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。②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。
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Monte-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(Life Cycle Cost，LCC)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(Acquisition Cost，AC)和维护费用(Sus-taining Cost，SC)，可以表示为：
LCC=AC+SC
式中lCC-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。
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。
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。
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：
式中：C1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。
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Weibull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。两参数Weibull分布的概率密度函数
令R=e-1，得到t(R)=β，因此β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
Monte - 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。
结合上述电力设备寿命的Weibull分布。我们可以利用Monte - Carlo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Weibull分布函数的取值，求得设备的可靠度寿命t（R），此寿命即为Monte - 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。
例如，对于一个寿命分布服从ω(t，1，4，3)的设备，研究其在10年内故障发生的频率，Monte -Carlo模拟方法的计算结果如下：
表1 某次Monte - Carlo模拟的计算过程
表2 迭代10000次以后得到的计算结果
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110kV双绕组变压器的状态监测装置进行经济效益分析。
该变压器额定容量为40 MVA，空载损耗P0=59.7 kW，负载损耗Pk= 216 kW，最大负荷率β=80%，最大负荷利用小时数Tmax=6500 h，取经验系数K=0. 3，得到
设电费为0.6元/kWh，则一年的电费为1259258×0.6=755555元；
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24h;
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。
该变压器寿命分布可以用Weibull分布表示，取典型分布参数α=l。β=22. 8，由Monte-Carlo仿真计算10000次得到该变压器10年内的故障频率见表3。
由上述的故障频率表计算不安装监测装置和安装监测装置的变压器在未来10年的寿命周期费用，并折算成净现值(取基准收益率为12%），就可以得出安装监测装置之后产生的经济效益。
l．不安装状态监测装置
AC（设备购置费用）：0元；
SC（设备维护费）见表4。
未安装状态监测装置的变压器的寿命周期费用为：LCC=AC+SC=5874135兀
表3 故障频率表(n=10000)
2．安装状态监测装置
AC（设备购置费用）：装置购买费，人员培训和文档费用共41000元；
SC（设备维护费）见表5。
安装了状态监测装置的变压器的寿命周期费用为：LCC=AC+SC=5621868元
安装状态监测装置后产生的直接经济效益：ΔLCC=252267元
由以上分析可见，加装变压器状态监测装置后，可以降低变压器的寿命周期费用，并减少停电时间，取得良好的经济效益和社会效益，因此为变压器加装状态监测装置是非常可取的一项措施。
6 结束语
从设备寿命周期费用的角度分析了设备使用过程中的现金流问题，通过模拟设备实际运行时的故障和更新情况，将设备使用过程中产生的奖金流向转化为净现值进行比较。实例表明，这种分析方法可以将设备寿命周期中的一些不确定因素定量化，为进一步建立设备投资决策模型打下良好的基础。
表4 未安装状态监测装置的变压器的设备维护费
表5 安装了设备状态监测装置的变压器的设备维护费
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本文标题：电力设备管理中的寿命周期费用分析
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