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基于全生命周期成本理论的输电线路设计方法研究
摘要：为提高输电线路全生命周期成本质量，本文介绍了全生命周期成本的基本理论，分析了输电线路全生命周期成本的构建。然后详细研究输电线路设计寿命和项目资金贴现率两个主要参数。最后，给出了输电线路主要部分的全生命周期成本预测模型，并提出了输电线路全生命周期成本计算模型，提出了一种基于全生命周期成本理论的输电线路设计方法。举例说明该设计方法对输电线路的可行性和有效性。
关键词：全生命周期成本；输电线路；成本构成; 预测模型
1引言
输电线路作为电力系统最重要的组成部分，承担了为社会提供输电服务的重要任务，并对社会经济持续，快速，健康发展具有重要影响。
输电线路作为电力系统最重要的组成部分，负责为社会提供输电服务的一项重要功能，并对社会经济持续，快速，健康发展具有重要影响。输电线路由架空输电线路，绝缘子，配件，塔架，地基和接地装置组成。这些组件在现场长期运行，使得传输线组件在各种恶劣环境下的腐蚀损坏，影响了传输线的寿命和可靠性。与此同时，输电线路系统在维护和更换过程中，除了直接的经济损失外，停电造成的间接经济损失也是不可估量的。因此，输电线路的设计应从输电线路施工，维护，发展等其他生命周期的角度出发，在全生命周期内实现成本优化，设计效益和经济效益和社会效益的最优化。
一些以美国为首的国家首先提出了“全生命周期成本分析”（life-cycle-cost analysis，LCCA）的概念[1]。 LCCA法不仅是政府法令，也是项目投资评估和计算的方法。设计，工程承包和投资者应以“全生命周期”为出发点，以保证项目的使用寿命，采取技术，经济，合理的战略措施。在美国，由于钢铁锈蚀损害最为突出，尤其是桥梁，所以政府首先将LCCA法律在交通和道路系统的基础设施工程和管理中实施。据报道，全球有20多个国家采用了LCCA法令。目前，国内外工程项目的生命周期成本分析研究取得了一些成果，为开发工程结构的生命周期设计理论提供了有价值的信息。
在中国的电力工业中，上海电力公司首先引入了生命周期管理的概念来管理电力设备[2]，提出了以可靠性为中心的设备管理，降低综合成本，提高整体效率并实施生命周期成本管理。然而，关于输电线路生命周期的研究还很少，而且还处于初级阶段。目前，尚未根据输电线路的设计和施工分析输电线路的生命周期成本，有效指导设计和施工工作。
本文的研究方向是基于输电线路施工项目生命周期的概念，在输电线路工程必要的安全性和其全生命周期的基础上，有效地分析了全生命周期成本。通过给出输电线路主要部分的全生命周期成本预测模型，提供输电线路全生命周期成本计算模型，提出了基于全生命周期成本理论的输电线路设计方法。本文将举例说明该设计方法对输电线路的可行性和有效性。
2输电线路全生命周期成本分析
A．全生命周期成本理论和结构
全生命周期成本分析，考虑工程项目全生命周期的总成本，包括项目规划，方案设计，施工，运营，老化，废除和其他环节，以追求成本最小化和利益最大化。 通过生命周期成本分析，可带来更好的经济效益和优化项目方案。
输电线路项目的生命周期成本设计，除了生命周期成本分析外，还包括线路系统和部件的寿命，输电线路的寿命周期成本可靠性等内容。传输线生命周期成本设计理论的基本框架如图1所示。
图1生命周期成本中输电线路设计理论的基本框架
生命周期成本传输线路设计理论应着眼于实际应用中的两个方面。
首先，在生命周期成本分析下的输电线路设计中，我们不仅要考虑各环节的成本，还要考虑输电线路的安全性，经济性和实用性，以及对生命周期成本对自然环境的影响，为了避免对环境的干扰，应结合实际情况选择合适的施工方法。
其次，基于生命周期成本的输电线路设计，需要严格按照生命周期成本法，特别是施工环节进行电路分析和研究。由于传输线暴露在户外，运行消耗，磨损，自然灾害等原因，很容易造成零部件损坏，影响正常线路。所以我们需要考虑每个部件的寿命，通过多角度分析，实现输电线路的生命周期成本设计。
根据资金的交付方式，可分为直接成本和间接成本。前者是指所有相对直观且具体的统计成本，用于建设和维护项目在生命周期内的发展。后者是指由于项目本身在生命周期内项目其他方面的损失，主要包括由于功能变化，转换成本以及对社会和环境影响等造成的成本损失。
根据主体成本的差异，可分为机构成本，社会成本和用户成本三个部分，如图2所示。
图2按对象分类的全生命成本
机构成本是项目生命周期成本期间结构本身投资的总和。用户成本是指工程结构功能使用不完全可能导致的成本，原因可能在于某些措施的实施或结构性能在一定程度上降低。社会成本是指项目本身以及由于施工，检查，维护等因社会和环境影响而转化为资金的总成本。
根据资金交付时间，可分为项目的初始成本和未来成本，如图3所示。
图3按时间分类的全生命成本
初始建设成本指项目正式运营前的全部成本，包括项目在规划，设计和施工阶段的总成本。未来成本是指从项目开始到取消项目的所有成本，包括一次性成本，重复性成本，项目剩余价值，故障成本等。
B．输电线路生命周期成本预测的主要参数
输电线路设计寿命是生命周期成本计算的核心参数，但输电线路工程主要部件的预期寿命有较大差异。根据工程研究和中国epri（Electric Power Research Institute）的统计数据[3]，我们可以预测部件设计寿命的合理值，一般环境下常用传输线部件的使用寿命推荐值，如表1所示。
表1一般环境中常用传输线组件的使用寿命（单位：年）
|
部件 |
期望寿命 |
|
|
导线 |
LGJ |
40 |
|
地线 |
GJ |
20 |
|
JLB |
40 |
|
|
绝缘子 |
合成 |
7 |
|
瓷 |
20 |
|
|
玻璃 |
30 |
|
|
金配件 |
铸铁 |
20 |
|
铝合金 |
40 |
|
|
防震配件 |
15 |
|
由于地线更换容易，塔架维修方便，绝缘子及配件价格低廉，输电线路的设计寿命匹配适合以线路为主要配套对象。因此，除系统规划的特殊要求外，一般地区线路设计的使用寿命，按电压等级，设计使用寿命分为：110-220kV，30年;330-750kV，40年;大跨度线，50年。
C．资本贴现率
资本贴现率是资金的及时性，资本贴现率的数值直接影响项目生命周期成本分析的结论，它可以反映历史变化的长期趋势。
根据相关数据的统计分析，建议未来经济分析中PPI（Producer, Price, Index）变化率在1％-5％范围内递减[4]，0-30年份为5％，31-60年为3％，后来为1％。在项目生命周期成本分析中，有学者提出了以两个指标，社会贴现率i和年变化率f为参数的综合数学模型，数学模型[5]为，
(1)
随着时间的推移，工程项目的不确定性和风险因素将会增加。结合国内外贴现率的研究成果，项目的生命周期成本贴现率将逐步提高。据国际货币基金组织统计，长期实际利率的国际平均值为2.84％，近50年来世界银行的平均实际利率为2％-3％。在中国，1997 - 2005年国债平均利率为7.97％，平均通货膨胀率为5.29％，实际平均利率约为2.5％。因此，在没有通货膨胀的情况下，工程项目的生命周期成本分析中折现率为2％-3％是可行的。就通货膨胀而言，工程项目生命周期成本分析的折现率一般建议为7％-8％。
3基于生命周期成本理论的输电线路分层反馈方法
A.生命周期成本表示法
从传统设计的经验来看，本文推荐的生命周期成本预测模型的研究过程是在输电线路某些确定条件下给出输电线路后续本体的设计假设，然后确定模糊假设。最后，执行传输线每个设计过程的生命周期成本计算。
根据输电线路的设计过程，在各种识别和模糊元件的设计条件和设计参数下，生命周期成本的现值可表示为，
(2)
在该公式中，是与路径相关的成本现值，是接地线的全生命周期成本现值，是塔的全生命周期成本现值，是基础建设的全生命周期成本的现值，是绝缘子的全生命周期成本现值，是金配件的全生命周期现值，是雷电保护和接地的全生命周期成本现值，是其他成本的全生命周期成本现值。相应的输电线路[6]的年生命成本是，
(3)
在公式中，是相应传输线路设计过程或主要组件的年生命周期成本，T是系统设计的传输线计划寿命。
B.基于生命周期成本的输电线路设计方法
基于生命周期成本预测分析和输电线路分层设计方法，可以建立基于全生命周期成本的输电线路设计方法。其实质是在系统规划给出的决策信息条件下，在满足输电线路各部分技术要求和整体技术要求的基础上，有效地预测输电线路生命周期内的所有成本设计。
因此，根据生命周期成本的比较，可以提高输电线路原有设计的必要反馈，改进设计，使其符合输电线路建设的整个生命理念。该方法的设计流程如图4所示
图4基于全生命周期成本理论的输电线路分层反馈方法设计流程
正如你在上面看到的，输电线路的设计是基于全生命周期成本的分层设计，也就是说，每个级别的设计都需要对生命周期成本进行周期比较以做出具体的设计选择，它可以被称为“分层反馈”设计方法。 使用这种设计方法，输电线路设计和生命周期成本预测可以同时进行，为了预测输电线路各设计过程的生命周期成本，也为选择设计方案提供全球经济指标。
4.案件分析
通过预测分析过程模型，在输电线路已完成的情况下，对架空输电线路生命周期成本进行具体分析，通过线路的具体设计掌握一些必要的已知条件。包含：
- 传输线设计的具体长度。
- 不同地形比例和气象信息分配比例的传输线路径。
- 通过该地区的输电线路的各种情况。
- 传输线接地导体的类型和长度。
- 传输线接地线的预期设计寿命。
- 传输线接地导体的故障模式和相应的故障概率。
A.建立成本模型
地线包括电线和地线，由于两者的使用寿命不一致，我们需要两次建模。
地线成本主要包括工程造价，检修费用，维修更换费用，故障费用，线路能源费用等。
1）地线的建设成本
地线的建设成本，即初始成本，主要包括导线的初始材料成本和初始建设成本。
架空地线建设成本的现值可表示为
(4)
在公式中，是第i根架空电缆的初始材料成本，是第i根架空地线的初始材料成本，是第i根地线的建设成本。
2）地线检查和维护成本
在正常的生命周期中，大截面导线通常不需要考虑腐蚀维护的问题。如果个别线路表面破坏，修理费用低，一般可以忽略。
3）地线CrW的维护和更换成本
架空地线的主要维护是由于使用寿命的缩短，或者由于传输线功能的改变而导致地线直接更换。因此，维修的重置成本应包括更换材料成本，建筑成本以及废弃部件的剩余价值。
架空电线更换的维护成本
(5)
(6)
在公式中，和是jkm架空线路的第i次替换的材料成本和剩余值，是jkm架空线路的第i次替换的建设成本。
4）地线失效成本[7]
架空线的故障成本可以表示为
(7)
架空地线的失败成本可以表示为
(8)
式中，为架空导线拉伸截面长度，为架空导线第i种失效模式的年度失效概率;是单位长度架空导线的第i种故障模式下失效所造成的损失。
5）地线的线路耗能成本
架空线的线路耗能成本可表示为[8]
(9)
架空地线耗量成本可表示为[9]
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