0 引言

    隨著電力市場的興起，電力設(shè)備管理正引起人們越來越多的關(guān)注。對電力設(shè)備的運行、維護和投資方案進行建模、比較以找到最有效的解決方案，發(fā)掘設(shè)備的最大效用，實現(xiàn)設(shè)備管理的高收益和低風險，正成為電力系統(tǒng)的研究熱點。

    電力設(shè)備管理是指將管理、金融、經(jīng)濟、工程和其他方法綜合運用于物理設(shè)備以達到用最有效的方式提供所需的服務(wù)水平。根據(jù)實施水平的不同，它又可分為初級設(shè)備管理和高級設(shè)備管理。①初級設(shè)備管理是運用設(shè)備登記、維修管理、庫存控制、狀態(tài)評估、資源管理和定義服務(wù)水平等手段以建立備選方案和長期現(xiàn)金流預測來進行設(shè)備管理。②高級設(shè)備管理是運用預測模型、風險管理和優(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)金流預測來進行設(shè)備管理。

    電力設(shè)備管理中，設(shè)備使用過程中的現(xiàn)金流量分析是一個重要的問題。在文獻中，現(xiàn)金流量被定義為：“財務(wù)業(yè)務(wù)或項目分析的流入和流出的真實貨幣單位”。設(shè)備使用過程中的現(xiàn)金流量分析傳統(tǒng)上僅僅是從財務(wù)的角度來考慮，將設(shè)備按照年進行折舊，考慮資金的時間價值，用凈現(xiàn)值的方法考慮設(shè)備使用過程中的現(xiàn)金收入和支出。這種做法沒有考慮到設(shè)備實際運行過程中的故障和更新，與實際情況相差較遠，因此往往誤差較大。本文中從設(shè)備壽命周期費用的角度，用Monte-Carlo方法來模擬設(shè)備運行過程中的故障發(fā)生頻率，以變壓器狀態(tài)監(jiān)測裝置為例分析其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

1 設(shè)備壽命周期費用

    設(shè)備壽命周期費用(Life Cycle Cost，LCC)是指設(shè)備是整個壽命周期內(nèi)所花費的總費用，包括購置費用(Acquisition Cost，AC)和維護費用(Sus-taining Cost，SC)，可以表示為：

    LCC=AC+SC

    式中l(wèi)CC-設(shè)備壽命周期費用；AC-設(shè)備購置費用，包括設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計，制造、運輸、安裝調(diào)試等非重復性投資費用和部件升級、人員培訓、環(huán)保等重復性投資費用；SC-設(shè)備維護費用，包括能源消耗，維修，操作，技術(shù)資料管理和報廢費用等。典型的壽命周期費有及其組成見圖1。

圖1 壽命周期費用及其組成

    從圖1可以看出，設(shè)備的壽命周期費用中，維護費用所占的比例是逐年上升的，而且在很多情況下，購買設(shè)備的費用低于整個壽命期的維護費，通常設(shè)備的殘值又很低，因此在考慮設(shè)備投資的時候，應該考慮設(shè)備的整個壽命周期的費用，而不應當只考慮它的初始價格。

    從設(shè)備壽命周期費用的角度來管理電力設(shè)備，就是以電力設(shè)備一生的費用為對象，以降低電力設(shè)備壽命周期費用為核心目標，即以經(jīng)濟效益為中心來管理電力設(shè)備。通過壽命周期費用分析，可以找出對電力設(shè)備壽命周期費用影響較大的因素，以便提出切合實際的維修、更新措施，提高設(shè)備的可用率和運行效率，有效減少電力設(shè)備的檢修費用投入。在追求電力設(shè)備壽命周期費用最小的基礎(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、壽命預測、可靠性分析來開展狀態(tài)檢修更加合理，也更加符合客觀實際。

2 凈現(xiàn)值法

    設(shè)備的壽命周期費用是一種在較長時期內(nèi)連續(xù)發(fā)生的費用，應該考慮到資金的時間價值。在經(jīng)濟學中常使用“現(xiàn)值”的概念來計算資金的時間價值。

    計算設(shè)備壽命期內(nèi)每年發(fā)生的現(xiàn)金流量，并按一定的基準收益率將各年的凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到同一時間點（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；I_c為基準收益率。

    計算凈現(xiàn)值時，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)，計算各年的凈現(xiàn)金流量，再按確定的基準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)值相加求得項目的凈現(xiàn)值。

    本文中的設(shè)備壽命周期費用分析將遵循凈現(xiàn)值法的計算步驟，在求得方案各年的收益現(xiàn)值后，通過凈現(xiàn)值的大小來確定方案的經(jīng)濟收益。

3 電力設(shè)備的Weibull壽命分布

    電力設(shè)備的壽命周期費用分析中存在許多不確定性因素，例如故障發(fā)生的時間和后果。為解決這些不確定性問題必須引入統(tǒng)計學的概念。

    電力設(shè)備的壽命分布通�？梢杂脙蓞�數(shù)的Weibull分布函數(shù)來表示。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模擬方法也被稱為隨機模擬方法，它是一種通過隨機變量的統(tǒng)計試驗、隨機模擬來求解數(shù)學物理、工程技術(shù)問題近似解的數(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模擬方法來模擬設(shè)備在一定時期內(nèi)的故障發(fā)生頻率。任取一[0，1]區(qū)間的隨機數(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故障時間，加上前一次故障維修時間，便是下一次故障發(fā)生的時間，如此反復多次，即可得到設(shè)備在給定時間內(nèi)的故障發(fā)生頻率。

    例如，對于一個壽命分布服從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模擬方法的計算結(jié)果如下：

表1 某次Monte - Carlo模擬的計算過程

表2 迭代10000次以后得到的計算結(jié)果

    在求得一定時期內(nèi)每年的故障發(fā)生次數(shù)以后，就可以估計每年故障造成的損失，從而利用壽命周期費用法對設(shè)備的投資效益進行分析。

5 變壓器狀態(tài)監(jiān)測裝置的經(jīng)濟效益分析

    下面我們應用上述的概念來對某廠110kV雙繞組變壓器的狀態(tài)監(jiān)測裝置進行經(jīng)濟效益分析。

    該變壓器額定容量為40 MVA，空載損耗P₀=59.7 kW，負載損耗P_k= 216 kW，最大負荷率β=80%，最大負荷利用小時數(shù)T_max=6500 h，取經(jīng)驗系數(shù)K=0. 3，得到

    設(shè)電費為0.6元/kWh，則一年的電費為1259258×0.6=755555元；

    變壓器的日常維護費用為8萬元/y;

    變壓器每次發(fā)生故障的平均故障修復時間為24h;

    變壓器每次發(fā)生故障的平均修復費用為0.1萬元/h；

    因變壓器發(fā)生故障而導致的停電損失為10萬元/h；

    狀態(tài)監(jiān)測裝置的購買費用為4萬元，人員培訓和文檔費用為0.1萬元。加裝狀態(tài)監(jiān)測裝置后，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間縮短為原來的一半。

    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仿真計算10000次得到該變壓器10年內(nèi)的故障頻率見表3。

    由上述的故障頻率表計算不安裝監(jiān)測裝置和安裝監(jiān)測裝置的變壓器在未來10年的壽命周期費用，并折算成凈現(xiàn)值(取基準收益率為12%），就可以得出安裝監(jiān)測裝置之后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

    l．不安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置

    AC（設(shè)備購置費用）：0元；

    SC（設(shè)備維護費）見表4。

    未安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置的變壓器的壽命周期費用為：LCC=AC+SC=5874135兀

表3 故障頻率表(n=10000)

    2．安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置

    AC（設(shè)備購置費用）：裝置購買費，人員培訓和文檔費用共41000元；

    SC（設(shè)備維護費）見表5。

    安裝了狀態(tài)監(jiān)測裝置的變壓器的壽命周期費用為：LCC=AC+SC=5621868元

    安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置后產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益：ΔLCC=252267元

    由以上分析可見，加裝變壓器狀態(tài)監(jiān)測裝置后，可以降低變壓器的壽命周期費用，并減少停電時間，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，因此為變壓器加裝狀態(tài)監(jiān)測裝置是非�？扇〉囊豁棿胧�。

6 結(jié)束語

    從設(shè)備壽命周期費用的角度分析了設(shè)備使用過程中的現(xiàn)金流問題，通過模擬設(shè)備實際運行時的故障和更新情況，將設(shè)備使用過程中產(chǎn)生的獎金流向轉(zhuǎn)化為凈現(xiàn)值進行比較。實例表明，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)測裝置的變壓器的設(shè)備維護費

表5 安裝了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的變壓器的設(shè)備維護費

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本文標題：電力設(shè)備管理中的壽命周期費用分析

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