劉士李，朱曉虎，劉 麗，方天睿

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071)

中國(guó)城市化進(jìn)程的加快促進(jìn)了大中城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口急劇增加，巨大的電力需求使得城市中心供電成為急需解決的問(wèn)題。110 kV GIS變電站占地面積小，供電效率較高，通過(guò)合理規(guī)劃和建設(shè)能有效改善城市景觀，優(yōu)化城市環(huán)境，逐步成為城市電網(wǎng)建設(shè)的最佳選擇[1]。

變電站的建設(shè)、營(yíng)運(yùn)及管理是電網(wǎng)規(guī)劃管理的重要組成，與傳統(tǒng)的 AIS變電站相比，110 kV GIS在造價(jià)預(yù)算、規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等方面都有些許不同。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于 GIS變電站的建設(shè)條件等沒(méi)有給出明確的規(guī)定和參考，變電站設(shè)計(jì)過(guò)程急需統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[2]。由于電力設(shè)備一般具有較長(zhǎng)的運(yùn)行周期，除了前期投資外，后期運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用在總投資中有一定的占比，在電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)中作用大，不容忽視[3]。因此，必須對(duì)變電站的壽命周期成本LCC[4](life circle cost)進(jìn)行詳細(xì)分析，得出科學(xué)和全面的結(jié)論，更好地指導(dǎo)安徽省110 kV變電站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。目前國(guó)內(nèi)直接研究變電站LCC估算和管理的論文相對(duì)較少。楊磊等[5]分析了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及粒子群優(yōu)化算法，建立了變電站全壽命周期成本的估算模型；劉洋等[6]在分析智能變電站各項(xiàng)成本特性的基礎(chǔ)上引入盲數(shù)理論，建立全壽命周期成本理論估算數(shù)學(xué)模型；謝志煒[7]則提出了變電站LCC的估算模型和方法，并對(duì)110 kV輕載變電站進(jìn)行分析和優(yōu)化；方明[8]通過(guò)介紹 110 kV 變電站的 3種建設(shè)模式，運(yùn)用全壽命周期成本理論進(jìn)行研究分析，結(jié)合敏感性分析，研究110 kV新建變電站投運(yùn)策略的經(jīng)濟(jì)性；熊志偉等[9]建立基于量子粒子群優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)的變電站全壽命周期成本預(yù)測(cè)模型，在變電站設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)全壽命周期成本進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估；劉尚科等[10]以750 kV變電站為研究對(duì)象，通過(guò)傳統(tǒng)變電站全壽命周期成本估算理論，分析變電站全壽命周期成本的影響因素；李文韜等[11]基于全壽命周期成本LCC理論對(duì)地下變電站的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，指導(dǎo)地下變電站的投資建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。

以上方法，研究人員需要收集大量數(shù)據(jù)，電力企業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)很難收集到所有設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)。同時(shí)變電站壽命周期長(zhǎng)，設(shè)備之間聯(lián)系緊密，難以取到精確值，導(dǎo)致LCC估算結(jié)果的不確定性。為此，本文引入了不確定性理論[12]，對(duì)變電站全壽命周期成本估算進(jìn)行模糊化，減少主觀因素和數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的影響，同時(shí)對(duì)估算結(jié)果采取模糊集合的方式，提高結(jié)果的可信度。此外，本文建立了LCC基本估算模型并結(jié)合安徽110 kV GIS變電站的實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步的拓展和研究。

1 模糊理論簡(jiǎn)介

模糊理論(fuzzy theory)是在Zadeh教授創(chuàng)立的模糊集合理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其核心是模糊集合的一般概念及連續(xù)隸屬度函數(shù)理論。作為模糊數(shù)學(xué)的主要研究對(duì)象，模糊集合以經(jīng)典集理論為基礎(chǔ)，引入模糊的概念來(lái)拓展和推廣經(jīng)典集。模糊集合的方法在表述客觀事物時(shí)更加有效。

設(shè)論域X上有模糊集

A={(μA(x)∈[0,1],x)|x∈X}，

(1)

式中μA(x)稱(chēng)為A的模糊隸屬函數(shù)(簡(jiǎn)記為模糊函數(shù))，它可以用來(lái)描述該模糊集。μA(x)的值愈大，表示x屬于X的程度愈高；μA(x)=1，表示x完全屬于X；μA(x)=0，表示x完全不屬于X。

若論域X存在2個(gè)及以上的模糊集，為描述2個(gè)子集的相似程度，它們之間的貼近程度也是需要被考慮的，本文引用著名模糊數(shù)學(xué)家王培莊提出的貼近度。

假設(shè)存在論域X上的2個(gè)模糊集A、B，貼近度定義為

(2)

式中：A·B=∪(μA(x)∩μB(x))；A⊙B=∩(μA(x)∪μB(x))。

2 安徽地區(qū)110 kV GIS變電站LCC基本估算模型

變電站LCC指的是變電站經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)所支出的總成本，分為：一次投資成本CI；運(yùn)行成本CO；檢修成本CM；故障成本CF；報(bào)廢成本CD。因此變電站LCC估算模型可表示為[13]

SLCC=CI+CO+CM+CF+CD。

(3)

一次投資成本(CI)指變電站在建設(shè)和調(diào)試期間的初始投資。一次成本包括很多項(xiàng)目，本文選用工程法估算各項(xiàng)目的費(fèi)用，逐項(xiàng)迭加后得到總的CI值，其估算模型為：CI=CI1+CI2+CI3+CI4+CI5。式中：CI1表示設(shè)備購(gòu)置費(fèi)；CI2為安裝工程費(fèi)；CI3為建筑工程費(fèi)；CI4為其他費(fèi)用；CI5為動(dòng)態(tài)費(fèi)用[14-16]。

運(yùn)行成本(CO)指整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間變電站的總成本，按年計(jì)算。運(yùn)行成本各部分費(fèi)用的組成比是可以確定的，并且與變電站的規(guī)模有關(guān)，故參數(shù)法是對(duì)CO進(jìn)行估算的常用方法[17]。

檢修成本(CM)指變電站對(duì)其設(shè)備進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)、檢修所支出的費(fèi)用，包括大修(CM1)和小修成本(CM2)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的檢修和運(yùn)維成本標(biāo)準(zhǔn)，檢修成本可按照變電站的容量和所處地域，逐一計(jì)算，疊加后得到該變電站檢修標(biāo)準(zhǔn)成本。通過(guò)檢修周期確定大、小修成本在檢修標(biāo)準(zhǔn)成本中的占比，分別確定每次的大修成本CM1和小修的成本CM2[18-20]。

故障成本(CF)指相關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)變電站的成本，以年為單位計(jì)算，一般分為中斷供電懲罰成本(CF1)和故障設(shè)備修復(fù)成本(CF2)。

報(bào)廢成本(CD)指LCC結(jié)束后的設(shè)備回收收入和現(xiàn)場(chǎng)清潔成本，包括設(shè)備剩余值(CD1)(算成本時(shí)記為負(fù)值)和設(shè)備拆除費(fèi)(CD2)。在進(jìn)行定額折算時(shí)，設(shè)備剩余值采用設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，設(shè)備拆除費(fèi)采用安裝工程費(fèi)，參考有關(guān)文獻(xiàn)，折算系數(shù)γ4和γ5可分別取5%和50%[21]。

實(shí)際情況中，變電站的壽命周期很長(zhǎng)，在估算LCC值時(shí)，必須把資金的時(shí)間價(jià)值考慮進(jìn)去[22]。變電站LCC的總體估算模型為：

ΣLCC=CI+CO+CM+CF+CD=(CI1+CI2+CI3+CI4+CI5)+

(4)

式中：n為地下變電站運(yùn)行年數(shù)；r為通貨膨脹率；R為年利率；j1為大修總數(shù)；k1為大修的間隔年數(shù)；j2為小修總數(shù)；k2為小修的間隔年數(shù)；CF1i為第i年的中斷供電損失成本；CF2ij為第j個(gè)設(shè)備在第i年的維修成本；m為變電站主要設(shè)備數(shù)；SN為變電站各主變的額定容量之和；α為主變負(fù)載率；Tmax為年最大負(fù)荷利用小時(shí)；Pe為平均購(gòu)電電價(jià)；γ1為變電站耗電量占輸電量的比例折算系數(shù)；γ2和γ3為變電站維保費(fèi)和保險(xiǎn)費(fèi)的折算系數(shù)；γ4和γ5為報(bào)廢成本的折算系數(shù)。

3 基于模糊指數(shù)平滑的安徽地區(qū)110 kV GIS變電站LCC模糊估算模型

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)已有的110 kV GIS變電站可行性研究報(bào)告，收集安徽地區(qū)最具代表性的6種設(shè)計(jì)方案(110-A1-1、110-A1-2、110-A2-3、110-A2-4、110-A2-6、110-A2-8)的投資成本數(shù)據(jù)(表1)，并分析6種設(shè)計(jì)方案的技術(shù)參數(shù)，從中選擇5個(gè)特征因素，分別為主接線及設(shè)備選型、出線規(guī)模、建筑面積、配電裝置型式以及建造方式。表1中列出了不同的適用于安徽地區(qū)的110 kV GIS變電站的建筑費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用及其他費(fèi)用，以這4類(lèi)費(fèi)用合計(jì)值來(lái)估算不同變電站典型設(shè)計(jì)方案的投資成本(CI)。每一種110 kV GIS變電站的典型設(shè)計(jì)由于其建造方式不同，成本也有所不同，因此，本文將管樁建造的變電站和灌注樁建造的變電站的投資成本分別進(jìn)行分析。

表1 安徽地區(qū)110 kV GIS變電站典型設(shè)計(jì)方案的投資成本(CI)Tab.1 Investment cost (CI) of typical design scheme for 110 kV GIS substation in Anhui area 萬(wàn)元

本文利用指數(shù)平滑理論，在數(shù)據(jù)量不足的情況下，以期更好地估算不同變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本。首先將平滑指數(shù)設(shè)定為變電站的貼近度，按照式(5)進(jìn)行LCC的模糊估算，

E*=λ[σ1E1+σ2E2(1-σ1)+σ3E3(1-σ1)(1-σ2)+

(5)

式中：E*是變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本(CI)估計(jì)值；E1、E2、E3是與估算變電站最貼近的變電站設(shè)計(jì)方案投資成本真實(shí)值；σ1、σ2、σ3為典型變電站與估算變電站的貼近度；λ為調(diào)整系數(shù)。

為了獲得所需的貼近度，首先需要結(jié)合已知的5個(gè)特征因素和對(duì)應(yīng)變電站的特征，確定其特征因素集(表2)。然后，人為設(shè)置各變電站特征因素的模糊隸屬度，構(gòu)建模糊特征集，再通過(guò)式(2)，找出兩模糊集合間的貼近度，即兩變電站間的貼近度。確定隸屬度后，求出調(diào)整系數(shù)λ。

(6)

式中：m為特征因素的數(shù)量；TS為新建變電站各特征因素的隸屬度和，即模糊關(guān)系系數(shù)；Tσi為貼近度σi一一對(duì)應(yīng)的典型變電站的模糊關(guān)系系數(shù)。

模糊估計(jì)得到的貼近度與模糊隸屬度有關(guān)。在設(shè)定典型的110 kV GIS變電站的隸屬度初始值后，通過(guò)公式估算和測(cè)試投資成本。如果計(jì)算的測(cè)試誤差大于或等于10%，則需要相應(yīng)地調(diào)整隸屬度。

應(yīng)用模糊平滑法對(duì)110 kV GIS變電站的投資成本進(jìn)行估算。首先設(shè)定投資成本CI的5個(gè)特征因素分別為：主接線及設(shè)備選型、建筑面積、出線規(guī)模、配電裝置型式以及建造方式。

① 設(shè)定典型110 kV GIS變電站投資成本CI的隸屬度初值。

隸屬度初值的選擇：以同類(lèi)因素中一個(gè)因素為參考標(biāo)準(zhǔn)，一般把其隸屬度規(guī)定為1，再將其他子站該因素的水平分別與這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水平相比較，在區(qū)間[0,1]中根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)，通常是由工程量復(fù)雜程度的比較或者花費(fèi)費(fèi)用的比值賦予隸屬度值，隸屬度設(shè)定如表 2所示。表2中以主接線及設(shè)備選型為例，雙卷變中的環(huán)入環(huán)出接線工程(A2-8)最為復(fù)雜，將其隸屬度設(shè)為1；普通的三卷變方案(A1-1)復(fù)雜程度次之，設(shè)為0.9；最后是方案(A1-2)、(A2-3)、(A2-6)設(shè)為0.6以及方案(A2-4)設(shè)為0.5。除了復(fù)雜程度，費(fèi)用支出也是隸屬度判斷標(biāo)準(zhǔn)，比如建造方式的隸屬度設(shè)定。

表2 典型110 kV GIS變電站投資成本CI的隸屬度初值Tab.2 Initial value of investment cost CIof a typical 110 kV GIS substation

② 典型110 kV GIS變電站投資成本CI的估算檢驗(yàn)與隸屬度調(diào)整。

以110-A1-1變電站為例，與其貼近度最高的依次為110-A2-6*(3.67)、110-A1-1*(3.95)、110-A2-3(4.07)，對(duì)應(yīng)變電站的投資成本分別為4 592萬(wàn)元、4 491萬(wàn)元、4 908萬(wàn)元。根據(jù)公式計(jì)算調(diào)整系數(shù)λ為0.979，模糊估算的實(shí)際值為4 405.32萬(wàn)元。110-A1-1變電站的典型設(shè)計(jì)方案實(shí)際成本為4 083萬(wàn)元，檢驗(yàn)誤差小于10%的上限，因此該模糊估算可以通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)。按照同樣的方法對(duì)其他變電站投資成本計(jì)算模糊估算，誤差均小于10%，因此，本文未對(duì)隸屬度進(jìn)行調(diào)整。

③ 典型110 kV GIS變電站投資成本CI的模糊估算。

將6種110 kV GIS變電站的投資成本CI進(jìn)行模糊估算，計(jì)算結(jié)果如表3。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在考慮安徽地區(qū)變電站特征的情況下，110-A1-2、110-A2-4等2種典型的GIS變電站的投資估算成本最低，而110-A2-8的GIS變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本估算成本最高。因此，本文建議在考慮變電站典型特征的情況下，110-A1-2以及110-A2-4這2種典型的GIS變電站設(shè)計(jì)方案更適合于安徽地區(qū)建設(shè)。

值得注意的是，本文僅比較了不同變電站典型設(shè)計(jì)方案的投資成本，而對(duì)于其他的LCC分量(運(yùn)行和檢修成本，故障和報(bào)廢成本)尚未進(jìn)行指數(shù)平滑的模糊估算。在下一步的工作中，將系統(tǒng)地對(duì)110 kV GIS變電站典型設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行、檢修、故障和報(bào)廢成本均進(jìn)行模糊估算，綜合比選不同設(shè)計(jì)方案的全壽命周期成本LCC。

本文進(jìn)一步改進(jìn)了估算過(guò)程，分別求出各110 kV GIS變電站的投資成本估算值，并以此構(gòu)建隸屬度函數(shù)，把原來(lái)單一的預(yù)測(cè)結(jié)果模糊化。模糊函數(shù)的形式是多樣的，本文選用的是“三角形”函數(shù)，構(gòu)建如下：

設(shè)由初始隸屬度計(jì)算得出的投資成本估算值為C1，由優(yōu)化隸屬度計(jì)算求出的投資成本估算值為C2，以C2為中心，當(dāng)C1C2時(shí)，取估算結(jié)果C3使得C2-C3=C1-C2，估算結(jié)果在區(qū)間[C3，C1]上取值。與隸屬度初始值的估算結(jié)果(C1)相比，優(yōu)化隸屬度的估算結(jié)果(C2)是經(jīng)過(guò)誤差檢驗(yàn)的，計(jì)算結(jié)果可信度高，因此本文將C2設(shè)為1，將C1設(shè)為0。論域上其他元素的隸屬度對(duì)應(yīng)的有2個(gè)投資成本值，在函數(shù)圖中分別是遞增和遞減的一次函數(shù)，結(jié)合起來(lái)就是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的“三角形”，故稱(chēng)為三角隸屬度函數(shù)[23]，如圖1。

圖1 模糊函數(shù)三角隸屬度函數(shù)Fig.1 Fuzzy function trigonometric membership function

雖然110 kV GIS變電站的設(shè)計(jì)方案存在較大差異，但GIS變電站的運(yùn)行、檢修和故障成本差別不大，因此本文將不再對(duì)不同變電站的運(yùn)行、檢修故障成本進(jìn)行逐個(gè)分析，而是估算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于運(yùn)行成本(CO)，規(guī)定：Tmax為3 500 h；α單臺(tái)主變?nèi)?，2臺(tái)主變?nèi)?.5，3臺(tái)主變?nèi)?.67；γ1、γ2、γ3分別取值為2%、1.5%、0.25%。對(duì)于檢修成本(CM)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的規(guī)定[24]，由變電站體積和所處位置，得到變電站小修成本CM1和大修成本CM2之和為61.56萬(wàn)元，其中小修成本CM1和成本總和之間的比例β是一定的，在[0.04,0.06]間取值，采用“三角形”隸屬度函數(shù)對(duì)CM1和CM2模糊化。對(duì)于故障成本(CF)，

表4 110 kV GIS變電站的運(yùn)行成本、故障成本和檢修成本模糊估算結(jié)果Tab.4 Fuzzy estimation results of operating costs,failure costs and maintenance costs of 110 kV GIS substation

為了進(jìn)一步估算110 kV GIS變電站不同設(shè)計(jì)方案的LCC，將表4的模糊估算函數(shù)輸入到LCC估算模型公式(4)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果在表5中列出。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在考慮安徽地區(qū)變電站特征的情況下，110-A1-2、110-A2-4等2種典型的GIS變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本估算值最低，而110-A2-8的GIS變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本估算成本最高。其中，110-A1-2的變電站LCC估算結(jié)果為：7 230.19萬(wàn)元(管樁)和7 315.69萬(wàn)元(灌注樁)；110-A2-4的變電站LCC估算結(jié)果為：7 149.09萬(wàn)元(管樁)和7 176.13萬(wàn)元(灌注樁)。而110-A2-8的變電站LCC估算結(jié)果高達(dá)8 116.08萬(wàn)元(管樁)和8 283.00萬(wàn)元(灌注樁)。因此，根據(jù)模型計(jì)算，適合于安徽地區(qū)的110 kV GIS變電站的設(shè)計(jì)方案為110-A1-2、110-A2-4等2種典型設(shè)計(jì)方案。將這2種設(shè)計(jì)方案的LCC模糊估算模型的隸屬度函數(shù)用圖形表示，如圖2和圖3。

表5 安徽地區(qū)110 kV GIS變電站LCC的模糊函數(shù)Tab.5 Fuzzy function of LCC for 110 kV GIS substation in Anhui area

圖2 110-A1-2變電站LCC模糊估算三角隸屬度函數(shù)Fig.2 Substation LCC fuzzy estimation trigonometric membership function of 110-A1-2

圖3 110-A2-4變電站LCC模糊估算三角隸屬度函數(shù)Fig.3 Substation LCC fuzzy estimation trigonometric membership function of 110-A2-4

4 結(jié)語(yǔ)

本文在實(shí)例的基礎(chǔ)上，比較分析不同GIS變電站型式的投資成本、運(yùn)行和檢修成本以及報(bào)廢成本，建立了LCC的基本估算模型。由于110 kV GIS變電站LCC管理過(guò)程的不確定性，本文把模糊理論應(yīng)用在LCC估算過(guò)程，最終以模糊集合的形式得到110 kV GIS變電站典型方案的投資成本估算結(jié)果，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在考慮安徽地區(qū)變電站特征的情況下，110-A1-2以及110-A2-4等2種典型的GIS變電站設(shè)計(jì)方案的投資成本估算最低，而110-A2-8的GIS變電站設(shè)計(jì)方案投資成本估算最高，因此從全壽命周期管理的角度，110-A1-2、110-A2-4等2種變電站更適合安徽地區(qū)GIS變電站建設(shè)。

本文提出的估算方法簡(jiǎn)便可操作，結(jié)果合理可靠，參考價(jià)值高[25]。在模糊平滑估算模型中，隸屬度的不斷調(diào)整是估算值趨于準(zhǔn)確的關(guān)鍵，通過(guò)模糊優(yōu)化盡可能地減少主觀因素對(duì)估算結(jié)果的影響；估算結(jié)果用模糊集合的形式表示，表明了LCC的值在此區(qū)間內(nèi)，可信度更高，估算結(jié)論更加科學(xué)。在后續(xù)的研究中，我們將細(xì)化投資成本的成本控制，從裝配式的角度將變電站成本分解為各分項(xiàng)成本(比如梁、板和附屬設(shè)施等)，繼續(xù)進(jìn)行安徽地區(qū)變電站的選型。