計及技改方案的測控單元生命周期成本分析

梁 捷

(廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530023)

測控單元主要用于采集廠站遙信、遙測數據和執行遙調、遙控命令，幫助值班員監控設備運行狀況，提高運維自動化水平。全生命周期成本(life cycle cost，LCC)是指在設備整個經濟壽命時間軸上各生命節點產生的總費用，包括設計、試制、制造、使用、運維、修理到報廢等[1-2]。為提高設備資產管理水平，全生命周期理論以其規范的過程控制和數據管理理念在電網公司逐步受到關注[3]。測控單元不同于發電機、斷路器等一次設備，在技術升級、經濟壽命、故障率、運維上具有獨特之處。有學者對計及技改的一次設備的LCC方面進行了研究[4]，但缺少變電站現場數據；測控單元的技改方案以預防性試驗、輪換策略為主，對其經濟壽命以及生命周期中的故障檢修方案選擇研究較少。

為節約測控單元的LCC，本文基于資產LCC法，在保證系統和設備的安全性和可靠性的基礎上，建立優化測控單元經濟壽命LCC優化模型，并研究其運行時期的技改決策方案，通過廣西某變電站實際案例，研究了測控單元在不同投運時期不同技改方案的經濟性。

1 計及技改方案的測控單元LCC模型

1.1 LCC模型

測控單元的LCC模型

CLCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI為購置相關費用；CO為運行成本；CM為周期檢修費用；CF為故障造成的損失；CD為報廢成本。

a.CI指設備購入及相關安裝、調試的費用，為

CI=CIS+CIA+CIT+CIO

(2)

式中：CIS、CIA、CIT、CIO分別為測控單元購置、安裝、調試費及其他費用(包括建設項目管理費、技術服務費、不可預見費、拆舊費等[5])。

b.CO指測控單元運行時期產生的相關經費，即：

CO=C1+μ2C2+μ3C3

(3)

式中：C1為測控單元運行時所使用的電、水、油等能源的成本；C2為運維人工費(包括變電站運維人員的工資、補貼等)；C3為運行管理成本(包括資產管理方運營時產生的與設備運維相關的成本)；μ2為人工成本因子；μ3為管理成本因子。

c.預防設備故障進行的周期檢測和修理所產生的費用為

CM=CM1+CM2+CM3+CM4

(4)

式中：CM1、CM2、CM3、CM4分別為周期檢測、可靠性檢修、預知性檢修和優化檢修的費用。可靠性檢修費用采用依據隨機過程的可靠性評價法來確定對設備和系統進行的檢修項目及檢修時間[6]。預知性檢修為設備在到達破壞臨界狀態前的檢修費用。從來源上看，各檢修費用主要由檢修時消耗使用的材料、人工、機械費用、停電損失和相關配件的更換費用。南網測控單元當前常見的檢修方式是定期檢驗，即依據運行規范內對測控單元的定期檢驗周期和檢修要求，借鑒公司已產生的檢測或檢修費用和檢修預算，估計測控單元的檢修維護費用。

d.CF指設備發生故障而產生的直接以及間接懲罰費用，直接損失成本來源于失負荷懲罰費用、設備性能及壽命損耗等費用。間接懲罰費用為可能發生的經濟賠償、行政罰金以及電網企業信譽受損等。

CF=CFg×CFf

(5)

式中：CFg是故障發生概率；CFf是故障損失費用。CFg根據離散取樣法確定，假設某批次N0臺設備于t=0時投運，隨時間軸的延伸，部分設備將產生故障。令Ns(t)為t時未發生故障的設備臺數，則概率密度f(t)為

(6)

由于測控單元的全生命周期時長一般可達12年，為簡化測算過程，以t=2 年為取樣間隔，根據已投運時間估計年故障發生概率，f(t)為年故障發生數和樣本容量的比，單位為次/千臺·a，即

(7)

若測控單元某個配件發生故障，使設備整體發生故障，且該故障可通過配件更換方式來恢復，根據統計數據可知，各配件年故障概率較低，由概率乘法定理，其整機故障概率fall(t)和配件故障概率fi(t)之間的表達式為

(8)

測控單元故障造成的損失費用主要包括故障修理費、負荷和數據損失費。故障修理費主要是指故障修理所需的人工、材料、機械使用費。負荷損失費為由于測控單元故障導致停電的概率與停電造成的直接和間接損失的乘積。停電損失可根據負荷損失定價法(value of load，VOL)估計[7]。本文采用式(9)進行估算，測控單元故障后數據丟失導致的直接及間接損失。

(9)

式中：QD,loss是數據損失費；Df是受故障影響的數據量；D0是總數據量；γ是數據重要性因子，與電壓等級、受影響的負荷量等因素有關；Tf是故障恢復時間；P是系統總資產，P/(A，i，n)為年金現值系數[8]。

e.CD為設備報廢時設備拆除成本和設備的剩余成本的差。

1.2 技改方案評估模型

測控單元屬于嵌入式設備，其技改方案主要是整機和配件更換的形式，整機更換包括運維方自行更換和技改外委更換2種方式。本文將配件作為測控單元技改方案的最小技改單元，再根據配件的故障率和LCC，外推估計設備整體的故障率和LCC，最后根據各類技改方案的結果確定最優方案。本文采用年值型指標評估測控單元的LCC[9]，該指標可統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為設備生命周期時長；i為參考年投資回報率；CLCC,j為第j年的成本；CLCC,a為全生命周期成本年值。本文評估模型可用于在設備故障已發生后指導技改方案的選擇以及故障發生前更換年度的優選決策。

2 案例分析

對廣西某變電站500 kV某串聯絡開關QF5012的測控單元進行估算故障后不同技改方案的LCC。技改成本數據來自南網招標公告、運維單位自行更換所需人工、運輸費用等。從該站某測控單元2013—2015年設備臺賬和缺陷記錄統計其年故障發生概率，提取有效記錄983條，以2年為最小時間跨度，該設備的故障發生概率統計結果如表1所示。

表1 某測控單元故障發生概率 次/千臺·a

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

表2 某500 kV變電站測控單元不同技改方案成本

表2的測控單元投運時間為2008年，若2018年發生故障，則通過技改項目整體更換該設備的費用年值CLCC,a是2 195元，比其他2種技改方案的費用年值要低。

該設備從投運起計數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，測控單元故障時通過技改項目更換設備整體的經濟性優于運維單位自行更換的方式，這是由于運行單位自行更換設備的安裝費用比外委方式要貴。此外，投運時間越長，配件更換方式的CLCC,a越高，而整機更換的CLCC,a就越低。該設備在投產最初的5年內若發生故障，更換配件的方式較經濟；第6年技改整機更換和配件更換這2種方式成本相差不大，而第6年后則是通過技改項目更換整機的方式較好。

圖1 測控單元不同技改方案CLCC,a曲線

3 結束語

本文在建立廠站測控單元的LCC故障損失費用模型時，基于串聯系統概率乘法理論梳理了整機故障概率與配件故障概率的估算關系，提出考慮數據故障恢復時間和數據重要性的數據損失費估算模型，并以廣西某變電站某開關的測控單元為例，驗證本文計及技改方案的測控單元LCC模型的可行性。算例分析表明：測控單元的LCC約以投運后6年為臨界值，投運時間越長，更換設備的費用年值越低，本模型對廠站設備資產管理和不同投運時期的技改決策優化具有指導意義。