綜合系統(tǒng)可靠性評(píng)估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略研究

鄧世聰+++周榮林+++章彬+++陳法池

摘 要：針對(duì)當(dāng)前電力公司采用的按固定年限安排設(shè)備退役策略中存在的問(wèn)題，文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評(píng)估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對(duì)老化設(shè)備，同時(shí)考慮設(shè)備的可修復(fù)失效不可用率和老化失效不可用率，結(jié)合蒙特卡洛模擬和最優(yōu)化潮流模型評(píng)估系統(tǒng)可靠性，確定規(guī)劃年內(nèi)每年的期望損失費(fèi)用；再根據(jù)效益成本分析，計(jì)算推遲設(shè)備更新獲得的收益；最后構(gòu)造凈收益函數(shù)，并求解最優(yōu)值獲得最佳退役年份。文章以某地區(qū)輸電網(wǎng)絡(luò)為例，利用提出的方法研究某老化線路的退役更新，結(jié)果表明，該方法可以使資產(chǎn)的價(jià)值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來(lái)最大收益。

關(guān)鍵詞：退役更新；可靠性；效益成本分析

引言

固定資產(chǎn)是電力企業(yè)賴以維持簡(jiǎn)單生產(chǎn)和持續(xù)經(jīng)營(yíng)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，省級(jí)電力企業(yè)的固定資產(chǎn)占總資產(chǎn)的50%以上[2]。因此，固定資產(chǎn)的管理是企業(yè)管理中一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容。

隨著早期投運(yùn)的電力設(shè)備日趨老化，系統(tǒng)可靠性逐年降低，設(shè)備的維修成本越來(lái)越高，如何在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時(shí)，合理安排老化設(shè)備退役，使資產(chǎn)的投入產(chǎn)出比最優(yōu)，是當(dāng)前電力企業(yè)面臨的一大難題[2]。當(dāng)前，電力公司通常采用根據(jù)事先設(shè)定的退役年齡更新設(shè)備的策略。這種退役更新方式?jīng)]有充分考慮設(shè)備的實(shí)際健康狀況，對(duì)于健康狀況較差的設(shè)備，可能在其壽命終止時(shí)仍未安排退役而對(duì)系統(tǒng)可靠性造成影響，而對(duì)于健康狀況較好的設(shè)備，則可能在到退役年齡時(shí)仍有較好的狀態(tài)，過(guò)早退役會(huì)引起不必要的提前投資，導(dǎo)致資產(chǎn)的價(jià)值得不到充分利用。在實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)中，對(duì)老化設(shè)備退役更新的根本目的是控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，將老化設(shè)備的總不可用率對(duì)電網(wǎng)的影響降到最低。因此，不能只考慮老化設(shè)備自身的狀態(tài)，還要考慮設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性的影響[3-4]。

文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評(píng)估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對(duì)老化線路，首先利用歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)威布爾模型計(jì)算考慮可修復(fù)失效和老化失效的總不可用率；然后，采用蒙特卡洛模擬分析系統(tǒng)故障狀態(tài)并進(jìn)行最優(yōu)化潮流計(jì)算，評(píng)估系統(tǒng)可靠性水平，得到規(guī)劃期內(nèi)每年老化線路的期望損失費(fèi)用；最后，采用效益成本分析法，對(duì)比老化線路造成的期望損失費(fèi)用和推遲設(shè)備更新獲得的收益，確定老化線路的最佳退役時(shí)間，使資產(chǎn)的價(jià)值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來(lái)最大收益。

1 基本方法介紹

1.1 威布爾分布模型

根據(jù)可靠性理論，確定設(shè)備的老化失效模型時(shí)常常采用威布爾分布。威布爾分布由尺度參數(shù)？琢和形狀參數(shù)？茁確定，參數(shù)估計(jì)方式如下[5]：

（a）收集相同運(yùn)行條件下同類設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括已退役設(shè)備和在役設(shè)備。對(duì)于已退役設(shè)備，收集其投運(yùn)年份和退役年份；對(duì)于在役設(shè)備，收集投運(yùn)年份數(shù)據(jù)。

（b）統(tǒng)計(jì)收集數(shù)據(jù)并列表。第1列為服役年份；第2列為服役年份對(duì)應(yīng)的設(shè)備存活概率。對(duì)于已退役的設(shè)備，其服役年份為退役年份與投運(yùn)年份之差。對(duì)于在役設(shè)備，其服役年份為當(dāng)前年份與投運(yùn)年份之差。由步驟（a）收集的數(shù)據(jù)，可以方便地得到每個(gè)年份的在役設(shè)備數(shù)和退役設(shè)備數(shù)。每個(gè)年份的離散失效概率為該年的退役設(shè)備數(shù)除以對(duì)應(yīng)的在役設(shè)備數(shù)。每個(gè)年份的存活概率等于1與該年的累積失效概率之差。

（c）威布爾分布模型的可靠性函數(shù)為

1.3 含老化設(shè)備的系統(tǒng)期望缺供電量

1.4 期望損失電量EENS的計(jì)算

基于以上模型計(jì)算得到的老化線路總不可用率，并統(tǒng)計(jì)得到的電網(wǎng)中其他設(shè)備的不可用率，運(yùn)用蒙特卡洛模擬法可以計(jì)算得到系統(tǒng)期望缺供電量EENS指標(biāo)[6]。

1.5 推遲線路更新獲得的收益

推遲線路更新除了增加系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)產(chǎn)生兩方面的結(jié)果：一是新線路投資費(fèi)用因推遲投入產(chǎn)生的利息；二是老化線路的維修費(fèi)用[7-8]。兩者之差為推遲線路更新獲得的凈收益。若設(shè)備更新推遲到第m年，獲得的累積收益為：

（15）

式中：r為資本的年利率；V為線路更新需要投入的資金；B為老化線路每年的維修費(fèi)用。公式第一部分是推遲線路更新獲得的累積利息，用復(fù)利概念來(lái)計(jì)算；第二部分是推遲線路更新而多支付的維修費(fèi)用。

考慮資金的時(shí)間價(jià)值后，對(duì)累計(jì)收益公式進(jìn)行修正，得到新的累計(jì)收益計(jì)算公式：

（16）

式中： ？漬為折現(xiàn)率，一般為3%-5%。

2 設(shè)備退役更新策略

可靠性經(jīng)濟(jì)學(xué)的一個(gè)基本觀點(diǎn)是，系統(tǒng)中一個(gè)元件的價(jià)值并不取決于其自身的狀態(tài)，而是取決于該元件從系統(tǒng)中退出而產(chǎn)生的影響，應(yīng)該由設(shè)備不可用所導(dǎo)致的系統(tǒng)損失費(fèi)用來(lái)評(píng)估設(shè)備的價(jià)值。換言之，如果某個(gè)老化設(shè)備可能出現(xiàn)的失效不會(huì)引起嚴(yán)重的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，則沒有必要立刻更換設(shè)備；反之，如果其失效將導(dǎo)致很大的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，則應(yīng)該盡早考慮更換設(shè)備[6]。

據(jù)此，考慮老化設(shè)備的退役更新時(shí)，需要考慮設(shè)備自身的狀態(tài)和設(shè)備對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的影響，綜合考慮推遲設(shè)備退役更新需要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)和獲得的收益。綜上，以可靠性評(píng)估為基礎(chǔ)的線路退役更新策略主要有以下幾個(gè)步驟。

（a）統(tǒng)計(jì)同類型退役和在役線路的服役年齡，評(píng)估下路老化失效的威布爾模型；

（b）統(tǒng)計(jì)線路可靠性數(shù)據(jù)，利用公式（3）計(jì)算老化線路的可修復(fù)失效不可用率；

（c）利用公式（4）和（5），計(jì)算規(guī)劃期內(nèi)，每年老化線路對(duì)應(yīng)的老化失效不可用率；

（d）根據(jù)公式（6），綜合老化線路的可修復(fù)失效不可用率和老化失效不可用率，得到規(guī)劃期內(nèi)每年老化線路對(duì)應(yīng)的綜合不可用率；

（e）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，利用公式（7），結(jié)合蒙特卡洛模擬和最優(yōu)化潮流模型，計(jì)算規(guī)劃期內(nèi)每年老化線路的累計(jì)期望損失費(fèi)用CR；

（f）利用公式（16）計(jì)算規(guī)劃期內(nèi)，未來(lái)若干年推遲線路更新獲得的收益Cinc；

（g）求解構(gòu)造函數(shù)F（m）的最大值：

如果函數(shù)F（m）在第m年獲得最大值，該年即為線路的最佳更新時(shí)間，此時(shí)電力企業(yè)獲得最大收益。

3 算例分析

以某地區(qū)輸電網(wǎng)絡(luò)為例（如圖1所示），研究老化線路的退役更新時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)中含有3個(gè)電源點(diǎn)、3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)、9條母線、6條220kV輸電線路及3臺(tái)變壓器。

本算例中，以線路GEN2-STNA為例，基于系統(tǒng)可靠性評(píng)估和效益成本分析確定退役更新時(shí)間，參考年份為2015年，規(guī)劃期為10年。

母線數(shù)據(jù)如表1所示，電源點(diǎn)容量和負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示，線路和變壓器阻抗數(shù)據(jù)及可靠性數(shù)據(jù)如表3所示，除線路GEN2-STNA外，其余設(shè)備只考慮可修復(fù)失效不可用率，且假設(shè)規(guī)劃期內(nèi)不可用率保持不變。

規(guī)劃期內(nèi)，所研究線路GEN2-STNA的可修復(fù)失效不可用率、老化失效不可用率及總不可用率如表4所示。

由表4的GEN2-STNA的不可用率可以看出，對(duì)于老化設(shè)備，因老化失效引起的不可用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可修復(fù)失效不可用率，因此，老化失效不可用率是造成系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平提高的主要因素。

在本例中，設(shè)定規(guī)劃期內(nèi)，負(fù)荷的年增長(zhǎng)率為3%；單位停電損失UIC參考國(guó)內(nèi)工業(yè)平均用電電價(jià)，約為1元/kWh；存款利率參考當(dāng)前央行1年定期存款基準(zhǔn)利率，設(shè)定為1.75%；折現(xiàn)率取3%；線路GEN2-STNA的維修費(fèi)用為2萬(wàn)元/年，更新投資成本為400萬(wàn)元。

根據(jù)以上條件，考慮老化線路的總不可用率，規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)的期望缺供電量EENS如表5所示。通過(guò)對(duì)含老化線路的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，結(jié)合效益成本分析，得到規(guī)劃期內(nèi)每年的凈收益現(xiàn)值，如表6和圖2所示。

根據(jù)圖2所示，2019年的收益達(dá)到最大值16.052萬(wàn)元，因此在2019年年底，也即2020年年初更新線路GEN2-STNA。這樣的退役更新決策可以使線路的價(jià)值得到最大的利用，電力企業(yè)得到最大的收益。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前電力公司采用的按固定年限安排設(shè)備退役策略中存在的問(wèn)題，文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評(píng)估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對(duì)老化設(shè)備，同時(shí)考慮設(shè)備的可修復(fù)失效不可用率和老化失效不可用率。從總不可用率出發(fā)，結(jié)合蒙特卡洛模擬和最優(yōu)化潮流模型評(píng)估系統(tǒng)可靠性，確定規(guī)劃年內(nèi)的期望損失費(fèi)用；再根據(jù)效益成本分析，分析推遲設(shè)備更新獲得的收益；最后構(gòu)造凈收益函數(shù)，并求解最優(yōu)值獲得最佳退役年份。文章以某地區(qū)輸電網(wǎng)絡(luò)為例，利用提出的方法研究其中一條老化線路的退役更新，結(jié)果表明，該方法可以使資產(chǎn)的價(jià)值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來(lái)最大收益。

參考文獻(xiàn)

[1]賴佳棟.電網(wǎng)企業(yè)資產(chǎn)管理模型及應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[2]李根臣.電網(wǎng)企業(yè)固定資產(chǎn)管理研究[D].華北電力大學(xué)，2007.

[3]張大波.基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的電力設(shè)備維修及更新策略研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[4]Wenyuan Li， Ebrahim Vaahedi， Paul Choudhury. Power System Equipment Aging[J].IEEE power & energy magazine，2006（3）：52-58.

[5]Wenyuan Li.Evaluating Mean Life of Power System Equipment With Limited End-of-Life Failure Data[J].IEEE Transactions on Power Systems，2004，19（1）：236-242.

[6]李文沅.電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：模型、方法和應(yīng)用[M].科學(xué)出版社， 2006.

[7]Wenyuan Li， Jiaqi Zhou， Jiping Lu， Wei Yan. A Probabilistic Analysis Approach to Making Decision on Retirement of Aged Equipment in Transmission Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22（3）：1891-1896.

[8]李文沅.輸電系統(tǒng)概率規(guī)劃[M].科學(xué)出版社，2015.