基于设备全寿命周期成本与可靠性模型的自动化分段策略

刘炜彬 王文钟

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

配电自动化是打造智能电网的重要内容。馈线自动化是配电自动化的核心内容之一，当馈线发生故障时，能自动实现故障定位、故障隔离和转供电，从而缩短部分用户的停电时问，达到提高配网供电可靠性的目的。理论上，同一回10kV线路上的自动化分段数越多，单个自动化分段的用户数越少，那么故障停电影响范围会越小，而线路整体的可靠性则越高。而另一方面，随着自动化终端设备数量的增加，设备初期投资和后期维护成本随之增大。因此如何选择合适的自动化分段方案，在可靠性提升效果与投入成本之间取得平衡点，实现“精准投资”，成为配电自动化系统规划建设工作的首要问题。

该文提出一种在可靠性目标约束的条件下，优化线路自动化布置策略的方法。对区域内各类线路建立理论分析模型，分别计算各模型在多种布点策略下的全寿命周期投入成本与供电可靠性结果。对各线路模型的不同布置方案间进行排列组合，形成方案库，再根据整体区域总投入与整体可靠性结果，在满足可靠性目标约束条件下，求得最优自动化布点策略。

1 建立中压线路分析模型

为研究配电线路自动化分段的最佳配置方案，根据典型接线方式线路建立“设备全寿命周期成本—可靠性效益”分析模型。目前10kV配电网线路结构较为复杂多样，为其建立具有代表性的线路模型是首先要解决的问题。虽然每年有大量建设改造项目，整个配电网处于动态变化的状态，但总体应朝着提升典型结线与可转供电率方向发展。因此，在建立理论分析模型时，应以地区典型接线为基础。

理论可靠性分析算法采用FMEA算法。FMEA算法是根据配电网结构建立起故障树，假设故障可能出现的所有位置，分析故障发生在不同位置时各用户的停电情况，最后叠加计算各种停电情况下的用户停电指标。配电网元件较多，结构复杂，因此建立模型时应进行等值简化。分析模型建立时，将变电站出线开关、线路、架空开关、公用配电房断路器、变压器、专变用户作为线路主要节点，其他设备元件归入主要节点设备。

2 终端设备全寿命周期成本分析

设备全寿命周期成本（LifeCycleCost，简称LCC），指设备从设计、建设、运行到退役四个过程，整个寿命周期内所消耗的所有成本。而对电网运行单位来说，配电网设备投资已经包括设计、建设成本费用，因此对配电网设备来说，全寿命周期成本（）可以简化为初期投资成本、运行维护费用与报废拆除费用三个部分。配电自动化终端系统全寿命周期成本（）如公式（1）所示。

式中：—配电自动化设备初始投资费用；—配电自动化设备运行维护费用；—配电自动化设备报废拆除费用。

2.1 配电自动化设备初始投资费用（C1）

计算配电自动化设备初始投资费用，应采用综合投资造价，主要分为3个部分：1）自动化选点的开关投资。为配合自动化模式，对开关的选择有一定的配合要求。自动化布点需配置断路器，其余普通主干节点则配置普通负荷开关。自动化设备成本应考虑由此增加的开关成本。2）自动化终端设备本体造价。3）通信设备造价。目前主流的通信模式有光纤通信与无线通信。如果自动化系统采用光纤通信，则须考虑整个光纤网覆盖所有设备造价。对采用无线公网通信的设备，则须考虑无线通信模块、加密模块与月租等成本。

2.2 配电自动化设备运行维护费用（C2）

自动化系统及相关通信设备日常运行维护工作主要包括三个部分：1）人力维护成本。自动化专职维护班组主要负责自动化系统日常维护工作，确保系统稳定运行。维护班组所产生的费用主要为相关人力资源成本。2）自动化设备故障维修费用。自动化设备有一定的概率发生故障，自动化设备故障维修费用为该部分故障后所产生的维修成本。3）备用电源维护费用。目前自动化终端均配有备用电源。为保证故障情况下有足够的电量完成开合动作，自动化终端备用电源须定期进行更换。

2.3 配电自动化设备报废拆除费用（C3）

自动化设备在寿命到期后，须进行拆除及处理回收。因此包括拆除成本与残值回收两个部分。

3 配电网理论可靠性计算

造成用户停电的原因主要有两类：第一类是计划停电，第二类是故障停电。由于配电自动化系统仅在故障停电下动作，因此考量自动化对可靠性的提升效果只考虑由于故障引起的用户停电情况，并以户均故障停电时间作为主要指标。

户均故障停电时间算法采用故障模式影响分析法。故障模式影响分析法（failuremodeandeffectanalysis，FMEA）是配电网可靠性定性评估中最常用的分析方法，该方法列举电网中所有可能发生的故障模式，分析计算其造成的后果，并将对应的故障与后果罗列在故障模式影响表中，获得所需的可靠性指标。

4 算例分析

4.1 线路分组建模思路

为研究不同类型线路的自动化最佳分段策略，方案选择思路如下：1）按线路特征对所有线路进行分组，再根据每组线路的特征参数，分别为其建立线路分析模型。线路平均特征参数包括线路总长、低压用户数、公变台数等数据。根据设备台账统计，某市配电网共有10kV线路613回，根据这些线路的特征参数可分为6个线路组。2）对线路进行分组后，根据不同分组线路的特征参数分别为其建立总共6个线路模型。3）以各分组的线路模型为基础，分别为每个线路组模型编制不同的自动化分段方案，并计算每个自动化分段方案下的理论户均故障停电时间与自动化终端全寿命周期内总投入。4）将6个模型的不同自动化分段方案进行组合，可得出全市自动化分段策略。5）计算每个全区自动化分段方案下的全区户均故障停电时间与自动化终端全寿命周期总投入。6）比较各全区自动化分段策略的户均故障停电时间与自动化终端全寿命周期总投入两项数据，在可靠性目标约束条件下，从中选出符合“精准投资”原则的方案。

各组线路平均特征参数如表1所示。

表1 线路模型特征参数

4.2 分析模型计算边界条件

分析模型计算涉及可靠性计算参数及效益分析参数，具体计算边界条件如下：1）本次分析是建立在主站系统已建成的前提下配电自动化的分段策略研究，仅考虑自动化终端投入成本。2）目前供电企业资产管理相关规定，二次设备寿命为8年，因此设备维护成本按8年计算。3）自动化模式采用电压电流型馈线自动化，通信方式采用无线公网通信。4）基准收益率设为8%。5）某市户均故障停电时间目标为不高于10min，选择方案时以该目标为可靠性约束条件。6）可靠性计算参数所涉及的参数来源于对相关可靠性日志及设备故障日志文件的统计。可靠性计算参数如表2所示。

表2 可靠性计算参数

4.3 模型理论可靠性与全寿命周期成本计算

根据A01~A06组线路模型的特点，分别代入可靠性计算公式，计算各组线路在不同分段方案下对应的户均故障停电时间，并列于表3。对6个分组各分段方案排列组合，形成共540个全区自动化分段方案组合。

表3 各组别不同分段方案理论户均故障停电时间

按单个自动化布点全寿命周期成本计算每分段个方案组合所需的总投资。

4.4 计算结果分析

将每种方案组合方案对应的全寿命周期总投入与整体可靠性结果输入计算机软件，形成散点图如图1所示。

从图1可见，每个点代表一个自动化分段方案组合。从图中可知，在全寿命周期成本相近的情况下，户均故障停电时间越短，说明该方案的可靠性提升效果越好。不同的方案组合之间可能存在全寿命周期成本相近的情况，由于不同组别线路自动化分段方案不同，因此整体可靠性效果差异较大。在同样或相近的投入下，分布在图形底部的方案组合所表现出来的户均故障停电时间比其他成本相近的方案效果更好，因此可以看作是在该投入水平下的最优方案。将各投入成本下的最优方案组成“成本-效果”最优效果方案曲线，代表了在不同成本下可达到的最优可靠性效果方案，如图2所示。

图1 各自动化分段方案的成本与效果分布情况

图2 自动化分段最优方案曲线

组成自动化分段最优方案曲线的，共有21个方案组合。最成本最小（为18366万元）的1号方案组合，所有线路采用两分段方案，户均故障停电时间为12.28min；成本最高（为36701万元）的方案组合，为全部主干节点均布自动化方案，户均故障停电时间为4.27min。从曲线趋势来看，随着投资水平上升，曲线斜率逐步趋缓，表明户均故障停电时间下降幅度减少，也就是说单位投资可靠性提升效果会逐步下降。

根据每个方案的全寿命周期成本与对应的户均故障停电时间，计算每增加百万元投入相应的户均故障停电时间下降幅度计算公式，如公式（2）所示。

式中：ΔC为2个投资相近方案间的投资增加值，Δt为对应的户均故障停电时间下降值。

该指标数值的高低可以反应投资效率的变化情况。投资效率的变化并不是平缓下降的，而是存在2个变化较为明显的点。

从各个最优方案的具体分段策略来看，在同等投资水平下，优先把更多的投入放在用户数较多的线路上，可以正好提升整体可靠性水平。

在制定自动化布置策略时，应遵循以下原则：1）可靠性总体水平应满足地区供电可靠性目标，并考虑模型与实际线路的差异情况，方案的选择应留有一定的裕度。2）遵循“精准投资”的原则，排除投资效率过低的方案，避免盲目投资浪费。3）考虑将自动化布置策略纳入规划技术导则，因此方案须具备一定的延续性，易于规划人员清晰执行，避免自动化布置策略过于复杂。

算例地区选择第5号方案作为自动化布点策略。原因如下：1）从各方案来看，自动化投资存在边际效应，增加单位投资所带来可靠性提升效果逐步降低。2）该方案整体理论户均故障停电时间为7.28min，达到故障户均故障停电时间10min以内的目标且留有一定裕度。3）该方案将目标地区内10kV线路，按用户数划分为3档，分别按2分段、3分段、4分段作为自动化分段原则。

5 结语

该文提出了一种在可靠性目标约束条件下，基于设备全寿命周期成本与总体可靠性提升效果优化比较模型的自动化分段策略研究，详细分析了如何针对目标区域内所有中压配电网线路，根据用户分布情况进行分组，并为各组线路建立条件相应分析模型。根据各模型不同自动化布点方案之间的排列组合，形成多个组合方案。再通过比较，在满足可靠性目标前提下，选择最优方案组合。可得到如下结论：1）从全寿命周期成本与可靠性效果最优方案来看，自动化系统投入成本存在边际效应，增加投入成本所带来的可靠性提升效果逐步下降。因此，对自动化投入成本并非越多越好。应根据可靠性目标找到一个投入成本与提升效果的平衡点。2）中压配网自动化的分段策略应根据线路总用户数的不同而进行差异化制定。对用户数较少的线路，仅设置两个自动化分段。将建设资金重点投入用户较多的线路，在线路上布置更多的自动化分段，则对整体可靠性效果提升较为明显。3）应用该文所提出的方法制定自动化分段策略时，可根据不同地区网架特点对模型进行调整。模型的计算结果会根据边界条件的变化而变化，影响较大的为线路的特征参数。因此线路特征参数是影响模型分析准确度的关键，建模时应确保线路特征参数的准确性。