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              • 業界投資配電設備數字化回報怎樣?施耐德電氣的研究人員發布分析成果
                2021-06-07 作者:王照 劉浩  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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                導語施耐德電氣(中國)有限公司的研究人員王照、劉浩,在2020年第12期《電氣技術》上撰文,針對配電設備生命周期管理以及配電設備數字化的生命周期成本進行了探討。配電設備的數字化有助于配電系統自動化和配電設備運維水平的提高,但數字化是否有投資回報需要定量的分析。 作者從配電設備的生命周期管理理論入手,分析了配電設備生命周期管理的關鍵問題,包括配電設備對供電可靠性的影響、配電設備維護及其生命周期成本。通過計算配電設備數字化的生命周期成本,本文量化地分析了配電設備數字化的投資回報??傮w上,配電設備的投資回報是正的,對于重要負荷,配電設備的投資回報較好。

                配電網是電力系統中承上啟下的重要環節,隨著分布式電源日益增多,其作用愈加關鍵。配電設備一直存在點多面廣、運檢難度大、運檢人員相對較少的特點。在電網公司越來越重視提質增效的背景下,配電設備的投資回報受到了有關人士更多的關注。

                生命周期管理(life cycle management, LCM)以提升整體績效為目標,適用于配電設備的管理。國內外在配電設備生命周管理方面進行了很多研究,并且隨著市場和技術進步而深。本文通過分解配電設備的成本及收益,計算配電設備的生命周期成本,定量地評估配電設備的投資回報,指導配電設備的選型、技術要求和運行維護管理等。

                1生命周期理論

                有學者將LCM描述為一種應用于工業和服務業的管理概念,旨在改善產品和服務,同時增強企業及其價值鏈的整體可持續發展。

                一般可將生命周期分為前期(beginning of life, BOL)、中期(middle of life, MOL)和末期(end of life, EOL)。生命周期的前期主要包括設計和生產,中期主要包括使用和維護,而末期則涉及回收再利用和廢物處理等。

                具體到某個產品,產品全生命周期管理(product lifecycle management, PLM)是指管理產品從需求、規劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養直到回收再用處置的全生命周期中的信息與過程。

                電力設備在項目中的生命周期各個階段見表1。對于某項目而言,生命周期的前期還包括定制化產品的設計。電力設備生命的中期是設備生命周期跨度最長的部分,也是項目整個生命周期時間最長的部分。

                一般情況下,項目的生命周期末期和電力設備的生命周期末期并不一致,以電力二次設備為例,其生命周期一般小于15年,而項目生命周期一般大于30年,在項目的整個生命周期中,一般會包括多個設備的生命周期。為方便表示,表1描述的是一個特例,即項目生命周期等于設備生命周期。

                投資配電設備數字化回報怎樣?施耐德電氣的研究人員發布分析成果

                表1 電力設備在項目中的生命周期

                設備的生命周期管理是資產管理的重要組成部分。有學者在研究中指出,資產管理卓越是實現最佳解決方案的性能、風險和成本之間的平衡。不同設備類型對于資產管理的需求是有差異的。

                以基礎設施為例,其對資產管理的需求集中在:①按地理位置顯示資產層次結構和數據;②折舊和維護預測重點。從全生命周期角度評估資產管理的成效,可以更清晰地識別設備從采購到退役的整體花費,而非只簡單關注設備價格。

                有學者對資產管理各個環節的流程進行了詳盡的介紹。有學者研究了一種基于圖數據庫的電力設備全生命周期管理系統。

                國內外在生命周期管理以及電力設備的生命周期管理方面已經進行了較多研究,但針對配電設備的研究還有待繼續完善。本文重點研究配電設備的整體性能以及采用數字化技術改善性能的生命周期成本,從投資回報的角度分析配電設備生命周期管理,為配電設備數字化配置提供量化的技術經濟指導。

                2 配電設備生命周期管理的關鍵問題

                隨著分布式發電、儲能、電力電子等技術的發展,電力系統的形態已經發生了深刻的變化。分布式電源(包括儲能)的增加,使得連接傳統輸電網、負荷以及新的分布式電源的配網變得更加重要。

                作為配電系統的重要組成部分,配電設備的品質是配電系統性能的關鍵影響因素。從全生命周期管理的角度,配電設備比以往更加重視對于整體供電質量的貢獻,更加重視設備自身的運行和維護,也更加重視全生命周期成本。

                01 配電設備對供電可靠性的影響

                電力設備的目標之一是對電力系統的整體供電質量有幫助。電力系統的供電質量有兩個方面是比較關鍵的,一個是供電可靠性,另一個是電能質量。這兩點也是定制電力的主要部分。電力系統的關鍵需求之一是供電可靠性(或者供電連續性)。行業標準給出了系統平均停電可靠率的計算。

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                對某負荷點,供電可靠率的計算如上。

                從式(3)可以看出,電力設備的可用率與平均停電小時數直接相關,選擇高品質的電力設備可以直接減少停電頻率。而故障恢復時間則與配電網的拓撲結構以及自動化技術相關。

                如果配電網具有冗余的結構和轉供電的容量,那么在配電自動化技術的支持下,就可以完成故障定位、隔離和負荷轉供,從而減小停電范圍,縮短故障后恢復供電所需時間。

                供電可靠性的提升需要配電網及配電設備的投入。以配電網為例,增加配電網的分段和遙控開關可以為配電自動化奠定故障自動恢復處理的基礎,但同時會增加配電設備的資金成本。根據負荷重要程度,即停電損失的程度,可以計算出投入產出比最高的遙控開關的數量。

                02 配電設備的運行維護

                配電系統的平均年停電時間除了平均年故障停電時間,還有平均年預安排停電時間,具體計算如式(4)所示。而平均年預安排停電時間是配電設施預安排停運率及其恢復供電時間的乘積和。有學者分析了減少客戶預安排停電時間的方法,包括開展帶電作業、優化停電計劃和作業等。

                設備的預期壽命和可靠性往往會受到多種因素的影響,如環境條件(溫度、空氣污染、通風情況等)、生產工藝環境(震動、沖擊性負載等)、運維管理狀況(巡檢、維護質量等)。運用先進的設備維護可以改善設備運行狀態,減少預安排停電時間,甚至延長設備的壽命。

                有學者對維護類型進行了定義。在固有可靠性特征沒有變化的情況下,故障前進行的維護是預防性維護,故障后進行的維護是矯正性維護(或事故后維修)。在預防性維護中,如果對狀態有監測,可以實現基于狀態的維護。進而,如果對狀態劣化的發展有預測,就可以實現預測性維護。

                預測性維護是利用先進的傳感器和儀表技術,以及這些技術所提供的持續分析的功能來對設備進行的狀態維護。它代表著“及時”(just-in-time)原則在預防性維護中的應用。預測性維護可以減少(但并非完全取消)周期性的維護活動。

                后者要求按照固定時間間隔進行停電檢修,且不得少于嚴格規定的最低標準。從被動響應式維護到預防性維護,再到預測性維護,代表著維護能力更加成熟,同時其投入的成本也從低到高。采用哪種維護類型,與負荷的關鍵程度密切相關。對于醫療、金融、電子等重要負荷,先進的維護會具備更高的性價比。

                03 配電設備的生命周期成本

                設備的生命周期成本(life-cycle cost, LCC)[16]是指一個項目或系統在整個生命周期內所需要的總費用。設備生命周期成本既包括購置成本(capital expenditure,CAPEX),也包括運營成本(operational expenditure, OPEX),而后者在設備的整個生命周期成本中占比更大,往往是設備購置成本的數倍。

                配電設備的生命周期成本主要由購置成本(記作CAPEX1)、可能的升級改造成本(記作CAPEX2)、運行成本(記作OPEX1)、設備故障停電引起的電量損失成本(記作OPEX2)、故障停電引起的用戶損失成本(記作OPEX3)、檢修成本(記作OPEX4)、檢修停電引起的電量損失成本(記作OPEX5)、改造/升級成本(記作CAPEX2)以及退役成本等組成,見表2。CAPEX和OPEX合在一起,稱為總擁有成本(total cost of ownership, TCO)。

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                表2 生命周期成本的組成部分

                其中,OPEX3用于表示配電設備故障停電引起的商業、生產過程等的損失。該成本可以引用行業統計分析數據,例如對用于商業樓宇的配電設備,根據2017年我國一些典型的商業坪效數據,購物中心的平均坪效為1500~2500元/(月?m2),配電配比為0.1kW/m2,配置系統為0.8,則每電度停電引起的用戶損失約為35元/kW.h。

                綜上所述,在配電設備的全生命周期采用高品質的配電設備及配電自動化可以提高供電可靠性,采用先進的維護技術可以提高配電設備的維護水平,而綜合考慮配電設備的生命周期成本與設備對于整體性能的貢獻,可以在成本和性能之間找到更好的平衡點。

                3 配電設備數字化的生命周期成本分析

                隨著配電技術的發展,配電設備在產品可靠性、數字化等方面的研發和應用都取得了豐碩的成果,如圖1所示。配電設備的數字化有3個主要方面:

                ①配電自動化的支撐技術,包括配電設備運行控制相關的遙測、遙信和遙控能力,由電壓/電流互感器(或者傳感器)、電動操作、保護控制設備等組成,在邊緣層通過數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)系統、配電終端、臺區終端等形成邊緣計算能力,并且能接入配電主站實現配電自動化功能;

                ②資產管理的支撐技術,包括配電設備維護相關的狀態監測能力,由關鍵狀態信息的傳感器等組成,在邊緣通過主動運維單元等形成就地的設備健康狀況分析和預警,并且能接入生產管理系統或者物聯網平臺實現資產管理功能;

                ③綜合能源服務的支撐,例如微電網監控和能量調度系統。

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                圖1 配電設備的數字化

                配電設備的數字化使得設備具備了全局感知能力,使運維人員不僅可以獲得系統的電氣量信息,而且可以獲得設備的健康狀態信息。這些信息可以優化系統或設備的運行和維護,提高系統的可靠性,減少年平均停電時間。

                當然,高品質配電設備及其數字化是有成本的,對于配電設備的數字化是否具有經濟性這一問題,通過生命周期成本的計算可以給出一個定量的判斷依據。

                以有關研究文獻中10kV開關站典型設計KB-1為例,單母線分段,2進線,12饋線,開關設備選用金屬鎧裝移開式。饋線容量為1000kVA,負載率為30%。居民電價按照0.488元/kW.h,商業電價按照工商業電價的平價0.7697元/kW.h。

                在設備數字化前,供電可靠率按照2018年全國除計劃單列市、副省級市外的各地級行政區用戶平均停電時間為16.16h/戶、年運維成本按照設備成本的5%考慮,檢修時長假設為40h。

                在數字化后,供電可靠率按照雙電源自動切換計算,維護時長的減少按照狀態監測覆蓋的缺陷類型估計(全面采用溫度、局放、結構電氣元件等狀態監測技術,約覆蓋83.2%的主要缺陷)。在計算中,OPEX按照年均成本計算,而CAPEX按照等年值計算。退役成本在本次計算中未作計算。

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                表3 10kV開關站數字化的LCC分析

                從表3可以看出,對于一個開關站,設備數字化總體的投資回報是正的。在年均成本節約中,年均故障引起的停電損失占主要部分,這反映出配電自動化技術的重要性。負荷類型是影響投資回報計算的重要因素,因為故障停電的損失占比較大,負荷越重要,則停電損失占比越大。重要負荷的數字化投資回報會更快。

                為進一步評估不同狀態監測技術的性價比,本文基于居民電價對不同的狀態監測技術的技術經濟性進行了對比,見表4。

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                表4 狀態監測的LCC分析

                結果顯示,根據文獻提供的配電設備缺陷比例的數據,不同狀態監測技術的技術經濟性差異比較大,其中溫度和機構電氣元件狀態監測的性價比較高。結合表3的結果,測溫和機構電氣元件狀態監測的投資回報超過了設備數字化的平均投資回報水平。

                需要注意的是,本文的計算結果基于狀態監測技術檢出率和有效性為100%的理想狀態,具體的設備其效果會有所差異。另外,投資回報差異主要是受狀態監測技術的成本影響。隨著狀態監測技術的發展,成本逐漸降低,經濟性會有所提高。

                4 結論

                電力公司正在進行數字化轉型,同時越來越重視投資的效益。配電設備在電力公司中是數量最多的設備,配電設備的生命周期成本對于電力公司管控投資、提高收益是非常重要的。

                本文探討了配電設備的生命周期管理,通過對生命周期成本的分解可知,配電設備數字化的生命周期成本是可以量化計算的。

                該分析可以為電力公司選擇收益更好的配電設備以及配電設備的數字化功能提供指導。配電設備的生命周期成本分析可以進一步細化到具體的用戶類型、負荷類型以及電力質量需求,從而計算配電系統及配電設備數字化的最優配置,為最終用戶提供高性價比的定制電力。

                本文編自2020年第12期《電氣技術》,論文標題為“配電設備生命周期管理研究”,作者為王照、劉浩。

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