本發(fā)明屬于配電變壓器
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法。
背景技術(shù)：
：電力變壓器的安全運(yùn)行是保障電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要防線之一，其可靠、健康運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的整體抗風(fēng)險(xiǎn)能力。因此，如何保證變壓器長(zhǎng)期處于良好的工作狀態(tài)一直是電力企業(yè)設(shè)備管理的重中之重。同時(shí)，作為最主要的一次設(shè)備，變壓器在電力企業(yè)資產(chǎn)中無論是數(shù)量，還是經(jīng)濟(jì)支出中都占有相當(dāng)大的比重，對(duì)變壓器的技改需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性，在確保變壓器安全、可靠運(yùn)行的同時(shí)，應(yīng)盡量使企業(yè)獲得盡可能大的經(jīng)濟(jì)效益。目前電力企業(yè)由于缺乏完善的技術(shù)經(jīng)濟(jì)理論支持，在變壓器的技改工作中往往存在以下兩個(gè)極端：一方面老舊變壓器超役齡運(yùn)行，導(dǎo)致運(yùn)維成本增加；一方面過度追求新型變壓器的性能，技術(shù)改造過頻、更新?lián)Q代過快，造成了不必要的浪費(fèi)。長(zhǎng)期以來，我國(guó)變壓器技改水平相對(duì)落后，電網(wǎng)中服役的老舊變壓器仍然占有較大比重，技改工作十分迫切。因此，綜合考慮變壓器的全壽命周期成本(lifecyclecost,lcc)，研究變壓器的更換決策方法，無疑可為電力企業(yè)全面提升全壽命周期管理的水平，開展變壓器技術(shù)改造提供科學(xué)的理論指導(dǎo)依據(jù)。當(dāng)前研究多關(guān)注變壓器的狀態(tài)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和檢修決策方法。一些文獻(xiàn)基于電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提出了電力變壓器的停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論體系；一些文獻(xiàn)提出一種基于模糊貝葉斯網(wǎng)的變壓器故障狀態(tài)診斷方法，提高了信息不完備條件下的診斷準(zhǔn)確率；一些文獻(xiàn)提出一種基于振動(dòng)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，可用于支撐變壓器的運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)；一些文獻(xiàn)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論，提出一種基于粒子群與遺傳混合算法的配電變壓器檢修優(yōu)化方法，構(gòu)建了以電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最小為目標(biāo)的變壓器檢修優(yōu)化模型；一些文獻(xiàn)以全壽命周期成本理論為基礎(chǔ)，建立了考慮資金時(shí)間價(jià)值的變壓器全壽命周期成本計(jì)算模型，進(jìn)而給出以狀態(tài)檢修代替定期檢修來優(yōu)化變壓器的檢修方式；一些文獻(xiàn)提出基于檢修能效分析的變壓器全壽命周期固定檢修優(yōu)化策略。上述文獻(xiàn)根據(jù)變壓器運(yùn)行狀態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，從不同側(cè)面對(duì)變壓器的檢修決策進(jìn)行了優(yōu)化。然而，隨著變壓器高效節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，單純通過檢修來提升可靠性和經(jīng)濟(jì)性的方法對(duì)一些老舊在役變壓器是否依然適用，成為了一個(gè)值得探討的問題。如何在深入考慮多種影響因素的基礎(chǔ)上，給出變壓器的優(yōu)化更換決策方案，目前依然缺少系統(tǒng)性理論的支撐。因此，研究完善的變壓器更換輔助決策方法，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：步驟1)確定變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af；在變壓器等年值成本計(jì)算中，所有成本將都要折算成年金現(xiàn)值；步驟2)根據(jù)上述變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af確定變壓器投資等年值成本cin；變壓器投資費(fèi)用包含購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)、調(diào)試費(fèi)、場(chǎng)地費(fèi)，發(fā)生在變壓器壽命周期初期，屬于一次性投入與資金時(shí)間價(jià)值中的現(xiàn)值；步驟3)確定變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本cym；變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本包括年空載損耗成本、年負(fù)荷損耗成本以及年維護(hù)成本；步驟4)確定變壓器年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr；年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr指由于變壓器故障、檢修停運(yùn)對(duì)用戶造成的停電損失；步驟5)根據(jù)上述變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af確定等年值變壓器殘值cil；變壓器殘值同其投資費(fèi)用一樣，發(fā)生在設(shè)備壽命周期初期，屬于現(xiàn)值；步驟6)基于上述步驟2)—步驟5)的結(jié)果確定變壓器更換決策模型；確定采用基于全壽命周期eac的變壓器更換決策模型，即根據(jù)在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr和使在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu來確定在役老舊變壓器是否需要更換；步驟7)根據(jù)上述步驟6)確定的變壓器更換決策模型來決定在役老舊變壓器是否需要更換；選取全壽命周期eac較低的決策方案；所依據(jù)的原則如下：7.1)若在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr>在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu，則保持在役老舊變壓器再服役至少一年；7.2)若在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr<在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu，則采用高效、可靠的新變壓器對(duì)在役老舊變壓器進(jìn)行更換。在步驟1)中，所述的年金現(xiàn)值系數(shù)af的計(jì)算公式如式(1)所示：其中i為貼現(xiàn)率；n為變壓器當(dāng)前的服役年齡。在步驟2)中，所述的變壓器投資等年值成本cin的計(jì)算公式如式(2)所示：cin＝cn/af(i,n)(2)其中，cn為變壓器投資成本。在步驟3)中，所述的變壓器年空載損耗成本cnl的計(jì)算公式如式(3)所示：cnl＝8760×enl×pe(3)其中，pe為每千瓦時(shí)的電價(jià)，元/kwh；enl為每小時(shí)的空載損耗,kw；所述的年負(fù)荷損耗成本cll的計(jì)算需要確定變壓器在一年中的負(fù)載率水平的時(shí)間分布，計(jì)算公式如式(4)所示；其中，t為負(fù)載水平的總數(shù)；αi為第i種負(fù)載水平在一年中所占的時(shí)間比例；eli為對(duì)應(yīng)第i種負(fù)載水平下變壓器平均每小時(shí)的負(fù)荷損耗；新變壓器的年維護(hù)成本cm為變壓器投資等年值成本cin的1％，在役老舊變壓器比例為4％；進(jìn)而得到變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本cym的計(jì)算公式如式(5)所示：cym＝cnl+cll+cm(5)。在步驟4)中，所述的變壓器年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr的計(jì)算公式如式(6)所示：cr＝cf×s×ηf(6)其中，cf為變壓器單位容量故障損失成本；s為變壓器額定容量；ηf為故障發(fā)生概率。在步驟5)中，變壓器殘值cl為變壓器投資成本cn的1％，則根據(jù)資金時(shí)間價(jià)值，變壓器殘值cl轉(zhuǎn)化為等年值變壓器殘值cil的計(jì)算方法如式(7)所示：cil＝cl/af(i,n)(7)。在步驟6)中，所述的在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr的計(jì)算公式如式(8)所示：eacr＝cin+cym_n+cr_n-cil(8)其中，cym_n為新變壓器的年運(yùn)行維護(hù)成本；cr_n為新變壓器的年風(fēng)險(xiǎn)損失成本；所述的在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu的計(jì)算公式如式(9)所示：eacu＝cin+cym_o+cr_o-cil(9)。其中，cym_o為在役老舊變壓器的年運(yùn)行維護(hù)成本；cr_o為在役老舊變壓器的年風(fēng)險(xiǎn)損失成本。本發(fā)明提供的基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法通過建立融合變壓器損耗成本、風(fēng)險(xiǎn)成本、運(yùn)行維護(hù)成本、投資成本和變壓器殘值的等年值成本(equivalentannualcost,eac)決策模型來確定變壓器的最佳更換周期，科學(xué)地表征了替換和維持運(yùn)行兩種決策模式下對(duì)電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)性帶來的影響，利用等年值成本的大小對(duì)比來進(jìn)行決策。通過對(duì)某供電企業(yè)實(shí)際變壓器更換工作所面臨的場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證了本發(fā)明方法在變壓器更換決策過程中的有效性，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值,可有效提升電力企業(yè)變壓器的技改水平與經(jīng)濟(jì)效益。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法進(jìn)行詳細(xì)說明。首先說明一下更換變壓器時(shí)需考慮的影響因素：變壓器由于技術(shù)進(jìn)步所帶來的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，與變壓器本身投資費(fèi)用相比比重很小，由此導(dǎo)致電力企業(yè)對(duì)在役老舊變壓器進(jìn)行更換的意愿不強(qiáng)。而事實(shí)上，以新變壓器替換高能耗在役老舊變壓器將帶來多方面經(jīng)濟(jì)效益，如功率損耗的減少、維護(hù)成本下降等，同時(shí)還將帶來因停電次數(shù)減少而形成的風(fēng)險(xiǎn)收益。總體來看，變壓器更換決策時(shí)需考慮如下幾類影響因素：1)可靠性：對(duì)于大部分沒有備用電源的負(fù)荷而言，變壓器的故障將不可避免地導(dǎo)致一定負(fù)荷損失。為避免該情況的出現(xiàn)，通常的做法是對(duì)變壓器開展定期檢修，或者當(dāng)變壓器可靠性低于一定水平時(shí)進(jìn)行更換。2)損耗：隨著當(dāng)今變壓器技術(shù)的不斷進(jìn)步，新變壓器的功率損耗逐年降低。因此，對(duì)部分仍然可以正常運(yùn)行的在役老舊變壓器進(jìn)行更換，用效率更高的新變壓器進(jìn)行替換，可在一定程度上提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。3)負(fù)荷變化：隨著負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，在役老舊變壓器常常會(huì)面臨過負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)無論是變壓器的損耗還是其運(yùn)行可靠性都會(huì)在一定程度上受到影響。盡管此時(shí)可通過增加并聯(lián)變壓器的方式進(jìn)行解決，然而并聯(lián)變壓器運(yùn)行的損耗無疑會(huì)大于更換一個(gè)更大容量變壓器的損耗。4)電壓變化：數(shù)據(jù)表明，當(dāng)變壓器繞組兩端電壓增大10％時(shí)，變壓器將由于過勵(lì)磁現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致空載損耗增大25％～60％。因此，開展合理的變壓器更新?lián)Q代，對(duì)變壓器的降損具有重要意義。5)環(huán)保與防火：變壓器隨著空載損耗的增加噪音會(huì)不斷增大，甚至超出jb/t10088-2004規(guī)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在役老舊變壓器多基于多氯化聯(lián)苯基(polychlorinatedbiphenyls,pcb)進(jìn)行絕緣，會(huì)帶來一定的環(huán)境污染。在特殊要求“防火、防爆”的應(yīng)用場(chǎng)所采用干式變壓器替換油式變壓器也是變壓器更換需要考慮的重要因素。綜上所述，一臺(tái)在役老舊變壓器是否需要進(jìn)行更換，取決于多種復(fù)雜因素的共同作用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，迫切需要提出一種更換輔助決策方法來進(jìn)行綜合統(tǒng)籌考慮。如圖1所示，本發(fā)明提供的基于全壽命周期等年值成本的變壓器更換輔助決策方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：步驟1)確定變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af在變壓器等年值成本計(jì)算中，所有成本將都要折算成年金現(xiàn)值；步驟2)根據(jù)上述變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af確定變壓器投資等年值成本cin變壓器投資費(fèi)用包含購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)、調(diào)試費(fèi)、場(chǎng)地費(fèi)等，發(fā)生在變壓器壽命周期初期，屬于一次性投入與資金時(shí)間價(jià)值中的現(xiàn)值；步驟3)確定變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本cym變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本包括年空載損耗成本、年負(fù)荷損耗成本以及年維護(hù)成本；步驟4)確定變壓器年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr指由于變壓器故障、檢修停運(yùn)等對(duì)用戶造成的停電損失；它貫穿于變壓器整個(gè)壽命周期內(nèi)，每年都可能發(fā)生；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論，可以計(jì)算在役老舊變壓器和新變壓器運(yùn)行時(shí)存在的不同風(fēng)險(xiǎn)損失；步驟5)根據(jù)上述變壓器年金現(xiàn)值系數(shù)af確定等年值變壓器殘值cil變壓器在正常報(bào)廢時(shí)通常能夠產(chǎn)生一定數(shù)量的殘值收入，用以沖銷有關(guān)費(fèi)用；該殘值通常根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此認(rèn)為變壓器殘值同其投資費(fèi)用一樣，發(fā)生在設(shè)備壽命周期初期，屬于現(xiàn)值；步驟6)基于上述步驟2)—步驟5)的結(jié)果確定變壓器更換決策模型在判斷在役老舊變壓器是否需要更換時(shí)，會(huì)面臨兩個(gè)選擇：一是立即更換該變壓器；二是使在役老舊變壓器再服役至少一年；從步驟2)～步驟5)中的變壓器等年值成本計(jì)算所需各分項(xiàng)的計(jì)算方法中可以看出，新舊變壓器的年運(yùn)行維護(hù)成本與年風(fēng)險(xiǎn)損失成本存在顯著差別；本發(fā)明在此基礎(chǔ)上，確定采用基于全壽命周期eac的變壓器更換決策模型，即根據(jù)在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr和使在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu來確定在役老舊變壓器是否需要更換；步驟7)根據(jù)上述步驟6)確定的變壓器更換決策模型來決定在役老舊變壓器是否需要更換在確定在役老舊變壓器是否需要更換時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取全壽命周期eac較低的決策方案；所依據(jù)的原則如下：7.1)若在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr>在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu，則保持在役老舊變壓器再服役至少一年；7.2)若在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr<在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu，則采用高效、可靠的新變壓器對(duì)在役老舊變壓器進(jìn)行更換。在步驟1)中，所述的年金現(xiàn)值系數(shù)af的計(jì)算公式如式(1)所示：其中i為貼現(xiàn)率；n為變壓器當(dāng)前的服役年齡。在步驟2)中，所述的變壓器投資等年值成本cin的計(jì)算公式如式(2)所示：cin＝cn/af(i,n)(2)其中，cn為變壓器投資成本。在步驟3)中，所述的變壓器年空載損耗成本cnl的計(jì)算公式如式(3)所示：cnl＝8760×enl×pe(3)其中，pe為每千瓦時(shí)的電價(jià)，元/kwh；enl為每小時(shí)的空載損耗,kw；所述的年負(fù)荷損耗成本cll的計(jì)算需要確定變壓器在一年中的負(fù)載率水平的時(shí)間分布，計(jì)算公式如式(4)所示；其中，t為負(fù)載水平的總數(shù)；αi為第i種負(fù)載水平在一年中所占的時(shí)間比例；eli為對(duì)應(yīng)第i種負(fù)載水平下變壓器平均每小時(shí)的負(fù)荷損耗；所述的年維護(hù)成本cm對(duì)不同服役年限的變壓器而言有明顯的差別；相比于新變壓器，在役老舊變壓器的年維護(hù)成本明顯增高；為精確計(jì)算年維護(hù)成本cm，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(cigre)定義新變壓器的年維護(hù)成本cm為變壓器投資等年值成本cin的1％，而對(duì)在役老舊變壓器該比例則上升為4％；進(jìn)而可以得到變壓器年運(yùn)行維護(hù)成本cym的計(jì)算公式如式(5)所示：cym＝cnl+cll+cm(5)在步驟4)中，所述的變壓器年風(fēng)險(xiǎn)損失成本cr的計(jì)算公式如式(6)所示：cr＝cf×s×ηf(6)其中，cf為變壓器單位容量故障損失成本；s為變壓器額定容量；ηf為故障發(fā)生概率。在步驟5)中，變壓器殘值cl為變壓器投資成本cn的1％，則根據(jù)資金時(shí)間價(jià)值，變壓器殘值cl轉(zhuǎn)化為等年值變壓器殘值cil的計(jì)算方法如式(7)所示：cil＝cl/af(i,n)(7)。在步驟6)中，所述的在役老舊變壓器更換時(shí)變壓器等年值成本eacr的計(jì)算公式如式(8)所示：eacr＝cin+cym_n+cr_n-cil(8)其中，cym_n為新變壓器的年運(yùn)行維護(hù)成本；cr_n為新變壓器的年風(fēng)險(xiǎn)損失成本。在步驟6)中，所述的在役老舊變壓器再服役至少一年時(shí)變壓器等年值成本eacu的計(jì)算公式如式(9)所示：eacu＝cin+cym_o+cr_o-cil(9)其中，cym_o為在役老舊變壓器的年運(yùn)行維護(hù)成本；cr_o為在役老舊變壓器的年風(fēng)險(xiǎn)損失成本；影響不同決策等年值成本的關(guān)鍵在于如何確定變壓器的服役年限n。為驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，本發(fā)明人利用本發(fā)明方法對(duì)某市區(qū)級(jí)供電公司的10kv，容量為2000kva，服役n＝20年的變壓器是否更換進(jìn)行決策。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，新變壓器的投資費(fèi)用為15萬元/臺(tái)，在役老舊變壓器殘值為投資費(fèi)用的1％，貼現(xiàn)率i＝10％，電價(jià)pe＝0.71元/kwh，變壓器單位容量故障損失成本cf＝150元/kva，在役老舊變壓器的空載損耗為3kw，新變壓器的空載損耗為2.69kw，在役老舊變壓器的故障概率為1％，新變壓器的故障概率為0.001％，新變壓器的cm為等年值投資成本的1％，而在役老舊變壓器則上升為4％。同時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，變壓器在一年中有5％的時(shí)間處于100％額定負(fù)載條件下，20％的時(shí)間處于75％額定負(fù)載條件下，40％的時(shí)間處于50％額定負(fù)載條件下，30％的時(shí)間處于25％額定負(fù)載條件下，5％的時(shí)間處于空載狀態(tài)。不同負(fù)載水平下新舊變壓器的負(fù)載損耗如表1所示。1)年金現(xiàn)值系數(shù)af由式(1)可得，當(dāng)在役老舊變壓器繼續(xù)服役時(shí)(n＝21)，其年金現(xiàn)值系數(shù)af為8.649；當(dāng)更換新變壓器時(shí)(n＝20)，其年金現(xiàn)值系數(shù)af為8.514。2)年損耗成本年損耗成本包括空載成本與負(fù)載成本。新老變壓器年負(fù)載成本計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1變壓器年負(fù)載損耗成本，元根據(jù)公式(3)和實(shí)際參數(shù)，在役老舊變壓器年空載損耗成本為18658.800元，新變壓器的年空載損耗成本為16730.724。3)年維護(hù)成本根據(jù)前述計(jì)算方法和實(shí)際參數(shù)，在役老舊變壓器年維護(hù)成本為6000元，新變壓器的年維護(hù)成本為2500元。4)年風(fēng)險(xiǎn)損失成本根據(jù)前述計(jì)算方法和實(shí)際參數(shù)，在役老舊變壓器年風(fēng)險(xiǎn)損失成本為3000元，新變壓器的年風(fēng)險(xiǎn)損失成本為3元?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果，表2給出更換和保持在役老舊變壓器再服役至少一年兩種決策下的等年值成本。可以看出，通過更換新變壓器，其等年值成本約降低了21.15％，經(jīng)濟(jì)效益顯著。故通過本發(fā)明方法的分析，要對(duì)該服役20年的在役老舊變壓器進(jìn)行更換，采用新變壓器。表2不同決策下變壓器等年值成本，元繼續(xù)服役更換新型變壓器cin17343.6617618.94cil-173.44-176.19cnl18658.80016730.724cll26238.93820361.416cm60001500cr30003eac71067.9656037.89當(dāng)前第1頁(yè)12