配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)估的推廣與應(yīng)用研究

楊金濤 倪威中 黃佳晨 吳 倩

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市錢塘區(qū)供電公司 2.天地電研（北京）科技有限公司杭州分公司 3.天地電研（北京）科技有限公司）

0 引言

根據(jù)2019 年中國(guó)各供電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)電力可靠性分析中，設(shè)備導(dǎo)致停電的占比超過(guò)18%，其中，中壓配電網(wǎng)設(shè)施故障占總數(shù)的一半。由此可見(jiàn)，研究有效提高中壓配電網(wǎng)設(shè)施的可靠性，降低停電影響，已成為保障我國(guó)電力可靠性水平發(fā)展的重要任務(wù)之一。目前，我國(guó)電力可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系已涵蓋發(fā)電設(shè)備、直流設(shè)施及其系統(tǒng)、輸變電設(shè)施和電路、供電系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域，但尚未涉及配電網(wǎng)設(shè)施。正是由于缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系，國(guó)內(nèi)供電企業(yè)對(duì)配電網(wǎng)設(shè)施的可靠性缺乏足夠的定量分析。直到2021 年10 月，《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于印發(fā)2021 年能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定修訂計(jì)劃和外語(yǔ)翻譯計(jì)劃的通知》（國(guó)能綜通科技〔2021〕92 號(hào)）發(fā)布了2021 年能源產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃項(xiàng)目匯總表，第312 項(xiàng)為《配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)導(dǎo)則》的制定（項(xiàng)目編號(hào)：Energy 20210312），此后，配電網(wǎng)設(shè)施的可靠性評(píng)價(jià)才得到足夠的重視。目前，項(xiàng)目組已經(jīng)完成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)草案的制定和提交，但如何順利實(shí)施和應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。

我國(guó)的輸變電設(shè)施有一個(gè)專門的信息管理系統(tǒng)[1]，負(fù)責(zé)收集、計(jì)算、分析和報(bào)告設(shè)施可靠性數(shù)據(jù)。輸變電設(shè)施可靠性評(píng)估[2]在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展多年，取得了顯著成效，推動(dòng)了輸變電設(shè)施從狀態(tài)檢修向以可靠性為中心的維修過(guò)渡。然而，配電網(wǎng)設(shè)施數(shù)量龐大，與輸電網(wǎng)設(shè)施相比，其自身價(jià)值不高，故障的影響也不那么顯著。在我國(guó)大部分地區(qū)，配電網(wǎng)設(shè)施的維護(hù)和管理仍主要依靠定期維護(hù)和直接更換，導(dǎo)致設(shè)施維護(hù)過(guò)度或不足。輸電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)估的統(tǒng)一推廣模式和專用信息管理系統(tǒng)的一體化實(shí)施路徑不能完全適用于配電網(wǎng)設(shè)施[3]，且鮮有文獻(xiàn)研究配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)估的推廣應(yīng)用。

針對(duì)此現(xiàn)狀，本文探討了配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)的推廣和應(yīng)用路徑。在簡(jiǎn)述配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了《配電網(wǎng)設(shè)施可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)導(dǎo)則》（送審稿）的主要指標(biāo)。然后，將生命周期各階段的成本與可靠性指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，并根據(jù)我國(guó)信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了設(shè)施可靠性評(píng)估信息系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和實(shí)施方案。最后，結(jié)合某供電企業(yè)10kV 架空絕緣線各階段成本進(jìn)行計(jì)算分析。

1 配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

我國(guó)配電網(wǎng)設(shè)施的可靠性管理一直與用戶供電的可靠性管理相結(jié)合。電力企業(yè)對(duì)配電網(wǎng)設(shè)施可靠性的評(píng)價(jià)源于《供電系統(tǒng)供電可靠性評(píng)價(jià)規(guī)定》（DL/T 836――2016）中與設(shè)施可靠性有關(guān)的幾個(gè)指標(biāo)。然而，DL/T836―2016 并不是配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)估的具體標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施可靠性分析僅涉及計(jì)算設(shè)施停運(yùn)次數(shù)和時(shí)間，對(duì)設(shè)施停運(yùn)原因的分析不夠充分，不足以指導(dǎo)實(shí)際工作[4-7]。

可見(jiàn)，缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，導(dǎo)致指標(biāo)計(jì)算不完整，指標(biāo)分析深度不足，無(wú)法探索設(shè)施可靠性不高的深層次問(wèn)題。同時(shí)，也反映出供電企業(yè)普遍重視輸電網(wǎng)、輕視配電網(wǎng)。

項(xiàng)目組在《配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)導(dǎo)則》中統(tǒng)一了配電網(wǎng)設(shè)施分類和設(shè)施狀態(tài)分類，并根據(jù)設(shè)施狀態(tài)計(jì)算各種可靠性指標(biāo)[8-10]。

2 成本和可靠性指標(biāo)之間的相關(guān)性

運(yùn)維成本包括正常運(yùn)行時(shí)的損耗成本、維護(hù)成本和故障成本三部分。配網(wǎng)設(shè)施PLCC 計(jì)算公式為：

式中，PLCC 為配網(wǎng)設(shè)施全壽命周期成本（Power Life Cycle Cost， PLCC）；CI 為投入成本（Investment Cost，CI）；EC 為損耗成本（Energy Cost，EC）；CM 為維護(hù)成本（Maintenance Cost，CM）；CF 為故障成本（Outage of Failure Cost，CF）；CD 為退役成本（Disposal Cost， CD）。

配網(wǎng)設(shè)施的故障成本由故障損失電量成本和故障修復(fù)成本兩部分構(gòu)成：

式中，Wi為設(shè)施故障平均損失負(fù)荷，即設(shè)施i正常運(yùn)行時(shí)所帶負(fù)荷功率；Ti為設(shè)施i 故障平均停運(yùn)停電時(shí)間；FTi為設(shè)施i 平均故障停運(yùn)次數(shù)；RCi為設(shè)施i 平均故障修復(fù)單位成本；MTTRi為設(shè)施i 平均故障修復(fù)時(shí)間。

建立PLCC 與可靠性指標(biāo)關(guān)系模型：

式中，Ri為單位投入成本，萬(wàn)元/ km 或萬(wàn)元/kVA；U為設(shè)施長(zhǎng)度或容量，km 或kVA；Re為平均每年單位運(yùn)行成本，萬(wàn)元/ km·年或萬(wàn)元/ kVA·年；Rm為平均每年單位維護(hù)成本，萬(wàn)元·年/km·h 或萬(wàn)元·年/臺(tái)·h；Tp為平均每年預(yù)安排停運(yùn)時(shí)間，h/百臺(tái)·年或h/百km·年；Up為預(yù)安排停運(yùn)長(zhǎng)度或容量，km 或kVA；Rf為平均每年單位故障成本，萬(wàn)元·年/ km·h或萬(wàn)元·年/臺(tái)·h；Tf為平均每年強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間，h/百臺(tái)·年或h/百km·年；Uf為故障停運(yùn)長(zhǎng)度或容量，km或kVA；CD 為設(shè)施退役成本；N為使用年限。

后續(xù)隨著數(shù)據(jù)積累的不斷細(xì)化和分析工作的逐步深入，Tp可進(jìn)一步細(xì)化至檢修預(yù)安排停運(yùn)時(shí)間、施工預(yù)安排停運(yùn)時(shí)間；Tf可進(jìn)一步分解至產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)計(jì)施工、設(shè)施損耗、環(huán)境影響和外力因素五個(gè)方面。

3 設(shè)施可靠性信息管理系統(tǒng)建設(shè)

離開(kāi)信息系統(tǒng)的支撐，配網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)工作難以開(kāi)展。國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均沒(méi)有專門的配網(wǎng)設(shè)施的信息管理系統(tǒng)，而是依托其他系統(tǒng)生成所需的設(shè)施可靠性數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 配網(wǎng)設(shè)施信息管理系統(tǒng)

國(guó)家電網(wǎng)公司依托生產(chǎn)管理系統(tǒng)完成配網(wǎng)設(shè)施信息化管理工作。其中，“用戶信息采集系統(tǒng)”采集高、中、低壓用戶臺(tái)賬，用戶設(shè)備與臺(tái)賬關(guān)聯(lián)信息、臺(tái)區(qū)臺(tái)賬、臺(tái)區(qū)用戶對(duì)應(yīng)表中的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的“設(shè)備基礎(chǔ)臺(tái)賬數(shù)據(jù)”模塊采集配網(wǎng)設(shè)施基礎(chǔ)臺(tái)賬數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新?！肮╇娍煽啃赃\(yùn)行數(shù)據(jù)”模塊采集高、中、低壓用戶停電事件數(shù)據(jù)。

南方電網(wǎng)公司統(tǒng)一使用“6+1”系統(tǒng)―資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)展配網(wǎng)設(shè)施管理工作。配網(wǎng)公用/專用設(shè)施臺(tái)賬信息通過(guò)資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)―配網(wǎng)設(shè)備臺(tái)賬管理模塊獲取，配網(wǎng)設(shè)施按照“站-線-設(shè)備（干線、支線、配電房、臺(tái)變、箱變、戶外開(kāi)關(guān)箱）”進(jìn)行關(guān)聯(lián)，臺(tái)賬更新周期為每天；還具備同步中壓運(yùn)行事件、低壓運(yùn)行事件、停電饋線數(shù)據(jù)、停電用戶數(shù)據(jù)、不停電事件等功能。

目前，國(guó)網(wǎng)公司和南網(wǎng)公司使用的配網(wǎng)設(shè)施管理系統(tǒng)都能夠采集、更新、維護(hù)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上以微應(yīng)用的形式開(kāi)發(fā)配網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)功能模塊，能夠充分利用原有信息管理系統(tǒng)資源，在此基礎(chǔ)上以大數(shù)據(jù)和智能算法支撐配網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)工作的落地，是切實(shí)可行的。

4 可靠性評(píng)估應(yīng)用示例

4.1 設(shè)施改進(jìn)前的生命周期成本

以2017 年至2020 年LH 地區(qū)10kV 架空線路為例，該地區(qū)的工程造價(jià)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)在電力工程造價(jià)與定額管理總站發(fā)布的《20kV 及以下配電網(wǎng)工程設(shè)備材料價(jià)格信息（2017 年7 月）》的基礎(chǔ)上考慮資金時(shí)間價(jià)值，得到10kV 架空輸電線路的投入成本統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。10kV 架空線路的平均單位投資成本為21.52 萬(wàn)元/km。

表1 10kV 架空線路投資成本統(tǒng)計(jì)表

維修成本與公司的維修模式、資產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備運(yùn)營(yíng)水平等因素密切相關(guān)。提取與成本相關(guān)的各種成本，對(duì)2017~2020 年該地區(qū)架空線路的維護(hù)成本進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，如表2 所示。10kV 架空線路平均單位維護(hù)費(fèi)用為5.38 萬(wàn)元/km·h。

表2 10kV 架空線路平均維護(hù)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

利用配電網(wǎng)設(shè)施可靠性系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)，2017年至2020 年該地區(qū)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3 所示，電力損失是根據(jù)年平均負(fù)荷值計(jì)算的。10kV 架空線路平均單位故障成本6.61 萬(wàn)元/km·h。

表3 10kV 架空線路平均故障成本統(tǒng)計(jì)表

為了使每個(gè)階段的成本可用，使用設(shè)施運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)值來(lái)計(jì)算其損失成本。

投入成本約占該地區(qū)10kV 架空線路各階段總成本的60.36%。運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的成本占總成本的37.24%，占總成本三分之一以上，其中，運(yùn)行成本約占3.60%，維護(hù)成本約占15.09%，故障成本約占18.54%。剩余2.41%為設(shè)備報(bào)廢回收殘值。

4.2 改進(jìn)措施后設(shè)施的生命周期成本

以上分析表明，配電網(wǎng)設(shè)施投資階段成本和預(yù)安排停電費(fèi)用的占比很大。因此，從2021 年到2022 年，該地區(qū)全面開(kāi)展了配電網(wǎng)設(shè)施狀態(tài)維護(hù)試點(diǎn)工作。

與該地區(qū)2017 年至2020 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，使用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備可以將故障停運(yùn)時(shí)間減少到原來(lái)的60%，但計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間并沒(méi)有減少。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的采購(gòu)將導(dǎo)致平均單位投入成本雖增加3.28%，但設(shè)備更換的投入成本減少約15.44%，平均單位維護(hù)成本增加約18.33%，故障成本減少17.67%，可直接節(jié)省60.35%×15.44%-15.09%×15.44%+18.54%×17.67%-60.35%×3.28%=8.28% 的成本。由此可見(jiàn)，狀態(tài)檢修所需的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備將導(dǎo)致投資成本的整體降低、維護(hù)成本的增加和故障成本的降低，但總體來(lái)說(shuō)，將導(dǎo)致停運(yùn)時(shí)間的減少和成本的降低。

4.3 可靠性改進(jìn)措施的有效性評(píng)價(jià)

從企業(yè)的整體效率出發(fā)，基于設(shè)施歷史年份的可靠性指標(biāo)，分別計(jì)算定周期檢修階段和狀態(tài)檢修階段配電網(wǎng)設(shè)施的成本。選擇設(shè)施可用性系數(shù)作為橫軸，選擇成本作為縱軸?；谏鲜龈麟A段的成本分析，可以得出狀態(tài)檢修實(shí)施前該地區(qū)配電網(wǎng)設(shè)施的全壽命周期成本PLCC 與可靠性之間的關(guān)系曲線。根據(jù)實(shí)施狀態(tài)檢修帶來(lái)的成本變化修改PLCC 與可靠性之間的關(guān)系曲線，可得到該地區(qū)開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修的設(shè)施PLCC 和可靠性關(guān)系曲線。對(duì)比兩者，可得到狀態(tài)檢修的實(shí)施效果，如圖2 所示。

圖2 定周期運(yùn)維模式和狀態(tài)檢修模式下配電網(wǎng)設(shè)施全壽命周期PLCC 對(duì)比

由此可知，將定期運(yùn)維模式改為狀態(tài)檢修模式后，狀態(tài)檢修的總成本比定期運(yùn)維模式低?，F(xiàn)狀配網(wǎng)設(shè)施整體的最優(yōu)區(qū)域與原最優(yōu)區(qū)域相比，向右側(cè)稍有移動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)配電網(wǎng)設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用將從簡(jiǎn)單的指標(biāo)管理向標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)計(jì)方法和深化指標(biāo)應(yīng)用方向轉(zhuǎn)變。隨著配電網(wǎng)設(shè)施可靠性的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)方法的選擇和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的深化應(yīng)用將逐步改進(jìn)，使其在輔助決策方面發(fā)揮更大的作用。