全壽命周期SEC在配電網(wǎng)規(guī)劃評估中的應(yīng)用研究

引言

基于對精益化生產(chǎn)管理的深入研究,為統(tǒng)籌安全（safety）、效能(Efficiency）、周期成本(Cost）三者的關(guān)系,優(yōu)化資源配置,提高管理水平和運行效益,國家電網(wǎng)公司提出了基于安全效能成本（safetyEfficiencyCost,SEC）指標的管理理念。SEC表示在安全、效能水平相當?shù)那闆r下,單位（容量）資產(chǎn)每單位有效利用時間對應(yīng)的總成本,該指標的單位是元/kVA。其中安全是指對電網(wǎng)、設(shè)備、人身事故的控制能力:效能是指電網(wǎng)企業(yè)綜合平衡可靠性及利用率最優(yōu),以高效資產(chǎn)運行滿足供電服務(wù)水平要求:周期成本是指電網(wǎng)資產(chǎn)在全壽命周期成本方面的表現(xiàn)。

基于全壽命周期的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估,是一種全過程的評估,涉及電網(wǎng)設(shè)備的投資、運行、檢修、故障處置及報廢處置等各階段。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估及比選中,應(yīng)用較多的是基于全壽命周期成本（LifeCyc1eCost,LCC）的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估方法,但該方法的評價重點是全壽命周期費用最小化,很難綜合體現(xiàn)規(guī)劃方案的安全效能水平。目前的電網(wǎng)全壽命周期SEC評估主要是針對設(shè)備和"現(xiàn)狀"電網(wǎng)進行評估,相關(guān)的評估指標主要通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到,難以適應(yīng)著眼未來的電網(wǎng)規(guī)劃方案的評估需求。文獻研究了基于全壽命周期安全效能成本的配電網(wǎng)規(guī)劃方案評估方法,但沒有給出各項指標的具體分析計算方法,具有一定的局限性。

本文綜合運用全壽命周期成本評估、電網(wǎng)潮流分析及電網(wǎng)可靠性評估等方法,構(gòu)建基于全壽命周期SEC的配電網(wǎng)規(guī)劃方案量化評估模型,提出各項指標的分析計算方法,并應(yīng)用于實際配電網(wǎng)規(guī)劃方案比選中,結(jié)果說明了基于全壽命周期SEC評估模型進行配電網(wǎng)規(guī)劃方案比選的必要性和有效性。

1全壽命周期SEC量化評估模型

配電網(wǎng)規(guī)劃方案的全壽命周期SEC量化評估指標由安全指標、效能指標和周期成本指標三者構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SEC計算模型如下:

其中,

式中,kj為設(shè)備j容量在整個配電網(wǎng)容量中的比重:sjN為設(shè)備j的額定容量:E4j為設(shè)備j的等效利用率:/s為電網(wǎng)安全指標因子:/E為電網(wǎng)效能指標因子。

本文提出的各項指標的計算方法如下。

1.1安全指標

電網(wǎng)規(guī)劃方案SEC評估的安全指標（s1～s3）主要是指電網(wǎng)年平均非人為因素事故次數(shù),可通過配電網(wǎng)的可靠性分析計算得到,相關(guān)計算模型如下:

式中,Nw為規(guī)劃方案評估年限（年）:評估期第l年:Xkl為導(dǎo)致第k種事故的電網(wǎng)狀態(tài)集合,F（Xkl）為第k種事故出現(xiàn)的頻率[7],Xl為電網(wǎng)狀態(tài)集合,PLrl為第r個負荷水平出現(xiàn)的概率,NLl為負荷水平集:丑（x）為電網(wǎng)狀態(tài)x下所有正常設(shè)備的集合:h（x）為電網(wǎng)狀態(tài)x下所有故障設(shè)備（或檢修停運設(shè)備）的集合:Pxi及Pxj分別為電網(wǎng)狀態(tài)x下第i臺和第j臺設(shè)備的停運概率:λxy為電網(wǎng)從狀態(tài)x到狀態(tài)y的轉(zhuǎn)移率:LLoss（x）為電網(wǎng)狀態(tài)x下的切負荷量:LkMax、LkMin分別為第k種事故對應(yīng)的電網(wǎng)切負荷上下限:/sk為sk指標安全因子:Ksk為sk的調(diào)整系數(shù),通常取Ks1=100,Ks2=50,Ks3=10[1]。

1.2效能指標

1.2.1電網(wǎng)供電可靠率

電網(wǎng)年平均供電可靠率（E1）主要反映規(guī)劃期內(nèi)電網(wǎng)可靠供電的能力,可通過電網(wǎng)可靠性分析得到。

式中,E1W、ⅣCW、ⅣiW及UiW分別為評估期第W年配電網(wǎng)的供電可靠率、負荷點數(shù)量、荷點i所供用戶數(shù)量及負荷點i的平均停電持續(xù)時間(由可靠性計算得到）[.]:fE1為E1指標因子:KE1為指標E1的調(diào)整系數(shù),通常取KE1=10[1]:E1s為E1的考核值。

1.2.2電網(wǎng)電壓及頻率合格率

電網(wǎng)年平均電壓合格率(E2）可通過電網(wǎng)不同狀態(tài)下的潮流分析及電網(wǎng)不同狀態(tài)的概率分析得到。

式中,ⅣVW和ⅣVBxW分別為評估期第W年電壓合格率的檢測節(jié)點數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)x下出現(xiàn)電壓越限的節(jié)點數(shù):UⅣi為節(jié)點i的額定電壓:AUim一a為節(jié)點i的最大允許電壓偏差:fE2為E2指標因子:KE2為E2的調(diào)整系數(shù),通常取KE2=10[1]:E2s為E2的考核值。

本文在進行電網(wǎng)規(guī)劃方案評估比選時認為電網(wǎng)頻率始終合格,取E3=100Ⅹ,取E3指標因子fE3=1。

1.2.3資產(chǎn)等效利用率

資產(chǎn)等效利用率是指電網(wǎng)設(shè)備年平均等效滿負荷運行率。對于斷路器、隔離開關(guān)及母線類設(shè)備,其等效利用率取為相應(yīng)設(shè)備的可用系數(shù),對于供電線路和變壓器設(shè)備,其等效利用率可通過電網(wǎng)潮流分析計算得到。

式中,sa(x）為電網(wǎng)狀態(tài)x下設(shè)備a的傳輸容量。

對于線路j,其額定容量sjⅣ及傳輸容量sj(x）是基于主變單位容量造價計算得到的折算額定容量[1]?；谏鲜龇治?可得到效能指標(E）因子:

1.3周期成本指標

在基于SEC的電網(wǎng)規(guī)劃比選中,單臺設(shè)備a的周期成本(Ca）如下:

式中,C1a、C2a、C9a、C4a及C5a分別為設(shè)備a的年度平均投資成本、運行維護成本、檢修成本、故障處置成本及報廢處置成本,均以等年值表示。其中,C2a又包括維護成本C21a和運行損耗成本C22a:C4a又可分為故障處理成本C41a和故障損失成本C42a。

針對任意設(shè)備a,C1a～C5a可在計及通貨膨脹率(IR）和社會折現(xiàn)率(DR）的條件下基于LCC的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估方法計算得到。其中,C1a、C21a及C5a主要與物價水平及人力成本有關(guān):C22a主要包括電網(wǎng)運行損耗成本,可由計及電網(wǎng)狀態(tài)概率的潮流分析得到電網(wǎng)損耗的期望值并結(jié)合單位網(wǎng)損成本得到:C9a、C4a可結(jié)合電網(wǎng)的可靠性評估計算得到,即相應(yīng)評估期下,C9a可由計劃檢修次數(shù)乘以單次檢修成本得到,C41a可由故障次數(shù)乘以單次故障處理成本得到,而C42a可由停電量乘以單位停電損失得到。

對達到使用壽命的設(shè)備,假設(shè)在其報廢的同時以相同設(shè)備對其進行更新替換[8],即重新投資。

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2算例分析

2.1算例配電網(wǎng)基本情況

以某地區(qū)10kV配電網(wǎng)為例,基于全壽命周期的SEC量化評估模型對該配電網(wǎng)參與比選的方案一及方案二(圖2、圖9,虛線框內(nèi)為新建網(wǎng)架）進行評估,不同方案中相應(yīng)供電線路的長度如圖中所示,不計聯(lián)絡(luò)線長度。

等年值[8]表示。其中,C2a又包括維護成本C21a和運行損耗成本C22a:C4a又可分為故障處理成本C41a和故障損失成本C42a。

針對任意設(shè)備a,C1a～C5a可在計及通貨膨脹率(IR）和社會折現(xiàn)率(DR）的條件下基于LCC的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估方法[2,9,8]計算得到。其中,C1a、C21a及C5a主要與物價水平及人力成本有關(guān):C22a主要包括電網(wǎng)運行損耗成本,可由計及電網(wǎng)狀態(tài)概率的潮流分析得到電網(wǎng)損耗的期望值并結(jié)合單位網(wǎng)損成本得到:C9a、C4a可結(jié)合電網(wǎng)的可靠性評估計算得到,即相應(yīng)評估期下,C9a可由計劃檢修次數(shù)乘以單次檢修成本得到,C41a可由故障次數(shù)乘以單次故障處理成本得到,而C42a可由停電量乘以單位停電損失得到。

對達到使用壽命的設(shè)備,假設(shè)在其報廢的同時以相同設(shè)備對其進行更新替換[8],即重新投資。

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2算例分析

2.1算例配電網(wǎng)基本情況

以某地區(qū)10kV配電網(wǎng)為例,基于全壽命周期的SEC量化評估模型對該配電網(wǎng)參與比選的方案一及方案二(圖2、圖3,虛線框內(nèi)為新建網(wǎng)架）進行評估,不同方案中相應(yīng)供電線路的長度如圖中所示,不計聯(lián)絡(luò)線長度。

在SEC評估中,主要計及供電線路、開閉所進線斷路器(包括聯(lián)絡(luò)線斷路器）及開閉所母線等三類設(shè)備,三類設(shè)備的平均使用壽命均為15年。設(shè)備的可靠性參數(shù)如表1所示。設(shè)備規(guī)劃起始年的經(jīng)濟性參數(shù)如表2所示,其他相關(guān)參數(shù)如表9所示。其中,C1a0、C21a0、C9a0、C41a0及C5a0為規(guī)劃(評估）初始年的相應(yīng)成本。

配電網(wǎng)負荷點LP1～LP12的功率因數(shù)均為0.85,各負荷點的用戶數(shù)及負荷大小保持不變,如表4所示。由表4可知,LP4的供電線路為備用線路,正常運行時不帶負荷,且電網(wǎng)正常運行時聯(lián)絡(luò)線斷路器不投入,相應(yīng)設(shè)備的E4j按10%計算。除LP4外,其余負荷點為電壓合格率的檢測節(jié)點。

依據(jù)文獻的相關(guān)規(guī)定,當配電網(wǎng)停電負荷達到配電網(wǎng)總負荷的20%時,即認為配電網(wǎng)發(fā)生一般事故:當配電網(wǎng)停電負荷達到其總負荷的40%時,即認為配電網(wǎng)發(fā)生較大事故:當配電網(wǎng)停電負荷達到其總負荷的60%時,即認為發(fā)生重大事故。232算例分析結(jié)果

取規(guī)劃評估年限Nw為設(shè)備的平均使用壽命15年,則配電網(wǎng)兩個規(guī)劃方案的SEC相關(guān)計算結(jié)果如表5所示。表5中,CALL為評估中所有相關(guān)設(shè)備總的全壽命周期成本（等年值）。

由表5可知,規(guī)劃方案一的CALL小于方案二,即若以全壽命周期成本最小為目標,則方案一最優(yōu):方案二的SEC小于方案一,即在基于SEC的評估中,方案二最優(yōu)。進一步由表5可知,兩個方案電網(wǎng)的事故次數(shù)均較低,安全性較好:兩個方案電網(wǎng)的供電可靠率均低于E1s,因此兩個方案對應(yīng)的fE1>1,而方案二的供電可靠率高于方案一:兩個方案電網(wǎng)的電壓合格率均低于E2s,因此兩個方案對應(yīng)的fE2>1,而方案二的電壓合格率高于方案一。

由上述分析可知,基于傳統(tǒng)的LCC方法難以綜合體現(xiàn)規(guī)劃方案的安全效能水平,具有一定的局限性,而基于全壽命周期SEC的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估方法,能統(tǒng)籌安全、效能、周期成本三者的關(guān)系,對配電網(wǎng)規(guī)劃方案做出更全面的評估。

3結(jié)語

本文構(gòu)建了基于全壽命周期SEC的配電網(wǎng)規(guī)劃方案量化評估模型,并詳細分析了各項指標的計算方法,通過應(yīng)用于實際配電網(wǎng)規(guī)劃方案的比選評估,說明基于全壽命周期SEC的配電網(wǎng)規(guī)劃方案量化評估方法能對電網(wǎng)資產(chǎn)的安全、效能、周期成本進行綜合評價和分析,具有較高的實用價值。