全寿命周期SEC在配电网规划评估中的应用研究

引言

基于对精益化生产管理的深入研究,为统筹安全（safety）、效能(Efficiency）、周期成本(Cost）三者的关系,优化资源配置,提高管理水平和运行效益,国家电网公司提出了基于安全效能成本（safetyEfficiencyCost,SEC）指标的管理理念。SEC表示在安全、效能水平相当的情况下,单位（容量）资产每单位有效利用时间对应的总成本,该指标的单位是元/kVA。其中安全是指对电网、设备、人身事故的控制能力:效能是指电网企业综合平衡可靠性及利用率最优,以高效资产运行满足供电服务水平要求:周期成本是指电网资产在全寿命周期成本方面的表现。

基于全寿命周期的电网规划方案评估,是一种全过程的评估,涉及电网设备的投资、运行、检修、故障处置及报废处置等各阶段。在传统的电网规划方案评估及比选中,应用较多的是基于全寿命周期成本（LifeCyc1eCost,LCC）的电网规划方案评估方法,但该方法的评价重点是全寿命周期费用最小化,很难综合体现规划方案的安全效能水平。目前的电网全寿命周期SEC评估主要是针对设备和"现状"电网进行评估,相关的评估指标主要通过对历史数据的统计分析得到,难以适应着眼未来的电网规划方案的评估需求。文献研究了基于全寿命周期安全效能成本的配电网规划方案评估方法,但没有给出各项指标的具体分析计算方法,具有一定的局限性。

本文综合运用全寿命周期成本评估、电网潮流分析及电网可靠性评估等方法,构建基于全寿命周期SEC的配电网规划方案量化评估模型,提出各项指标的分析计算方法,并应用于实际配电网规划方案比选中,结果说明了基于全寿命周期SEC评估模型进行配电网规划方案比选的必要性和有效性。

1全寿命周期SEC量化评估模型

配电网规划方案的全寿命周期SEC量化评估指标由安全指标、效能指标和周期成本指标三者构成,其总体结构如图1所示。

SEC计算模型如下:

其中,

式中,kj为设备j容量在整个配电网容量中的比重:sjN为设备j的额定容量:E4j为设备j的等效利用率:/s为电网安全指标因子:/E为电网效能指标因子。

本文提出的各项指标的计算方法如下。

1.1安全指标

电网规划方案SEC评估的安全指标（s1～s3）主要是指电网年平均非人为因素事故次数,可通过配电网的可靠性分析计算得到,相关计算模型如下:

式中,Nw为规划方案评估年限（年）:评估期第l年:Xkl为导致第k种事故的电网状态集合,F（Xkl）为第k种事故出现的频率[7],Xl为电网状态集合,PLrl为第r个负荷水平出现的概率,NLl为负荷水平集:丑（x）为电网状态x下所有正常设备的集合:h（x）为电网状态x下所有故障设备（或检修停运设备）的集合:Pxi及Pxj分别为电网状态x下第i台和第j台设备的停运概率:λxy为电网从状态x到状态y的转移率:LLoss（x）为电网状态x下的切负荷量:LkMax、LkMin分别为第k种事故对应的电网切负荷上下限:/sk为sk指标安全因子:Ksk为sk的调整系数,通常取Ks1=100,Ks2=50,Ks3=10[1]。

1.2效能指标

1.2.1电网供电可靠率

电网年平均供电可靠率（E1）主要反映规划期内电网可靠供电的能力,可通过电网可靠性分析得到。

式中,E1W、ⅣCW、ⅣiW及UiW分别为评估期第W年配电网的供电可靠率、负荷点数量、荷点i所供用户数量及负荷点i的平均停电持续时间(由可靠性计算得到）[.]:fE1为E1指标因子:KE1为指标E1的调整系数,通常取KE1=10[1]:E1s为E1的考核值。

1.2.2电网电压及频率合格率

电网年平均电压合格率(E2）可通过电网不同状态下的潮流分析及电网不同状态的概率分析得到。

式中,ⅣVW和ⅣVBxW分别为评估期第W年电压合格率的检测节点数和系统状态x下出现电压越限的节点数:UⅣi为节点i的额定电压:AUim一a为节点i的最大允许电压偏差:fE2为E2指标因子:KE2为E2的调整系数,通常取KE2=10[1]:E2s为E2的考核值。

本文在进行电网规划方案评估比选时认为电网频率始终合格,取E3=100Ⅹ,取E3指标因子fE3=1。

1.2.3资产等效利用率

资产等效利用率是指电网设备年平均等效满负荷运行率。对于断路器、隔离开关及母线类设备,其等效利用率取为相应设备的可用系数,对于供电线路和变压器设备,其等效利用率可通过电网潮流分析计算得到。

式中,sa(x）为电网状态x下设备a的传输容量。

对于线路j,其额定容量sjⅣ及传输容量sj(x）是基于主变单位容量造价计算得到的折算额定容量[1]。基于上述分析,可得到效能指标(E）因子:

1.3周期成本指标

在基于SEC的电网规划比选中,单台设备a的周期成本(Ca）如下:

式中,C1a、C2a、C9a、C4a及C5a分别为设备a的年度平均投资成本、运行维护成本、检修成本、故障处置成本及报废处置成本,均以等年值表示。其中,C2a又包括维护成本C21a和运行损耗成本C22a:C4a又可分为故障处理成本C41a和故障损失成本C42a。

针对任意设备a,C1a～C5a可在计及通货膨胀率(IR）和社会折现率(DR）的条件下基于LCC的电网规划方案评估方法计算得到。其中,C1a、C21a及C5a主要与物价水平及人力成本有关:C22a主要包括电网运行损耗成本,可由计及电网状态概率的潮流分析得到电网损耗的期望值并结合单位网损成本得到:C9a、C4a可结合电网的可靠性评估计算得到,即相应评估期下,C9a可由计划检修次数乘以单次检修成本得到,C41a可由故障次数乘以单次故障处理成本得到,而C42a可由停电量乘以单位停电损失得到。

对达到使用寿命的设备,假设在其报废的同时以相同设备对其进行更新替换[8],即重新投资。

|

2算例分析

2.1算例配电网基本情况

以某地区10kV配电网为例,基于全寿命周期的SEC量化评估模型对该配电网参与比选的方案一及方案二(图2、图9,虚线框内为新建网架）进行评估,不同方案中相应供电线路的长度如图中所示,不计联络线长度。

等年值[8]表示。其中,C2a又包括维护成本C21a和运行损耗成本C22a:C4a又可分为故障处理成本C41a和故障损失成本C42a。

针对任意设备a,C1a～C5a可在计及通货膨胀率(IR）和社会折现率(DR）的条件下基于LCC的电网规划方案评估方法[2,9,8]计算得到。其中,C1a、C21a及C5a主要与物价水平及人力成本有关:C22a主要包括电网运行损耗成本,可由计及电网状态概率的潮流分析得到电网损耗的期望值并结合单位网损成本得到:C9a、C4a可结合电网的可靠性评估计算得到,即相应评估期下,C9a可由计划检修次数乘以单次检修成本得到,C41a可由故障次数乘以单次故障处理成本得到,而C42a可由停电量乘以单位停电损失得到。

对达到使用寿命的设备,假设在其报废的同时以相同设备对其进行更新替换[8],即重新投资。

|

2算例分析

2.1算例配电网基本情况

以某地区10kV配电网为例,基于全寿命周期的SEC量化评估模型对该配电网参与比选的方案一及方案二(图2、图3,虚线框内为新建网架）进行评估,不同方案中相应供电线路的长度如图中所示,不计联络线长度。

在SEC评估中,主要计及供电线路、开闭所进线断路器(包括联络线断路器）及开闭所母线等三类设备,三类设备的平均使用寿命均为15年。设备的可靠性参数如表1所示。设备规划起始年的经济性参数如表2所示,其他相关参数如表9所示。其中,C1a0、C21a0、C9a0、C41a0及C5a0为规划(评估）初始年的相应成本。

配电网负荷点LP1～LP12的功率因数均为0.85,各负荷点的用户数及负荷大小保持不变,如表4所示。由表4可知,LP4的供电线路为备用线路,正常运行时不带负荷,且电网正常运行时联络线断路器不投入,相应设备的E4j按10%计算。除LP4外,其余负荷点为电压合格率的检测节点。

依据文献的相关规定,当配电网停电负荷达到配电网总负荷的20%时,即认为配电网发生一般事故:当配电网停电负荷达到其总负荷的40%时,即认为配电网发生较大事故:当配电网停电负荷达到其总负荷的60%时,即认为发生重大事故。232算例分析结果

取规划评估年限Nw为设备的平均使用寿命15年,则配电网两个规划方案的SEC相关计算结果如表5所示。表5中,CALL为评估中所有相关设备总的全寿命周期成本（等年值）。

由表5可知,规划方案一的CALL小于方案二,即若以全寿命周期成本最小为目标,则方案一最优:方案二的SEC小于方案一,即在基于SEC的评估中,方案二最优。进一步由表5可知,两个方案电网的事故次数均较低,安全性较好:两个方案电网的供电可靠率均低于E1s,因此两个方案对应的fE1>1,而方案二的供电可靠率高于方案一:两个方案电网的电压合格率均低于E2s,因此两个方案对应的fE2>1,而方案二的电压合格率高于方案一。

由上述分析可知,基于传统的LCC方法难以综合体现规划方案的安全效能水平,具有一定的局限性,而基于全寿命周期SEC的电网规划方案评估方法,能统筹安全、效能、周期成本三者的关系,对配电网规划方案做出更全面的评估。

3结语

本文构建了基于全寿命周期SEC的配电网规划方案量化评估模型,并详细分析了各项指标的计算方法,通过应用于实际配电网规划方案的比选评估,说明基于全寿命周期SEC的配电网规划方案量化评估方法能对电网资产的安全、效能、周期成本进行综合评价和分析,具有较高的实用价值。