基于云模型的水电TOT项目运营成本仿真

孙婷婷，王卓甫，丁继勇，刘振华

(1. 河海大学 工程管理研究所， 江苏 南京 211100； 2. 中垠地产， 山东 济南 250100)



基于云模型的水电TOT项目运营成本仿真

孙婷婷1，王卓甫1，丁继勇1，刘振华2

(1. 河海大学 工程管理研究所， 江苏 南京 211100； 2. 中垠地产， 山东 济南 250100)

TOT模式是在BOT模式基础上发展的一种全新模式，在项目移交转让时，因特许经营期比较长，而且受到很多不确定性因素的影响，转让方与经营方在做出决策时需要对特许经营期的运营成本进行合理的估算。在对水电TOT项目运营成本构成要素分析的基础上，构建出每个部分的计算公式及运营成本的估算模型；以故障频数为变量，运用蒙特卡洛模拟技术对故障损失费用进行模拟估算；利用Matlab 7.0软件求出云模型的3个数字特征值，根据这3个数值运用正态云发生器构建出正态云图，进而估算出运营成本的最大可能值。

TOT； 水电站； 运营成本； 云模型

水利枢纽工程项目具有发电、防洪、航运、灌溉等功能，将水电站部分从水利枢纽工程中剥离出来，引入社会资本，已经在江西省峡江水利枢纽工程中得到成功应用。考虑到水电站与整个枢纽大坝等建筑物紧密相关，因此，广泛采用由政府方统一建设工程，然后采用招投标方式选择项目的特许经营者来经营水电站，即将TOT模式应用于水电站的建设与运营中。在水电站特许经营权转让时，如何确定转让价，这是政府方招标和社会方投标需要解决的问题。转让价可定义为在转让期内水电站的运营收益与运营成本之间的差值。发电运营收益一般根据来水量和水价进行估算，分析相对比较简单，但运营成本的影响因素比较多，各因素的差异也比较大，其分析和计算相对比较复杂，因而受到广泛关注。

对于水电站运营成本的分析，文献[1～3]从不同的角度对当前水电站运营成本管理方面存在的问题进行了分析，并提出相应的解决对策。Auriol等[4]提出在公共基础设施建设中政府选择应用BOT及TOT融资模式的原因是公共资金的信息不对称和公共资金的影子成本。王松江[5]对TOT模式在经营性公共基础设施的适用性进行了介绍。在此基础上，汪皓[6]阐述了水电工程采用TOT项目融资的可行性及优越性，并利用重置成本法和收益现值法结合对水电TOT项目的经营权转让价值进行量化评估。李璞[7]站在项目转让方的立场上，在考虑到TOT项目无建设阶段风险的基础上，运用巴拉特模型对TOT项目的特许经营价格进行了一次性的资产定价。张新艳[8]运用实物期权方法对城市供水TOT项目的运营成本进行估算。鲁夏琼[9]运用ZOPP法分析出运营期内设施的维护成本估算不准确对公路TOT项目运营期内的收益影响很大。

综上所述，目前对水电站运营成本分析的研究成果比较多，对水电TOT项目特许经营权的定价问题虽有所涉及，但对特许经营期的运营成本的文献研究还比较缺乏，即使考虑到运营成本的文献也没有列出其详细的计算公式，而是采用了快速的大致估算方法进行估算。在水电TOT项目特许经营权转让时，转让方与承包商为了维护自身的利益，做出决策时需要对运营成本做出合理而准确的估算，但TOT项目特许经营期一般为30～50年，而且受到较多不确定因素(包括环境和人为因素)的影响，很难进行准确的计算。因此，本文拟对水电TOT项目的运营成本的构成要素进行分析，进一步构建出运营成本的计算公式，运用蒙特卡洛模拟对运营成本在不同故障率下的数值进行模拟估算，根据这些数值，结合将某个定性化的概念定量化表示的逆向云模型，构建出运营成本的正态云图，从而估算出水电站特许经营期的运营成本的可能值及其变化区间，提高成本计算的可信度。

1 水电TOT项目运营成本要素分析

水电TOT项目的运营成本，指水电站在竣工投产后每年需要花费的各种经常性的支付费用，主要由三部分组成，包括：运行费用、大修理费用及故障损失费用。

(1)运行费用，指工程(项目)正常运行过程中所耗费的费用，如人员工资及福利费、材料费、水资源费、日常检修费及其他费用；

(2)大修理费用，主要指对机械设备的一次全面的停机大修理维护，大修理费用不是每一年都会发生的，在本文中假设每次发生的大修理费是定值，而且通过引入大修理发生频率f这个值来估算大修理费；

(3)故障损失费用，指水电站日常运营维护过程中因故障而造成的损失费用，本文用设备故障成本及停电损失成本来估算。

水电TOT项目的运营成本具体内容见图1。

图1 水电站运营成本构成要素

依据以上分析，水电TOT项目每项成本都按年度成本估算，运营成本的估算过程如下。

(1)运行费用。运行费用设为Cp，其中，人员工资及福利费指水电站所有工作人员的工资、津贴及各项福利费，按职工编制计算；材料费指库存材料和加工材料的费用；水资源费指向水库管理处或其主管单位缴纳的发电所耗用的水资源的费用；其他费用包括办公费、劳保费、行政管理费、差旅费等。所以，运行费用的计算公式为：

Cp=C1+C2+C3+C4

(1)

式中：C1为人员工资及福利费；C2为材料费；C3为水资源费；C4为其他费用。

(2)大修理费用。大修理费用设为Cr，包括设备大修所用的费用Cm及维修过程中更换报废设备的费用Cn。为了计算方便，本文将这两项费用看作一个定值，用设备投资成本的百分比来进行估算，其计算公式为：

Cr=rCi

(2)

式中：Ci为水电站设备的投资成本；r为设备的平均年维护费率。

(3)故障损失费用。故障损失费用设为Cs，用故障修复成本Cf和停电损失成本Ch两部分来估算[10]。其计算公式为：

Cs=Cf+Ch

(3)

其中，故障修复成本Cf的计算公式为：

Cf=ηT0q

(4)

式中：η为设备每年的平均故障次数；T0为每次故障的平均修复时间；q为单位时间故障平均修复成本。

停电损失成本Ch的计算公式为：

Ch=ηT0h

(5)

式中：h为因故障而造成的平均停电损失。

2 水电TOT项目运营成本模型

由上文可知，运营成本由运行费用、大修理费用及故障损失费用组成，为了计算方便，文中假设运行费用和大修理费用是确定值，而故障损失费用因每年故障次数的变化而不同。进一步构建出运营成本的估算模型，主要按照以下过程进行运营成本的估算：

(1)收集水电站运行费用、大修理费用及故障损失费用等相关的历史数据，根据收集到的历史数据资料，确定运营成本中各项确定值的具体数值。

(2)利用蒙特卡罗模拟的Weibull分布函数求出每年的平均故障发生频率。

因运行费用和大修理费用是确定值，而故障损失费用会因每年故障次数的变化而不同，需要对故障的发生频率进行预测。根据经验及相关文献资料，发电设备的寿命分布一般服从两参数的Weibull分布[11]，其概率密度函数为：

(6)

式中：α和β分别是比例参数和形状参数，根据经验可以取1.1和22.8；t为设备的可靠寿命时间。

根据Weibull分布函数，利用Matlab 7.0和蒙特卡罗模拟方法来模拟计算设备每年的故障发生概率。具体步骤为：在[0,1]区间内任取随机数来对Weibull分布函数进行取值，求出设备的可靠寿命时间t，这个过程反复进行，就可以得出设备每年的故障发生概率。

(3)在不同故障频数下对水电站的运营成本值进行计算。

上文中给出的是水电站每年的运营成本估算公式，因为水电TOT项目的运营期一般比较长(一般为30～50年)，因此需要考虑资金的时间价值。所以，需要将上文中估算的每项成本折现成当年的成本，然后相加，就可以估算出水电TOT项目运营阶段的全部成本。其计算公式为：

(7)

(8)

式中：C为水电站的运营成本；t为计算的不同年度，t=1,2,3,…,n；k为水电站运营期限；if表示大修理费用的折现率；f为大修理发生的频率；i为当年公布的银行利率。

(4)利用逆向云模型和Matlab7.0求出正态云的3个数字特征值。

云模型[12]是一种概念的形象化表达和分析的新理论，是利用自然语言值将某个定性概念进行定量化表示。而逆向云模型，是基于统计学原理，利用符合某一正态分布规律的一组云滴(xi,ui)作为样本，生成能表述定性概念的3个数字特征值(Ex,En,He)的过程。其有两种基本算法，一种是需要确定的信息才可以计算，另一种是不需要确定的信息就可以计算。本文采用的是第二种算法，即不需要确定的信息的逆向云模型。具体算法过程如下：

Ex=mecm(xi)

En=stdev(xi)

式中：mean( )为求均值的函数，stdev( )为求标准差的函数。

(5)根据正态云的3个数字特征值，利用正向云发生器求出运营成本的正态云图形，进而对水电站的运营成本区间进行估算。具体算法过程如下：

④ 重复步骤(1)～(3)，一直到生成N个云滴为止；

⑤ 将这N个云滴绘制成正态云图形，进一步估算出该变电站的成本区间。

3 案例分析

某水利枢纽工程的基本规模为：水库的正常蓄水位为46.0 m，死水位为44.0 m，防洪高水位为49.0 m，设计的洪水位为49.0 m，校核洪水位为49.0 m；防洪库容为6.0×108m3，调节库容为2.14×108m3，水库总库容为11.87×108m3；厂房采用河床式布置，全长共275.8 m，包括主厂房、副厂房和安装间三部分。主厂房的机组间距分别为22.2、22.7 m，内装9台灯泡式贯流水轮发电机组，单机容量为40 MW，转轮直径为7.8 m，总装机容量360 MW。副厂房分为三层，布置在尾水管上主厂房的下游侧。在尾水管上安置了220 kV的升压站，在安装间下游安置的是GIS室。机组的进口流速应不高于2 m/s，尾水管的出口流速应不高于2.5 m/s；初拟的进水流道的断面尺寸为16.2 m(宽)×17.5 m(高)，尾水管出口的断面尺寸为16.2 m(宽)×13.6 m(高)。进水口闸门与转轮中心之间的水平距离为25.6 m，转轮中心与尾水管出口之间的水平距离为39.6 m。位于主厂房右侧的是安装间，其布置在右岸的台地上，电站设备采用水平进厂的方式。

3.1 该水电站运营成本估算的具体分析过程

(1)确定运营成本中各项确定值的数值，得出运行费用及大修理费用的值。依据上文的资料，根据江西省的经济发展水平及物价状况，通过查阅相关历史资料及市场调研，参照水利部水总[2002]116号文颁发的《水利工程设计概(估)算编制规定》及配套定额(以下简称《概估算规定》)，得出发电机组电力设备的价格区间，进而估算出水电站的固定资产投资额为3000万元。

考虑到水电TOT项目的特点，根据历史经验，为了便于计算，项目的特许经营期取30年，即k=30年。参照《概估算规定》，根据江西省的平均物价水平及人均工资水平，利用式(1)求出年平均运行费用为CP=50 万元。水电站的固定资产投资额为3000 万元，平均年维护费率为r=3%，大修理发生频率f=5。根据式(2)求出大修理费Cr=3000×3%=90 万元。利率i=6.4%。因故障而造成的平均停电损失为h=1.5 万元/h，每次故障的平均修复时间为T0=72 h/次，平均修复成本q=0.9万元/h。

(2)求出年平均故障次数。根据式(6)，利用蒙特卡罗模拟技术，模拟计算出30组年平均故障次数η值，具体数值见表1，迭代次数为1000次。

表1 基于蒙特卡罗模拟的Weibull分布函数的年平均故障次数 次

(3)根据表1及式(3)～(5)，求出水电站在不同故障率下的故障损失费用，具体结果见表2。

表2 基于表1的不同故障率下的故障损失费用 万元

(4)根据表2以及步骤(1)中得出的运行费用和大修理费用的数值，利用式(7)和式(8)，求出该水电站在不同故障率下的运营成本值，具体结果见表3。

表3 基于表1的不同故障率下的运营成本 万元

(5)依据表1及表3，利用Matlab 7.0软件，求出云模型的3个数字特征值。具体结果如下：Ex=1269.3952，En=17.8464，He=0.2。

(6)根据云模型的3个数字特征值，运用正态云发生器构建出运营成本的正态云图形(图2)。

图2 水电站运营成本的正态云图形

3.2 结果分析

从图2中可以看出，该水电站的运营成本值处于[1221, 1323]之间，而最可能的运营成本的估算值为1269.3952万元。这个结果与上文得出的不同故障率下的运营成本值(表3)基本吻合，而且运营成本的估值区间比在确定条件下所得出的运营成本可信度高。在实践中，可以根据不同机器设备的故障率得到的云模型来评估出设备的可靠程度，一方面可以选择出可靠性高的机器设备，另一方面，通过该模型也可以对运营成本做出合理的估值，为政府决策及承包商投标报价和运营管理提供一定的参考。

4 结 语

本文在对水电站运营成本的构成要素分析的基础上，对每个要素给出了计算公式，并考虑到水电站机器设备的故障对运营成本有很大的影响，运用蒙特卡罗模拟技术对故障频数进行了模拟估算，进而给出运营成本的估算模型，并运用云模型求出运营成本值，解决了不确定性条件下如何对运营成本进行估算的问题，希望通过这个模型，为政府及承包商在水电站特许经营权转让时估算特许经营期的运营成本提供一定的指导。

[1] 郎 倩. 关于水电站运行成本管理的探讨[J]. 时代金融, 2010, (9): 126-127.

[2] 邹四群. M水力发电企业运行成本管理研究[D]. 长沙: 湖南师范大学, 2014.

[3] 丁修佳. 水电站运行管理的问题及建议[J]. 中国新技术新产品, 2010, (19): 150-151.

[4] Auriol E, Picard P M. A theory of BOT concession contracts[J]. Journal of Economic Behavior & Organization, 2013, 89: 187-209.

[5] 王松江. 经营性公共基础设施TOT项目融资管理[M]. 北京: 科学出版社, 2011.

[6] 汪 皓. 水电工程TOT项目融资模式研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2013.

[7] 李 璞, 王松江. 基于WSR—巴拉特方法的TOT水电项目融资定价[J]. 水利水电技术, 2012, 43(9): 95-98.

[8] 张新艳. 基于实物期权方法的城市供水TOT项目价值评估研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2008.

[9] 鲁夏琼. BOT-BT-TOT集成融资模式运营体系研究[D].昆明: 昆明理工大学, 2011.

[10]李 冬. 北京城北500 kV 变电站的设计特点[J]. 电力建设, 2006, 27(11): 4-7．

[11]梁钟晖， 周渝慧， 顾洪凤, 等. 基于模糊理论的输电中断成本估算方法[J]. 电网技术, 2009, 33(1): 71-74．

[12]李德毅， 杜 鹢. 不确定性人工智能[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

[13]王松江, 王晓芳, 段万春, 等. TOT项目管理[M].昆明: 云南科技出版社, 2005.

[14]贾小妮, 闫文周. 基于云模型的企业质量成本预测[J]. 山西建筑, 2007, 33(13): 235-237.

[15]沈进昌, 杜树新, 罗 祎, 等. 基于云模型的模糊综合评价方法及应用[J]. 模糊系统与数学, 2012, 26(6): 115-123.

Operating Costs Simulation of Hydropower TOT Project Based on Cloud Model

SUNTing-ting1,WANGZhuo-fu1,DINGJi-yong1,LIUZhen-hua2

(1.Institute of Engineering Management， Hohai University， Nanjing 211100， China; 2.Zhongyin Estate， Jinan 250100， China)

TOT mode is a new model based on the BOT model, when the transfer of the project handover, because of the longer concession period and affected by many uncertain factors, the transferor and the operator need to make a reasonable estimate of the operating costs of the franchise period in the decision making. On the basis of hydropower TOT project operating cost components analysis, this paper builds each part of the calculation formulas and operating cost estimation models. The fault frequency is variable, using Monte Carlo simulation techniques to estimate the failure cost. Using Matlab 7.0 software to obtain three digital features of cloud model, and using normal cloud generator to construct the normal cloud according to the three values, then calculate the maximum possible operating costs.

TOT; hydropower; operating costs; cloud model

2016-01-23

2016-03-16

孙婷婷(1990-)，女，山东威海人，硕士研究生，研究方向为工程项目管理(Email: 1791289785@qq.com)

F294

A

2095-0985(2016)05-0122-05