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備退役更新策略。針對老化設備，同時考慮設備的可修復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[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備日趨老化，系統(tǒng)可靠性逐年降低，設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)事先設定的退役年齡更新設備的策略。這種退役更新方式?jīng)]有充分考慮設備的實際健康狀況，對于健康狀況較差的設備，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，對老化設備退役更新的根本目的是控制系統(tǒng)風險，將老化設備的總不可用率對電網(wǎng)的影響降到最低。因此，不能只考慮老化設備自身的狀態(tài)，還要考慮設備對整個系統(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備的數(shù)據(jù)，包括已退役設備和在役設備。對于已退役設備，收集其投運年份和退役年份；對于在役設備，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列為服役年份對應的設備存活概率。對于已退役的設備，其服役年份為退役年份與投運年份之差。對于在役設備，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備數(shù)和退役設備數(shù)。每個年份的離散失效概率為該年的退役設備數(shù)除以對應的在役設備數(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，應該由設備不可用所導致的系統(tǒng)損失費用來評估設備的價值。換言之，如果某個老化設備可能出現(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備；反之，如果其失效將導致很大的系統(tǒng)風險，則應該盡早考慮更換設備[6]。

據(jù)此，考慮老化設備的退役更新時，需要考慮設備自身的狀態(tài)和設備對系統(tǒng)風險的影響，綜合考慮推遲設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)絡為例（如圖1所示），研究老化線路的退役更新時間。網(wǎng)絡中含有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，其余設備只考慮可修復失效不可用率，且假設規(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，對于老化設備，因老化失效引起的不可用率遠遠大于可修復失效不可用率，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備退役更新策略。針對老化設備，同時考慮設備的可修復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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[3]張大波.基于狀態(tài)監(jiān)測與系統(tǒng)風險評估的電力設備維修及更新策略研究[D].重慶大學，2012.

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