粘來娥 翟繪景 耿慶申

山東電力工程咨詢院有限公司 山東 濟(jì)南 250013

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)輸電容量不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為龐大、復(fù)雜，建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)是新形勢下提高電網(wǎng)發(fā)展整體效率，加快電網(wǎng)技術(shù)和裝備升級，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的需要。智能變電站作為智能電網(wǎng)的六大環(huán)節(jié)之一，為智能電網(wǎng)提供堅強(qiáng)可靠的節(jié)點(diǎn)支撐，其工程建設(shè)成敗關(guān)乎整個電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。當(dāng)前對智能變電站的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究較多，這些研究為智能變電站建設(shè)及運(yùn)行水平的提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，但對智能變電站建設(shè)的成本效益分析尚研究較少，本文依據(jù)變電站自身的特點(diǎn)，以全壽命周期理念為導(dǎo)向，在考慮資金時間價值的基礎(chǔ)上引入蒙特卡洛模擬，對變電站智能化的成本和效益進(jìn)行測算，以期為變電站經(jīng)濟(jì)性的不斷提高提供理論支撐。

1 智能化對變電站LCC的影響

電網(wǎng)工程全壽命周期成本（LCC）管理是在電力系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上使工程LCC最優(yōu)的管理，它是從工程的長期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)行、維修、改造、直至報廢的全過程，使LCC最小的一種管理理念和方法。降低變電站LCC是建設(shè)“一強(qiáng)三優(yōu)”電網(wǎng)的重要內(nèi)容，早在2007年，國家電網(wǎng)公司基建部就以“兩型一化”變電站和“兩型三新”線路為契機(jī)，開展了提高變電站工程全壽命周期內(nèi)效率和效益的研究[1]。全壽命周期成本理念使變電站智能化成本和收益的量化計算更具科學(xué)性和合理性，本文對變電站智能化的成本效益分析，就是基于全壽命周期成本理念。

1.1 變電站全壽命周期成本構(gòu)成

以往國內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)只重視資產(chǎn)的表現(xiàn)而忽略資產(chǎn)價值、重視投入成本輕視產(chǎn)出效益的傳統(tǒng)理念和做法已不能適應(yīng)新形勢下建設(shè)智能變電站的要求[2]。本文將變電站全壽命周期成本分為一次投資成本（Investment Cost，IC）、運(yùn)行維護(hù)成本（Operation and Maintenance Cost， OC）、懲罰成本（Failure Cost，F(xiàn)C）和設(shè)備殘值（Discard Cost，DC）4部分[3-5]。由于變電站服役期限一般長達(dá)數(shù)十年，其LCC計算必須考慮資金的時間價值，同時也要考慮通貨膨脹引發(fā)的價格上漲[6-7]。

一次投資成本IC指變電站的建造成本，也包括運(yùn)行期間更換設(shè)備投入的成本，主要包括建筑工程費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)、安裝工程費(fèi)、其他費(fèi)用。

運(yùn)行維護(hù)成本OC是為保證變電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)所發(fā)生的費(fèi)用，包括能源消耗成本、維護(hù)保養(yǎng)成本、人工成本等內(nèi)容。

懲罰成本FC主要是由于電網(wǎng)電力供給不足或中斷所造成的用戶缺電損失，它是電網(wǎng)供電可靠性水平高低的直接經(jīng)濟(jì)體現(xiàn)，其大小與停運(yùn)概率、停運(yùn)持續(xù)時間、平均停用功率和停運(yùn)后維修成本有關(guān)。變電站特別強(qiáng)調(diào)因發(fā)生故障而不能正常使用所造成的損失要計入LCC。

設(shè)備殘值DC是變電站運(yùn)行期末的殘余價值，實(shí)際計算中，殘值多以一次投資成本的百分比表示。

1.2 智能變電站與常規(guī)變電站技術(shù)差異對LCC的影響

智能變電站較常規(guī)變電站具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，為滿足智能變電站的技術(shù)特性，將不可避免地對LCC產(chǎn)生影響。常規(guī)變電站尚存在多套系統(tǒng)、信息共享困難、設(shè)備之間互操作性差、系統(tǒng)可靠性受二次電纜的影響、廠站設(shè)計復(fù)雜等諸多不足。智能變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，依托全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化，能夠自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動，因此，智能變電站的智能化、集成化、實(shí)時性、可靠性較常規(guī)變電站得到很大提升。

1）對一次投資成本的影響

一次投資成本變動量⊿IC=⊿建筑工程費(fèi)+⊿安裝工程費(fèi)+⊿設(shè)備購置費(fèi)+⊿其他費(fèi)用。

⊿建筑工程費(fèi)：與常規(guī)變電站相比，智能變電站由于設(shè)備集成度高、智能組件就地安裝而節(jié)約占地面積和建筑面積。因占地面積、建筑面積減小而節(jié)約土石方、鋼筋、混凝土等建筑工程量，使得建筑工程費(fèi)用有所降低。當(dāng)前建筑工程費(fèi)節(jié)省幅度各智能變電站尚存在較大差異，智能變電站在結(jié)構(gòu)、布置等方面仍存在較大優(yōu)化空間。

⊿設(shè)備購置費(fèi)：與常規(guī)變電站相比，智能變電站增加了在線監(jiān)測系統(tǒng)、一體化控制系統(tǒng)、智能終端、合并單元、高級應(yīng)用軟件等智能設(shè)備，設(shè)備購置費(fèi)有較大幅度增加。目前智能變電站相關(guān)設(shè)備尚處于研發(fā)階段，隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，設(shè)備價格會隨著市場成熟度的提高而逐步降低。

⊿安裝工程費(fèi)：智能變電站二次設(shè)備下放和傳輸通道的光纖化，使得原來一次設(shè)備與二次設(shè)備之間的傳統(tǒng)的大量銅芯電纜被通信光纜替代，極大節(jié)約了電纜用量，使得安裝工程費(fèi)有所降低。

⊿其他費(fèi)用：其他費(fèi)用的取費(fèi)基數(shù)包括建筑工程費(fèi)、安裝工程費(fèi)和設(shè)備購置費(fèi)。建筑工程費(fèi)和安裝工程費(fèi)略有降低，同時，智能變電站節(jié)約占地面積，征地費(fèi)用有所減少，但設(shè)備購置費(fèi)大幅增加，使得其他費(fèi)用因具體情況增加或減少。

綜上，為了滿足智能變電站的各種先進(jìn)功能，一次投資成本較常規(guī)變電站有較大幅度增加，主要體現(xiàn)在一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、高級功能、智能輔助控制系統(tǒng)等智能化投資上，但隨著變電站智能化技術(shù)的推廣普及，智能化設(shè)備成本逐漸降低的趨勢是明顯的。

2）對運(yùn)行維護(hù)成本的影響

降低運(yùn)行維護(hù)成本是智能變電站的重要特點(diǎn)。智能變電站智能化、集成化、實(shí)時性、可靠性的提高將大大降低變電站的運(yùn)行維護(hù)成本。運(yùn)行維護(hù)成本變動量⊿OC=⊿能源消耗費(fèi)成本+⊿維護(hù)保養(yǎng)成本+⊿人工成本 。

⊿能源消耗費(fèi)成本：能源消耗費(fèi)成本指壽命期內(nèi)為保證變電站正常運(yùn)行而消耗的能源，包括變壓器油的消耗、站內(nèi)的照明器具以及其他設(shè)備對電能的消耗等。與常規(guī)變電站相比，智能變電站通過清潔能源、節(jié)能措施等技術(shù)手段，比如采用LED綠色照明、智能通風(fēng)系統(tǒng)、變頻冷卻系統(tǒng)等，全站電能消耗得以減少。

⊿維護(hù)保養(yǎng)成本：維護(hù)保養(yǎng)成本是壽命周期內(nèi)維護(hù)、試驗、監(jiān)測、巡檢和搶修等所需要的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)，以及更換零部件的費(fèi)用。智能變電站建成后，可以有效獲得電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)備檢修策略從常規(guī)變電站的“定期檢修”向“狀態(tài)檢修”轉(zhuǎn)變，設(shè)備檢修周期得以延長，降低了巡檢成本和維修成本，并通過變電站遠(yuǎn)方操作、保護(hù)軟壓板投切等遠(yuǎn)程控制手段，降低了就地操作成本。

⊿人工成本：人工成本是壽命期內(nèi)，管理、運(yùn)行和維護(hù)人員的工資。智能變電站通過高級功能應(yīng)用，如視頻監(jiān)控、安防、消防、環(huán)境監(jiān)測、智能巡檢等，節(jié)省變電站值守人力成本。

3）對懲罰成本的影響

提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性是建設(shè)智能變電站的主要目的。智能變電站信息一體化平臺、順序控制、智能告警與分析、故障信息綜合分析、源端維護(hù)、設(shè)備狀態(tài)可視化、無功優(yōu)化控制、負(fù)荷優(yōu)化控制、異常狀態(tài)發(fā)布、智能操作票系統(tǒng)、站域控制、繼電保護(hù)在線檢測和遠(yuǎn)傳校驗等高級功能的應(yīng)用，大大提高了設(shè)備運(yùn)行操作、事故處理的效率，減少了檢修停電和故障停電時間，供電實(shí)時性、安全性、可靠性得到很大提高。

4）對設(shè)備殘值的影響

設(shè)備殘值占LCC的比例較小，常以一次投資的百分比來估計，因此，設(shè)備殘值與一次投資成本同向變動。

綜上，智能變電站相對常規(guī)變電站的增量成本主要體現(xiàn)在一次投資成本的增加上，增量收益主要體現(xiàn)在運(yùn)行維護(hù)成本和懲罰成本的減少上，另外設(shè)備余值也相應(yīng)增加。

2 變電站智能化的成本效益分析

當(dāng)前變電站對可靠性的要求越來越高，為提高可靠性而增加一次投資成本是合理的，另一方面，變電站可靠性的提高，可以有效地降低電網(wǎng)系統(tǒng)的懲罰成本以及后期的運(yùn)行維護(hù)成本。本文基于這個思路來構(gòu)建變電站智能化的成本效益函數(shù)：

其中，f為變電站智能化的成本收益比，⊿AOCn為智能變電站第n年減少的運(yùn)行維護(hù)成本，AFCn為常規(guī)變電站第n年的懲罰成本，λn為智能變電站第n年減少停電時間比率，k為設(shè)備殘值占一次投資的比例，T為變電站運(yùn)行年限，i為基準(zhǔn)收益率，r為通貨膨脹率。

若f＞1，說明變電站智能化收益大于成本，經(jīng)濟(jì)上可行，

若f＝1，說明變電站智能化收益等于成本，經(jīng)濟(jì)上無影響，

若f＜1，說明變電站智能化收益小于成本，經(jīng)濟(jì)上不可行。

2.1 不確定因素分析

由于變電站運(yùn)行周期較長，基準(zhǔn)收益率和通貨膨脹率對變電站LCC的影響很大?；鶞?zhǔn)收益率考慮了不同時點(diǎn)等量資金實(shí)際價值的差異，通貨膨脹考慮了不同物價水平下完成相同工作所需實(shí)際費(fèi)用的變化，實(shí)際上年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等未來成本是逐年以（1＋通貨膨脹率）上漲的?？紤]到壽命期內(nèi)通貨膨脹率經(jīng)常變化且較難預(yù)測，通常按運(yùn)行期內(nèi)平均物價指數(shù)計算。

變電站運(yùn)行年限T的不確定性，變電站的運(yùn)行年限不是一成不變的，變電站內(nèi)的設(shè)備和建筑物的設(shè)計年限本身存在一定差異，造成變電站運(yùn)行年限有一定程度的浮動。

一次投資成本增加量⊿IC的不確定性，決策階段由于智能化措施存在多套方案或智能化成本難以準(zhǔn)確預(yù)計而帶有不確定性。

年運(yùn)行維護(hù)成本減少量⊿AOC的不確定性，該成本在LCC中占相當(dāng)大的比重，由于未來發(fā)生的費(fèi)用和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況的不確定性，一般較難準(zhǔn)確預(yù)測。

年懲罰成本AFC的不確定性，由于FC的發(fā)生是一個隨機(jī)的概率事件，實(shí)際工作中很難準(zhǔn)確估算出某一個確定的值來表示AFC。

智能變電站減少停電時間比率λ的不確定性，實(shí)踐中很難準(zhǔn)確預(yù)測因采用某項智能化措施而使系統(tǒng)可靠性提高多少。

通過對以上不確定變量設(shè)置與實(shí)際狀況相近、較為可靠的概率分布函數(shù)，進(jìn)行多次獨(dú)立的蒙特卡洛仿真，就可以獲得各種情況下的成本效益測算結(jié)果。

2.2 蒙特卡洛模擬與風(fēng)險評價

蒙特卡洛模擬不僅能夠解決隨機(jī)型風(fēng)險問題，而且可以解決許多確定型風(fēng)險問題，在國內(nèi)外一些較大的復(fù)雜項目管理中已成為風(fēng)險估計的主要工具之一。它對決策的分析偏差一般最小，從整個工程項目的經(jīng)濟(jì)性上，將是最節(jié)省的技術(shù)之一。在全壽命周期的風(fēng)險分析與管理中，蒙特卡洛法必將是重要方法之一[8]。

本文以某變電站為例進(jìn)行變電站智能化的成本效益分析，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為變電站智能化成本效益之比。輸入變量為：

（1）基準(zhǔn)收益率i、通貨膨脹率r分別設(shè)定為5%～10%和2%～5%，均勻分布。

（2）運(yùn)行年限T，設(shè)定為25～35年，均勻分布。

（3）一次投資增加量⊿IC，以500萬元為均值，標(biāo)準(zhǔn)差為50萬元，正態(tài)分布。

（4）年運(yùn)行成本減少量⊿AOC，以30萬元/年為均值，標(biāo)準(zhǔn)差為3萬元，正態(tài)分布。

（5）常規(guī)變電站年懲罰成本AFC，以300萬元為均值，標(biāo)準(zhǔn)差為30萬元，正態(tài)分布。

（6）智能變電站減少停電時間比率λ，以3%為均值，標(biāo)準(zhǔn)差為1%，正態(tài)分布。

（7）k為設(shè)備殘值占一次投資的比例，按5%計列。

確定各不確定變量的概率分布以后，基于上文建立目標(biāo)函數(shù)與不確定變量間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)定蒙特卡洛循環(huán)次數(shù)，基于crystal ball進(jìn)行模擬，得到成本效益比的概率分布、累計概率分布、期望值、標(biāo)準(zhǔn)差等分布特征，以及成本效益比對各不確定因素的敏感度系數(shù)。概率分布圖（如圖1所示）可以形象地反映出成本效益比的隨機(jī)變化，累積概率分布把運(yùn)算結(jié)果按一定的順序?qū)⒏怕始涌偅梢詾闆Q策者提供更直接的信息。期望值和標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)了成本效益測算中所包含的不確定信息和模擬結(jié)果的離散程度。需要注意的是，這里衡量敏感度的相關(guān)系數(shù)是秩相關(guān)系數(shù)，其值越大表明變量間共變趨勢越顯著。

圖1 成本效益比概率分布圖

表1 成本效益比累計概率分布

圖2 成本效益比敏感度圖表

由表1可以得出，本工程成本效益比的波動范圍為[0.53，3.87]，期望值為1.44，標(biāo)準(zhǔn)差為0.39。 成本效益比f大于1的累計概率為90%，成本效益比f大于1.2的累計概率為70%，成本效益比f大于1.6的累計概率為30%?？梢钥闯霰局悄芑顿Y在經(jīng)濟(jì)上可行的概率很高。

由圖2可以看出，本工程不確定變量中，基準(zhǔn)收益率i、通貨膨脹率r、一次投資成本增加量⊿IC對成本效益比影響最大，年運(yùn)行維護(hù)成本減少量⊿AOC、智能變電站減少停電時間比率λ對成本效益比影響居中，年懲罰成本AFC對成本效益比影響最小。

這說明，基準(zhǔn)收益率的取定和未來的通貨膨脹預(yù)期對變電站智能化的經(jīng)濟(jì)性影響很大，這也是由變電站智能化的成本主要體現(xiàn)在當(dāng)前一次投資成本的增加，而收益主要體現(xiàn)在未來運(yùn)行維護(hù)成本等的降低決定的，在決策時要仔細(xì)考慮以上因素。一方面盡量控制一次投資成本的增加，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(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修等而降低成本，使變電站系統(tǒng)的LCC最小，整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

3 結(jié)論

本文在對變電站智能化的成本效益分析后，有以下主要結(jié)論：

1）通過智能化對變電站LCC影響的分析，認(rèn)為智能變電站相對常規(guī)變電站的增量成本主要體現(xiàn)在一次投資成本的增加上，增量收益主要體現(xiàn)在運(yùn)行維護(hù)成本和懲罰成本的減少上。

2）鑒于變電站LCC計算中面臨的諸多不確定因素，引入蒙特卡洛模擬提高分析的可靠性是可行的。

3）通過算例分析，認(rèn)為如何合理設(shè)定基準(zhǔn)收益率和通貨膨脹率，對變電站智能化的成本效益分析的影響是巨大的，同時認(rèn)為減少智能變電站與常規(guī)變電站之間一次投資成本的差異，是降低變電站智能化LCC的關(guān)鍵，也是存在一定潛力的。單獨(dú)靠降低運(yùn)行維護(hù)成本和提高系統(tǒng)可靠性來降低變電站智能化LCC是不夠的。

4）降低智能變電站的一次投資成本和進(jìn)一步降低智能變電站的運(yùn)營維護(hù)成本和提高系統(tǒng)可靠性應(yīng)成為智能變電站全壽命周期管理研究工作的重點(diǎn)。

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