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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)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(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(shè)備整個經(jīng)濟壽命時間軸上各生命節(jié)點產(chǎn)生的總費用，包括設(shè)計、試制、制造、使用、運維、修理到報廢等[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]。測控單元不同于發(fā)電機、斷路器等一次設(shè)備，在技術(shù)升級、經(jīng)濟壽命、故障率、運維上具有獨特之處。有學(xué)者對計及技改的一次設(shè)備的LCC方面進行了研究[4]，但缺少變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)；測控單元的技改方案以預(yù)防性試驗、輪換策略為主，對其經(jīng)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(jié)約測控單元的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)化測控單元經(jīng)濟壽命LCC優(yōu)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(jīng)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(guān)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(shè)備購入及相關(guān)安裝、調(diào)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(diào)試費及其他費用(包括建設(shè)項目管理費、技術(shù)服務(wù)費、不可預(yù)見費、拆舊費等[5])。

b.CO指測控單元運行時期產(chǎn)生的相關(guān)經(jīng)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(chǎn)管理方運營時產(chǎn)生的與設(shè)備運維相關(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)備故障進行的周期檢測和修理所產(chǎn)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(yù)知性檢修和優(yōu)化檢修的費用。可靠性檢修費用采用依據(jù)隨機過程的可靠性評價法來確定對設(shè)備和系統(tǒng)進行的檢修項目及檢修時間[6]。預(yù)知性檢修為設(shè)備在到達破壞臨界狀態(tài)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(guān)配件的更換費用。南網(wǎng)測控單元當(dāng)前常見的檢修方式是定期檢驗，即依據(jù)運行規(guī)范內(nèi)對測控單元的定期檢驗周期和檢修要求，借鑒公司已產(chǎn)生的檢測或檢修費用和檢修預(yù)算，估計測控單元的檢修維護費用。

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用，直接損失成本來源于失負荷懲罰費用、設(shè)備性能及壽命損耗等費用。間接懲罰費用為可能發(fā)生的經(jīng)濟賠償、行政罰金以及電網(wǎng)企業(yè)信譽受損等。

CF=CFg×CFf

(5)

式中：CFg是故障發(fā)生概率；CFf是故障損失費用。CFg根據(jù)離散取樣法確定，假設(shè)某批次N0臺設(shè)備于t=0時投運，隨時間軸的延伸，部分設(shè)備將產(chǎn)生故障。令Ns(t)為t時未發(fā)生故障的設(shè)備臺數(shù)，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(jù)已投運時間估計年故障發(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·a，即

(7)

若測控單元某個配件發(fā)生故障，使設(shè)備整體發(fā)生故障，且該故障可通過配件更換方式來恢復(fù)，根據(jù)統(tǒng)計數(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(shù)據(jù)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(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(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；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、受影響的負荷量等因素有關(guān)；Tf是故障恢復(fù)時間；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)備報廢時設(shè)備拆除成本和設(shè)備的剩余成本的差。

1.2 技改方案評估模型

測控單元屬于嵌入式設(shè)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(jù)配件的故障率和LCC，外推估計設(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)評估測控單元的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(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

對廣西某變電站500 kV某串聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(shù)據(jù)來自南網(wǎng)招標(biāo)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(shè)備臺賬和缺陷記錄統(tǒng)計其年故障發(fā)生概率，提取有效記錄983條，以2年為最小時間跨度，該設(shè)備的故障發(fā)生概率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 某測控單元故障發(fā)生概率 次/千臺·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(fā)生故障，則通過技改項目整體更換該設(shè)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(shè)備從投運起計數(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，測控單元故障時通過技改項目更換設(shè)備整體的經(jīng)濟性優(yōu)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(shè)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(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；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(jié)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(lián)系統(tǒng)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(guān)系，提出考慮數(shù)據(jù)故障恢復(fù)時間和數(shù)據(jù)重要性的數(shù)據(jù)損失費估算模型，并以廣西某變電站某開關(guān)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(shè)備的費用年值越低，本模型對廠站設(shè)備資產(chǎn)管理和不同投運時期的技改決策優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。