CN106779368A - 基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，包括如下步骤：a.分别计算变压器事故风险成本C_risk、变压器运行维护成本C_m和变压器折旧成本C_o，根据C_risk、C_m和C_o获得变压器综合运行成本C；b.根据步骤a中获得变压器综合运行成本C，计算变压器年均综合运行成本C_a c.对步骤b中变压器年均综合运行成本C_a关于时间求导，当C_a为极小值时所对应的时间为变压器的最佳更换时间；可以定量准确地预测变压器经济运行寿命，而且简单易行、便于操作，对于变压器的更新决策，提高电网经济效益及资产管理水平具有重要实用价值。

Description

基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法

技术领域

本发明涉及变压器经济寿命评估技术领域，具体涉及一种基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法。

背景技术

电力变压器是输变电系统的枢纽设备，其安全、可靠、经济运行直接影响电力系统的安全与稳定。作为电网企业的核心资产，如何经济合理地制定变压器的更新策略，对于提高变压器的利用率，提高电网企业的经济效益具有重要意义。实际运行当中，通常以变压器的役龄作为其退役的主要判据，这可能导致性能良好的变压器提前退役或者应该退役的变压器超期服役，这均会对电网的安全经济运行产生不良影响。为了避免盲目进行直接更换可能造成的经济损失、资源浪费，以及无依据继续运行可能造成的安全隐患，有必要从经济角度对在役变压器寿命进行评估，实现在确保变压器安全运行可靠性的前提下最大限度地延长其使用寿命，以提高电力系统经济效益。

目前我国对变压器经济寿命评估理论及实用方法的研究尚属探索阶段，于继来等发表的《在役电力变压器经济寿命评估》充分考虑了能耗、折旧损失、容量贴费等多项经济性指标，提出了一种变压器的经济寿命评估方法，然而该方法缺少考虑变压器本身性能对经济寿命评估的影响。栗然等发表的《基于随机模糊理论的变压器经济寿命评估》基于随机模糊理论对变压器经济寿命评估中的不确定性参数进行处理，得到了不同置信水平下的经济寿命区间，具有一定的理论参考价值，然而缺乏实际操作性。刘有为等发表的《电力变压器经济寿命模型及应用实例》计算了变压器寿命周期内的运行净收益，建立了一种变压器设备经济寿命的评估方法，然而该方法考虑因素较多，计算繁琐。专利201410822760.0发明了以年等值成本最低为依据的变压器经济寿命预测模型，然而模型中关键参数和数据的提取，采用无分布的比例故障率模型和蒙特卡洛模拟法得到，计算较为繁琐，缺乏可操作性。专利201610051790.5发明了一种电力变压器经济剩余寿命评估方法与系统，然而该方法仍利用拟蒙特卡洛算法计算取值范围内的每一个经济剩余寿命年均损耗，计算量大，方法可信度较低。专利201410092017.4发明了一种概率全寿命周期成本电力变压器效能评估方法，其中步骤利用物元模型评估待选方案以确定最优方案，计算难度大缺乏实用性。

因此，为解决以上问题，需要一种基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，能够定量准确地预测变压器经济运行寿命，而且简单易行、便于操作，对于变压器的更新决策，提高电网经济效益及资产管理水平具有重要实用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，能够定量准确地预测变压器经济运行寿命，而且简单易行、便于操作，对于变压器的更新决策，提高电网经济效益及资产管理水平具有重要实用价值。

本发明的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，包括如下步骤：

a.分别计算变压器事故风险成本C_risk、变压器运行维护成本C_m和变压器折旧成本C_o，根据C_risk、C_m和C_o获得变压器综合运行成本C；

b.根据步骤a中获得变压器综合运行成本C，计算变压器年均综合运行成本C_a；

c.对步骤b中变压器年均综合运行成本C_a关于时间求导，当C_a为极小值时所对应的时间为变压器的最佳更换时间。

进一步，在步骤a中，所述变压器事故风险成本C_risk计算方式如下：

其中

式中，L为变压器故障成本，p(t)变压器故障率概率密度函数，t₀为变压器当前役龄；t为t₀之后变压器计划更换的时间。

进一步，所述变压器故障成本L包括停电经济成本L₁、故障维修成本L₂、人员安全风险成本L₃和环境影响成本L₄；即：L＝L₁+L₂+L₃+L₄；且L₁、L₂、L₃和L₄分别计算方式如下：

(1)停电成本L₁：

L₁＝S·cosθ·h·t_r·R·δ·γ

其中δ＝GDP/ele

γ＝γ₁·γ₂·γ₃

式中，S为变压器的额定容量；cosθ为其平均功率因数，η为变压器平均负载率；R为变压器突发故障时负荷停电的概率，t_r为故障平均修复时间，δ为单位电量风险值，GDP为当地年均国内生产总值，ele为年均用电量；γ为系统风险修正系数，γ₁为变电站重要性系数，γ₂为负荷重要性系数，γ₃为检修环境系数；

(2)故障维修成本L₂：

L₂＝C_r·λ

其中λ＝λ₁·λ₂

式中，C_r为变压器故障修复成本，λ为维修成本的修正系数，λ₁为生产厂家系数，λ₂为变压器检修环境系数；

(3)人员安全风险成本L₃：

式中，M_i表示变压器造成伤害等级为i级时的事故成本，β_i表示导致人员发生伤害等级为i级时的概率，i＝1,2,3时，伤害等级分别对应为人员轻伤、重伤和死亡；

(4)环境影响成本L₄：L₄取单次故障造成的环境损失的统计平均值。

进一步，所述变电站重要性系数γ₁取值为：当变电站为枢纽变电站时，γ₁为1.1-1.2；当变电站为联络变电站或缺省时，γ₁为1；当变电站为终端变电站时，γ₁为0.7-0.9；

所述负荷重要性系数γ₂取值为：当变压器负荷为一级负荷时，γ₂为1.1-1.2；当变压器负荷为普通负荷或缺省时，γ₂为1；

所述检修环境系数γ₃取值为：当检修环境为室外或缺省时，γ₃为1；当检修环境为室内时，γ₃为1.1-1.2。

进一步，所述生产厂家系数λ₁取值为：当变压器生产厂家在当地时，λ₁为0.85-0.95；当在国内其他地方或缺省时，λ₁为1；当在国外时，λ₁为0.75-0.85；

所述检修环境系数λ₂取值为：当检修环境为室外或缺省时，λ₂为1；当检修环境为室内时，λ₂为1.1-1.2。

进一步，在步骤a中，所述变压器运行维护成本C_m计算方式如下：

C_m＝C₁+C₂

式中，C₁为变压器能耗费用，C₂为运行维护费用，且

C₁＝(P₀+η²P_k)·pr·ε·(t-t₀).h

式中，P₀为变压器空载损耗，单位为kW；P_k为变压器负载损耗，单位为kW；η为变压器的平均负载率，ε为年负荷损耗率；pr为变压器用户支付的单位电费，单位为元/kWh；h为一年共有的小时数；而

式中，C_b为年度基本运行维修费用；α是变压器运行维护费用役龄增长线性系数。

进一步，在步骤a中，所述变压器折旧成本C_o计算方式如下：

式中，C_i为变压器初始投资成本，C_d为变压器退役成本，C_rc为新旧变压器设备交替时造成的停电损失费用，T_d为变压器设计寿命。

进一步，在步骤a中，所述变压器综合运行成本C的计算方式如下：C＝C_risk+C_m+C_o。

进一步，在步骤b中，所述变压器年均综合运行成本C_a计算方式如下：

进一步，在步骤c中，当C_a为极小值时所对应的时间小于当前役龄时，则表明已经错过最佳更换变压器的时间，应选择立即更换变压器。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，该方法通过计算变压器综合运行成本求取其年均运行成本，其最小值对应年份即为变压器最佳经济运行寿命，可以定量准确地预测变压器经济运行寿命，而且简单易行、便于操作，对于变压器的更新决策，提高电网经济效益及资产管理水平具有重要实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中变压器年均综合运行成本C_a关于时间t的函数曲线。

具体实施方式

图1为本发明的流程图，图2为本发明中变压器年均综合运行成本C_a关于时间t的函数曲线，如图所示，本实施例中的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法以针对对某变电站110kV，31.5MVA变压器为例，已知该变电站为室外联络变电站，负荷为普通负荷，变压器为本地生产，设计寿命为40年，当前役龄20年，其他相关资料参见表1：

表1变压器参数

首先，分别计算变压器事故风险成本C_risk、变压器运行维护成本C_m和变压器折旧成本C_o，根据C_risk、C_m和C_o获得变压器综合运行成本C；变压器事故风险成本C_risk通过如下公式计算：

其中

式中，L为变压器故障成本，p(t)变压器故障率概率密度函数，t₀为变压器当前役龄，取t₀＝20年；t为t₀之后变压器计划更换的时间。

而变压器故障成本L包括停电经济成本L₁、故障维修成本L₂、人员安全风险成本L₃和环境影响成本L₄；且L₁、L₂、L₃和L₄分别计算公式如下：

(1)停电成本L₁：

L₁＝S·cosθ·η·t_r·R·δ·γ

其中δ＝GDP/ele

γ＝γ₁·γ₂·γ₃

式中，变压器的额定容量S为31.5MVA；其平均功率因数cosθ为0.9，变压器平均负载率η为62％；根据该地区统计数据，变压器突发故障时负荷停电的概率R为0.05，故障平均修复时间t_r为18小时；单位电量风险值δ为10472元/MWh；γ₁、γ₂和γ₃取值根据下表2求得：

表2系统风险修正系数

由于停电会造成重大经济损失的负荷为一级负荷，一级负荷要求的供电可靠性高，比如医院，银行等；普通负荷要求的可靠性较低些，比如普通居民负荷；当变电站为枢纽变电站时，γ₁优选为1.16；当变电站为终端变电站时，γ₁为优选为1.16；当变压器负荷为一级负荷时，γ₂优选为1.16，评估结果与实际相符；

本实施例γ₁为1，γ₂为1，γ₃为1，则γ为1，则L₁＝165659.71(元)

(2)故障维修成本L₂：

L₂＝C_r·λ

其中λ＝λ₁·λ₂

式中，变压器故障修复成本C_r为82万，λ为维修成本的修正系数，λ₁为生产厂家系数，λ₂为变压器检修环境系数；λ₁和λ₂取值根据下表3求得：

表3维修成本的修正系数

当变压器生产厂家在当地时，λ₁优选为0.9；当在国外时，λ₁优选

为0.8，评估结果与实际相符；

本实施例λ₁为0.9，λ₂为1，则λ为0.9；L₂＝738000(元)。

(3)人员安全风险成本L₃：

M_i表示变压器造成伤害等级i时的事故成本，i＝1,2,3时分别取值5万元，15万元和50万元。β_i表示导致人员轻伤、重伤或死亡的概率，i＝1,2,3时分别取值0.02，0.005，0.001；则L₃＝2000(元)

(4)环境影响成本L₄：L₄取单次故障造成的环境损失的统计平均值，根据当地数据统计，L₄＝120000(元)；

则故变压器故障损失L为：L＝L₁+L₂+L₃+L₄＝1025659.71(元)

故变压器事故风险成本为：

而变压器运行维护成本C_m计算方式如下：

C_m＝C₁+C₂

式中，C₁为变压器能耗费用，C₂为运行维护费用，且

C₁＝(P₀+η²P_k)·pr·ε·(t-t₀).h

式中，变压器空载损耗P₀为20.88kW；变压器负载损耗P_k为136.8kW；变压器的平均负载率h为62％，年负荷损耗率ε取0.608；变压器用户支付的单位电费pr为0.2元/kWh；h取8760小时；得到C₁＝121311.16(t-t₀)(元)。

式中，年度基本运行维修费用C_b为2万；α是变压器运行维护费用役龄增长线性系数，则(元)；

所以(元)

所述变压器折旧成本C_o计算方式如下：

式中，变压器初始投资成本C_i包括变压器参考购置费和安装调试费，分别为250万元和2万元，为变压器退役成本C_d为报废成本与残值的差，取-10万元，新旧变压器设备交替时造成的停电损失费用C_rc为30万元，变压器设计寿命T_d为40年，则C_o＝2420000*(t-t₀)/50(元)；所述变压器年均综合运行成本C_a计算方式如下：

则变压器年均综合运行成本C_a随变压器运行时间t的变化规律如附图2所示，令dC_a/dt＝0，可求解出变压器年均综合运行成本C_a到达极小值时的时间t＝36.83年；在变压器当前役龄为20年时，16.83年后更新变压器可以取得最佳的经济效益，该变压器的经济寿命为36.83年，与实际相符，本方法可简单有效地评估变压器经济运行寿命，具有较高实用参考价值。

而当C_a为极小值时所对应的时间小于当前役龄时，则表明已经错过最佳更换变压器的时间，应选择立即更换变压器。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：包括如下步骤：

a.分别计算变压器事故风险成本C_risk、变压器运行维护成本C_m和变压器折旧成本C_o，根据C_risk、C_m和C_o获得变压器综合运行成本C；

b.根据步骤a中获得变压器综合运行成本C，计算变压器年均综合运行成本C_a；

c.对步骤b中变压器年均综合运行成本C_a关于时间求导，当C_a为极小值时所对应的时间为变压器的最佳更换时间。

2.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤a中，所述变压器事故风险成本C_risk计算方式如下：

$C_{risk}=L\·{\∫}_{t_0}^{t}p\left(t\right)dt$

其中

式中，L为变压器故障成本，p(t)变压器故障率概率密度函数，t₀为变压器当前役龄；t为t₀之后变压器计划更换的时间。

3.根据权利要求2所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：所述变压器故障成本L包括停电经济成本L₁、故障维修成本L₂、人员安全风险成本L₃和环境影响成本L₄；且L₁、L₂、L₃和L₄分别计算方式如下：

(1)停电成本L₁：

L₁＝S·cosθ·η·t_r·R·δ·γ

其中δ＝GDP/ele

γ＝γ₁·γ₂·γ₃

式中，S为变压器的额定容量；cosθ为其平均功率因数，η为变压器平均负载率；R为变压器突发故障时负荷停电的概率，t_r为故障平均修复时间，δ为单位电量风险值，GDP为当地年均国内生产总值，ele为年均用电量；γ为系统风险修正系数，γ₁为变电站重要性系数，γ₂为负荷重要性系数，γ₃为检修环境系数；

(2)故障维修成本L₂：

L₂＝C_r·λ

其中λ＝λ₁·λ₂

式中，C_r为变压器故障修复成本，λ为维修成本的修正系数，λ₁为生产厂家系数，λ₂为变压器检修环境系数；

(3)人员安全风险成本L₃：

$L_3=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{M}_i\·{\mathrm{\β}}_i$

式中，M_i表示变压器造成伤害等级为i级时的事故成本，β_i表示导致人员发生伤害等级为i级时的概率，i＝1,2,3时，伤害等级分别对应为人员轻伤、重伤和死亡；

(4)环境影响成本L₄：L₄取单次故障造成的环境损失的统计平均值。

4.根据权利要求3所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：

所述变电站重要性系数γ₁取值为：当变电站为枢纽变电站时，γ₁为1.1-1.2；当变电站为联络变电站或缺省时，γ₁为1；当变电站为终端变电站时，γ₁为0.7-0.9；

所述负荷重要性系数γ₂取值为：当变压器负荷为一级负荷时，γ₂为1.1-1.2；当变压器负荷为普通负荷或缺省时，γ₂为1；

所述检修环境系数γ₃取值为：当检修环境为室外或缺省时，γ₃为1；当检修环境为室内时，γ₃为1.1-1.2。

5.根据权利要求3所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：

所述生产厂家系数λ₁取值为：当变压器生产厂家在当地时，λ₁为0.85-0.95；当在国内其他地方或缺省时，λ₁为1；当在国外时，λ₁为0.75-0.85；

所述检修环境系数λ₂取值为：当检修环境为室外或缺省时，λ₂为1；当检修环境为室内时，λ₂为1.1-1.2。

6.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤a中，所述变压器运行维护成本C_m计算方式如下：

C_m＝C₁+C₂

式中，C₁为变压器能耗费用，C₂为运行维护费用，且

C₁＝(P₀+η²P_k)·pr·ε·(t-t₀).h

式中，P₀为变压器空载损耗，单位为kW；P_k为变压器负载损耗，单位为kW；η为变压器的平均负载率，ε为年负荷损耗率；pr为变压器用户支付的单位电费，单位为元/kWh；h为一年共有的小时数；而

$C_2=C_b\·{\∫}_{t_0}^t(1+\mathrm{\α}\·t)dt$

式中，C_b为年度基本运行维修费用；α是变压器运行维护费用役龄增长线性系数。

7.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤a中，所述变压器折旧成本C_o计算方式如下：

$C_o=(C_i+C_d+C_{rc})\·\frac{t-t_0}{T_d}$

式中，C_i为变压器初始投资成本，C_d为变压器退役成本，C_rc为新旧变压器设备交替时造成的停电损失费用，T_d为变压器设计寿命。

8.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤a中，所述变压器综合运行成本C的计算方式如下：C＝C_risk+C_m+C_o。

9.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤b中，所述变压器年均综合运行成本C_a计算方式如下：

10.根据权利要求1所述的基于变压器综合运行成本的经济寿命评估方法，其特征在于：在步骤c中，当C_a为极小值时所对应的时间小于当前役龄时，则表明已经错过最佳更换变压器的时间，应选择立即更换变压器。