綜合系統(tǒng)可靠性評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：針對當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題，文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對老化設(shè)備，同時考慮設(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)化潮流模型評估系統(tǒng)可靠性，確定規(guī)劃年內(nèi)每年的期望損失費用；再根據(jù)效益成本分析，計算推遲設(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)的價值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來最大收益。

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)賴以維持簡單生產(chǎn)和持續(xù)經(jīng)營的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。據(jù)統(tǒng)計，省級電力企業(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)管理中一項極其重要的內(nèi)容。

隨著早期投運的電力設(shè)備日趨老化，系統(tǒng)可靠性逐年降低，設(shè)備的維修成本越來越高，如何在保證電網(wǎng)安全運行的同時，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)，是當前電力企業(yè)面臨的一大難題[2]。當前，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)備的實際健康狀況，對于健康狀況較差的設(shè)備，可能在其壽命終止時仍未安排退役而對系統(tǒng)可靠性造成影響，而對于健康狀況較好的設(shè)備，則可能在到退役年齡時仍有較好的狀態(tài)，過早退役會引起不必要的提前投資，導(dǎo)致資產(chǎn)的價值得不到充分利用。在實際運行的電網(wǎng)中，對老化設(shè)備退役更新的根本目的是控制系統(tǒng)風險，將老化設(shè)備的總不可用率對電網(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)備對整個系統(tǒng)可靠性的影響[3-4]。

文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對老化線路，首先利用歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)威布爾模型計算考慮可修復(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)并進行最優(yōu)化潮流計算，評估系統(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用；最后，采用效益成本分析法，對比老化線路造成的期望損失費用和推遲設(shè)備更新獲得的收益，確定老化線路的最佳退役時間，使資產(chǎn)的價值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來最大收益。

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)估計方式如下[5]：

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

（b）統(tǒng)計收集數(shù)據(jù)并列表。第1列為服役年份；第2列為服役年份對應(yīng)的設(shè)備存活概率。對于已退役的設(shè)備，其服役年份為退役年份與投運年份之差。對于在役設(shè)備，其服役年份為當前年份與投運年份之差。由步驟（a）收集的數(shù)據(jù)，可以方便地得到每個年份的在役設(shè)備數(shù)和退役設(shè)備數(shù)。每個年份的離散失效概率為該年的退役設(shè)備數(shù)除以對應(yīng)的在役設(shè)備數(shù)。每個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的計算

基于以上模型計算得到的老化線路總不可用率，并統(tǒng)計得到的電網(wǎng)中其他設(shè)備的不可用率，運用蒙特卡洛模擬法可以計算得到系統(tǒng)期望缺供電量EENS指標[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)風險，還會產(chǎn)生兩方面的結(jié)果：一是新線路投資費用因推遲投入產(chǎn)生的利息；二是老化線路的維修費用[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)利概念來計算；第二部分是推遲線路更新而多支付的維修費用。

考慮資金的時間價值后，對累計收益公式進行修正，得到新的累計收益計算公式：

（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)濟學的一個基本觀點是，系統(tǒng)中一個元件的價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)損失費用來評估設(shè)備的價值。換言之，如果某個老化設(shè)備可能出現(xiàn)的失效不會引起嚴重的系統(tǒng)風險，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)風險，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，需要考慮設(shè)備自身的狀態(tài)和設(shè)備對系統(tǒng)風險的影響，綜合考慮推遲設(shè)備退役更新需要承擔的風險和獲得的收益。綜上，以可靠性評估為基礎(chǔ)的線路退役更新策略主要有以下幾個步驟。

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

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

（c）利用公式（4）和（5），計算規(guī)劃期內(nèi)，每年老化線路對應(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)每年老化線路對應(yīng)的綜合不可用率；

（e）對系統(tǒng)進行可靠性評估，利用公式（7），結(jié)合蒙特卡洛模擬和最優(yōu)化潮流模型，計算規(guī)劃期內(nèi)每年老化線路的累計期望損失費用CR；

（f）利用公式（16）計算規(guī)劃期內(nèi)，未來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間，此時電力企業(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間。網(wǎng)絡(luò)中含有3個電源點、3個負荷點、9條母線、6條220kV輸電線路及3臺變壓器。

本算例中，以線路GEN2-STNA為例，基于系統(tǒng)可靠性評估和效益成本分析確定退役更新時間，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，電源點容量和負荷點數(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，對于老化設(shè)備，因老化失效引起的不可用率遠遠大于可修復(fù)失效不可用率，因此，老化失效不可用率是造成系統(tǒng)風險水平提高的主要因素。

在本例中，設(shè)定規(guī)劃期內(nèi)，負荷的年增長率為3%；單位停電損失UIC參考國內(nèi)工業(yè)平均用電電價，約為1元/kWh；存款利率參考當前央行1年定期存款基準利率，設(shè)定為1.75%；折現(xiàn)率取3%；線路GEN2-STNA的維修費用為2萬元/年，更新投資成本為400萬元。

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。通過對含老化線路的系統(tǒng)進行可靠性評估，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年的收益達到最大值16.052萬元，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

針對當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題，文章采用了一種綜合系統(tǒng)可靠性評估和效益成本分析的電力設(shè)備退役更新策略。針對老化設(shè)備，同時考慮設(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)化潮流模型評估系統(tǒng)可靠性，確定規(guī)劃年內(nèi)的期望損失費用；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)的價值得到充分利用，為電力企業(yè)帶來最大收益。

參考文獻

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