基于全寿命周期理论的智能变电站设计

'申请上海交通大学工程硕士专业学位论文基于全寿命周期理论的智能变电站设计学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院班级：Z1203121学号：1120312091工程硕士生：张作鹏工程领域：电气工程导师Ⅰ：顾洁（副教授）导师Ⅱ：章景春（高级工程师）上海交通大学电子信息与电气工程学院2015年5月 ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMasterDegreeofEngineeringTheIntelligentSubstationDesignBasedonFullLifeCycleTheoryAuthor：ZhangZuoPengSpecialty:ElectricEngineeringAdvisorⅠ:Prof.GuJieAdvisorⅡ:Prof.ZhangJingChunSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaMay7,2015 上海交通大学工程硕士学位论文摘要基于全寿命周期理论的智能变电站设计摘要随着智能电网建设的推进及技术的进步，智能变电站的建设从试点进入全面展开阶段。本文将介绍智能变电站的一些技术特点，并分析其与传统变电站的区别及优化。近年来，随着全寿命周期的理念越来越得到重视。认识到在智能变电站工程设计时，不能光考虑设备的初期投资，而是要考虑整个寿命周期内的成本来进行设计。在满足变电站运行安全可靠的前提下，尽可能的减少整个工程的全寿命周期成本，其核心问题便是对全寿命周期成本进行估算。在实际解决问题的过程中，工程的成本估算往往会面临很大的不确定因素。故本文引入了区间数理论来描述这种不确定性，并建立决策模型，帮助智能变电站全寿命周期成本的多方案比选决策。本文主要研究工作如下：（1）研究智能变电站的特点，比较智能变电站与传统变电站的主要区别。以实际示例对智能变电站的设计进行说明。（2）详细分析了智能变电站工程从初期投资、到运行、维修、故障直至报废的整个寿命周期内成本组成，在此基础上建立了详细的全寿命周期成本估算模型。综合利用常用的估算方法对智能变电站全寿命周期成本估算模型进行计算，估算110kV智能变电站的全寿命后期成本。（3）引入区间数理论来描述LCC各属性在实际估计中遇到的不确定性。提出了基于三元区间数的全寿命周期成本多方案比选模型，解决全寿命周期成本的多方案比选问题。1 上海交通大学工程硕士学位论文摘要（4）介绍今年来在智能变电站设计中引入的一些新技术、新设备对设计方案进行优化，并利用全寿命周期理论分析了这些新技术带来的优势。关键词：智能变电站设计，全寿命周期成本，区间数，多方案决策，设计优化2 上海交通大学工程硕士学位论文TheIntelligentSubstationDesignBasedonFullLifeCycleTheoryABSTRACTWiththedevelopmentofsmartgridandtheprogressinthetechnology,theconstructionoftheintelligentsubstationhasenteredthestageofall-aroundconstruction.Thispaperwillintroducethecharacteristicsoftheintelligentsubstationandanalyzethedifferencesbetweenintelligentsubstationandtraditionalsubstation.Inrecentyears,thefulllife-cycletheoryhasbeenincreasinglyemphasized.Peoplerealizethatwhenwedesignthesubstation,wecan’tjustconsidertheinitialinvestmentoftheproject,butneedconsiderthefulllife-cyclecost.Thekeytosolvetheproblemishowtoestimatethefulllife-cyclecostofintelligentsubstation.Intheprocessofpracticalapplication,theestimateoftheprojectcosthasmanyuncertainfactors.Thispaperuseintervalnumbertheorytodescribetheuncertainfactors,andbuildthedecision-makingmodeltosolvethemulti-solutiondecisionofsubstationLCCestimation.Themainimportantworkofthispaper:(1)Analyzethecharacteristicsoftheintelligentsubstationandthedifferencesfromthetraditionalsubstation.Explaintheproblemwitharealintelligentsubstationproject.(2)AnalyzethecompositionoftheintelligentsubstationLCC.Itincludesfiveparts:initialcost,operationcost,maintenancecost,faultcostanddiscardcost.Basedonresultoftheanalysis,buildthemodelofintelligentsubstationLCCestimating.AndusethemodeltoestimatetheLCCof110kVintelligentsubstation.(3)IntroducetheintervalnumbertoquantitativeanalysisonuncertaintyofLCCestimation.ThenbuildamodelbasedonthreeparametersintervalnumbertosolvetheproblemofchoosingthebestsolutionsbetweendifferentLCC.(4)Introducesomenewtechnologiesusedinintelligentsubstationdesign3 上海交通大学工程硕士学位论文theseyears,analyzehowthesenewtechnologieshelptoreducethesubstationLCC.Keywords:Intelligentsubstationdesign,fulllife-cyclecost,intervalnumber,multi-solutiondecision,designoptimization4 上海交通大学工程硕士学位论文目录目录基于全寿命周期理论的智能变电站设计.......................................................................................1第一章绪论.....................................................................................................................................71.1研究目的和意义...............................................................................................................71.2国内外研究现状...............................................................................................................81.2.1智能变电站建设技术概述...................................................................................81.2.2全寿命周期理论研究情况概述............................................................................91.2.3区间数理论研究情况概述.................................................................................101.3本文的主要工作.............................................................................................................11第二章智能变电站建设技术.......................................................................................................132.1智能变电站特征.............................................................................................................132.1.1智能变电站的技术特征.....................................................................................132.1.2智能变电站与传统变电站的区别及优势..........................................................142.2智能变电站主要设备及技术.........................................................................................162.2.1智能变电站一次设备..........................................................................................162.2.2智能变电站二次系统.........................................................................................162.2.3智能变电站自动化及通信系统.........................................................................172.2.4智能变电站高级应用.........................................................................................182.3上海地区典型110kV智能变电站设计示例..................................................................182.3.1工程概况.............................................................................................................192.3.2电气一次部分.......................................................................................................192.3.3电气二次部分.....................................................................................................202.3.4自动化部分.........................................................................................................202.3.5其他智能系统.....................................................................................................212.4本章小结.........................................................................................................................23第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型...............................................................243.1全寿命周期成本分析概述.............................................................................................243.1.1全寿命周期成本定义.........................................................................................243.1.2全寿命周期成本分析的特点.............................................................................243.1.3全寿命周期成本分析的内容.............................................................................253.2全寿命周期成本（LCC）估算方法概述........................................................................253.2.1常用的LCC估算方法.........................................................................................253.2.2常用的LCC修正方法.........................................................................................263.3智能变电站LCC估算模型.............................................................................................273.3.1初始投资成本......................................................................................................283.3.2运行成本..............................................................................................................293.3.3检修成本.............................................................................................................303.3.4故障成本.............................................................................................................313.3.5报废成本..............................................................................................................325 上海交通大学工程硕士学位论文目录3.3.6智能变电站LCC估算流程..................................................................................323.4算例分析.........................................................................................................................333.4.1初始投资成本（IC）估算.................................................................................333.4.2运行成本（OC）估算.........................................................................................333.4.3检修成本（MC）估算.........................................................................................353.4.4故障成本（FC）估算.........................................................................................353.4.5报废成本（DC）估算.........................................................................................363.4.6110kV学士智能变电站LCC及结果分析........................................................363.5智能变电站LCC的优化.................................................................................................363.5.1110kV智能终端、合并单元一体化装置..........................................................363.5.2交直流一体化电源.............................................................................................383.5.3智能辅助控制系统..............................................................................................393.6本章小结.........................................................................................................................41第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策...........................................................424.1三元区间数的基础知识.................................................................................................424.1.1三元区间数的定义.............................................................................................424.1.2三元区间数的运算法则.....................................................................................434.1.3三元区间数的排序关系及距离.........................................................................434.2基于三元区间数的智能变电站LCC决策模型..............................................................444.2.1决策矩阵及其标准化.........................................................................................454.2.2三元区间数的熵及权重.....................................................................................454.2.3三元区间数的TOPSIS决策模型.......................................................................464.3算例分析.........................................................................................................................464.4本章小结.........................................................................................................................47第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化...................................................................495.1光伏微网系统.................................................................................................................495.1.1系统组成.............................................................................................................495.1.2效益分析.............................................................................................................515.2建筑信息模型(BIM).......................................................................................................515.2.1项目的实施.........................................................................................................525.2.2基于变电站数字模型的设计应用.....................................................................535.2.3效益分析.............................................................................................................555.3本章小结.........................................................................................................................55第六章总结与展望.......................................................................................................................566.1主要研究成果.................................................................................................................566.2研究展望.........................................................................................................................56致谢............................................................................................................................................58参考文献...................................................................................................................................59附录..............................................................................................................................................626 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1研究目的和意义近些年来，国民经济一直保持着高速的增长，全社会的用电需求量也不断增加。在这样的背景下，电网建设的力度和速度都创了新高，相关的设备、施工等技术水平也不断提升。国家电网公司在2009年提出了全面建设坚强智能电网的口号，发展到今天，无论是在特高压主干网架的建设，还是城市低压配电网的改造及支持新能源接入方面都取得了一定的成就。变电站对整个电网的安全稳定起着至关重要的作用，传统的变电站已经无法满足目前智能电网对变电站的新的要求。因此，建设安全稳定且技术先进的智能变电站成为目前电网建设中的一个重要课题。国家电网公司前几年在不同地区、不同电压等级选取47座新建变电站作为试点工程，截止2011年底，绝大多数新建智能变电站顺利投运，为智能变电站的全面推广建设奠定了基础。可以说智能变电站的建设迎来了一个新的高峰。变电站工程作为一项投资大，周期长的大型工程。目前的现状是，工程建设单位往往只考虑初期投入成本，而不考虑后续的运行维护成本，缺乏基于全寿命周期管理的理念。随着国外先进项目管理经验的引入，我国的工程项目设计、施工、管理水平不断的提高，人们逐渐认识到了对于变电站建设工程这样性质的项目来说，光考虑项目的初期建设投资是不合理的，因为往往后续的整个运行维护费用可能要比初期投资还要高。因此，必须以全寿命周期的视角来考虑问题。在整个变电站项目过程中，设计起着至关重要的作用。工程建设方案是否合理、能否较好的控制整个工程的造价，节约成本为公司带来更多的利润。这些都是由设计直接决定的，若是在设计方案中发生了错误或方案不合理，则会造成巨大的浪费。基于全寿命周期理论来进行变电站的工程设计可以使得方案更加科学合理，改变目前项目投资只看眼前的现状。在变电站工程成本在全寿命周期这样一个较长的时间内降到最低，从而为企业带来最佳的效益，同时也节约了社会的资源，使得电力这个基础设施产业更好的为国民经济的发展保驾护航。但目前全寿命周期理论在工程设计中的应用才刚刚起步，缺乏比较完善的变电站工程全寿命周期成本估算模型。本文的研究在智能变电站建设中的意义主要体现在:（1）深入研究了智能变电站的结构特点，比较了其与传统变电站的不同之处。7 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论从全寿命周期的角度分析了智能变电站一些新技术对于成本的优化。使得设计人员能够认识到基于全寿命周期理论进行智能变电站设计的优势所在。（2）利用全寿命周期理论，研究智能变电站工程的全寿命周期成本的构成，进而建立成本估算模型，改变目前仅考虑工程初期投资的设计方式。为今后基于全寿命周期成本的工程设计提供一种具有实际应用价值的工具。（3）引入区间数描述了全寿命周期成本估算在实际应用中会遇到的不可确定因素，并结合TOPSIS法建立决策模型，提供了一种在多种全寿命周期成本不相同的方案进行比选决策时使用的方法。1.2国内外研究现状1.2.1智能变电站建设技术概述1、国外技术现状国外的智能变电站技术主要是由像ABB、SIEMENS这样的大型企业来发展和主导的。虽然各个企业在发展智能变电站的方向和重点上有所不同，但普遍认为未来的智能变电站应该具有高度的自动化程度，可以减少日常的运营维护工作量；还应该具有非常强大的自愈能力，这样不仅可以减少故障维修带来的成本，还能显著提高供电可靠性，减少因停电带来的损失。在相关设备的研究方面，这些厂商也是把各种设备的整合及智能化作为主要的发展方向，目前已经有了很多较为成熟的智能化设备。在通信规约方面，IEC61850标准的应用与推广大大提高了智能电网的发展速度和效率。IEC61850为全球的厂家和服务商提供一个统一的沟通工具，每个厂家可以摆脱繁琐的自由规约开发及与其他设备厂家之间通信的问题。它也成为了基于网络通信的未来智能变电站发展的重要基础，将广泛应用于智能电网的建设中。2、国内技术现状我国智能变电站的建设主要由国家电网公司和南方电网公司进行主导。国网公司早在2009年便提出建设坚强智能电网的目标，当时在智能变电站建设领域，在全球范围内都没有可以参考利用的现成的技术与规范，许多设备也处于实验阶段。故电网公司联合国内各大电气设备供应商和电科院开展了智能变电站各方面的研究工作，同时也开始建设一批试点项目为智能变电站的建设和运营积累经验。经过几年的研究和积累，我国智能变电站的建设运营水平已经达到世界一流，在实际工程中积累了丰富的经验，很多在国外都无条件投入运行的新设备在国内都得到了实际应用。但在设备方面，我国厂家同世界一流厂家还存在着一定的差距。在一些关键设备和技术方面还必须依赖国外的企业。8 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论在设备智能化方面，国内厂家的发展思路同国外基本一致，主要是通过将智能组件通过外接或内嵌的方式同设备整合在一起，实现对设备各种运行状态、参数的采集，在收集数据的基础上进行多样化的二次开发来实现各种智能化功能。在通信规约方面，我国同样采用了IEC61850规约，确保同国外厂家提供的设备和服务能够进行无缝连接，也保证国内各厂家能在统一的规范下发展各自的产品和技术。虽然国内在IEC61850的理论研究方面同国际上还存在差距，但通过国内大量的工程实践，厂家已经积累了丰富的经验，目前新开发的产品均能够实现基于IEC61850的通信。1.2.2全寿命周期理论研究情况概述1、国外研究动态全寿命周期成本(LifeCycleCost,LCC)的概念最早诞生于瑞典铁路系统。其主要发展是美国在20世纪五六十年代将LCC应用到军事装备系统的采购问题上，美国国防部通过一项调查研究发现，发现军事装备系统后续的维护费用竟然高达合同采购费用的数倍之多，从而得出今后的装备系统采购必须考虑全寿命周期成本，只有全寿命周期成本最优才是经济上最为节约的方案。70年代开始，LCC在航天航空、交通运输、工程建设等多个领域得到了广泛的应用，在方案评估是都进行了LCC的评估，选择了LCC最佳的方案来执行，均取得了良好的经济效益。LCC在电力行业的应用相对起步较晚，直到2004年的国际大电网会议上，国际电工委员会才首次提出要对设备进行LCC管理并鼓励设备制造厂家开展这方面的研究，在出售设备时应该能够提供产品的LCC报告。最近几年，在国外的电力系统相关研究中，LCC逐渐的得到了推广应用。国外在LCC方面的研究主要集中在以下方面：（1）研究LCC估算中的不确定性较强的部分如突发性故障成本的估算方法（2）结合目前强调环保和可持续发展的社会大环境，将环境因素考虑进LCC估算。(3)开展跨学科交叉研究，融合管理科学和决策科学，从而使得LCC理论发展的更加充实，拥有更广阔的运用空间。文献[8]在比较不同方案的发电成本时，采用了全寿命周期成本年值分析法。文献[9][10]在分析变电站布局和电网规划方案的可靠性的同时，分析了它们的全寿命周期成本。文献[11]为克服工程全寿命周期成本计算时的不确定性和风险，在计算的过程中引入了模糊集的理论。文献[12]介绍了综合全寿命周期成本模型。文献[13]、[14]、[15]在对全寿命周期成本进行分析的时候，分别采用了三种不同的方法进行建模计算。在考虑何种因素会对全寿命周期成本产生影响的研究方面，文献[16]研究了全寿命周期成本是如何受不同的检修策略影响的。文献[17]则在计算变压器全寿命周期成本时，将损耗与环境成本联系起来。9 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论2、国内研究动态我国在1987年首次引入LCC技术，虽然引进时间较晚，但学术界充分认识到之一理论的先进性和优越性，对其大力推广，成立了专门的LCC委员会并开展组织了多次全国性的研讨会，对LCC在国内的推广起了积极的作用。在非电力系统领域，LCC在装备制造，基础工程建设等多个领域均取得了一定的成效，人们充分认识到了要基于全寿命周期对项目的成本进行考虑，在此基础上进行可行性研究、设计方案优选等工作才更加科学合理。LCC在国内电力系统领域仍处于刚刚起步阶段。在电网公司层面，华东电网公司从2003年开始对国内外资产全寿命周期管理的理念和方法进行跟踪研究。公司内相关单位进行了设备的全寿命周期成本管理的研究和实践，成立了专门的项目小组对资产的全寿命周期管理进行探索和研究。在理论、方法及典型应用实例方面均取得一定成果。文献[21]在变电站改造方案的多方案比选决策中，分析了变电站的系统风险和设备风险，对风险成本进行了LCC量化分析，在此基础上建立变电站风险评估模型，最终确定改造方案。文献[22]介绍了500kV变压器招标采购中LCC方法评价研究与应用工作。上海市电力公司今年来也逐步认识到LCC的优越性和对公司发展的重要性并开展了相关的研究，取得了一定的成果。如文献[23]中，在泰和220千伏变电站GIS改造工程中，建立了GIS的LCC模型并通过计算LCC来进行多个改造方案的比选，最终选择了LCC最优的方案来进行改造，实现了公司效益最大化的目的。从2012年开始，上海市电力公司基建部鼓励各下属单位在开展工程设计时进行方案的LCC论述，至2013年强制要求所有基建项目必须对方案进行详细的LCC论述和比选。随着近两年的工程建设，上海市电力公司在LCC管理方面已经积累了丰富的经验。1.2.3区间数理论研究情况概述区间数理论是一种用区间来描述各种事物或现象的本质和特征的数学方法，是研究不确定性的数学方法中的一种。由于人的思维具有抽象、模糊和局限性的特点，我们所处的客观事件又十分的复杂并充满着不确定性，所以很多问题人们是没有办法给出准确的信息量。即使通过长时间的研究和大量的实验，往往也只能把结果缩小到一个区间范围，而没有办法用一个准确的数值表达出来，这个区间范围即是区间数。显然，在实际应用中这样的问题非常普遍，这就决定了区间数来研究不确定性问题拥有很重要的现实意义和广阔的应用空间。但有关这方面的研究还不是非常成熟。目前区间数理论的研究目前主要是两大方面，第一是如何对区间数进行比较和排序，第二是将区间数引入到现有决策模型中，解决不确定性问题的决策。10 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1、国外研究动态早在20世纪30年代，就有国外学者开始了对区间数的研究。之后众多的学者一直继续着这方面的研究，取得了一定的成果。文献[24]利用理想解的方法作为计算工具，将区间数引入到时间权重对包含时序属性的多指标决策问题进行了动态排序研究；文献[25]中给出了一种计算可能度的简便方法，并采用这种方法进行应用分析研究；文献[26]中为了计算不确定性多属性决策问题中各属性的权重，给出了一种基于区间数相离度的标准差和平均差极大化方法，但是此方法的计算过程比较复杂；文献[28]中利用区间数来解决线性系统问题，学者们利用集值统计理论，对决策矩阵和相关因素进行权重分配的基础上，依据正有界区间数处理系统问题，取得了满意的效果。2、国内研究动态国内许多学者也对区间数开展了很多研究，主要研究成果有：胡宝清教授提出了关联函数也是一种区间数的概念，在此基础上分析了区间数的运算法则和性质；灰色系统理论的创始人邓聚龙教授比较了灰数和区间数，分析了两者之间的区别和联系；吴江等学者研究了比较区间数大小的方法，提出了可信度的概念，并建立了区间数信息规范化方法来计算可信度；攀玉英等学者利用决策科学中的理想解方法来解决区间数多指标决策问题，建立数学模型通过比较各方案同理想解之间的距离来判断方案的优劣；张兴芳等学者以区间数的形式来表示多指标决策问题中的指标权重，建立相应的决策模型；徐泽水等学者提出了可能度的概念，并给出了可能度的计算公式，利用可能度对各方案进行比选进行决策；张吉军等学者提出了在相对优势度概念来进行区间数大小的比较，进而对区间数进行排序和分析。1.3本文的主要工作本文首先分析了智能变电站技术特征及其与传统变电站的区别。之后对智能变电站的LCC进行分解，建立了全寿命周期成本的估算模型并利用模型对110kV智能变电站LCC进行了估算。创新性地将区间数理论应用于智能变电站全寿命周期成本决策问题中。最后、分析了目前一些新技术的运用对于智能变电站全寿命周期成本上的优化。论文分为五章，具体内容如下：（1）第一章绪论，首先说明了项目研究的背景和意义。再简单介绍了智能变电站技术的发展现状和本文牵涉到的一些理论知识，主要包括全寿命周期理论和区间数理论的国内外研究现状。（2）第二章介绍了智能变电站的特点，分析智能变电站与传统变电站的主要区别，如二次系统组成结构，主要一次设备的使用区别等。结合实际110kV智能变11 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论电站工程说明了智能变电站的设计方案。（2）第三章首先介绍了全寿命周期成本分析的概念及内容，接着介绍了一些主要的全寿命周期成本估算方法和计算结果修正方法。然后仔细分析了智能变电站全寿命周期成本的各个组成，根据分析结果建立了详细的成本估算模型。结合第二章的设计方案，根据模型估算了智能变电站的全寿命周期成本。最后分析了几个典型智能变电站与传统变电站不同的设备，比较了它们的全寿命周期内的效益，说明了智能变电站在全寿命周期成本方面的优化。（3）第四章将区间数理论引入到智能变电站LCC多方案的决策问题中，运用区间数表示全寿命周期成本各个组成属性，解决了实际问题中涉及到的不确定性问题。结合决策科学中的TOPSIS决策模型，对多个LCC方案进行比选决策。（4）第五章介绍了一些智能变电站中采用的最新技术，并分析了它们在全寿命周期内效益，说明了在设计中考虑采用这些新技术对工程的LCC有优化作用。12 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术第二章智能变电站建设技术2.1智能变电站特征2.1.1智能变电站的技术特征智能变电站是一种设备具有技术新建可靠，集成度高，节能环保的技术特点；全站通信均为网络方式，所有信号均为数字信号，所有设备的信息能够实现共享；高级应用能够实现高度自动化的控制，能够根据各种不同需求实现故障自愈，决策分析等功能的变电站。智能变电站在基础功能上同传统变电站并没有太大区别，但相对于传统变电站，智能变电站能够完成更加复杂的信息采集和处理任务，同电网公司及用户之间的互动能力也更加强大，并能够提供更加方便，快捷多样化的控制和运维手段。智能变电站具有以下一些主要的技术特征：（1）变电站内所有信息的数字化。指的是智能变电站内所有一次、二次、自动化设备及辅助设备设施之间的通信均采用数字信号进行传输。信息处理的整个过程也完全数字化。一个比较典型的例子便是在传统变电站内，电流互感器采集的是模拟信息，通过二次电缆传输给保护或自动化装置，在装置内再实现数模转换。在智能变电站内直接通过电子式互感器或传统互感器加合并单元的方式，就地直接把电流转化为数字信号，通过光纤传输给保护和自动化装置。（2）网络化的通信方式。智能变电站主要是过程层、间隔层、站控层三层网络通信结构。设备间的信息可以通过网络供其他需要使用这些信息的设备共享，比如电流互感器数据可以通过过程层网络同时发送给间隔层的保护、测控、故障录播等装置，网络拓扑结构灵活可以通过增加冗余配置来增强可靠性。网络之间的连接采用光缆和超五类双绞线，相对于传统的二次电缆即节约了材料也避免了因干扰产生的不可靠性。（3）统一的信息通信标准。主要就是指站内所有设备均采用统一的通信标准和格式，目前来看就是IEC61850。这样站内不同厂家的设备可以实现无缝连接，而不是像目前传统变电站内不同厂家的设备经常会发生无法兼容的问题。另外，由于信息标准的统一，也为日后高级应用升级和开发提供了方便利。13 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术2.1.2智能变电站与传统变电站的区别及优势智能变电站与常规变电站的结构差异如图2-1,2-2所示。从图中可以看出智能变电站结构非常简洁清晰，所有设备根据功能的定义高度集成。不仅提高了设备的可靠性，也大大减少了日后的维护工作量和费用。另外，由于智能变电站的高级应用开发需要全站的甚至整个电网的全局信息。在做应用开发时，目前软件工程的主流是面向对象进行开发，智能变电站正式基于这种思想对设备在逻辑功能上进行了整合，就好像一个一个对象，为今后高级应用的开发提供了很大的便利性。图2-1常规变电站结构图Fig.2-1Traditionalsubstationstructure图2-2智能变电站结构图Fig.2-2Intelligentsubstationstructure14 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术具体来说，智能变电站的优势主要体现在以下几个方面：（1）具备智能功能的一次设备：这是同传统变电站的最主要区别。目前，一次设备实现智能化的主要手段是在设备内部嵌入传感器或在外部加装传感器来实现设备的状态监测，通过智能终端将这些采集到的信息上传到站控层，建立设备状态信息的数据库和管理系统。为状态检修，远程控制等工作的开展提供基础，从而降低故障发生率，降低设备运维成本。（2）采用电子式互感器：电子互感器的出线解决了传统铁磁型互感器的一系列固有缺陷。在高电压等级中，电子互感器的体积和重量相对于传统互感器大大少，在日后施工维护过程中优势明显。另外节约了大量的铁、铜等战略资源，在节约成本的同时更加节能环保。在低电压等级的智能变电站，出于经济性的考虑，目前暂时不采用电子式互感器，而采用传统互感器配合并单元来实现数字化采样。（3）光缆和网线取代二次电缆：传统变电站中存在着大量的二次电缆，电缆之间的互相干扰及长距离传输信号的衰减等问题都为二次系统的故障发生埋下了隐患，同时由于回路数量众多，维护十分不方便。由于智能变电站内的信号均采用数字信号传输，光缆和网线取代了原有的二次电缆，从本质上解决了二次电缆的固有缺陷，提高了信号传输的可靠性。另外也节约了大量的铜资源，经济效益和社会效益明显。（4）具有统一的通信标准：目前由于在传统变电站中，各个厂家的设备都采用各自私有的通信规约，这就造成了设备互操作上的严重问题。若需要进行互相通信，比如最简单的保护装置和综合自动化装置间的通信，就必须增加通信规约装换器。有些情况下规约转换器都无法解决这一问题，导致一些功能就无法实现。在这样的情况下，要进行全站应用的高级应用开发几乎是不可能的。智能变电站的所有设备的通信规约均采用IEC61850，实现了各种设备无缝连接和互操作，解决了这一存在多年的难题。（5）设备功能集成、数量减少：智能变电站根据设备功能对原有分开的设备进行了整合。例如，110kV及以上电压等级的保护采用保护测控一体化装置、网络化故障录波，减少了二次设备的数量。同时，软压板、虚端子的出现，配合光缆和网线，大大简化了二次系统，方便了运维和检修，提高了系统的可靠性。综上所述，从变电站系统的可靠性、全寿命周期内的经济性、运行维护的方便性及节能环保性各方面来比较，智能变电站的优势都十分明显。15 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术2.2智能变电站主要设备及技术2.2.1智能变电站一次设备智能变电站均采用智能化一次设备。目前，智能化一次设备还处于发展的初期，基本可以理解为“一次设备本体+智能组件”。智能组件通过内嵌或外接的方式同设备本体连接在一起，采集设备的各种状态信息。再通过光缆间隔层或站控层设备进行连接，通过网络进行通信。未来智能一次设备的发展趋势是功能更加集成，目前有一些高级应用实现分析、自检功能也整合到设备本身，使得设备更加智能。目前智能化一次设备主要包括三大部分：设备本体，传感器和智能组件。其主要技术特点主要体现在已经下几个方面：（1）设备的运行、控制、状态等参数直接进行数字化采样或就地进行模数转换，保证在站内网络传输的是全数字化信号而非传统的模拟量信号。（2）和设备相关的各种参数均上传至后台或专门的状态监测系统，可以通过相关应用对设备运行状态、可靠性等进行评估，实现状态检修等功能。（3）设备本体、传感器和智能组件实现一体化，减少设备体积和占地。（4）一次设备可以通过站内网络同二次系统、自动化系统和上级调度系统的相关设备进行信息互动，可以上传各系统需要的信息并执行系统发出的命令。相对于传统的一次设备，智能一次设备的核心问题是信息的采样传输与控制。传感技术，微机技术，抗电磁干扰技术，信号处理技术，模块化设计技术等核心技术还有待进一步发展完善。目前智能化一次设备主要的应用设备包括变压器、电抗器、断路器、GIS、开关柜等故障率相对较高，或故障影响较大有自检测需求的设备。能够有效提高设备的可靠性并降低其全寿命周期的成本。2.2.2智能变电站二次系统智能变电站对二次系统优化整合，简化了原来复杂的二次电缆接线，提高了系统的可靠性，减少现场施工工作量和日后运行维护工作量，有效降低全寿命周期成本。目前，主要的整合设备有：1）保护测控一体化装置：随着集成电路和计算机技术的不断进步，性能更加强大，体积更加小的微机装置不断出现。在硬件上使得微机保护和测控装置的一体化成为了可能。目前国内厂家提供的解决方案是将保护、测控两套独立的硬件以插件的形式安装在一个装置内，但采用统一的输入输出接口和电源。并不是真正意义上的一体化，但随着技术的继续进步，今后肯定会发展出完全公用一套16 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术硬件的保护测控一体化甚至更多功能一体化的微机装置。2）合并单元智能终端一体化装置：现有设备的集成度越来越高，当采用电子式互感器或采用“常规互感器+合并单元”方案时，合并单元和智能终端一体化装置成为了新的选择。为了满足保护点对点直接接收采样值的需求，最新的合并单元均采用现场可编程门阵列技术来实现以太网发送，完全可以将采样值报文和GOOSE报文分时传送且确保采样值发送的等间隔性。3）故障录波及网络记录分析一体化装置：智能变电站中，故障录波的功能同传统变电站一致，主要采集设备的电流电压，开关量，故障信号等状态，并进行存储分析。网络记录仪则是传统变电站中所没有的设备。由于智能变电站采用的是网络通信的方式，网络记录仪就是负责监视整个网络的工作情况，在发生故障时，能够分析数据找出故障所在。因为智能变电站内所有信息都是以特定的报文形式在网络上传输，每个装置只是根据自身的需求来获取需要的报文信息，所以在功能上有相似性的这两种设备完全可以进行整合，实现两者大部分功能单元的共享。目前已经有很多厂家有此类产品。2.2.3智能变电站自动化及通信系统电力系统从总体来看是一个能量系统，但现代电网的复杂性决定了如果没有信息系统的支撑，将无法保证能量系统安全、稳定、可靠地运行。变电站自动化系统是电网信息处理的基础，直接和能量系统耦合。变电站自动化系统的发展是离不开计算机和通信技术的发展的，随着这两项技术近来来突飞猛进的发展，变电站自动化也从早期的只具备四遥功能的简单自动化系统发展到了目前的数字化智能系统。目前智能变电站为三层网络结构，分别是指站控层、间隔层和过程层。但上海目前为了保证和传统变电站的统一性，仍然采用的是两层结构，既间隔层和站控层，并不单独设置过程层网络。在整个网络拓扑结构上也比较的灵活，有总线型、星型和环形多种组网方式。智能变电站IED越来越分散，数量和种类都显著增多，信息交换的需求会更加迫切。和常规变电站相比，主要的变化表现在互操作性和过程层通信两方面。互操作性是指同一制造厂或不同制造厂提供的两个或多个IED互相交换信息或系统处理同一个任务。所有通过通信系统互联的分布式系统都必然会遇到相同问题。只是此前系统中枢互通信的节点规模有限，其功能也相对单一，故而可以用较为简单的厂商协议来解决这个问题。当变电站对自动化系统的要求越来越高之后，不同厂商设备之间需要互操作的情况也越来越多。这对通信的范围、灵活性、实时性等指标也提出了新的要求，这种情况下基于统一的国际标准实现互操作可以带来成本节约和性能提升的巨大好处，IEC61850的出现解决了这一问题。17 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术过程层通信则是智能变电站新出现的需求。虽然在20世纪已经实现了二次系统的微机化，但是一次、二次之间的接口仍然沿用电磁式的强电标准，典型如模拟量100V/5A/1A、开关量220V/110V的电缆连接。这种信号接口原本用于驱动电磁式或电动式的仪表和继电器，因而包含了一定的能量、其信号幅度也远大于微机化装置的A/D采集要求。在智能变电站时代，信息传输的理想方式则是光纤化低能量的数字方式。信息的数字化采集处理在一次设备就地完成后，可依赖高速通信网络和二次系统交互。2.2.4智能变电站高级应用高级应用功能是智能变电站实现“智能”的关键。智能变电站实现了信息共享、标准化信息建模和信息一体化管理。一方面，在设备数字化和信息化的智能变电站中，每个设备自身的状态信息和它采集到的信息都可以被网络上的其他设备获取；另一方面，站内信息集成将覆盖到全站设备，自动化信息系统、状态监测信息、视频、安防、消防等辅助系统信息接入统一的一体化信息平台。一体化信息平台的建立使全站数字化信息的综合集成成为现实，在平台上，所有信息均实现了标准化建模，这就为下一步的高级应用开发打下了坚实的基础。目前智能变电站高级应用主要包括运行监视、辅助决策、调节控制、维护管理等若干大类，又细分为顺序控制、智能告警、故障信息综合分析决策、设备状态可视化、站域控制、源端维护、分布式状态估计、新能源接入等具体应用。运行监视类高级功能是对电网运行状况和设备状态进行全面监视和展示，为就地或远方的运行值班人员直观地提供电网和设备状况，例如设备状态可视化等。辅助决策类高级功能是对站内的全景信息进行综合分析处理，为就地或远方的运维人员提供辅助决策，例如智能告警、故障综合分析、分布式状态估计等。调节控制类高级功能是与上级调度主站进行协同互动，实现变电站的自动化控制。维护管理类高级应用是和系统配置、调试及辅助系统管理相关的其他高级功能，例如源端维护等。这些高级功能软件一般均采用模块化、组件化方法，这样可在工程实施时，根据各个智能变电站的实际情况选择采用。2.3上海地区典型110kV智能变电站设计示例前文中介绍了智能变电站的特征及一些主要的设备及技术，上海电力公司目前在建设110kV智能变电站方面已经积累了一定的经验。从2010年世博会期间第一座上海第一座智能变电站蒙自站的投运到目前所有新建110kV变电站均按智能变电站标准建设，上海电力公司已经制定了智能变电站建设的技术原则和体系，下面就以一个2014年基建项目-110kV学士变电站为例来介绍下目前上海电18 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术网中110kV智能变电站的情况。2.3.1工程概况110kV学士站站址所在地为上海市奉贤区临港物流园区域范围内，站投运后是服务临港物流园重装备产业区。变电站最终规模为3台80MVA主变，110kV/10kV电压等级。110kV侧接线采用一进三出含支接变压器接线；10kV侧为单母线六分段，出线48回；10kV中性点采用经小电阻接地系统；每台主变安装电容容量为12000kvar。本期建设规模为2台80MVA主变，110kV侧接线采用一进二出含支接变压器回路，10kV侧采用单母线四分段，出线32回，每台主变安装电容容量为12000kvar（3000kvar+4000kvar+5000kvar），10kV中性点采用经小电阻接地方式。2.3.2电气一次部分1）电气主接线本期建设规模为2台80MVA主变，110kV设二回进线，110kV侧每回路采用一进二出（含支接变压器）接线形式。10kV采用单母线四分段，出线32回，每台主变压器供16回10kV出线，在10kV母线上设有相应的压变、避雷器，电容器，站用变压器等设备。2）主变压器选型主变压器选用三相、两圈水平分体化布置变压器，冷却方式为自然冷却的有载调压变压器。具体参数如下：容量：80000kVA电压分接头：110±8x1.25%/10.5kV阻抗电压：24(+5%，-5%)连接组标号：YN,yn10,+d根据国网智能变电站的建设原则，110kV主变不配置在线监测装置。3）配电装置选型10kV设备拟采用金属铠装空气绝缘开关柜。10kV母线设有二台100kVA的干式站用变压器，采用成套柜式形式。10kV电容器选用集中安装的柜式电容器。110kV中性点采用经隔离开关接地方式，10kV中性点采用经小电阻接地方式。由于电压等级不高，综合考虑运行的稳定性，上海电网110kV站仍然采用传统电磁式互感器，不考虑电子式互感器。4）一次设备的智能化主要是在110kVGIS处采用了“一次设备本体+智能组件”的方式，将智能汇19 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术控柜就地设置于110kVGIS装置室，让后通过超五类双绞线与二层的控制室连接。实现测量数字化，控制网络化。节约了大量的二次电缆。2.3.3电气二次部分1）保护配置站内配置的保护装置均支持IEC61850规约，110kV线路保护、主变保护采用保护、测控合一装置，10kV部分采用保护、测控、录波多合一装置。本站控制功能分为三种：调度中心远方控制；站内后台控制；就地手动控制。控制优先级可以选择。110kV断路器的就地控制设备安装在智能控制柜内，10kV断路器的就地控制设备安装在开关柜上的二次小室内、信号引致综合自动化系统。2）保护采样、跳闸报文传输方式110kV侧通过合并单元输出采样值，智能终端接收跳闸报文。采样值报文为SV，跳闸报文为GOOSE。不设置过程层网络，与保护间采用点对点方式进行传输。10KV侧由于保护与断路器集成在一个开关柜内，仍采用传统的二次电缆连接形式，通过模拟型号传输互感器信号和断路器跳闸信号。3)站用交直流一体化电源交流系统：站内10kV母线各接一台站用变，2台站用变装有失压自切装置，互为备用，以保证站用电源的可靠性。直流系统:本站直流系统电压为110V，选用300Ah蓄电池和高频开关电源装置，蓄电池容量按2小时事故放电时间计算。UPS（逆变）电源部分：站内配置一套UPS电源，容量3kVA。站用通信电源部分：采用48V直流工作电源。48V直流母线接一套DC/DC装置。DC/DC装置同直流系统连接，输入电压为直流110V，输出电压为直流48V。上述所有电源采用一体化设计，通过统一的监控单元将数据上传到自动化系统。4）二次设备的智能化学士站二次部分的智能化主要体现在：第一、二次设备的通信规约采用了IEC61850，实现了通信规约的统一，所有设备均可以实现互操作。并实现了智能变电站标准的采样、跳闸报文。第二、大量采用了一体化设备，实现了设备功能的集成，精简了设备数量。2.3.4自动化部分1）系统构成本站自动化系统由站控层、间隔层二层设备组成，不设单独的过程层，采用20 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术点对点直采直跳方式。全站自动化系统网络配置参见图2-3：图2-3：全站自动化系统网络接线示意图Fig.2-3Intelligentsubstationautomaticsystemstructure2）各层网络结构及设备配置站控层：采用单星型以太网络，传输MMS报文和GOOSE报文。配置一台主机兼操作员工作站，完成保护及故障信息管理、高级应用等功能。配置单套远动通信装置，将站内的实时工况信息远传到调度中心。站控层配置1台高性能的工业级交换机，作为各层之间的数据交换接口。站控层所有设备组柜安装，布置在二次设备室内。在二次设备室内通信介质采用超五类屏蔽双绞线。间隔层：采用单星型以太网络，传输MMS报文和GOOSE报文，主要实现保护、测控、故障录波等面向间隔的功能。10kV间隔层以主变为单元配置交换机，每台主变配置1台交换机，110kV间隔层配置1台交换机，实现间隔层与站控层数据交换及110KV间隔层设备间数据交换。10kV配电装置室内网络通信介质采用超五类屏蔽双绞线；二次设备室与10kV配电装置室间的通信介质采用光缆。3）与站内其他子系统间的配合电能量采集系统从电度表直接采集数据上传至电力公司电能量采集中心。与自动化系统网络没有连接。智能辅助控制系统单独成网，本期与自动化系统网络没有连接。未来如果有需要同自动化系统进行信息联系可以通过单向隔离装置接入至站控层交换机，实现两网数据通信。全站通过北斗或GPS系统，采用SNTP方式进行网络对时。2.3.5其他智能系统1）全站时间同步系统站内配置1套全站公用的时间同步系统，支持北斗或GPS系统授时，确保21 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术精度满足站内所有设备的要求。2）电能量采集系统站内设置电能量采集系统用以采集110kV线路、主变10kV侧及10kV出线、电容器、站用变电度量。该系统由110kV线路电能表及主变电能表、电能计量采集装置组成。110kV线路电能表，主变电能表组1面主变电能表柜，电能量采集装置也设置在这面柜上。电能量采集装置通过110kV线路电能表和主变电能表采集相关电度量，电能计量采集装置通过超五类双绞线与站内的通信屏相连接，上传至上海电网电能量采集主站系统。10KV电能量信息则通过站内自动化系统采集上传。3）智能辅助控制系统本站拟设置智能辅助控制系统，以实现站内外照明、站内通风、消防报警、视频安防、SF6气体监测等多个子系统的智能联动控制。该系统单独组网通过综合数据网上传数据至上级控制中心。4）有载调压和无功投切站内自动化系统实现主变有载调压和无功装置的投切。5)分布式配网自动化系统为了改变目前配网侧薄弱的现状，全面实现建设坚强智能电网的目标，上海电力公司目前十分重视配网自动化方面的建设。在2014年，全面推进了浦东沿江十平方公里核心区配网建设项目。采用先进的配网自动化馈线自愈技术，优化配网网架结构，从而提升整个核心区的供电可靠性。全面建成后，区内供电可靠性将达到世界一流水准。试点之后，上海电力公司也计划全面推广这种新型配网自动化系统。故目前新建110kV智能变电站内都需要配合此分布式配网自动化系统预留今后的接口。本次在变电站层需配置FA控制装置和光纤工业以太网通信设备，具体情况如下：（1）安装配电自动化FA控制装置（组屏安装），完成与所辖配网（所有馈线）内配电自动化终端信息实时交互，实现分布式故障自愈功能（2）站内配电自动化通讯采用光纤工业以太网，配置以太网交换机、光纤配线架110kV变电站分布式配网自动化结构及配置图如图2-4所示。22 上海交通大学工程硕士学位论文第二章智能变电站建设技术AC220V母线调度数据网AC220V路由器网线调度数据网纵向AC220VAC220V加密装置网线与下层有联络线的开关站单模光纤连接三层交换机(8光20电)AC220V网线10kV每个出线间隔网线二层交换机（2光6配网终端加密FA（DTU）电）装置网线控制电缆RTU或开关站„„综自图2-4110kV变电站分布式配网自动化结构及配置图Fig.2-4Structureofdistributeddistributiongridautomaticsystem2.4本章小结本章具体介绍了智能变电站的技术特征和主要组成部分，分析了智能变电站与传统变电站的具体区别，并举例介绍了目前上海地区典型110kV智能变电站的情况。可以清楚的看到，智能变电站作为新技术，其特点本身就符合全寿命周期管理的要求。接下去本文将具体分析智能变电站的全寿命周期成本的组成并建立相应的模型，来计算智能变电全寿命周期成本。另外，将针对智能变电站与传统变电站的区别，具体分析比较智能变电站在全寿命周期内的优势。23 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型结合全寿命周期理论进行工程设计可以使得技术方案更加科学合理。目前上海市电力公司基建部要求所有110kV智能变电站的设计方案中必须有专门章节论述全寿命周期设计，可见电力公司对全寿命周期理论的重视。此项研究的目的在于在确保变电站安全稳定运行的前提下，在全寿命周期内尽可能的减少项目的全寿命周期成本。由此可见如何合理准确的估算出智能变电站的全寿命周期成本是设计优化的关键问题。显然，根据第二章的介绍，智能变电站同传统的变电站有很大的不同。必须结合智能变电站的特点，建立全寿命周期成本的估算模型，实现智能变电站全寿命周期成本的估算。本章首先介绍了全寿命周期成本分析的一些基本概念，之后介绍了一些常用的全寿命周期成本估算和修正方法，分析智能变电站全寿命周期成本的各个组成部分，根据分解建立各个部分成本的估算模型，并结合第二章的典设和估算模型来计算出智能变电站的全寿命周期成本。最后再结合智能变电站的特点，从全寿命周期的角度分析这些特点是如何优化设计方案的。3.1全寿命周期成本分析概述3.1.1全寿命周期成本定义全寿命周期成本(LifeCircleCost)的概念最早是在上世纪五六十年代由美国国防部提出的。其产生的背景是美国国防部通过一项调查研究发现武器系统后续的维护运营成本开支非常庞大，远远超过了初次进行采购时的费用。故他们提出了LCC的概念：即在系统的整个使用寿命期内所产生所有费用之和，包括了采购、开发、运营维修直到最后的报废回收等所有费用。我国在工程项目领域对LCC的定义是：工程从勘查设计、建造施工、建成后的运营、故障维修直到最后报废过程中发生的所有费用总和。3.1.2全寿命周期成本分析的特点全寿命周期成本分析法是对寿命周期中所有有关的支出和收入进行确认和量化的一门技术，它是作用是用来帮助项目的投资决策。通常用来对项目方案进24 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型行评估或在多个方案中进行选择。在寿命周期成本分析法中，由于拥有、运行、维护和最终处置而发生的所有成本都可以被认为是决策相关成本。同传统的概念和方法相比，全寿命周期成本分析具有以下特点：（1）在做设计方案时，不仅考虑初始费用，也要将寿命周期内的其他所有费用放在相应的位置上加以研究。（2）在设计方案阶段，工程正式实施前便考虑全寿命周期费用。（3）把全寿命周期费用作为设计方案的主要因素。（4）综合权衡各方面的因素。（5）为了更好地进行权衡，对整个工程各组成部分考虑多种方案，以便选择最佳的方案。（6）要准备好可以有效利用的费用数据库。全寿命周期成本评价的结果，在很大程度上取决于以上各要点的满足程度。如果以上的各要点不充分，则全寿命周期成本分析无法帮助作出正确的决策。3.1.3全寿命周期成本分析的内容LCC分析的首要问题便是要弄清楚整个智能变电站工程的LCC是由哪些部分组成的，既成分分解。在弄清楚了LCC的组成结构之后便根据每部分的特征及工程实际情况建立每个部分详细的估算模型。有了模型之后便利用目前工程估算中常用的一些方法对模型进行估算，再将各部分的计算结果汇总便可以得到智能变电站工程的LCC。由于变电站工程的时间跨度很长，估算的费用是贯穿整个寿命周期内的，同时资金是具有时间价值的，在进行评估时必须对结果进行相应的修正才能得到正确的结果。在得到方案的LCC后便可在此基础上对整个项目进行评估或对多个方案进行比选，这正是LCC分析和估算的最终目的。3.2全寿命周期成本（LCC）估算方法概述3.2.1常用的LCC估算方法目前有关LCC的估算方法比较多，本文主要介绍下比较具有代表性的三种方法：参数估算法、类比估算法、工程估算法。（1）参数估算法参数估算法是在深入分析大量历史数据的基础上，采用数理统计的方式将各种工程参数联系起来，进而建立表示这种关系的估算模型。利用模型便可以计算出成本费用。同时随着数据不断积累，可以对模型进行修正，模型使用的越多则其精度也越高。因此这种方法在LCC估算中应用最为广泛。25 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型但是，这种方法也存在着明显的缺点。首先就是其需要大量的历史数据，由于电力公司的LCC管理起步较晚，要获得详实的历史数据几乎是不可能的。其次，这种方法建立的模型只是表示过去的费用变化规律，变电站工程的时间跨度都较大，各地区地域差距也很大，这些差异就会导致估算模型的误差增大，影响决策结果。（2）类比估算法这一方法是通过参考相似设备的已知费用和相关参数。当新设备的一些特征和参数同现有的设备相类似，则可利用现有设备的数据，在此基础上对两者的不同之处加以修正，即可得到新设备的费用。这种方法可以用下面的公式来表示：(3-1)式子中C表示新设备的费用，C1表示参考的已有设备的费用，n表示对它们之间的不同点进行修正的系数。使用类比估算法需要利用各种不同影响因素对历史数据进行修正。一般先由相关专家或技术人员确定这些影响因素，并在此基础上得出费用。这种方法的准确度很大程度上依赖于基础数据库是否详实及参加评估的人员的水平，有一定程度的主观性。类比估算法一般在工程项目规划论证阶段采用。（3）工程估算法这一方法从检查和确定全寿命周期各个阶段费用细分之后的基本单元开始，利用分解结构自下而上地逐项计算，利用各种工程方法将计算出每个基本单元的费用，再将这些结果累加起来，便得到全寿命周期内的总费用。在计算费用时，必须得到各种费用的详细数据。比如估算设备费用必须由设计部门给出详细的设备清单，再由技术经济人员计算出详细的费用；估算运行维修费用就要有运维检修部门给出详细的计划及每次检修所需要的工作量，材料及人力成本等。由于工程估算法已经将项目全寿命周期内的所有内容都进行了细化，所以要用这种方法进行估算的话首先需要有非常详实的数据作为支撑，这需要整个项目牵涉到的所有部门一起配合完成，要求比较高。另外由于这种方法十分详细，它所需要耗费的时间也比较久。当然，这种方法的优点也很明显，其准确程度是最高的。由于工程估算法的这些特点，导致它一般只能用于详细设计阶段，比如施工图阶段和后续运行维护阶段；在项目的初期，由于无法获得详细的支撑数据，是没有办法准确的估算出全寿命周期费用的。3.2.2常用的LCC修正方法（1）基于年限的修正26 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型在进行LCC的计算和比较时，经常会遇到同类的设备或者需要比选的方案它们的运行年限即寿命周期是不同的。这就无法对LCC的计算结果进行直接比较，需要对运行年限进行修正后才能比较。常用的方法有两种：一是取两种年限的最小公倍数作为新的分析基准年限，另一种是去年均的LCC来进行比较。此种修正方法的优点是快速简便，缺点是精确度比较低，计算的结果误差较大。（2）基于经济参数的修正根据工程经济的概念，资金是具有时间价值的，即不同时间产生的相同数目的费用的实际价值是不同的。故在LCC比较时，需要将所有费用折算到投资的第一年进行比较，即采用净现值来进行比较，然后选取净现值费用较小的方案，这符合企业利益最大化的原则。但是当进行比较的两个方案的寿命不同时，要进一步将净现值根据年限折算成净年值，即表示方案每年的成本，取年费用较低的方案为优选方案，这样比较结果才更加科学可靠。1)净现值(NPV)计算公式：(3-2)其中i表示折现率，n表示寿命周期，F表示第t年的支出。2)净年值(NAV)计算公式：，，）（3-3）等额系列资金回收系数，，），i表示折现率，n表示寿命周期。3.3智能变电站LCC估算模型本节将建立智能变电站LCC的估算模型，综合运用参数估算、类比估算、工程估算三种方法计算智能变电站的LCC，最后采用经济参数的修正方法把结果都折算为现值。智能变电站的LCC指的是变电站整个寿命周期内所产生的总费用，由初始投资成本IC、运行成本OC、检修成本MC、故障成本FC及设备的报废成本DC五个部分组成。因此变电站LCC估算模型可以用下面的公式表示：LCC=IC+OC+MC+FC+DC（3-4）确定了智能变电站的LCC计算模型后，就要进行成本结构分解，明确每一个具体成本所包含的费用项目。在计算LCC时不应漏掉重要的费用项目，也不要重复计算费用项目，在这里统一称各个费用项目为成本因子。按照这一分解原则，智能变电站LCC多级分解如图3-1所示。27 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型图3-1智能变电站LCC分解图Fig.3-1ThedecompositionoftheintelligentsubstationLCC得到分解结构的结果后，接下来便需要根据项目不同的特点建立每一个分解项的估算模型结，同时利用相应的方法求出它们的值。3.3.1初始投资成本初始投资一般是指从工程项目立项开始，直到正式投运这段时间内产生的所有费用总和。根据图3-1将其分为建筑工程费、设备购置费、安装工程费、其他费用四大部分。其估算模型可以表示为（3-5）（1）建筑工程费（IC1）建筑工程费顾名思义就是在变电站工程中建造站区建筑物所产生的费用。以目前上海典型110kV智能变电站为例，建筑工程费主要包含了以下费用：站本体楼房的建设费用:由于是户内变电站，所有的设备均安置在这栋建筑中。主楼的建设费用主要包含了土建、接地照明、给排水、暖通空调等费用。站辅助建筑的建设费用：主要包含了站内道路、事故油池、电缆沟、站围墙和大门这些辅助建筑设施的建设费用。场地平整及赔偿费用：在开工之前需要对建设场地进行平整，另外若场地上有建筑需要拆除或绿化需要移走则会产生相应的赔偿费用。（2）设备购置费（IC2）设备购置是指变电站所有主要设备的采购费用，其中还需要考虑设备由厂家运输到现场所产生的运输费和厂家现场配合的服务费。一般可以用下面的公式进行计算：设备购置费设备原价（费率）（3）安装工程费（IC3）28 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型安装工程费是指采购的设备运到现场之后，施工单位将设备安装到位并进行调试所产生的所有费用。变电工程中安装工程包含的项目包括一次设备，二次系统，自动化系统，通信系统，站用电系统，全站电缆及接地，辅助系统。安装工程费可以采用下面两个公式进行估算：安装工程费设备原价安装费率或安装工程费设备重量单位重量安装费（4）其他费用（IC4）其他费用是指完成工程项目所需要的不属于以上三种费用的静态费用及工程动态费用之和，静态费用包括设计费、监理费等。动态费用则包括价差预备费和建设期贷款利息。3.3.2运行成本运行成本指的是智能变电站在日常运行过程中所产生的一些必要费用，主要包括能耗费用，维修保养费用和保险费用。其估算模型可以表示为：（3-6）式子中OC1表示能耗费、OC2表示维保费、OC3表示保险费。（1）能耗费用OC1智能变电站的能耗费主要由两部分组成：一部分是主变及站用变自身的运行损耗，另一部分是由站用变供电的站内各种设备运行所消耗的电能，包括站内的照明灯具、消防系统、排水泵、站用交直流系统、通信电源等等。一台主变压器或站用变压器挂网运行一年的损耗费用可以按下面的式子进行计算：(3-7)式子中：CB:变压器运行一年的损耗电费（元），P0:变压器空载损耗（kW），Pk:变压器负载损耗（kW），SN:额定容量（kVA），Uk:短路阻抗百分比（%），I0:空载电路百分比（%）8600、2200分别为变压器全年空载、等效满载（负载系数相当于0.5）小时数。0.65：电费单价（元/kWh）(3-8)总主站式子中：n表示变电站主变压器的台数，m表示站用变的台数。全站设备运行损耗费用可以通过负荷计算得到全站设备消耗的功率P，29 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型(3-9)8600表示设备全年运行小时数，0.65表示电费单价(元/KWh)总(3-10)（2）维保费OC2及保险费OC3参考文献[26]，维保费和保险费用可以按照设备的购置费的进行比例折算，折算系数为，分别取1.5%和0.25%(3-11)(3-12)3.3.3检修成本检修成本指的是对智能变电站设备或站内设施进行定期的维护所产生的费用。根据国家电网公司的标准，按专业分为变电检修和通信检修。另外，在有些时候受人员、技术和机械装备等原因，电网公司自身无法开展检修工作，需要将工作外包给具有相应技术能力的其他公司时，还会产生额外的外包费用。检修成本估算模型可以表示为：MC=MC1+MC2+MC3(3-13)式子中MC1表示变电检修成本、MC2表示通信检修成本、MC3表示外包费用。变电检修成本：变电站内一次设备、二次设备和自动化设备日常大修、小修所产生的费用，包括装置性材料费和耗材费用，不包括人工费和外包工程费。根据国家电网公司标准测算结果，核定单位容量的变电检修成本如下表所示：表3-135kV及以上变电站变电检修成本标准电压等级单位容量检修成本标准（元/MVA）35kV(20kV)变电站7169110kV(66kV)变电站3195220kV变电站2492330kV变电站2029500kV(750kV)变电站1137通信检修成本：变电站的通信线路、通信设备及其相关的各级调度的线路和设备因日常维修所产生的费用，同变电检修成本一样，只是包含了装置性材料费和耗材费，并不包含人工费、外包工程费等其他费用。根据标准，核定单位通信检修成本如下表所示：30 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型表3-235kV及以上变电站通信检修成本标准电压等级单位容量检修成本标准（元/站）35kV(20kV)变电站9838110kV(66kV)变电站13212220kV变电站24003330kV变电站39706500kV(750kV)变电站67970外包费用：电网公司因为人员、设备、技术等原因无法自己开展检修工作时候，将相应的工作承包给具有相应技术水平和资质的专业公司来完成检修工作所产生的费用。包括人工费，耗材费，机械台班费用，设备运输费用，外包单位的利润和税金等。根据国家电网公司的规定外包费用不得超过变电检修费用与通信检修费用之和的5%。考虑到外包任务的特殊性，各地区的差异性和外包单位的性质不同，核定的成本还应乘以一个调整系数。根据标准上海的系数取值为5.0。故上海市电力公司的外包检修费用的计算公式为：(3-14)3.3.4故障成本故障成本是指由于变电站设备发生故障后，对设备进行维修的费用，若造成停电还要计入停电所造成的损失费用。一般由中断供电惩罚成本（FC1）和设备修复成本（FC2）两部分组成，故FC的估算模型可表示为(3-15)式子中，中断供电损失成本FC1可以进一步表示为：(3-16)其中α表示用户平均中断供电电量的价值，用户的性质及所在区域不同，则α也会随之改变；W表示设备故障引起功率损失；T表示停电时间。为使α更加准确，本文采用平均电价折算法和产电笔法两种方法分别求出对应的α再取它们的平均值。取α为平均电价的25倍，根据平均电价法α=25x0.65=16.25(元/kW•h)。根据相关经济统计数据，2013年我国国内生产总值为56.8845万亿元，2013年我国全国发电量为52451亿kW•h，可得α=568845/52451=10.85(元/kW•h)。两者的平均值为13.55元，故本文将α定为13.55元/kW•h。W和T则根据具体设备情况来确定。对于设备修复成本FC2，由于设备故障情况的不确定性，此部分费用的不确定性也很大。考虑最一般情况，电气设备故障主要分为可修复和不可修复两类。31 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型当设备发生不可修复的故障时，只能采取整体更换的办法来修复故障。此时，修复成本可以用下式表示：(3-17)其中：T为计算周期，一般以年为单位，化为8600小时；MTTF为设备失效前的平均寿命；P为购买设备所花费的费用；FCC为坏设备的拆除费用，包括人工费、材料费和机械使用费等；FCa为新换设备安装调试费用。当设备发生可修复故障时候，需要知道规划年限内设备发生的故障次数及每次故障的时间，由于这方面数据比较缺乏，往往只可以得到大致的年平均数值。此时，修复成本可以表示为：(3-18)其中：T的含义一样取8600小时；MTBF为故障设备发生两次故障的平均间隔时间；CFt为设备单位时间的修复成本；MTTR为设备的平均故障修复时间。3.3.5报废成本报废成本DC指设备寿命周期结束后，需要设备进行拆除，运输至专门处理的厂家进行销毁所产生的费用。有些设备在处理的过程中它的组件或材料能够进行回收再利用的，也就是说该设备在报废过程中会产生一些收益，这种报废成本记为负值。其他在报废过程中所需要的费用记为正值。报废成本的估算模型可以表示为：(3-19)式中：DC1表示设备残值，作为成本考虑时应作为负值。DC2表示设备的拆除费用。这两部分费用也都可以从设备购置费和设备安装费用中进行折算得到，即：(3-20)(3-21)根据相关资料，本文中取5%，取50%。3.3.6智能变电站LCC估算流程根据前文对变电工程全寿命周期成本的分解及对每部分的建模，总结后得出智能变电站工程的LCC计算流程如下：（1）收集计算各分解部分（IC，OC，MC，FC，DC）的原始数据；（2）按照前面章节建立的模型对各部分进行计算；（3）将计算结果累加得到智能变电站的LCC；（4）通过基于经济参数的方法对LCC进行修正折算成现值，若是要用于多个寿32 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型命周期不同方案的比选的话还需要折算为净年值进行比较。3.4算例分析本节将利用3.3节建立的模型对一个目前上海地区典型的110kV智能变电站进行LCC估算。110kV学士智能变电站工程概况：本期建设规模为2台80MVA主变，110kV/10kV电压等级。110kV侧接线采用一进二出含支接变压器回路，10kV侧采用单母线四分段，出线32回，每台主变安装电容容量为12000kvar，10kV中性点采用经小电阻接地方式。最终规模为3台80MVA主变，10kV侧为单母线六分段，48回出线，土建按最终规模一次建成。3.4.1初始投资成本（IC）估算由设计部门做出初步设计，再由概预算部门做出工程的概算即得到了学士站的初始投资成本。整个项目包含建筑费，安装费，设备购置费及其他费用四大部分。其中建筑费为956.73万元，安装费为515.06万元，设备购置费为2828.98万元，其他费用为821.77万元（包括预备费，设计费和建设场地征用及清理费用）。整个项目的初始投资为5122.53万元，即IC=5122.53万元。3.4.2运行成本（OC）估算1、能耗费用估算学士站的能耗费用主要由两部分组成：主变及站用变的能耗及站内其他符合的运行能耗。（1）变压器的能耗的计算主变参数为：容量：80000kVA；电压分接头：110±8x1.25%/10.5kV；短路阻抗：24%；空载电流：0.4%；空载损耗：42kW；负载损耗：280kW。将这些参数代入式（3-7）可以得到=193.6万元，类似的得到=0.4万元。全站拥主站有2台主变及2台站用变，根据式（3-8）可得总万元。（2）其他设备的运行能耗对主要耗电设备进行负荷计算，统计站用电功率，具体计算结果见下表。33 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型表3-3学士站站用电主要负荷计算表额定容量安装台序号名称同时率k容量kVAkW数1照明配电箱33192110kVGIS加热及照明0.21212.43110kV断路器储能电源0.2120.671.614充电装置610.535三相电源及检修电源550.338.25610kV开关柜加热及照明0.1577111.55710kV断路器储能电源0.15680.202.048控制室交流电源41149消防报警系统电源111110空调电源5512511变电站智能报警系统电源0.2110.212综合自动化装置电源0.2110.213消防泵电源1520.515小计83.25取功率因数为0.9，可以得到P=83.25x0.9=75kW，代入式（3-9）可以得到万元根据式子（3-10）可以得到学士站1年的运行费用OC1=388+41.92=429.92万元。（3）基于经济参数修正由于在整个寿命周期内每年都会产生这笔能耗费用，同时资金是具有时间价值的，故需要将整个周期内的费用折算到现在的时间点上。根据国家电网公司规定，智能变电站主要一次设备的寿命周期为40年，故在折算现值时取40年为周期，折现率取7%。根据式（3-2）可得项目=5732.63万元。2、维保及保险费用学士站的设备购置费用IC2=2829万元，根据式（3-11）及（3-12）可以得到34 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型OC2=42万元，OC3=7万元。3、运行成本OC根据式（3-6）汇总上述计算结果即可得出学士站的运行成本=5732.63+42+7=5781.63万元。由此可见在站投运后产生的运行费用也十分巨大，已经超过了变电站的建设初期投资，所以在项目决策时必须以LCC做考量是十分有必要的。3.4.3检修成本（MC）估算学士站全站容量为160MVA，根据表3-1可以计算出MC1=160x3195=51.12万元。根据表3-2可以计算出MC2=1.32万元。再根据式3-14计算出=13.11万。从而可以得出单次检修的成本MC=51.12+1.32+13.11=65.6万元。取大小修比例系数分别为0.9和0.1，得到单次大修的成本为65.6x0.9=59.04万元，单次小修的成本为65.6x0.1=6.56万元。根据检修规程规定，设备投运后每3~5年需要进行一次小修，5~10年需要进行一次大修。故取小修5年/次，大修10年/次进行估算。在40年寿命期内需要进行大修3次，分别发生在投运后的第10年，第20年，第30年；进行小修4次，分别发生在投运后的第5年，第15年，第25年，第35年。为方便计算日常进行的小维护保养不计入成本考虑内。由于这些费用不是发生在投资的初始期，同样需要折算为现值，折现率取7%。经过计算得到3次大修的NPV之和为约为53万元，4次小修的NPV之和约为9万元。最后得到检修成本MC的现值为62万元。3.4.4故障成本（FC）估算故障成本中的设备修复成本由于智能变电站的设备众多无法统一，又有很多设备是新型设备，缺乏运行经验。要在项目初期对这部分费用进行估算比较困难，所以本次的算例中计算故障成本是不考虑设备修复成本FC2，仅考虑中断供电损失成本FC1。根据式3-16计算FC1：α取13.55元/kW•h；根据《上海电网若干技术原则规定》，两台主变运行时最高负载率不超过65%，故W=80000x0.65x2=104000kW；根据《2015国网社会责任报告》中的承诺，城市供电可靠性为99.975%。全年供电小时去8600小时，则停电小时数为2.15小时。计算得学士站1年的中断供电损失成本FC1=13.55x104000x2.15=30.3万元。在40年寿命周期内，取折现率7%，根据式（3-2）可得=403.95万元。当然今后电网的可靠性肯35 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型定会继续上升，这部分的费用也会随之减少。3.4.5报废成本（DC）估算110kV学士智能变电站的设备购置费为2828.98万元，根据式3-20可得DC1=-141.45万元。安装工程费为515.06万元，根据式3-21可得DC2=257.53万元。再根据式3-19计算得到总的报废成本DC为116.08万元。此项费用发生在40年寿命周期最后一年，修正为现值得到NPV=7.75万元。3.4.6110kV学士智能变电站LCC及结果分析将之前已经经过经济参数修正的各项计算结果代入式3-4，可以得到LCC现值为11328.86万元，而整个工程的初始投资仅为5122.53万元，占比仅为45%。由此可见仅仅基于工程的初始投资来进行决策是十分不科学的，必须考虑全寿命周期内的整个成本才能做出准确的决策。设计作为工程项目的指导，也必须考虑在设计方案是考虑LCC，帮助工程项目取得更好的经济效益。我们可以发现在LCC的后续运维成本中，检修和故障成本占的比重并不大。随着电网可靠性和设备可靠性的不断进步，这部分费用将进一步降低。可以明显的看到，变电站本身的运行成本为5732.63万元，站整个LCC的50.6%。如果变电站的设备能耗能够下降，这部分费用将会显著下降。相对于传统变电站，智能变电站设备更加集成，能耗更低，在下节中将具体举例分析计算。另外，在计算中发现能耗费用中占比最大的是大容量的高阻抗变压器，能够有效限制短路电流又能节能的变压器应该是今后变压器的发展方向。3.5智能变电站LCC的优化功能集成、设备简化是智能变电站设备的一个显著特点。本节就以目前已经运用的比较成熟的三种一体化设备（智能终端、合并单元一体化装置、交直流一体化电源、智能辅助控制系统）为例，从全寿命周期的角度来分析它们相对于传统变电站，分体式设备所具有的优势。3.5.1110kV智能终端、合并单元一体化装置智能终端和合并单元是伴随着智能变电站发展出现的新型设备，2台设备均是三层网络结构中的过程层网络设备。合并单元的主要功能是将电流互感器、电压互感器等模拟量就地数字化后，通过光纤传输给间隔层设备。智能终端则负责36 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型开关量和状态监测的就地数字化任务，也是通过光纤将这些数据传输至间隔层。1、技术原理智能终端、合并单元一体化装置可以同时采集合并传统TV/TA、LPCT、电子式互感器（光纤通讯接口）的原始采样数据，发送符合IEC61850-9-1、IEC61850-9-2的采样值信息给间隔层装置。装置同时具有智能终端的功能，可以采集一次设备在线监测信息和开关量，同时响应其他设备或系统发送来的命令，实现如五防控制，有载调压等多种功能。2、全寿命周期内的技术经济比较表3-4智能终端、合并单元一体化装置经济效益分析表智能终端、合并单元项目分散组件效益分析一体化装置一体化设计，减少配置的各电源分散设计，对上减轻通信调试、维护通信设装置数量，对上一个通信使用各自通信接口，工作量，提高通信的计接口，方便实现网络化系统接口数量多，接线复杂。可性。管理。装置及统一装置及接口配装置分别配置，接口重一体化设计，集成设备，接口配置，减少重复配置，复配置统一接口。置节约部分费用。各电源分散设计，装置减轻安装接线工作屏间连一体化设计，集成设备，及接口分散，屏间连线量。节省电缆费用线统一接口，屏间连线少。多。0.2万元。减化采购招标程序，设备由2家供应商提设备由1家供应商提供，节省采购工作日采购供，需采购2次。一次性采购。10天*100元/天=0.1万元。安装费用：2次×安装费用：1次×2000元安装协调方便，节省安装2000元/次＝4000元。/次＝2000元。近0.2万元。节省人员开支0.3万元/月(按每月维护2个专业进行维护。1个专业进行维护。1000元/人)，10年节约36万元消除了各厂家互相扯售后由2个供应商提供售由1个供应商提供售后服皮、责任推诿等现服务后服务。务。象；提高了售后响应速度。由此可见、设备集成后带来的好处是增加了可靠性，减少了采购安装成本，在后续维护过程中也减少了维护的成本。相对于2台分散的设备，在LCC上均有37 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型一定的优化。3.5.2交直流一体化电源1、站用电源系统现状及存在问题变电站的电源系统主要包括交流系统、直流系统、UPS电源及48V通信电源。在目前的传统变电站内，这些设备基本是由不同的厂家提供，分散布置在各自的屏内，屏可能还放置在不同的房间内。这样电源系统之间的兼容性就会产生问题，很难实现对电源系统的综合管理和分析，直接导致了目前电源系统的自动化程度很低。另外由于分散布置又是由不同厂家生产，肯定无法对设备进行优化整合。每套系统都需要自身完整的一套硬件，无法共享，在一定程度上造成了浪费。最后在后续运行维护时，每种电源的维护人员专业还不一样。比如负责交直流系统的是二次专业的人员，UPS则归属自动化专业的人员，通信电源又归通信专业管理，较为复杂的分工也加大了管理的难度，造成管理上的漏洞。目前智能变电站的发展方向是加强各系统的自动化水平，大力开发高级应用，使变电站真正的智能起来，但目前这种分散式的电源显然无法满足这一发展趋势的要求。2、.智能变电站交直流一体化电源系统的特点从系统的名字就可以看出一体化是系统最主要的特点，不仅减少了组屏的数量，减少了屏间的接线，从而方便了日后的运行维护工作。还最大限度的共享了各种配件，提高了厂家生产的效率。系统的另一个特点便是具备了完整的监控系统，对下属的各子系统的运行状况进行监视。还可以根据子系统上传的信息来判断系统是否运行正常，在发生故障时可以通过电源监控系统迅速发现是哪个子系统出现了问题。提高了整个电源系统的智能化水平和安全性。3、全寿命周期内的技术经济比较表3-5交直流一体化电源经济效益分析表项目传统站用电源交直流一体化电源系统全寿命效益分析各电源分散设计，独一体化设计，一体化监减轻通信调试、维立组屏，对上使用各控，对上一个通信接口，护工作量，提高通通信设计自通信接口，通信规方便实现网络化系统管信的可靠性。约不兼容，难以实现理。网络化系统管理。减轻了运行维护蓄电池组分别配置直流操作蓄取消通信、UPS蓄电池的工作量，提高安配置电池组、通信蓄电池组，全部由直流操作蓄全稳定。减少铅酸组、UPS蓄电池组。电池组作为后备电源。电池的用，有利于环境保护。38 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型统一防雷配置、综防雷配置防雷分别配置，不能站用电源统一防雷配合治理可减少重综合治理。置、综合治理。复置，节约部分费用。屏间连线各电源分散设计，独一体化设计，一体化监减轻安装接线工立组屏，屏间连线多。控，屏间连线少。作量。节省电缆费用2万元安装安装费用60000元。安装费用60000元。安装协调方便，费用基本持平。节省人员开支维护3个专业进行维护。1个专业进行维护。1.2万元/月(按每月3000元/人)，10年节约144万元。售后服务由4个供应商提供售由1个供应商提供售后避免了不同厂家后服务。服务。在配合上的问题，提高了效率。110kV变电站传统站110kV变电站采用一体设备投资节约3设备投资用电源设备投资84化电源系统设备投资81万元。万元。万元。上面的经济效益对比分析表格表明，采用交直流一体化电源系统经济效益显。通过上述比较，采用交直流一体化电源具有设备一体化以后，减少安装调试及后期维护的工作量及难度，全寿命周期成本下降显而易见。同时使得设备运行更加安全可靠、减少了蓄电池的数量，更加环保。故目前交直流一体化电源系统已经广泛使用在110KV智能变电站工程中。3.5.3智能辅助控制系统1、系统概述及结构变电站要正常运行，除了主要的一、二次及自动化和通信系统之外，还需要许多辅助系统，比如消防报警，站内外的照明控制，变电站的空调通风及全站的防盗报警系统等。这些都可以统称为变电站的辅助系统。随着智能变电站建设的推进，辅助控制系统的智能化也越来越得到重视。同变电站电源系统一样，辅助系统也包含着众多的子系统。目前这些系统也多是由不同厂家进行生产、安装、调试，使得各系统间无法很好的兼容，难以进行高效的管理。另外目前辅助控制系统的自动化水平还很低，像照明，空调，排风这些系统很多时候还需要工作人员到现场手动进行控制。离开智能变电站智能化自动控制的要求还十分遥远。在这样背景及需求下，智能辅助控制系统便诞生了。目的在于解决辅助系统39 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型上述的问题，确保变电站的安全稳定运行。系统将照明控制、空调控制、给排水控制等子系统整合在一起，实现了信息的共享和交互。同时进行统一的监控和控制，解决了各系统的兼容性问题，提高了资源利用率，大大提高了对于辅助系统的管理水平。下图为智能辅助控制系统的结构图：图3-1智能辅助控制系统结构图Fig.3-1Thestructureoftheassistedcontrolsystem2、全寿命周期内的技术经济比较表3-6智能辅助系统经济效益分析表项目传统变电站辅助系统变电站智能辅助控制效益分析系统各子系统分散设一体化设计，一体减轻系统调试、维计，独立组屏，装化监控，实现相同护工作量，提高系系统设计置及接口分散，屏的通信规约与接统可靠性。减轻安间连线多。各自使口，方便网络化管装接线工作量、节用通信规约，互不理，集成设备，屏约劳动成本，节省兼容，难以实现网间连线少。电缆费用。络化管理。分别配置视频监取消分散子系统，减少运行维护工系统配置控、消防、门禁、全部由辅助控制系作量，提高运维效照明、电子围栏等统管理，对站内辅率、节约劳动成子系统。助设备进行合理功本。能配置。集中接入，需要大分布式网络接入，降低施工的硬件前端接入量布线，扩展性不布线少、施工周期成本、缩短施工周好，不适合改造工短，扩展方便，采期。程。用无线网络降低综合成本。40 上海交通大学工程硕士学位论文第三章智能变电站全寿命周期成本分析及估算模型各子系统相对孤视频与安防、火灾、提高管理的效率、立，子系统之间、告警信息联动；温节约劳动成本。子系统联动系统与视频之间湿度告警与空调联没有联动机制。动；灯光与门禁、视频监控、消防系统联动。变电站信息化、自辅助系统各子系统有效地提高“大运动化、互动化水平相互联动，变电站行”、“大检修”的系统效应较低，传统的运互动化水平高，为效率。行、检修模式效率运行、检修工作提与安全性较低。供重要支撑。各个系统独立，需所有的子系统进行减轻维护工作量、管理与维护要独立的子系统集中管理和维护。提升工作效率，节进行分别管理和省人员开支。专业维护。设备由多家供应设备由一个厂家提简化采购招标，节商提供，需采购多供，一次性采购，省采购时间。安装采购、安装与售后次。并由多个厂家并由一个厂家提供协调方便。消除各提供售后服务。售后服务。厂家责任推诿现象，提高售后响应速度。通过上述比较，使用变电站智能辅助系统能够减少安装调试及后期维护的工作量及难度，全寿命周期成本下降显而易见。同时使得设备运行更加安全可靠、也符合目前智能变电站的发展趋势。故目前110kV智能变电站中普遍采用变电站智能辅助系统。3.6本章小结本章介绍了LCC估算的内容、特点及常用的计算方法和修正方法。分析了智能变电站LCC的五个组成部分，并建立了详细的估算模型。利用模型对110kV学士智能变电站进行了LCC估算，得出初次投资仅占整个LCC的45%，后期运行维护占LCC比重很高的结论。所以必须改变原有基于初期投资进行设计的方式，采用基于全寿命周期成本的方式进行设计和决策。最后从全寿命周期角度分析了目前采用较多的三种智能变电站设备相对于传统设备的优化，证明其有良好的经济效益。41 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策第三章中建立的智能变电站LCC估算模型需要的数据量比较多，由于全寿命周期管理在电力企业中才刚起步，基础数据严重不足。同时，智能变电站工程建设运维周期长，关联设备复杂，有很多的不确定性。要运用第三章建立的模型，设计深度起码要达到初步设计或施工图的深度，但很多情况时，项目的决策会发生在更加早期，这是往往是请有经验的工程技术人员根据自身的经验来对方案进行估计、比选、决策。由于实际问题往往非常的复杂，充满了各种不确定因素。又由于我们的思维本身就是模糊的，认识问题有明显的局限性。即使资深的专家有时不能给出准确的信息，只能给出一个区间。因此引入区间数理论，使得在项目早期能够更加合理的对LCC方案进行决策。本章将利用区间数理论中的三元区间数来表示LCC模型中的五个属性（IC，OC，MC，FC，DC），结合决策科学中的TOPSIS模型对多个LCC方案进行比选决策。4.1三元区间数的基础知识为了方便对本章提出的基于三元区间数的多方案决策模型进行描述，本节首先对三元区间数的一些基础知识进行简单的介绍。4.1.1三元区间数的定义三元区间数是用3个参数来表示一个区间数，记为，，，其中，表示区间的下限，称为三元区间数的小元；表示区间的上限，称为三元区间数的大元；表示在此区间中取值可能性最大的数，即信息偏好值，称为三元区间数的特元。在三元区间数中，特元的取值机会最大，即偏好信息值在区间里面出现概率最大。而由向上限的大元或向下限的小元取值的概率都在递减。以决策者对某商品性能打分为例，决策者认为性能中等即a=5的概率为30%，性能良好即a=7的概率为60%，性能优秀即a=9的概率为10%，若用传统的二元区间数来表示商品的性能[5,9]，无法充分的反应出完整信息。若采用下面的形式来表示42 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策虽然能够较为全面的反应出整个问题包含的信息，但在实际操作中很困难，因为决策者很难给出每种情况发生的概率，一般只能知道大概的范围和什么最有可能发生。故采用三元区间数[5,7,9]来表示的话既包含的整个区间的范围，同时又突出了发生概率最大的情况。可见三元区间数在一定程度上弥补了传统二元区间数的不足。4.1.2三元区间数的运算法则设有两个三元区间数，，和，，，则（1）加法运算：，，，，（2）减法运算，，，，（3）乘法运算，，，，（4）除法运算，，，，（5）倍数运算当k≥0时，，，，，当k＜0时，，，，，4.1.3三元区间数的排序关系及距离1、三元区间数的排序关系传统的区间数排序方法主要是基于可能度的方法，其基本思想是根据占两区间数之和的比例来判断的可能度大小。但可能度的方法并不适合三元区间数。文献[7]在现有研究的基础上，提出了一种考虑了三元区间数重心的排序方法。设有两个三元区间数，，和，，，记：43 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策，，则称，，为的可能度。对两个三元区间数进行排序时，根据可能度是否大于0.5来进行排序，当时，，否则。2、三元区间数的距离在实际应用中，三元区间数的距离测度是一个很重要的问题。文献[7]在原有研究基础上给出了一种计算距离的方法。不仅考虑了三元区间数的上限、下线、重心点三个主要特征量，还考虑了重心点的特殊性，确保重心点在区间内的取值权重最大。设有两个三元区间数，，和，，，则称：，（4-1）为与之间的距离，其中，。、、是三元区间数三个特征量的权重系数，是根据决策者的偏好来确定的。如果是效益型问题，决策者是激进追求效益型的则；若决策者是保守型则；若决策者是平衡型则。最后，距离有如下性质：（1），，；（2），，，当且仅当；（3），，，。4.2基于三元区间数的智能变电站LCC决策模型本节将三元区间数引入至TOPSIS决策模型中。TOPSIS决策模型是一种常用的多属性问题决策方法，它具有符合逻辑、直观、可靠等特点。LCC多方案的决策恰恰是一种多属性决策问题，LCC的五个组成部分IC、OC、MC、FC、DC可以看做属性集合的元素，多个方案又可以看做是方案集合的元素。三元区间数可以反映出在项目决策的时候的不确定性。所以基于此建立的模型可以较好的解决LCC方案决策的问题。44 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策4.2.1决策矩阵及其标准化对于多属性多方案决策问题，设，，，}为方案集合，，，，}为属性集合，则决策矩阵用三元区间数的形式可以表示为：，，，（4-2）由于每种属性是不同的，为了消除各属性指标间的不可公度性和统一各个属性的趋势要求，必须对决策矩阵进行标准化处理。常见的指标类型有三种：效益型（越大越好）、成本型（越小越好）和固定型（越接近某个数值越好）。本文涉及的LCC显然是成本型问题，故采用成本型指标标准化公式：，，，，（4-3）最后得到标准化矩阵，，，（4-4）4.2.2三元区间数的熵及权重由于在实际应用中，人们常常需要对多属性决策问题中的每个决策指标，依据其相对重要程度，赋予权重系数。按照信息熵的原理，某个指标的信息熵越小，那么它的指标值相差程度就越大，它所反映出来的信息量也越大，对整个问题决策所起到的作用就越大，那么赋予它的权重系数也应该越大。反之，若信息熵越大，则其权重系数最后应该越小。根据相关文献，三元区间数，，的截集为，（）其中在[0,1]取值。设决策者的信息度用λ表示，λ，则对于保守的决策者λ=0；对于乐观的决策者λ=1；对于中立投资者λ=0.5。令属性值，，的熵Hj为：45 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策λλλ(4-5)λ，，，（4-6）λ，（4-7）在求得属性值的熵之后便可以进一步计算出属性的权重wj：（4-8）4.2.3三元区间数的TOPSIS决策模型TOPSIS是一种常用的多属性决策方法，它能够充分反映各方案之间的差距，具有符合逻辑、直观、可靠的特点。模型基于三元区间数的决策步骤如下：（1）根据式（4-3）将决策矩阵化为标准化矩阵；（2）根据式（4-5）-（4-8）求出属性的权重；（3）确定属性的正理想解，，，，，;（4）确定属性的负理想解，，，，，;（5）利用距离公式4-1和求出的权重计算出各方案与正理想解的综合距离，，，与负理想解的综合距离，，；（6）计算出各方案与正负理想之间的贴近度：，，（4-9），，（7）根据贴近度的大小对方案进行排序。可以看出此决策方法主要有两方面的特点，首先是突出了重心在三元区间数中取值可能性最大的特点，第二是定性与定量相互结合，使得决策者可以根据各种不同的环境进行调整，面对现实中复杂模糊的问题时显得更加灵活。4.3算例分析本文以智能变电站的三个方案的比选为例，用三元区间数表示变电站全寿命46 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策周期成本的五个属性，原始数据参见下表（所有数值均为现值）：表4-1各方案LCC方案IC（万元）OC（万元）MC（万元）FC（万元）DC（万元）A1[5080,5120,5200][5500,5700,5900][55,62,68][380,400,410][8,10,12]A2[5450,5670,5800][4850,5000,5120][38,42,44][320,360,385][12,15,17]A3[4800,5000,5300][5600,5800,6000][65,70,73][420,430,440][10,12,15]（1）根据式4-3将原始数据标准化，得到标准化矩阵：（2）根据式（4-5）~（4-7）计算出每项属性的信息熵Hj，这里假设决策者均是平衡型无偏好，故计算过程中取；λ。经计算的H1=0.63；H2=0.3248；H3=0.478；H4=0.565；H5=0.583。（3）根据式（4-8）得到各个属性的权重w1=0.153；w2=0.279；w3=0.216；w4=0.18；w5=0.172。（4）确定正理想解：（（5）确定负理想解：（（6）计算各个方案同正负理想解得综合距离，这里仍然假设投资者是平衡型即。本文取，。根据式（4-1）计算可得：，，，，，，，，，（7）根据式（4-9）计算各方案与正负理想解之间的贴近度，可得C1=0.608，C2=0.675，C3=0.229。根据贴近度大小的对方案进行排序，即方案二>方案一>方案三。4.4本章小结本章引入了三元区间数来描述了智能变电站LCC的组成属性。不仅给出了数47 上海交通大学工程硕士学位论文第四章基于三元区间数的智能变电站LCC多方案决策据的可能取值范围，同时还给出了数据最有可能的取值，从而解决了实际应用过程中数据的不确定和模糊性问题。引入了三元区间数距离和信息熵的概念，并结合决策科学中的TOPSIS决策模型建立了基于智能变电站LCC的多属性，多方案的决策模型。该模型具有适应环境能力强的特点，可以根据决策者的不同喜好及不同类型的问题进行调整。同时计算简便易于理解，具有较好的实用价值。本文的创新点在于将三元区间数的多属性决策模型应用于全寿命周期成本的研究决策中，此前的研究大多集中于灰色系统理论、模糊理论或盲数理论与全寿命周期成本估算的集合，但基于区间数理论的研究还比较少。此模型的提出对于解决项目初期，对不同方案的决策问题有较高的实用价值。48 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化随着国家电网公司全面开展智能变电站的建设及全寿命周期管理及各方面技术水平的进步，各种新技术，新材料和新设备不断出现。在设计中采用这些新技术、新设备对智能变电站进行优化，有些可以减少智能变电站的全寿命周期成本，方便未来的运行维护管理；有些则可以使变电站更加节能环保具有更好的社会效益。既符合国家电网公司打造绿色智能电网的企业愿景和社会承诺，也符合公司的经济利益。本章就是介绍下近两年来在上海地区110kV智能变电站工程设计中所采用的一些新技术。5.1光伏微网系统随着光伏发电技术的发展，它的技术越来越成熟，系统建设的费用也在不断降低，使光伏发电这一理想的清洁能源切实的进入到了我们的日常生活。上海作为特大型城市，虽然没有我国西部地区那样建设大规模光伏发电厂的条件，但众多的楼房屋顶若能利用起来进行光伏发电，每年将节约可观的燃煤并减少二氧化碳的排放，实现节能环保。关于城市楼房屋顶建设光伏发电系统国内外各方已经做了很多研究并已经有了不少实际的工程案例。在上海地区就有居民楼顶自建光伏发电系统供自己家用电，世博主题馆建设时也在利用屋面建设了光伏发电系统，设计发电功率约为2.5MW，年发电量可达250万kWh，每年可减少约2500吨CO2排放量、节约标准煤1000多吨，已成为目前国内单体面积最大的太阳能屋面。国家电网公司这两年开始明确表示支持光伏小电源的发展，并同意小电源的发电余量上网，并制定了相应的技术规范和典型设计。除了支持社会上的光伏项目，国网公司自己也在不断摸索研究光伏系统在目前电网中的运用。上海电力公司结合110kV迪斯尼智能变电站的建设试点研究了光伏微网系统在智能变电站站用电系统中的使用。目前110kV迪斯尼变电站已经建成投运，相信其积累的运行经验可以为智能电站光伏系统的进一步推广起到积极的作用。5.1.1系统组成1、系统容量49 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化以目前上海典型的110kV变电站屋面为例，其平顶能够安装太阳能电池板的面积约为500m2。目前主流使用的太阳能多晶硅电池板约1.65m长，1米宽。去除所需的巡视维护通道。约可以安装100块电池板。每块电池板的功率为245Wp，系统的总功率为24.5kWp。逆变器的转换效率约为90%，故此光伏系统实际容量约为22kWp。光伏系统的发电高峰时间在上午10点至下午3点之间，更具统计，此时的变电站正常负荷约在10-15kW（夏季空调负荷不考虑），因此发电系统略有盈余，可以配置储能系统储存多余的电量在光伏系统发电量不足时补充站用电负荷。由于光伏发电出力不稳定，储能系统容量若过大，难以靠光伏剩余电量充满，故储能容量选择30kWh。2、电气主接线目前新建设的变电站站用电系统均采用交直流一体化电源系统，2台站用变压器进线经过ATS切换后接入站用电交流母线的单母线接线形式。在微网系统加入后，如图1-1改为单母线分段接线形式，I母为交直流一体化电源系统交流柜400V母线，II母即为微网接入柜的400V母线，2条母线间设置分段开关。站内照明动力电源均接入微网接入母线。站内的重要负荷，比如直流系统和UPS从2条母线各引一路进线，通过ATS切换后进行供电，进一步提高了直流和UPS的供电可靠性。其他一些重要负荷也同直流系统和UPS一起同时接入到2条母线。光伏微网发电系统按照最大功率跟踪模式进行工作，即当光伏发电量小于负荷用电量时，与储能系统和站用变一同给站内负荷供电；当光伏发电量大于用电负荷时，给储能装置充电。图5-1光伏站用电系统接线图Fig.5-1Thestructureofphotovoltaicpowersystem50 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化5.1.2效益分析本微网系统的光伏组件的发电容量在22kWp，考虑光照强度，安装方位角，线路损失等因素，系统的平均输出功率在20kWp左右。根据气象资料，上海地区的年平均日照时间在1900小时左右。故理论上光伏系统的年发电量为20kWp*1900h=3.8万kWh。以1千克标准煤可以生产3千瓦时计算，光伏系统每年可以节约燃煤约12.6吨。每吨标准煤约排放2.6吨二氧化碳，则全年可以减排二氧化碳约33吨。在全寿命周期内，理论上光伏发电系统可以为节省一笔可观的智能变电站运行费用，但光伏系统目前还是比较新的事物，其部件的稳定性，发生故障的几率及之后维修维护的花费目前还都没有数据可以参考。从全寿命周期成本角度目前还无法很好的测算光伏系统是否经济效益良好。但其在环境保护方面的优势是毋庸置疑的，清洁能源也是日后发展的必然趋势，光伏系统在智能电网中的运用必将越来越广泛。相信将来随着光伏系统的推广，其系统初期投资成本及维护费用都将明显下降，其在全寿命周期成本方面的优势将体现出来。5.2建筑信息模型(BIM)建筑信息模型技术是近年来新应用于建筑设计领域的一项新技术，它是指在建筑施工图设计阶段对工程项目进行详细的数字建模。在进行施工前就进行各个专业的整合，从而有效解决施工阶段各个专业由于协同上的不同造成的施工中的问题，比如暖通、给排水、电气等不同管线打架的问题。由于在模型阶段就能模拟出这些问题，对设计图纸进行修改，就避免了施工过程中的反复反工及浪费，从而节省施工费用。在今后设备运行维护阶段，由于模型是根据工程实际情况建设的，各种设备参数比较详细，方便了今后设备运行，故障维修施工等问题，进而节约在工程全寿命周期中站比重很大的运维费用。目前使用BIM模型建设的项目在建筑行业已经很多，比较典型的就是上海中心和迪斯尼乐园城堡。在电力行业中，国网和南网已经有一些500kV变电站或交直流换流站中使用了这项技术。近年上海市电力公司同上海交通大学等单位合作了变电站数字化移交的课题，提出了采用BIM模型进行智能变电设计，并在220kV即墨变电站的建设中采用了这项技术。在110kV学士变电站的设计中也提出了要采用BIM技术，实现设计方案的数字化移交。下面就以110kV学士站BIM建模过程为例，来介绍下项目实施的过程，并简单分析下其全寿命周期内的效益。51 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化5.2.1项目的实施首先以设备为单位建立BIM模型，形成模型库。如图5-3所示，模型库包含了110kV智能变电站的各主要设备。模型库的建设是一个积累的过程，目前在起步阶段，可能很多设备都要重投开始建模，但随着工程的积累，这个设备模型库数据会越来越多，今后的建模只需要从库中调用模型直接调用，将大大节省项目建模的时间及成本。图5-2110kV变电站主要设备BIM模型图Fig.5-2BIMmodelsofthemain110kVsubstationequipment在设备模型建立完之后，就需要将设备放到变电站中进行组装并建立建筑模型，从而形成完整的变电站模型，如图5-3所示。图5-3110kV变电站BIM模型图Fig.5-3BIMmodelsofthe110kVsubstation52 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化最后，需要根据设备今后运行维护的需要对建立模型进行数字化封装，满足设计数字化移交的标准，同时为运行维护系统的二次开发提供数据基础。如图5-4所示。图5-4设备运维信息封装Fig.5-4thedetailinformationoftheequipment5.2.2基于变电站数字模型的设计应用这里简单的介绍下在项目设计中BIM模型的实际应用价值。1）结合GIS创建数字地型，做到在真实的场地中进行设计，可以直观的评估变电站对周边环境的影响，及周边环境对变电站的影响。一个典型的应用就是场地高程分析，如图5-5所示，将学士站模型整合到数字地型中做分析，可以发现110kV学士站所处地区地势低洼，并且靠近海边，必须做好防台防汛预案。通过简单直观的分析，在设计阶段就对今后会发生的自然灾害做好准备，可以有效的减小灾害来袭时候的损失，显著降低全寿命周期成本中的故障成本。53 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化图5-5变电站场地高程分析图Fig.5-5theheightanalysisofthesubstationbuildingsite2）管线综合。变电站工程的建设过程中，进出线电缆的走向电缆沟的位置的设计必须考虑市政道路上原有管线的情况，避免打架。在电缆进站后，在电缆夹层的走向如何，电缆及各种桥架同站内的暖通、给排水管道如何避免碰撞也是目前设计阶段面临的一个难题。经常会碰到到施工时发现碰撞，重新返工，造成工期的延误及材料的损失。建立BIM模型后的管线综合碰撞检测很好的解决了这一问题，在设计阶段就避免了施工过程中的返工和浪费。这也是目前BIM在建筑行业中应用价值最大的地方。图5-6基于BIM的管线碰撞检测Fig.5-6PipelinecollisiondetectionbasedonBIM3）其他。基于BIM模型还可以进行自动出图，一处设计修改，所有相关设计都会联动修改，从而将人工错误的概率降低。另外还可以基于模型直接统计工程量，为工程预算提供便利。目前模型还支持发布到移动端，如手机，平板，在施工时可以进行可视化的交底。今后运行维护时候，可以直观的看到各种设备的情况，提高运行维护的效率；近年国网系统内发生的多起人身伤害事故很多是由于对现场设备情况了解不清楚所造成的，今后若有了BIM模型的辅助，肯定会大54 上海交通大学工程硕士学位论文第五章新技术的运用对于智能变电站LCC的优化大提升运维检修时候的安全性。5.2.3效益分析目前建设一个110kV智能变电站的BIM模型的成本大约在10-20万之间，若建模精细度要求更高的话费用也会相应上升。但相对于110kV智能变电站整个工程数千万的投资来说，所占的比重很小，今后随着设备模型库的完善，变电站建模时间和成本更将大幅度下降。就其效益来说，在全寿命周期的初期投资阶段就可以有效降低施工的费用，主要体现在避免各专业管线的碰撞所造成的返工及材料损失。在运行维护阶段，可以通过事先的一些分析对某些灾害事先作好预案，避免造成设备故障及停电损失。同时在日常运行维护中，通过直观详细的模型，提升运行维护的效率及安全性。相对于BIM模型所产生效益来说，它的建设投资可以说是微不足道的，这点在上海中心工程建设及运维中已经得到了很好的证实。数字化建模，数字化设计移交也符合目前智能变电站全数字化的发展方向，今后必将有广阔的应用空间。5.3本章小结本章介绍了几项智能变电站建设中所出现的新技术或新设备，并从全寿命周期的角度分析了它们的效益，可以看到这些新技术和设备均能够有效减少目前智能变电站的全寿命周期成本。也可以看到目前全寿命周期理论作为一种先进的理念能够很好的融入目前智能变电站的设计、施工、运维等方方面面。随着全寿命周期管理的推广及其理念的深入，今后围绕智能变电站的新技术、设备及设计施工等环节都将在这一理论指导下开展并推动今后我国智能电网的发展。55 上海交通大学工程硕士学位论文第六章总结与展望第六章总结与展望6.1主要研究成果本文较为深入了分析了全寿命周期理论在智能变电站设计过程中的应用，具体的研究内容和成果如下：（1）介绍了目前智能变电站的主要特征，采用的设备及技术。结合工程实例分析了目前上海地区110kV智能变电站的设计方案。（2）简单介绍了全寿命周期理论及其特点，并介绍了目前一些主要的全寿命周期成本估算方法及结果修正方法。（3）分析智能变电站工程的组成，对其在全寿命周期内的初始投资、运行维护成本、检修成本、故障成本和报废成本分别作了详细的分析并建立了估算模型，从而建立了智能变电站的全寿命周期成本估算模型。结合110kV学士变电站工程，利用模型及估算方法计算了其全寿命周期成本，体现了全寿命周期理论在智能变电站设计过程中的适应性及科学性。（4）结合智能变电站的特点，从全寿命周期成本的角度分析了合并单元智能终端一体化装置、交直流一体化电源和智能辅助控制系统对于智能变电站LCC的优化。（5）引入三元区间数及其相关概念，结合TOPSIS决策方法。建立了智能变电站LCC多属性多方案决策模型。解决了LCC估算决策问题中的不确定性。（6）分析比较了目前设计工作中采用的一些对智能变电站进行设计优化的新设备和新技术。从全寿命周期的角度分析了它们所带来的效益，进一步证明目前基于全寿命周期理论进行智能变电站设计的科学性与正确性。6.2研究展望要真正的将论文的研究结论进行推广，实现基于全寿命周期理论的智能变电站设计，还需要做好以下工作：（1）在电力企业中全面推行全寿命周期管理，建立相关的数据库，收集更加完善和详细基础数据。对各阶段的全寿命周期成本模型进行修正，使估算结果更加准确。并建立标准设备全寿命周期成本数据库，提升设计中设备选型工作的56 上海交通大学工程硕士学位论文第六章总结与展望速度和效率。（2）结合更多的基础数据及算例，完善基于三元区间数多属性决策模型，使其更具有实用价值。（3）将基于全寿命周期理论的一些新技术设备的应用成果标准化，逐步从试点工程推广到所有智能变电站。57 上海交通大学工程硕士学位论文致谢致谢我的硕士毕业论文，从题目的确定、到资料的阅读、提纲的确定，到正式开题，直到最后的撰写、修改到正式定稿，由于是在职攻读工程硕士，平时工作繁忙，历经了差不多1年半的时间。在整个过程中，我最感谢的无疑是我的导师顾洁副教授。从小论文的撰写发表，到大论文的思路，修改意见等，顾老师以她渊博的学识和严谨的治学态度给了我很大的帮助。在她繁忙的教学和科研之余，总能及时耐心的回复我提出的各种问题，给与我指导。在此，我要对顾老师表达深深的感谢及敬意。另外，我要感谢自己的父母、妻子。正是家人的关心和支持才能使我能够在工作之余，能够继续完成学业。值此毕业之际，经历过的所有困难和付出都将过去，感谢一路来支持、关心和帮助过我的所有人，感谢大家！张作鹏于上海交通大学2015年5月58 上海交通大学工程硕士学位论文参考文献参考文献[1]国家电网公司基建部.智能变电站建设技术.北京：中国电力出版社.2011[2]帅军庆.电力企业资产全寿命周期管理理论、方法及应用.北京：中国电力出版社.2010[3]潘巍巍，方旭初，吴国威，周辉.电网资产全寿命周期过程性管理及应用.北京：中国电力出版社.2012[4]刘志斌，姚建刚，颜勇，汪觉恒，张吉栋.变电工程全寿命周期成本评价.北京：中国电力出版社.2012[5]胡启洲，张卫华.区间数理论的研究及其应用.北京：科学出版社.2010[6]刘秀梅，赵克勤.区间数决策集对分析.北京：科学出版社.2014[7]闫书丽，刘思峰，朱建军，方志耕，刘健.基于熵测度的三参数区间数信息下的TOPSIS决策方法.中国管理科学.2013（12）:145-151[8]Zhi,H.Simulationanalysisinprojectlifecyclecost[C].CostEngineering,1993,35(12):2-12.[9]KarlssonD,WallinL,OlovssonH.-E.,SolverC.-E.Reliabilityandlifecyclecostestimatesof400kVsubstationlayouts[J].IEEETrans.OnPowerDelivery,1997,12(4):1486-1492.[10]Verho.P,Jarventausta.P,Kivikko.K,etal.Applyingreliabilityanalysisinevalutionoflife-cyclecostsofaltenrativenetworksolution[J]Euro.Trans.Electr.Power,2006,16;523-531.st[11]DongJ,WeiF.J.Astudyonlifecycle-orientedanalysismethodofprojectcost[C].The1InternationalConferenceonInformationScienceanEngineering,2009;4153-4157.[12]WarrenJ.L.,WeitzK.Adevelopmentofanintegratedlife-cyclecostassessmentmodel[J].IEEEOmyrtmsyopms;SymposiumonEletronicsandtheEnvironment,1994:155-163.[13]MoreaF,ViciguerraG,CucchiD,etal.Lifecyclecostevaluationofoff-gridPV-Windhybridthpowersystems[C].The29InternationalTelecommunicationsandEnergyConference,2007;439-441[14]BojicM,DragicevicS.Optimizationofsteamboilerdesign[J].PowerandEnergy,2006,220:629-634[15]WiesR.W.,JohnsonR.A.,AgrwalA.N.SimulinkmodelforeconomicanalysisandenvironmentalimpactsofaPVwithdiesel-batterysystemforremotevillage[J].IEEETrans.Onpowersystems,2005,20(20:692-700[16]NilssonJ,BertlingL.Maintenancemanagementofwindpowersystemsusingconditionmonitoringsystems-Lifecyclecostanalysisfortwocasestudies.{J}.IEEE.Trans.onENERGYCONVERSION,2007,22(1):223-229.[17]Amoiralis.E.I.,TsiliM.A.,GeorgilakisP.S.,et.al.Energyefficienttransformerselectionthimplementinglifecyclecostsandenvironmentalextemalities[C].The9Internationalconference,ElectricalpowerQualityandUtilisation,Barcelona,2007:9-11[18]张怡，腾乐天，凌平.浅析LCC管理在上海电力系统的应用.上海电力.2004（3）[19]韩天祥，黄华炜，陆一春.LCC管理技术在国外电力系统的研究与应用.上海电力.2004（3）[20]孟科，张恒喜，段经纬，等.基于未确知数理论的装备全寿命费用定性估算方法.电光与控制.2005(6).[21]蒋跃强，李福兴，高翔.基于LCC的变电站改造风险评估模型研究.59 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上海交通大学工程硕士学位论文参考文献[45]吴杨.智能变电站与常规变电站的全寿命比较[硕士论文].北京：华北电力大学.201161 上海交通大学工程硕士学位论文附录附录攻读硕士学位期间已发表和录用的论文情况1.张作鹏，顾洁.光伏微网在变电站站用电系统中的应用[J].机电信息，2011,33（11）：126-12762 T犁≡曰幸￥=弭=胂幸西酣田砷斟毕Ψ劲秦弘勃丫畀军孬上捌秦阜骈￥谫昆劲诳劲秦盯邛骣明丫′‘回罩秦谫聊凵哲圉墩髫国￥曜凵lll狂绋弘辽黎菖明丫由妫叱即士驯V‘块弘图豆粱丫唑图影YΨ弼T潞鲧迈蝥￥秦妲ⅪΨ龀劲秦°诳羊狃曜孬明雌d钐t·母Y黟獗￥阜氍劐勘黎孚聊上Π彳X、田缗出‘′dJ蜴曰獯鑫骈葛1华菇士谫母叱△Ψ黟马奈髀丫°淌叫黜晒呷吩湘泮龋‘~孕西秦Ψ弘鳘丫士业毋谫尸°)敦a犁T丫军1fM藓”广(“hz/:鹅华￥珍珈骣醐1冫三匕J昂:鹅gqHf嵫"日日r:潴。~F切日日:踊鸟目日 =郅T豇￥幸幸马弘耳lls当单劲幽Yˇ孳覃搔:腼驺百逆明秦诳玛丫瞽Yˇ犁F舍尘明舞含⊥‘‘T趿黎1L勘」刂I形勃绍壬9-】冫讠1莒r叨】f?‘皙彗讠J°彳古:z.I烹2中:I:.;Ξ珀|ε盯M叨)sz彡q矽‘^歹苹髀丫丐业uI,弓￥缈Y◇彰狙勒口钐群挲狙彐∶。;{;豇〔劫留罾凿^静°搬ˇ明丫搜彤酗甲覃重叨獬兰Y◇叱彰呦妍口犁丫中Ⅺ腼聊￥孚‘斟腼°Y苹军孬罩涣n芰苹Efg孳明泓渤彰凿甲Yˇ潼酣°秦髀玛J/,丫畀勐:髟卩鄂旷刁1洳日7:潴q口f鸟吖另日'