基于全寿命周期成本的电力变压器选型方法研究

华丁剑，刘建华，杨丽娇

(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

1 引言

随着我国电网的迅速发展，对供电量的需求不断扩大，需新建更多的变电站来满足日益增长的用电需求。在巨大的投资面前，需要合理分配以求一种更科学的造价管理方法，使得投资具有针对性和长期性，这样才能获得最大效益。电力变压器是变电站的重要电力设备，其安全稳定运行是电力系统供电安全的重要保障。目前，大家习惯于重视电力变压器的购置费用而忽略其运行费用，通常是节约了购置费用，而后期的运行及维护费用成本却大大提高［1，2］。因此，电力变压器全寿命周期成本管理不容轻视。

电力变压器全寿命周期成本LCC，既包括电力变压器选型、设计、制造、试验、营销的费用所构成的制造成本，又包括运行、维护、能耗、保险、检修、报废的费用所构成的运行成本［3］。本文应用LCC理论对电力变压器的制造和运行成本进行拆分，按照IEC60300－3－3标准，建立了电力变压器的LCC分析计算模型，并通过实际算例的分析，得出了在电力变压器选型中引入LCC分析是必要和可行的。

2 全寿命周期成本

2.1 定义

全寿命周期成本是从设备、项目的长期经济效益出发，全面考虑设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修改造、更新，直至报废的全过程中，一共所支出的费用总和。LCC分析方法科学的划分了设备在寿命周期内的一切费用项目，又利用统计资料和方法建立费用估算关系式和费用模型，从而可按不同需要相当准确地估算出设备寿命周期费用，供决策和管理之需。其核心内容是对设备、项目或系统的LCC进行分析，并进行决策。

根据IEC60300－3－3标准，设备全寿命周期成本可分为三部分，表示为［4］:

购买费用是基本明确的，在购买决定前就可以容易的估算出来;拥有费用，在许多项目中通常是LCC中比重最大的一部分，它超过购买费用并且不容易明确;报废处理费用，是整个LCC中重要的部分。大部分项目在其报废阶段通常要根据法律规定对项目进行处理，例如，核电站在此阶段就涉及很大的费用。

在设备的全寿命周期费用中，购置成本所占的比例随时间递增而下降，而运行维护成本所占的比例随时间递增而上升，而且在很多情况下，后者的费用高于前者，因此在考虑设备选型，不能只考虑设备的初始价格，而应该考虑其整个寿命周期的费用。

2.2 分析步骤

根据对LCC相关研究及应用的归纳，针对不同的系统，LCC分析步骤有所不同，但一些基本的分析过程是相似的，可分为六个分析步骤，如图1所示。

图1 LCC分析的六个步骤

一般来说，LCC分析起源于计划的建立，用于确定分析的目标和范围，在具有足够信息，考虑充分因素的前提下建立LCC模型，进而对模型进行结构分解，并计算模型各部分的费用，形成分析报告。需要的注意的是，保持LCC分析的最近性是非常必要的，所以需要根据信息源的变化及时更新分析结果。此外，要实现全寿命周期成本的准确估计，还必须考虑通货膨胀率、利息率、汇率和税率的影响。

3 电力变压器选型

3.1 电力变压器的特点

(1)技术柔性比例高。电力变压器制造过程大部分是手工操作，柔性技术占较大比例。一般来说，电力变压器制造成本大，则安全裕度大、运行成本低;而制造成本小，则安全裕度小、运行成本高。

(2)能耗高。据统计，我国电力变压器的总损耗占系统发电总量的3%～5%，这使得我国电力利用率降低，造成巨大的电力浪费。

(3)噪声高。从环保的角度出发，变电站对外界的影响主要来自电力变压器噪声。随着社会文明的进步，变电站受到环保制约程度越来越大，投入的环保成本也将越来越大。

(4)运行成本高。通常一台电力变压器检修维护费约占原值的2%，而能耗约占原值的18%，噪声治理、技术反措、改造等额外费用约占1% ～2%，总计21%～22%。电力变压器在有效周期寿命期30年内的运行成本高达制造成本的6～7倍［3］。

(5)残值高。电力变压器是材料密集型产品，其价值主要取决于硅钢片、铜材和电力变压器油等消耗主材的价值。因此，电力变压器报废后的残值是非常高的，一般是现值的30% ～40%。

3.2 电力变压器的全寿命周期特性

一般来说，在没有附加先进技术的更新换代产品出现时，电力变压器全寿命周期成本的最低点就是其价值的最高点。这说明提高价值不是单纯的提高产品的功能品质，而是在功能品质允许的情况下，把全寿命周期成本降到最低。

因此分析电力变压器全寿命周期成本时，要充分考虑电力变压器的特点，找到影响电力变压器全寿命周期成本的关键因素，以最高的价值为目标，追求真正意义上的物美价廉。

4 电力变压器的全寿命周期成本模型

根据IEC60300－3－3标准，对电力变压器的LCC模型的主要构成要素进行具体的分析，电力变压器从购置投入运行到报废退役，整个全寿命周期过程的总成本可以分为四大成本之和，即一次投资成本、运行成本、中断供电损失成本以及报废成本，因此电力变压器的LCC模型可定义为:

其中:LCCT为电力变压器的全寿命周期成本;CI为电力变压器的一次投资成本(Investment Costs);CO为电力变压器的运行成本(Operation Costs);CF为电力变压器的中断供电损失成本(Failure Costs);CD为电力变压器的报废成本(Discard Costs)。

4.1 一次投资成本

电力变压器的一次投资成本，是指在变电站建设和调试期间内，在变电站正式投入运行以前，所付出的一次性成本。主要包括电力变压器的购置成本、安装试验成本(包含人员培训成本)，可表示如下:

其中:CI为电力变压器的一次投资成本;Cp为电力变压器的购置成本(Purchase Costs);Cie为电力变压器的安装试验成本(Installation and Experimentation Costs)。

4.2 运行成本

电力变压器的运行成本主要包括损耗成本、维护成本、环保成本、人工费用及其他成本，定义如下:

其中:CO为电力变压器的运行成本;Cel为电力变压器的运行损耗成本(Energy Loss Costs);Cm为电力变压器的运行维护成本(Maintenance Costs);Cep为电力变压器的运行环保成本(Environmental Protection Costs);Cmo为人工费用及其他成本(Man and Other Costs);包括负责和管理运行的人员的工资，所有与电力变压器运行相关的杂费。

4.3 中断供电损失成本

电力变压器的中断供电损失成本是指在故障发生后，中断供电造成的损失，可用下式进行估算［5］:

其中:CF为中断供电损失成本;α·W·T为断电(惩罚)成本;λ·RC·MTTR为修复成本;λ为设备年平均故障数;T为设备年平均故障中断供电时间;W为设备平均故障中断供电功率;RC为设备平均故障修复成本;MTTR为设备平均修复时间;α为相关用户平均中断供电电量的价值，它随用户的性质、用户所在地区的不同而变化。

4.4 报废成本

在产品报废的过程中，既需要消耗一定的人力、物力、财力，又有可能产生一定的收入，所以，应该认真进行核算。电力变压器的报废成本主要包括处理成本和残值。处理成本是指电力变压器退役后的拆除费、运输费、环保费，残值是指电力变压器报废后的可回收费用。因此电力变压器的报废成本可表示为:

其中:CD为报废成本;Ct为处理成本(Treatment Costs);Crv为残值(Residual Value)。

5 电力变压器LCC模型在电力变压器选型中的应用分析

5.1 工程介绍

某220kV变电站建成后，需要新建一台300MVA的电力变压器，现有两种备选方案:

方案A:不对电力变压器做任何处理，普通的常规应用;方案B:增加额外的初始费用投资，用于提高电力变压器的零部件寿命(如密封件、吸湿器、真空胶囊储油柜等)和优化电力变压器的性能参数(如空载损耗、负载损耗、噪声等)，并将此类费用归算至购置成本中。

两种方案的详细参数如表1所示。

表1 两种方案的参数表

在分析时，根据经验和运行习惯做如下假设:

(1)电力变压器寿命周期按30年计算。

(2)电力变压器每年的维护、检修费用按电力变压器购置成本的2%计算。

(3)电力变压器每年的运行环保费按电力变压器购置成本的0.25%计算。

(4)当电力变压器达到使用年限时，残值按电力变压器购置成本的30%计算。

(5)电价按0.59元/kW·h计算。

(6)除一次投资成本的所有费用折算到现值，贴现率按6%计算。

5.2 LCC计算

5.2.1 一次投资成本

电力变压器的一次投资成本Cl主要包括电力变压器的购置成本、安装试验成本(包含人员培训成本)，如表2所示。

表2 两种方案的一次投资成本

5.2.2 运行成本CO

电力变压器的运行成本CO忽略掉人工费用及其他成本，主要包括损耗成本、维护成本、环保成本。

因此电力变压器的运行成本C0如表3所示。

表3 两种方案的运行成本

5.3.3 中断供电损失成本CF

电力变压器的中断供电损失成本CF包括断电损失成本以及修复成本，可将表1的参数数据代入式(5)计算，计算结果如表4所示。

表4 两种方案的中断供电损失成本

5.4.4 报废成本

电力变压器的报废成本主要包括处理成本和残值，如表5所示。

表5 两种方案的报废成本

5.4.5 两种方案的LCC比较

两种方案的LCC比较结果如表6所示。

表6 两种方案的LCC比较结果

通过表6的LCC比较可以看出，除了一次投资成本外，方案B在运行成本、中断供电损失成本、报废成本三方面均优于方案A，而且LCC总费用比方案A少投入360万元左右，故推荐采用方案B。

5.4.6 LCC结果分析

通过对表6的数据对比可以得出:

(1)方案A和方案B的一次投资成本在各自LCC中的比例分别为30.47%和34.42%，所占比例都较小。

(2)方案A和方案B的运行成本在各自LCC中的比例分别为62.94%和59.73%，所占比例都在60%左右。

(3)方案A和方案B的中断供电损失成本在各自LCC中的比例分别为8.5%和7.56%，所占比列都很小。

所以，在电力变压器的LCC组成中，运行成本的改变对LCC的大小影响程度很大，正因为如此，方案B在初始投入时增加的6%左右的额外投资用于改善电力变压器性能，并起到了产生很好的经济效益。例如降低了负载损耗，节约了运行损耗成本;改善了零部件性能，延长了检修周期。虽然从短期效益看，方案B是多花钱了的，但是从长期考虑，可明显降低电力变压器的全寿命周期成本。

6 结论

电力变压器的全寿命周期成本分析不仅可以应用在选型方面，而且在更新改造方面也可以作为经济性分析的重要方法，是今后对不同方案进行经济性评估的发展趋势。

本文介绍了电力变压器的LCC模型，并通过工程计算和结果分析，得出了降低电力变压器LCC费用的可行性方法:

(1)在初始投入时适当的增加投资，改善电力变压器的性能，如选择节能型电力变压器，可较大幅度减小运行损耗成本，从而降低电力变压器的LCC。

(2)状态检修能够实现高效率的设备维护管理，以状态检修代替常规的计划检修，可减小设备的运行维护成本，从而降低电力变压器的LCC。

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