變電站數(shù)字化改造的經(jīng)濟性分析

周 芳

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430072;2.鄂州供電公司,湖北鄂州 436000)

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建,建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上,能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站[1].在國內(nèi),還沒有供應(yīng)商在做變電站數(shù)字化改造的研究,而都在研究數(shù)字化變電站的實現(xiàn),熱衷于新建一個數(shù)字化變電站.而在發(fā)達國家,特別是在美國,因為已經(jīng)很少再造新的變電站,所以他們更加注重于老站的數(shù)字化改造.

數(shù)字化變電站技術(shù)已經(jīng)得到逐步應(yīng)用,并且是未來變電站的發(fā)展方向.數(shù)字化的一次變電設(shè)備將在5～10年后成為新建變電站的主流產(chǎn)品.但是對于已經(jīng)建設(shè)的老變電站,我們需要的是一種承前啟后的解決方案,在本文中稱之為變電站的數(shù)字化改造.

1 變電站數(shù)字化改造

對于變電站的數(shù)字化改造,美國投入了大量資金和人力進行相關(guān)技術(shù)的研發(fā),GE公司為美國電力公司在俄亥俄州的一個342kV變電站進行數(shù)字化改造的成功案例,并且這種解決方案也適用于超高壓公司.該方案的核心元件有幾種名稱:1)Hard Fiber,意為硬核光導(dǎo)纖維,2)IEC61850現(xiàn)場過程總線,3)俗稱“Brick”,即磚塊的意思.本文給它起了一個中文名字叫“魔磚”,因為它的確有些神奇.

該核心元件實際上是一種IT設(shè)備.它可以做如下的事情:1)模數(shù)轉(zhuǎn)換,2)控制編碼,3)遵循IEC61850-9-2和8-1.它之所以被稱作“Brick”是因為它不但看上去就像塊磚頭,而且和磚頭一樣經(jīng)得起日曬雨淋(IP66的防護等級).

它的輸入/輸出是雙向的,一方面就地采集了所有一次設(shè)備的信息,由一根細長的單芯光纜連接到控制室的保護、控制及計量等二次設(shè)備.另一方面還可以通過這根光纜把來自控制室的控制信號和同步信息送到“魔磚”.實現(xiàn)控制功能.

其實,只要把這塊“魔磚”安裝在“開關(guān)/流變端子箱”外邊,從此這些一次設(shè)備就被數(shù)字化了,具體示意圖見圖1.

圖1 變電站數(shù)字化改造方案示意圖

該方案核心模塊“魔磚”的功能可歸納如下:

(1)它由光纜供電,可以是交流也可以是直流220V或110V.

(2)兩組交流(ABC三相及零相,可以是8個電流輸入,也可以是4電流和4電壓)輸入,4個完全獨立的數(shù)字核輸出.即所有輸入可分別供4個用戶共享.我們可以把它理解為CT/PT次級的擴展功能.輸入的交流量,可以來自傳統(tǒng)CT/PT,也可以是電子式的EPT/ECT,或光學(xué)的OCT/OPT,以便與未來的設(shè)備兼容.

(3)直流輸入既考慮了開關(guān)量也考慮了模擬量.模擬量可以接入非電氣量變送器輸出(如壓力、溫度等),開關(guān)量共有18個量,模擬量共有3個.

(4)直流輸出有4個固態(tài)繼電器.另外還有2個C型繼電器和1個雙位置繼電器.

(5)典型配置考慮了雙母線加旁路或一個半開關(guān)結(jié)線的雙重化冗余配置.

通過在已有變電站中使用“魔磚”,我們傳統(tǒng)的一次設(shè)備就實現(xiàn)了數(shù)字化.

2 數(shù)字化變電站改造經(jīng)濟性分析

2.1 變電站數(shù)字化改造方案的優(yōu)點

上文所介紹的變電站數(shù)字化改造方案具有如下優(yōu)點:(1)改造速度快:以一個220kV線路間隔為例,設(shè)備停電1s即可以完成改造.系統(tǒng)由于停電方式帶來的風(fēng)險幾乎可以不考慮.(2)改造后的保護和二次回路可以免維護.(其實也省去了二次操作)因為二次回路由原來的接線保證方式,改成了通信保證方式.不存在二次回路常見的接觸和絕緣隱患.(3)改造后,由于電流/電壓互感器的二次負載減小,從而提高了保護、測量及計量的精度.(4)改造后,由于在開關(guān)現(xiàn)場就將大電流、高電壓轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量,從而提高了二次回路人員工作的安全性.(5)設(shè)計簡化,圖紙簡單.圖紙量為傳統(tǒng)設(shè)計的1/20,極易管理.(6)大量節(jié)約了材料和空間(約1/10).

2.2 全周期成本(LCC)比較分析

下面,對傳統(tǒng)二次回路改造和數(shù)字化改造的全周期成本(LCC)進行比較分析.

非數(shù)字化與數(shù)字化保護改造方案的LCC分析比較(以常規(guī)改造與數(shù)字化改造比較),以一條220 kV線路保護改造(單側(cè)雙重化)作為對象討論分析.

一般所考慮的一條220 kV線路的壽命(這里特指二次設(shè)備和保護)為20年,以凈現(xiàn)金流NPV為比較依據(jù),主要從成本方面進行考慮:全壽命周期成本計算公式

式中,LCC為全壽命周期成本(life cycle cost);CI為投入成本,包括設(shè)計成本、采購成本、施工成本(investment costs);CO為運行成本,包括操作成本、管理成本、耗電成本(operation costs);CM為維護成本,包括定期檢驗成本和備品備件(maintenance costs);CF為故障成本,亦稱懲罰成本包括停電成本、不正確動作成本和缺陷處理成本(outage or failure costs);CD為廢棄成本包括拆除及回收成本(disposal costs).

對于上式中各種成本進一步解釋如下:

(1)投入成本中的解釋.①設(shè)計成本:盡管數(shù)字化設(shè)備的二次設(shè)計出圖量僅是常規(guī)設(shè)計的1/10,但是由于現(xiàn)行設(shè)計費用是根據(jù)總造價的百分比來收取的,所以如果造價相似,設(shè)計費也不會有變化.②采購成本是指設(shè)備的采購成本.實際上數(shù)字化的二次設(shè)備是一次設(shè)備的一部分,而常規(guī)的二次設(shè)備除保護裝置以外,其它的都不算設(shè)備.③施工成本是指支付給施工承包商的全部費用,其中包括直接費和間接費利潤等,其中直接費用主要由材料和人工等費用組成.

(2)運行成本中的解釋.①操作成本是指改變回路運行狀態(tài)所發(fā)生的人工成本,一般一條220kV線路由運行改成檢修狀態(tài)的操作成本包括6個人工加2個車輛臺班費大約為10000～15000元.②管理成本是指設(shè)備巡視和圖紙核對這二項.每年一個220 kV回路二次約需2個人工折合費用約2000元.③耗電成本由二次壓降帶來的間接成本(以一個220 kV路為抵消計量所增加的網(wǎng)損費用約為5～6萬元)和冬雨季用于加熱和干燥的電費(如用于加熱4kW4個月合電量4×24×30×4=11520kW?h).

(3)維護成本:定期檢驗以4年為一個周期,常規(guī)約合3.7萬元/回路.

(4)故障成本解釋.①停電成本包括由于停電造成運行方式改變帶來的風(fēng)險成本,操作成本,及網(wǎng)損約10萬元/次.②不正確動作及處理缺陷成本.前者可不計入比較,后者發(fā)生的概率約2年一次,平均一個車輛臺班2個人工,每次成本約10000元.(5)根據(jù)規(guī)定,拆除成本為安裝成本的70%.

綜上所述,結(jié)論詳見表1.

表1 傳統(tǒng)二次回路改造和數(shù)字化改造的全周期成本(LCC)比較 (單位:萬元RMB)

上述總計可節(jié)約成本100萬元左右,通過上述分析,可以認為,保護回路進行數(shù)字化改造,不僅有利于變電站運行的安全可靠性,而且也將大大提高電網(wǎng)運行的效益.從長遠來看,由于大量減少了銅電纜的敷設(shè),減少了對資源的利用率,符合我們國家的循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)約型社會建設(shè)的理念,是利國利民之舉.

3 結(jié) 語

數(shù)字化變電站是目前國內(nèi)電力系統(tǒng)建設(shè)的一個熱點,但是,國內(nèi)目前數(shù)字化變電站的研究和實現(xiàn)都熱衷于新建一個數(shù)字化變電站,而沒有科研和制造單位在做變電站的數(shù)字化改造的研究,但在美國等發(fā)達國家,因為很少再造新的變電站,所以如何對已有的變電站進行數(shù)字化改造成為重要的課題,本文分析了變電站數(shù)字化改造的相關(guān)技術(shù),并進行了變電站數(shù)字化改造的經(jīng)濟性分析,可為我國變電站的數(shù)字化改造提供重要的決策依據(jù).

[1] 朱大新.數(shù)字化變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展[J].電工技術(shù)雜志,2001(4):20-22.

[2] 張沛超,高 翔.數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[J].電網(wǎng)技術(shù), 2006(24):73-77.

[3] 陳軼瑋,鄭怡雯,邱家駒.數(shù)字化變電站設(shè)計方案[J].電工技術(shù),2007(9):10-13.

[4] 高 翔.數(shù)字化變電站若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[5] 曾慶禹,李國龍.變電站集成技術(shù)的發(fā)展——現(xiàn)代緊湊型變電站[J].電網(wǎng)技術(shù),2002(8):60-67.

[6] 曾慶禹.變電站自動化技術(shù)的未來發(fā)展(二)-集成自動化、壽命周期成本[J].電力系統(tǒng)自動化,2000(20):1-63.

[7] 姚東曉,周有慶,高 樂等.基于IEC61850的變電站間隔層保護監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計框架[J].電網(wǎng)技術(shù),2008 (13):84-88.