李智威 孙利平 唐学军 贺兰菲 王江华 汪 洋张凌乐 王 磊 周秋鹏 柯方超
（1.国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 2.国网湖北省电力有限公司 3.国网湖北送变电工程有限公司）
0 引言
全寿命周期成本 （lifeCycleCosts，LCC）管理，是指从设备、项目的长期经济效益出发，全面考虑设备、项目或系统的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新，直至报废的全过程，即从整个项目生命周期出发进行考虑，侧重于各阶段全部造价的确定与控制，使LCC最小的一种管理理念和方法［1］。电气设备的故障或缺陷，往往会导致恶性事故的发生，严重影响电力系统的正常运行，造成巨大的财产损失。对电气设备盲目地进行更换或维修则又会带来巨大的浪费。电气设备经济寿命评估的最终目的就是要做到安全性、可靠性和经济性合理兼顾，最大限度地延长电气设备的使用寿命。由于电网设备的维修成本和故障成本与故障率关系密切，因此故障率预测是评估线路经济寿命的前提。目前广泛应用的电力设备故障率模型主要有基于时间统计分析的故障率模型［2］和基于设备状态评价结果的故障率模型［3］。黄炜昭等人提出了一种全新的综合考虑基于风险的检修和基于全寿命周期成本的电网主设备运维策略辅助决策方法，对设备的最佳寿命进行了评价，制定了设备科学运维决策流程图，最终给出运维策略的优化方案［4］。这些研究成果对电网设备评价具有积极意义。
对于建设项目全寿命周期的研究和界定，主要有物理寿命、功能寿命、法律寿命和经济寿命四种。从经济角度考虑，建设项目的全寿命周期应选经济寿命。目前，实际电网设备的退役报废及更换主要采用技术分析的方法，对于设备状态评价结果处于建议更换状态的设备，电网企业基于安全生产的导向一般都予以更换，较少考虑经济成本。随着电力体制改革的深化，经济趋于新常态以后，电网企业的投资将会逐步趋缓，对电网投资的成本效益将会提出更高的要求。通过对电气设备寿命的评估，结合设备的合理检测和维修，做到避免因过早更换本来还可以继续运行的电气设备而造成的不必要的浪费，提高设备利用率，达到经济效益的最大化。
栗然等人以全寿命周期成本理论为指导，将环境和社会责任成本纳入变压器全寿命周期成本中，引入能同时处理这两种不确定性的随机模糊理论处理评估参数，建立了新的变压器经济寿命评估模型，可以得到不同置信水平下的经济寿命区间［5］。于继来等人综合考虑了影响在役变压器运行经济性能的多种因素，并通过优化后的综合经济效益指标，对变压器的经济寿命进行定量评估［6］。刘有为等人以年均净收益最大为优化目标，通过比较检修和更换情况下的年均最大净收益，做出是适用检修还是适用更换的决策［7］。目前关于变压器的缺陷运维和经济寿命研究内容较多［8］。而作为电网的重要组成部分，输电线路长期处于环境恶劣的野外且运行工况复杂多样，不同役龄线路都有可能出现故障率偏高、部件更换频繁等情况，因此，对具有一定一定役龄的输电线路进行寿命评估，不仅可以指导运维工作，有效避免过高的故障率造成大量经济损失，并且可用于指导未来电网的规划和改造，高效利用土地资源，降低电网建设成本［9］［10］［11］。对输电线路运行状况的评估和寿命评估在国内外都已有一定的研究［12］［13］。许巍等人提出了一种输电线路最佳经济寿命区间评估方法，对影响输电线路故障率的关键因素进行了分析，建立了线路运行环境和质量状况评估模型，按照故障后果严重程度将故障分类，并采用最小二乘支持向量机分别计算了各类故障率；以全寿命周期年平均成本最小为依据建立了输电线路最佳经济寿命区间评估方法［11］［12］。但是相关研究考虑设备健康状态和一些影响因素，主要考虑的是设备本身的内因，没有考虑诸如环境、气候等获得共识的影响故障率的外因。由于不同类型输电线路之间物理结构差异较大以及技术规范多有不同［14］，至今尚未制定出统一的线路寿命评判标准。钟小平等人通过线路工程实际运行情况的调查，综合分析研究其全寿命周期成本性能使用寿命等核心指标的影响因素及相互关系的基础上，以全寿命周期成本可靠性为目标和约束，建议了一般地区输电线路系统及主要部件的设计使用年限寿命匹配原则，提出了输电线路全寿命周期总成本和各主要部件的成本预测模型［15］。因此，目前还缺乏更细致的能全面考虑影响输电线路实际的经济寿命可靠性数据模型。
1 经济寿命模型设计
1.1 经济寿命定义
电气设备的经济寿命是指设备从全新状态安装投入使用之日起，到其综合成本最低而退出运行为止的时间，它是从经济性的角度出发来确定设备的使用周期。经济寿命与设备本身的物理性能、技术进步速度、设备使用的外部环境等有着密切的关系。对于设备的经济寿命评估问题，实质上就是在满足年均全寿命周期成本最小化目标的条件下，求其还可以继续运行多少年而无需更换新设备或再服役多少年后就必须更换新设备的问题。它是确定设备最优更新时机的重要依据。结合LCC等分析，通过设备的原始价值、运维成本、检修成本、故障成本等可以理论计算出设备退役更换综合成本最优的时间，也就是指设备从全新状态安装投入使用之日起，到其综合成本最低而退出运行为止的时间。设备如能在经济寿命附近进行报废更换，并按此优化电网企业的技改大修策略，就能逐步实现综合成本最优化及效益的最大化，经济寿命曲线图如1所示。设备投运后，使用的年数越多，每年分摊的投资越少；而设备缺陷、故障会不断增多，设备的维护检修费用会逐步增加。通过设备投资费用曲线和使用费用曲线，可以找到设备综合成本最低的时点，也即是设备的经济寿命。
图1 经济寿命曲线图
1.2 静态模式下经济寿命
根据工程经济学，在不考虑资金时间价值的基础上计算设备年平均成本Cn，使Cn为最小的年份就是设备的经济寿命。其计算式为
式中，Cn为n年内设备的年平均使用成本，P为设备的资产原值，Ct为第t年的设备运行成本，Ln为第n年末的设备净残值。
由于设备使用时间越长，设备的有形磨损和无形磨损越多，从而导致设备的维护费用逐步增加，假定这种逐年递增的费用ΔCt称为设备的低劣化。用低劣化数值λ表示设备损耗的方法称低劣化值法。
即ΔCt＝λ，设备的经济寿命N0的计算式为：
式中，P为设备的资产原值，设备原始价值主要指固定资产原值，包括设备购置费、建筑工程费、安装工程费及其他费用的总和。第n年末的设备净残值指设备报废年的回收成本，财务规定一般取5%。设备的低劣化值，包括运维成本、检修成本、故障成本等的递增值。λ的计算式如下：
（1）运维成本 （CO）的取值
运维成本主要包括年度日常运维费用为每年设备运行、维护、消缺等工作所发生的成本费用之和，取计算周期内所发生的年度日常运维费用。
（2）检修成本 （CM）的取值
检修成本主要包括设备状态检修相应A、B、C类检修和试验费用等，取计算周期内所发生的检修成本之和。
（3）故障成本 （CF）的取值
故障成本为计算周期内故障成本总和，取计算周期内所发生的抢修成本之和。
2 改进型经济寿命计算方法
根据设备从规划设计到退役处置的全寿命周期流程，从以电网实物资产管理为基础的生产业务流角度出发，进行设备寿命周期成本划分。以往资产评价报告中的经济寿命计算的费用包括大修费用、运维成本、抢修费用、单台资产原值、资产残值，存在费用组成较粗、没有组成框架、费用类型待补充、取数规则不明确等问题，结合资产全寿命周期成本LCC，考虑管理的方便性，构建设备经济寿命周期成本框架。
图2 改进型设备经济寿命周期成本构成
基于以上设备经济寿命周期成本组成分析，与LCC全寿命周期研究的经济寿命模型差异在于，设备成本在寿命周期内除处置收入外，均为其损耗费用，因此采用C1-C33作为损耗成本基值，运维检修费Pt应包含整个寿命周期内的运维成本、检修成本、故障处置成本和闲置成本、提前退出成本、处理成本。
经济寿命模型在不考虑资金时间价值的基础上计算设备年均总费用Cn，使Cn为最小值对应的 Min（Cn）就是设备的经济寿命。其计算式为：
式中：Min（Cn）为N年内设备的年平均总费用最小值；Pt＝C21+C22+C23+C24+C31+C32。C1获得成本主要指期初投入 （资产原值），包括基建、技改两种形式。期初投入由项目前期费用、项目设计费、土建费用、设备购置费、安装费用、投产费用和其他费用等组成；C21运维成本包括日常巡视成本、倒闸操作成本、运维消缺成本、设备维护成本、带电检测成本等；C22检修成本包括维修成本、消缺成本、专业巡视成本等；C23故障处置成本包括故障恢复成本（抢修费、保险赔偿费等）、故障损失成本 （停电损失费、社会负面影响成本等）等；C24闲置成本包括仓储维护成本 （维护费、仓储费等）、其他成本等；C31为提前退出成本；C32为处理成本 （招标费、拆卸费、运输费、仓储费等）；C33为处置收入 （调拨或报废收入）。需要指出的是，模型样本采集可采用包含多台运行年限超过设计寿命的主变等主设备取平均值。
3 经济寿命模型计算
3.1 理论计算
（1）静态模式设备的年平均使用成本法
1）历史数据法
根据某电力公司110kV输电线路的大修运维费用、资产原值和数量等历史数据，采用静态模式设备的年平均使用成本的历史数据如下表所示。表1中分年度统计了输电线路的大修费用、运维成本和抢修费用。根据110kV输电线路历史数据，可以求得每公里输电线路的原值为18.69万元，残值为原值的5%（财务通用规定），年劣化值为0.03万元。通过经济寿命计算公式，可得110kV输电线路的经济寿命为35.35年。
表1 110kV输电线路的历史数据 （单位：万元）
2）定额算法
根据经验及输电线路运维检修定额进行进一步验证。国家电网公司规定，110kV输电线路一般为投入运行后7年大修一次，且参考寿命为32年。
根据110kV输电线路检修定额，大修一次费用增量为0.95万元，参考寿命范围内需大修3次，可得低劣化值为0.95×3／32＝0.07969万元。原值为18.69万元，残值为原值的5%。根据定额数值法算出的110kV输电线路经济寿命为21.11年。
（2）改进型经济寿命模型
取自某电力公司退出后的1条110kV架空线路作为数据抽取对象报废资产为110kV汈长牵线下牵支线为案例进行分析，该设备实际使用年限为47年。根据经济寿命计算，该线路从1970年投运，2016年退出运行报废。经济寿命计算如下表所示。该设备1970年的资产原值为30万元，第t年的运维检修费用Pt和年均总费用Cn如图3所示。
其中年均运维检修费由第1年的0.06万元增加到第47年的4.05万元，第45年运维最高为7.05万元。该线路在投运27年后，运维检修费用长期维持在3万元以上。
其中年均总费用由第1年的30.06万元变化到第47年的3万元，第21年年均总费用最低，其值为1.92万元。根据经济寿命计算模型，该线路的经济寿命为21年。
图3 110kV线路平均使用成本和年份对照图
表2 110kV架空线路实际数据计算表
4 经济寿命应用分析
4.1 实际使用寿命与经济寿命比较
某电力公司2016年报废110kV架空线路3条，平均使用年限为27.67年。通过历史数据法计算经济寿命为35.35年，通过定额数值算法计算经济寿命为21.11年，通过改进型算法经济寿命为22年。通过对比发现，根据历史运维检修实际历史数据、定额算法。
表3 不同计算方法下的经济寿命比较
改进型算法三种方式计算所得的经济寿命存在一定差异。经分析，差距原因可能包括：
（1）定额数值法中未考虑抢修费用，定额数值计算法中，输电线路的检修周期、检修定额增量等取用了固定值，而实际运行中，设备通常实行状态检修方式，即根据设备运行状态来调整检修周期和检修项目；
（2）历史数据法考虑了抢修费用，而且各种参数取自于所有线路的大修运维抢修和资产价值数据，能反映情况，同时也真实反映了线路运行的情况，可信度较高；
（3）改进型算法依赖于报废设备的个体数据，偶然性极大，数据离散型大。除非报废样本数据多，才能反映经济寿命。
（4）报废架空线路的实际使用寿命并非考虑了经济性而报废，实际寿命具有很大的偶然性。一是架空线路与电气设备如变压器、断路器不同，架空线路的运行极大地考虑了远期负荷需求；二是架空线路的报废并非意味着寿命的终结，一般是由于输变电工程增加或者扩容改造，需要拆除原有线路，实际寿命可能不到十年；三是部分架空线路报废时使用寿命极大，只要负荷没有显着增大，不发生破坏性灾难，架空线路的运行寿命极长。因此基于历史运维检修费用的经济寿命计算方法较为符合实际情况。
4.2 经济寿命应用场景
经济寿命理论上能得出最佳周期成本的最优值，上述方法不但适用于宏观性的理论研究，也同样适用单台设备的分析，可以为大修、技改提供决策性的参考。但鉴于目前关键数据不完善，需要通过加强管理，积累大量的基础数据，经济寿命数据会越来越精确，更切合实际。只要参照经济寿命计算结论，就可以逐步形成成本最优化，经济效益最大化。根据目前的计算和统计结果来看：
（1）目前退役报废设备的实际使用寿命普遍低于理论计算的经济寿命。
（2）目前退役报废设备的最大使用年限基本接近于经济寿命的计算值，因此经济寿命可以作为设备更换最优时间的参考值；当设备使用的年限接近经济寿命时，需要对设备进行技术鉴定，验证确定其设备状态和参数能够满足后续运行；经过技术鉴定不满足可靠运行的要求时，可视为设备接近退役，可进行设备的技术改造。
但由于经济寿命计算只考虑了设备运行中的经济性问题，未将设备稳定性、可靠性、对人力和环境的占用、其他设备和整个系统的影响等作为决定其寿命的因素，因此，设备经济寿命只能作为设备更换时间的参考之一，在实际生产中，还需综合多方面条件来最终确定的设备的更换、退役和报废。
5 结束语
为了实现设备的成本最优化、效益最大化，基于资产全寿命周期的管理理念，有必要通过经济寿命、全寿命周期成本等方法对设备的综合成本进行分析。本文研究内容总结如下：
（1）系统分析了电网设备经济寿命研究现状，指出经济寿命是设备替换的重要参考。
（2）提出静态模式下和改进型经济寿命的计算方法和数据收集要求，并进行了案例计算。
（3）通过理论计算的经济寿命与实际寿命比较，分析差异原因，并分析经济寿命应用场景。
本文的研究结果对电网公司电网设备寿命管理具有重要的参考意义，通过历史数据分析可以计算出可供参考的经济寿命，依据计算结果对设备的报废及更换时机进行优化，能够为技改大修提供决策参考。
