计及技改方案的测控单元生命周期成本分析

梁 捷

(广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西 南宁 530023)

测控单元主要用于采集厂站遥信、遥测数据和执行遥调、遥控命令，帮助值班员监控设备运行状况，提高运维自动化水平。全生命周期成本(life cycle cost，LCC)是指在设备整个经济寿命时间轴上各生命节点产生的总费用，包括设计、试制、制造、使用、运维、修理到报废等[1-2]。为提高设备资产管理水平，全生命周期理论以其规范的过程控制和数据管理理念在电网公司逐步受到关注[3]。测控单元不同于发电机、断路器等一次设备，在技术升级、经济寿命、故障率、运维上具有独特之处。有学者对计及技改的一次设备的LCC方面进行了研究[4]，但缺少变电站现场数据；测控单元的技改方案以预防性试验、轮换策略为主，对其经济寿命以及生命周期中的故障检修方案选择研究较少。

为节约测控单元的LCC，本文基于资产LCC法，在保证系统和设备的安全性和可靠性的基础上，建立优化测控单元经济寿命LCC优化模型，并研究其运行时期的技改决策方案，通过广西某变电站实际案例，研究了测控单元在不同投运时期不同技改方案的经济性。

1 计及技改方案的测控单元LCC模型

1.1 LCC模型

测控单元的LCC模型

CLCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI为购置相关费用；CO为运行成本；CM为周期检修费用；CF为故障造成的损失；CD为报废成本。

a.CI指设备购入及相关安装、调试的费用，为

CI=CIS+CIA+CIT+CIO

(2)

式中：CIS、CIA、CIT、CIO分别为测控单元购置、安装、调试费及其他费用(包括建设项目管理费、技术服务费、不可预见费、拆旧费等[5])。

b.CO指测控单元运行时期产生的相关经费，即：

CO=C1+μ2C2+μ3C3

(3)

式中：C1为测控单元运行时所使用的电、水、油等能源的成本；C2为运维人工费(包括变电站运维人员的工资、补贴等)；C3为运行管理成本(包括资产管理方运营时产生的与设备运维相关的成本)；μ2为人工成本因子；μ3为管理成本因子。

c.预防设备故障进行的周期检测和修理所产生的费用为

CM=CM1+CM2+CM3+CM4

(4)

式中：CM1、CM2、CM3、CM4分别为周期检测、可靠性检修、预知性检修和优化检修的费用。可靠性检修费用采用依据随机过程的可靠性评价法来确定对设备和系统进行的检修项目及检修时间[6]。预知性检修为设备在到达破坏临界状态前的检修费用。从来源上看，各检修费用主要由检修时消耗使用的材料、人工、机械费用、停电损失和相关配件的更换费用。南网测控单元当前常见的检修方式是定期检验，即依据运行规范内对测控单元的定期检验周期和检修要求，借鉴公司已产生的检测或检修费用和检修预算，估计测控单元的检修维护费用。

d.CF指设备发生故障而产生的直接以及间接惩罚费用，直接损失成本来源于失负荷惩罚费用、设备性能及寿命损耗等费用。间接惩罚费用为可能发生的经济赔偿、行政罚金以及电网企业信誉受损等。

CF=CFg×CFf

(5)

式中：CFg是故障发生概率；CFf是故障损失费用。CFg根据离散取样法确定，假设某批次N0台设备于t=0时投运，随时间轴的延伸，部分设备将产生故障。令Ns(t)为t时未发生故障的设备台数，则概率密度f(t)为

(6)

由于测控单元的全生命周期时长一般可达12年，为简化测算过程，以t=2 年为取样间隔，根据已投运时间估计年故障发生概率，f(t)为年故障发生数和样本容量的比，单位为次/千台·a，即

(7)

若测控单元某个配件发生故障，使设备整体发生故障，且该故障可通过配件更换方式来恢复，根据统计数据可知，各配件年故障概率较低，由概率乘法定理，其整机故障概率fall(t)和配件故障概率fi(t)之间的表达式为

(8)

测控单元故障造成的损失费用主要包括故障修理费、负荷和数据损失费。故障修理费主要是指故障修理所需的人工、材料、机械使用费。负荷损失费为由于测控单元故障导致停电的概率与停电造成的直接和间接损失的乘积。停电损失可根据负荷损失定价法(value of load，VOL)估计[7]。本文采用式(9)进行估算，测控单元故障后数据丢失导致的直接及间接损失。

(9)

式中：QD,loss是数据损失费；Df是受故障影响的数据量；D0是总数据量；γ是数据重要性因子，与电压等级、受影响的负荷量等因素有关；Tf是故障恢复时间；P是系统总资产，P/(A，i，n)为年金现值系数[8]。

e.CD为设备报废时设备拆除成本和设备的剩余成本的差。

1.2 技改方案评估模型

测控单元属于嵌入式设备，其技改方案主要是整机和配件更换的形式，整机更换包括运维方自行更换和技改外委更换2种方式。本文将配件作为测控单元技改方案的最小技改单元，再根据配件的故障率和LCC，外推估计设备整体的故障率和LCC，最后根据各类技改方案的结果确定最优方案。本文采用年值型指标评估测控单元的LCC[9]，该指标可统一各技改方案的寿命周期参比口径，其折算公式为

(10)

式中：n为设备生命周期时长；i为参考年投资回报率；CLCC,j为第j年的成本；CLCC,a为全生命周期成本年值。本文评估模型可用于在设备故障已发生后指导技改方案的选择以及故障发生前更换年度的优选决策。

2 案例分析

对广西某变电站500 kV某串联络开关QF5012的测控单元进行估算故障后不同技改方案的LCC。技改成本数据来自南网招标公告、运维单位自行更换所需人工、运输费用等。从该站某测控单元2013—2015年设备台账和缺陷记录统计其年故障发生概率，提取有效记录983条，以2年为最小时间跨度，该设备的故障发生概率统计结果如表1所示。

表1 某测控单元故障发生概率 次/千台·a

按第2节方法估算该设备2018年不同技改方案的成本年值，参考年投资回报率为9%，如表2(由于周期检修费用和运行成本各方案均相等，故忽略)。

表2 某500 kV变电站测控单元不同技改方案成本

表2的测控单元投运时间为2008年，若2018年发生故障，则通过技改项目整体更换该设备的费用年值CLCC,a是2 195元，比其他2种技改方案的费用年值要低。

该设备从投运起计数的各年度不同技改方案的CLCC,a曲线如图1所示。由图1可见，测控单元故障时通过技改项目更换设备整体的经济性优于运维单位自行更换的方式，这是由于运行单位自行更换设备的安装费用比外委方式要贵。此外，投运时间越长，配件更换方式的CLCC,a越高，而整机更换的CLCC,a就越低。该设备在投产最初的5年内若发生故障，更换配件的方式较经济；第6年技改整机更换和配件更换这2种方式成本相差不大，而第6年后则是通过技改项目更换整机的方式较好。

图1 测控单元不同技改方案CLCC,a曲线

3 结束语

本文在建立厂站测控单元的LCC故障损失费用模型时，基于串联系统概率乘法理论梳理了整机故障概率与配件故障概率的估算关系，提出考虑数据故障恢复时间和数据重要性的数据损失费估算模型，并以广西某变电站某开关的测控单元为例，验证本文计及技改方案的测控单元LCC模型的可行性。算例分析表明：测控单元的LCC约以投运后6年为临界值，投运时间越长，更换设备的费用年值越低，本模型对厂站设备资产管理和不同投运时期的技改决策优化具有指导意义。