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全寿命期下的变电站设计管理研究

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张昆

[导读] 摘要：变电站作为当代重要的公共设施，根据当前科学发展和环保等客观要求，也需要进一步保证变电站建设与运营的稳定性和可靠性，因此对于设计管理的相关要求也随之提高。

        中国技术进出口集团有限公司 100055
        摘要：变电站作为当代重要的公共设施，根据当前科学发展和环保等客观要求，也需要进一步保证变电站建设与运营的稳定性和可靠性，因此对于设计管理的相关要求也随之提高。文章阐述了全寿命期下的变电站设计管理的基础理论，对基本要求进行分析，并提出一系列优化的具体措施，期望以此提高变电站相关工作的效率。
        关键词：全寿命期；变电站设计；变电站管理；优化措施
        电力能源作为日常生产和生活中的基础能源，为各行各业提供了可靠的动力保障，同时牵动了地区经济布局和远景开发。变电站在电力系统中的价值巨大，自“资源节约型、环境友好型、工业化”“通用设计、通用设备、通用造价、标准工艺”等相关理论提出以后，对于变电站设计与建设的标准进一步提升，设计重点也从阶段性变电站功能和建设成本向全寿命价值转移，以全局观、综合统筹的思路降低变电站整体成本投入，提高投资的效益。
        1.全寿命期下的变电站设计管理的基础理论
        1.1变电站全寿命期设计理论
        变电站的全寿命周期从规划阶段开始，从前至后包含设计、建造、设备采购、运营维护等阶段，直至其报废回收的整个过程。变电站全寿命周期每个相关职能部门的管理形式上虽然相互独立，但具有一定的连贯性，每个阶段都与其前后阶段有所交互，一般来说前端环节的决定性作用更强。后端环节的管理需要程曦上一环节的原则，并以本环节在全寿命周期中的功能为依据制定切实可行的管理方案与措施。设计环节作为整个过程中较为靠前的环节，是十分关键的一环。设计阶段大致确定了变电站的全寿命周期成本，且该环节的工作内容对于全寿命周期管理能否有效实现起着决定性的作用。在全寿命周期下变电站的设计中，可以将可持续发展等环保理念纳入设计目标当中，并以设计目标分解的形式使该理论能够得以实现。
        1.2变电站全寿命期阶段化分析
        ①变电站全寿命周期规划设计阶段。全寿命周期下变电站的规划首先应当充分考虑整个寿命周期内对变电站造成影响的因素，遵循统筹规划的原则。在规划时，应当注重环保观念，保证规划布局的合理性，使变电站的整个寿命周期都能够贯彻可持续发展原则，在保护环境的同时也能够通过循环节能等技术降低全寿命周期成本，达到全寿命周期长远规划的目的。在对变电站设计方案的评估审核过程中，应当以全寿命周期理念为原则建立综合评价模型，以全寿命周期设计目标为指导，择优选择出最符合全寿命周期设计标准的方案。
        ②变电站工程采购建设阶段。首先，在采购店里设备时，应当要求设备附带LCC报告，选择LCC值最小的设备。其次，在建筑供应链管理方面，在采购原材料直至工程竣工的整个过程中，应当形成材料设备供应商、分包商整合组成的整体网链结构，控制好信息流、物流以及资金流，使各方有机合作效果达到最优化。另外，在合同管理方面，应当以柔性理论作为管理原则，可以使合同双方形成伙伴关系，使合同起到激励作用，不但能够促使各方友好协作，也能够很大程度上避免工程建设中出现争议、拖延等问题。
        ③变电站运行检修阶段。在变电站的运行检修阶段，首先要注意对电力设备的运行情况进行实时监测与跟踪诊断工作，通过实时监测设备运行时的各种参数，及时了解设备存在隐患的情况，及时进行维护检修。其次，应当对变电站运行阶段产生的数据进行分析，例如电力设备的检修状况、零部件更换情况等，对这些数据分析后进行收录，作为全寿命周期下变电站的设计、建设及使用经验，以便进行研究以及作为新的变电站工程的指导。最后，还应当做好变电站设施的管理工作，这项工作的意义在于系统化管理设备检修，并完善电力设备的操作以及功能提升。
        ④变电站报废阶段。在变电站的报废阶段，应当通过科学的方法和技术来对电力设备进行研究核算，确定其合理报废时间，并根据相关数据，对设备的主要配件进行研究，总结出设备配件寿命匹配的相关经验。
        2.全寿命期下的变电站设计管理的基本要点
        2.1全寿命期设计管理的战略性认知
        基于全寿命期的变电站设计管理，需要相关单位尤其是电力企业树立起战略性的认知，从当前行业所面临的客观环境和实际进行分析。变电站建设投资的数额巨大，且在电网系统中，包含变电站在内的所有设备占据了企业固定资产的80%-90%之间，历年系统设备维护费成为电网的主要支出成本之一，因此提高电网运行的整体效率，是目前电力企业降低成本提高效益的关键，这需要依靠相对超前的规划意识，从设计阶段就开始做好工作，使变电站在建设直至废止阶段的所有成本都被计算在内，并采取合理的方案提高投资利用率，其中包含了变电站的维护和管理成本，以及废弃后设备与材料的回收价值问题。变电站工程在不同阶段下的成本与特征情况如图1所示。

        图1 全生命周期下变电站工程各阶段特征示意图
        根据全生命周期下变电站工程各阶段特征示意图（图1）所示，规划设计阶段是变电站工程建设中最为重要且可控性最强的，通过设计阶段的优化，制定出了工程后期建设和管理运行等阶段的基础方案，完善设计方案可降低建设与运行阶段的成本，并且保障或提高变电站废弃后的回收价值，以此作为弥补前期投资消耗的一种办法。在此过程中，企业需要不断地研究包括企业自身能力、自然环境、技术支持、市场发展与走向、地区期间内的规划建设趋势等一系列因素，并整合企业内部资源以匹配设计方案，因此是企业自身优化管理、开源节流的一种表现。
        2.2全寿命期设计管理的基本方向
        全寿命期设计管理需要对变电站工程的各个方面进行优化，其基本方向充分体现出环保、成本控制、功能强化等思路，重点分为以下方面：
        ①可靠性。作为电网中的重要组成部分，变电站在设计之初便需要充分考虑到功能的发挥，以及对于区域电网的辅助效果，即需要通过使用到稳定可靠的技术设备和相应的材料，降低变电站的故障率，防止事故的发生，也需要配套使用到一般故障风险的防范措施，如防雷击措施、高温警报、变电站远程监控和智能化控制等。
        ②节约性。变电站工程设计需要对设备选型及施工技术流程等进行优化，为贯彻行业绿色节约的理念，同时降低变电站建设和维护成本，提高变电站的环境价值，需要将节约环保的原则贯穿于变电站寿命周期始终，如选址方面应考虑降低变电站对周边生态和居民的不利影响，采用简单的工程设计方案，所选的材料应以环保节能为优先考虑的标准。
        ③升级性。建设变电站的目的是为了更好地服务地区，促进区域经济发展，变电站的规模应当与区域内发展形势相适应，目前我国城乡发展速度迅速，各种生产项目和经济活动从城市向农村辐射转移，因此需考虑到一些地区快速发展下对电能需求的增加，所以必须为变电站规模扩展预留空间，除了在规模上可能扩大外，由民用低压向工业用高压的变化，或者是地区集中用电量和时段用电量激增等也需要升级设备配置，如增加高压电输送设备、增加变电设备组等。
        ④便捷性。变电站设计应考虑到建设施工与后期设备升级更换的便捷性，在选址方面应考虑到运输和施工方便，周边存在较少的干扰物，选择设备和技术时，应重点考虑质量和施工难度，简化施工流程，降低人工成本和时间成本。
        2.3全寿命期设计管理的注意事项
        全寿命期下的设计管理根据所处环境的不同划分为内部因素与外部因素，并需要采取不同的措施进行应对。内部因素，变电站工程本身包含了系统一次/二次、变电一次/二次、勘测、土建、技术、施工、成本等多个方面，在全寿命期要求下，可考虑根据不同的项目或专业制定行动目标，而确定变电站工程成本与质量的指标并不依附于某个单一的项目，而是需要将所有项目集中考量，获取一个统筹性的可取指标作为建设目标。外部因素，变电站项目的全寿命周期设计理念的最终实现需要业主、监理、运行部门、采购部门、设计单位以及施工单位等相关单位的共同参与。全寿命周期设计理念反映在设计方案上只是该理念在工程中的最初实现，但是如果设计方案中蕴含的设计理念得不到设备采购、施工、运行阶段的实现，那么全寿命周期设计理念只是空中楼阁。因此全寿命周期设计理念不以设计工作的完成为标志，而以项目的最终建成交付和正常运行为标志的[1]。所以具体设计方案应当由设计单位与其他相关单位充分联系并交互意见，由运行单位、施工单位等就自身范围或关联项目的设计内容提出建议，或者直接参与到设计方案评定工作中。
        3.全寿命期下的变电站设计管理的优化措施
        3.1基本内容
        建立全寿命期的设计管理目标，应站在全局角度构建变电站工程的设计管理体系，则整个工作的开展思路如图2所示。

        图2 全寿命期下变电站工程设计管理思路图
        变电站的设计管理需要融合建设方案、管理方案、施工方案等，是多种要素的集合，因此初始阶段的工作相对复杂，应从准备阶段即妥善安排相关工作，努力保证相关部门和单位之间的协调性。需要充分论证变电站工程项目的可行性，即结合现有的变电站工程建设经验，对设计方向进行讨论，并排除方案中的冲突或高风险项，以找寻出设计方案中的价值平衡点。
        设计阶段应贯彻落实节能减排目标，通过社会、经济、生态等不同的目标建立综合性的评价标准，结合综合成本与效益关系判断不同设计方案的价值。以设计方案为基础优化采购环节的工作，应构建以市场价格波动和供应合同为基础的合理管理系统，并不以价格为唯一判断指标，而是需要集中设备选型、设备维修、质保等内容，提高采购的整体效益。在变电站运行阶段则需要重点考虑持续性的管理与维护以保障变电站功能，设备动态管理中应当使用在线监测与跟踪诊断的手段。通过实时检测运行设备的各种参数，及时发现设备的潜在故障，防患于未然，避免恶性事故的发生，使运行维护由定期检修逐步转向状态检修，以提供安全、优质的电能。变电站运行阶段数据、规律总结在变电站运行阶段应当对电力设备的费用发生情况，设备检修状况，设备及其部件更换情况等进行分析，归纳相关数据，提炼有关规律，并录入数据库，形成变电站全寿命期设计建设的经验，以指导新的变电站工程的设计建设[2]。在废止改建阶段，需要考虑到具体的时间和废止改建的工程量，同时针对报废的设备与材料，必须提前做好环境影响控制和生态回收方案计划。
        3.2设计优化
        根据全寿命期设计管理的要点确定设计优化的方向：①稳定性优化。以国家相关技术标准为核心，对工程所处地区的环境进行考察，包含温度、适度、风力等级、地质灾害情况等，根据实际的情况和技术要求制定设计方案，利用技术优化、设备配置等办法，保障变电站周边人员安全和变电系统稳定性。例如：选择两台断路器加入到变压器主线路中，对主变压器施加更为妥善的保护，减少故障发生时主变压器的停运时长，并控制故障发生时的漏电现象；通过设置主变压器油色谱在线监测、组合电器在线监测仪器等，实时监测、诊断设备运行状况，并上传到运维部门，以便提供处理方案，确保设备安全正常运行。变电站一体化监控系统采用开放式分层分布结构，双重化网络，站控层配置两组主机兼操作员工作站、两套数据服务器，充分保证当地运行监视操作和远动信息远传的可靠性[3]。②节约性优化。结合“两型一化”的发展理念，将环保型和节约型设计作为全寿命期下设计管理的重要指标，例如：在变电站内选择节能型灯具，并控制好灯具的数量；空调机和换气设备采用智能控制系统，根据环境温度识别选择温度控制办法；变电站主体建筑选择节能型和保温型材料，或者选择装配式施工建设方案；优化配电装置布置尺寸、变电站中配电装置可统一采用HGIS设备，与罐式断路器方案相比明显降低了占地面积。在设计投标过程中对总平面各专业协力配合，优化总平面布置，减少围墙内占地面积；控制土方量，减少对周边环境的影响[4]。所有的材料和设备科建立回收清单，便于对可回收价值进行估算，同时该清单也可以作为报废后变电站废旧材料变现的依据。③升级性与便捷性设计。与设计单位、施工单位共同探讨设计施工方案，要求进行标准化建设，对所用材料的规格、数量、价格区间等提前进行预设，并结合地区建设规划讨论变电站升级扩、改建的可能性，预留预埋孔、预埋件、远景屏柜、排布线或设备的空间。
        3.3方案评价
        判断不同设计管理方案的价值，主要用全寿命期下的成本作为标准，基本计算方法如下式：

式中，

表示全寿命期下变电站成本的净现值，

表示根据当下价格在第t年中的投资维护费用预算，n表示工程寿命期，r表示价格在预计年限内的增长指数，i表示内部收益系数。变电站工程中影响全寿命周期建设的关键因素有电气总平面布置、电气主接线、电气设备选择、站用电及照明、接地、二次系统、土建等方面，对这些关键因素进行设计优化，提出不同的方案，得到不同的造价。最后贯穿以人为本的思想，坚持自然和谐的理念，在满足功能的前提下，对这些方案进行技术比较、经济分析和效益评价，重视建设成本的同时也把运行维护及报废考虑在内，实现”全寿命意义上的低造价“，即基于全寿命周期管理的设计方案优化过程[5]。
        4.总结
        全寿命期是现代工程中的一个重要理论，根据工程设计-建设-运行-维护等一系列环节对目标进行管理，以此提高资源的利用率，优化工程的质量和功能。变电站作为当前重要基础设施之一，在建设和运行中涉及到生态、经济、安全等多方面的利益，其价值的体现贯穿于项目立项直至废弃整个过程。从设计与管理角度探究如何增加变电站工程价值，从全寿命期对项目的成本、技术等进行优化，是建设单位立足于科学，提高项目任务效果的必然举措。但相较于传统设计管理理念，全寿命期下的变电站设计管理，必须要综合考虑变电站建设规划设计、施工建设、长期运行等问题，实现前瞻性控制。
        参考文献
        [1]刘钊.全寿命周期管理在变电站设计中的应用[J].集成电路应用,2020,37(06):104-105.
        [2]杜善武.基于全寿命周期的智能变电站优化设计[D].哈尔滨工业大学,2019.
        [3]范振中.基于全寿命周期对变电站二次设计管理的研究[D].华北电力大学(北京),2016.
        [4]赵修文.全寿命周期成本在变电站设计中的应用[J].自动化应用,2017(03):87-89.
        [5]王静.浅谈全寿命周期管理理念在变电工程设计中的运用[J].山东工业技术,2015(10):83.