电力设备管理中的寿命周期费用分析_郭基伟

到设备实际运行过程中的故障和更新, 与实际情况 相差较远, 因此往往误差较大。本文中从设备寿命周 期费用的角度, 用 M ont e-Carlo 方法来模拟设备运 行过程中的故障发生频率, 以变压器状态监测装置 为例分析其产生的经济效益。
1 设备寿命周期费用
设备寿命周期费用( L 1fe Cy cle Cost , L CC) 是 指设备是整个寿命周期内所花费的总费用, 包括购 置费 用( Acquisit ion Cost , AC ) 和维 护 费用 ( Sust aining Co st , SC) , 可以表示为[ 4] :
·1 4· Apr . 2003 HIGH VOL T AGE ENGINEERING Vol. 29 No . 4
运行效率, 有效减少电力设备的检修费用投入。在追 求电力设备寿命周期费用最小的基础上考虑设备的 状态检修要比仅仅根据状态监测、寿命预测、可靠性 分析来开展状态检修更加合理, 也更加符合客观实 际。
电力设备管理中, 设备使用过程中的现金流量 分析是一个重要的问题。在文献[ 3] 中, 现金流量被 定义为: “财务业务或项目分析的流入和流出的真实 货币单位”。设备使用过程中的现金流量分析传统上 仅仅是从财务的角度来考虑, 将设备按照年进行折 旧, 考虑资金的时间价值, 用净现值的方法考虑设备 使用过程中的现金收入和支出。这种做法没有考虑
n
∑ N PV = ( CI- CO ) ( 1+ IC) - 1 i= 0
式中: CI 为净现金流入; CO 为净现金流出; n 为方 案寿命期; IC 为基准收益率。
计算净现值时, 首先列出设备寿命期内各年的 现金流入和现金流现, 计算各年的净现金流量, 再按 确定的基准收益率将各年的净现金流量折成现值; 最后将各年的现值相加求得项目的净现值。
摘 要 简要介绍了电力设备管理的概 念。从 设备寿命周期 费用的角度, 结合 W eibull 寿命分布 , 用 M onte-Car lo 方法模 拟设备运行中的故障情况, 在此基础上分析了设备在寿 命周 期内的现金流问题, 为选择电力设备维修方案提供了经 济依 据, 并为设备管理的效益和风险分析打下了良好的基础。 Abstract T he basic concept of equipment management is intr oduced in this paper . F ro m t he point of v iew o f life cycle cost, co nsider ing the Weibull life dist ribution, t he faults in oper atio n is simulated w ith M o nt e-Car lo met hod and t he cash flow is analy zed based on the simulat ion. T his analy sis gives the econo mic foundat ion fo r select ing the best maintena nce a lter nativ e and the perfo r mance analy sis as w ell as risk a nalysis in electr ical equipment management. 关键词 设备管理 寿命周期费用 净现值 M o nt e-Carlo 仿真 Key words equipment manag ement life cycle co st net present value M onte -Carlo Simulation 中图分类号 F 407. 6 文献标识码 A
9
0. 007 534 445 0. 091 601 300 8. 835 741 232
9
0. 207 115 027 1. 056 821 134 9. 892 562 366
10
0. 288 011 148 1. 387 340 719 11. 279 903 085
12
表 2 迭代 10 000 次以后得到的计算结果
0 引 言
随着电力市场的兴起, 电力设备管理正引起人 们越来越多的关注。对电力设备的运行、维护和投资 方案进行建模、比较以找到最有效的解决方案, 发掘 设备的最大效用, 实现设备管理的高收益和低风险, 正成为电力系统的研究热点。
电力设备管理是指将管理、金融、经济、工程和 其他方法综合运用于物理设备以达到用最有效的方 式提供所需的服务水平。根据实施水平的不同, 它又 可分为初级设备管理和高级设备管理[ 1～2] 。 初级 设备管理是运用设备登记、维修管理、库存控制、状 态评估、资源管理和定义服务水平等手段以建立备 选方案和长期现金流预测来进行设备管理。 高级 设备管理是运用预测模型、风险管理和优化的更新 决策技术以建立设备寿命周期备选方案和相关的现 金流预测来进行设备管理。
2 净现值法
设备的寿命周期费用是一种在较长时期内连续
发生的费用, 应该考虑到资金的时间价值。在经济学 中常使用“现值”的概念来计算资金的时间价值[ 5] 。
计算设备寿命期内每年发生的现金流量, 并按 一定的基准收益率将各年的净现金流量折现到同一
时间点( 通常为初期) 后各年现值的代数和就是净现 值( NPV) , 其表达式为:
2003 年 4 月 高 电 压 技 术 第 29 卷第 4 期 · 1 3·
电力设备管理中的寿命周期费用分析
Lif e Cycle Cost Analy sis in Elect rical Equipment Management
郭基伟, 谢敬东, 唐国庆 ( 东南大学电气工程系, 南京 210096)
故障发生年 ( 第 n 年)
0. 362 376 924 1. 695 982 611 1. 695 982 610
2
0. 115 100 012 0. 668 703 999 2. 364 686 610
3
0. 608 543 072 2. 865 671 344 5. 230 357 954
6
0. 712 839 447 3. 513 781 978 8. 744 139 932
5
3 760
0. 376 0 10 3 678
0. 367 8
在求得一定时期内每年的故障发生次数以后, 就可以估计每年故障造成的损失, 从而利用寿命周 期费用法对设备的投资效益进行分析。
5 变压器状态监测装置的经济效益分析
下面我们应用上述的概念来对某厂 110 kV 双 绕组变压器的状态监测装置进行经济效益分析。
例如, 对于一个寿命分布服从 w ( t , 1. 4, 3) 的设 备, 研 究其 在 10 年 内 故障 发 生的 频 率, M ont e Carlo 模拟方法的计算结果如下:
表 1 某次 M onte- Carlo 模拟的计算过程
随机数列
M ont e- Carl o 故障时间( 年) 故障时间( 年)
命:
t( R) =
ln(
1 R
)
1/
=
ln(
1
1 -
W
1/
令 R = e- 1 , 得到 t( R ) = , 因此 也 被称为设
备的特征寿命。
4 Monte- Carlo 模拟方法仿真设备故障发生频率
M ont e- Carlo 模拟方法也被称为随机模拟方 法, 它是一种通过随机变量的统计试验、随机模拟来 求解数学物理、工程技术问题近似解的数值方法[ 7] 。
LCC= AC+ SC 式中L CC——设备寿命周期费用;
AC ——设备购置费用, 包括设备的开发、设计, 制造、运输、安装调试等非重复性投资费用和部 件升级、人员培训、环保等重复性投资费用; SC ——设备维护费用, 包括能源消耗, 维修, 操 作, 技术资料管理和报废费用等。 典型的寿命周期费有及其组成见图 1。
结合上述电力设备寿命的 W eibull 分布。我们 可以利用 Mo nt e- Car lo 模拟方法来模拟设备在一 定时期内的故障发生频率。任取一[ 0, 1] 区间的随机 数作为 Weibul l 分布函数的取值, 求得设备的可靠 度寿命 t ( R) , 此寿命即为 M ont e- Carlo 故障时间, 加上前一次故障维修时间, 便 是下一次故障发生的 时间, 如此反复多次, 即可得到设备在给定时间内的 故障发生频率。
w ( t, , ) = t - 1e- ( 1 )
Weibull 分布函数
t
∫ W ( t , , ) = w ( t , , ) dt = 1 - e- ( 1) -∞
可靠度函数为
R( t ) = 1 - W ( t, , ) = e- ( 1 )
寿 命分布服从 Weibull 分布 的设备可 靠度寿
图 1 寿命周期费用及其组成
从图 1 可以看出, 设备的寿命周期费用中, 维护 费用所占的比例是逐年上升的, 而且在很多情况下, 购买设备的费用低于整个寿命期的维护费, 通常设 备的残值又很低, 因此在考虑设备投资的时候, 应该 考虑设备的整个寿命周期的费用, 而不应当只考虑 它的初始价格。
从设备寿命周期费用的角度来管理电力设备, 就是以电力设备一生的费用为对象, 以降低电力设 备寿命周期费用为核心目标, 即以经济效益为中心 来管理电力设备。通过寿命周期费用分析, 可以找出 对电力设备寿命周期费用影响较大的因素, 以便提 出切合实际的维修、更新措施, 提高设备的可用率和
SC( 设备维护费) 见表 4。
系数 K = 0. 3[ 8] , 得到
未安装状态监测装置的变压器的寿命周期费用
年 负荷损耗率 =
K ) ( 8T7m6ax0) 2 = 0. 608 此变压器的年损耗电量
× 8760 = 1 259 258 kWh
K
(
T max 8 760
)
+
(1 -
W z = ( p 0 + 2p k ) ×
变压器的日常维护费用为 8 万元/ y; 变压器每次发生故 障的平均故障修复时间为
24 h; 变压器每次发生故障的平均修复费用为 0. 1 万
元/ h; 因变压器发生故障而导致的停电损失为 10 万
元/ h; 状态监测装置的购买费用为 4 万元, 人员培训
和文档费用为 0. 1 万元。加装状态监测装置后, 可以 发现变压器的潜伏性故障, 在其发展成事故之前消 除隐患, 从而使每次故障的检修时间缩短为原来的 一半。
故障总数 平均故障数
故障总数 平均故障数
年份
年份
( 次)
( 次)
( 次)
( 次)
1
2 145
0. 214 5
6
3 673
0. 367 3
2
3 145
0. 314 5
7
3 667
0. 366 7
3
3 453
0. 345 3wenku.baidu.com
8
3 583
0. 358 3
4
3 649
0. 364 9
9
3 754
0. 375 4
本文中的设备寿命周期费用分析将遵循净现值 法的计算步骤, 在求得方案各年的收益现值后, 通过 净现值的大小来确定方案的经济收益。
3 电力设备的 Weibul l 寿命分布
电力设备的寿命周期费用分析中存在许多不确 定性因素, 例如故障发生的时间和后果。为解决这些 不确定性问题必须引入统计学的概念。
电 力设 备 的寿 命 分 布通 常 可以 用 两 参数 的 Weibull 分布函数来表示[ 6] 。两参数 Weibull 分布的 概率密度函数
该变压器额定容量为 40 M V A , 空载损耗 p0=
2003 年 4 月 高 电 压 技 术 第 29 卷第 4 期 · 1 5·
59. 7 kW, 负载损耗 pk= 216 kW, 最大负荷率 =
AC( 设备购置费用) : 0 元;
80% , 最大负荷利用小时数 T max = 6 500 h, 取经验
为: L CC= AC+ SC= 5 874 135 元
表 3 故障频率表( n= 10 000)
故障总数 平均故障数
故障总数 平均故障数
年份
年份
( 次)
( 次)
( 次)
( 次)
1
291
0. 029 1
6
420
0. 042 0
2
379
0. 0379
7
448
0. 044 8
设电费为 0. 6 元/ kWh, 则一年的电费为 1 259 258×0. 6= 755 555 元;