变电站智能化的成本效益分析

时间：2024-07-28

粘来娥翟绘景耿庆申

山东电力工程咨询院有限公司山东济南 250013

0 引言

随着国民经济的快速发展，电力系统输电容量不断扩大，电网结构更为庞大、复杂，建设坚强智能电网是新形势下提高电网发展整体效率，加快电网技术和装备升级，保证电网安全可靠运行的需要。智能变电站作为智能电网的六大环节之一，为智能电网提供坚强可靠的节点支撑，其工程建设成败关乎整个电网的安全可靠运行。当前对智能变电站的相关技术和标准研究较多，这些研究为智能变电站建设及运行水平的提高奠定了技术基础，但对智能变电站建设的成本效益分析尚研究较少，本文依据变电站自身的特点，以全寿命周期理念为导向，在考虑资金时间价值的基础上引入蒙特卡洛模拟，对变电站智能化的成本和效益进行测算，以期为变电站经济性的不断提高提供理论支撑。

1 智能化对变电站LCC的影响

电网工程全寿命周期成本（LCC）管理是在电力系统可靠性的基础上使工程LCC最优的管理，它是从工程的长期经济效益出发，全面考虑项目规划、设计、施工、运行、维修、改造、直至报废的全过程，使LCC最小的一种管理理念和方法。降低变电站LCC是建设“一强三优”电网的重要内容，早在2007年，国家电网公司基建部就以“两型一化”变电站和“两型三新”线路为契机，开展了提高变电站工程全寿命周期内效率和效益的研究[1]。全寿命周期成本理念使变电站智能化成本和收益的量化计算更具科学性和合理性，本文对变电站智能化的成本效益分析，就是基于全寿命周期成本理念。

1.1 变电站全寿命周期成本构成

以往国内电网企业只重视资产的表现而忽略资产价值、重视投入成本轻视产出效益的传统理念和做法已不能适应新形势下建设智能变电站的要求[2]。本文将变电站全寿命周期成本分为一次投资成本（Investment Cost，IC）、运行维护成本（Operation and Maintenance Cost， OC）、惩罚成本（Failure Cost，FC）和设备残值（Discard Cost，DC）4部分[3-5]。由于变电站服役期限一般长达数十年，其LCC计算必须考虑资金的时间价值，同时也要考虑通货膨胀引发的价格上涨[6-7]。

一次投资成本IC指变电站的建造成本，也包括运行期间更换设备投入的成本，主要包括建筑工程费、设备购置费、安装工程费、其他费用。

运行维护成本OC是为保证变电站正常运转所发生的费用，包括能源消耗成本、维护保养成本、人工成本等内容。

惩罚成本FC主要是由于电网电力供给不足或中断所造成的用户缺电损失，它是电网供电可靠性水平高低的直接经济体现，其大小与停运概率、停运持续时间、平均停用功率和停运后维修成本有关。变电站特别强调因发生故障而不能正常使用所造成的损失要计入LCC。

设备残值DC是变电站运行期末的残余价值，实际计算中，残值多以一次投资成本的百分比表示。

1.2 智能变电站与常规变电站技术差异对LCC的影响

智能变电站较常规变电站具有明显的技术优势，为满足智能变电站的技术特性，将不可避免地对LCC产生影响。常规变电站尚存在多套系统、信息共享困难、设备之间互操作性差、系统可靠性受二次电缆的影响、厂站设计复杂等诸多不足。智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，依托全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，能够自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动，因此，智能变电站的智能化、集成化、实时性、可靠性较常规变电站得到很大提升。

1）对一次投资成本的影响

一次投资成本变动量⊿IC=⊿建筑工程费+⊿安装工程费+⊿设备购置费+⊿其他费用。

⊿建筑工程费：与常规变电站相比，智能变电站由于设备集成度高、智能组件就地安装而节约占地面积和建筑面积。因占地面积、建筑面积减小而节约土石方、钢筋、混凝土等建筑工程量，使得建筑工程费用有所降低。当前建筑工程费节省幅度各智能变电站尚存在较大差异，智能变电站在结构、布置等方面仍存在较大优化空间。

⊿设备购置费：与常规变电站相比，智能变电站增加了在线监测系统、一体化控制系统、智能终端、合并单元、高级应用软件等智能设备，设备购置费有较大幅度增加。目前智能变电站相关设备尚处于研发阶段，随着智能变电站的推广应用，设备价格会随着市场成熟度的提高而逐步降低。

⊿安装工程费：智能变电站二次设备下放和传输通道的光纤化，使得原来一次设备与二次设备之间的传统的大量铜芯电缆被通信光缆替代，极大节约了电缆用量，使得安装工程费有所降低。

⊿其他费用：其他费用的取费基数包括建筑工程费、安装工程费和设备购置费。建筑工程费和安装工程费略有降低，同时，智能变电站节约占地面积，征地费用有所减少，但设备购置费大幅增加，使得其他费用因具体情况增加或减少。

综上，为了满足智能变电站的各种先进功能，一次投资成本较常规变电站有较大幅度增加，主要体现在一次设备智能化、二次设备网络化、高级功能、智能辅助控制系统等智能化投资上，但随着变电站智能化技术的推广普及，智能化设备成本逐渐降低的趋势是明显的。

2）对运行维护成本的影响

降低运行维护成本是智能变电站的重要特点。智能变电站智能化、集成化、实时性、可靠性的提高将大大降低变电站的运行维护成本。运行维护成本变动量⊿OC=⊿能源消耗费成本+⊿维护保养成本+⊿人工成本。

⊿能源消耗费成本：能源消耗费成本指寿命期内为保证变电站正常运行而消耗的能源，包括变压器油的消耗、站内的照明器具以及其他设备对电能的消耗等。与常规变电站相比，智能变电站通过清洁能源、节能措施等技术手段，比如采用LED绿色照明、智能通风系统、变频冷却系统等，全站电能消耗得以减少。

⊿维护保养成本：维护保养成本是寿命周期内维护、试验、监测、巡检和抢修等所需要的人工费、材料费、机械费，以及更换零部件的费用。智能变电站建成后，可以有效获得电网运行状态数据，设备检修策略从常规变电站的“定期检修”向“状态检修”转变，设备检修周期得以延长，降低了巡检成本和维修成本，并通过变电站远方操作、保护软压板投切等远程控制手段，降低了就地操作成本。

⊿人工成本：人工成本是寿命期内，管理、运行和维护人员的工资。智能变电站通过高级功能应用，如视频监控、安防、消防、环境监测、智能巡检等，节省变电站值守人力成本。

3）对惩罚成本的影响

提高电力系统运行可靠性是建设智能变电站的主要目的。智能变电站信息一体化平台、顺序控制、智能告警与分析、故障信息综合分析、源端维护、设备状态可视化、无功优化控制、负荷优化控制、异常状态发布、智能操作票系统、站域控制、继电保护在线检测和远传校验等高级功能的应用，大大提高了设备运行操作、事故处理的效率，减少了检修停电和故障停电时间，供电实时性、安全性、可靠性得到很大提高。

4）对设备残值的影响

设备残值占LCC的比例较小，常以一次投资的百分比来估计，因此，设备残值与一次投资成本同向变动。

综上，智能变电站相对常规变电站的增量成本主要体现在一次投资成本的增加上，增量收益主要体现在运行维护成本和惩罚成本的减少上，另外设备余值也相应增加。

2 变电站智能化的成本效益分析

当前变电站对可靠性的要求越来越高，为提高可靠性而增加一次投资成本是合理的，另一方面，变电站可靠性的提高，可以有效地降低电网系统的惩罚成本以及后期的运行维护成本。本文基于这个思路来构建变电站智能化的成本效益函数：

其中，f为变电站智能化的成本收益比，⊿AOCn为智能变电站第n年减少的运行维护成本，AFCn为常规变电站第n年的惩罚成本，λn为智能变电站第n年减少停电时间比率，k为设备残值占一次投资的比例，T为变电站运行年限，i为基准收益率，r为通货膨胀率。

若f＞1，说明变电站智能化收益大于成本，经济上可行，

若f＝1，说明变电站智能化收益等于成本，经济上无影响，

若f＜1，说明变电站智能化收益小于成本，经济上不可行。

2.1 不确定因素分析

由于变电站运行周期较长，基准收益率和通货膨胀率对变电站LCC的影响很大。基准收益率考虑了不同时点等量资金实际价值的差异，通货膨胀考虑了不同物价水平下完成相同工作所需实际费用的变化，实际上年运行维护费用等未来成本是逐年以（1＋通货膨胀率）上涨的。考虑到寿命期内通货膨胀率经常变化且较难预测，通常按运行期内平均物价指数计算。

变电站运行年限T的不确定性，变电站的运行年限不是一成不变的，变电站内的设备和建筑物的设计年限本身存在一定差异，造成变电站运行年限有一定程度的浮动。

一次投资成本增加量⊿IC的不确定性，决策阶段由于智能化措施存在多套方案或智能化成本难以准确预计而带有不确定性。

年运行维护成本减少量⊿AOC的不确定性，该成本在LCC中占相当大的比重，由于未来发生的费用和设备实际运行情况的不确定性，一般较难准确预测。

年惩罚成本AFC的不确定性，由于FC的发生是一个随机的概率事件，实际工作中很难准确估算出某一个确定的值来表示AFC。

智能变电站减少停电时间比率λ的不确定性，实践中很难准确预测因采用某项智能化措施而使系统可靠性提高多少。

通过对以上不确定变量设置与实际状况相近、较为可靠的概率分布函数，进行多次独立的蒙特卡洛仿真，就可以获得各种情况下的成本效益测算结果。

2.2 蒙特卡洛模拟与风险评价

蒙特卡洛模拟不仅能够解决随机型风险问题，而且可以解决许多确定型风险问题，在国内外一些较大的复杂项目管理中已成为风险估计的主要工具之一。它对决策的分析偏差一般最小，从整个工程项目的经济性上，将是最节省的技术之一。在全寿命周期的风险分析与管理中，蒙特卡洛法必将是重要方法之一[8]。

本文以某变电站为例进行变电站智能化的成本效益分析，目标函数设定为变电站智能化成本效益之比。输入变量为：

（1）基准收益率i、通货膨胀率r分别设定为5%～10%和2%～5%，均匀分布。

（2）运行年限T，设定为25～35年，均匀分布。

（3）一次投资增加量⊿IC，以500万元为均值，标准差为50万元，正态分布。

（4）年运行成本减少量⊿AOC，以30万元/年为均值，标准差为3万元，正态分布。

（5）常规变电站年惩罚成本AFC，以300万元为均值，标准差为30万元，正态分布。

（6）智能变电站减少停电时间比率λ，以3%为均值，标准差为1%，正态分布。

（7）k为设备残值占一次投资的比例，按5%计列。

确定各不确定变量的概率分布以后，基于上文建立目标函数与不确定变量间的函数关系，设定蒙特卡洛循环次数，基于crystal ball进行模拟，得到成本效益比的概率分布、累计概率分布、期望值、标准差等分布特征，以及成本效益比对各不确定因素的敏感度系数。概率分布图（如图1所示）可以形象地反映出成本效益比的随机变化，累积概率分布把运算结果按一定的顺序将概率加总，可以为决策者提供更直接的信息。期望值和标准差体现了成本效益测算中所包含的不确定信息和模拟结果的离散程度。需要注意的是，这里衡量敏感度的相关系数是秩相关系数，其值越大表明变量间共变趋势越显著。

图1 成本效益比概率分布图

表1 成本效益比累计概率分布

图2 成本效益比敏感度图表

由表1可以得出，本工程成本效益比的波动范围为[0.53，3.87]，期望值为1.44，标准差为0.39。成本效益比f大于1的累计概率为90%，成本效益比f大于1.2的累计概率为70%，成本效益比f大于1.6的累计概率为30%。可以看出本智能化投资在经济上可行的概率很高。

由图2可以看出，本工程不确定变量中，基准收益率i、通货膨胀率r、一次投资成本增加量⊿IC对成本效益比影响最大，年运行维护成本减少量⊿AOC、智能变电站减少停电时间比率λ对成本效益比影响居中，年惩罚成本AFC对成本效益比影响最小。

这说明，基准收益率的取定和未来的通货膨胀预期对变电站智能化的经济性影响很大，这也是由变电站智能化的成本主要体现在当前一次投资成本的增加，而收益主要体现在未来运行维护成本等的降低决定的，在决策时要仔细考虑以上因素。一方面尽量控制一次投资成本的增加，另一方面充分利用智能变电站因提高系统整体的集成度、实现状态检修等而降低成本，使变电站系统的LCC最小，整体经济效益最优。