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 劉洋，蘇浩益

（1長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，占林長春  130022；

2．國網(wǎng)湘潭供電公司，湖南湘潭  411104）

摘要：為有效解決智能變電站全壽命周期成本分析過程中存在的多種不確定性因素的影響，在分析智能變電站各項(xiàng)成本特性的基礎(chǔ)上引入自數(shù)理論，建立了基于盲數(shù)理論的智能變電站全壽命周期成本理論估算數(shù)學(xué)模型．充分考慮資金的時(shí)間價(jià)值，分析了氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備智能變電站和空氣絕緣開關(guān)設(shè)備智能變電站融合肓數(shù)理淪的全壽命周期成本的費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法。以某智能變電站為例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的確定性分析方法相比，所建模型能夠計(jì)算出智能變電站全壽命周期成本的可能分布區(qū)間及其對應(yīng)的可信度。

關(guān)鍵詞：智能變電站；盲數(shù)理論；全壽命周期成本：智能電網(wǎng)；經(jīng)濟(jì)性評估

0引言

 智能電網(wǎng)是電力工業(yè)的重要發(fā)展方向，它將滲透到發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度、電力通信、物資等各個(gè)領(lǐng)域。智能變電站以一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)備檢修狀態(tài)化為主要特點(diǎn)．相比于傳統(tǒng)變電站具有獨(dú)特的優(yōu)勢，也使得其成為智能電網(wǎng)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。

 目前，關(guān)于智能變電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維的研究相對較少．由于智能變電站服役周期較長加之新技術(shù)、新材料的發(fā)展應(yīng)用，使得智能變電站的成本分析具有很多不確定性。研究成果大都集中于傳統(tǒng)變電站某些特定設(shè)備或者是特定階段，缺乏系統(tǒng)全而的研究。隨著智能變電站建設(shè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，迫切需要在已有研究成果的基礎(chǔ)上探索一種適應(yīng)變電站智能化進(jìn)程的管理方法，提高智能變電站的投資效益。本文通過分析智能變電站的各項(xiàng)成本特性，引入肓數(shù)理論將各種不確定性信息用數(shù)學(xué)形式定量進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)智能變電站的全壽命周期成本優(yōu)化管理。

1  智能變電站成本特性分析

 智能變電站由設(shè)備層、間隔層、站控層3個(gè)部分組成．設(shè)備層主要包括智能設(shè)備、合并單元和智能終端，間隔層主要包括保護(hù)裝置、控制裝置，站控層主要包括自動(dòng)化、站域控制、對時(shí)等子系統(tǒng)。智能變電站工程的初始投資成本由于規(guī)劃階段對于智能化改造和建設(shè)具有多種方案，使得初始投資成本具有不確定性。智能變電站的運(yùn)行維護(hù)成本與變電站內(nèi)設(shè)備的功能和管理有關(guān)，包括運(yùn)行電量消耗、沒備保養(yǎng)、人工費(fèi)用等，受人員、設(shè)備等因素的影響，智能變電站的運(yùn)行維護(hù)成本可能出現(xiàn)較大的波動(dòng)。智能變電站的故障成本與設(shè)備故障率、設(shè)備平均故障修復(fù)費(fèi)用、設(shè)備平均故障修復(fù)時(shí)問、平均電價(jià)、單位電度所創(chuàng)造的平均GDP值等有關(guān)，具有較大的不確定性，為了較好地反映變電站斷路器的故障率，本文引入威布爾分布函數(shù)，通過蒙特卡洛模擬變電站斷路器的故障發(fā)生情況．經(jīng)過多次迭代計(jì)算，得到變電站斷路器在研究周期內(nèi)的故障率。智能變電站的設(shè)備殘值與設(shè)備退廢時(shí)的市場情況、沒備狀態(tài)等有關(guān)，具有不確定性。

2智能變電站全壽命周期成本建模

2.1  初始投資成本

智能變電站初始投資成本是指從變電站設(shè)備采購到竣工驗(yàn)收整個(gè)過程中，工程建設(shè)所涉及的所有費(fèi)用G．為

式中：C。為沒備初始購置成本；Caz,為設(shè)備安裝成本；C，。為變電站建筑物成本；C．。。為變電站占用土地的費(fèi)用；Cq,，為人工費(fèi)用等其他所有成本。

2.2運(yùn)行成本

智能變電站的運(yùn)行成本主要由設(shè)備運(yùn)行過程中的能耗費(fèi)用和環(huán)保投入費(fèi)用構(gòu)成C．、為

式中：C．。。，為變電站所屬設(shè)備運(yùn)行過程中因能耗產(chǎn)生的成本；Ch,。為智能變電站運(yùn)行過程中因環(huán)境保護(hù)而投入的成本。

2.3維護(hù)成本

智能變電站的檢修維護(hù)成本主要考慮周期性的維護(hù)費(fèi)用Cw為

式中：C．。為對變電站設(shè)備進(jìn)行解體檢修產(chǎn)生的費(fèi)用；C。，。為對設(shè)備進(jìn)行定期的預(yù)防性試驗(yàn)而產(chǎn)生的費(fèi)用；C。。為對變電站設(shè)備進(jìn)行巡視產(chǎn)生的費(fèi)用。

2.4故障成本

智能變電站的故障成本包括故障檢修成本和故障損失成本。故障檢修成本包括檢修所發(fā)生的材料費(fèi)、人工費(fèi)等，故障損失成本包括電量損失直接成本和因停電事件而產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失間接成本C．，為

式中：Cm為故障檢修成本；C。為故障損失成本；A，為斷路器i的故障率：n,為變電站內(nèi)斷路器的數(shù)量；c。x為斷路器i的平均修復(fù)費(fèi)用；t，…。為斷路器i的平均修復(fù)時(shí)間；f．，為因變電站停電造成的年平均中斷供電負(fù)荷值；t。。為年平均停電時(shí)間；z．為電費(fèi)平均收益；22為單位電度所創(chuàng)造的平均GDP值。

2.5設(shè)備殘值

智能變電站的設(shè)備殘值是指變電站設(shè)備退役時(shí)產(chǎn)生的處理費(fèi)用與設(shè)備殘值之差C。為

式中：C。為設(shè)備處理費(fèi)用；C．。，為設(shè)備退役殘值。

2.6全壽命周期成本的計(jì)算

 智能變電站初始投資成本屬于現(xiàn)值，而運(yùn)行成本、維護(hù)成本、故障成本和設(shè)備殘值不屬于現(xiàn)值�？紤]到資金具有時(shí)間價(jià)值，為了保證在投資初期不同變電站建設(shè)方案具有可比性，必須對運(yùn)行成本、維護(hù)成本、故障成本和設(shè)備殘值進(jìn)行折現(xiàn)轉(zhuǎn)換。運(yùn)用基準(zhǔn)折現(xiàn)率將各類全壽命周期成本折算成初始投資年限的資金現(xiàn)值，然后將各個(gè)現(xiàn)值相加即可得到全壽命周期成本的計(jì)算式。

從第0年到第k年的初始投資成本現(xiàn)值為

式中：i為折現(xiàn)率；k為變電站建設(shè)年限；C．。為變電站第t年的建設(shè)投資值。

設(shè)從第m年開始產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)用，則運(yùn)行成本的現(xiàn)值為

式中：T為變電站使用壽命；C(v為變電站第t年的運(yùn)行成本。

設(shè)從第s年開始產(chǎn)生維護(hù)費(fèi)用，則維護(hù)成本的現(xiàn)值為

式中：Cw,為變電站第t年的維護(hù)成本。

設(shè)從第r年開始產(chǎn)生故障成本，則故障成本的現(xiàn)值為

式中：C。。為變電站第￡年的故障成本。

第T年末的設(shè)備殘值的現(xiàn)值為

式中：C．，，為變電站第T年年末的設(shè)備殘值，，

全壽命周期成本Cu:e的計(jì)算式為

3盲數(shù)理論及其應(yīng)用

盲數(shù)是處理不確定性信息的重要數(shù)學(xué)T具，設(shè)R為實(shí)數(shù)集，R為不確定有理數(shù)集，H(，)為區(qū)間有理灰數(shù)集。如果存在e。∈H(，)，A。∈[0，1]，i=l～l，f(x)為定義在H(，)上的灰函數(shù)且滿足式(14)。

將智能變電站的各類成本用肓數(shù)表示為：

4算例分析

 本文以某220 kV智能變電站工程為例，對其進(jìn)行應(yīng)用肓數(shù)理論的全壽命周期成本分析。通過收集智能變電站工程的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，聘請業(yè)內(nèi)專家分別就GIS智能變電站和AIS智能變電站的各項(xiàng)成本進(jìn)行預(yù)測。專家預(yù)測的方法為：(1)確定對象．使每個(gè)專家對評估智能變電站有整體把握。(2)匯總每個(gè)專家對該項(xiàng)曰GIS、AIS 2種方案每項(xiàng)成本的估算結(jié)果。(3)確定GIS、AIS 2種方案每項(xiàng)成本的盲數(shù)表達(dá)式。

 通過專家評估，該智能變電站初始建設(shè)成本GIS方案為18 000—20 000萬元，AIS方案為12 000～15 000萬元。建設(shè)期限為1年，GIS變電站服役期限為30年,AIS變電站服役期限為20年，2種方案每年都發(fā)生運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。經(jīng)過蒙特卡洛模擬法仿真得到智能GIS變電站的故障發(fā)生率為0.018次／年，智能AIS變電站的故障發(fā)生率為0.065次／年。平均修復(fù)費(fèi)用均為2萬元/h, GIS變電站和AIS變電站的平均修復(fù)時(shí)間分別為7h和15 h。電費(fèi)平均收益為0.15兀／(kW-h)，單位電度所創(chuàng)造的平均GDP值為8.50兀／(kW -h)，基準(zhǔn)折現(xiàn)率為8%,設(shè)備殘值按初始建設(shè)成本的5010計(jì)算。

以運(yùn)行成本為例，說明各項(xiàng)成本盲數(shù)表達(dá)式的計(jì)算方法。3位專家分別就GIS、AIS 2種方案的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行評估，結(jié)果如表1所示。依據(jù)專家知識背景、工作經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)認(rèn)可度等得到各位專家的可信度。

3位專家的綜合可信度分別為

得到GIS、AIS 2種方案每年的運(yùn)行成本盲數(shù)表達(dá)式分別為

同理，可得到GIS、AIS 2種方案每年的初始投資成本、維護(hù)成本、故障成本和設(shè)備殘值的盲數(shù)表達(dá)式為

將各項(xiàng)成本的盲數(shù)表達(dá)式代入式(22)，可得到GIS、AIS 2種方案的全壽命周期成本表達(dá)式。運(yùn)用BLCC5.0軟件，可得到2個(gè)54的盲數(shù)，對盲數(shù)進(jìn)行整理合并，得到如表2所示的結(jié)果。從表2結(jié)果可知．GIS方案的全壽命周期成本均值為35 277萬元．AIS方案的全壽命周期成本均值為35 793萬元，GIS方案比AIS方案少516萬元。GIS方案的初始投資成本均值為19 000萬元．AIS方案的初始投資成本均值為13 500萬元，純粹從初始投資成本來考慮GIS方案比AIS方案要多5 500萬元，按照傳統(tǒng)的投資決策模式只考慮初始投資成本的話．AIS方案比GIS方案具有更大的優(yōu)勢。但是，GIS方案的高可靠性和設(shè)備維護(hù)簡便性等具有更加明顯的優(yōu)勢．使得GIS方案的全壽命周期成本相比AIS方案的更小，更具投資優(yōu)勢。

根據(jù)肓數(shù)運(yùn)算規(guī)則，設(shè)各方案的取值可信度服從均勻分布,結(jié)合表2數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各方案的全壽命周期成本不大于40 000萬元的可信度.計(jì)算結(jié)果為：GIS方案的全壽命周期成本不大于40 000萬元的可信度為0.925, AIS方案的全壽命周期成本不大于40 000萬元的可信度為0.617。這說明，如果對智能變電站的全壽命周期成本進(jìn)行合理管理．將總周期成本控制在40 000萬元以下的可能性GIS方案比AIS方案大49.92%。

5結(jié)語

 本文針對智能變電站項(xiàng)目全壽命周期成本管理中存在多種不確定性因素的特點(diǎn)．立足于長遠(yuǎn)利益．以全壽命周期成本最小為原則，建立了基于盲數(shù)理論的智能變電站全壽命周期成本估算數(shù)學(xué)模型．不僅可以計(jì)算出智能變電站全壽命周期成本的可能分布區(qū)問，還能夠得到各取值區(qū)間對應(yīng)的可信度信息，使得評估結(jié)果更具可操作性。

 相比于傳統(tǒng)的投資決策理論．本文所提模型追求智能變電站在整個(gè)壽命周期內(nèi)總成本最低，而不僅是單獨(dú)考慮初始投資值．應(yīng)用肓數(shù)理論對工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估，還可深入挖掘智能變電站的投資空間．為電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)人員和管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)。由于當(dāng)前電力系統(tǒng)對智能變電站的全壽命周期成本管理理念并不深入，造成全壽命周期成本理論的應(yīng)用受到相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不完全的限制。加強(qiáng)智能變電站全壽命周期成本相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、整理，如何強(qiáng)化全壽命周期成本管理理念的應(yīng)用是下一階段的研究重點(diǎn)。