析中不再考慮，僅考慮220kV、66kV配電裝置的全壽命周期成本。

2.2 LCC成本最優(yōu)法介紹

變電站全壽命周期成本LCC計算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CD，式中LCC為全壽命周期成本；CI為初始投資成本，包括設計成本、設備采購成本、施工安裝成本；CO為運行成本，包括設備損耗、運行人員培訓成本等；CM為檢修維護成本；CF為故障成本，包括停電損失、社會影響損失等；CD為廢棄成本[2]。

初始投資成本。變電站的初始投資指的是從工程設備采購開始到工程竣工驗收為止工程建設的所有費用[3]：CI=Cbuy+Cinstall+Ctrans，式中Cbuy為購置費用，Cinstall為安裝費用，Ctrans為運輸費用，根據(jù)國網(wǎng)電力建設工程概算定額，取購置費用的7%。

運行成本。運行維護費用主要包括變電站投運后設備的能耗費用：，式中Co&m（t）為年維護費用，根據(jù)年國網(wǎng)電力建設工程概算定額，對于HGIS取購置費用的1.5%，對于AIS取購置費用的4.2%，對于AIS+GIB方案，參考AIS方案取購置費的2.5%較為合理。壽命期限（T）HGIS取40年，AIS取30年。根據(jù)國家發(fā)改委規(guī)定，折現(xiàn)率λ取9%。

檢修維護成本。檢修維護可分為周期性檢修和狀態(tài)檢修，其中狀態(tài)檢修主要是通過對電氣設備的測試、分析和判斷、診斷發(fā)現(xiàn)設備運行異常及缺陷[4]，在故障成本中將會考慮到。檢修維護成本主要計算周期性的檢修費用：CM=Cdm+Cgenm+Cinspm，式中Cdm為解體檢修費用，Cgenm為定期預防性檢修費用，Cinspm為日常巡視檢查費用。

故障成本。又可稱為中斷供電損失成本，分可修復故障和不可修復故障兩類，對于不可修復故障本期暫不做考慮。對于可修復故障，設備每次故障維修后一般都不能完全恢復狀態(tài)，壽命分布參數(shù)可能發(fā)生改變。故障成本可表示為CF=?WT+λ×CR×MTTR，式中?WT為斷電成本，λ×CR×MTTR為修復成本，其中λ為設備平均故障率，CR為設備平均修復成本，MTTR為設備平均修復時間。

報廢成本。也即設備的退役處置成本，這里只考慮設備的殘值，其計算可表示為，式中Cdisp為設備退役殘值，取購置費的5%。

3 全壽命周期成本比較

3.1 各方案設備材料統(tǒng)計

通過主接線優(yōu)化，取消了220kV、66kV出線側和主變側隔離開關，保留接地開關。當采用罐式斷路器時，間隔內電流互感器采用套管CT。分別對AIS方案、HGIS方案、AIS+GIB方案所需的主要設備材料進行統(tǒng)計，結果如下。

AIS方案。220kV設備所需材料：11臺SF6罐式斷路器(附安裝支架)、2組隔離開關（雙柱水平旋轉式，雙接地、附安裝支架）、12組隔離開關（單臂垂直伸縮式，單接地、附安裝支架）、10組隔離開關（單臂垂直伸縮式，不接地、附安裝支架）、8臺單相電容式電壓互感器（線路型）、6臺單相電容式電壓互感器（母線型）、6臺單相金屬氧化物避雷器、10臺帶電顯示器、10臺接地開關、3.7噸鋁鎂硅管母線及固定金具；66kV設備所需材料：23臺SF6罐式斷路器(附安裝支架)、2組隔離開關（雙柱水平旋轉式，雙接地、附安裝支架）、24組隔離開關（單臂垂直伸縮式，單接地、附安裝支架）、6臺單相電容式電壓互感器（母線型）、6臺單相金屬氧化物避雷器、22臺帶電顯示器、22臺接地開關、1.9噸鋁鎂硅管母線及固定金具。

HGIS方案。220kV設備所需材料：8套架空出線間隔、2套母線設備間隔（無斷路器）、2套主變進線間隔、1套母聯(lián)間隔、3.7噸鋁鎂硅管母線及固定金具；66kV設備所需材料：20套架空出線間隔、2套母線設備間隔（無斷路器）、2套主變進線間隔、1套母聯(lián)間隔、1.9噸鋁鎂硅管母線及固定金具。

AIS+GIB方案。220kV設備所需材料：11套SF6罐式斷路器（附安裝支架）、2組母線PT間隔（采用GIS）、10組接地開關、8臺電容式電壓互感器（單相、出線）、10臺帶電顯示器、6個間隔的氣體封閉母線單元；66kV設備所需的材料：23套SF6罐式斷路器（附安裝支架）、2組母線PT間隔（采用GIS）、22組接地開關、22臺帶電顯示器、13個間隔的氣體封閉母線單元。

3.2 全壽命周期成本LCC計算參數(shù)

220kV HGIS、220k管 母、66kV HGIS和66k管母的使用壽命均為40年、運行費率均為0.015；220kV AIS和66kV AIS的使用壽命均為30年、運行費率均為0.042，220kV AIS+GIB和66kV AIS+GIB的使用壽命均為30年、運行費率均為0.025。各方案設備價格參考如下，設備殘值取CI的5%。

220kV各設備CI（萬元）、安裝費（萬元）分別為：HGIS1114/20.8、管母1.47/0.01，66kV分別為846.2/23.75、1.47/0.01；220kV AIS各 設 備CI（萬元）、安裝費（萬元）分別為：罐式斷路器530.2/7.92、隔離開關14.4/0.62、隔離開關68.4/3.72、隔離開關49/3.1、線路電壓互感器13.6/0.84、母線電壓互感器10.2/3.36、金屬氧化物避雷器4.2/1.44、帶電顯示器6/0.5、接地開關36/3.1、鋁鎂硅管母線及固定金具1.47/0.01，66kV AIS分別為506/10.12、64.8/3.84、6.6/0.32、28.6/3.52、9.6/0.462、1.86/0.78、13.2/1.1、0.76/0.01；220kV AIS+GIB各 設備CI（萬元）、安裝費（萬元）分別為：罐式斷路器530.2/7.92、220kV母線PT92/3.2、接地開關50/3.1、電容式PT13.6/1.12、帶電顯示器6/0.5、氣體絕緣封閉母線420/9.6，66kV AIS+GIB分別為391/10.12、68/1.9、13.2/1.1、66/3.52、299/ 12.35。

3.3 全壽命周期成本計算

3.3.1 初始投資CI計算

HGIS方案CI=（1115.47+20.81+1115.47×7%）+（847.67+23.76+847.67×7%）=2145.13（萬元），AIS方案CI=（733.47+24.61+733.47×7%）+（631.42 +20.152+631.42×7%）=1505.19（萬元），AIS+GIB方案CI=（1111.8+25.44+1111.8×7%）+（837.2+28.99+837.2×7%）=2139.86（萬元）。由計算結果可知，HGIS設備購置費用高于兩外兩種方案。考慮到近年來國網(wǎng)公司設備集中采購，嚴控設備招標管理及設備價格普遍下降等綜合因素，目前HGIS設備和AIS設備的購置費用差距已明顯減小。以本工程而言，HGIS在設備購置費上高出AIS設備27.8%，但占地面積較AIS方案明顯減小，輔助生產(chǎn)工程等費用相應減小。

3.3.2 運行費用CO

3.3.3 檢修維護成本CM

根據(jù)資料搜集，同類變電設備的檢修周期在一個合理的時間區(qū)間內。各設備檢修費用如下。

220kV設備的解體檢修費用：HGIS為4萬元/間隔，AIS斷路器為2萬元/臺，AIS隔離開關為0.8萬元/臺，AIS電壓互感器和電流互感器均為1.2萬元/臺，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為4萬元/間隔；66kV設備的解體檢修費用：HGIS為2.2萬元/間隔，AIS斷路器為1萬元/臺，AIS隔離開關為0.5萬元/臺，AIS電壓互感器和電流互感器均為1萬元/臺，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為2.2萬元/間隔。

220kV設備的定期體檢修費用：HGIS為0.6萬元/間隔，鋁鎂硅管母為0.05萬元，AIS斷路器為0.6萬元/臺，AIS隔離開關為0.3萬元/臺，AIS電壓互感器和電流互感器均為0.2萬元/臺，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為0.6萬元/間隔；66kV設備的定期體檢修費用：HGIS為0.4萬元/間隔，鋁鎂硅管母為0.05萬元，AIS斷路器為0.4萬元/臺，AIS隔離開關、電壓互感器和電流互感器均為0.2萬元/臺，GIB氣體絕緣封閉母線和封閉母線PT均為0.4萬元/間隔。

經(jīng)計算，各方案檢修維護成本如表1?？芍狧GIS設備檢修維護成本最低，AIS設備最高，AIS+GIB方案由于采用GIB母線，減少了主母線的停電時間，也減少了停電帶來的檢修維護成本。

表1 檢修維護成本（折算至全壽命周期）

3.3.4 故障成本CF

據(jù)搜集到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，HGIS設備故障率只有AIS設備的10～40%，但HGIS設備故障后的平均檢修時間較長。不同種類設備5年平均設備可靠性數(shù)據(jù)分別為：三種方案的平均修復成本均為2萬元/小時；HGIS設備的LCC為40年，平均故障率為1.8（220kV）和1（66kV）次/百間隔年，平均修復時間為6.5（220kV）和5（66kV）小時；AIS設備的LCC為30年，平均故障率為6.6（220kV）和5（66kV）次/百間隔年，平均修復時間為14（220kV）和8（66kV）小時；AIS+GIB設備的LCC為30年，平均故障率為2.34（220kV）和1.3（66kV）次/百間隔年，平均修復時間為8（220kV）和6（66kV）小時。將上述數(shù)據(jù)代入公式，得到HGIS年平均故障檢修費用為5.54萬元，AIS年平均故障檢修費用40.02萬元，AIS+GIB年平均故障檢修費用為8.77萬元。將費用折算成現(xiàn)值，則分別為59.61萬元、411.01萬元和90.07萬元。

針對斷電成本?WT，綜合間隔故障率和平均修復時間數(shù)據(jù)，三種方案的年平均中斷供電負荷W取1500MVA，電費平均收益?取9.0元/kWh（為全國平均每度電創(chuàng)造GDP），年平均斷電小時數(shù)T分別取0.001h和0.005h（由于GIB母線故障率低，因此僅考慮AIS設備故障停電，AIS方案和AIS+GIB方案近似相等），則HGIS方案斷電成本為1.35萬元，AIS和AIS+GIB方案斷電成本為6.75萬元。折算至現(xiàn)值則分別為14.53萬元和69.32萬元。綜上所述，三種方案的故障成本分別為74.14萬元、480.33萬元和159.39萬元。

3.3.5 報廢成本

HGIS方 案CD=-2145.13×0.05/1.0940=-3.41（萬 元），AIS方 案CD=-1505.19×0.05/1.0930=-5.67（萬元），AIS+GIB方案CD=-2139.86×0.05/1.0930=-8.06（萬元）。

3.3.6 其他成本

除上述計算的各項成本外，變電站全壽命周期成本內還應該包括土地成本、土建費用等。配電裝置占地面積：HGIS方案為3254㎡，AIS方案為6120㎡，AIS+GIB方案為3069㎡；構支架購置費及其基礎費用：HGIS方案為152.5萬元，AIS方案為288.9萬元，AIS+GIB方案為103.2萬元；設備支架及其基礎費用：HGIS方案為26萬元，AIS方案為122萬元，AIS+GIB方案為81萬元；場地費用：HGIS方案為181萬元，AIS方案為340萬元，AIS+GIB方案為99萬元。

3.3.7 全壽命周期成本

綜上所述，三種方案的全壽命周期初始投資成本、運行成本、檢修維護成本、故障成本、報廢成本、土建成本、LCC分別為：HGIS2145.13/346.22/127.2/74.14/-3.41/359.5/3048.78；AIS1505.19/649.25/392.8/480.33/-5.67/750.9/3772.8；AIS+GIB2139.86/549.61/225.59/ 159.39/-8.06/283.2/3349.59?？芍狧GIS方案40年全壽命周期成本為3048.78萬元，AIS方案30年全壽命周期成本為3772.8萬元，AIS+GIB方案30年全壽命周期成本為3349.59萬元，即HGIS方案使用壽命比其他兩種方案多10年，全壽命周期成本最低，比其他兩種方案的全壽命周期成本分別少724.02萬元和300.81萬元，分別占HGIS全壽命周期成本的23.7%和9.9%。

從各分項看，HGIS與AIS+GIB方案初始投資基本相同，比AIS方案高出639.94萬元，設備購置費較高。但HGIS運行成本、檢修維護成本均較低，特別是故障成本只有AIS方案15.4%和AIS+GIB方案46.5%，這是由于AIS設備受風吹雨淋等惡劣環(huán)境影響很大，故障率和檢修成本均很高。在土建費用方面，HGIS方案占地面積小、設備支架少、基礎制作簡單，費用也相對AIS方案低。

綜上，變電站配電裝置型式的選擇應綜合考慮地理環(huán)境條件、施工安裝、運行和檢修的需求等因素，通過經(jīng)濟技術比較合理選擇。HGIS方案全壽命周期成本最低，適用于土地成本和人力成本較高、供電可靠性要求高、自然環(huán)境惡劣地區(qū)；AIS方案全壽命周期成本最高但初始投資低，適用于投資資金相對較少、土地成本和人力成本較低、自然環(huán)境相對較好的地區(qū)，若受站址條件所限或有其他特殊要求，經(jīng)經(jīng)濟技術綜合比較后也可采用AIS+GIB方案。