以变压器为例的电网主设备全生命周期成本分析方法研究

Research on LCC Analysis Method for Power Grid Primary Equipment with Example of Transformer

摘要: 传统电网建设的成本管理方式，以控制采购成本为主。在电网长期运行环境下，追求安全、效能和成本三者的平衡关系，控制整体成本符合目标则更为重要。本文基于全生命周期管理理论，从电网主设备的成本归集和成本分析两个层面进行研究，以10 kV变压器作为典型案例，分析得出结论：购置费用和故障率是案例变压器全生命周期最主要的两项因素。

Abstract: The cost management approach in traditional power grid construction primarily focuses on controlling procurement costs. However, in the long-term operational context of the power grid, achieving a balanced relationship between safety, efficiency, and cost becomes even more important. This study is based on the theory of lifecycle management and investigates the cost assignment and cost analysis of the power grid primary equipment. Taking a 10 kV transformer as a typical case, the analysis concludes that acquisition cost and failure rate are the two most significant factors throughout the life cycle of the transformer.

1. 引言

随着国内电网的高速发展，传统的资产管理方式遭遇诸多瓶颈，主设备使用周期短、运行效率低、技改投入大、维护成本高等问题逐渐显露。平衡安全、效能和成本三者的关系，成为电网企业资产精益化管理成功转型的前提条件 [1] 。资产全生命周期管理(Life Cycle Asset Management，简称“LCAM”)作为全周期成本管理(Life Cycle Cost.，简称“LCC”管理)的衍生概念，是从系统整体目标出发，以资产作为基本分析对象，全面评估从设计开始直至退役的全过程，在满足安全、效益、效能三者平衡的前提下，追求资产全生命周期成本最优的一种理论方法 [2] 。资产全生命周期管理(LCAM)的核心理念，在于推动管理目标从注重设备效率向注重资产效率的转变，管理方法从技术决策向技术经济决策的转变，管理方式从职能管理向流程管理的转变，实现资产的实物流、信息流、价值流合一的高度集约化管理模式。

资产全生命周期管理(LCAM)是全周期成本管理(LCC)的发展和丰富，包括安全管理(Safety Management，简称“SM”)、效能管理(Efficiency Management，简称“EM”)、资产管理(Asset Management，简称“AM”)和全周期成本管理(LCC)。电网主设备全生命周期成本管理，分为成本归集和灵敏度分析两个方面 [3] [4] ，成本归集围绕电网建设的投资采购、运行维护、故障检修、退役处置等供应链全过程的成本规制问题展开，重点是电网运行综合成本对于单体设备的合理分摊。灵敏度分析则基于长期运行数据，推导各类LCC因子的影响力。本文以变压器作为典型电网主设备，研究LCC成本归集和分析方法的具体应用 [5] 。

2. 理论方法

2.1. 电力设备LCC成本归集

2.1.1. LCC阶段划分

电网主设备LCC归集，从规划、设计、建造、购置、运行、维护、更新、改造，直至退役报废的全过程，大体划分为五个阶段性部分 [6] ，全生命周期成本公式可简化表示为 $LCC=CI+CO+CM+CF+CD$ ，具体如表1所示。

1) 投入期成本归集

投入期成本是设备在项目投资建设过程中发生的成本，包括设备采购成本、生产制造费用(抽检费用、监造费用)、运输包装费用(运输费用、包装费用)及安装调试费用(安装费用、调试费用)。所有的成本均是该单体设备直接产生的成本，不能含因无法明确成本来源而进行分摊的成本。生产、运输及其它成本的分摊规则，基于单体设备采购成本占项目设备采购成本的比例，将归集后的前期费用、建设及其它费用按比例拆分，按时间序列形成单体设备投入期成本。

Table 1. LCC cost apportionment model of power grid equipment

表1. 电力设备LCC成本分解模型

2) 运维期成本分析

运维期成本是设备在运行阶段发生的成本，包括设备运行成本CO (巡视检查成本和日常维护成本)、修理成本CM (一般修理成本、大修成本)和故障成本CF (抢修成本)，涉及设备的日常运维、日常检修、抢修、大修等业务过程中发生的材料成本(自主材料成本和外包材料成本)、人工成本、工器具损耗和委外服务成本。要求归集的结果能直接反应每次运维作业直接给该单体设备带来的成本，不包含因无法明确费用来源而分摊的费用。

运维期成本考虑该单体设备在巡视检查和日常维护作业过程中发生的人员、工器具成本。检修期成本考虑在对该设备进行一般修理和大修时产生的人工成本、工器具成本、材料成本和委外服务成本，选取归集结果中的一般修理成本和大修成本两项成本因素。要求所有的成本为明确直接用于该单体设备检修时的成本，不包含因无法明确费用来源来进行分摊的费用。故障期成本考虑因该单体设备出现故障进行抢修所产生的人工成本、工器具成本、材料成本和委外服务成本，选取LCC归集结果中的抢修成本。要求所有的成本为明确直接用于该单体设备故障抢修时的成本，不包含因无法明确费用来源来进行分摊的费用。

3) 报废期成本分析

报废期成本考虑该设备在进行报废时产生的成本，主要包括处置收益、处置时发生的拆卸、运输等的处置成本和报废时资产的净值，选取LCC归集结果中的处置成本、资产净值和处置收入三项成本因素。处置收益明确为拍卖该单体设备对应的废旧物资所形成的收益，资产净值明确为该单体设备的资产净值，处置成本明确为对该废旧物资报废处置时产生的成本，不含因成本来源不明分摊的成本。

2.1.2. LCC成本分析

LCC分析的重点在于准确评估LCC因素的影响力，常见的电网设备LCC因素包括采购单价、数量、使用周期、运行可靠性、维护成本、综合能耗以及报废处置费用等，各因素对LCC的影响存在相互制约的平衡关系，若某一个因素的变化引起LCC强烈变化，则该因素具有较高的灵敏度，通常采用量化分析来计算灵敏度参数 [7] 。

1) LCC估算模型

常用的LCC估算方法包括参数法、类比法和工程法，估算模型需要建立分解结构等式，基于采集到的成本数据，应用线性回归分析法，确定估算关系等式的相关系数。LCC估算等式可以拆解为简单的表达式： $C=L\left(f_1,f_2,\cdots ,f_m\right)={\displaystyle {\sum }_{i=1}^m{r}_i{f}_i}$ ，其中， $f_1,f_2,\cdots ,f_m$ 为影响费用各因素的数值，包括数量、单价、使用年限、平均故障间隔时间、平均修复时间等，所有数值必须先进行无量纲化处理； $r_1,r_2,\cdots ,r_m$ 为经线性或非线性回归分析后确定的相关系数，通常是一个常数，若各因素之间存在相互影响，则可能是 $f_1,f_2,\cdots ,f_m$ 的函数。

2) 灵敏度函数

费用估算模型确定后，基于历史数据直接将LCC对 $f_i$ 求偏导数，偏导数数值越大，则LCC对 $f_i$ 的灵敏度性也越大。通常情况下，LCC参数 $f_i$ 的灵敏度偏导数，即为线性相关系数： $\frac{\partial C}{\partial f_i}=\frac{\partial }{\partial f_i}L\left(f_1,f_2,\cdots ,f_m\right)=r_i$

如果 $r_i>0$ 则说明 $f_i$ 是正相关因子，增加 $f_i$ 会引起LCC的增加，且 $r_i$ 的值越大，灵敏度越高；如果 $r_i<0$ ，则说明 $f_i$ 是负相关因子，如果 $r_i\approx 0$ ，则说明 $f_i$ 是可以忽略的LCC因素。

3) 灵敏度评估

灵敏度函数仅反应了LCC对某一参数变化的剧烈程度，但并不说明LCC变化的绝对幅度，灵敏度函数应用过程中，若灵敏度函数较大，而参数本身的绝对数值较小，即参数与灵敏度函数的乘积占到LCC的比重不高，则可以在LCC成本分析中近似忽略。为了准确衡量参数的灵敏度，可以计算参数 $f_i$ 对LCC影响的最小值 $S{L}_i\min$ 和最大值 $S{L}_i\max$ 。指标 $S{L}_i\min +S{L}_i\max$ 反映了参数 $f_i$ 所占LCC份额的大小，需要保证数据取值较高的精度，指标 $S{L}_i\max -S{L}_i\min$ 反映了参数 $f_i$ 的实际敏感性，数值越大越敏感 [8] 。

3. 以变压器为例的LCC方法应用

3.3.1. LCC成本归集和灵敏度函数

此处以10 kV油浸式变压器为例，LCC成本分析的重点在于变压器工作可靠性以及设备故障引发的电网损失，针对10 kV油浸式变压器和预装式变电站，需要厂商提供的数据有：设备容量(kVA)、设备报价、空载损耗(W)、负载损耗(W)、变压器重量(吨)、故障率(次/百台年)、声级水平(dB)、设备定期检修维护内容、设备检修维护周期。电网内部自行核算的参数如表2所示。

Table 2. LCC cost parameter of instance transformer

表2. 样例变压器LCC成本参数

敏感性函数

$\begin{array}{c}\text{LCC}=\left(购置费+安装费+运输费\right)\\ +{\displaystyle {\sum }_{a=1}^n\left(能耗费+日常巡视费用+周期性维护费用\right)}+故障损失费+拆除系数\ast 安装费\\ =购置费\ast \left(100\%+15\%+3.5\%\right)\\ +{\displaystyle {\sum }_{a=1}^n\left(空载损耗值+负载损耗值\ast 负荷{率}^2\right)}\ast 年运行小时数\ast 成本电价\ast {\left(1+电价增长率\right)}^a\ast {\left(1+i\right)}^{-a}\\ +{\displaystyle {\sum }_{a=1}^n年工资费/\left(8\ast 365\right)}\ast 次数\ast 巡视小时数\ast {\left(1+工资增长率\right)}^a\ast {\left(1+i\right)}^{-a}\\ +{\displaystyle {\sum }_{a=5,10}^{30}购置费\ast 5\%\ast {\left(1+i\right)}^{-a}}\\ ={\displaystyle \sum \left\{故障率\ast \left(停电损失负荷\ast 平均停电时间\ast 电价\ast {\left(1+电价增长率\right)}^a+A\right)\right\}}\ast {\left(1+i\right)}^{-a}\end{array}$

3.3.2. LCC成本分析应用

此处选取业内6家主流变压器厂商，同规格变压器作横向对比，以购置费A、空载损耗值W空、负载损耗值W负、故障率f进行初步计算，各厂家具体数据如表3所示。

Table 3. LCC cost parameter of instance suppliers

表3. 样例供应商LCC成本参数

① 购置费A灵敏度：

$\frac{\partial C}{\partial A}=1+15\%+3.5\%+0.468\ast 10\%+{\displaystyle \sum 5\%\ast {\left(1+i\right)}^{-a}}+{\displaystyle \sum 故障率\ast {\left(1+i\right)}^{-a}}=48.74$

② 故障率灵敏度计算：

$\begin{array}{c}\frac{\partial \text{LCC}}{\partial W_{空}}={\displaystyle {\sum }_{a=1}^{30}\{容量\ast 平均负荷率\ast 平均停电时间\ast 成本电价\ast {\left(1+电价增长率\right)}^a}\\ +新设备购置费+安装调试费+运输费+拆迁费用\}\ast {\left(1+i\right)}^{-a}\\ =4323849.66\end{array}$

③ 空载损耗值重要性分析：

$\frac{\partial \text{LCC}}{\partial W_{空}}={\displaystyle {\sum }_{a=1}^{30}年运行小时数\ast 成本电价\ast {\left(1+电价增长率\right)}^a\ast {\left(1+i\right)}^{-a}}=112.93$

④ 负载损耗值重要性分析：

$\frac{\partial \text{LCC}}{\partial W_{负}}={\displaystyle {\sum }_{a=1}^{30}负载{率}^2\ast 年运行小时\ast 成本电价\ast \left(1+电价增长率\right)\ast {\left(1+i\right)}^{-a}=46.56}$

灵敏度参数汇总如表4所示：

Table 4. LCC sensitivity analysis parameter for instance

表4. 样例LCC灵敏度分析参数

购置费和故障率的 $S_{\max }+S_{\min }$ 与 $S_{\max }-S_{\min }$ 都比较大，因此购置费和故障率是一个非常重要的参数。

4. 结论

LCC成本分析技术的应用前景十分广阔，在电网设备采购环节，传统的招标方案过于侧重采购成本，或者无法准确衡量后期因素的评标权重，而LCC成本分析法则给出了新颖的解决方案。另一方面，LCC成本分析法指明了设备的核心参数，有助于厂商合理调整生产工艺，设计出更加符合电网建设实际需求的优质设备。