0 引言
隨著電力市場的興起，電力設備管理正引起人們越來越多的關注。對電力設備的運行、維護和投資方案進行建模、比較以找到最有效的解決方案，發掘設備的最大效用，實現設備管理的高收益和低風險，正成為電力系統的研究熱點。
電力設備管理是指將管理、金融、經濟、工程和其他方法綜合運用于物理設備以達到用最有效的方式提供所需的服務水平。根據實施水平的不同，它又可分為初級設備管理和高級設備管理。①初級設備管理是運用設備登記、維修管理、庫存控制、狀態評估、資源管理和定義服務水平等手段以建立備選方案和長期現金流預測來進行設備管理。②高級設備管理是運用預測模型、風險管理和優化的更新決策技術以建立設備壽命周期備選方案和相關的現金流預測來進行設備管理。
電力設備管理中，設備使用過程中的現金流量分析是一個重要的問題。在文獻中，現金流量被定義為：“財務業務或項目分析的流入和流出的真實貨幣單位”。設備使用過程中的現金流量分析傳統上僅僅是從財務的角度來考慮，將設備按照年進行折舊，考慮資金的時間價值，用凈現值的方法考慮設備使用過程中的現金收入和支出。這種做法沒有考慮到設備實際運行過程中的故障和更新，與實際情況相差較遠，因此往往誤差較大。本文中從設備壽命周期費用的角度，用Monte-Carlo方法來模擬設備運行過程中的故障發生頻率，以變壓器狀態監測裝置為例分析其產生的經濟效益。
1 設備壽命周期費用
設備壽命周期費用(Life Cycle Cost，LCC)是指設備是整個壽命周期內所花費的總費用，包括購置費用(Acquisition Cost，AC)和維護費用(Sus-taining Cost，SC)，可以表示為：
LCC=AC+SC
式中lCC-設備壽命周期費用；AC-設備購置費用，包括設備的開發、設計，制造、運輸、安裝調試等非重復性投資費用和部件升級、人員培訓、環保等重復性投資費用；SC-設備維護費用，包括能源消耗，維修，操作，技術資料管理和報廢費用等。典型的壽命周期費有及其組成見圖1。
圖1 壽命周期費用及其組成
從圖1可以看出，設備的壽命周期費用中，維護費用所占的比例是逐年上升的，而且在很多情況下，購買設備的費用低于整個壽命期的維護費，通常設備的殘值又很低，因此在考慮設備投資的時候，應該考慮設備的整個壽命周期的費用，而不應當只考慮它的初始價格。
從設備壽命周期費用的角度來管理電力設備，就是以電力設備一生的費用為對象，以降低電力設備壽命周期費用為核心目標，即以經濟效益為中心來管理電力設備。通過壽命周期費用分析，可以找出對電力設備壽命周期費用影響較大的因素，以便提出切合實際的維修、更新措施，提高設備的可用率和運行效率，有效減少電力設備的檢修費用投入。在追求電力設備壽命周期費用最小的基礎上考慮設備的狀態檢修要比僅僅根據狀態監測、壽命預測、可靠性分析來開展狀態檢修更加合理，也更加符合客觀實際。
2 凈現值法
設備的壽命周期費用是一種在較長時期內連續發生的費用，應該考慮到資金的時間價值。在經濟學中常使用“現值”的概念來計算資金的時間價值。
計算設備壽命期內每年發生的現金流量，并按一定的基準收益率將各年的凈現金流量折現到同一時間點（通常為初期）后各年現值的代數和就是凈現值(NPV)，其表達式為：
式中：C1為凈現金流入；CO為凈現金流出；n為方案壽命期；Ic為基準收益率。
計算凈現值時，首先列出設備壽命期內各年的現金流入和現金流現，計算各年的凈現金流量，再按確定的基準收益率將各年的凈現金流量折成現值；最后將各年的現值相加求得項目的凈現值。
本文中的設備壽命周期費用分析將遵循凈現值法的計算步驟，在求得方案各年的收益現值后，通過凈現值的大小來確定方案的經濟收益。
3 電力設備的Weibull壽命分布
電力設備的壽命周期費用分析中存在許多不確定性因素，例如故障發生的時間和后果。為解決這些不確定性問題必須引入統計學的概念。
電力設備的壽命分布通常可以用兩參數的Weibull分布函數來表示。兩參數Weibull分布的概率密度函數
令R=e-1，得到t(R)=β，因此β也被稱為設備的特征壽命。
4 Monte-Carlo模擬方法仿真設備故障發生頻率
Monte - Carlo模擬方法也被稱為隨機模擬方法，它是一種通過隨機變量的統計試驗、隨機模擬來求解數學物理、工程技術問題近似解的數值方法。
結合上述電力設備壽命的Weibull分布。我們可以利用Monte - Carlo模擬方法來模擬設備在一定時期內的故障發生頻率。任取一[0，1]區間的隨機數作為Weibull分布函數的取值，求得設備的可靠度壽命t（R），此壽命即為Monte - Carlo故障時間，加上前一次故障維修時間，便是下一次故障發生的時間，如此反復多次，即可得到設備在給定時間內的故障發生頻率。
例如，對于一個壽命分布服從ω(t，1，4，3)的設備，研究其在10年內故障發生的頻率，Monte -Carlo模擬方法的計算結果如下：
表1 某次Monte - Carlo模擬的計算過程
表2 迭代10000次以后得到的計算結果
在求得一定時期內每年的故障發生次數以后，就可以估計每年故障造成的損失，從而利用壽命周期費用法對設備的投資效益進行分析。
5 變壓器狀態監測裝置的經濟效益分析
下面我們應用上述的概念來對某廠110kV雙繞組變壓器的狀態監測裝置進行經濟效益分析。
該變壓器額定容量為40 MVA，空載損耗P0=59.7 kW，負載損耗Pk= 216 kW，最大負荷率β=80%，最大負荷利用小時數Tmax=6500 h，取經驗系數K=0. 3，得到
設電費為0.6元/kWh，則一年的電費為1259258×0.6=755555元；
變壓器的日常維護費用為8萬元/y;
變壓器每次發生故障的平均故障修復時間為24h;
變壓器每次發生故障的平均修復費用為0.1萬元/h；
因變壓器發生故障而導致的停電損失為10萬元/h；
狀態監測裝置的購買費用為4萬元，人員培訓和文檔費用為0.1萬元。加裝狀態監測裝置后，可以發現變壓器的潛伏性故障，在其發展成事故之前消除隱患，從而使每次故障的檢修時間縮短為原來的一半。
該變壓器壽命分布可以用Weibull分布表示，取典型分布參數α=l。β=22. 8，由Monte-Carlo仿真計算10000次得到該變壓器10年內的故障頻率見表3。
由上述的故障頻率表計算不安裝監測裝置和安裝監測裝置的變壓器在未來10年的壽命周期費用，并折算成凈現值(取基準收益率為12%），就可以得出安裝監測裝置之后產生的經濟效益。
l．不安裝狀態監測裝置
AC（設備購置費用）：0元；
SC（設備維護費）見表4。
未安裝狀態監測裝置的變壓器的壽命周期費用為：LCC=AC+SC=5874135兀
表3 故障頻率表(n=10000)
2．安裝狀態監測裝置
AC（設備購置費用）：裝置購買費，人員培訓和文檔費用共41000元；
SC（設備維護費）見表5。
安裝了狀態監測裝置的變壓器的壽命周期費用為：LCC=AC+SC=5621868元
安裝狀態監測裝置后產生的直接經濟效益：ΔLCC=252267元
由以上分析可見，加裝變壓器狀態監測裝置后，可以降低變壓器的壽命周期費用，并減少停電時間，取得良好的經濟效益和社會效益，因此為變壓器加裝狀態監測裝置是非常可取的一項措施。
6 結束語
從設備壽命周期費用的角度分析了設備使用過程中的現金流問題，通過模擬設備實際運行時的故障和更新情況，將設備使用過程中產生的獎金流向轉化為凈現值進行比較。實例表明，這種分析方法可以將設備壽命周期中的一些不確定因素定量化，為進一步建立設備投資決策模型打下良好的基礎。
表4 未安裝狀態監測裝置的變壓器的設備維護費
表5 安裝了設備狀態監測裝置的變壓器的設備維護費
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