配网自动化系统可靠性成本效益分析.pdf

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1、第42 卷 第6 期 电力系统保护与控制 Vol.42 No.6 2014年3月16日 Power System Protection and Control Mar.16,2014 配网自动化系统可靠性成本效益分析 王宗耀1，苏浩益2（1.南昌工程学院，江西 南昌 330099；2.湘潭供电公司，湖南 湘潭 411104）摘要:提高配电系统供电可靠性是智能电网建设的重要目标，由于受多种因素的影响，供电企业为了提高配电网供电可靠性的投资行为具有较大的风险。在阐述了配电自动化系统的基本原理和结构特点的基础上，提出了配电自动化系统可靠性成本效益综合分析模型。结合配电系统可靠性的工程计算方法，通过对

2、配电自动化系统在提高系统供电可靠性方面的成本和效益进行定量计算，结合正态云理论对配电自动化系统改造方案进行经济性评估，定义了多个综合评价指标，为电力管理工作者提供智能决策支持。通过对一个实际的配电系统进行计算分析，表明该模型具有较好的实用性和可行性。关键词：配电网；配电主站；可靠性；配网自动化；云理论；配电终端 Cost-benefit analysis model for reliability of distribution network automation system WANG Zong-yao1,SU Hao-yi2 (1.Nanchang Institute of Techno

3、logy,Nanchang 330099,China;2.Xiangtan Power Supply Bureau,Xiangtan 411104,China)Abstract:To improve the power supply reliability of distribution system is an important goal of smart grid construction.Due to various influencing factors,it is of great risk for the power supply enterprise to invest in

4、improving the distribution network power supply reliability.By elaborating the basic principles and structure characteristics of the power distribution automatic system,a new cost-benefit analysis model for reliability of distribution network automation is presented.Combined with the engineering cal

5、culation method for distribution system reliability,the quantitative calculation of the costs and benefits of improving distribution system reliability is conducted,the economic evaluation of the modification scheme for distribution automation system is made based on normal cloud theory,and multiple

6、 comprehensive evaluation indexes are defined,which provides intelligent decision support for power management layer.An actual distribution system example analysis shows that the model has better practicability and operation.Key words:distribution network;master station of distribution automation sy

7、stem;reliability;distribution automation;cloud theory;remote terminal unit of distribution automation system 中图分类号：TM72；TM712 文献标识码：A 文章编号：1674-3415(2014)06-0098-060 引言 智能电网涉及发、输、变、配、用、调度等环节，其中配网自动化作为智能配电网的重要内容之一，其基本功能是提高配电网供电可靠性、扩大供电能力、实现配电网经济高效运行1-4。电网公司通过配电网向电力客户输送电能，所有用户都期望以较低的价格购买到具有较高可靠性的供电服务。

8、为了提高供电可靠性并减小停电损失就必须增加配电网的建设投资成本，但如果所增加的投资高于所减少的用户停电损失,那么这种投资就不是合理的举 基金项目：江西省教育厅基金（GJJ13769）；江西省科技厅基金（2011BAB206036）措。对配电自动化系统的可靠性进行定量分析，并对其投资的可行性进行评估具有重要的意义。配网可靠性计算引起了广大学者的关注5-11，但是对提高系统可靠性的成本和效益进行分析的报道却相对较少。文献12分析了基于电缆故障指示器构建的初级配电自动化系统的停电损失费用及可靠性的计算方法，对配电自动化工程的综合效益分析进行了有益的尝试，但是基于电缆故障指示器构建的配电系统并不具备由

9、配电终端和主站构成的配电自动化管理系统具有的功能和特点。为了保证配电网自动化改造项目的经济性和合理性，本文综合分析了基于配电终端和主站构成的配电自动化系统的成本和效益值，定义了配电自动化系统可靠性投资成本效益比和配电自动化系统可靠性投资净利润 王宗耀，等 配网自动化系统可靠性成本效益分析 -99-值两个综合评估指标，引入正态云理论进行系统经济性评估，以期规避配网自动化项目的投资风险，为电力工作者提供科学的决策依据。1 配电网自动化系统简述 配电自动化系统主要由配电主站、配电终端、配电子站和通信通道等部分组成，实现对配电网的运行监视和自动控制。配电主站是配电自动化系统的核心部分，主要实现配电网数

10、据采集与监控等基本功能和电网分析应用等扩展功能。配电子站是为优化系统结构层次、提高信息传输效率、便于配电通信系统组网而设置的中间层，实现所辖范围内的信息汇集、处理或故障处理、通信监视等功能。配电终端是安装于中压配电网现场的各种远方监测、控制单元的总称，主要包括配电开关监控终端FTU、配电变压器监测终端TTU、开关站和公用及用户配电所的监控终端DTU等。2 配电自动化系统可靠性成本效益分析 2.1 配电网可靠性计算方法 配电网供电可靠性指标主要包括：系统平均停电频率SAIFIb(次/户年)；系统平均停电持续时间SAIDIb(小时/户年)；平均供电可靠率RSb(%)；平均停电缺供电量AENSb(k

11、Wh/户年)。采用近似估测算法8得到馈线i的可靠性指标为 SAIFI,1SAIDI,1AENS,SAIDI,RS,SAIDI,(18760)100%ttN iiijtijN iiijtijisiieiiibNbTNbP bNbb （1）式中：ij、ijT分别表示馈线i上节点j的平均年停运率(次/年)和平均年停运时间(小时/年)；siP表示馈线i上的总负荷(kWh)；tiN、eiN分别表示馈线i上的总负荷节点数和总用户数。当系统有 n 条馈线时，供电可靠性指标为 SAIFISAIFI,ee11SAIDISAIDI,ee11AENSAENS,ee11RSSAIDI()()()(18760)100%

12、nniiiiinniiiiinniiiiibbNNbbNNbbNNbb （2）2.2 提高配电网供电可靠性的成本和效益 进行配电系统可靠性成本效益分析时，故障率期望值、停电时间期望值以及系统在不同运行方式下给电力用户造成的少供电总和等是主要的影响因素。而系统的运行和检修策略、网络结构、电力元件的组合方式以及各种元件的可靠性对影响因素又有决定性的作用。设元件i的平均故障率为i，各元件是相对独立的，作为供电企业少供电量就意味着减少了相应的收入，提高供电可靠性就可以缩短系统停电时间，从而增加售电量，因此停电后系统的少供电量较好地反映了提高供电可靠性的经济效益，本文用少供电量的费用fB作为进行配电自动

13、化系统改造后提高配电网可靠性的经济效益。1()()wfiffiffififiBP atb tt （3）式中：w表示造成节点f处供电中断的所有故障元件数目；ift表示元件i故障后造成节点f的供电中断时间；fP表示节点f处由于停电引起的少供电力；()fifat、()fifbt分别表示停电时间为ift时对节点f少供电力和电量的费用值13，单位分别是元/kW、元/kWh。配电自动化系统的成本zC包括系统的一次性初始投资值和运行维护费用。为了便于比较，将初始投资现值转化为等年值进行经济评价。配电自动化系统的初始总投资现值0C对应的等年值1C可表示为 10(1)(1)1aaCC+-（4）0zhuzzzdt

14、xCCCCC+（5）zdFTUDTUTTUCCCC=+（6）式中：zhuC表示配电主站的初始投资值；zzC表示配电子站的初始投资值；zdC表示配电终端的初始投资值；txC表示通信系统的初始投资值；FTUC表示馈线终端的初始投资值；TTUC表示配变终端的初始投资值；DTUC表示站所终端的初始投资值；r表示投资回收率；a表示配电自动化系统的经济使用年限。配电自动化系统的年运行维护费用2C为 21 bCC c=（7）-100-电力系统保护与控制 式中，bc表示配电自动化系统每年的运行维护费用占初始投资值的百分数。z12CCC=+（8）定义配电自动化系统可靠性投资成本效益比cbC为 cbzfCCB=（

15、9）定义配电自动化系统可靠性投资净利润值jingC为 jingzfCBC=-（10）对于某一个具体的配电网，由于少供电力和电量的费用值系数是一个相对确定的值，定义如下指标对配网自动化系统提高供电可靠性的特征进行分析。定义配电自动化系统的增售电量比zsB为 zszgzongBEE=（11）式中：zgE表示实施配网自动化系统以后的增售电量值；zongE表示总售电量值。定义配电自动化系统的电量挽回系数whB为 whzgzgtd()BEEE （12）式中，tdE表示实施配网自动化系统以后的停电电量值。定义配电自动化系统的电量损失系数ssB为 sstdtdzg()BEEE=+（13）定义配电自动化系统的

16、带电作业增售电量比ddzsB为 ddzsddzgzgBEE （14）式中，ddzgE表示实施配网自动化系统以后由于开展带电作业方式增加的售电量值。定义配电自动化系统的转供增售电量比zgzsB为 zgzszgzgzgBEE=（15）式中，zgzgE表示实施配网自动化系统以后由于开展负荷转供方式增加的售电量值。定义配电自动化系统的合理停电增售电量比hlzsB为 hlzshlzgzgBEE=（16）式中，hlzgE表示实施配网自动化系统以后由于开展合理停电计划增加的售电量值。2.3 基于正态云理论的评估方法 云理论巧妙地将事物的模糊性和随机性统一考虑，通过期望值xE、熵nE、超熵eH等三个数字特征表

17、示一个概念14-16。逆向云发生器是对定量数值和定性概念进行不确定性转换的数学模型，实现了从定量到定性的映射。逆向云发生器的算法步骤为 1）由N个数据ix计算出该组数据的样本均值11NiiXxN，一阶绝对中心矩11NiixXN，样本方差2211()1NiiSxXN。2）计算xEX。3）计算112NnixiExEN。4）计算22enHSE。正向云发生器的算法步骤是：1）产生一个期望值为nE、标准差为eH的服从正态分布的随机数22enHSE。2）产生一个期望值为xE、标准差为nE的服从正态分布的随机数ix。3）计算22()exp()2()ixinxEuE,(ix,iu)构成云滴。4）重复上述步骤，

18、直到产生预先设定的M个云滴为止。通过分析计算后得到的成本效益比cbC和净利润jingC两个指标，当净利润大于等于0时或者是当成本效益比小于等于1时，说明投资配电网自动化改造项目是可行的。根据某一个电量的费用值系数可以得到一个净利润值和成本效益比，因此结合N个电量的费用值系数就可以得到N个净利润值和N个成本效益比，将它们分别输入一维逆向云发生器中就能够得到配电自动化系统投资风险分析云模型的三个特征参数。结合云模型特征参数的含义，就可以确定投资行为的可行性，找到实施配电自动化系统的理想投资方案。3 算例分析 本文选用南方某市一配电自动化示范系统进行分析。该网络具有18条10 kV线路、164台10

19、/0.4 kV配电变压器、54台柱上开关、98台环网柜、通信系 王宗耀，等 配网自动化系统可靠性成本效益分析 -101-统采用全光纤通信模式。该系统在突发故障情况下，故障类型判断、故障隔离以及恢复非故障区域供电的总操作时间平均为3 min，系统初始投资2407.5万元。设线路出现故障的概率与线路长度成正比，故障率为每年每公里0.1次；少供电力的费用值为2元/kW、少供电量的费用值为30 元/kWh(当停电时间小于等于1 h时)或者是80 元/kWh(当停电时间大于1 h时)；实施配电自动化改造前确定故障类型、故障位置以及排除故障的倒闸操作时间的总和是1 h，故障修复总时间是3 h。通过备用电源

20、进行负荷转供时，备用电源可以承担全部负荷。设系统投资回收率为8%，经济使用年限为15年，年运行维护费用占初始投资值的3%，该系统的总成本为289.622 3万元/年。按照前文所提方法，计算出该系统在实施配网自动化改造前后整个系统的年停电损失费用、平均停电频率、平均停电持续时间、平均供电可靠率、平均停电缺供电量，在此基础上对系统可靠性成本效益进行计算。系统供电可靠性指标及年停电损失费用结果如表1所示。表1 计算结果 Table 1 Calculation results 指标 改造前 改造后 系统平均停电频率/(次/户年)0.125 4 0.125 4 系统平均停电持续时间/(小时/户年)0.8

21、93 6 0.812 7 平均供电可靠率/%99.989 799 99.990 723 平均停电缺供电量/(kWh/户年)147.92 106.05 年停电损失/(万元/年)398.75 299.06 从表1中数据可知，实施配电自动化改造以后平均停电持续时间减少了0.080 9 h/户年，平均供电可靠率提高了0.000924%，平均停电缺供电量减少了41.87 kWh/户年。综合分析后可知，该系统可靠性投资成本效益比为0.968 4，净利润为9.437 7万元/年。因此投资该系统实施配电自动化改造是一个较好的选择。从上文的分析可知，停电损失费用与电量的费用值系数直接相关，在其他参数固定的条件下

22、，系统实施配电自动化改造以后，系统的净利润与电量的费用值系数的关系如表2所示。表2 净利润与电量的费用值系数的关系 Table 2 Relationship between net profit and power consumption cost coefficient 电量的费用值系数 5 20 40 50 系统实施配网自动化改造后的净利润/万元-0.847 2 0.912 7 23.501 9 40.523 5 从表2中数据可知，随着电量费用值系数的增加，系统的净利润呈现出增长趋势，这表明对于一个配电系统，当该区域的经济状况发展较好，停电时电量的费用值系数较大时，配电网自动化系统改造工程

23、具有较好的投资前景。取电量的费用值系数为1至50的整数值，得到系统实施配网自动化改造以后的成本效益比，构成配电网可靠性经济性评价云模型的50个云滴，通过逆向云发生器，计算出由这50个云滴构成的成本效益比云模型的三个特征参数，然后利用正向云发生器得出成本效益比的正态云图形，如图1所示。图1 系统成本效益比的正态云模型图 Fig.1 Normal cloud model for the ratio of system benefit and cost 从图1中可知，云中心附近的数值隶属度较高云层较薄，取值较为确定。在云的两端云层较厚且隶属度分布范围较大难以确定，反映了成本效益比的模糊性以及隶属度的

24、随机性，同时也可以看出该系统实施配网自动化改造以后的成本效益小于1的概率都较大，对该系统实施配网自动化改造是科学合理的。采取带电作业检修方式可以降低设备检修情况下对于用户的停电范围和停电时间。在其他参数保持不变，采取带电检修方式的条件下，计算出该系统在实施配网自动化改造前后整个系统的年停电损失费用和可靠性指标值，结果如表3所示。系统的净利润与电量的费用值系数的统计结果如表4所示。表3 带电作业条件下的计算结果 Table 3 Calculating results on condition of live working 指标 改造前 改造后 系统平均停电频率/(次/户年)0.125 4 0.

25、125 4 系统平均停电持续时间/(小时/户年)0.820 9 0.765 1 平均供电可靠率/%99.990 629 99.991 266 平均停电缺供电量/(kWh/户年)109.43 95.21 年停电损失/(万元/年)373.81 290.95-102-电力系统保护与控制 表4 带电作业条件下配电系统净利润与电量的 费用值系数的关系 Table 4 Relationship between net profit and power consumption cost coefficient on condition of live working 电量的费用值系数 5 20 40 50

26、系统实施配网自动化改造后的净利润/万元-1.069 4 0.124 6 10.320 5 27.960 7 从表3中数据可知，在采取带电检修方式的条件下实施配电自动化改造以后平均停电持续时间减少 了 0.0558h/户 年，平均 供电可 靠率 提高 了0.000637%，相对于常规检修方式，实施配电自动化改造前系统平均供电可靠率提高了0.000829%，实施配电自动化改造后系统平均供电可靠率提高了0.000543%，设备采取带电检修方式以后，可以较有效地减少电网停电时间，提高供电可靠性。综合分析后可知，该系统可靠性投资成本效益比为0.995 4，净利润为1.327 7万元/年。同样的方法，利用

27、正向云发生器得出带电检修方式下实施配电自动化改造以后的成本效益比的正态云图形，如图2所示。图中云相对于图1云的右端更加接近1，这是由于实施带电检修作业以后，系统的可靠性有了一定的提高，在此基础上进行配网自动化改造的效益值相对较小的结果。图2 带电作业条件下系统成本效益比的正态云模型图 Fig.2 Normal cloud model for the ratio of system benefit and cost on condition of live working 以该配网运行 2 年来的实际数据为基础，对配网自动化系统提高该地区供电可靠性的特征进行分析，统计结果如表 5 所示。从表 5

28、 中的数据可知，该地区的配网自动化系统运行 2 年来，系统增售电量比平均值为 3.425%，电量挽回系数平均值为 28.725%，电量损失系数平均值为 57.18%，带电作业增售电量比平均值为15.465%，转供增售电量比平均值为 22.22%，合理停电增售电量比平均值为 51.865%。整个系统的供电可靠性得到了有效的提高，系统具有较好的经济性。表5 统计结果 Table 5 Statistical results 指标 2011年计算值 2012年计算值 增售电量比/%3.21 3.64 电量挽回系数/%27.82 29.63 电量损失系数/%54.09 60.27 带电作业增售电量比/%

29、14.69 16.24 转供增售电量比/%19.35 25.09 合理停电增售电量比/%54.08 49.65 4 结论 本文将配电自动化系统的一次性初始投资值和运行维护费用作为提高配网供电可靠性的成本，将系统的少供电量作为进行配电自动化系统改造后提高配电网可靠性的经济效益，在此基础上定义了配电自动化系统可靠性投资成本效益比和投资净利润值两个评价指标特征参数，从宏观层面对系统进行对比分析。定义了配电自动化系统增售电量比、电量挽回系数、电量损失系数、带电作业增售电量比、转供增售电量比、合理停电增售电量比等参数，从微观角度统计配网自动化系统的可靠性效益，更加准确地进行绩效考核，提高电力企业的精益化

30、、专业化管理水平。创造性地引入正态云理论对项目进行经济性评估，深入挖掘系统的投资空间，为电网规划人员和管理层提供科学的决策依据。参考文献 1 余贻鑫,栾文鹏.智能电网述评J.中国电机工程学报,2009,29(34):1-8.YU Yi-xin,LUAN Wen-peng.Smart grid reviewJ.Proceedings of the CSEE,2009,29(34):1-8.2 庄伟,牟龙华.智能配电网信息物理融合保护系统的研究J.电力系统保护与控制,2012,40(4):113-118.ZHUANG Wei,MU Long-hua.Study on cyber-physical

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