曹程杰

0 引言

全壽命周期成本［1］(Life Cycle Cost，簡(jiǎn)稱LCC)概念最早起源于瑞典的鐵路系統(tǒng)。20 世紀(jì)60 年代美國(guó)軍方把LCC 理念應(yīng)用于武器系統(tǒng)，70年代LCC 理念被很多國(guó)家應(yīng)用在交通運(yùn)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(cái)、物和時(shí)間)總和，通常用貨幣度量。工程的“全壽命周期成本”則是在預(yù)期的工程壽命周期內(nèi)，為工程的論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與保障、退出使用所付出的一切費(fèi)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(duì)于建設(shè)使用周期長(zhǎng)、投入成本大的工程有著重要的建設(shè)指導(dǎo)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(guó)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(lái)越大。為了實(shí)現(xiàn)國(guó)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(biāo)，在電網(wǎng)工程項(xiàng)目管理中運(yùn)用先進(jìn)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(jìn)而提升電網(wǎng)企業(yè)的發(fā)展質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)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(jì)為實(shí)例，主要就二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電源系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)方案利用LCC 的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行比選，以此說(shuō)明LCC 在智能變電站設(shè)計(jì)中的作用。

1 全壽命周期成本設(shè)計(jì)理念在變電站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

根據(jù)以往的工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在整個(gè)工程項(xiàng)目全壽命周期中，早期設(shè)計(jì)階段是節(jié)約投資的最佳階段;隨著項(xiàng)目進(jìn)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(jì)曲線如圖1 所示。

圖1 投資節(jié)約可能性與投資累計(jì)曲線

由此可以看出，工程設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的靈魂，是工程壽命周期的起點(diǎn)。將全壽命周期管理理念引入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能有效地避免設(shè)計(jì)階段可能發(fā)生的短期行為，使設(shè)計(jì)人員從一開始就立足于工程項(xiàng)目的全壽命，提出多種技術(shù)方案進(jìn)行比較，從中選出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的最佳方案，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整個(gè)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(jì)的目標(biāo)是在保證變電站可靠運(yùn)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(fèi)用及運(yùn)行、維護(hù)、改造、更新，直至報(bào)廢的全過(guò)程費(fèi)用［3］。因此變電站的LCC 包括初期建設(shè)投資、運(yùn)行和維護(hù)、故障損失成本。其LCC 的表達(dá)式為

式中:CI 為最初建設(shè)投資成本，包括購(gòu)買設(shè)備和安裝、調(diào)試費(fèi);CO，CM，CF，CE 分別是從變電站系統(tǒng)調(diào)試后算起，整個(gè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行期間所支付的運(yùn)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(kuò)建成本;CD 是工程的殘值，即報(bào)廢成本。工程項(xiàng)目的最初建設(shè)費(fèi)用往往得到重視而工程項(xiàng)目的使用費(fèi)用及故障損失成本容易被忽視。實(shí)際上，許多變電站工程項(xiàng)目的使用成本大于制造成本。在資產(chǎn)使用過(guò)程中，因發(fā)生故障進(jìn)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(guò)了400 億美元)，也要計(jì)入全壽命周期費(fèi)用之中。

考慮初始成本時(shí)間和未來(lái)成本時(shí)間的時(shí)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(lái)成本可能在基年至工程壽命周期末之間的任何一個(gè)時(shí)間發(fā)生。因此在工程項(xiàng)目的LCC比較中，考慮資金的時(shí)間價(jià)值，通常以凈現(xiàn)值(NPV)來(lái)表示LCC 分析的結(jié)果。項(xiàng)目全壽命周期的凈現(xiàn)值計(jì)算公式為

式中:PVSUn=為按年度重復(fù)投資費(fèi)用折算現(xiàn)值的系數(shù);PV =為一次性投資費(fèi)用折算現(xiàn)值系數(shù);N 為工程項(xiàng)目全壽命周期;M為一次性投資的年份;r 為年利率，項(xiàng)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(jì)的重中之重?；谌珘勖芷诔杀驹O(shè)計(jì)理念的智能變電站設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)化各項(xiàng)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(shí)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(jì)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(jì)、獨(dú)立組屏。設(shè)備由不同的供應(yīng)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(jìn)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(dú)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(jìn)行配置，采用模塊化設(shè)計(jì);可監(jiān)測(cè)開關(guān)位置、事故跳閘告警、負(fù)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(tái)，采用IEC61850 通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)了與變電站自動(dòng)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(yùn)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(guó)家電網(wǎng)相關(guān)文件要求，須達(dá)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(fèi)用計(jì)算。

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

(3)兩種方案的設(shè)備主體部分均在變電站新建時(shí)一次建成，后期擴(kuò)建時(shí)僅考慮擴(kuò)建相關(guān)間隔時(shí)的電力電纜。兩種方案的擴(kuò)建成本基本相同，擴(kuò)建時(shí)間按工程壽命周期的1/3 時(shí)擴(kuò)建一次，2/3時(shí)擴(kuò)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(jì)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(chǎng)調(diào)研，對(duì)于舊站改造淘汰下來(lái)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(fù)使用量，可增加CD殘值約2 萬(wàn)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(wàn)元，運(yùn)行維護(hù)成本及技改報(bào)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(jì)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(jì)效益。

表2 變電站電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案LCC 分析比較表

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

常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念上不是面向整個(gè)變電站，而是將每一種功能都設(shè)計(jì)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(duì)低頻低壓減載功能，一般配置專門的低頻低壓減載主機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)頻率降低到整定門檻以下、在滿足動(dòng)作條件時(shí)，切除設(shè)定出線，減少系統(tǒng)負(fù)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(jī)實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)間隔配置相應(yīng)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(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)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(jí)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(dòng)化系統(tǒng)之間繁雜的信息校驗(yàn)。由站控層主機(jī)實(shí)現(xiàn)的低頻低壓減載功能減少了信息的重復(fù)采集和定值的分散重復(fù)整定，使動(dòng)作邏輯更加簡(jiǎn)潔，進(jìn)一步減輕了整定校驗(yàn)工作量。后期擴(kuò)建時(shí)五防系統(tǒng)及低頻低壓減載系統(tǒng)均只需在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建立相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。

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

傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)使用年限根據(jù)運(yùn)維部門提供數(shù)據(jù)，按12 年考慮。智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)文件要求，須達(dá)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(fèi)用計(jì)算。

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

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

(4)常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)年巡檢次數(shù)(含倒閘操作、事故恢復(fù)等)為每年計(jì)100 次，每次成本考慮車輛及人工成本按500 元計(jì)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(jí)應(yīng)用功能實(shí)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(dá)到使用年限報(bào)廢后，除控制電纜中的銅芯外基本沒有回收的價(jià)值。但是根據(jù)運(yùn)行部門保護(hù)更換改造經(jīng)驗(yàn)，更換控制電纜時(shí)，首先需要雇外來(lái)人員在專業(yè)人員指導(dǎo)下進(jìn)行舊電纜的拆除，然后再?gòu)碾娎|中剝出銅芯?？鄢娎|拆除和剝銅芯的人工費(fèi)，舊電纜的殘值已經(jīng)所剩無(wú)幾，因此，有關(guān)部門也沒有把更換下來(lái)的舊電纜納入相應(yīng)的報(bào)廢成本。因此自動(dòng)化設(shè)備的報(bào)廢成本計(jì)0。

可以看出，采用智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)后，初始投資與傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)相差無(wú)幾，但運(yùn)行維護(hù)成本及技改擴(kuò)建成本均顯著減少;由于智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限不同，因此折算成平均現(xiàn)值比較，如表4 所示?？煽闯觯捎弥悄茏冸娬咀詣?dòng)化系統(tǒng)較傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)可節(jié)約57%左右，具有很高的直接經(jīng)濟(jì)效益，其安全與智能的設(shè)計(jì)所帶來(lái)的隱性節(jié)約與社會(huì)效益，更是難以量化計(jì)算。

表4 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案LCC 分析比較表

參考以往的變電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，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(jià)格與成熟期的價(jià)格相比，幾近相差40%。據(jù)此，智能變電站的自動(dòng)化設(shè)備，在推廣期內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格約為引入期的80%，在成熟期內(nèi)產(chǎn)品價(jià)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(jìn)入今后的推廣期和成熟期時(shí)，由于相關(guān)設(shè)備的價(jià)格下降，采用智能設(shè)備的全壽命周期成本將會(huì)更少。

4 結(jié)論

全壽命周期成本管理既是一種先進(jìn)的管理理念，也是一種科學(xué)的管理方法，它可以有效推進(jìn)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(jì)理念對(duì)華東某220 kV 試點(diǎn)智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行了不同設(shè)計(jì)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以更全面地衡量設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，同時(shí)也更有利于智能變電站的推廣應(yīng)用。

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［2］紀(jì)偉．全壽命周期設(shè)計(jì)理念在輸電線路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．江蘇電機(jī)工程，2009，28 (6):43-44．

［3］楊凌輝，薛玉蘭，高凱．變電站數(shù)字化進(jìn)程中的資產(chǎn)全壽命周期管理思考［J］．華東電力，2008，36 (11):8-11．

［4］易永輝，王坤，王震學(xué)，等．基于全壽命周期管理的智能變電站應(yīng)用方案研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38 (13):99-103．

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［6］胡曉娟，柯方超．智能變電站全壽命周期管理應(yīng)用方案［J］．湖北電力，2012，36 (4):24-25，31．

［7］雷宇，李濤．變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的定量評(píng)估［J］．電力科學(xué)與工程，2009，25 (6):37-40．

［8］梅秀良．35 kV 變電站一次和二次設(shè)備的技術(shù)改造措施［J］．電力科學(xué)與工程，2009，25 (10):63-65．