基于盲数理论的智能变电站全寿命周期成本估算

 刘洋，苏浩益

（1长春工程学院电气与信息工程学院，占林长春  130022；

2．国网湘潭供电公司，湖南湘潭  411104）

摘要：为有效解决智能变电站全寿命周期成本分析过程中存在的多种不确定性因素的影响，在分析智能变电站各项成本特性的基础上引入自数理论，建立了基于盲数理论的智能变电站全寿命周期成本理论估算数学模型．充分考虑资金的时间价值，分析了气体绝缘金属封闭式开关设备智能变电站和空气绝缘开关设备智能变电站融合肓数理沦的全寿命周期成本的费用分解结构和计算方法。以某智能变电站为例进行计算分析，结果表明，与传统的确定性分析方法相比，所建模型能够计算出智能变电站全寿命周期成本的可能分布区间及其对应的可信度。

关键词：智能变电站；盲数理论；全寿命周期成本：智能电网；经济性评估

0引言

 智能电网是电力工业的重要发展方向，它将渗透到发电、输电、变电、配电、用电、调度、电力通信、物资等各个领域。智能变电站以一次设备智能化、二次设备网络化、设备检修状态化为主要特点．相比于传统变电站具有独特的优势，也使得其成为智能电网发展的核心环节。

 目前，关于智能变电站设计、建设、运维的研究相对较少．由于智能变电站服役周期较长加之新技术、新材料的发展应用，使得智能变电站的成本分析具有很多不确定性。研究成果大都集中于传统变电站某些特定设备或者是特定阶段，缺乏系统全而的研究。随着智能变电站建设规模的进一步扩大，迫切需要在已有研究成果的基础上探索一种适应变电站智能化进程的管理方法，提高智能变电站的投资效益。本文通过分析智能变电站的各项成本特性，引入肓数理论将各种不确定性信息用数学形式定量进行计算，实现智能变电站的全寿命周期成本优化管理。

1  智能变电站成本特性分析

 智能变电站由设备层、间隔层、站控层3个部分组成．设备层主要包括智能设备、合并单元和智能终端，间隔层主要包括保护装置、控制装置，站控层主要包括自动化、站域控制、对时等子系统。智能变电站工程的初始投资成本由于规划阶段对于智能化改造和建设具有多种方案，使得初始投资成本具有不确定性。智能变电站的运行维护成本与变电站内设备的功能和管理有关，包括运行电量消耗、没备保养、人工费用等，受人员、设备等因素的影响，智能变电站的运行维护成本可能出现较大的波动。智能变电站的故障成本与设备故障率、设备平均故障修复费用、设备平均故障修复时问、平均电价、单位电度所创造的平均GDP值等有关，具有较大的不确定性，为了较好地反映变电站断路器的故障率，本文引入威布尔分布函数，通过蒙特卡洛模拟变电站断路器的故障发生情况．经过多次迭代计算，得到变电站断路器在研究周期内的故障率。智能变电站的设备残值与设备退废时的市场情况、没备状态等有关，具有不确定性。

2智能变电站全寿命周期成本建模

2.1  初始投资成本

智能变电站初始投资成本是指从变电站设备采购到竣工验收整个过程中，工程建设所涉及的所有费用G．为

式中：C。为没备初始购置成本；Caz,为设备安装成本；C，。为变电站建筑物成本；C．。。为变电站占用土地的费用；Cq,，为人工费用等其他所有成本。

2.2运行成本

智能变电站的运行成本主要由设备运行过程中的能耗费用和环保投入费用构成C．、为

式中：C．。。，为变电站所属设备运行过程中因能耗产生的成本；Ch,。为智能变电站运行过程中因环境保护而投入的成本。

2.3维护成本

智能变电站的检修维护成本主要考虑周期性的维护费用Cw为

式中：C．。为对变电站设备进行解体检修产生的费用；C。，。为对设备进行定期的预防性试验而产生的费用；C。。为对变电站设备进行巡视产生的费用。

2.4故障成本

智能变电站的故障成本包括故障检修成本和故障损失成本。故障检修成本包括检修所发生的材料费、人工费等，故障损失成本包括电量损失直接成本和因停电事件而产生的社会经济损失间接成本C．，为

式中：Cm为故障检修成本；C。为故障损失成本；A，为断路器i的故障率：n,为变电站内断路器的数量；c。x为断路器i的平均修复费用；t，…。为断路器i的平均修复时间；f．，为因变电站停电造成的年平均中断供电负荷值；t。。为年平均停电时间；z．为电费平均收益；22为单位电度所创造的平均GDP值。

2.5设备残值

智能变电站的设备残值是指变电站设备退役时产生的处理费用与设备残值之差C。为

式中：C。为设备处理费用；C．。，为设备退役残值。

2.6全寿命周期成本的计算

 智能变电站初始投资成本属于现值，而运行成本、维护成本、故障成本和设备残值不属于现值。考虑到资金具有时间价值，为了保证在投资初期不同变电站建设方案具有可比性，必须对运行成本、维护成本、故障成本和设备残值进行折现转换。运用基准折现率将各类全寿命周期成本折算成初始投资年限的资金现值，然后将各个现值相加即可得到全寿命周期成本的计算式。

从第0年到第k年的初始投资成本现值为

式中：i为折现率；k为变电站建设年限；C．。为变电站第t年的建设投资值。

设从第m年开始产生运行费用，则运行成本的现值为

式中：T为变电站使用寿命；C(v为变电站第t年的运行成本。

设从第s年开始产生维护费用，则维护成本的现值为

式中：Cw,为变电站第t年的维护成本。

设从第r年开始产生故障成本，则故障成本的现值为

式中：C。。为变电站第￡年的故障成本。

第T年末的设备残值的现值为

式中：C．，，为变电站第T年年末的设备残值，，

全寿命周期成本Cu:e的计算式为

3盲数理论及其应用

盲数是处理不确定性信息的重要数学T具，设R为实数集，R为不确定有理数集，H(，)为区间有理灰数集。如果存在e。∈H(，)，A。∈[0，1]，i=l～l，f(x)为定义在H(，)上的灰函数且满足式(14)。

将智能变电站的各类成本用肓数表示为：

4算例分析

 本文以某220 kV智能变电站工程为例，对其进行应用肓数理论的全寿命周期成本分析。通过收集智能变电站工程的相关历史数据，聘请业内专家分别就GIS智能变电站和AIS智能变电站的各项成本进行预测。专家预测的方法为：(1)确定对象．使每个专家对评估智能变电站有整体把握。(2)汇总每个专家对该项曰GIS、AIS 2种方案每项成本的估算结果。(3)确定GIS、AIS 2种方案每项成本的盲数表达式。

 通过专家评估，该智能变电站初始建设成本GIS方案为18 000—20 000万元，AIS方案为12 000～15 000万元。建设期限为1年，GIS变电站服役期限为30年,AIS变电站服役期限为20年，2种方案每年都发生运行维护费用。经过蒙特卡洛模拟法仿真得到智能GIS变电站的故障发生率为0.018次／年，智能AIS变电站的故障发生率为0.065次／年。平均修复费用均为2万元/h, GIS变电站和AIS变电站的平均修复时间分别为7h和15 h。电费平均收益为0.15兀／(kW-h)，单位电度所创造的平均GDP值为8.50兀／(kW -h)，基准折现率为8%,设备残值按初始建设成本的5010计算。

以运行成本为例，说明各项成本盲数表达式的计算方法。3位专家分别就GIS、AIS 2种方案的运行费用进行评估，结果如表1所示。依据专家知识背景、工作经验、社会认可度等得到各位专家的可信度。

3位专家的综合可信度分别为

得到GIS、AIS 2种方案每年的运行成本盲数表达式分别为

同理，可得到GIS、AIS 2种方案每年的初始投资成本、维护成本、故障成本和设备残值的盲数表达式为

将各项成本的盲数表达式代入式(22)，可得到GIS、AIS 2种方案的全寿命周期成本表达式。运用BLCC5.0软件，可得到2个54的盲数，对盲数进行整理合并，得到如表2所示的结果。从表2结果可知．GIS方案的全寿命周期成本均值为35 277万元．AIS方案的全寿命周期成本均值为35 793万元，GIS方案比AIS方案少516万元。GIS方案的初始投资成本均值为19 000万元．AIS方案的初始投资成本均值为13 500万元，纯粹从初始投资成本来考虑GIS方案比AIS方案要多5 500万元，按照传统的投资决策模式只考虑初始投资成本的话．AIS方案比GIS方案具有更大的优势。但是，GIS方案的高可靠性和设备维护简便性等具有更加明显的优势．使得GIS方案的全寿命周期成本相比AIS方案的更小，更具投资优势。

根据肓数运算规则，设各方案的取值可信度服从均匀分布,结合表2数据，可以计算出各方案的全寿命周期成本不大于40 000万元的可信度.计算结果为：GIS方案的全寿命周期成本不大于40 000万元的可信度为0.925, AIS方案的全寿命周期成本不大于40 000万元的可信度为0.617。这说明，如果对智能变电站的全寿命周期成本进行合理管理．将总周期成本控制在40 000万元以下的可能性GIS方案比AIS方案大49.92%。

5结语

 本文针对智能变电站项目全寿命周期成本管理中存在多种不确定性因素的特点．立足于长远利益．以全寿命周期成本最小为原则，建立了基于盲数理论的智能变电站全寿命周期成本估算数学模型．不仅可以计算出智能变电站全寿命周期成本的可能分布区问，还能够得到各取值区间对应的可信度信息，使得评估结果更具可操作性。

 相比于传统的投资决策理论．本文所提模型追求智能变电站在整个寿命周期内总成本最低，而不仅是单独考虑初始投资值．应用肓数理论对工程进行经济性评估，还可深入挖掘智能变电站的投资空间．为电网规划技术人员和管理者提供科学的决策依据。由于当前电力系统对智能变电站的全寿命周期成本管理理念并不深入，造成全寿命周期成本理论的应用受到相关基础数据不准确、不完全的限制。加强智能变电站全寿命周期成本相关基础数据的收集、整理，如何强化全寿命周期成本管理理念的应用是下一阶段的研究重点。