計(jì)及技改方案的測(cè)控單元生命周期成本分析

梁 捷

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

測(cè)控單元主要用于采集廠站遙信、遙測(cè)數(shù)據(jù)和執(zhí)行遙調(diào)、遙控命令，幫助值班員監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，提高運(yùn)維自動(dòng)化水平。全生命周期成本(life cycle cost，LCC)是指在設(shè)備整個(gè)經(jīng)濟(jì)壽命時(shí)間軸上各生命節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總費(fèi)用，包括設(shè)計(jì)、試制、制造、使用、運(yùn)維、修理到報(bào)廢等[1-2]。為提高設(shè)備資產(chǎn)管理水平，全生命周期理論以其規(guī)范的過(guò)程控制和數(shù)據(jù)管理理念在電網(wǎng)公司逐步受到關(guān)注[3]。測(cè)控單元不同于發(fā)電機(jī)、斷路器等一次設(shè)備，在技術(shù)升級(jí)、經(jīng)濟(jì)壽命、故障率、運(yùn)維上具有獨(dú)特之處。有學(xué)者對(duì)計(jì)及技改的一次設(shè)備的LCC方面進(jìn)行了研究[4]，但缺少變電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；測(cè)控單元的技改方案以預(yù)防性試驗(yàn)、輪換策略為主，對(duì)其經(jīng)濟(jì)壽命以及生命周期中的故障檢修方案選擇研究較少。

為節(jié)約測(cè)控單元的LCC，本文基于資產(chǎn)LCC法，在保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，建立優(yōu)化測(cè)控單元經(jīng)濟(jì)壽命LCC優(yōu)化模型，并研究其運(yùn)行時(shí)期的技改決策方案，通過(guò)廣西某變電站實(shí)際案例，研究了測(cè)控單元在不同投運(yùn)時(shí)期不同技改方案的經(jīng)濟(jì)性。

1 計(jì)及技改方案的測(cè)控單元LCC模型

1.1 LCC模型

測(cè)控單元的LCC模型

CLCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI為購(gòu)置相關(guān)費(fèi)用；CO為運(yùn)行成本；CM為周期檢修費(fèi)用；CF為故障造成的損失；CD為報(bào)廢成本。

a.CI指設(shè)備購(gòu)入及相關(guān)安裝、調(diào)試的費(fèi)用，為

CI=CIS+CIA+CIT+CIO

(2)

式中：CIS、CIA、CIT、CIO分別為測(cè)控單元購(gòu)置、安裝、調(diào)試費(fèi)及其他費(fèi)用(包括建設(shè)項(xiàng)目管理費(fèi)、技術(shù)服務(wù)費(fèi)、不可預(yù)見費(fèi)、拆舊費(fèi)等[5])。

b.CO指測(cè)控單元運(yùn)行時(shí)期產(chǎn)生的相關(guān)經(jīng)費(fèi)，即：

CO=C1+μ2C2+μ3C3

(3)

式中：C1為測(cè)控單元運(yùn)行時(shí)所使用的電、水、油等能源的成本；C2為運(yùn)維人工費(fèi)(包括變電站運(yùn)維人員的工資、補(bǔ)貼等)；C3為運(yùn)行管理成本(包括資產(chǎn)管理方運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的與設(shè)備運(yùn)維相關(guān)的成本)；μ2為人工成本因子；μ3為管理成本因子。

c.預(yù)防設(shè)備故障進(jìn)行的周期檢測(cè)和修理所產(chǎn)生的費(fèi)用為

CM=CM1+CM2+CM3+CM4

(4)

式中：CM1、CM2、CM3、CM4分別為周期檢測(cè)、可靠性檢修、預(yù)知性檢修和優(yōu)化檢修的費(fèi)用。可靠性檢修費(fèi)用采用依據(jù)隨機(jī)過(guò)程的可靠性評(píng)價(jià)法來(lái)確定對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行的檢修項(xiàng)目及檢修時(shí)間[6]。預(yù)知性檢修為設(shè)備在到達(dá)破壞臨界狀態(tài)前的檢修費(fèi)用。從來(lái)源上看，各檢修費(fèi)用主要由檢修時(shí)消耗使用的材料、人工、機(jī)械費(fèi)用、停電損失和相關(guān)配件的更換費(fèi)用。南網(wǎng)測(cè)控單元當(dāng)前常見的檢修方式是定期檢驗(yàn)，即依據(jù)運(yùn)行規(guī)范內(nèi)對(duì)測(cè)控單元的定期檢驗(yàn)周期和檢修要求，借鑒公司已產(chǎn)生的檢測(cè)或檢修費(fèi)用和檢修預(yù)算，估計(jì)測(cè)控單元的檢修維護(hù)費(fèi)用。

d.CF指設(shè)備發(fā)生故障而產(chǎn)生的直接以及間接懲罰費(fèi)用，直接損失成本來(lái)源于失負(fù)荷懲罰費(fèi)用、設(shè)備性能及壽命損耗等費(fèi)用。間接懲罰費(fèi)用為可能發(fā)生的經(jīng)濟(jì)賠償、行政罰金以及電網(wǎng)企業(yè)信譽(yù)受損等。

CF=CFg×CFf

(5)

式中：CFg是故障發(fā)生概率；CFf是故障損失費(fèi)用。CFg根據(jù)離散取樣法確定，假設(shè)某批次N0臺(tái)設(shè)備于t=0時(shí)投運(yùn)，隨時(shí)間軸的延伸，部分設(shè)備將產(chǎn)生故障。令Ns(t)為t時(shí)未發(fā)生故障的設(shè)備臺(tái)數(shù)，則概率密度f(wàn)(t)為

(6)

由于測(cè)控單元的全生命周期時(shí)長(zhǎng)一般可達(dá)12年，為簡(jiǎn)化測(cè)算過(guò)程，以t=2 年為取樣間隔，根據(jù)已投運(yùn)時(shí)間估計(jì)年故障發(fā)生概率，f(t)為年故障發(fā)生數(shù)和樣本容量的比，單位為次/千臺(tái)·a，即

(7)

若測(cè)控單元某個(gè)配件發(fā)生故障，使設(shè)備整體發(fā)生故障，且該故障可通過(guò)配件更換方式來(lái)恢復(fù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，各配件年故障概率較低，由概率乘法定理，其整機(jī)故障概率fall(t)和配件故障概率fi(t)之間的表達(dá)式為

(8)

測(cè)控單元故障造成的損失費(fèi)用主要包括故障修理費(fèi)、負(fù)荷和數(shù)據(jù)損失費(fèi)。故障修理費(fèi)主要是指故障修理所需的人工、材料、機(jī)械使用費(fèi)。負(fù)荷損失費(fèi)為由于測(cè)控單元故障導(dǎo)致停電的概率與停電造成的直接和間接損失的乘積。停電損失可根據(jù)負(fù)荷損失定價(jià)法(value of load，VOL)估計(jì)[7]。本文采用式(9)進(jìn)行估算，測(cè)控單元故障后數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的直接及間接損失。

(9)

式中：QD,loss是數(shù)據(jù)損失費(fèi)；Df是受故障影響的數(shù)據(jù)量；D0是總數(shù)據(jù)量；γ是數(shù)據(jù)重要性因子，與電壓等級(jí)、受影響的負(fù)荷量等因素有關(guān)；Tf是故障恢復(fù)時(shí)間；P是系統(tǒng)總資產(chǎn)，P/(A，i，n)為年金現(xiàn)值系數(shù)[8]。

e.CD為設(shè)備報(bào)廢時(shí)設(shè)備拆除成本和設(shè)備的剩余成本的差。

1.2 技改方案評(píng)估模型

測(cè)控單元屬于嵌入式設(shè)備，其技改方案主要是整機(jī)和配件更換的形式，整機(jī)更換包括運(yùn)維方自行更換和技改外委更換2種方式。本文將配件作為測(cè)控單元技改方案的最小技改單元，再根據(jù)配件的故障率和LCC，外推估計(jì)設(shè)備整體的故障率和LCC，最后根據(jù)各類技改方案的結(jié)果確定最優(yōu)方案。本文采用年值型指標(biāo)評(píng)估測(cè)控單元的LCC[9]，該指標(biāo)可統(tǒng)一各技改方案的壽命周期參比口徑，其折算公式為

(10)

式中：n為設(shè)備生命周期時(shí)長(zhǎng)；i為參考年投資回報(bào)率；CLCC,j為第j年的成本；CLCC,a為全生命周期成本年值。本文評(píng)估模型可用于在設(shè)備故障已發(fā)生后指導(dǎo)技改方案的選擇以及故障發(fā)生前更換年度的優(yōu)選決策。

2 案例分析

對(duì)廣西某變電站500 kV某串聯(lián)絡(luò)開關(guān)QF5012的測(cè)控單元進(jìn)行估算故障后不同技改方案的LCC。技改成本數(shù)據(jù)來(lái)自南網(wǎng)招標(biāo)公告、運(yùn)維單位自行更換所需人工、運(yùn)輸費(fèi)用等。從該站某測(cè)控單元2013—2015年設(shè)備臺(tái)賬和缺陷記錄統(tǒng)計(jì)其年故障發(fā)生概率，提取有效記錄983條，以2年為最小時(shí)間跨度，該設(shè)備的故障發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 某測(cè)控單元故障發(fā)生概率 次/千臺(tái)·a

按第2節(jié)方法估算該設(shè)備2018年不同技改方案的成本年值，參考年投資回報(bào)率為9%，如表2(由于周期檢修費(fèi)用和運(yùn)行成本各方案均相等，故忽略)。

表2 某500 kV變電站測(cè)控單元不同技改方案成本

表2的測(cè)控單元投運(yùn)時(shí)間為2008年，若2018年發(fā)生故障，則通過(guò)技改項(xiàng)目整體更換該設(shè)備的費(fèi)用年值CLCC,a是2 195元，比其他2種技改方案的費(fèi)用年值要低。

該設(shè)備從投運(yùn)起計(jì)數(shù)的各年度不同技改方案的CLCC,a曲線如圖1所示。由圖1可見，測(cè)控單元故障時(shí)通過(guò)技改項(xiàng)目更換設(shè)備整體的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于運(yùn)維單位自行更換的方式，這是由于運(yùn)行單位自行更換設(shè)備的安裝費(fèi)用比外委方式要貴。此外，投運(yùn)時(shí)間越長(zhǎng)，配件更換方式的CLCC,a越高，而整機(jī)更換的CLCC,a就越低。該設(shè)備在投產(chǎn)最初的5年內(nèi)若發(fā)生故障，更換配件的方式較經(jīng)濟(jì)；第6年技改整機(jī)更換和配件更換這2種方式成本相差不大，而第6年后則是通過(guò)技改項(xiàng)目更換整機(jī)的方式較好。

圖1 測(cè)控單元不同技改方案CLCC,a曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在建立廠站測(cè)控單元的LCC故障損失費(fèi)用模型時(shí)，基于串聯(lián)系統(tǒng)概率乘法理論梳理了整機(jī)故障概率與配件故障概率的估算關(guān)系，提出考慮數(shù)據(jù)故障恢復(fù)時(shí)間和數(shù)據(jù)重要性的數(shù)據(jù)損失費(fèi)估算模型，并以廣西某變電站某開關(guān)的測(cè)控單元為例，驗(yàn)證本文計(jì)及技改方案的測(cè)控單元LCC模型的可行性。算例分析表明：測(cè)控單元的LCC約以投運(yùn)后6年為臨界值，投運(yùn)時(shí)間越長(zhǎng)，更換設(shè)備的費(fèi)用年值越低，本模型對(duì)廠站設(shè)備資產(chǎn)管理和不同投運(yùn)時(shí)期的技改決策優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。