基于設(shè)備全壽命周期成本與可靠性模型的自動(dòng)化分段策略

劉煒彬 王文鐘

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

配電自動(dòng)化是打造智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容。饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的核心內(nèi)容之一，當(dāng)饋線發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和轉(zhuǎn)供電，從而縮短部分用戶的停電時(shí)問(wèn)，達(dá)到提高配網(wǎng)供電可靠性的目的。理論上，同一回10kV線路上的自動(dòng)化分段數(shù)越多，單個(gè)自動(dòng)化分段的用戶數(shù)越少，那么故障停電影響范圍會(huì)越小，而線路整體的可靠性則越高。而另一方面，隨著自動(dòng)化終端設(shè)備數(shù)量的增加，設(shè)備初期投資和后期維護(hù)成本隨之增大。因此如何選擇合適的自動(dòng)化分段方案，在可靠性提升效果與投入成本之間取得平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)投資”，成為配電自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)工作的首要問(wèn)題。

該文提出一種在可靠性目標(biāo)約束的條件下，優(yōu)化線路自動(dòng)化布置策略的方法。對(duì)區(qū)域內(nèi)各類線路建立理論分析模型，分別計(jì)算各模型在多種布點(diǎn)策略下的全壽命周期投入成本與供電可靠性結(jié)果。對(duì)各線路模型的不同布置方案間進(jìn)行排列組合，形成方案庫(kù)，再根據(jù)整體區(qū)域總投入與整體可靠性結(jié)果，在滿足可靠性目標(biāo)約束條件下，求得最優(yōu)自動(dòng)化布點(diǎn)策略。

1 建立中壓線路分析模型

為研究配電線路自動(dòng)化分段的最佳配置方案，根據(jù)典型接線方式線路建立“設(shè)備全壽命周期成本—可靠性效益”分析模型。目前10kV配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜多樣，為其建立具有代表性的線路模型是首先要解決的問(wèn)題。雖然每年有大量建設(shè)改造項(xiàng)目，整個(gè)配電網(wǎng)處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，但總體應(yīng)朝著提升典型結(jié)線與可轉(zhuǎn)供電率方向發(fā)展。因此，在建立理論分析模型時(shí)，應(yīng)以地區(qū)典型接線為基礎(chǔ)。

理論可靠性分析算法采用FMEA算法。FMEA算法是根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立起故障樹(shù)，假設(shè)故障可能出現(xiàn)的所有位置，分析故障發(fā)生在不同位置時(shí)各用戶的停電情況，最后疊加計(jì)算各種停電情況下的用戶停電指標(biāo)。配電網(wǎng)元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此建立模型時(shí)應(yīng)進(jìn)行等值簡(jiǎn)化。分析模型建立時(shí)，將變電站出線開(kāi)關(guān)、線路、架空開(kāi)關(guān)、公用配電房斷路器、變壓器、專變用戶作為線路主要節(jié)點(diǎn)，其他設(shè)備元件歸入主要節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

2 終端設(shè)備全壽命周期成本分析

設(shè)備全壽命周期成本（LifeCycleCost，簡(jiǎn)稱LCC），指設(shè)備從設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行到退役四個(gè)過(guò)程，整個(gè)壽命周期內(nèi)所消耗的所有成本。而對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行單位來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)設(shè)備投資已經(jīng)包括設(shè)計(jì)、建設(shè)成本費(fèi)用，因此對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，全壽命周期成本（）可以簡(jiǎn)化為初期投資成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用與報(bào)廢拆除費(fèi)用三個(gè)部分。配電自動(dòng)化終端系統(tǒng)全壽命周期成本（）如公式（1）所示。

式中：—配電自動(dòng)化設(shè)備初始投資費(fèi)用；—配電自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；—配電自動(dòng)化設(shè)備報(bào)廢拆除費(fèi)用。

2.1 配電自動(dòng)化設(shè)備初始投資費(fèi)用（C1）

計(jì)算配電自動(dòng)化設(shè)備初始投資費(fèi)用，應(yīng)采用綜合投資造價(jià)，主要分為3個(gè)部分：1）自動(dòng)化選點(diǎn)的開(kāi)關(guān)投資。為配合自動(dòng)化模式，對(duì)開(kāi)關(guān)的選擇有一定的配合要求。自動(dòng)化布點(diǎn)需配置斷路器，其余普通主干節(jié)點(diǎn)則配置普通負(fù)荷開(kāi)關(guān)。自動(dòng)化設(shè)備成本應(yīng)考慮由此增加的開(kāi)關(guān)成本。2）自動(dòng)化終端設(shè)備本體造價(jià)。3）通信設(shè)備造價(jià)。目前主流的通信模式有光纖通信與無(wú)線通信。如果自動(dòng)化系統(tǒng)采用光纖通信，則須考慮整個(gè)光纖網(wǎng)覆蓋所有設(shè)備造價(jià)。對(duì)采用無(wú)線公網(wǎng)通信的設(shè)備，則須考慮無(wú)線通信模塊、加密模塊與月租等成本。

2.2 配電自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（C2）

自動(dòng)化系統(tǒng)及相關(guān)通信設(shè)備日常運(yùn)行維護(hù)工作主要包括三個(gè)部分：1）人力維護(hù)成本。自動(dòng)化專職維護(hù)班組主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化系統(tǒng)日常維護(hù)工作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。維護(hù)班組所產(chǎn)生的費(fèi)用主要為相關(guān)人力資源成本。2）自動(dòng)化設(shè)備故障維修費(fèi)用。自動(dòng)化設(shè)備有一定的概率發(fā)生故障，自動(dòng)化設(shè)備故障維修費(fèi)用為該部分故障后所產(chǎn)生的維修成本。3）備用電源維護(hù)費(fèi)用。目前自動(dòng)化終端均配有備用電源。為保證故障情況下有足夠的電量完成開(kāi)合動(dòng)作，自動(dòng)化終端備用電源須定期進(jìn)行更換。

2.3 配電自動(dòng)化設(shè)備報(bào)廢拆除費(fèi)用（C3）

自動(dòng)化設(shè)備在壽命到期后，須進(jìn)行拆除及處理回收。因此包括拆除成本與殘值回收兩個(gè)部分。

3 配電網(wǎng)理論可靠性計(jì)算

造成用戶停電的原因主要有兩類：第一類是計(jì)劃停電，第二類是故障停電。由于配電自動(dòng)化系統(tǒng)僅在故障停電下動(dòng)作，因此考量自動(dòng)化對(duì)可靠性的提升效果只考慮由于故障引起的用戶停電情況，并以戶均故障停電時(shí)間作為主要指標(biāo)。

戶均故障停電時(shí)間算法采用故障模式影響分析法。故障模式影響分析法（failuremodeandeffectanalysis，F(xiàn)MEA）是配電網(wǎng)可靠性定性評(píng)估中最常用的分析方法，該方法列舉電網(wǎng)中所有可能發(fā)生的故障模式，分析計(jì)算其造成的后果，并將對(duì)應(yīng)的故障與后果羅列在故障模式影響表中，獲得所需的可靠性指標(biāo)。

4 算例分析

4.1 線路分組建模思路

為研究不同類型線路的自動(dòng)化最佳分段策略，方案選擇思路如下：1）按線路特征對(duì)所有線路進(jìn)行分組，再根據(jù)每組線路的特征參數(shù)，分別為其建立線路分析模型。線路平均特征參數(shù)包括線路總長(zhǎng)、低壓用戶數(shù)、公變臺(tái)數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備臺(tái)賬統(tǒng)計(jì)，某市配電網(wǎng)共有10kV線路613回，根據(jù)這些線路的特征參數(shù)可分為6個(gè)線路組。2）對(duì)線路進(jìn)行分組后，根據(jù)不同分組線路的特征參數(shù)分別為其建立總共6個(gè)線路模型。3）以各分組的線路模型為基礎(chǔ)，分別為每個(gè)線路組模型編制不同的自動(dòng)化分段方案，并計(jì)算每個(gè)自動(dòng)化分段方案下的理論戶均故障停電時(shí)間與自動(dòng)化終端全壽命周期內(nèi)總投入。4）將6個(gè)模型的不同自動(dòng)化分段方案進(jìn)行組合，可得出全市自動(dòng)化分段策略。5）計(jì)算每個(gè)全區(qū)自動(dòng)化分段方案下的全區(qū)戶均故障停電時(shí)間與自動(dòng)化終端全壽命周期總投入。6）比較各全區(qū)自動(dòng)化分段策略的戶均故障停電時(shí)間與自動(dòng)化終端全壽命周期總投入兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，在可靠性目標(biāo)約束條件下，從中選出符合“精準(zhǔn)投資”原則的方案。

各組線路平均特征參數(shù)如表1所示。

表1 線路模型特征參數(shù)

4.2 分析模型計(jì)算邊界條件

分析模型計(jì)算涉及可靠性計(jì)算參數(shù)及效益分析參數(shù)，具體計(jì)算邊界條件如下：1）本次分析是建立在主站系統(tǒng)已建成的前提下配電自動(dòng)化的分段策略研究，僅考慮自動(dòng)化終端投入成本。2）目前供電企業(yè)資產(chǎn)管理相關(guān)規(guī)定，二次設(shè)備壽命為8年，因此設(shè)備維護(hù)成本按8年計(jì)算。3）自動(dòng)化模式采用電壓電流型饋線自動(dòng)化，通信方式采用無(wú)線公網(wǎng)通信。4）基準(zhǔn)收益率設(shè)為8%。5）某市戶均故障停電時(shí)間目標(biāo)為不高于10min，選擇方案時(shí)以該目標(biāo)為可靠性約束條件。6）可靠性計(jì)算參數(shù)所涉及的參數(shù)來(lái)源于對(duì)相關(guān)可靠性日志及設(shè)備故障日志文件的統(tǒng)計(jì)?？煽啃杂?jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 可靠性計(jì)算參數(shù)

4.3 模型理論可靠性與全壽命周期成本計(jì)算

根據(jù)A01~A06組線路模型的特點(diǎn)，分別代入可靠性計(jì)算公式，計(jì)算各組線路在不同分段方案下對(duì)應(yīng)的戶均故障停電時(shí)間，并列于表3。對(duì)6個(gè)分組各分段方案排列組合，形成共540個(gè)全區(qū)自動(dòng)化分段方案組合。

表3 各組別不同分段方案理論戶均故障停電時(shí)間

按單個(gè)自動(dòng)化布點(diǎn)全壽命周期成本計(jì)算每分段個(gè)方案組合所需的總投資。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

將每種方案組合方案對(duì)應(yīng)的全壽命周期總投入與整體可靠性結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)軟件，形成散點(diǎn)圖如圖1所示。

從圖1可見(jiàn)，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)自動(dòng)化分段方案組合。從圖中可知，在全壽命周期成本相近的情況下，戶均故障停電時(shí)間越短，說(shuō)明該方案的可靠性提升效果越好。不同的方案組合之間可能存在全壽命周期成本相近的情況，由于不同組別線路自動(dòng)化分段方案不同，因此整體可靠性效果差異較大。在同樣或相近的投入下，分布在圖形底部的方案組合所表現(xiàn)出來(lái)的戶均故障停電時(shí)間比其他成本相近的方案效果更好，因此可以看作是在該投入水平下的最優(yōu)方案。將各投入成本下的最優(yōu)方案組成“成本-效果”最優(yōu)效果方案曲線，代表了在不同成本下可達(dá)到的最優(yōu)可靠性效果方案，如圖2所示。

圖1 各自動(dòng)化分段方案的成本與效果分布情況

圖2 自動(dòng)化分段最優(yōu)方案曲線

組成自動(dòng)化分段最優(yōu)方案曲線的，共有21個(gè)方案組合。最成本最小（為18366萬(wàn)元）的1號(hào)方案組合，所有線路采用兩分段方案，戶均故障停電時(shí)間為12.28min；成本最高（為36701萬(wàn)元）的方案組合，為全部主干節(jié)點(diǎn)均布自動(dòng)化方案，戶均故障停電時(shí)間為4.27min。從曲線趨勢(shì)來(lái)看，隨著投資水平上升，曲線斜率逐步趨緩，表明戶均故障停電時(shí)間下降幅度減少，也就是說(shuō)單位投資可靠性提升效果會(huì)逐步下降。

根據(jù)每個(gè)方案的全壽命周期成本與對(duì)應(yīng)的戶均故障停電時(shí)間，計(jì)算每增加百萬(wàn)元投入相應(yīng)的戶均故障停電時(shí)間下降幅度計(jì)算公式，如公式（2）所示。

式中：ΔC為2個(gè)投資相近方案間的投資增加值，Δt為對(duì)應(yīng)的戶均故障停電時(shí)間下降值。

該指標(biāo)數(shù)值的高低可以反應(yīng)投資效率的變化情況。投資效率的變化并不是平緩下降的，而是存在2個(gè)變化較為明顯的點(diǎn)。

從各個(gè)最優(yōu)方案的具體分段策略來(lái)看，在同等投資水平下，優(yōu)先把更多的投入放在用戶數(shù)較多的線路上，可以正好提升整體可靠性水平。

在制定自動(dòng)化布置策略時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：1）可靠性總體水平應(yīng)滿足地區(qū)供電可靠性目標(biāo)，并考慮模型與實(shí)際線路的差異情況，方案的選擇應(yīng)留有一定的裕度。2）遵循“精準(zhǔn)投資”的原則，排除投資效率過(guò)低的方案，避免盲目投資浪費(fèi)。3）考慮將自動(dòng)化布置策略納入規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則，因此方案須具備一定的延續(xù)性，易于規(guī)劃人員清晰執(zhí)行，避免自動(dòng)化布置策略過(guò)于復(fù)雜。

算例地區(qū)選擇第5號(hào)方案作為自動(dòng)化布點(diǎn)策略。原因如下：1）從各方案來(lái)看，自動(dòng)化投資存在邊際效應(yīng)，增加單位投資所帶來(lái)可靠性提升效果逐步降低。2）該方案整體理論戶均故障停電時(shí)間為7.28min，達(dá)到故障戶均故障停電時(shí)間10min以內(nèi)的目標(biāo)且留有一定裕度。3）該方案將目標(biāo)地區(qū)內(nèi)10kV線路，按用戶數(shù)劃分為3檔，分別按2分段、3分段、4分段作為自動(dòng)化分段原則。

5 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種在可靠性目標(biāo)約束條件下，基于設(shè)備全壽命周期成本與總體可靠性提升效果優(yōu)化比較模型的自動(dòng)化分段策略研究，詳細(xì)分析了如何針對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有中壓配電網(wǎng)線路，根據(jù)用戶分布情況進(jìn)行分組，并為各組線路建立條件相應(yīng)分析模型。根據(jù)各模型不同自動(dòng)化布點(diǎn)方案之間的排列組合，形成多個(gè)組合方案。再通過(guò)比較，在滿足可靠性目標(biāo)前提下，選擇最優(yōu)方案組合?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：1）從全壽命周期成本與可靠性效果最優(yōu)方案來(lái)看，自動(dòng)化系統(tǒng)投入成本存在邊際效應(yīng)，增加投入成本所帶來(lái)的可靠性提升效果逐步下降。因此，對(duì)自動(dòng)化投入成本并非越多越好。應(yīng)根據(jù)可靠性目標(biāo)找到一個(gè)投入成本與提升效果的平衡點(diǎn)。2）中壓配網(wǎng)自動(dòng)化的分段策略應(yīng)根據(jù)線路總用戶數(shù)的不同而進(jìn)行差異化制定。對(duì)用戶數(shù)較少的線路，僅設(shè)置兩個(gè)自動(dòng)化分段。將建設(shè)資金重點(diǎn)投入用戶較多的線路，在線路上布置更多的自動(dòng)化分段，則對(duì)整體可靠性效果提升較為明顯。3）應(yīng)用該文所提出的方法制定自動(dòng)化分段策略時(shí)，可根據(jù)不同地區(qū)網(wǎng)架特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。模型的計(jì)算結(jié)果會(huì)根據(jù)邊界條件的變化而變化，影響較大的為線路的特征參數(shù)。因此線路特征參數(shù)是影響模型分析準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，建模時(shí)應(yīng)確保線路特征參數(shù)的準(zhǔn)確性。