0 引言
隨著電力市場(chǎng)的興起，電力設(shè)備管理正引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和投資方案進(jìn)行建模、比較以找到最有效的解決方案，發(fā)掘設(shè)備的最大效用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的高收益和低風(fēng)險(xiǎn)，正成為電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。
電力設(shè)備管理是指將管理、金融、經(jīng)濟(jì)、工程和其他方法綜合運(yùn)用于物理設(shè)備以達(dá)到用最有效的方式提供所需的服務(wù)水平。根據(jù)實(shí)施水平的不同，它又可分為初級(jí)設(shè)備管理和高級(jí)設(shè)備管理。①初級(jí)設(shè)備管理是運(yùn)用設(shè)備登記、維修管理、庫(kù)存控制、狀態(tài)評(píng)估、資源管理和定義服務(wù)水平等手段以建立備選方案和長(zhǎng)期現(xiàn)金流預(yù)測(cè)來(lái)進(jìn)行設(shè)備管理。②高級(jí)設(shè)備管理是運(yùn)用預(yù)測(cè)模型、風(fēng)險(xiǎn)管理和優(yōu)化的更新決策技術(shù)以建立設(shè)備壽命周期備選方案和相關(guān)的現(xiàn)金流預(yù)測(cè)來(lái)進(jìn)行設(shè)備管理。
電力設(shè)備管理中，設(shè)備使用過(guò)程中的現(xiàn)金流量分析是一個(gè)重要的問(wèn)題。在文獻(xiàn)中，現(xiàn)金流量被定義為：“財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)或項(xiàng)目分析的流入和流出的真實(shí)貨幣單位”。設(shè)備使用過(guò)程中的現(xiàn)金流量分析傳統(tǒng)上僅僅是從財(cái)務(wù)的角度來(lái)考慮，將設(shè)備按照年進(jìn)行折舊，考慮資金的時(shí)間價(jià)值，用凈現(xiàn)值的方法考慮設(shè)備使用過(guò)程中的現(xiàn)金收入和支出。這種做法沒(méi)有考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的故障和更新，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，因此往往誤差較大。本文中從設(shè)備壽命周期費(fèi)用的角度，用Monte-Carlo方法來(lái)模擬設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的故障發(fā)生頻率，以變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置為例分析其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。
1 設(shè)備壽命周期費(fèi)用
設(shè)備壽命周期費(fèi)用(Life Cycle Cost，LCC)是指設(shè)備是整個(gè)壽命周期內(nèi)所花費(fèi)的總費(fèi)用，包括購(gòu)置費(fèi)用(Acquisition Cost，AC)和維護(hù)費(fèi)用(Sus-taining Cost，SC)，可以表示為：
LCC=AC+SC
式中l(wèi)CC-設(shè)備壽命周期費(fèi)用；AC-設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，包括設(shè)備的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)，制造、運(yùn)輸、安裝調(diào)試等非重復(fù)性投資費(fèi)用和部件升級(jí)、人員培訓(xùn)、環(huán)保等重復(fù)性投資費(fèi)用；SC-設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，包括能源消耗，維修，操作，技術(shù)資料管理和報(bào)廢費(fèi)用等。典型的壽命周期費(fèi)有及其組成見(jiàn)圖1。
圖1 壽命周期費(fèi)用及其組成
從圖1可以看出，設(shè)備的壽命周期費(fèi)用中，維護(hù)費(fèi)用所占的比例是逐年上升的，而且在很多情況下，購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的費(fèi)用低于整個(gè)壽命期的維護(hù)費(fèi)，通常設(shè)備的殘值又很低，因此在考慮設(shè)備投資的時(shí)候，應(yīng)該考慮設(shè)備的整個(gè)壽命周期的費(fèi)用，而不應(yīng)當(dāng)只考慮它的初始價(jià)格。
從設(shè)備壽命周期費(fèi)用的角度來(lái)管理電力設(shè)備，就是以電力設(shè)備一生的費(fèi)用為對(duì)象，以降低電力設(shè)備壽命周期費(fèi)用為核心目標(biāo)，即以經(jīng)濟(jì)效益為中心來(lái)管理電力設(shè)備。通過(guò)壽命周期費(fèi)用分析，可以找出對(duì)電力設(shè)備壽命周期費(fèi)用影響較大的因素，以便提出切合實(shí)際的維修、更新措施，提高設(shè)備的可用率和運(yùn)行效率，有效減少電力設(shè)備的檢修費(fèi)用投入。在追求電力設(shè)備壽命周期費(fèi)用最小的基礎(chǔ)上考慮設(shè)備的狀態(tài)檢修要比僅僅根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)、可靠性分析來(lái)開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修更加合理，也更加符合客觀實(shí)際。
2 凈現(xiàn)值法
設(shè)備的壽命周期費(fèi)用是一種在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)連續(xù)發(fā)生的費(fèi)用，應(yīng)該考慮到資金的時(shí)間價(jià)值。在經(jīng)濟(jì)學(xué)中常使用“現(xiàn)值”的概念來(lái)計(jì)算資金的時(shí)間價(jià)值。
計(jì)算設(shè)備壽命期內(nèi)每年發(fā)生的現(xiàn)金流量，并按一定的基準(zhǔn)收益率將各年的凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到同一時(shí)間點(diǎn)（通常為初期）后各年現(xiàn)值的代數(shù)和就是凈現(xiàn)值(NPV)，其表達(dá)式為：
式中：C1為凈現(xiàn)金流入；CO為凈現(xiàn)金流出；n為方案壽命期；Ic為基準(zhǔn)收益率。
計(jì)算凈現(xiàn)值時(shí)，首先列出設(shè)備壽命期內(nèi)各年的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流現(xiàn)，計(jì)算各年的凈現(xiàn)金流量，再按確定的基準(zhǔn)收益率將各年的凈現(xiàn)金流量折成現(xiàn)值；最后將各年的現(xiàn)值相加求得項(xiàng)目的凈現(xiàn)值。
本文中的設(shè)備壽命周期費(fèi)用分析將遵循凈現(xiàn)值法的計(jì)算步驟，在求得方案各年的收益現(xiàn)值后，通過(guò)凈現(xiàn)值的大小來(lái)確定方案的經(jīng)濟(jì)收益。
3 電力設(shè)備的Weibull壽命分布
電力設(shè)備的壽命周期費(fèi)用分析中存在許多不確定性因素，例如故障發(fā)生的時(shí)間和后果。為解決這些不確定性問(wèn)題必須引入統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念。
電力設(shè)備的壽命分布通常可以用兩參數(shù)的Weibull分布函數(shù)來(lái)表示。兩參數(shù)Weibull分布的概率密度函數(shù)
令R=e-1，得到t(R)=β，因此β也被稱(chēng)為設(shè)備的特征壽命。
4 Monte-Carlo模擬方法仿真設(shè)備故障發(fā)生頻率
Monte - Carlo模擬方法也被稱(chēng)為隨機(jī)模擬方法，它是一種通過(guò)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)、隨機(jī)模擬來(lái)求解數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)問(wèn)題近似解的數(shù)值方法。
結(jié)合上述電力設(shè)備壽命的Weibull分布。我們可以利用Monte - Carlo模擬方法來(lái)模擬設(shè)備在一定時(shí)期內(nèi)的故障發(fā)生頻率。任取一[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)作為Weibull分布函數(shù)的取值，求得設(shè)備的可靠度壽命t（R），此壽命即為Monte - Carlo故障時(shí)間，加上前一次故障維修時(shí)間，便是下一次故障發(fā)生的時(shí)間，如此反復(fù)多次，即可得到設(shè)備在給定時(shí)間內(nèi)的故障發(fā)生頻率。
例如，對(duì)于一個(gè)壽命分布服從ω(t，1，4，3)的設(shè)備，研究其在10年內(nèi)故障發(fā)生的頻率，Monte -Carlo模擬方法的計(jì)算結(jié)果如下：
表1 某次Monte - Carlo模擬的計(jì)算過(guò)程
表2 迭代10000次以后得到的計(jì)算結(jié)果
在求得一定時(shí)期內(nèi)每年的故障發(fā)生次數(shù)以后，就可以估計(jì)每年故障造成的損失，從而利用壽命周期費(fèi)用法對(duì)設(shè)備的投資效益進(jìn)行分析。
5 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的經(jīng)濟(jì)效益分析
下面我們應(yīng)用上述的概念來(lái)對(duì)某廠110kV雙繞組變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。
該變壓器額定容量為40 MVA，空載損耗P0=59.7 kW，負(fù)載損耗Pk= 216 kW，最大負(fù)荷率β=80%，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax=6500 h，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=0. 3，得到
設(shè)電費(fèi)為0.6元/kWh，則一年的電費(fèi)為1259258×0.6=755555元；
變壓器的日常維護(hù)費(fèi)用為8萬(wàn)元/y;
變壓器每次發(fā)生故障的平均故障修復(fù)時(shí)間為24h;
變壓器每次發(fā)生故障的平均修復(fù)費(fèi)用為0.1萬(wàn)元/h；
因變壓器發(fā)生故障而導(dǎo)致的停電損失為10萬(wàn)元/h；
狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用為4萬(wàn)元，人員培訓(xùn)和文檔費(fèi)用為0.1萬(wàn)元。加裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置后，可以發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏性故障，在其發(fā)展成事故之前消除隱患，從而使每次故障的檢修時(shí)間縮短為原來(lái)的一半。
該變壓器壽命分布可以用Weibull分布表示，取典型分布參數(shù)α=l。β=22. 8，由Monte-Carlo仿真計(jì)算10000次得到該變壓器10年內(nèi)的故障頻率見(jiàn)表3。
由上述的故障頻率表計(jì)算不安裝監(jiān)測(cè)裝置和安裝監(jiān)測(cè)裝置的變壓器在未來(lái)10年的壽命周期費(fèi)用，并折算成凈現(xiàn)值(取基準(zhǔn)收益率為12%），就可以得出安裝監(jiān)測(cè)裝置之后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。
l．不安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置
AC（設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用）：0元；
SC（設(shè)備維護(hù)費(fèi)）見(jiàn)表4。
未安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的變壓器的壽命周期費(fèi)用為：LCC=AC+SC=5874135兀
表3 故障頻率表(n=10000)
2．安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置
AC（設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用）：裝置購(gòu)買(mǎi)費(fèi)，人員培訓(xùn)和文檔費(fèi)用共41000元；
SC（設(shè)備維護(hù)費(fèi)）見(jiàn)表5。
安裝了狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的變壓器的壽命周期費(fèi)用為：LCC=AC+SC=5621868元
安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置后產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益：ΔLCC=252267元
由以上分析可見(jiàn)，加裝變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置后，可以降低變壓器的壽命周期費(fèi)用，并減少停電時(shí)間，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此為變壓器加裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置是非常可取的一項(xiàng)措施。
6 結(jié)束語(yǔ)
從設(shè)備壽命周期費(fèi)用的角度分析了設(shè)備使用過(guò)程中的現(xiàn)金流問(wèn)題，通過(guò)模擬設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)的故障和更新情況，將設(shè)備使用過(guò)程中產(chǎn)生的獎(jiǎng)金流向轉(zhuǎn)化為凈現(xiàn)值進(jìn)行比較。實(shí)例表明，這種分析方法可以將設(shè)備壽命周期中的一些不確定因素定量化，為進(jìn)一步建立設(shè)備投資決策模型打下良好的基礎(chǔ)。
表4 未安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的變壓器的設(shè)備維護(hù)費(fèi)
表5 安裝了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的變壓器的設(shè)備維護(hù)費(fèi)
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