CN104821589A - 基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，包括以下几个步骤：(1)建立不同类型无功补偿装置的全寿命周期成本模型；(2)对全寿命周期成本模型的各项成本分别确定计算参数的取值；(3)根据计算参数对不同类型无功补偿装置进行全寿命周期成本的基本计算和比较，得出不同类型无功补偿装置在全寿命周期成本中的不同优势：(4)对不同类型无功补偿装置进行灵敏度分析；(5)对不同类型无功补偿装置进行效益评估；并根据全寿命周期成本计算结果，得到在考虑无功补偿当量效益的情况下成本效益的比较。本发明提供了变电站无功补偿装置的优选方法，最大程度地提升电压质量、降低损耗，保障电网安全稳定经济运行。

Description

基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法

技术领域

本发明涉及一种基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，属于无功补偿装置配置技术领域。

背景技术

因无功功率流动、保证电压水平、降低损耗等方面的需要，并联补偿电容器和电抗器广泛应用于各电压等级电网和用户侧。随着大容量远距离输电的发展和对电能质量要求的提高，动态无功补偿装置受到广泛关注并逐步在电网中获得应有。

目前对无功补偿装置的比较主要集中在技术层面，在成本上主要考虑投资成本。而无功补偿装置，特别是动态无功补偿装置的投资较大、运行维护等成本不容忽略。

全寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)作为一个典型的工程经济评价方法，其概念由美国总审计处在1933年提出。首先应用于军方评价淘汰维修费用过高的陈旧设备等，之后广泛应用到汽车、航空、计算机、商业投资、电信、医疗等各个领域。2005年以英国为首的50多个国家和地区代表组建了LCC国际组织，推动LCC理论继续向前发展。目前LCC技术在电力系统中主要应用于核电站项目、电力系统中的绿色能源、变电站改造等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，根据全寿命周期成本理论，从投资成本、运行成本、失效损失、维护成本各方面对不同类型无功补偿装置的全寿命周期成本进行了计算和比较，进一步从电网的质量和效益的角度综合考虑各方面因素，对变电站无功补偿装置的优选方法进行指标评价，最大程度地提升电压质量、降低损耗，保障电网安全稳定经济运行。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，具体包括以下几个步骤：

(1)建立不同类型无功补偿装置的全寿命周期成本模型，所述全寿命周期成本模型以投资成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本之和最小为目标函数；

(2)对步骤(1)中全寿命周期成本模型的各项成本，分别进行计算得到各项成本的具体数值；

(3)根据步骤(2)得到的具体数值对不同类型无功补偿装置进行全寿命周期成本的基本计算(即投资成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本之和)，通过比较各项成本的大小，得出不同类型无功补偿装置在全寿命周期成本中存在优势的成本(不同类型的无功设备若某项成本低，就意味着在这项成本中具有优势)；

(4)根据步骤(3)中得到的基本计算结果，并根据不同类型无功补偿装置的实际运行损耗率和市场价格的波动因素，对不同类型无功补偿装置进行灵敏度分析；

(5)根据无功补偿装置对电网电能质量和系统稳定性的影响，以及无功补偿装置投运后产生的无功补偿经济当量(无功补偿经济当量是一个专有名词，指：加装无功补偿后，由于减少了无功功率流动，折算成减少的有功功率损耗而产生的经济效益)，对不同类型无功补偿装置进行效益评估；并根据步骤(3)中得到的全寿命周期成本计算结果，综合比较不同类型无功补偿装置的经济性，为变电站无功补偿装置的选取提供决策支持。

不同类型无功补偿装置具体包括SVC、SVG、并联电抗和并联电容。

以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价，步骤(1)中，全寿命周期成本模型为：

LCC＝CI+CO+CM+CF+CD

其中，LCC为全寿命周期成本，CI为投资成本，即为获得该产品或设备一次性投入的资金；CO为运行成本，为设备在寿命周期内正常使用过程中发生的费用；CM为维护成本，为设备投入使用以后至退役前，对其进行维修与保障所发生的费用；CF为故障成本，亦称惩罚成本，指因发生故障进行修理，不能正常使用所造成的损失；CD为废弃成本，包括设备在退役阶段发生的处理费，以及退役时的残值。

上述步骤(2)中，各项成本的具体数值计算方法如下：

所述SVC的投资成本可取140-310￥/kVar，所述SVG的投资成本可取560-700￥/kVar；所述并联电容及并联电抗的投资成本可取70￥/kVar；所述SVC及SVG的运行损耗成本分别取1％和1.5％；所述并联电容的运行损耗成本取0.1％，所述并联电抗的运行损耗成本取0.5％；所述SVC的年维护费用以5万元计算，所述SVG的年维护费用以2.5万元计算；所述SVC及SVG的故障成本取0；所述并联电容和并联电抗的故障成本为1％；所述SVC及SVG的废弃成本包括设备在退役阶段发生的处理费，以及退役时的残值，所述并联电容及并联电抗的废弃成本取1％。

步骤(5)中，所述效益评估方法如下：步骤1：计算无功补偿投运率，得到每年投运无功电量；步骤2：根据各电压等级无功补偿经济当量典型值计算得到各类型无功补偿装置产生的经济效益；步骤3：根据全寿命周期时间，计算得到各类型无功补偿装置在全寿命周期内产生的总经济效益。

本发明采用突破以往传统的单纯以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价，进一步从电网的质量和效益的角度综合考虑各方面因素，提供了变电站无功补偿装置的优选方法，最大程度地提升电压质量、降低损耗，保障电网安全稳定经济运行。

附图说明

图1为本发明的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法工作流程图；

图2为不同损耗率之差下SVC与SVG的运行成本之差；

图3SVG和SVC成本降低不同比例下的全寿命周期成本。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

随着电网的不断发展，更需要高度重视电网的质量和效益，综合考虑各方面因素，以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价。在技术层面的研究较为充分和全面的背景下，从寿命周期成本(life cycle cost，LCC)角度对并联补偿电容器/电抗器、SVC和SVG进行比较，可为实际无功补偿装置的选取提供决策支持。

本发明涉及的一种基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其方法根据全寿命周期成本理论，从投资成本、运行成本、失效损失、维护成本等方面对投资SVG、SVC和电容/电抗器的全寿命周期成本进行了计算和比较，同时考虑了动态补偿装置在降低网损和提高系统稳定性方面的效益，对其进行了灵敏度分析和无功补偿的效益估算，综合地评估动态无功补偿装置和传统的静止电容器、电抗器的经济性，从多方面为实际无功补偿装置的选取提供决策支持。本发明采用突破以往传统的单纯以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价，进一步从电网的质量和效益的角度综合考虑各方面因素，提供了变电站无功补偿装置的优选方法，最大程度地提升电压质量、降低损耗，保障电网安全稳定经济运行。

参见图1，本发明的优选方法具体包括以下几个步骤：

(1)建立无功补偿装置全寿命周期成本的一般模型；

全寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)作为一个典型的工程经济评价方法，主要分析建设项目的规划、设计、施工、运营维护和残值回收，其目的是在多个可替代的方案中，选定一个全寿命周期内成本最小的方案。

LCC的一般模型为：

LCC＝CI+CO+CM+CF+CD

其中：

LCC—全寿命周期成本；

CI—投资成本，为设备投入成本(investment costs)，即为获得该产品或设备一次性投入的资金；

CO—运行成本(operation costs)，为设备在寿命周期内正常使用过程中发生的费用，包括：人员费、能源费(电、水、气、汽、燃料、油等)、消耗品费、培训费、技改费、诊断检测费等；

CM—维护成本(maintenance costs)，为设备投入使用以后至退役前，对其进行维修与保障所发生的费用，包括：备件与修理零件、各种检测设备、维修和保障设施、维修保障管理、维修培训、人员、各类数据与计算机资源等方面发生的费用；

CF—故障成本，亦称惩罚成本(outage or failure costs)，指因发生故障进行修理，不能正常使用(包括设备效率和性能下降)所造成的损失，如电力系统中的停电损失费用；

CD—废弃成本(disposal costs)，包括设备在退役阶段发生的处理费，以及退役时的残值。

本方法运用LCC的理论，综合考虑各方面因素，以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价。

(2)对补偿电容/电抗器、SVC和SVG进行全寿命周期成本分析的主要参数取值：

1)投资成本与使用寿命

同一类型无功补偿装置的投资成本因制造厂商而异，这里根据一般的成本分析结论、行业现状和厂商报价确定。

参考表1给出的不同类型无功补偿装置的综合比较，可看出SVC的成本在140～310￥/kvar之间，而SVG的价格则高达560～700￥/kvar(取1$＝7￥)。值得注意的是，这是在2000年左右对行业状态的统计信息。

表1不同类型无功补偿设备综合比较

      

补偿设备类型	成本范围($/kvar)	运行原则	市场竞争性
				并联电抗	8～12	补偿感性无功	竞争激烈
并联电容	8～10	补偿容性无功	竞争激烈
				SVC	20～45	补偿容量和(或)感性无功	竞争激烈
STATCOM(SVG)	80～100	补偿容量和感性无功	有限竞争

随着电力电子技术的进步和设备的广泛应用，应用于SVC和SVG电力电子器件的成本也在逐步降低。参考表2给出的不同类型无功补偿装置价格比较可知，SVG的成本约比SVC高20％～50％。

表2不同类型无功补偿设备价格比较

      

补偿设备类型	成本范围($/kvar)
		并联电容	8
SVC	40
		STATCOM(SVG)	50

根据国内厂商思源清能电气电子有限公司提供的数据，其生产的SVG较TCR型SVC的生产成本约高20％。单位kvar的成本与设备的容量密切相关。

在本方法的计算中，对SVC的成本取300￥/kvar，SVG的单位成本取360￥/kvar(较SVC高20％)。对并联电容和电抗器，单位成本取70￥/kvar。

本方法中对电容/电抗、SVC、SVG这几种补偿设备的使用寿命，均按20年计算。

2)运行成本

无功补偿装置的运行成本主要包括：

①运行损耗；

②控制系统、设备及冷却系统的运行成本；

③维护成本。

目前对无功补偿的研究和方案比较时，具体计算无功补偿装置运行损耗的工作较少。而在无功补偿装置的生命周期中，损耗的成本可能大到改变该补偿方案的优劣。相关计算结果显示，1.2MVAr的三相空心串联电抗器与相同容量的铁心电抗器相比较，每年可节省电费8.23万元，20年可节省电费164.6万元(没有考虑折现率)。

④SVC与SVG的运行成本

SVC和SVG的损耗不容忽视，随着生产厂商通过技术革新在不断降低运行损耗，一般情况下，SVG等效运行损耗只有SVC的1/3～1/2；SVC和SVG的运行损耗均在1.0～1.5％，并考虑到SVC和SVG在结构、采用的电容与电抗器容量的不同以及冷却耗能等。综合国内外文献对运行损耗的分析，本方法中的基本计算对SVC和SVG的分别取1％和1.5％。

SVC必须采用独立的水冷系统，对水的维护成本也较高。本方法中SVC系统的年维护费用以5万元计算。

SVG采用模块化设计，整个系统的维护量远小于一般电力设备。本方法中SVG系统的年维护费用以2.5万元计算。

⑤电容器和电抗器运行成本

空心电抗器的损耗主要是电阻损耗、涡流损耗和环流损耗；铁心电抗器的损耗主要包括铁心损耗、电阻损耗、涡流损耗和杂散损耗。根据国家电网公司《10kV～66kV干式电抗器技术标准》的规定，并联电抗器的损耗用损耗(kW)与额定容量(kvar)的百分比来要求，不应超出表3给出的并联电抗器损耗百分比中的数值。

表3并联电抗器损耗百分比表

      

额定容量(Mvar)	空心电抗器(75℃)	铁芯电抗器(120℃)	半芯电抗器(75℃)
				5	0.5％	0.5％	0.37％
10	0.4％	0.4％	0.29％
				20	0.3％	0.35％	0.2％
30	0.28％	-	-
				40	0.22％	-	-

损耗的允许偏差：按照标准测得的校正到参考温度的总损耗，不应超过损耗保证值的+15％。

电容器损耗的主要为介质损耗。根据国家电网公司《高压并联电容器装置技术标准》的规定，集合式电容器及其内部的电容器单元，在额定电压下、环境温度20℃时测得的介质损耗因数应符合的要求：

1)纸膜复合介质的电容器产品tgδ≤0.08％。

2)全膜介质的电容器：有放电电阻和内熔丝的产品tgδ≤0.05％；无放电电阻和内熔丝的产品tgδ≤0.03％。

3)自愈式电容器在工频交流额定电压下在20℃时的损耗正切角tgδ≤0.05％。

考虑到补偿容量的范围和国家电网公司要求的技术标准，对干式并联电抗器的损耗率，计算取0.5％。

对并联补偿电容器，考虑实际运行条件、谐波影响、充电功率和串联电抗的影响，其介质损耗角按0.1％计算。

传统的电容器、电抗器在实际应用中故障率高，但结构上较SVG和SVC等新型无功补偿装置简单，本方法中取其年维护成本为2.5万元。

3)失效损失

SVC与SVG的可靠性较高，因此该部分费用为0。

电容器和电抗器在实际运行中的故障率偏高，根据以往的统计数据，其失效率在1％左右。造成的损失是有功损耗增加和电压不合格。

4)其他

①占地

补偿设备的占地与类型和不同的设计相关，本方法只粗略地保守整个补偿系统的占地面积以体系占地成本的差异。

补偿电容/电抗器主要是电容器和电抗器设备本身占地；而SVC和SVG除电容器和电抗器之外，还有换流设备、冷却系统、控制系统等单元的占地。

SVG与补偿电容器和电抗器的组合方案相比，减小了电抗器的需求(主要是接入系统的串联电抗)。本方法的计算中，设定电容器和电抗器的组合方案约占地150平方米。

SVC需要配置滤波器、水冷系统，需要的电容器和电抗器的总容量也较SVG大，对2组12MVar的补偿方案，至少需要450平方米。

本方法中，变电站用地按1万元/平米计算。

②残值

电力系统设备的残值和除旧换新成本一般较低，可以近似按固定值计算，本方法中设置为10万元。

(3)根据上述主要计算参数对补偿电容/电抗器、SVC和SVG这三种补偿方案进行全寿命周期的基本计算和比较；

表4给出了三种补偿设备的全生命周期成本的主要计算参数和计算所得结果。其中，电价设为0.5元/度，折现率取5％，计算中没有计及失效损失。计算中没有考虑SVC和SVG在降低网损和提高系统稳定性方面的效益，采用补偿电容器和电抗器的方案因在投资成本和运行成本方面的优势，综合成本低于采用SVC或SVG的方案。

表4三种补偿设备的全生命周期成本计算表

      

虽然SVG的投资成本高于SVC(不包括占地成本)，但考虑占地成本和运行成本后，前者的综合成本较后者低530万元。采用电容器/电抗器的方案成本最低，只有不到SVG综合成本的1/3，不到SVC综合成本的1/4。

虽然SVG和SVC的损耗率只有1％和1.5％，但在整个生命周期，其运行成本可接近甚至超过投资成本。计算中，取电抗器的损耗率为0.5％，损耗的成本在整个生命周期也接近投资成本。

通过对三种补偿方案的计算，分析比较补偿电容器/电抗器、SVC、SVG在全寿命周期成本中的不同优势，从而为变电站无功补偿装置的优选方法提供有利的依据。

(4)对表4的基本计算结果分析以后，由于动态补偿装置在电压稳定性、电能质量的优势，考虑了无功补偿装置的实际运行损耗率和市场价格的波动因素，对SVC与SVG进行灵敏度分析。主要分为以下两方面：

1)运行损耗率

表4的基本计算结果显示，SVC的综合成本比SVG高的主要原因是运行成本，其次是占地成本，这两项均大于SVC在投资成本方面的优势。进一步通过分析两者损耗率之差对其运行成本的线性影响，绘制不同损耗率之差下SVC与SVG的运行成本之差关系曲线，参考图2。

由图2可知，SVC与SVG损耗率之差由0.5％降低到0.2％，则运行成本之差可由393万元降低至157万元；而若损耗率之差扩大至0.8％，则运行成本之差将增大至629万元，接近投资成本。

所以，本方法将运行损耗率作为对SVC和SVG选取重要的考查指标，为实际变电站的无功补偿装置优选方案的选取提供决策依据。

2)SVG和SVC的单位容量成本

以上计算中，SVG和SVC单位容量的成本分别为360元/kvar、300元/kvar，是单位容量电容或电抗器成本的5.1和4.3倍。随着技术的成熟和原材料(特别是电力电子元器件)价格的下降，SVG和SVC的价格也将呈下降趋势。根据其价格走向，绘制出SVG和SVC成本降低不同比例下综合成本的变化柱状数据图，参图3。

由图3可以看出，随着投资成本的下降，SVG相对于SVC的优势更加显著。若SVG的单位容量成本降低50％，则其全寿命周期成本不到电容器+电抗器配置对应成本的2倍。

所以本方法也将其作为无功补偿方案选取的参考指标之一。

(5)考虑到电能质量和系统稳定性，对无功补偿装置进行效益评估，并结合上述的全寿命周期成本计算结果，综合比较电容/电抗器、SVC、SVG的经济性，进一步为实际变电站无功补偿装置的选取提供决策支持。

传统的静止无功补偿方案采用2组电容器(每组6Mvar)和2组电抗器时(每组12Mvar)，本方法的计算中，取其补偿率为45％。SVC、SVG作为动态无功补偿方案，本方法的计算中，取其补偿率为83.1％。

计算中，取动态无功补偿投运率60％，每年投运无功262800Mvarh，则补偿电容器/电抗器总投运的无功约为：

262800/83.1％×45％＝142310.5Mvarh

两者相差：

262800-158123＝120489.5Mavournin

根据表5给出的各电压等级下的无功补偿经济当量。

表5各电压等级下的无功补偿经济当量

      

电压等级(kV)	0.38	6	10	35	110
						经济当量(kW/kvar)	0.150	0.090	0.060	0.017	0.0073

取35kV经济当量(介于10kV和110kV之间，因为在10kV侧补偿，但减小变压器三个等压等级的无功流动)，动态无功补偿与静止无功补偿投入无功之差的有功当量为：

120489.5×0.017×1000＝2048322.0kWh

按每度电0.5元计算，则有功当量的经济价值

2048322×0.5＝1024161.0元，约102.416万元

全寿命周期(20年)内，动态无功补偿装置较静止无功补偿装置多出的经济效益约为1276.33万元。

表6给出了考虑无功当量效益的成本效益比较计算结果，由此得出，若考虑动态无功补偿装置提高电压稳定性(SVC，SVG)和电能质量(SVG)方面的作用，则动态无功补偿装置的经济性可超过传统的静止电容器和电抗器，特别是SVG。

表6考虑无功补偿当量效益的成本效益比较

      

本发明基于全寿命周期成本理论，从投资成本、运行成本、失效损失、维护成本等方面对投资SVG、SVC和电容/电抗器的全寿命周期成本进行了计算和比较。由计算结果得到以下结论：

1)SVG和SVC的全寿命周期成本明显高于电容/电抗器的相应成本；

2)虽然SVG的投资成本高于SVC，但前者的全寿命周期成本低于后者；

3)无功补偿装置的运行成本不容忽视，在设备的寿命周期内，运行成本与投资成本相当甚至超过投资成本；

4)即使SVG和SVC的投资成本降低50％，其全寿命周期成本也约达到电容/电抗器对应成本的2～3倍，因此是否投资SVG或SVC这两类动态无功补偿装置，关键要看其对提高系统稳定性、降低损耗、提升电压质量方面的贡献。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

(1)建立不同类型无功补偿装置的全寿命周期成本模型，所述全寿命周期成本模型以投资成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本之和最小为目标函数；

(2)对步骤(1)中全寿命周期成本模型的各项成本，分别进行计算得到各项成本的具体数值；

(3)根据步骤(2)得到的具体数值对不同类型无功补偿装置进行全寿命周期成本的基本计算，通过比较各项成本的大小，得出不同类型无功补偿装置在全寿命周期成本中存在优势的成本；

(4)根据步骤(3)中得到的基本计算结果，并根据不同类型无功补偿装置的实际运行损耗率和市场价格的波动因素，对不同类型无功补偿装置进行灵敏度分析；

(5)根据无功补偿装置对电网电能质量和系统稳定性的影响，以及无功补偿装置投运后产生的无功补偿经济当量，对不同类型无功补偿装置进行效益评估；并根据步骤(3)中得到的全寿命周期成本计算结果，综合比较不同类型无功补偿装置的经济性，为变电站无功补偿装置的选取提供决策支持。

2.根据权利要求1所述的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其特征在于，不同类型无功补偿装置具体包括SVC、SVG、并联电抗和并联电容。

3.根据权利要求1所述的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其特征在于，以全寿命周期成本最小原则为指导进行电网的项目评价，步骤(1)中，全寿命周期成本模型为：

LCC＝CI+CO+CM+CF+CD

其中，LCC为全寿命周期成本，CI为投资成本，即为获得该产品或设备一次性投入的资金；CO为运行成本，为设备在寿命周期内正常使用过程中发生的费用；CM为维护成本，为设备投入使用以后至退役前，对其进行维修与保障所发生的费用；CF为故障成本，亦称惩罚成本，指因发生故障进行修理，不能正常使用所造成的损失；CD为废弃成本，包括设备在退役阶段发生的处理费，以及退役时的残值。

4.根据权利要求2所述的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其特征在于，所述步骤(2)中，各项成本的具体数值计算方法如下：

所述SVC的投资成本可取140-310￥/kVar，所述SVG的投资成本可取560-700￥/kVar；所述并联电容及并联电抗的投资成本可取70￥/kVar；

所述SVC及SVG的运行损耗成本分别取1％和1.5％；所述并联电容的运行损耗成本取0.1％，所述并联电抗的运行损耗成本取0.5％；

所述SVC的年维护费用以5万元计算，所述SVG的年维护费用以2.5万元计算；

所述SVC及SVG的故障成本取0；所述并联电容和并联电抗的故障成本为1％；

所述SVC及SVG的废弃成本包括设备在退役阶段发生的处理费，以及退役时的残值，所述并联电容及并联电抗的废弃成本取1％。

5.根据权利要求1所述的基于全寿命周期成本的变电站无功补偿装置优选方法，其特征在于，

步骤(5)中，所述效益评估方法如下：

步骤1：计算无功补偿投运率，得到每年投运无功电量；步骤2：根据各电压等级无功补偿经济当量典型值计算得到各类型无功补偿装置产生的经济效益；步骤3：根据全寿命周期时间，计算得到各类型无功补偿装置在全寿命周期内产生的总经济效益。