王 凱,文江海,楊放南,李 淵,王生媛,沈 潔,吳對平

（1.國網青海省電力公司，青海 西寧 810008；2.國網青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810008；3.國網青海省電力公司西寧供電公司，青海 西寧 810008）

0 引言

技改投資是電網新舊更替的重要措施，是電網安全穩(wěn)定、高效經濟運行的基礎和保障。改革開放后我國經濟迎來高速發(fā)展，電網投資規(guī)模出現(xiàn)密集式增長。從國際電力公司經驗來看，前期資產的大規(guī)模密集投運，設備資產將在未來集中老化，形成“資產墻”風險。為保證電網的可靠運行，公司將出現(xiàn)大規(guī)模的集中改造需求，帶來較大的技改資金壓力。因此，準確預測技改投資規(guī)模，優(yōu)化投資分配，合理消納“資產墻”風險，是當下電網企業(yè)的切實需求。

近年來，國內學者借鑒國外先進電網資產管理經驗，對技改投資預測開展了多方面研究。陳虎等[1-2]提出了項目成本管理、資產全壽命周期管理等資產管理機制，通過強化資產過程管控，優(yōu)化電網企業(yè)技改投資策略，但未對技改投資做出預測。秦國強等[3]提出了一種基于灰色模型的電網投資測算模型，但該方法忽略了設備壽命這一影響因素，所以無法做長久的投資預測。白寅凱等[4-6]以全壽命周期成本管理理論（LCC）為指導，提出設備經濟壽命、技術壽命等測算模型，為技改投資預測提供支撐。自2014 年開始，國內在技改規(guī)模預測方面引入了資產墻方法。劉藝賀等[7]通過“資產墻”建立，結合預期使用壽命做出了未來技改預測，但傳統(tǒng)“資產墻”僅通過簡單的年限平移，無法對技改規(guī)模進行準確預測。楊璽等[8-9]利用大數(shù)據(jù)技術修正設備預期使用壽命，并基于資產投映模型和蒙特卡羅模擬優(yōu)化了技改投資預測。張俊波等[10]基于“資產墻”，通過財務折舊年限、設備使用壽命和設備設計壽命3 種場景預測了未來技改資金。楊威[11]通過“資產墻”的理論和方法預測投資規(guī)模，提出了考慮和不考慮貨幣時間價值的設備技改投資預測模型。李智威等[12]基于價值鏈管理理論，提出了一種基于全壽命管理“資產墻”模型投資預測方法。以上學者提出的技改預測模型均局限于基于預期壽命的“資產墻”平移方法，但在實際中同一時間段投運的資產并不全在同一時間點報廢，存在多種未達到設計壽命即退役報廢的情況，不能準確反映設備技改需求的真實規(guī)模，無法有效消除“資產墻”風險。

本文基于設備實際使用壽命分析結果，引入Kaplan-Meier 生存概率曲線，優(yōu)化“資產墻”預測模型。該方法克服了傳統(tǒng)“資產墻”年限平移方法的弊端，提高了設備改造規(guī)模預測的準確性，有效輔助了電網技改投資規(guī)劃。

1 基于生存概率的“資產墻”預測模型

1.1 基于生存概率的“資產墻”模型設計

“資產墻”模型以時間為橫軸，以資產規(guī)模為縱軸，繪制資產規(guī)模－時間圖形，歷史上某個時段內集中投運的資產規(guī)模在圖中將會呈現(xiàn)“墻”的形狀。傳統(tǒng)“資產墻”模型將資產預期壽命作為偏移量平移“資產墻”，平移后的圖形可反映出未來資產技改的資金需求。隨著經濟高質量發(fā)展，科學技術持續(xù)進步，電力設備的使用壽命逐漸延長，同一時間投運的設備資產將在未來不同時間點進行技改或退役報廢，這使得傳統(tǒng)“資產墻”平移模型的預測結果與實際產生較大誤差。

本模型依據(jù)報廢記錄及技改報廢分析的結果，統(tǒng)籌設備實際壽命經驗值，對“資產墻”平移法預測技改投資規(guī)模進行了完善。通過對多年的退役報廢和技改報廢記錄的分析發(fā)現(xiàn)，設備技改項目的立項存在多種原因，包括設備老舊、政策性調整、技術標準提高、意外事故、設備質量問題、設備健康問題等，這些原因造成的技改退役時間分布在設備的各個役齡階段，且呈現(xiàn)一定規(guī)律性的概率分布。本文以此作為改進“資產墻”平移預測法的出發(fā)點，通過引進Kaplan-Meier 生存概率曲線，將退役報廢概率役齡分布擬合為威布爾報廢概率分布，結合“資產墻”平移，迭代推算未來多年的技改投資規(guī)模。

1）生存概率

Kaplan-Meier 生存概率曲線是以設備役齡為橫軸，生存概率為縱軸繪制而成的連續(xù)型的階梯形曲線，用以說明設備役齡與生存概率之間的關系，如圖1 所示。生存概率曲線可以用報廢比按照役齡迭代計算得出，在計算之前給出一個假定：當設備役齡為0 年時，其生存概率為1。生存概率S(t)的迭代計算公式為：當t=0 時，S(t)=1，否則：

圖1 生存概率示意圖

其中R(t)為t役齡的基于老舊及不可抗拒原因的報廢量；NUM(t)為t役齡下的觀察樣本在役資產量和退役報廢量之和；R(t)/NUM(t)為t年役齡的報廢比。

由于報廢記錄數(shù)據(jù)有限，設備整個生命周期的報廢情況無法準確估計，且超齡使用的老舊設備一定程度干擾了生存概率的收斂性，導致設備役齡越大，生存概率誤差越大。生存概率曲線的改進，可以借助設定的折舊年限、設計壽命或實際壽命經驗值對其進行修正，假定役齡在大于這些年限或壽命時，其生存概率幾乎為0，基于該假定對生存概率曲線進行修正，本文采用實際壽命經驗值作為修正依據(jù)。

2）威布爾報廢概率分布

威布爾累積分布函數(shù)為從0 增大到1 的函數(shù)，與生存概率的變化正好相反，和報廢概率役齡分布一致，因此可以認為是生存概率曲線的變換，采用威布爾分布CDF 函數(shù)加位移參數(shù)b得出生存概率曲線S(t)，根據(jù)威布爾CDF 函數(shù)得出如下公式：

其中，α＞0 為形狀參數(shù)；β＞0 為尺度參數(shù)，通過統(tǒng)計的實際概率采用最小二乘法進行擬合得到。

報廢概率是生存概率的反向，可以由Kaplan-Meier 生存概率間接推算出，報廢概率F(t)推算公式為：

3）設備技改規(guī)模預測

假定已知2021年設備數(shù)量或規(guī)?！百Y產墻”，預測未來多年數(shù)量更新規(guī)模。

先預測初始年份2022 年某專業(yè)電壓等級設備更新量Q(2022)，測算公式為：

其中CDF（l）為該專業(yè)相關電壓等級的威布爾概率分布函數(shù)，QW(2021,l)為該類設備2021 年的數(shù)量規(guī)?！百Y產墻”。

迭代計算后續(xù)年份的更新量Q(n)：

其中：

迭代計算方法中，后續(xù)年份的“資產墻”要在本年度“資產墻”的基礎上，增加資產的增長量，扣掉資產損失量。增長量因轉資產生，一般為新齡資產，考慮到發(fā)生報廢的概率偏低，可以忽略不計。損失量則用本次迭代前預測的全量報廢量，不能忽略不計。

根據(jù)分項測算的設備更新數(shù)量規(guī)模，用測算的設備單價轉換成分項價值規(guī)模，然后合計為設備更新總價值規(guī)模。設測算第n年的價值規(guī)模V(n)，PR 為某個分項某電壓等級的設備單價，測算公式為：

考慮到不同專業(yè)、不同電壓等級的設備單價相差較大，且計量單位不同，因此采用分項測算數(shù)量規(guī)模，并根據(jù)分項單價轉換為價值規(guī)模，然后再合計為總的價值測算量。

1.2 基于生存概率的“資產墻”預測流程

本文采用生存概率迭代預測法代替原有的基于資產壽命預測法，迭代計算未來技改投資規(guī)模，流程如圖2 所示。具體預測步驟如下：

圖2 基于生存概率的“資產墻”預測流程

1）通過設備的報廢記錄數(shù)據(jù)，計算設備各役齡的報廢比。

2）基于設備各役齡報廢比迭代推算出設備生存概率，結合設備實際壽命經驗值予以修正。

3）基于設備的生存概率計算得到報廢概率役齡分布，并擬合出威布爾報廢概率分布。

4）根據(jù)威布爾分布，通過數(shù)量規(guī)?！百Y產墻”平移和迭代計算，分項預測出設備的數(shù)量更新規(guī)模；并根據(jù)測算的設備單價，將數(shù)量更新規(guī)模轉算為分項價值規(guī)模。

5）合計分項價值規(guī)模，形成測算年份的設備技改規(guī)模。

1.3 大數(shù)據(jù)對“資產墻”技改預測的支撐

用于“資產墻”技改預測所需的電網實物資產基礎數(shù)據(jù)，來源多樣，數(shù)據(jù)量龐大。本文基于大數(shù)據(jù)工具，實現(xiàn)了實物資產數(shù)據(jù)融合，支撐“資產墻”分析預測，具體應用如圖3所示。

圖3 “資產墻”大數(shù)據(jù)融合應用架構圖

1）通過確定資產數(shù)據(jù)與ERP、PMS、網上電網等業(yè)務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)的映射關系，運用ETL（數(shù)據(jù)抽?。W（數(shù)據(jù)倉庫）等大數(shù)據(jù)工具對相關業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動進行抽取、轉換與融合應用，提取實物資產元數(shù)據(jù)表，實現(xiàn)了基礎數(shù)據(jù)自動獲取和定期存儲。

2）通過分析不同電壓等級下的設備報廢役齡，構建設備使用年限與報廢概率函數(shù)關系，采用生存概率方法完善“資產墻”預測模型，測算未來電網設備的“資產墻”規(guī)模。

3）利用知識圖譜為“資產墻”風險提供決策建議，統(tǒng)籌考慮技改與整站整線綜合改造模式，預測電網設備中長期技改投資需求，提出投資分配建議，合理應對“資產墻”風險。

2 電網設備技改規(guī)模預測實例分析

選取某省級電網公司變電專業(yè)開展“資產墻”技改預測模型應用，結合生存概率和威布爾分布，構建設備使用年限與報廢概率函數(shù)關系，測算2050 年以前設備資產改造需求。

2.1 基于“資產墻”的變電設備技改規(guī)模預測

基于當前設備造價分析的精準性，采用近3 年技改工程造價均值作為變電專業(yè)單位資產價值，結合每年變電專業(yè)報廢數(shù)量，測算2022 年至2050 年變電設備技改投資規(guī)模。

1）變電設備技改規(guī)模預測

如圖4 所示，通過優(yōu)化后的“資產墻”預測模型，得到2022 年至2050 年變電專業(yè)“資產墻”增長趨勢，該結果不是設備資產價值點對點的直接平移，而是將不同年份的資產依據(jù)設備生存概率進行分散，減輕投資壓力的成果，因此其變化趨勢與設備投運規(guī)模存在差異。

圖4 變電設備技改規(guī)模預測（億元）

從預測結果可以看出，2030 年以前變電專業(yè)“資產墻”新增規(guī)模每年在2 億元以內，并在2035 年快速上升至5 億元以上，其中2036 年、2042 年、2046 年的“資產墻”存在尖峰，達到10 億元上下，需提前規(guī)劃老舊設備改造，分散投資壓力。

2）變電設備按設備類型技改規(guī)模預測

如圖5 所示，從設備類型來看，2030 年以前變電設備“資產墻”由開關類設備主導，2030年以后逐漸由組合電器主導，2040 年以后變壓器類“資產墻”規(guī)模大幅增加。公司在“十一五”期間加大對變電設備的投資，由于開關類設備、組合電器、變壓器設備壽命上的不同，呈現(xiàn)了不同時期的技改高峰。

圖5 變電設備按設備類型技改規(guī)模預測（億元）

3）變電設備按電壓等級技改規(guī)模預測

如圖6 所示，從電壓等級來看，變電設備“資產墻”在2035 年以前由常規(guī)電壓設備主導，2035 年以后由超高壓設備主導，750 kV 設備對“資產墻”尖峰產生具有重要影響?！笆晃濉遍_始加大了超高壓電網的建設，投建了多所750 kV 變電站，成為未來變電專業(yè)技改投資的重點。

圖6 按電壓等級變電設備技改規(guī)模預測（億元）

通過分析發(fā)現(xiàn)，變電設備技改規(guī)模預測結果具有以下特點：

一是2022 年至2030 年變電設備新增“資產墻”在1 億元上下平穩(wěn)波動，該階段“資產墻”風險主導設備為開關類，占比約為80%，“資產墻”風險主導電壓為110 kV 及以下常規(guī)電壓。

二是2031 年至2035 年變電設備新增“資產墻”呈快速增長，由1 億元逐年增長至6 億元，“資產墻”風險快速累積，主要是因為組合電器“資產墻”規(guī)模的快速增長，該階段330 kV電壓設備比重增加明顯。

三是2036 年至2050 年變電設備“資產墻”呈現(xiàn)3個尖峰，分別為2036年、2042年和2046年。其尖峰產生的原因主要為組合電器和750 kV 超高壓設備的密集老化。

2.2 “資產墻”法技改預測與“十四五”技改規(guī)劃的比較

應用“資產墻”對2021-2025 年省級電網技改規(guī)模做出需求的預測與“十四五”規(guī)劃老舊技改資金比較見表1，從表中可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技改投資規(guī)劃無法滿足“資產墻”風險消納需求，亟需提高技改資金投入。

表1 變電設備“資產墻”預測與“十四五”規(guī)劃技改資金比較

傳統(tǒng)技改投資預測局限于短期技改項目需求規(guī)劃，基于“資產墻”的電網設備技改規(guī)模預測具有以下3 點優(yōu)勢：

一是可以進行中長期預測?！百Y產墻”可以綜合存量資產規(guī)模及設備壽命，將技改投資預測擴展至未來30 年，指導中長期技改投資需求規(guī)劃。

二是準確預判技改投資風險。依據(jù)“資產墻”風險分析，可以清晰判斷技改需求高峰節(jié)點及不同時期技改重點，提前規(guī)劃資金安排，分散投資壓力，優(yōu)化投資結構。

三是精準預測老舊技改需求。“資產墻”預測充分考慮設備壽命及報廢退役的影響，精準展現(xiàn)了未來老舊設備報廢退役規(guī)模及變化趨勢，可有效指導考慮“資產墻”風險消納的投資規(guī)劃。

3 考慮“資產墻”風險消納的技改投資策略建議

為降低“資產墻”積聚風險對公司管理經營的消極影響，可進一步優(yōu)化電網設備技改投資策略，均衡技改投資結構，科學規(guī)劃技改投資分配，具體包括3 個方面：

一是加大老舊資產技改投資力度，保障電網安全運行?！笆奈濉奔几耐顿Y規(guī)劃中變電設備的老舊技改投資平均每年為0.63 億元，而同期基于“資產墻”的變電設備技改規(guī)模預測平均每年為0.84 億元，較“十四五”規(guī)劃高出33.33%，以現(xiàn)有投資速度無法滿足老舊資產更新需求。綜合電網設備實際情況和專業(yè)發(fā)展需求，應調增老舊設備改造額度，進一步結合各專業(yè)“資產墻”風險，科學規(guī)劃技改資金投向，精準實施老舊設備改造。

二是合理安排老舊設備改造優(yōu)先級，強化技改項目管理。結合“資產墻”分析結果，調整未來不同時期重點設備類型的技改投資優(yōu)先級。2030 年前，設備技改的投資需求主要是開關類設備；2030 年以后，設備技改的投資需求傾斜于組合電器；2040 年以后，關注變壓器類設備的技改需求增長。在公司技改資金無法充分滿足當前技改需求的現(xiàn)實背景下，為保證資產技改效益最大化，提高技改決策合理性，建議通過電網設備技改決策模型進一步評估技改方案優(yōu)先級，從設備狀態(tài)、重要程度、設備運行年限和資產成新率4 個維度開展老舊設備技改優(yōu)先級評估，同時結合專家經驗對評估結果進一步修正，綜合考慮電網投資能力，確定設備改造級別，達到有效評估技改項目緊急程度、合理安排老舊資產技改投資時序目的。

三是科學規(guī)劃中長期技改投資資金，及時消納“資產墻”風險。2030 年以后，變電設備“資產墻”規(guī)模呈幾何倍數(shù)增長，并分別在2036 年、2042 年以及2046 年前后出現(xiàn)技改需求高峰，突增至10 億元以上，造成技改需求高峰的原因主要是750 kV 超高壓變電站內的高價值變電設備集中老化。建議在中長期技改投資規(guī)劃中重點關注超高壓設備技改需求，資金充足情況下應提前規(guī)劃設備技改，資金不足情況下應延后老舊設備改造，達到“削峰填谷”，合理降低“資產墻”風險。

4 結論

本文以變電設備為例，將設備生存概率曲線和威布爾報廢概率分布引入“資產墻”模型，提高了設備技改規(guī)模預測方法的精準度，能夠實現(xiàn)對電網設備改造投資風險的準確識別，科學輔助技改投資規(guī)劃，提升電網精益管理水平。該模型可用于對不同維度電網設備改造需求的宏觀評估，優(yōu)化各專業(yè)投資結構，依據(jù)設備投資需求研判設備改造規(guī)模及投資風險節(jié)點，指導未來電網設備改造規(guī)劃。