基于云模型的水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營成本仿真

孫婷婷，王卓甫，丁繼勇，劉振華

(1. 河海大學(xué) 工程管理研究所， 江蘇 南京 211100； 2. 中垠地產(chǎn)， 山東 濟(jì)南 250100)

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基于云模型的水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營成本仿真

孫婷婷1，王卓甫1，丁繼勇1，劉振華2

(1. 河海大學(xué) 工程管理研究所， 江蘇 南京 211100； 2. 中垠地產(chǎn)， 山東 濟(jì)南 250100)

TOT模式是在BOT模式基礎(chǔ)上發(fā)展的一種全新模式，在項(xiàng)目移交轉(zhuǎn)讓時，因特許經(jīng)營期比較長，而且受到很多不確定性因素的影響，轉(zhuǎn)讓方與經(jīng)營方在做出決策時需要對特許經(jīng)營期的運(yùn)營成本進(jìn)行合理的估算。在對水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營成本構(gòu)成要素分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出每個部分的計(jì)算公式及運(yùn)營成本的估算模型；以故障頻數(shù)為變量，運(yùn)用蒙特卡洛模擬技術(shù)對故障損失費(fèi)用進(jìn)行模擬估算；利用Matlab 7.0軟件求出云模型的3個數(shù)字特征值，根據(jù)這3個數(shù)值運(yùn)用正態(tài)云發(fā)生器構(gòu)建出正態(tài)云圖，進(jìn)而估算出運(yùn)營成本的最大可能值。

TOT； 水電站； 運(yùn)營成本； 云模型

水利樞紐工程項(xiàng)目具有發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉等功能，將水電站部分從水利樞紐工程中剝離出來，引入社會資本，已經(jīng)在江西省峽江水利樞紐工程中得到成功應(yīng)用。考慮到水電站與整個樞紐大壩等建筑物緊密相關(guān)，因此，廣泛采用由政府方統(tǒng)一建設(shè)工程，然后采用招投標(biāo)方式選擇項(xiàng)目的特許經(jīng)營者來經(jīng)營水電站，即將TOT模式應(yīng)用于水電站的建設(shè)與運(yùn)營中。在水電站特許經(jīng)營權(quán)轉(zhuǎn)讓時，如何確定轉(zhuǎn)讓價，這是政府方招標(biāo)和社會方投標(biāo)需要解決的問題。轉(zhuǎn)讓價可定義為在轉(zhuǎn)讓期內(nèi)水電站的運(yùn)營收益與運(yùn)營成本之間的差值。發(fā)電運(yùn)營收益一般根據(jù)來水量和水價進(jìn)行估算，分析相對比較簡單，但運(yùn)營成本的影響因素比較多，各因素的差異也比較大，其分析和計(jì)算相對比較復(fù)雜，因而受到廣泛關(guān)注。

對于水電站運(yùn)營成本的分析，文獻(xiàn)[1～3]從不同的角度對當(dāng)前水電站運(yùn)營成本管理方面存在的問題進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決對策。Auriol等[4]提出在公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中政府選擇應(yīng)用BOT及TOT融資模式的原因是公共資金的信息不對稱和公共資金的影子成本。王松江[5]對TOT模式在經(jīng)營性公共基礎(chǔ)設(shè)施的適用性進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上，汪皓[6]闡述了水電工程采用TOT項(xiàng)目融資的可行性及優(yōu)越性，并利用重置成本法和收益現(xiàn)值法結(jié)合對水電TOT項(xiàng)目的經(jīng)營權(quán)轉(zhuǎn)讓價值進(jìn)行量化評估。李璞[7]站在項(xiàng)目轉(zhuǎn)讓方的立場上，在考慮到TOT項(xiàng)目無建設(shè)階段風(fēng)險的基礎(chǔ)上，運(yùn)用巴拉特模型對TOT項(xiàng)目的特許經(jīng)營價格進(jìn)行了一次性的資產(chǎn)定價。張新艷[8]運(yùn)用實(shí)物期權(quán)方法對城市供水TOT項(xiàng)目的運(yùn)營成本進(jìn)行估算。魯夏瓊[9]運(yùn)用ZOPP法分析出運(yùn)營期內(nèi)設(shè)施的維護(hù)成本估算不準(zhǔn)確對公路TOT項(xiàng)目運(yùn)營期內(nèi)的收益影響很大。

綜上所述，目前對水電站運(yùn)營成本分析的研究成果比較多，對水電TOT項(xiàng)目特許經(jīng)營權(quán)的定價問題雖有所涉及，但對特許經(jīng)營期的運(yùn)營成本的文獻(xiàn)研究還比較缺乏，即使考慮到運(yùn)營成本的文獻(xiàn)也沒有列出其詳細(xì)的計(jì)算公式，而是采用了快速的大致估算方法進(jìn)行估算。在水電TOT項(xiàng)目特許經(jīng)營權(quán)轉(zhuǎn)讓時，轉(zhuǎn)讓方與承包商為了維護(hù)自身的利益，做出決策時需要對運(yùn)營成本做出合理而準(zhǔn)確的估算，但TOT項(xiàng)目特許經(jīng)營期一般為30～50年，而且受到較多不確定因素(包括環(huán)境和人為因素)的影響，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，本文擬對水電TOT項(xiàng)目的運(yùn)營成本的構(gòu)成要素進(jìn)行分析，進(jìn)一步構(gòu)建出運(yùn)營成本的計(jì)算公式，運(yùn)用蒙特卡洛模擬對運(yùn)營成本在不同故障率下的數(shù)值進(jìn)行模擬估算，根據(jù)這些數(shù)值，結(jié)合將某個定性化的概念定量化表示的逆向云模型，構(gòu)建出運(yùn)營成本的正態(tài)云圖，從而估算出水電站特許經(jīng)營期的運(yùn)營成本的可能值及其變化區(qū)間，提高成本計(jì)算的可信度。

1 水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營成本要素分析

水電TOT項(xiàng)目的運(yùn)營成本，指水電站在竣工投產(chǎn)后每年需要花費(fèi)的各種經(jīng)常性的支付費(fèi)用，主要由三部分組成，包括：運(yùn)行費(fèi)用、大修理費(fèi)用及故障損失費(fèi)用。

(1)運(yùn)行費(fèi)用，指工程(項(xiàng)目)正常運(yùn)行過程中所耗費(fèi)的費(fèi)用，如人員工資及福利費(fèi)、材料費(fèi)、水資源費(fèi)、日常檢修費(fèi)及其他費(fèi)用；

(2)大修理費(fèi)用，主要指對機(jī)械設(shè)備的一次全面的停機(jī)大修理維護(hù)，大修理費(fèi)用不是每一年都會發(fā)生的，在本文中假設(shè)每次發(fā)生的大修理費(fèi)是定值，而且通過引入大修理發(fā)生頻率f這個值來估算大修理費(fèi)；

(3)故障損失費(fèi)用，指水電站日常運(yùn)營維護(hù)過程中因故障而造成的損失費(fèi)用，本文用設(shè)備故障成本及停電損失成本來估算。

水電TOT項(xiàng)目的運(yùn)營成本具體內(nèi)容見圖1。

圖1 水電站運(yùn)營成本構(gòu)成要素

依據(jù)以上分析，水電TOT項(xiàng)目每項(xiàng)成本都按年度成本估算，運(yùn)營成本的估算過程如下。

(1)運(yùn)行費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用設(shè)為Cp，其中，人員工資及福利費(fèi)指水電站所有工作人員的工資、津貼及各項(xiàng)福利費(fèi)，按職工編制計(jì)算；材料費(fèi)指庫存材料和加工材料的費(fèi)用；水資源費(fèi)指向水庫管理處或其主管單位繳納的發(fā)電所耗用的水資源的費(fèi)用；其他費(fèi)用包括辦公費(fèi)、勞保費(fèi)、行政管理費(fèi)、差旅費(fèi)等。所以，運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算公式為：

Cp=C1+C2+C3+C4

(1)

式中：C1為人員工資及福利費(fèi)；C2為材料費(fèi)；C3為水資源費(fèi)；C4為其他費(fèi)用。

(2)大修理費(fèi)用。大修理費(fèi)用設(shè)為Cr，包括設(shè)備大修所用的費(fèi)用Cm及維修過程中更換報廢設(shè)備的費(fèi)用Cn。為了計(jì)算方便，本文將這兩項(xiàng)費(fèi)用看作一個定值，用設(shè)備投資成本的百分比來進(jìn)行估算，其計(jì)算公式為：

Cr=rCi

(2)

式中：Ci為水電站設(shè)備的投資成本；r為設(shè)備的平均年維護(hù)費(fèi)率。

(3)故障損失費(fèi)用。故障損失費(fèi)用設(shè)為Cs，用故障修復(fù)成本Cf和停電損失成本Ch兩部分來估算[10]。其計(jì)算公式為：

Cs=Cf+Ch

(3)

其中，故障修復(fù)成本Cf的計(jì)算公式為：

Cf=ηT0q

(4)

式中：η為設(shè)備每年的平均故障次數(shù)；T0為每次故障的平均修復(fù)時間；q為單位時間故障平均修復(fù)成本。

停電損失成本Ch的計(jì)算公式為：

Ch=ηT0h

(5)

式中：h為因故障而造成的平均停電損失。

2 水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營成本模型

由上文可知，運(yùn)營成本由運(yùn)行費(fèi)用、大修理費(fèi)用及故障損失費(fèi)用組成，為了計(jì)算方便，文中假設(shè)運(yùn)行費(fèi)用和大修理費(fèi)用是確定值，而故障損失費(fèi)用因每年故障次數(shù)的變化而不同。進(jìn)一步構(gòu)建出運(yùn)營成本的估算模型，主要按照以下過程進(jìn)行運(yùn)營成本的估算：

(1)收集水電站運(yùn)行費(fèi)用、大修理費(fèi)用及故障損失費(fèi)用等相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)收集到的歷史數(shù)據(jù)資料，確定運(yùn)營成本中各項(xiàng)確定值的具體數(shù)值。

(2)利用蒙特卡羅模擬的Weibull分布函數(shù)求出每年的平均故障發(fā)生頻率。

因運(yùn)行費(fèi)用和大修理費(fèi)用是確定值，而故障損失費(fèi)用會因每年故障次數(shù)的變化而不同，需要對故障的發(fā)生頻率進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)電設(shè)備的壽命分布一般服從兩參數(shù)的Weibull分布[11]，其概率密度函數(shù)為：

(6)

式中：α和β分別是比例參數(shù)和形狀參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以取1.1和22.8；t為設(shè)備的可靠壽命時間。

根據(jù)Weibull分布函數(shù)，利用Matlab 7.0和蒙特卡羅模擬方法來模擬計(jì)算設(shè)備每年的故障發(fā)生概率。具體步驟為：在[0,1]區(qū)間內(nèi)任取隨機(jī)數(shù)來對Weibull分布函數(shù)進(jìn)行取值，求出設(shè)備的可靠壽命時間t，這個過程反復(fù)進(jìn)行，就可以得出設(shè)備每年的故障發(fā)生概率。

(3)在不同故障頻數(shù)下對水電站的運(yùn)營成本值進(jìn)行計(jì)算。

上文中給出的是水電站每年的運(yùn)營成本估算公式，因?yàn)樗奣OT項(xiàng)目的運(yùn)營期一般比較長(一般為30～50年)，因此需要考慮資金的時間價值。所以，需要將上文中估算的每項(xiàng)成本折現(xiàn)成當(dāng)年的成本，然后相加，就可以估算出水電TOT項(xiàng)目運(yùn)營階段的全部成本。其計(jì)算公式為：

(7)

(8)

式中：C為水電站的運(yùn)營成本；t為計(jì)算的不同年度，t=1,2,3,…,n；k為水電站運(yùn)營期限；if表示大修理費(fèi)用的折現(xiàn)率；f為大修理發(fā)生的頻率；i為當(dāng)年公布的銀行利率。

(4)利用逆向云模型和Matlab7.0求出正態(tài)云的3個數(shù)字特征值。

云模型[12]是一種概念的形象化表達(dá)和分析的新理論，是利用自然語言值將某個定性概念進(jìn)行定量化表示。而逆向云模型，是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，利用符合某一正態(tài)分布規(guī)律的一組云滴(xi,ui)作為樣本，生成能表述定性概念的3個數(shù)字特征值(Ex,En,He)的過程。其有兩種基本算法，一種是需要確定的信息才可以計(jì)算，另一種是不需要確定的信息就可以計(jì)算。本文采用的是第二種算法，即不需要確定的信息的逆向云模型。具體算法過程如下：

Ex=mecm(xi)

En=stdev(xi)

式中：mean( )為求均值的函數(shù)，stdev( )為求標(biāo)準(zhǔn)差的函數(shù)。

(5)根據(jù)正態(tài)云的3個數(shù)字特征值，利用正向云發(fā)生器求出運(yùn)營成本的正態(tài)云圖形，進(jìn)而對水電站的運(yùn)營成本區(qū)間進(jìn)行估算。具體算法過程如下：

④ 重復(fù)步驟(1)～(3)，一直到生成N個云滴為止；

⑤ 將這N個云滴繪制成正態(tài)云圖形，進(jìn)一步估算出該變電站的成本區(qū)間。

3 案例分析

某水利樞紐工程的基本規(guī)模為：水庫的正常蓄水位為46.0 m，死水位為44.0 m，防洪高水位為49.0 m，設(shè)計(jì)的洪水位為49.0 m，校核洪水位為49.0 m；防洪庫容為6.0×108m3，調(diào)節(jié)庫容為2.14×108m3，水庫總庫容為11.87×108m3；廠房采用河床式布置，全長共275.8 m，包括主廠房、副廠房和安裝間三部分。主廠房的機(jī)組間距分別為22.2、22.7 m，內(nèi)裝9臺燈泡式貫流水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為40 MW，轉(zhuǎn)輪直徑為7.8 m，總裝機(jī)容量360 MW。副廠房分為三層，布置在尾水管上主廠房的下游側(cè)。在尾水管上安置了220 kV的升壓站，在安裝間下游安置的是GIS室。機(jī)組的進(jìn)口流速應(yīng)不高于2 m/s，尾水管的出口流速應(yīng)不高于2.5 m/s；初擬的進(jìn)水流道的斷面尺寸為16.2 m(寬)×17.5 m(高)，尾水管出口的斷面尺寸為16.2 m(寬)×13.6 m(高)。進(jìn)水口閘門與轉(zhuǎn)輪中心之間的水平距離為25.6 m，轉(zhuǎn)輪中心與尾水管出口之間的水平距離為39.6 m。位于主廠房右側(cè)的是安裝間，其布置在右岸的臺地上，電站設(shè)備采用水平進(jìn)廠的方式。

3.1 該水電站運(yùn)營成本估算的具體分析過程

(1)確定運(yùn)營成本中各項(xiàng)確定值的數(shù)值，得出運(yùn)行費(fèi)用及大修理費(fèi)用的值。依據(jù)上文的資料，根據(jù)江西省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及物價狀況，通過查閱相關(guān)歷史資料及市場調(diào)研，參照水利部水總[2002]116號文頒發(fā)的《水利工程設(shè)計(jì)概(估)算編制規(guī)定》及配套定額(以下簡稱《概估算規(guī)定》)，得出發(fā)電機(jī)組電力設(shè)備的價格區(qū)間，進(jìn)而估算出水電站的固定資產(chǎn)投資額為3000萬元。

考慮到水電TOT項(xiàng)目的特點(diǎn)，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，為了便于計(jì)算，項(xiàng)目的特許經(jīng)營期取30年，即k=30年。參照《概估算規(guī)定》，根據(jù)江西省的平均物價水平及人均工資水平，利用式(1)求出年平均運(yùn)行費(fèi)用為CP=50 萬元。水電站的固定資產(chǎn)投資額為3000 萬元，平均年維護(hù)費(fèi)率為r=3%，大修理發(fā)生頻率f=5。根據(jù)式(2)求出大修理費(fèi)Cr=3000×3%=90 萬元。利率i=6.4%。因故障而造成的平均停電損失為h=1.5 萬元/h，每次故障的平均修復(fù)時間為T0=72 h/次，平均修復(fù)成本q=0.9萬元/h。

(2)求出年平均故障次數(shù)。根據(jù)式(6)，利用蒙特卡羅模擬技術(shù)，模擬計(jì)算出30組年平均故障次數(shù)η值，具體數(shù)值見表1，迭代次數(shù)為1000次。

表1 基于蒙特卡羅模擬的Weibull分布函數(shù)的年平均故障次數(shù) 次

(3)根據(jù)表1及式(3)～(5)，求出水電站在不同故障率下的故障損失費(fèi)用，具體結(jié)果見表2。

表2 基于表1的不同故障率下的故障損失費(fèi)用 萬元

(4)根據(jù)表2以及步驟(1)中得出的運(yùn)行費(fèi)用和大修理費(fèi)用的數(shù)值，利用式(7)和式(8)，求出該水電站在不同故障率下的運(yùn)營成本值，具體結(jié)果見表3。

表3 基于表1的不同故障率下的運(yùn)營成本 萬元

(5)依據(jù)表1及表3，利用Matlab 7.0軟件，求出云模型的3個數(shù)字特征值。具體結(jié)果如下：Ex=1269.3952，En=17.8464，He=0.2。

(6)根據(jù)云模型的3個數(shù)字特征值，運(yùn)用正態(tài)云發(fā)生器構(gòu)建出運(yùn)營成本的正態(tài)云圖形(圖2)。

圖2 水電站運(yùn)營成本的正態(tài)云圖形

3.2 結(jié)果分析

從圖2中可以看出，該水電站的運(yùn)營成本值處于[1221, 1323]之間，而最可能的運(yùn)營成本的估算值為1269.3952萬元。這個結(jié)果與上文得出的不同故障率下的運(yùn)營成本值(表3)基本吻合，而且運(yùn)營成本的估值區(qū)間比在確定條件下所得出的運(yùn)營成本可信度高。在實(shí)踐中，可以根據(jù)不同機(jī)器設(shè)備的故障率得到的云模型來評估出設(shè)備的可靠程度，一方面可以選擇出可靠性高的機(jī)器設(shè)備，另一方面，通過該模型也可以對運(yùn)營成本做出合理的估值，為政府決策及承包商投標(biāo)報價和運(yùn)營管理提供一定的參考。

4 結(jié) 語

本文在對水電站運(yùn)營成本的構(gòu)成要素分析的基礎(chǔ)上，對每個要素給出了計(jì)算公式，并考慮到水電站機(jī)器設(shè)備的故障對運(yùn)營成本有很大的影響，運(yùn)用蒙特卡羅模擬技術(shù)對故障頻數(shù)進(jìn)行了模擬估算，進(jìn)而給出運(yùn)營成本的估算模型，并運(yùn)用云模型求出運(yùn)營成本值，解決了不確定性條件下如何對運(yùn)營成本進(jìn)行估算的問題，希望通過這個模型，為政府及承包商在水電站特許經(jīng)營權(quán)轉(zhuǎn)讓時估算特許經(jīng)營期的運(yùn)營成本提供一定的指導(dǎo)。

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Operating Costs Simulation of Hydropower TOT Project Based on Cloud Model

SUNTing-ting1,WANGZhuo-fu1,DINGJi-yong1,LIUZhen-hua2

(1.Institute of Engineering Management， Hohai University， Nanjing 211100， China; 2.Zhongyin Estate， Jinan 250100， China)

TOT mode is a new model based on the BOT model, when the transfer of the project handover, because of the longer concession period and affected by many uncertain factors, the transferor and the operator need to make a reasonable estimate of the operating costs of the franchise period in the decision making. On the basis of hydropower TOT project operating cost components analysis, this paper builds each part of the calculation formulas and operating cost estimation models. The fault frequency is variable, using Monte Carlo simulation techniques to estimate the failure cost. Using Matlab 7.0 software to obtain three digital features of cloud model, and using normal cloud generator to construct the normal cloud according to the three values, then calculate the maximum possible operating costs.

TOT; hydropower; operating costs; cloud model

2016-01-23

2016-03-16

孫婷婷(1990-)，女，山東威海人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ添?xiàng)目管理(Email: 1791289785@qq.com)

F294

A

2095-0985(2016)05-0122-05