綜合系統可靠性評估和效益成本分析的電力設備退役更新策略研究

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，結合蒙特卡洛模擬和最優化潮流模型評估系統可靠性，確定規劃年內每年的期望損失費用；再根據效益成本分析，計算推遲設備更新獲得的收益；最后構造凈收益函數，并求解最優值獲得最佳退役年份。文章以某地區輸電網絡為例，利用提出的方法研究某老化線路的退役更新，結果表明，該方法可以使資產的價值得到充分利用，為電力企業帶來最大收益。

關鍵詞：退役更新；可靠性；效益成本分析

引言

固定資產是電力企業賴以維持簡單生產和持續經營的物質基礎[1]。據統計，省級電力企業的固定資產占總資產的50%以上[2]。因此，固定資產的管理是企業管理中一項極其重要的內容。

隨著早期投運的電力設備日趨老化，系統可靠性逐年降低，設備的維修成本越來越高，如何在保證電網安全運行的同時，合理安排老化設備退役，使資產的投入產出比最優，是當前電力企業面臨的一大難題[2]。當前，電力公司通常采用根據事先設定的退役年齡更新設備的策略。這種退役更新方式沒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，過早退役會引起不必要的提前投資，導致資產的價值得不到充分利用。在實際運行的電網中，對老化設備退役更新的根本目的是控制系統風險，將老化設備的總不可用率對電網的影響降到最低。因此，不能只考慮老化設備自身的狀態，還要考慮設備對整個系統可靠性的影響[3-4]。

文章采用了一種綜合系統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，首先利用歷史統計數據和狀態監測數據，根據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故障狀態并進行最優化潮流計算，評估系統可靠性水平，得到規劃期內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，使資產的價值得到充分利用，為電力企業帶來最大收益。

1 基本方法介紹

1.1 威布爾分布模型

根據可靠性理論，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？琢和形狀參數？茁確定，參數估計方式如下[5]：

（a）收集相同運行條件下同類設備的數據，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，收集投運年份數據。

（b）統計收集數據并列表。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）收集的數據，可以方便地得到每個年份的在役設備數和退役設備數。每個年份的離散失效概率為該年的退役設備數除以對應的在役設備數。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為

1.3 含老化設備的系統期望缺供電量

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，并統計得到的電網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風險，還會產生兩方面的結果：一是新線路投資費用因推遲投入產生的利息；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： ？漬為折現率，一般為3%-5%。

2 設備退役更新策略

可靠性經濟學的一個基本觀點是，系統中一個元件的價值并不取決于其自身的狀態，而是取決于該元件從系統中退出而產生的影響，應該由設備不可用所導致的系統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的失效不會引起嚴重的系統風險，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風險，則應該盡早考慮更換設備[6]。

據此，考慮老化設備的退役更新時，需要考慮設備自身的狀態和設備對系統風險的影響，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）統計線路可靠性數據，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），計算規劃期內，每年老化線路對應的老化失效不可用率；

（d）根據公式（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，得到規劃期內每年老化線路對應的綜合不可用率；

（e）對系統進行可靠性評估，利用公式（7），結合蒙特卡洛模擬和最優化潮流模型，計算規劃期內每年老化線路的累計期望損失費用CR；

（f）利用公式（16）計算規劃期內，未來若干年推遲線路更新獲得的收益Cinc；

（g）求解構造函數F（m）的最大值：

如果函數F（m）在第m年獲得最大值，該年即為線路的最佳更新時間，此時電力企業獲得最大收益。

3 算例分析

以某地區輸電網絡為例（如圖1所示），研究老化線路的退役更新時間。網絡中含有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，規劃期為10年。

母線數據如表1所示，電源點容量和負荷點數據如表2所示，線路和變壓器阻抗數據及可靠性數據如表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，且假設規劃期內不可用率保持不變。

規劃期內，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風險水平提高的主要因素。

在本例中，設定規劃期內，負荷的年增長率為3%；單位停電損失UIC參考國內工業平均用電電價，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。

根據以上條件，考慮老化線路的總不可用率，規劃期內系統的期望缺供電量EENS如表5所示。通過對含老化線路的系統進行可靠性評估，結合效益成本分析，得到規劃期內每年的凈收益現值，如表6和圖2所示。

根據圖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，電力企業得到最大的收益。

4 結束語

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，結合蒙特卡洛模擬和最優化潮流模型評估系統可靠性，確定規劃年內的期望損失費用；再根據效益成本分析，分析推遲設備更新獲得的收益；最后構造凈收益函數，并求解最優值獲得最佳退役年份。文章以某地區輸電網絡為例，利用提出的方法研究其中一條老化線路的退役更新，結果表明，該方法可以使資產的價值得到充分利用，為電力企業帶來最大收益。

參考文獻

[1]賴佳棟.電網企業資產管理模型及應用研究[D].重慶大學，2012.

[2]李根臣.電網企業固定資產管理研究[D].華北電力大學，2007.

[3]張大波.基于狀態監測與系統風險評估的電力設備維修及更新策略研究[D].重慶大學，2012.

[4]Wenyuan Li， Ebrahim Vaahedi， Paul Choudhury. Power System Equipment Aging[J].IEEE power & energy magazine，2006（3）：52-58.

[5]Wenyuan Li.Evaluating Mean Life of Power System Equipment With Limited End-of-Life Failure Data[J].IEEE Transactions on Power Systems，2004，19（1）：236-242.

[6]李文沅.電力系統風險評估：模型、方法和應用[M].科學出版社， 2006.

[7]Wenyuan Li， Jiaqi Zhou， Jiping Lu， Wei Yan. A Probabilistic Analysis Approach to Making Decision on Retirement of Aged Equipment in Transmission Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22（3）：1891-1896.

[8]李文沅.輸電系統概率規劃[M].科學出版社，2015.