基于全寿命周期的变电设备选型决策方法及系统开发

陈斐，杨海波，王永庆

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054）

基于全寿命周期的变电设备选型决策方法及系统开发

陈斐1，杨海波1，王永庆2

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710054）

应用全寿命周期管理将成为未来电力系统管理工作的发展趋势。将电网设备成本管理与全寿命周期管理相结合，针对当前电网变电设备投资决策中欠缺对项目综合效益的考虑，设计规划阶段未充分考虑项目总成本优化等问题，建立了更加完善的电网设备全寿命周期成本分析模型，引入成本损耗总效应的概念，实现全寿命周期管理在电网设备决策选型的典型应用，并基于“一台三库”模式的综合集成平台，进行了电网设备全寿命周期决策系统的开发，使系统具有可移植、可扩展、模块化等多项优势，最后以甘肃某电网工程设备选型为例实现应用，结果表明，提出的理论、方法及工具技术先进且实际可用，为电网设备全寿命周期管理工作的开展提供了有力的支持。

电网设备；全寿命周期；组件开发；集成平台

电能是当今社会不可缺少的能源，随着全球能源互联网的战略实施，电网投资建设规模的迅速扩大，变电设备投资决策问题已成为电力行业中极为关注的焦点。国家电网2020年远景目标规划指出：截止2014年公司在建66 kV及以上输电线路长54.7万km，变电容量19.5亿kV·A，变电站12 398座，变压器23 166台，公司预计投资1.2万亿元，年平均投资计划超过2 400亿元，与公司“十五”期间年均电网建设投资1 265亿元相比，投资增幅达到90%以上[1]。

变电设备是电力企业最为重要的资产，其运行可靠性不仅是电能安全供应的重要保障，又是企业效益的直观体现。长期以来，电网变电设备管理强调阶段性和顺序性，重点关注阶段性目标，实际工作中存在着诸多问题，如：设备设计选型与运行维护环节背离、运行安全控制目标与成本管控相脱节、对系统整体效益的考虑欠缺、设计规划阶段未充分考虑设备寿命周期内总成本目标优化、缺乏针对典型设备的全寿命周期成本（life cost cycle，LCC）[2-3]分析模型。

针对以上问题，本文将电网变电设备作为研究对象，建立基于LCC理论的变电设备决策模型，期望在保证电网安全可靠的基础上，减少投资成本，节约能耗。同时，应用具有多项优势的“一台三库”系统开发模式[4-5]，进行系统开发。

1 全寿命周期成本管理

全寿命周期管理是指“从系统或项目的长期经济效益出发，通过采取多种技术经济组织措施，对系统的设计规划、购置选型、调试安装、运行维护、技改更新及退役处置的全过程进行管理，在确保系统安全可靠运行的前提下，对系统寿命周期内发生的所有费用进行控制，使系统成本支持最小的一种新型管理策略”。LCC的核心思想是在设备寿命期限内制定和执行具有最优价值资产运维决策。

全寿命周期成本理论具有全费用、全过程、全系统的特点。全系统是指打破传统分阶段管理界限，将不同阶段产生的费用综合考虑，以系统最优效益来确定实施方案。全费用是指考虑未来发生的所有费用，寻求最优的效率成本平衡点，确定成本最低的方案。全过程是指从规划设计涵盖系统的全过程，一方面减少零散成本投入，另一方面从制度上保证LCC实施。全寿命周期集成管理是系统管理领域高级管理理论的体现。其实施过程是在系统寿命周期内，针对各阶段的最优目标制定不同的管理模式，使企业资产管理实现技术与信息、技术与功能、信息与功能的有效集成，最终完成系统全阶段的综合管理。

LCC研究始于国外，随后得到广泛运用。全世界各行业都逐步引入了全寿命周期管理的理念和方法，随后将研究业务拓展到系统各阶段、各方面和各环节的管理中。2004年国际大电网会议上代表提出运用LCC实现设备管理，激励制造商提供电气设备的LCC报告。随后，我国电力企业开始借鉴国外先进的经验，根据自身情况和技术发展趋势探索具有我国企业特色的LCC管理方式[6]。2008年国家电网公司在上海市泰和变电站220 kV GIS设备决策实例中应用了LCC理论，实现了LCC在我国电力行业的试点研究，项目的成功实施推进了LCC思想在电力行业的应用。

2 电网设备LCC模型

由于变压器设备和输电设备在电网设备成本中占重较大，故本文以变压器设备和输电导线为例进行LCC分析。根据IEC60300-3-3标准[7]，按照电网变电设备运行规律对其进行阶段划分，以设备基本运行状态和各阶段关键节点为LCC实施的重点环节，构建出电网变电设备LCC模型。其构成如图1所示，定义方程式如式（1）：

图1 电网设备LCC结构分解模型Fig.1 Model of composition of life cycle costs of electric power equipment

式中：CI为规划设计成本（investment costs）；CO为运行检修成本（operation costs）；CM为日常维护成本（maintenancecosts）；CF为故障处理成本（failurecosts）；CD为退役处置成本（disposal costs）。

式中：国家行业政策包括国家明令淘汰的高能耗设备，如S7系列变压器，同时对于用新的节能设备替代高耗能设备的，按淘汰设备给予资金补给等；供电需求包括可靠性要求、电源电磁兼容要求、特殊供电要求（不间断供电要求）等。设备运行状况指合理的维修策略等。

2.1 电网设备LCC模型划分计算

2.1.1 电网设备规划设计成本CI

电网设备的规划设计成本定义如式（3）：

式中：CIm为设备制造成本（making）；CIi为安装调试成本（installation）。其中制造成本可以分解为：设备生产的成本、特殊材料使用成本、备品备件成本、现场服务响应成本、运输成本及状态监测配套设备成本等。安装调试成本可以分解为设备本体建设安装成本、业主方运输的成本、设备调整实验成本及特殊试验成本。

输电导线的初始投资成本主要包括设备购置费（如杆塔、基础、拉线、导线、防雷及接地装置、绝缘子及金具的设备的购入成本）和安装调试费（如材料及运输费、机械作业费、人工费等）。

变压器的初始投资成本主要包括设备购置费（如设备本身费用、运输费、现场服务费及备品备件费用等）、土地购置费（如土地改造和购买费用）、安装调试费（如系统运输费、人工费、材料费及机械费等）。考虑到当前变压器“国家节能补贴”政策，在初始投资成本中假如国家节能补贴成本，取负值。

2.1.2 电网设备运行检修成本CO

电网设备的运行成本定义如式（4）：

式中：COi为设备本体运行成本（itself）；COa为辅助设备运行成本（auxiliary）。设备本体运行成本即设备运行时的损耗成本，辅助设备运行成本主要为设备日常巡视人员工资、巡视所需的设备费和材料费等。

输电导线本体损耗成本主要包括电阻损耗成本和金具的磁滞损耗及涡流损耗成本；辅助设备运行成本主要为巡视人员的固定工资、巡视所需的设备费和材料费等。其设备本体损耗费用计算如式（5）：

式中：COi为输电线路设备本体年损耗费；n′为导线回路数；P为导线传输功率；ε为输电电价；U为系统电压；cos φ为功率因数；n为导线分裂数；Pk为电晕损耗；R为单位导线直流电阻；T为年运行时间。

变压器设备本体损耗成本为设备自身铜耗（电阻损耗、环流损耗、结构件杂散损耗）和铁损（磁滞损耗、涡流损耗、附加铁损）之和。辅助运行成本主要包括巡视人员的固定工资、巡视所需的设备费和材料费等。本文将变压器损耗视为一个随机负荷不断变化的动态量，用分段求和的思想进行计算。其计算公式为

式中：p0为变压器空载损耗；T为年平均运行时间；KT为变压器负载损耗系数；βi为负载率，即一段时间内平均负载和最大负载的比值；n为负荷波动分段数。

2.1.3 电网设备日常维护成本CM

电网设备的维护成本定义为

式中：CMr为设备常规维护成本（routine）；CMd为设备解体检修成本（disintegration）。常规维护成本包括设备在运行中需要定期的巡视检查、停电清扫检查、以及季节性的运行检查（包括反污、防雷、防讯、防风、迎峰、去树、防鸟害等），因此就会产生相应的人工成本，以及机械台班和材料成本。对于需要解体检修的设备要考虑解体检修成本，不需要的则不用考虑解体检修成本。

2.1.4 电网设备故障处理成本

电网设备的故障维护成本定义为

式中：CFr为故障维修成本（repair）；CF1为故障损失成本（loss）。故障维修成本可以分解为：故障现场处理成本以及设备返厂修理成本。故障损失成本可以分解为用户间接能耗期望以及设备故障后运行附加损耗期望。

用户间接能耗期望指故障发生所给用户带来的间接能耗与发生此故障的概率的乘积，可表示为

式中：au为发生此故障的概率；CF1为该故障所带来的用户间接能耗。

设备故障后运行附加损耗期望指设备发生了故障，在以后的生命周期中都会产生额外的损耗期望。设备故障后运行附加损耗期望可表示为

式中：ΔPL为设备故障之后运行的额外功率损耗；ae为发生此故障的概率；tr为设备剩余生命周期中的运行时间。

2.1.5 电网设备的退役处置成本CD

电网设备的退役处置成本定义为

式中：CDs为设备退役处置残值（scrap）；CDt为设备处理费用（terminal）。设备退役处置残值为回收资金，取负值。设备处理费用表示设备生命周期即将结束时的拆除和运输所造成的成本。

2.2 基于经济学系数修正的LCC模型

在系统经济评价中不仅要考虑现金流入和流出数额，还需要考虑现金流入流出发生的时间，不同时间尺度的资产价值是不等的。由于电网变电设备的使用年限一般较长，通货膨胀对LCC具有较大的影响。本文应用现值成本法，通过折现率和通货膨胀率共同对LCC模型进行修正。修正公式为

式中：Cp为成本现值；Ct为成本年值；n为经济折算年限；r为折现率；R为通货膨胀率。

在LCC模型中，鉴于CO、CM、CF为每年都产生的经常性成本，CI、CD为固定年限才会产生的非经营性成本，其修正系数必然不同。引入系数Ksum、K后LCC模型修正如式（13）～式（15）：

式中：Ksum为将n年的CO、CM、CF折算为现值的修正系数；K为将CD折算为现值的修正系数；n为实际退役年限；r为折现率；R为通货膨胀率。

2.3 基于费损总效应的LCC变电设备选型

本文基于节能因素，综合考虑LCC成本与设备电能损耗EEL（Electric Energy Loss）两者对电网工程总体效益的影响，提出费损总效应CL（Cost and Loss）的概念。其表达式如式为

式中：CLi为方案i的成本损耗总效应；LCCi、ΣLCCi分别为方案i的LCC值和各方案LCC之和。EELi、ΣEELi分别为方案i的EEL值和各方案的EEL之和；k1为LCC权重系数；k2为EEL权重系数，权重系数之和为1。

进行方案比选时，通过LCC模型分析计算，在已知两方案的的成本值和损耗值，可以把权重系数作为变量，考虑不同权重系数下的成本损耗总效应CL，综合分析方案的优劣用图形表示，见图2。

图2 费损总效应与权重系数的关系图Fig.2 Relationship between total cost loss effect and weight coefficient

由上述损总效应CL的定义可知，当成本因素和节能因素重要程度相同时，取k1=k2=0.5；当项目重点考虑节能因素时，可取k2＞k1；当项目重点考虑成本因素时，可取k1＞k2。具体项目权重系数的取值可根据实际情况（如国家节能政策、企业资金调拨情况等）来确定。

3 基于LCC模型的变电设备选型系统开发

针对传统电网设备选型系统存在的利用性差、维护困难等缺陷，本文提出基于“一台三库”开发模式的电网变电设备选型系统，即集成平台+设备类型组件库+设备选型知识图库+设备全寿命周期主题库。

3.1 知识可视化综合集成平台

知识可视化综合集成平台[8-9]是系统业务模块的桥梁，是系统应用与数据库之间的纽带，搭建平台的目的是为了满足变电设备选型业务的多阶段需求，能够使设备选型系统具有灵活性、适应性。因此，可视化综合集成平台在设计时应满足如下要求：1）资源融合；2）提供快速简洁的业务开发环境；3）信息数据松耦合；4）满足不同级别的业务配置；5）服务多元化；6）快速搭建及扩展。

根据平台的总体架构，平台由基础数据支撑、交互信息处理、业务需求应用三大模块；服务控制、人机交互、业务逻辑及外部应用四层业务；服务访问接口、人机交互接口、业务逻辑接口、外部应用接口、基础支撑接口五大接口构成。综合集成平台技术构架如图3所示。

图3 知识可视化综合集成平台技术构架Fig.3 Overall architecture of the intelligent visualization comprehensive integrated platform

基于如上的平台技术架构，采用可视化技术、数据库技术及组件技术，构建知识可视化综合集成系统模型，如图4所示。

图4 知识可视化综合集成主界面Fig.4 Main interface of the intelligent visualization comprehensive integrated platform

3.2 基于平台的电网设备LCC决策系统开发流程

基于综合集成平台进行电网设备LCC决策系统开发的基本思路是，以平台为支撑采用模块搭建的方式进行业务系统开发。基于平台的电网设备LCC决策系统开发流程（见图5）分为如下几个步骤：

图5 基于综合集成平台的电网设备LCC决策系统开发Fig.5 The grid equipment LCC decision-making system development based on comprehensive integrated platform

1）业务划分。主要目的是希望实现系统业务功能的基础上，使系统基友较强的移植行和扩展行；另外，业务划分使得系统的各环节都透明可见，方便未来系统维护。

2）组件封装。主要目的是实现业务应用模块的程序化。组件封装即将划分好的业务模块，采用可视化技术、组件技术和SOA技术，封装成应用组件，选型决策系统是在平台上通过组件搭建的方式实现。

3）组件服务发布。要使做好的组件能够使用，需要将前面开发好的软件包部署到业务服务器上，并在JUDDI上注册、发布，形成组件库。

4）系统搭建，在平台之上，绘制设备选型决策业务知识图，定制业务组件库，添加至知识图，从而搭建成电网设备LCC选型决策系统。

4 应用实例

以兰州某220 kV电网工程设备选型为例，采用本文提出的电网设备LCC选型模型以及可视化综合集成平台的开发模式开发电网设备LCC选型决策系统。电网设备LCC选型决策系统如图6所示。

知识图应用界面上各方框分别代表一个业务组件，通过点击组件，即可进行计算分析，操作非常方便。该系统分为输电导线和变压器2大模块，每个模块分别由输入层和输出层构成。输入层为待选方案设计参数输入，分别为投资参数、运行参数、维护参数、故障参数和退役参数；输出层将计算结果分阶段分方案展示，并提供单方案各阶段结果展示、多方案结果对比及图形展示等。系统部分图形展示见图7。

图6 电网设备LCC选型决策系统主界面Fig.6 Main interface of the grid equipment LCC selection decision-making system

图7 系统运行结果Fig.7 Operation results of the grid equipment LCC selection decision-making system

很显然，由图7系统运行结果可知，对于该220 kV电网工程，输电导线应选择方案二的输电导线，变压器应选择方案一即3台240 MV·A三相变压器。

5 结语

本文从我国电网工程设备管理的实际现状出发，将电网设备成本管理与全寿命周期管理相结合，针对当前变电设备投资决策中欠缺对系统综合效益的考虑，投资规划阶段未充分考虑项目寿命周期总投资优化问题，建立了更加全面的电网设备全寿命周期成本分析模型；针对设备投资规划与后期运行脱钩的问题，引入了成本损耗总效应的概念，实现了全寿命周期管理在电网设备决策选型的典型应用；针对电网设备选型决策工具落后，提出电网设备LCC决策系统开发的“一台三库”模式，使设备决策系统具有灵活方便、雨雾面广等优势，为电网变电设备选型选型决策业务提供了很好的平台。

以兰州某220 kV电网工程输电导线和变压器选型决策为例，采用本文所述的电网设备LCC决策选型系统进行设备选型，将基本理论与实际应用结合。结果表明，本文提出的电网设备LCC模型和系统开发模式能够使设备选型决策工作更贴近实际，对LCC阶段划分更加全面，对设备决策的结果更真实可靠，评估系统更加灵活，为电网设备的选型工作提供了有效支撑。

[1]常宁.国家电网公司“十一五”通信规划发展综述[J].电力系统通信，2006，27（168）：4-6.CHANG Ning.A summarization on the 11th Five-Year telecommunication plan of state grid corporation of China[J].Telecommunications for Electric Power System，2006，27（168）:4-6（in Chinese）.

[2]钟庆，吴捷，黄武忠，等.动态规划在电力建设项目投资决策中的应用[J].电网技术，2002，26（8）：48-51.ZHONG Qing，WU Jie，HUANG Wuzhong，et al.Application of dynamtic programming for investment decision in electric power construction[J].Power System Technology，2002，26（8）:48-51（in Chinese）.

[3]罗晓初，李乐，魏志连，等.全寿命周期成本理论在配电变压器改造投资决策中的应用[J].电网技术，2011，35（2）：207-211.LUO Xiaochu，LI Le，WEI Zhilian，et al.Applications of life cycle cost theory in decision-making of investment for distribution transformers renovation[J].Power System Technology，2011，35（2）:207-211（in Chinese）.

[4]张刚，刘福潮，解建仓，等.高能耗企业能效评价系统开发及应用[J].电力信息与通信技术，2014，12（2）：69-73.ZHANG Gang，LIU Fuchao，XIE Jiancang，et al.Energy efficiency evaluation system development and its application to heavy energy consumption enterprises[J].Electric Power Information and Communication Technology，2014，12（2）:69-73（in Chinese）.

[5]杨列銮，张刚，王维洲，等.水电厂能效评估研究及系统开发[J].电力信息与通信技术，2014，12（10）：95-99.YANG Lieluan，ZHANG Gang，WANG Weizhou，et al.Research on energy efficiency evaluation and system development for hydropower plants[J].Electric Power Information and Communication Technology，2014，12（10）:95-99（in Chinese）.

[6]宋宛净，姚建刚，汪觉恒，等.全寿命周期成本理论在主变压器选择中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（6）：111-116.SONG Wanjing，YAO Jiangang，WANG Jueheng，et al.Application of life cycle cost theory in main transformer selection[J].Proceeding of the CSU-EPSA，2012，24（6）: 111-116（in Chinese）.

[7]International Electrotechnical Commission.Life Cycle Costing：International Standard 60300-3-3[S].2004.

[8]解佗，张刚，武昕，等.面向水电厂能效评估主题的研究及应用[J].水利信息化，2015（6）：42-47.XIE Tuo，ZHANG Gang，WU Xin，et al.Research and application ofenergy efficiency evaluationsystem for hydropower plants[J].Water Resources Informatization，2015（6）:42-47（in Chinese）.

[9]解建仓，罗军刚.水利信息化综合集成服务平台及应用模式[J].水利信息化，2010（5）：18-21.XIE Jiancang，LUO Jungang.Water conservancy information integrated service platform and its application patterns[J].Water Resources Informatization，2010（5）：18-21（in Chinese）.

Decision-Making Method and System Development of Substation Equipment Selection Based on Life Cycle

CHEN Fei1，YANG Haibo1，WANG Yongqing2
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.State Grid Shaanxi Electric Power Company Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China）

Application of life cycle management is a major trend in the power system management in the future.Based on the combination of cost management of the grid equipment and life cycle management，in view of lack of consideration of comprehensive benefits of the project which often occurs in the decision-making for power grid equipment investment currently，and in view of failure to give a full consideration to the total cost optimization in the planning and design stage，this paper builds a more complete cost analysis model based on total life cycle management for the power grid equipment and introduces the concept of the total cost and loss effect and helps to realize application of life cycle management in the decisionmaking of the grid equipment selection.In addition，based on the integrated platform of“One Platform，Three Libraries”，the decision-making system for the grid equipment selection based on life cycle management is developed to make the system portable，scalable and modular.Finally，with the equipment selection of a certain power grid project in Gansu province as an example，the proposed theory，method and tools are applied and tested，and the result suggests that they are both technical advanced and feasible，able to provide strong support for the further application of life cycle management in the grid equipment management.

power grid equipment；life cycle；component development；integration platform

2016-04-12。

陈 斐（1983—），女，硕士，研究方向为智能电网规划、电力市场。

（编辑 李沈）

国家自然科学基金（51507141）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51507141）.

1674-3814（2016）12-0093-07

TM715

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